Techniklexikon

Rutherford Back Scattering

Oberflächen- und Grenzflächenphysik, RBS, Rutherford-Rückstreuspektroskopie, häufig verwendetes kernphysikalisches Analyseverfahren zur Elementidentifikation und Bestimmung von Elementtiefenverteilungen in Festkörpern, das auf E. Rutherford zurückgeht. Die Rückstreuspektrospektroskopie bietet die Vorteile eines zerstörungsfreien Analyseverfahrens, minimaler bis keiner Probenpräparation, hohe Nachweisempfindlichkeit und tiefenaufgelöste Information (wenige Nanometer).

Monoenergetische Ionen werden am Coulomb-Potential von Targetkernen elastisch gestreut. Die Projektile erfahren beim Durchgang durch die Materie einen Energieverlust und werden unter einem Rückwärtswinkel (Bedingung M_Projektil < M_Target) mit einem Oberflächensperrschichtzähler nachgewiesen. In typischen Experimenten werden für eine tiefenaufgelöste Analyse Ionen wie ⁴He⁺ verwendet. Abb. 1 zeigt die schematische Darstellung der Rückstreuspektrometrie. Trifft ein Projektil der Masse M₁ und der kinetischen Enerige E₀ auf einen in Ruhe befindlichen Atomkern der Masse M₂ und ist die Wechselwirkung eine elastische Streuung, so gilt für die Energie E₁ des rückgestreuten Projektils : E₁ = k E₀.

Der Proportionalitätsfaktor k wird als kinematischer Faktor bezeichnet und hängt lediglich vom Streuwinkel q und dem Massenverhältnis von Projektil und Target ab. Experimentell werden die Projektile in einem vom Detektionssystem bestimmten Raumwinkel nachgewiesen (differentieller Wirkungsquerschnitt). Bei der Streuung von Ionen im Inneren der Probe ist ein zusätzlicher Energieverlust der Ionen vor und nach der Streuung mit Targetatomen zu berücksichtigen (siehe Abb. 2).

Für die Energie E₁ der Teilchen nach der Streuung gilt:

Für die detektierte Energie der rückgestreuten Teilchen beim Vielschichtsystem gilt :

(Dx: Schichtdicke). Die Rückstreuausbeute Y ergibt sich zu :  (N t: Massenbelegung [Atome/cm²], A: Streufläche [cm²], j: Teilchenstromdichte [s^-1 cm^-2], r: Materialdichte [g / cm³], L: Loschmidt-Konstante (2,6 × 10¹⁹ cm^-3), M: Atomgewicht [u]).

Analysiert wird typisch mit einem 2 MeV-⁴He⁺-Ionenstrahl (Ionenstrom » 20 nA), der unter Hochvakuumbedingungen senkrecht auf die Probenoberfläche auftrift (f = 0°). Bei zu analysierenden Schichten (Filmen) dünner als 100 nm, kann die Probe zum Analysestrahl hin geneigt werden, z.B. f = 70 °, um eine verbesserte Tiefenauflösung der Schicht zu erhalten. Die rückgestreuten ⁴He⁺-Ionen werden unter einem Rückstreuwinkel von typisch q = 170 °, nachgewiesen. Abb. 3 zeigt ein typisches RBS-Spektrum einer 150 nm dicken Si₃N₄-Schicht (auch SiN) auf Silicium, die mittels chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt wurde. Die RBS-Analyse ergibt eine SiN-Flächenbelegung von 1,6 × 10¹⁸ Atome / cm², welches der Filmdicke von 150 nm unter Berücksichtigung einer Materialdichte von 3,2 × g / cm³ entspricht. Der SiN-Film weist ein unterstöchiometrisches N/Si-Verhältnis von 1,30 auf. In der Praxis werden RBS-Spektren computergestützt ausgewertet. Bei der Simulation geht die Elementzusammensetzung in einer bestimmten Tiefe im Substrat ein. Das Substrat wird aus diskreten Schichten aufgebaut. Die Zusammensetzung der »Unterschichten« wird variiert, bis die Simulation mit der Messung übereinstimmt. Bei der Simulation wird neben der RBS-Geometrie (Einschusswinkel f, Rückstreuwinkel q und Raumwinkel W) die Systemauflösung (FWHM, typisch 15-20 keV) und die Energieverschmierung der Projektile (Straggling) berücksichtigt. Es können Fehler von etwa 5 % auftreten, da Bremskraftwerte nur bis auf etwa 5-10 % genau bekannt sind. Ein RBS-Spezialfall sind Gitterführungsmessungen, bei denen zudem Aussagen über die Kristallqualität und/oder die Position von Verunreinigungen im Kristallgitter gemacht werden können.

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Rutherford Back Scattering 1: Schematische Darstellung der Rückstreuspektrometrie (E₀: kinetische Energie des Projektils, E₁: Energie des rückgestreuten Projektils, k: kinematischer Faktor, q: Streuwinkel, f: Neigung der Probe zur Einschussrichtung, W: Raumwinkel).

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Rutherford Back Scattering 2: Rutherfordstreuung in verschiedenen Schichttiefen (Dx: Schichttiefe, E\'\': detektierte Energie der rückgestreuten Teilchen).

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Rutherford Back Scattering 3: RBS-Analyse eines CVD SiN_x-Films.