C. Bundesmann, A. Hellmich
J. Vac. Sci. Technol. B 38 (2020) 064002
DOI: 10.1116/6.0000516

Die Energieverteilungen sekundärer Ionen beim Ionenstrahlsputtern von Indium-Zinn-Oxid mit Argonionen wurden in Abhängigkeit von den geometrischen Parametern (Einfallswinkel, polarer Emissionswinkel und Streuwinkel der Ionen), Ionenenergie und O₂-Hintergrunddruck mittels energieselektiver Massenspektrometrie gemessen. Die häufigsten Ionensorten wurden mit O⁺, O₂⁺, Ar⁺, In⁺ und Sn⁺ identifiziert. Die Energieverteilungen von O⁺, In⁺ und Sn⁺ besitzen ein niederenergetisches Maximum zwischen 10 und 20 eV, gefolgt von einem Abfall, der für Streuwinkel γ > 90° mit einem Potenzgesetz beschrieben werden kann. Für γ < 90°, ist eine zusätzliche hochenergetische Struktur zu beobachten, die Anisotropieeffekten, genauer, direkt gesputterten Teilchen zugeschrieben wird. Die Energieverteilungen von Ar⁺ zeigen ein niederenergetisches Maximum, und, abhängig von Streuwinkel, bis zu zwei zusätzliche hochenergetische Strukturen, die ebenfalls Anisotropieeffekten zugeschrieben werden – in dem Falle direkten Streuereignissen. Alle zusätzlichen Strukturen zeigen systematische Korrelationen mit Streuwinkel und Ionenenergie. Die Energieverteilungen von O₂⁺ haben ein niederenergetisches Maximum, gefolgt von einer abrupten Abnahme des Signals. Es ist nahezu keine Variation mit Streuwinkel oder Ionenenergie zu beobachten. Im Allgemeinen führt eine Erhöhung des O₂-Hintergrunddruckes aufgrund der Wechselwirkung mit den Gasmolekülen zu einer Abnahme der Teilchenenergie. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit Rechnungen basierend auf elastischen Zwei-Teilchen-Stößen und SRIM sowie Monte-Carlo-Simulationen mit SDTrimSP verglichen und diskutiert.

T. Amelal, L. Pietzonka, E. Rohkamm C. Bundesmann
J. Vac. Sci. Technol. A 38 (2020) 033403
DOI: 10.1116/1.5142911

In dieser Studie wurde das Ionenstrahlsputtern eines metallischen Ti- und eines keramischen TiO₂-Targets durch Beschuss mit Sauerstoffionen systematisch untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf den Eigenschaften der vom Target emittierten Sekundärteilchen, genauer, der Winkelverteilung des gesputterten Ti und der Energieverteilungen der sekundären Ionen. Als Primärionenenergien wurden 0,5, 1,0 und 1,5 keV und Einfallswinkel von 0°, 30° und 60° genutzt. Die Winkelverteilung des Flusses an gesputtertem Ti wurde durch Schichtdickenbestimmung von TiO₂-Schichten ermittelt, die unter Emissionswinkeln im Bereich von −40° und +80° abgeschieden wurden. Die Winkelverteilung wurde mit einer empirischen Formel als Überlagerung einer isotropen und einer anisotropen kosinus-artigen Funktion beschrieben. Die Erhöhung der Ionenenergie oder die Reduktion des Einfallswinkels der Ionen führt zu einer zunehmend isotropen Emission der gesputterten Ti-Teilchen. Die Massen und Energieverteilungen der sekundären Ionen wurden mit einem energieselektiven Massenspektrometer gemessen. Die häufigsten Ionenspezies waren O⁺, O₂⁺, Ti⁺ und TiO⁺. Es wurde festgestellt, dass Ionenenergie und Sputtergeometrie, d.h. die Kombination von Einfalls- und Emissionswinkel, einen starken Einfluss auf die Energieverteilung der Sekundärionen haben.

D. Manova, S. Mändl
J. Appl. Phys. 126 (2019) 200901
https://doi.org/10.1063/1.5126636

Although X-ray diffraction (XRD) is a well-established, but still evolving, technique to characterize thin films and diffusion layers, there are two inherent limitations due to the underlying physical principles leading to diffraction: (i) all data are a weighted integral over the depth of information and (ii) X-ray amorphous or nanocrystalline phases are very difficult to detect. A simple combination of in situ XRD with depth profiling using a laboratory experiment in combination with a low energy broad beam ion source can overcome these limitations for functional surfaces. While time-resolved studies of diffusion and phase formation during ion implantation with reactive species are well established, the use of ion beam sputtering with non-reactive species for depth profiling of phase composition during measurements is a relatively new development. Analysis of difference spectra allows depth resolution of 50 nm or better - well below the typical depth of information. At the same time, successive ablation allows analysis of layers significantly thicker than the information depth.

F. Haase, D. Manova, D. Hirsch, S. Mändl, H. Kersten
Plasma Sources Sci. Technol. 27 (2018) 044003
DOI: 10.1088/1361-6595/aabb2d

Mittels einer passiven Thermosonde wurden die dynamischen Änderungen der Sekundärelektronenemission (SEE) oxidierter und nitridierter Materialien bei der Ionenzerstäubung mit Argonionen in einem Plasmaimmersions-Ionenimplantationsprozess untersucht. Der gemessene Energiefluss wurde mit rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der Oberfläche kombiniert, um Informationen über die tatsächliche Oberflächenzusammensetzung sowie Trends und Änderungen während des Prozesses zu erhalten. Innerhalb der Messungen ist ein direkter Vergleich der SEE zwischen beiden eingesetzten Ionensorten (Argon und Stickstoff) möglich, eine absolute Quantifizierung jedoch noch offen. Dessen ungeachtet, zeigen die Oxide eine beachtlich höhere SEE im Vergleich zu den reinen Metallen, während beim den Nitriden kein eindeutiger Trend beobachtet wurde. Die vorgestellte Methode ist eine vielseitig einsetzbare Technik, mit der dynamische Änderungen der Oberfläche von Materialien, die häufig in PVD-Prozessen eingesetzt werden, mit einer Zeitauflösung von etwa 1 min. verfolgt werden können. Beispiele sind das Magnetronsputtern oder HiPIMS, bei denen Änderungen des Targets oder der Elektrodenzusammensetzung auftreten, jedoch nicht direkt gemessen werden können.