MERJENJE GLOBINSKE PORAZDELITVE KONCENTRACIJE VODIKA Z METODO ERDA
B. Zorko, M. Budnar, Institut 'Jožef Stefan", Jamova 39, 61111 Ljubljana, Slovenija
Measurement of depth profiles of hydrogen by ERDA method
ABSTRACT
Anucleaf sp«clroscopic meihod ERDA insialidd in the laboratory for atomicspectTDSCopy at theJ. Stefan Insinute will Ce intrc>auceO The dsplFi profiles o1 hydrogen in polyn^Ki (kapitan) artO amorpAOus Silicon {a-skh) rrtaasured by SROA rnelhc4 are prasdnt«4
POVZETEK
V	prispevku pr«<l^avl)amp r^r^p spektroskopsko metodo ERDA, hl smo tO vpeiiaii v laboratoriju atomske raziskave na instilutu Jožef Sififar^ v Ljubljari Z maiodo ERDA srro l2menli globir^skp porazdelitev vodika v vzofcih poliimida (kaploo) in amorfnega siliciia (a-Si.H).
1	Uvod
Vodik lahko odločilno vpliva na fizikalne in kemijske lastnosti materialov. Med redkimi spektroskopskimi metodami za merjenje koncentracije vodika je zelo uspešna spektrometrija prožno odrinjenih jeder*ERDA /1/ {Elastic Recoil Detection Analysis). Metoda temelji na elastičnem trku med vpadlim delcem-projektilom In jedrom lahkega elementa v snovi. Odlikujejo jo primerna občutljivost, saj lenko izmerimo koncentracijo vodika pod 0.1 dl%. Dobra je njena globinska loč* Ijivost, ki je nekaj 10 nm. ter se ponaša z dokaj na-tančnimi rezultati {<±15%).
V	prispevku bomo predstavili metodo ERDA in rezultate meritev 12} koncentracije vodika v vzorcih poliimida (kapton) in amortnem siliciju (a-Si:H). Kot projektile smo uporabljali helijeve ione z energijo 1,45 MeV. izračunali smo, da sta imela vzorca konstantno koncentracijo do globine 200 nm. Globinska ločljivost metode ERDA je bila 40 nm.
2	Opis metode ERDA
Metoda ERDA sodi med jedrske spektroskopske metode/3/. Opira se na elastični tr^ med vpadlim delcem in mirujočim jedrom v snovi. KI je lažji od projektila. Odrinjena jedra odletijo pod majhnim kotom glede na smer vpad lega delca, projektni pase nato sip^jejo vvse smeri. Kinetična energija odrinjenih jeder E2(x) je sorazmerna z začetno kinetično energijo projektllov Eo(x):
E2(x) = KerdaEo(x).
O)
Sorazmernostni koeficient Kerda imenujemo kinemat* ski faktor za odrinjena jedra. Odvisen je od količnika mas med mirujočim jedrom In projekti lom ter kota cp pod katerim ta delec odleti.
Nabiti delci pri prodiranju skozi snov skoraj zvezno izgubljajo kinetično energijo zaradi sodelovanja z elektroni v snovi. Izgubo kinetične energije na enoto opravljene poti imenujemo zavorna sila (S). V spektnj odrinjenih jeder imajo zato največjo kinetično energijo tista jedra, kijih projektni izbljejospovrline tarče. Izbita jedra, ki priletijo iz večje globine, pa imajo manjšo kinetično energijo. V pn/em približku je kinetična ener*
gija odrinjenth jeder sorazmerna z globtno, iz katere so prileteli. Sorazmernostni koeficient je skupna zavorna sila Serda, ki upošteva izgubo kinetične energije projektila od površine tarče do določene g I oblr>e In izgubo kinetične energije odrinjenega jedra do površine tarče. Z merjenjem kinetične energije odrinjenih jeder dobimo tako informacijo, kje v tarči so se jedra lahkih elementov nahajala:
x«(1/serda) {KerdaEoW-E2(x))
(2)
Ce želimo določiti, kolikšen je delež posameznega elementa v tarči, moramo menti tudi pridelek Pk{x) sipanih delcev. Število delcev na in1en/al kinetične energije imenujemo pridelek. Pridelek je pri določeni kinetični energiji sorazmeren s koncentracijo posa» meznega elementa Ci<(x} v snovi. Kot vemo, je kinetična energija delca sorazmerna z globino (enačba 2). Tako z metodo ERDA izmerimo porazdelitev koncentracije vsen elementov, iažjih od projektila, v odvisnosti od globine v vzorcu:
Ck(x) « Pk(x) Serda{x) (X da{EQ(x).(p)/dl2 Ali)*' (3)
Z \ označimo konstanto, povezano z nekaterimi merskimi parametri. drr/dU pa je diferencialni sipaini presek za odrinjena jedra, ki odloča o sipanju v prostorski kot Če uporabimo kot projektlie hellte ione. lahko analiziramo vodik njegova izotopa
Poleg odnnjenih jeder sočasno zaznavamo tudi projektne. ki se sipljejo na težjih jedrih. Sipani projektili pri čelnem trku odletijo pod velikim kotom glede na vpadno smer. Ta pojav je osnova za spektroskopsko metodo spovratnosipanimi projektih RBS (Rutherford Back-scattering Spectrometry) /4/. 2 metodo RBS me rimo globinske porazdelitve koncentracije elementov, ki so težji od projektila. Projektiii se sipljejo tudi pod majhnim kotom glede na vpadno smer žarka Če želimo meriti le pridefek odrinjenih jeder, jih moramo ločiti od sipanih projektilov. Najenostavneje to storimo tako, da postavimo aluminijevo lohjo v curek odnnjemh
Slike 1. Odbofne eksperimentelne reeporedit^v metod
ERDA in RBS. Z a označimo vpadni kot projektilov. Odrinjena jedra me^mo pod kolom ip, sipane projektile pa zaznai/amo pod kotom fi glede na smer vpadl/h de/cev.
in sipanih delcev pri izbranem kotu. Projektiii so težji in imajo večjo zavorno silo od odrinjenih jeder. Primemo debela foUja prepusti le odnnjend jedra. Na süki 1 je shematsko pnkaiana t.l. odbojna eksperimentalna razporeditev metod ERDA in RBS.
3	Eksperiment
Merilno opremo, ki smo jo uporabili pri eksperimentu, sestavljajo a) Van deGraaffovpospeševalnik, ki namie rabil kot izvir helijevih ionov, b) merilna celica, v kateri so dvoosni goniometer /5/ 2 nosilcem tarče in števca za zazr^avanie delcev in c) detekcijski sistem, ki podpira delovanje števcev.
Curek helijevih ionov vodimo pO pospeševalni cevi skozi magnetno polje, s katerim izbiramo njihovo kinetično energijo. Žarek pred vstopom v merilno oelico omejimo z dvema zaslonkama Z vrtenjem dvoosnega goniometra izberemo kot, pod katerim helijevi ioni vpadajo na tarčo. Za zaznavanje odrinjenih in sipanih projektilov uporabi>amo polvodniška silicijeva števca s površinsko zaporno plastjO'SBD (Surface Barrier Detector). S prvim števcem (ERDA števec) zaznavamo odrinjene protone. Nahaja se pod kolom 20® glede na vpadno smer helijevih ionov. Pred števcem je 4 debela aluminijeva folija, s katero ločimo odrinjene protone od sipanih helijevih projektilov Drugi števec (RBS števec) pa je postavljen pod kotom 150® in nam rabi za zaznavanje sipanih helijevih ionov na jedrih elementov, ki so težja helijevih ionov. V merilni celici imamo vakuum 1 mPa, Detekcijski sistem, ki podpira delovanje števcev, je sestavljen iz predojačevalnika, napetostnega izvira za števec, ojačevalnika, ADC pretvornika in večkanalnega analizatorja. Spekter opazujemo na zaslonu računalnika, ga shranimo in nato analiziramo.
4	Rezultati
Z metodo £RDA smo izmerili globinsko porazdelitev koncentracije vodika v kaptonu, kijepolimemi poliimid in amorfnem siliciju (a-Si:H). Kot projektile smo uporabljal helijeve ione z energijo 1,45 MeV. Odrinjene protone smo zaznavali pod kotom 20" glede na vpadno smer žarka, sipane projektile pa pri kotu ISO" Tarči sta bili zasukani za kot 60^ od smeri žarka.
Kaptonski vzorec je rabil kot standardni vzorec, saj ima znano sestavo. Tarčo smo preiskovali do globine 200 nm. Iz izmerjenega spektra ERDA kaptona, ki je pri» kazan na slikj 2. smo izračunali, da je porazdelitev koncentracije vodika v kaptonu konstantna in je bila 20 at.% (slika 3). iz spektra RBS smo izračunali še koncentracije ogljika (63 at.%], kisika (10 at.%) In dušika (7 at.%i. Kinetična energija odrinjenih protonov s površine vzorca je 597 keV. Z umerjeno metodo ERDA smo izmertli še spekter vodika v amorfnem siJiciju (slika 4) m iz njega izračunali globinsko porazdelitev koncentracije vodika. S slike S je razvidno, da je bila tudi vtem vzorcu porazdelitev koncentracije vodika konstantna od globine 30 nm do 200 nm. Delež voäika je bil 12 at.%. V vrhnji plasti, ki je debela 30 nm, je delež vodika 38 at.%. Odstopanost pripisujemo onesnaženju tarče pred meritvijo. 2 metodo RBS pa smo se prepričali, da v vzorcu od 30 do 200 nm ni bilo znatnih koncentracii drugih primesi in tako razliko med 100 in 12% pripišemo siliciju.
V tabeli je pnkazana odvisnost kinetične energije odri* njenih protonov od globine v kaptonu.
»M
( nefpi« ofliinto"" pfmrww ileVi
SUks 2 Spekter ERDA voöika v kaptonu.
s (J4II • t
a«,.:
4 II lil . £ "?<-
g !>?»•
V
£
l)|l>-
I»«.

<Vinl<if>a (fiini
S}ik9 3. Globinska porazdelitev etomske koncentracije vodika v kaptonu.
«Ti
Erer^ifB Mni^nJi pr«(cMv (keV)
Slika 4. Spekter ERDA vodika v amorfnem sHiciju^ V 30 nm debeli vrfin/; ple$ti le 15 at.% vodika več kot v plesti smorfne-^s siOc/jd. To de/sivv ie posledica onesneženje tarče med meritvilo. Iz tabele je razvidno, kako se kinetična energija odrinjenih protonov spreminja z gk^bino v amotinem siliciju.
l«Q )«	XO
Oka-na (p-ik
S//Ara 5. Atomska koncentracija voQ'ka v odvisnosti od glcöine v amortn^m silici/u.
5	Sklep
Prj metodi ERDA, kl smo jo vpel|alj v laboratoriju za atomske raziskave, se pokazalo, daje fahko uspešno orodja za merjenje koncentracije vodika v sriovl. Iz izmerjenih spektrov odrinjenih protonov smo ocenili, da je bila atomska koncentracija vodika v kaptonu 20 at %, vamorfnem siliciju pa 12at.%. Vobeh primerih je bita porazdelitev koncentracije vodika konstantna do globine 200 nm. Pri eksperimentu se ;e pokazalo, da na novo vpeljana metoda ERDA m že vpeljana metoda /6/ RBS tvorita zelo močno orodje za natančno določanje sestave materialov, saj lahko so6asno Izmerimo globinske profile večme kemijskih elementov v opazovanih vzorcih. Za zanesljivejše rezultate Dodo potrebne dodatne izboljšave merilnega sistema m analitskega postopka.
6	Literatura
/1/J L Ecuv«.J ^C* Phy«,47 (1976) 881
I2>& Zocko OiplomsJ^o delo Üntverza v L^bljani, 1995
a/M dudnar.dl al, Vakuumist i4/3,1994
lA/ W K Chu el al, Backecatlering spectrometry, AcademM: Press,
Ne A York igrs
/5/2 Šmir. Magisltsko dalo. Uriiv^r^a v ^uDIjar^i, 198^ /6/P Pelicon Diplomsko cl^o. U^verza v Ljubifam 1991
Mednarodna konferenca o raziskovalnih možnostih, ki jih nudijo sinhrotroni tretje generacije, Lipica, Slovenija, 25.-29. maj 1996
Od 25. do 29. maja 1996 bo v Lipici med rodna konferenca o raziskovalnih moznostin, ki jih nudijo sinhrotroni tretje generaciie {Internarlonal Conference on New Opportunities to< Research at Third Generation ÜglM Sources) Na konferenci bodo sodelovali uveljavljeni strokovnjaki s področja uporabe smhrotronske svetlobe v znanosti in industriji, ki bodo predstavili rtajnoveiše rezuliaie iz karaktefizactje male-rialov in površin, uporabe smhrotronske svetlobe v mikro-elektroniki. m^kromehaniki. kemiji, biologiji in medicini Vabljeni smo tudi raziskovalci iz Slovenije, saj je udeležba na konferenci najprimemejš» način spoznavanja uporabnosti sinhrolronske svetlobe
Pn^n? obvestilo |e izšlo v začetku decembra m ga dobile pri
Upioa Conference C/o Institut Jožef Stefan Jankova 39 P.O.B. 100 61111 Ljubljana lel (061) 177 3453 faks (061) 219385 E-mail @ Lipica ijs.si
Štipendija Welchovega sklada za leto 1996
Komite Welchovega s k^da pri mednarodni zvezi za vakuumsko znanost, tehniko in uporabe {lUVSTA) je kot v&ako leto objavil razpis za šoinmo za mladega raziskovalca, ki se zeli izpopolnjevati na pcdrcčju vakuumskih zrtanosli m tehnolo-Namenienaje kot nagrada enemu od mladih, ki so končali Itudij na univerzi, pn čemer imajo prednost kandidati z že opravljenim doktoratom znanosti. Štipendija v višini 12.500 ameriSkih dolarjev je enolelr>a in prične teči 1 septembra 1996 Izplačuje se v treh obrokin. pnri obrok 6000 S na začetku, drugi 6000 S po šestih mesecih in zadnji 500 S po predaji končr^ega poročila. Kandidat si lahko sam izbere laboratorij, kjer bo delal, zaželeno pa je. da je zaradi mednarodnega značaja štij>endkje v tujini.
Od kandidatov se zahteva, da govorijo jezik dežele, v kateri se nameravajo izpopolnjevati, ali angleško
Obrazec za prijavo dobite pn
Dr. W.O. Westwood
Advanced Technology Laboratory
6NR
Bok 3511,StationC Ottawa, Canada K1Y4H7
Prijavo z ust/eznimi prilogami je treba poslati na ta naslov najkasneje do 15. aprila 1996. Kandidat bo o izbiri obveščen konec julija ali v začetku avgusta Ooslej še ni bilo prijav iz Slovenije m funkcionarji lUVSTA so predstavnike našega društva že večkrat vzpcdbuiali. da naj se okorajžijo tudi Slovenci
A p.