RBS实验报告

RBS实验一、实验原理和实验装置：背散射分析就是在一束单能的质子、α粒子或其他重离子束轰击固体表面时，通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。基本的物理概念和计算：1）运动学因子运动学因子的定义：其中E0是入射粒子动能，E1是散射粒子动能。由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m），能量（E0）和探测角度（θ）一定时，E1与M成单值函数关系。所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M。这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。但是，RBS适用于轻基体上重元素的分析，对重基体上轻元素不灵敏。2）能量损失因子在离子在某固体中做直线运动的过程中，离子主要通过与靶原子的电子相互作用而损失能量。定义离子在单位径迹长度上损失的能量0dElimdxxxE为比能量损失或叫作能量损失22011cossin121MmMmMmEEK（率）。也叫作这种固体的阻止本领。定义能量损失后，可确定不同深度散射出的离子同表面散射出的离子能量之差。从而建立RBS能谱宽度和靶厚度之间的关系。对入射和出射路径的能量损失进行积分并整理得到1212coscos1coscosinoutinoutdEKxdExEdxdxdEKdExdxdx定义121coscosinoutdEKdESdxdx为能量损失因子，使得ESx这样，由能量损失因子就可以把背散射能谱中的能量坐标换算成深度坐标，并根据不同深度处能谱高度就可以得到元素的深度分布。这是RBS的元素深度分布原理。单原子靶材料的原子密度为N，一定能量E的入射离子。则定义：1()()dEEENdx为此种靶原子对能量E的入射离子的阻止截面，则有121coscosinoutKSNN可查表得到，一般要看的单位而选择N的单位。二、实验内容：1.背散射分析系统的能量刻度用Ge,W对横轴进行能量刻度，将RBS能谱的横轴从道数转换为能量。写出能量刻度方程。已知运动学因子：iSK=0.385，GeK=0.697，KW=0.867，KAl=0.371，KCr=0.603，入射能量04.05EMeV1)样品为Si衬底上的SiGe合金薄膜。Ge的前沿高h=325，前沿半高为0h=158，对应的道数是693，通过公式计算对应的能量10()2.823GeEGeKEMeV2)样品为Si衬底上W膜。Ge的前沿高h=404,前沿半高为0h=214.对应的道数是870，通过公式计算对应的能量10()3.511WEWKEMeV3)将实验得到的能量和道数输入软件，计算得到一次函数的截距和斜率（将能量单位定为keV）截距：129.305斜率：3.887一次函数为y=（3.887x+129.305）(keV)111.txtSimulatedChannel700650600550500450400350300250200150100500Counts40035030025020015010050020040060080010001200140016001800200022002400260028003000Energy[keV]Counts:158图1.Si衬底上SiGe合金薄膜的RBS能谱110.txtSimulatedOAlSiWChannel900850800750700650600550500450400350300250200150100500Counts500450400350300250200150100500500100015002000250030003500Energy[keV]Counts:214图2.Si衬底上W膜的RBS能谱2.后衬底上薄膜厚度的测定样品：Si衬底上W膜。实验中，采集4.05MeVLi++为入射离子，散射角为150度时的RBS能谱。W的密度为19.29g/cm3。W对能量为3000kev、4000keV的锂离子的阻止截面ε，查表得，分别为699.785、685.405KeV*cm2/mg,所以能量损失因子2001699.7850.867685.405+1402.312keVcm/mgcos0cos300.866WooKEKE3327[][]19.2910/1402.312keVcm/mg=2.70510keV/cmSNmgcmW的后沿高度是h=464,半高对应的道数是698，带入已得到的一次函数，计算得出能量E=2842.43keV,ΔE=3511-2842.43=668.57keV.公式求得膜厚57668.57x2.54610[]2.70510EcmS三、化合物薄膜化学配比的测定样品：Si或SOI衬底上SiGe合金薄膜。采集Si或SOI衬底上分子束外延生长的SiGe薄膜靶的RBS能谱，用Ge峰和Si峰的前沿高度比较和谱宽度比较两种方法求薄膜表面Ge和Si的化学配比。通过比较试验曲线和拟合曲线的符合程度，得到Ge和Si的原子集中度的比值大约为0.85：0.15，所以m:n=0.85：0.15