Cuantificación del metal procedente de la fuente ACC-IS

En el capítulo 2, se indicó que la fuente ACC-IS proporciona un aporte de metales junto con el haz de Ar+ _{debido a las propiedades de la descarga. Uno de los}

parámetros que controla dicho aporte es la potencia (o corriente) de descarga, siendo el flujo iónico proporcional a este parámetro. Si recordamos, en secciones anteriores de este capítulo, se ha observado que dejando fija una de las variables, flujo o dosis iónica, se induce una transición morfológica de nanoagujeros a

nanopuntos, por lo que resulta necesario realizar una caracterización composicional

de las diferentes morfologías encontradas a fin de estudiar posibles correlaciones entre la cantidad de metal y la morfología inducida.

Contemporáneo a este trabajo de investigación, se observó que la incorporación simultánea de metales durante el proceso de erosión introduce nuevos escenarios en la nanoestructuración por IBS. Uno de los trabajos pioneros donde se muestra la necesidad de incorporación de Mo durante la formación de patrones de nanopuntos en superficies de Si abrió una nueva línea de investigación [2]. Después de este trabajo han surgido otros, tanto desde el punto de vista experimental [1, 7], donde se estudió la modulación morfológica a partir de cambios en la cantidad de impurezas presentes, como teóricos [8, 10]. En base a estas consideraciones, en este apartado, se tratará de establecer si el seeding durante el proceso de IBS puede influir en los cambios morfológicos. Para responder a esta cuestión, se analizaron mediante RBS dos muestras características de los dos tipos de patrones encontrados: nanoagujeros y nanopuntos. En la figura 3.15 se muestran los

espectros experimentales de RBS en modo canalización (RBS/C) a lo largo de la dirección (001) para superficies que muestran tanto patrones de nanoagujeros como

nanopuntos para la misma dosis y bajo condiciones de flujo  = 70 µA/cm2 _{y 260}

µA/cm2_{, respectivamente. También se representa el espectro para una superficie de}

Si (001) no irradiada con el objeto de establecer el efecto de amorfización. La geometría en modo canalización permite separar la contribución del silicio amorfo (a-Si) creado en superficie, del cristal de silicio en volumen (c-Si). La comparación entre los espectros, para superficies irradiadas y no-irradiadas, nos revela cómo los procesos de nanoestructuración a baja energía inducen una capa superficial muy fina de silicio amorfo (a-Si). Este resultado se deriva con la comparación directa del pico de Si en superficie en la muestra no irradiada, donde la señal en las muestras irradiadas es mayor. El espesor de la capa de silicio amorfo (a-Si) es de ~5nm, tal y como se deriva de los ajustes mediante el software RBX [39] estando en el límite de resolución de la técnica (5-10 nm). La alta señal de descanalización (intensidad del espectro de RBS/C en el rango de energía por debajo de la señal del pico de superficie del Si debido a los proyectiles no-canalizados) en las muestras irradiadas con respecto al blanco de Si (001) proporciona una evidencia adicional de la amorfización inducida. Este efecto se debe a las desviaciones de la trayectoria de los haces de iones de He+ _{primario y retro-dispersado cuando viajan a través de la capa}

de silicio amorfo.

El espectro de RBS/C también muestra la presencia de impurezas de metal así como los iones de Ar+ _{implantados en la región cercana a la superficie. Debido a}

los factores cinemáticos de colisión, los elementos pesados localizados en la superficie son detectados a mayores energías. Hay que recordar que el aumento de la sección eficaz de dispersión con el cuadrado del número atómico [40] proporciona una mayor sensibilidad, con un valor en torno al 0.1 % atómico para elementos pesados, tales como Fe y Mo, resultando también en una mayor eficiencia de detección para el caso del Mo ~2.6 veces mayor que para Fe. Esta alta sensibilidad tanto para Fe como para Mo permite detectarlos a pesar de sus bajas concentraciones en superficie y su espesor reducido.

En una primera comparación entre los espectros de un patrón de nanoagujeros y otro de nanopuntos se puede advertir cómo los contenidos de Fe y Mo decrecen apreciablemente con la transición de nanoagujeros a nanopuntos, lo que se estudiará con más detalle en el próximo apartado. Por otro lado, conviene remarcar que la resolución del RBS en superficie está en el rango del espesor de la capa amorfa (~5

nm), por lo que no se puede resolver ningún perfil composicional de los metales en

la capa de silicio amorfo superficial. Los dos metales observados, Fe y Mo, en los espectros de RBS vienen de contribuciones por vías distintas: las especies de Fe proceden de la erosión de los cátodos de la fuente ACC-IS y las especies de Mo de la erosión de las máscaras circulares colocadas alrededor de los blancos. Además, ambos metales ya presentes en la muestra, disminuyen por la erosión con iones de Ar+_{. En un principio, tanto el tasa de incorporación a través de la erosión de las}

máscaras como la tasa de erosión de la superficie de la muestra de las especies de

Mo son proporcionales a . La misma dependencia, aunque con ritmos distintos, se

espera para el caso de la erosión de átomos de Fe de la superficie. Sin embargo, la llegada de átomos de Fe procedente de la fuente de iones depende de la corriente de descarga aplicada, tal y como se mostró en el capítulo 2. Este parámetro de la fuente está directamente relacionado con el flujo de iones , pero con un cierto

factor de proporcionalidad.

Figura 3.15: Espectros experimentales de RBS/C a lo largo de la dirección [001] para superficies con nanoagujeros (--) y nanopuntos (--) producidos a  = 70 µA/cm2 _{y 260 µA/cm}2_{, respectivamente,} así como el blanco de Si (001) no-irradiado (trazo continuo). Las señales asociadas a Si, Ar, Fe y Mo se indican igualmente en la figura.

Para cuantificar la velocidad de incorporación del número de átomos de Fe en función de la corriente de descarga se analizaron las muestras mediante las técnicas de RBS y perfilometría. En la gráfica 3.16 se muestran las tasas de incorporación de

Fe así como de erosión, por irradiación con iones de Ar+_{. Los puntos negros}

representan la tasa de incorporación de Fe en función de la corriente de descarga a una distancia de ~18 cm, y los puntos rojos la tasa de erosión total en muestra al irradiar con iones de Ar+ _{a 1 keV a la misma distancia. Los valores de la tasa de}

incorporación se han extrapolado del análisis realizado en el capítulo 2, donde se utilizó una distancia de ~8 cm entre fuente y muestra para incrementar la cantidad de Fe incorporado. Si consideramos que el flujo a una distancia r decae como 1/r2_,

de esta forma el crecimiento de átomos de Fe de 0.3 nm/min a ~8 cm será ~0.075

nm/min para una distancia de 18 cm.

A continuación se caracterizó mediante RBS la concentración de metales en muestra para los dos valores extremos de corriente de descarga, es decir a 40 y 90

mA. De esta forma se encontró que el flujo de átomos incidentes de Fe para ID = 40

mA es de 3 x 1013 _átomos/cm2_{s; mientras que a ID = 90 mA el flujo de átomos de Fe}

es ~7 x 1013 _átomos/cm2_{s, confirmando la relación lineal entre el número de átomos}

de Fe incorporados y la corriente de descarga utilizada durante el experimento. A partir del análisis de la figura 3.16 y conociendo la relación entre la corriente de descarga y el flujo iónico extraído del análisis del capítulo 2, se puede estimar el balance de la incorporación de Fe frente a la erosión entre ambas morfologías

(nanoagujeros y nanopuntos), a partir de las relaciones

~0.008 Φ

y

~0.05 Φ, respectivamente. Tomando los valores de flujo iónico

respectivamente, y considerando las relaciones indicadas anteriormente, se estima que la razón entre los ritmos de flujo de átomos incidente/erosionado resulta aproximadamente ~2/3 más baja para la condición de nanopuntos. De esta forma la erosión de átomos de Fe de la superficie de la muestra se acentúa para valores mayores de flujo iónico , dando lugar a una menor incorporación de metales en los patrones de nanopuntos.

La relación entre la tasa de incorporación de Fe y la erosión en muestra se encuentra en torno a ~1/60. Además, nótese que el flujo de átomos de metal incorporados en muestra se encontraría subestimado ya que no se ha considerado el aporte de átomos de Mo provenientes de la máscara. A pesar de observar una relación tan baja, el balance ~1/60 entre la tasa de incorporación/erosión es suficiente para el crecimiento de nanoconos como ya argumentaban Tanemura et al [5, 6], e incluso se puede entender que no observaran la formación de nanoagujeros al tener una concentración de metales más baja en muestra.

Figura 3.16: Tasa de erosión en función del flujo de Ar+ _{a 1 keV y 18 cm de la fuente (puntos y ejes rojos),} tasa de incorporación de átomos de Fe en función de la corriente de descarga a 18 cm (puntos y ejes negros), en éste último eliminando el voltaje de extracción y por tanto la erosión en muestra. Las dos tasas se han calculado a partir de medidas de perfilometría.

3.3.2 Análisis composicional en función de los parámetros de IBS: