Mikroskopische Prozesse an der Oberfläche beim
Ionenätzen

Das Ionenätzen ist dem bereits beschriebenen Sputterverfahren sehr ähnlich. In diesem Fall wird jedoch die Oberfläche der Probe, wie das Target beim Sputterverfahren, mit Ionen beschossen. Beim Sputterverfahren wird die Probenoberfläche dagegen mit herausgeschlagenen, neutralen Targetatomen beschossen. Die mikroskopischen Prozesse, die dabei in der obersten Schicht der Probe stattfinden, sind sehr ähnlich und ihre grundlegende Beschreibung ist daher gleich.

Einfallende Teilchen stoßen mit den Atomen im Festkörper und übertragen Energie auf die Atome. Ist die übertragene Energie größer als die Bindungsenergie des Kristallgitters, entsteht das erste herausgeschlagene Atom.

Abbildung 1.8: Klassifikation der Sputterprozesse in der Schicht, nach [6]. Das hier von links einfallende Teilchen hat jeweils eine unterschiedliche Auswirkung auf das Kristallgitter an der Probenoberfläche.

Die mikroskopischen Prozesse in einer metallischen Schicht, die mit Ionen beschossen wird, lassen sich in drei Klassen einteilen (Abbildung 1.8):

a)

Bei dem single-knockon Prozeß überträgt das auftreffende Teilchen seine Energie auf ein Targetatom, daß nach wenigen weiteren Stößen aus der Oberfläche herausgeschleudert wird.

b)

Bei dem linear cascade Prozeß ist die Energie, die auf das Targetatom übertragen wird so groß, daß das erste Targetatom weitere Atome aus dem Kristallgitter herausschlägt und dadurch ein linearer kaskadenartiger Prozeß beginnt.

c)

Der Spike Prozeß ist dem linear cascade Prozeß sehr ähnlich, jedoch ist die Dichte der bewegten Targetatome sehr viel größer. Die Veränderungen im Kristallgitter sind bei diesem Prozeß am größten.

Welcher dieser Prozesse in der Schicht stattfindet, ist insbesondere von der Energie und der Masse der Ionen abhängig. Im Allgemeinen findet der single-knockon Prozeß im unteren und mittleren eV Bereich statt, während der linear cascade Prozeß erst bei einigen keV und MeV stattfindet. Der spike Prozeß findet nur bei den besonders schweren Ionen und sehr hohen Energien statt.

Eine wichtige Größe bei der Beschreibung des Sputterprozesses ist der Sputterertrag $Y$, der als Quotient aus herausgeschlagenen Atomen und einfallendem Teilchen definiert ist:

$$Y = \frac{\textrm{herausgeschlagene Atome}}{\textrm{einfallendem Teilchen}}$$ (2.2)

Der Sputterertrag $Y$ ist von sehr vielen Faktoren abhängig. Die Energie und Masse der einfallenden Teilchen, der Einfallswinkel, das Targetmaterial und die Oberflächentopograhie tragen unterschiedlich stark zum Sputterertrag bei und sind nur eine kleine Auswahl der wichtigsten Faktoren. Unterhalb einer Energieschwelle von etwa 20 bis 40eV bei senkrecht einfallenden Teilchen, werden überhaupt keine Atome herausgeschlagen [6].

Eine genaue Beschreibung der mikroskopischen Prozesse in der Schicht ist nur mit aufwendigen Computersimulationen möglich. Zudem müssen die einzelnen Parameter, wie z.B. die genaue Struktur und Ausrichtung des Festkörpers, bekannt sein.

Viele Studien beschäftigten sich mit diesen mikroskopischen Prozessen für bestimmte Schichten und Teilchen. So wurden nicht nur Computersimulationen durchgeführt [50,51], sondern z.B. auch elektronenmikroskopische Untersuchungen während des Sputterprozesses [45]. Änderungen in der Struktur und den Eigenschaften von Oxidschichten wurden festgestellt [13] und so wird z.B. die Supraleitung von YBa$_2$Cu$_3$O$_7$ durch Argonionenätzen verbessert [15].