< Terug naar vorige pagina

Project

Innovatie in ionenbundelanalyse voor nano-elektronische materialen

Nano-elektronica vertrouwt steeds meer op nieuwe materialen en architecturen voor technologische vooruitgangen op vlak van vermogen, kost en oppervlak. De functionaliteit van de apparaten hangt af van de samenstelling van en hoeveelheid onzuiverheden in de materialen van de apparaten, waarbij het regelen van de concentraties met een hoge nauwkeurigheid essentieel is om de prestaties van het apparaat aan te passen. Daarnaast is het van cruciaal belang om de apparaten en substraten op relevante schaal te karakteriseren, gezien het aangetoond is dat samenstellingen mogelijks afhangen van de grootte en dat atomaire oppervlaktedichtheid substraatafhankelijk kunnen zijn. Ionenbundelanalyse, in het bijzonder elastische terugslagdetectie (elastic recoil detection, ERD) en Rutherford-terugverstrooiingsspectrometrie (Rutherford backscattering spectrometry, RBS), is bekend voor het bieden van samenstelling-kwantificatie als een functie van diepte in het doelwit. Echter, in ionenbundelanalyse, is de resolutie in massa en diepte gelimiteerd door de prestaties van de detector. De laterale resolutie is beperkt door de brede dimensies van de primaire bundel, waarbij RBS analyses gebruikelijk op deklagen gebeuren. De gevoeligheid voor atomaire oppervlaktedichtheid wordt gelimiteerd door telstatistieken en achtergrondruis.

Het doel van het werk in deze thesis is om ionenbundelanalyse uit te breiden voor de volgende generatie van nano-elektronica-apparaten door middel van vier belangrijke vooruitgangen op vlak van massaresolutie, gevoeligheid, laterale resolutie, en diepteresolutie.

De massaresolutie bij ERD is gelimiteerd door de prestaties in de detectorresolutie, waarbij naburige elementen in het periodiek systeem overlappende terugslagdistributies hebben. Dit bemoeilijkt de kwantificatie van de atomaire oppervlaktedichtheid bij terugslagen met een klein verschil in massa. Een procedure voor het onderscheiden van massa’s werd ontwikkeld dat de overlappende signalen deconvolueert. We tonen aan dat bij ERD een resolutie van 1 amu bekomen kan worden met dit massa-onderscheidingsalgoritme.

Bij RBS wordt de gevoeligheid voor lage hoeveelheden materiaal verhoogd door het verminderen van de achtergrond ten gevolge van opstapeleffecten, dus door het verhogen van de signaal / ruis-verhouding. Opstapelachtergrond hangt sterk af van de telsnelheid, waarbij het verbeteren van de achtergrond een lage telsnelheid eist. De telsnelheid kan verlaagd worden door het segmenteren van het actieve oppervlak van de detector en het nemen van de data door meerdere apparaten, of door de uiteenjagende krachten van een magnetische spectrometer, die gebruikt worden om het signaal van het substraat te doen afwijken tot buiten het oppervlak van de detector, en zo de dominante terugstrooiingsopbrengst in een gebruikelijk RBS-spectrum te onderdrukken. Met zulke vooruitgangen is het mogelijk om de defecten te onderzoeken in de vroege stadia van oppervlakselectieve atoomlaagdepositie op plasma-behandelde substraten.

Verder wordt RBS uitgebreid naar de analyse van begrensde nanostructuren met laterale dimensies van slechts 16 nm. De brede bundel wordt gebruikt om tegelijkertijd een veelvoud van periodiek herhaalde nanostructuren in een matrix van een ander materiaal te onderzoeken, terwijl het verschil in massa tussen de elementen in de nanostructuren en die in de matrix gebruikt wordt om de informatie van de nanostructuren te isoleren. De verkregen samenstellingen zijn gemiddelden over het geheel van de onderzochte apparaten, en verschaffen dus een statistisch relevante analyse.

Ten slotte wordt de diepteresolutie bij RBS typisch gelimiteerd tot 10–15 nm door de energieresolutie van de detector. Bij een magnetische spectrometer worden ionen ruimtelijk verspreid in functie van hun magnetische rigiditeit, en dus energie, waarbij een hoge energieresolutie mogelijk gemaakt wordt met behulp van een positiegevoelige detector die de positie van het ion op het brandvlak registreert met een hoge ruimtelijke resolutie.

De superieure energieresolutie maakt een diepteresolutie van 2.7 nm kobalt mogelijk. Wanneer de detectorresolutie wordt verbeterd, moeten andere bronnen van energieverbreding overwogen worden, namelijk de verbreding van de primaire bundel, de geometrische verbreding en de energiespreiding geïnduceerd door staalaanpassingen. Deze bijdragen worden besproken en er worden verbeteringen voorgesteld om de energieverbredingen te minimaliseren met oog op hoge energieresolutie.

 

Datum:15 jun 2015 →  28 nov 2019
Trefwoorden:Ion beam analysis
Disciplines:Nucleaire fysica, Toegepaste wiskunde, Elementaire deeltjesfysica en hoge-energie fysica, Kwantumfysica, Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica, Onderwijskunde, Klassieke fysica, Andere fysica
Project type:PhD project