Über die Energieverteilung der bei der Kathodenzerstäubung ausgeschleuderten Teilchen
Authors: Benninghoven A. 
Published: May 2007

Mit einem einfachfokussierenden 60°‐Massenspektrometer wurden die Sekundärionenspektren und die Energieverteilungen einer Reihe von Sekundärionen, die bei der Zerstäubung durch Quecksilberionen (200 bis 2000 eV) auftreten, gemessen. Der Ionennachweis erfolgte mit einem offenen Zählrohr. Es wurden drei verschiedene Aluminiumkathoden und eine Magnesiumkathode untersucht. Die Bestimmung der Energieverteilung erfolgte durch Gegenfeldmessungen bzw. aus der Form der Massenlinien.

Das Sekundärionenspektrum zeigt neben den Ionen des Targetmetalles auch solche der Verunreinigungen sowohl aus dem Target selbst als auch aus dem Restgas. Bei einer Duraluminiumkathode konnten die Legierungsbestandteile qualitative erfaßt werden. Die Möglichkeit der Verwendung einer Zerstäubungsionenquelle für massenspektroskopische Analysen wird diskutiert.

Die Energieverteilungen der Sekundärionen wurden für Al+‐Ionen aus reinem Aluminium bei unterschiedlichen Primärionenenergien zwischen 200 und 2000 eV gemessen.

Die neutralen Al‐Atome konnten nach einer nachträglichen Ionisierung durch Elektronenstoß auf ihre Energieverteilung hin untersucht werden. Innerhalb der Fehlergrenze zeigte die Energieverteilung der Al‐Atome aus einem Al‐Target bei 800 eV Primärionenenergie gleiches Verhalten wie der Al+‐Ionen, die bei demselben Zerstäubungsvorgang entstanden.

Die Energieverteilung der Al+‐Ionen, aus einer Aluminiumlegierung (Duraluminium) zeigte bei gleicher Primärionenergie gegenüber solchen aus einer reinen Aluminiumkathode eine starke Verschiebung zu kleinen Energien.

Die Energieverteilung von Ionen, die von Verunreinigungen im Targetvolumen oder an der Oberfläche stammen, wurde an sieben verschiedenen Ionenarten untersucht. Es zeigte sich, daß die Energie der Fremdionen immer wesentlich niedriger ist als die der Al+‐Ionen avs der gleichen Kathode.

Für die Molekülionen AlOH+ und H2O+ wurde ein prinzipiell gleiches Verhalten der Energieverteilung gefunden wie für die Atomionen Mg+, Na+, K+ and Ni+. Das bedeutet, daß die H2O+‐Ionen aus der Adsorptionsschicht auf dem Target und nicht aus dem Volumen vor dem Target stammten.

Gleiche Fremdionen aus unterschiedlichen Kathoden zeigen unterschiedliche Energieverteilungen. Die Änderung der Energie erfolgt dabei in demselben Sinne wie für die aus den entsprechenden Kathoden ausgelösten Al+‐Ionen: Die Energien sind für Duraluminium niedriger als für reines Aluminium.

Die beobachteten Unterschiede in den Energieverteilungen lassen sich verstehen, wenn man die Zerstäubung als Folge eines Impulsübertragungsvorgangs innerhalb und an der Oberfläche der Kathode betrachtet. Danach erfolgt eine Übernahme des Impulses des einfallenden Ions in einer Reihe von Stößen durch die Gitteratome. Durch fokussierende Stöße gelangt ein Teil der Energie wieder an die Oberfläche des Targets. Es wird gezeigt, daß ein Oberflächenatom nur den Anteil E0 · F (F ≦ 1) der Energie E0, die die Stoßfolge an die Targetoberfläche transportiert, übernehmen kann. Ist das Oberflächenatom ein Atom des Grundmaterials des Targets, dann gilt F = 1, handelt es sich um ein Fremdatom, dann gilt F < 1. Durch F = cos2 α · k wird sowohl die unvollständige Energieübertragung zwischen zwei Atomen unterschiedlicher Masse (k) als auch die nicht dem Aufbau des Gitters entsprechende Lage des Fremdatoms an der Oberfläche des Targets (α) berücksichtigt.

Eine halb quantitative Erklärung der Unterschiede in den Energieverteilungen der Fremdionen und der Al+‐Ionen ist mit Hilfe dieses Energieübertragungsfaktors F möglich. Eine genaue Betrachtung des Ablösevorganges erfordert die Berücksichtigung der Ablösungsenergie A, die abhängig ist vom Target, von der Art der emittierten Teilchen und davon, ob sie neutral oder ionisiert die Oberfläche verlassen.

Die Unterschiede in den Energieverteilungen gleicher Ionen aus verschiedenem Targetmaterial werden auf Unterschiede in der Verteilung der durch Stöße an die Oberfläche transportierten Energie Ee, für die verschiedenen Kathoden zuruckgeführt.

Die Tatsache, daß die Unterschiede in den Energieverteilungen mit Hilfe des Impulsübertragungsmodelles befriedigend erklärt werden können, stellt einen weiteren starken Beweis für die Richtigkeit der Impulstheorie dar, die auf Grund der von Wehner durchgeführten Zerstäubungsversuche an Einkristallen aufgestellt worden ist.