طيف سنجي ( اسپكتروسكپي ) رادرفورد ( RBS) يكي از تكنيك هاي قدرتمند براي اندازه گيري عمق پروفيل های عناصر مي باشد . اين مطلب خبر از متعدد بودن و غير مخرب بودن آناليز با يك شفافيت عميق منطقي مي دهد . در RBSمعمولي ( مركب از MeV4 تا 1 از يون هاي عليم با يك صفحه مانع آشكار ساز سليكوني ) و عمق شفافيت و وضوح نمونه در حدود 10 نانومتر و جرم نمونه با وضوحي در حدود u1 براي عناصر منير ( عدد جرمي 20 M <) و عناصر سنگين در حدود u20 ( جرم 200 . ca) مي باشند . حساسيت ppm100 مي تواند به آساني آناليز عناصر مفيد را در وزن هاي سنگين مشكل كند . در مقاله ي حاضر مفاهيم فيزيكي كه RBSتكيه بر آنها دارد عمدتاً معرفي شده اند . نمونه هاي بسياري مورد اثبات واقع شده اند و داراي چندين تكنيك پيشرفته مي باشند كه براي بهبود توانايي هاي RBSهاي متداول كه در بالا از آن بحث شد توسعه پيدا مي كنند .
1 – مقدمه
آناليز سطح و ناحيه در نزديك به سطح جامدات يك حوزه ي مهم در علم و تكنولوژي مي باشد . RBSيكي از روش هاي قدرتمند در ميان تعدادي از تكنيك هاي آناليز مي باشد . پرتوهاي يوني پر انرژي RBS1 تا MeV4 مي باشد و به عنوان ميله استفاده مي شود كه معمولاً يون هاي Hيا Heمي باشند . يك نمونه تابش به وسيله ي پرتو يوني صورت مي گيرد . تقريباً همه ي يون ها نفوذ عميق در درون نمونه ها تا ca . 103 mدارند تا هنگامي كه آنها انرژي جنبشي خود را از دست بدهند . در طول دوره نفوذ بسياري از يون هاي كلوتيدي به منظور اتم ها به پخش و پراكنده سازي كلميي يون ها مي پردازند ( پراكنده سازي ( تابش ) را در خورد ) بين ذرات ريز و اهداف هسته اي مي توانند از نمونه انتشار برگشتي داشته باشند .
انرژي يون انتشار برگشتي از هدف اتمي بستگي به جرم اتم هدف دارد . اين مطلب خبر از آناليز تركيبي يك ناحيه سطح از چندين ميكرومتر به وسيله اندازه گيري انرژي طيف از يون هاي انتشار برگشتي دارد . شكل يك ماده كم جرم مي باشد . يون هاي پخش شده از هر عنصر از يك راس جدا مي شوند . تعداد اتم هاي هدف در فيلم مي تواند از يك راس گرفته شوند و پهناي راس فيلم ضخيمي را به دست مي دهد . جدول 1 خلاصه اي از ويژگي هاي استاندارد RBSرا در بردارد و مي تواند به عنوان يك راهنماي قوي مورد استفاده قرار گيرد .
اولين روشي كه به كار گرفته شد به وسيله ي فيزيكدانان هسته اي آناليز هدف هايشان در سال 1951 بود . كاربرد وسيع براي علم مواد در اواخر 1960 شروع شد .
اصول فيزيكي
اين روش رايج مشخصهسازي لایههاي نازك، با استفاده از پرتوهاي يونيسبک و پرانرژي ( چند صد مگا الكترون ولت) انجام ميشود. چنين پرتوهايي ميتوانندهزاران آنگسترم یا حتی چند ميكرون به عمق لایه و يا تركيب لایه/ زیرلایه نفوذ كنند. اين پرتوها باعث کندوپاش جزیی اتمهای سطح شده و در عوض يونهاي فرودي انرژي خود رااز طريق يونيزاسيون و تحريك الكترونهاي اتمهاي هدف از دست ميدهند. اين برخوردهايالكتروني آنقدر زياد است كه ميتوان گفت افت انرژي حاصله همواره با عمق ماده مناسباست. از تحلیل افت انرژی یون های بازگشتی می توان اطلاعاتی راجع به ضخامت لایه ونوع عناصربهدست آورد.
از قديم پراكندگي حاصل از دافعه كولني بين يونها و هستهرا در فيزيك هستهاي با نام پراكندگي راترفورد ميشناختند. دليل آنكه اين پديده تااين حد در تحليل لایهها (لايههاي نازك و نانومتری) موفقيت آميز بوده آن است كهپراكندگي الاستيك (كشسان) در جسم به صورت كلاسيك عملي است و همين امر باعث شده تا RBS به صورت يكي از روشهاي تحليلي آسان و قابل فهمدرآيد.
تجهيزات مورد استفاده در RBS
در شكل1 شماتیک کلیRBS نشان داده شده است. يونهاي مورد بررسي مثلاً+N4+, He4+،C2 توسط يك شتابدهندهواندوگراف و با ولتاژ بالا شتاب داده ميشوند. پس از ورود به محفظه خلاء بصورتموازي درآمده و متمركز ميشوند و در نهایت پديده انتخاب جرم يوني صورت میپذیرد. يونهاي بازپراكنده هم براساس انرژي خود توسط آشكارساز مورد تجزيه و تحليل قرارميگيرند. اين آشكارساز قادر است یونهایی تا انرژي 15KeV را از هم تفكيك نمايد. بهاين ترتيب و با استفاده از چنين دستگاهي پالسهاي الكتروني تقويت شده و برحسب انرژيتوسط يك آناليزور در چند كانال ذخيره ميشوند كه در نهايت طيف RBS را نتيجه ميدهد. در شکل(2) نیز تصور شتابدهنده یونی و ابزارهايRBS نشان داده شده است.
در طیف RBS سطح زير قله طيفي، نشاندهنده تعداد اتمهاي مربوط به عنصر داده شده و درناحيه يا لايه مورد بررسي است. ارتفاع قله مستقيما ً متناسب با غلظت اتمي است واطلاعاتي كه به اين ترتيب بدست ميآيند از درجه دقت بالايي برخوردار خواهند بود ودر نتيجه RBS را ميتوان راهي براي تعيين ضخامت لایه دانست. در شکل(3) طیف RBS مربوط بهPdCu/Si نشان داده شده است. رنگ آبی مربوط به شبیهسازی رایانهای است کهبا تغییر پارامترهای ورودی برنامه از جمله ضخامت عناصر بازسازی شده است.
در حالتکلی ضخامت با دقت 5% قابل تعيين است برای این منظور معمولاًَ طیف بدست آمده را بهکمک نرمافزارهای رایانهای بازسازی می کنند و با توجه به نوع عناصر ضخامت هر کداماز مواد قابل تعیین است
مزایا و معایب RBS
اصولا تمامي عناصر و ايزوتوپهاي گروه Li و عناصر بالايي آن در جدولتناوبي را ميتوان با پرتوهاي يوني+He4 آشكار نمود. آنچه مهماست روشن كردن وضعيت عناصر مجاور است كه آن هم در نهايت بستگي به قدرت تفكيك آشكارساز دارد. بطوركلي با استفاده از پرتوهاي يوني +He4 کهانرژي 2MeV دارند تنها ميتوان ايزوتوپهايي با1= ΔM آنهم با جرم اتمی تقريباً كمتر از40 جدا نمود. بنابراین RBS در تشخیص عناصری که جرم اتمی نزدیک به هم دارند دچار مشکل است.
ازآنجا كه پرتوهاي يوني مگا الكترون ولتي (MeV) را تنها ميتوان بر نقاطي به قطر يكميليمتر و نظير آن متمركز كرد RBS سطح زیادی را نمیتواند شناسایی کند. معمولاًتفكيك عمقي اين روش در حد20 نانومتر است اما با تغيير آرايش هندسي آشكارسازي آن راميتوان باندازه 2 نانومتر کاهش داد. استفاده از RBS بطور ضمني بيانگر مسطح بودنسطح نمونه و ساختارهاي لايه زيرين است وسطوح هموار، قلههاي RBS پهنتري همدارند.
حداكثر عمقي كه ميتوان به بررسي آن پرداخت به مواردي از قبيل نوع پرتويوني بكار رفته، انرژي آن، ماهيت ماتريس(شبكه) بستگي دارد و براي پرتوهاي+He4 با انرژي 2MeV حداكثر1mµاست. در مقابل پرتوهاي+2MeV He3 تا عمق 5mµميتوانند در مادهنفوذ كنند.
عليرغم تمام محدوديتهايي كه بيان شد RBS روشي است كه هر جا ممكنباشد استفاده از آن ترجيح دارد و علت اصلي اين امر هم آن است كه اين یک روش كمي استو به استانداردهاي مربوط به عناصر شيميايي نيازي ندارد ضمن آنكه بطور همزماناطلاعاتي از ضخامت و عمق لایه به ما ميدهد.
کاربردهای RBS
1- ضخامتسنجی فیلمها، پوششها و لایههای سطحی
2- آشکارسازی آلودگیهای سطحی و فصل مشترکها(مانند اکسیژن و آلودگی های جذبشده)
3- مکانیزم نفوذ بین سطحی لایههای نازک ( فلزات، سیلیسیدها و غیره).
4- تعیین ترکیب عناصر مواد مرکب(تعیین فاز، لایههای آلیاژی، اکسیدها،سرامیکها و غیره).
5- تعیین پروفایل ناخالصی در نیمههادی ها
6- نمایش کنترل فرآیند در ترکیبها و آلودگیها.
7- تعیین دینامیک سطوح در کاتالیستها
RBS
NRA
Typical
probing beam
H, He4
H, He4, 15N, 19F
Beam energies
0.2 – 4 MeV
0.5 – 20 MeV
Beam currents
1 – 100 nA
10 – 1000 nA
Sample structure:
layers
Yes
Yes
Bulk
Yes
Yes
Depth resolution [µm]
> 0.03
> 0.01
Sensitivity [ppm]
> 500
> 100
Element range
> 1
< 30
Z discrimination
High Z
Poor
-
Low Z
Good
Good
علاقه مندی ها (Bookmarks)