物理学会2004年秋の分科会12pXB-7

多価イオンによる固体表面スパッターの物理：光学素子材料への 子励 効果

兵庫県立大院工， 関岡嗣久

1.欧米の研究経緯（Introductionにかえて）2.多価イオン照射による固体からの二次イオン放出3.多価イオン照射によるスパッター粒子放出のsimulation4.まとめ

1. Introduction

a. 多価イオンのもつポテンシャルエネルギーの大きさ

b. 緩和時間測定例c. スパッタリングの実験例（Total sputtering）d. スパッタリングの実験例（Secondary ion）

Potential energy of Xeq+ versus its charge state（ 算はmulticonfigration　Dirac-Fock　codeで行った。）

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50 60

Poten

tial E

nergy

(keV

)

Charge State of Xe

Potential Energy (keV)

Xeの価数(q)

200

150

100

50

0

母上のXe50+（100keV）照射痕のAFM像

D.C.Parks et al., Nucl. Instr. and Meth. B134 (1998) 46.

10nm厚C薄膜

5nm厚C薄膜

Th75+(Z=90, Pot.E=198keV）をＣ薄膜に入射し、通過したＴｈq＋の 荷分布

Ｃ薄膜の厚さ：5nmと10nm, v=0.43vBohr

Ｃ薄膜10nmで平衡 荷分布となる M.Hattass et al., Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 4795.

イオンと固体との相互作用、例：Xeq+ー＞とSi

Slow：　<100keV標的原子との弾性散乱(nuclear stopping)Swifter:　100keV＜　　　＜10MeV標的 子との散乱(electronic stopping)

さらに多価イオンの場合：Potential Energyを標的物 の微小領域へdepositLattice damage, Particle sputtering

低エネルギー多価イオン源available　Electron Beam Ion Trap (EBIT)　Electron Beam Ion Source (EBIS)

スパッタリングの実験例（Total sputtering）実験法

スパッタリング粒子をcatcherで捕集Lawrence　Livermoreのグループ（T.Schenkel,A.V.Hamza,A.V.Barnes,D.H.Schneiderら）が採用

Quarts crystal microbalance法

ウィーンのグループ（F.Aumayr,P.Varga,H.P.Winterら）が採用

ウィーンのグループの実験結果

ECRイオン源、Arq+(q=1~14)

Xeq+(q 1~ 27)

LiF,NaCl,SiO2 sputteringの価数依存性あり

P.Varga et al., Phys. Scr. T73 (1997)307

M.Sporn et al., Phys. Rev. Lett. 79(1997) 945

ウィーンのグループの実験結果続き

ECRイオン源、Arq+(q=1~9)Pot.E<1keV

Si,GaAs,Au sputteringの価数依存性なし

P.Varga et al., Phys. Scr. T73 (1997)307

Defect mediated sputtering model

Self trapped exciton

F-centerH-center

多価イオンLiF標的表面

Resonance neutrlisation

多価イオンLiF標的突入後

Auger, autoionizationelectron emission

Color (H, F) centerの形成

Diffuse後、 表面でF、Liを放出する。

Electron phonon couplingの強い物 に こる。

Coulomb explosion 否定

（実験で用いた多価イオンの価数の範囲で）

Total sputtering Yield for CsI, LiF, SiO2, GaAs, UO2

さらに価数の い多価イオンによる実験がなされた。T.Schenkel et al., Progress in Surface Science 61 (1999) 23-84

Coulomb explosion （クーロン爆発） model

GaAs, UO2Pot.からのtotal sputter yieldのprojectileの Pot.E依存性はDefect mediated sputteringだけが低速多価イオンによるsputteringのメカニズムではないことを示している。Coulomb explosion sputteringを示唆

多価イオン衝突により表面に 密度 子励 された領域イオン化された標的物 原子相互が反発しあってクーロン爆発によって急激な膨張が こる。これによる衝撃波が表面に到達したとき中性、またはイオン化された原子、分子、クラスターが放出される。

スパッタリングの実験例（Positivesecondary ionの測定）

total sputtering dataと比 して、イオン化確率を求める。スパッタリング機構の 明に役立つ。

Defect mediated sputtering: イオン化確率は小さい。Coulomb explosion sputtering: イオン化確率が い

UO2とGaAs(100)からの放出二次イオンYieldby T. Schenkel et al.

2.多価イオン照射による固体からの二次イオン放出

• 共同研究者：カンザス州立大　M.P.Stockli,S.Winecki, U.Lehnert, C.Fehrenbach, C.L.Cocke

• 米国カンザス州立大学CRYEBIS多価イオン源（Xeq+：qmax=44）, Micro bunched beam

• Beam energy: 300keV, 1.0MeV

• 標的: 導体(Al, Ni, Cu, Ag), 半導体(Si)

• Time of Flight (TOF)

Experimental Setup at KSU

TOF

Secondary Ion

Primary Ion Beam

Ion Gun

Solid Target

TACstop startbeam timing signal

MCP

Secondary ion mass spectra from an Al target bombardedby Xe30+ at 2.5 MeV where the cleaning is insufficient

600

500

400

300

200

100

06005004003002001000

Xe30+ (2.5 MeV) + AlAl +

Al 2+

C+ O+

Al 3+

H+

H2+

(CH)3 C4 (CH)4H2O

ＴＯＦスペクトル例

Secondary ion mass spectra from an Al target bombardedby Xe40+ at 1.7 MeV where the cleaning is sufficient.

200

150

100

50

6005004003002001000

Xe40+ (1.7 MeV) + Al

Al +

Al 2+

Al 3+H2+

H+

ＴＯＦスペクトル例

The incident charge state dependence of the secondary ion yieldas a function of the potential energy of the projectile Xe q+ forAl, Si, Ni, Cu bombarded by 300 keV Xeq+ (q = 15 - 44).

10- 4

10- 3

10- 2

10- 1

1 10 100

Seco

ndar

y Io

n Y

ield

Potential Energy (keV)

Al+

Si+

Ni+

Cu+

(a)

(15) (27)

(28)

(31) (35)

(40)

(44)

The incident charge state dependence of the secondaryion yield as a function of the potential energy of theprojectile Xeq+ for Al, Si, Ni, Cu, Ag bombarded by 1.0 MeVXeq+ (q = 15 - 44).

10- 5

10- 4

10- 3

10- 2

10- 1

1 10 100

Seco

ndar

y Io

n Y

ield

Potential Energy (keV)

Al+

Si+

Ni+

Cu+

Ag+

(b)

(15) (27) (31)(35)

(41)

(44)

300 keV Xeq+ (q = 15 - 44)照射によるAlからの二次イオン収率のProjectileポテンシャルエネルギー（P.E.）依存性。P.E.が26keV付 から急に増大する。

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 10 20 30 40 50 60

Seco

ndar

y Io

n Y

ield

P.E.(keV)

Al+

Xeq+(300keV) + Al

300 keV Xeq+ (q = 15 - 44)照射によるSi, Ni, Cuからの二次イオン収率のProjectileポテンシャルエネルギー（P.E.）依存性。SiはP.E.に対し、linearな依存性を示す。一方Ni,CuについてはP.E.が26keV付 から急に増大する。

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0 10 20 30 40 50 60

Seco

ndar

y Io

n Y

ield

P.E. (keV)

Si+

Ni+

Cu+

Xeq+(300keV) + Si, Ni, Cu

3.多価イオン照射によるスパッター粒子放出のsimulation

• 共同研究者: M.Terasawa, Z.A.Insepov, A.A.Valuev,T.Mitamura

• 多価イオン（Xeq+）をSi(100)に照射させたときのsimulationを行った。

• Ｓｉ結晶として157,216個のSiを配置。• Nq個のsingly charged ionを半球形に分布させる。• q=22, P.E.= 5.8keV, Nq=68

• q=33, P.E.=21.1keV, Nq=159

• q=49, P.E.=92.0keV, Nq=375

88ｘ88ｘ４４layers cellに157,216個のSiを配置。Ｎｑ個のSi+イオンを半球型に分布させる。NqはXeq+イオンのもつPotential Energyに合うように決める。

Fig.1. Potential energy of HCI versus its charge state.Circles are estimate by (2). Triangles are MD computation.

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50 60

Charge State of Xe Ion

Snapshots of crater formation q=49, P.E.=92.0keV, Nq=375

t=７７ｆｓ

t=154fs

ｔ=231fs

t=385fs

Fig.3. Time and space dependence of crater density(3d plot)

Radial distance dependence of crater density

Time-dependence of kinetic and potential energies ofneutral atoms and ions

Sputtering yield versus time and velocity

fig7

101

102

103

104

1 10 100

MD,385fsMD,231fsMD,154fsMD,　77fsY

ield

per

pro

ject

ile, a

rb. u

nits

Ep, keV

Xeq+ --> Si

2 3 5 20 30 50

T=385fsでの 算結果を実験と比 。二次イオン収率はE.P.に対しlinearに依存する。算結果より実験結果の方がより勾配が急か。

101

102

103

104

1 10 100

MD,385fsExperiment

Yie

ld p

er p

roje

ctile

, arb

. uni

ts

Ep, keV

Xeq+ --> Si

2 3 5 20 30 50

Sputtering　Yieldを　t=10ps(10000fs)まで 算した最新 算結果と実験結果との比

まとめ• 低エネルギー（＜1 MeV）, Xe多価イオン照射によって固体から放出される２次イオンの 量分布をTOFで測定した。

• 子励 効果が こりにくいと考えられている、金属ターゲットからの２次イオンの収量が入射イオンの価数に依存することがわかった。この結果は金属標的における 子励 の重要性を示唆している。

• SiターゲットについてMD simulationの 算を行い，二次イオン収率のPｏｔ．Energy 依存性をほぼ再現した。

• 今後，金属ターゲットについて，MD simulation 算を行う予定である。