DE102008052533B4

DE102008052533B4 - Ionenstrahlquelle, Ionenstrahlrastersystem, Ionenrastermikroskop sowie Ionenstrahl-Lithographievorrichtung

Info

Publication number: DE102008052533B4
Application number: DE200810052533
Authority: DE
Inventors: Prof. Schmidt-Böcking Horst; Dr. Jagutzki Ottmar
Original assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Current assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: DE102008052533A1

Abstract

Ionenstrahlquelle zur Erzeugung eines Ionenstrahles, umfassend – eine erste Kammer (10) mit einem ersten Gasvolumen (11) und eine zweite Kammer (20) mit einem zweiten Gasvolumen (21), welche über eine Düse (13) miteinander verbunden sind, wobei das erste Gasvolumen (11) einen gegenüber dem zweiten Gasvolumen (21) derart erhöhten Druck aufweist, so dass das Gas aus Gasatomen und/oder -molekülen durch die Düse (13) aus der ersten Kammer (10) in die zweite Kammer (20) strömt und sich beim Durchströmen ein Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen ausbildet; – eine Kühleinrichtung zum Vorkühlen des ersten Gasvolumens (11) in der ersten Kammer (10), – eine Ionenquelle (12), die in der ersten Kammer (10) in Strahlrichtung (50) vor der Düse (13) angeordnet ist, zum Bereitstellen von Ionen beabstandet vor der Düse (13), sodass die Ionenerzeugung und die Expansion des Gases aus Gasatomen und/oder -molekülen beim Durchströmen der Düse (13) räumlich voneinander getrennt sind und der Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen die Ionen wenigstens teilweise mit in die zweite Kammer (20) reißt und ein Ionenstrahl in dem Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen enthalten ist, wobei die Ionen zweistufig gekühlt werden, indem Druck und Temperatur des ersten Gasvolumens (11) zum Vorkühlen derart eingestellt sind, dass die Ionen vor der Expansion in die zweite Kammer (20) mit den gekühlten Gasatomen und/oder -molekülen des ersten Gasvolumens (11) wechselwirken und die Expansion in die zweite Kammer (20) ein zweites Kühlen der in der ersten Kühlstufe vorgekühlten Ionen bewirkt, – eine Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33), welche der Düse (13) in Strahlrichtung (50) nachgeordnet ist, und eine Spannungsversorgung, mittels welcher eine Beschleunigungsspannung an die Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33) angelegt ist zum Beschleunigen des in dem Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen enthaltenen Ionenstrahls in Strahlrichtung (50).

Description

Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenstrahlquelle und deren Verwendung in einem Ionenstrahlrastersystem, wie zum Beispiel einem Ionenstrahlmikroskop und/oder einer Lithographievorrichtung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines Ionenstrahls, insbesondere für ein Ionenstrahlrastersystem.
Hintergrund der Erfindung
Ionenstrahlen spielen heutzutage in vielen Bereichen der Physik und der industriellen Anwendung eine wichtige Rolle, wie zum Beispiel der Analyse, der Implantation und/oder der Lithographie. Die Ionen selbst werden in Ionenquellen erzeugt.
Um beispielsweise in der Lithographie feine Strukturen, insbesondere im Submikrometerbereich, erzeugen zu können, müssen die Ionenstrahlen eine definierte Impulsverteilung aufweisen. D. h. die Schwankungsbreite der Ionenimpulse um einen definierten Wert sollte möglichst gering sein. Die Ionen müssen kalt sein.
Die ”finale” Impuls- oder Energieverteilung der Ionenstrahlen ist gefaltet oder beeinflusst durch die ”initiale” Energieverteilung der Ionen bei ihrer Erzeugung in der Ionenquelle und insbesondere auch durch die Art ihrer Bereitstellung. Daher werden auch entsprechende Anforderungen an eine Ionenquelle gestellt.
Wird beispielsweise in einer sogenannten Penningquelle, als ein Beispiel einer Elektronenstoßionenquelle, ein Plasma durch eine Gasentladung gezündet, so ist die ”finale” Energieverteilung der Ionen überlagert mit der thermischen Energieverteilung der Ionen im Plasma. Denn die daraus resultierenden Impulse der Ionen im Plasma sind im Wesentlichen ungeordnet.
Eine Ionenquelle zur Erzeugung eines gerichteten Ionenstrahls ist beispielsweise in der Patentschrift DE 100 47 688 B4 beschrieben. Als Ionenquelle werden sogenannte Mikrostrukturelektroden-Folien verwendet, die eine Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Mikroporen aufweist. Eine Mikrostrukturelektroden-Folie stellt eine Trennwand dar, die eine dielektrische Basisschicht, eine elektrisch leitfähige Schicht auf der einen Seite der Basisschicht und eine elektrisch leitfähige Schicht auf der anderen Seite der Basisschicht aufweist. An den elektrisch leitfähigen Schichten wird eine ausreichend hohe Spannung angelegt, so dass das Gas in der Pore durch eine Gasentladung in der Pore über Elektronenstoßionisation gezündet wird. Es entsteht dabei ein Ionenstrahl, der eine gewisse Ausrichtung besitzt. Die Ionen sind jedoch noch nicht ausreichend kalt. Die Ionen besitzen immer noch eine recht breite Impulsverteilung.
In der japanischen Offenlegungsschrift JP 2008-234874 A ist – ausweislich der nachveröffentlichten Druckschrift US 2008/0308741 A1 – eine Apparatur zur Erzeugung fokussierter Ionenstrahlen beschrieben. Sie umfasst einen Plasmaerzeuger, eine differenzielle Pumpstufe sowie eine Ziehelektrode und ein ionenoptisches System. Der Plasmaerzeuger generiert ein Plasma, welches auf dem Wege einer Überschall-Expansion in die differenzielle Pumpstufe expandiert. Mittels der Ziehelektrode werden Ionen aus dem Plasma gewonnen, beschleunigt und sodann von der Ionenoptik fokussiert. Auch diese Apparatur hat den Nachteil, dass die Endtemperatur der Ionen für bestimmte Anwendungen noch zu groß ist, da die intendierte Kühlung des Plasmas durch die Expansion bei einer hohen Temperatur beginnt. Ferner hängt die Kühlwirkung der Expansion von den Parametern des Plasmas (insbes. dem Druck) ab. Diese Kopplung der Kühlwirkung insbesondere an den Plasma-Fluss ist ebenfalls unvorteilhaft.
Die Druckschrift US 2006/0169891 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Apparatur zur Verbesserung der Empfindlichkeit eines Massenspektrometers. Die zu vermessenden Ionen sollen effizienter von der Ionenquelle zum Massen-Analysator geleitet werden. Hierzu wird eine Überschall-Expansion in Kombination mit einen Ionenleiter, welcher einen radialen Einschluss der Ionen bewirkt, vorgeschlagen.
In DE 10 2008 051 695 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Mobilität von Ionen in Gasen offenbart. Die Ionen sollen im Vakuum durch einen Gasstrom, in dem sie sich befinden, gegen eine elektrische Potentialbarriere geschoben werden.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung daher zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik wenigstens vermindern.
Vor dem Stand der Technik soll es ermöglicht werden, einen Ionenstrahl zu erzeugen, der eine verbesserte Kühlung besitzt.
Insbesondere soll es auch möglich sein, eine möglichst preiswerte und kompakte Vorrichtung bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe bereits durch das Verfahren und die Ionenstrahlquelle gemäß der unabhängigen Patentansprüche 1 und 21. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ein Ionenstrahlquelle zur Erzeugung eines Ionenstrahles, umfassend die folgenden Bestandteile:

– eine erste Kammer mit einem ersten Gasvolumen und eine zweite Kammer mit einem zweiten Gasvolumen, welche über eine Düse miteinander verbunden sind, wobei das erste Gasvolumen einen gegenüber dem zweiten Gasvolumen derart erhöhten Druck aufweist, so dass das Gas aus Gasatomen und/oder -molekülen durch die Düse aus der ersten Kammer in die zweite Kammer strömt und sich beim Durchströmen ein Gasstrahl aus Gasatomen und/oder -molekülen ausbildet;
– eine Kühleinrichtung zum Vorkühlen des ersten Gasvolumens in der ersten Kammer,
– eine Ionenquelle, die in der ersten Kammer in Strahlrichtung vor der Düse angeordnet ist, zum Bereitstellen von Ionen beabstandet vor der Düse, sodass die Ionenerzeugung und die Expansion des Gases aus Gasatomen und/oder -molekülen beim Durchströmen der Düse räumlich voneinander getrennt sind und der Gasstrahl aus Gasatomen und/oder -molekülen die Ionen wenigstens teilweise mit in die zweite Kammer reißt und ein Ionenstrahl in dem Gasstrahl aus Gasatomen und/oder -molekülen enthalten ist, wobei die Ionen zweistufig gekühlt werden, indem Druck und Temperatur des ersten Gasvolumens zum Vorkühlen derart eingestellt sind, dass die Ionen vor der Expansion in die zweite Kammer mit den gekühlten Gasatomen und/oder -molekülen des ersten Gasvolumens wechselwirken und die Expansion in die zweite Kammer ein zweites Kühlen der in der ersten Kühlstufe vorgekühlten Ionen bewirkt,
– eine Beschleunigungseinrichtung, welche der Düse in Strahlrichtung nachgeordnet ist und eine Spannungsversorgung, mittels welcher eine Beschleunigungsspannung an die Beschleunigungseinrichtung angelegt ist zum Beschleunigen des in dem Gasstrahl aus Gasatomen und/oder -molekülen enthaltenen Ionenstrahls in Strahlrichtung.

Der Gasstrahl ist ein gerichteter Gasstrahl. Vorzugsweise ist der sich ausbildende Gasstrahl beim Durchströmen der Düse ein Überschallstrahl. Dieser wird im Allgemeinen durch eine adiabatische Expansion oder Überschallexpansion gebildet. Das Durchströmen ist derart, insbesondere bei einer Überschallexpansion, so dass die in dem Gasstrahl enthaltenen Atome und/oder Moleküle und Ionen in der Expansion gekühlt werden. Dies stellt nach dem Vorkühlen ein zweites Kühlen dar.
Zudem beansprucht die vorliegende Anmeldung ein Ionenstrahlrastersystem, welches zum einen eine Ionenstrahlquelle gemäß der vorliegenden Erfindung und zum anderen eine Rasterscan-Einrichtung zum zweidimensionalen Scannen des Ionenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse zum Abrastern eines zu untersuchenden Zielobjekts umfasst.
Zudem liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Ionenstrahls für ein Ionenstrahlrastersystem umfassend die nachfolgenden Verfahrensschritte:

– Bereitstellen eines ersten Gasvolumens in einer ersten Kammer und eines zweiten Gasvolumens in einer zweiten Kammer, welche über eine Düse miteinander verbunden sind, wobei das erste Gasvolumen mit einem gegenüber dem zweiten Gasvolumen derart erhöhten Druck bereitgestellt wird, so dass das Gas aus der ersten Kammer in die zweite Kammer strömt und sich eine Überschallstrahlexpansion ausbildet,
– Zünden einer Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen, vorzugsweise in der ersten Kammer, welche in der Überschallstrahlexpansion wenigstens teilweise mit in die zweite Kammer gerissen werden, so dass ein Ionenstrahl in dem Überschallstrahl enthalten ist,
– Beschleunigen des in dem Überschallstrahl enthaltenen Ionenstrahls und
– Scannen des Ionenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse zum Abrastern eines zu untersuchenden und/oder zu bearbeitenden Zielobjekts.

Das Scannen erfolgt hierbei mit der vorstehend genannten Rasterscan-Einrichtung. Zum Scannen kann der Ionenstrahl relativ zum Target und/oder das Target relativ zum Ionenstrahl bewegt werden. Die Rasterscan-Einrichtung ist im Allgemeinen vorzugsweise vor dem Zielobjekt angeordnet.
Die Ionenstrahlquelle und/oder das Ionenstrahlrastersystem ist bzw. sind insbesondere ausgebildet zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren ist insbesondere ausführbar mittels der erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle und/oder des Ionenstrahlrastersystems.
Die Ionenstrahlquelle und/oder das Ionenstrahlrastersystem wird bzw. werden nachfolgend auch vereinfacht als Vorrichtung bezeichnet. Das Zielobjekt kann auch als Target bezeichnet werden. Der Ionenstrahl kann auch als ein sogenannter Projektilstrahl bezeichnet werden.
Die vorstehend genannte Düse ist eine Öffnung oder eine rohrförmige Einrichtung, welche auf ihrer gesamten Länge den gleichen Querschnitt aufweisen, sich erweitern, verjüngen oder auch weitere komplexe Formen aufweisen kann. In einer Variante der Erfindung ist die Düse als eine Mikrodüse ausgeführt, deren Öffnung einen mittleren Durchmesser von 0,1 μm bis 50 μm, bevorzugt von 1 μm bis 50 μm, besonders bevorzugt von 5 μm bis 20 μm, besitzt. Die Öffnung der Düse besitzt vorzugsweise eine Länge von etwa von 20 μm bis 200 μm.
Zum einen beschreibt ein Gasvolumen in einer Kammer einen Raum, der mit einem Gas, insbesondere gewählter Sorte und/oder gewählten Druck, gefüllt ist. Zum anderen beschreibt ein Gasvolumen in einer Kammer auch einen Raum, der eine verminderte Gasdichte aufweist. Unter einem Gasvolumen wird somit zum Beispiel auch ein Raum verstanden, der bis zu einem gewünschten Druck evakuiert ist. Das jeweilige Gasvolumen in der jeweiligen Kammer wird daher, wie zum Beispiel bei der detaillierten Beschreibung der Erfindung, auch als Vakuumstufe bezeichnet.
Da das erste Gasvolumen gegenüber dem zweiten Gasvolumen einen erhöhten Druck aufweist, werden die Gasatome und/oder -moleküle beim Durchfliegen der Düse bzw. des Düsenkanals aufgrund des Druckgradienten zwischen Düseneingang und -ausgang beschleunigt.
Das Druckverhältnis zwischen dem ersten Gasvolumen in der ersten Kammer und dem zweiten Gasvolumen in der zweiten Kammer liegt in einer Größenordnung von größer als etwa 10⁵, bevorzugt von größer als etwa 10⁶, besonderes bevorzugt zwischen etwa 10⁶ und etwa 10⁹. Die erste Kammer kann daher auch als Hochdruckgefäß bezeichnet werden. Mit einer solch starken Druckdifferenz zwischen dem ersten Gasvolumen in der ersten Kammer und dem zweiten Gasvolumen in der zweiten Kammer ist es möglich, dass die Gasteilchen dabei adiabatisch expandieren. Die Gasteilchen werden, vorzugsweise auf Überschallgeschwindigkeit, beschleunigt. Dabei entsteht ein gerichteter Gasfluss durch die Düse. Die freie Enthalpie des Gases, d. h. sowohl die thermische Energie als auch die gespeicherte Druckarbeit, wird bzw. werden in eine gerichtete Vorwärtsbewegung der Gase umgewandelt. Es entsteht ein gerichteter Strahl oder Gasstrahl. Die innere Temperatur des Strahls, d. h. die Breite der Geschwindigkeitsverteilung, nimmt ab. Es bildet sich ein gerichteter Gasstrahl mit geringer transversaler Geschwindigkeit aus. Der gerichtete Strahl besitzt neben einer geringen transversalen Geschwindigkeitsverteilung auch eine geringe longitudinale Geschwindigkeitsverteilung. Ein solcher Strahl oder Gasstrahl wird auch als kalter Strahl bezeichnet. Die zweite Kammer kann daher auch als Expansionskammer bezeichnet werden. Die erzeugten Ionen werden durch die strömenden Gasteilchen mitgerissen. Sie nehmen sozusagen an der adiabatischen Expansion teil. Die für die Gasatome erzielte Kühlung wird auch für die Ionen erzielt. Es entsteht ein gerichteter Strahl, welcher die Gasatome und/oder -moleküle als auch die Ionen enthält. Für weitere Details zur Ausbildung des Überschallstrahls bzw. der Überschallstrahlexpansion sei jedoch auf die Erläuterungen in den Ausführungsbeispielen verwiesen.
Der Druck in der ersten Kammer liegt in einer Größenordnung von etwa 0,1 bar bis etwa 100 bar, vorzugsweise von etwa 1 bar bis etwa 20 bar. In der ersten Kammer wird zur Ausbildung des ersten Gasvolumens ein Gas, insbesondere ein Edelgas, bereitgestellt. Preiswerte Beispiele für ein Edelgas stellen Helium, Neon oder Argon oder deren Mischungen dar.
Um eine verbesserte Kühlung des Strahls zu erhalten, ist erfindungsgemäß eine Kühleinrichtung zum Vorkühlen des ersten Gasvolumens in der ersten Kammer vorgesehen. Das Vorkühlen ist ein erstes Kühlen der Ionen. Das Kühlen der Ionen in der Expansion stellt dann das zweite Kühlen dar. Es ist somit ein 2-stufiges oder zumindest 2-stufiges Kühlen der Ionen. Das Vorkühlen als sogenannte erste Kühlung kann durch einen Kryostaten erfolgen. Es ist eine Kühlung auf eine Temperatur von kleiner als etwa 100 K, bevorzugt von kleiner als etwa 50, besonders bevorzugt von kleiner als oder gleich etwa 10 K vorgesehen. Beispielsweise kann mit flüssigem Stickstoff auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 77 K bis 100 K gekühlt werden. Eine Kühlung auf den besonders bevorzugten Bereich ist zum Beispiel durch einen sogenannten Helium-Kryostaten möglich. Das Vorkühlen als erstes Kühlen ist derart, so dass die in dem ersten Gasvolumen enthaltenen Atome und/oder Moleküle sowie die durch die Ionenquelle bereitgestellten oder erzeugten Ionen gekühlt werden. Es ist ein erstes Kühlen vor dem Durchströmen, insbesondere der Expansion.
Das Vorkühlen wird am Beispiel der Heliumatome illustriert: Die Heliumatome in der ersten Kammer dienen, insbesondere bei einer Gasmischung, auch zur ersten Kühlung der Ionen und der Gasatome und/oder -moleküle des Überschallstrahls oder Gasstrahls. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Heliumatome, als Bestandteile des ersten Gasvolumens, von Raumtemperatur (300 K) mit einer thermischen Energie in einer Größenordnung von 36 meV, zum Beispiel durch den Helium-Kryostaten, auf eine Temperatur von unter 10 K gekühlt. Dies entspricht einer thermischen Energie von etwa 1 meV. Die durch die Ionenquelle erzeugten Ionen nehmen durch die Wechselwirkung mit den gekühlten Heliumatomen ”deren” Temperatur an. Die Ionen werden durch das Heliumgas gekühlt. Dies stellt das erste Kühlen der Ionen dar. Aufgrund des hohen Drucks des ersten Gasvolumens in der ersten Kammer ist die mittlere freie Weglänge der Ionen in der Größenordnung von Mikrometern. Somit nehmen die erzeugten Ionen die niedrige Energie der gekühlten Atome durch wenige Stöße sehr schnell an. Jedoch sind die resultierenden Impulse im Wesentlichen noch ungeordnet. Eine Umladung in der Wechselwirkung ist nicht störend, da durch einen Ladungstransfer ein neues Ion, hier Heliumion, gebildet werden würde.
In der Expansion erfolgt dann das zweite Kühlen. Durch die Expansion wird die ungerichtete Bewegung der Ionen, indem sie durch das Gas mitgerissen werden, in eine gerichtete Bewegung der Ionen umgewandelt. Die Ionen werden sowohl transversal als auch longitudinal auf eine Temperatur in der Größenordnung von Milli-Kelvin gekühlt. Die Temperatur beschreibt die transversale und longitudinale Impulsbreite der Ionen. Es entsteht ein kalter Ionenstrahl.
Der Druck in der zweiten Kammer liegt in einer Größenordnung von etwa 10^–4 mbar bis etwa 10^–1 mbar, vorzugsweise von etwa 10^–3 mbar bis etwa 10^–2 mbar. Die zweite Kammer wird durch eine Vakuumpumpe auf diesem Druckniveau gehalten.
Die Ionenquelle stellt die Ionen in der ersten Kammer und in der Düse so bereit, so dass der Überschallstrahl die Ionen wenigstens teilweise mit sich in die zweite Kammer reißen kann.
Die Ionen werden nicht in der Düse erzeugt. Erfindungsgemäß erfolgt eine gegenständliche Trennung der Ionenquelle und der Düse. Mit anderen Worten erfolgt somit eine räumliche Trennung der Ionenerzeugung von der Expansion. Erst diese räumliche bzw. gegenständliche Trennung ermöglicht die Ausbildung eines kalten Ionenstrahls. Ein kalter Ionenstrahl, als auch ein kalter Gasstrahl, ist gekennzeichnet durch einen geringe transversale und longitudinale Impulsbreite.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Raum im Bereich der Düse abgeschirmt, insbesondere von elektrischen und/oder magnetischen Feldern. Für eine elektrische Abschirmung erfolgt dies im Allgemeinen durch eine sorgfältige Erdung der umgebenden Bauteile. Es können jedoch auch entsprechende Mittel zur Abschirmung, wie Gitter und/oder Bleche, im Bereich der Düse bereitgestellt werden. Für eine magnetische Abschirmung kann auch, alternativ oder ergänzend, ein entsprechend ausgerichtetes magnetisches Kompensationsfeld bereitgestellt werden.
Der Raum im Bereich der Düse, insbesondere in der Düse, ist im Wesentlichen feldfrei, insbesondere sogar vollständig feldfrei. Unter einem im Wesentlichen feldfreien Raum wird ein Raum verstanden, der insoweit von elektrischen und/oder magnetischen Feldern abgeschirmt ist, dass die Expansion des Gases und insbesondere der in dem Gas mitgerissenen Ionen nicht gestört wird. Es erfolgt eine Expansion im feldfreien Raum.
In einer Ausführungsform der Erfindung besitzt bzw. besitzen die erste Kammer und/oder die zweite Kammer zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähige Wände. Vorzugsweise wird bzw. werden die Wände vollständig durch elektrisch leitfähige Wände gebildet. Die erste Kammer und/oder die zweite Kammer ist bzw. sind geerdet. Dadurch können auf die Wände auftreffende Ladungen, zum Beispiel durch die Ionenquelle erzeugte Elektronen und Ionen, gezielt abgeführt werden. Es lässt sich eine Aufladung im Wesentlichen verhindern oder zumindest reduzieren. Der vorteilhafte feldfreie Raum im Bereich der Düse, insbesondere in der ersten Kammer und in der Düse, bleibt erhalten.
Die räumliche Trennung zwischen Ionenerzeugung und der Expansion ist derart, dass das in der Ionenerzeugung verwendete elektrische Feld keinen wesentlichen oder sogar keinen Einfluss auf die Expansion des Gases und der in dem Gas enthaltenen und mitgerissenen Ionen hat.
Hierbei ist die Ionenquelle vorzugsweise im Bereich der ersten Düse angeordnet. Insbesondere ist die Ionenquelle in einem Abstand von kleiner als etwa 10 mm, vorzugsweise in einem Abstand von etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm, zur Düse angeordnet ist. Die Ionen werden somit für die Düse oder durch den ”Sog” in der Düse bereitgestellt. Die Ionenquelle selbst ist jedoch außerhalb der Düse angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ionenquelle in der ersten Kammer angeordnet.
Der überwiegenden Anteil der Ionen ist nur einfach ionisiert. Es können jedoch auch, in Abhängigkeit von den Kenndaten der verwendeten Ionenquelle, höhere Ladungszustände erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Ionenquelle eine Plasma-Ionenquelle. In einer erfindungsgemäßen Ausführung ist die Ionenquelle als eine Mikrostrukturelektroden-Ionenquelle (MSE) und/oder als eine Feldemissions-Ionenquelle, wie zum Beispiel eine Wolframspitze, ausgeführt. Eine MSE ist eine Mehrschichtanordnung, vorzugsweise eine 3-Schichtanordnung, welche eine Pore oder eine Mehrzahl an Poren aufweist. Bei der 3-Schichtanordnung werden zwei Metallelektroden durch eine dünne Isolatorfolie voneinander getrennt. In diese Anordnung wird ein Loch, die Pore, zum Beispiel mit einem mittleren Durchmesser in einer Größenordnung von 10 bis 350 μm eingebracht. Durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung an den Elektroden lässt sich, auch bei einem sehr hohen Druck in der Größenordnung von 1 bar bis 100 bar, in dem Loch oder in den Löchern über eine Gasentladung ein Plasma zünden. Insbesondere über die Wahl der Isolatordicke können der Abstand zwischen den Elektroden, die Zündspannung und der Druck aufeinander angepasst werden. Typischen Spannungen liegen bei etwa einigen 100 V bis etwa 1000 V. Die Polung der Ionenquelle, insbesondere der MSE, ist so gewählt, dass die Ionen in Richtung der Düse austreten. Die maximale Leistung der MSE, um einen kühlen Strahl zu erhalten, liegt in der Größenordnung von einem oder mehreren, vorzugsweise 5 bis 10, mW.
Insbesondere um den Bereich in der Düse feldfrei zu halten, liegen die Elektrode der Ionenquelle, welche der Düse zugeordnet ist, und die Düse auf dem gleichen Potential, vorzugsweise dem Erdpotential.
Wird die MSE im Wesentlichen ausschließlich als Quelle zum Bereitstellen der Ionen verwendet, so kann diese in einem sogenannten ”statischen Modus” betrieben werden. Hierbei herrscht ein im Wesentlichen gleicher Gasdruck auf beiden Seiten der MSE. Dies wäre zum Beispiel der Fall, wenn die Ionenquelle innerhalb der ersten Kammer und entfernt von der Düse positioniert wäre.
Die MSE kann aber auch mit einer Druckdifferenz und somit in einem ”dynamischen Modus” betrieben werden. Sofern die MSE jedoch im Bereich der Düse positioniert ist, kann sich bereits diese Druckdifferenz bzw. das Druckgefälle ergeben.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist eine erste Blende vorgesehen zum Filtern eines inneren Teils des Gasstrahls oder des Überschallstrahls, die der Düse in Strahlrichtung nachgeordnet ist. In anderen Worten wird der äußere Teil des Überschallstrahls ausgeblendet. Der Divergenzwinkel des Strahls kann im Wesentlichen durch den Abstand zwischen der Düse und der ersten Blende sowie dem Öffnungsdurchmesser der ersten Blende bestimmt werden. Die erste Blende ist vorzugsweise in der zweiten Kammer angeordnet.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Kammer über die erste Blende mit einer dritten Kammer verbunden, welche in Stahlrichtung nach der zweiten Kammer angeordnet ist. Die dritte Kammer kann separat evakuiert oder gepumpt sein. Der Druck in der dritten Kammer ist gegenüber dem Druck in der zweiten Kammer reduziert. Dadurch kann der Strahl oder der Überschallstrahl über größere Entfernungen transportiert werden. Der Druck in der dritten Kammer liegt vorzugsweise in einem Bereich von kleiner als etwa 10^–5 mbar, vorzugsweise von kleiner als etwa 10^–7 mbar. Der Abstand zwischen der Düse und der ersten Blende ist, in Abhängigkeit von den vorhandenen Drücken, vorzugsweise so gewählt, dass die Überschallströmung nicht vorher ”zusammenbricht”. Der Abstand zwischen der Düse und der ersten Blende liegt in einer Größenordnung von etwa 5 bis 30 mm. In einer bevorzugten Ausführung ist die ersten Blende als eine kegelförmige Blende ausgebildet. Eine kegelförmige Blende wird im Allgemeinen als ”Skimmer” bezeichnet. Dadurch kann ein störender Einfluss der ersten Blende auf die freie Expansion gering gehalten werden. Die langsamere Außenströmung, welche maßgeblich für einen Zusammenbruch des Überschallstrahls verantwortlich ist, kann abgetrennt werden. Der ”wechselwirkungsfreie” Bereich des Überschallstrahls, welcher auch als ”Jet” bezeichnet wird, kann dagegen ohne eine wesentliche Störung in den Bereich besseren Vakuums, hier in der dritten Kammer, überführt werden. Durch die Ionenquelle und/oder die Düse und/oder die erste Blende wird die Strahlachse festgelegt.
In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung kann ein solches System oder Jetsystem auch mehrstufig, d. h. mit mehreren hintereinander angeordneten Skimmern, und vorzugsweise jeweils separat evakuierten Kammern, aufgebaut sein. Der Druck in den einzelnen Kammern nimmt hierbei entlang der Strahlrichtung nach und nach ab.
Die erfindungsgemäße Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen des in dem Überschallstrahl enthaltenen Ionenstrahls ist der ersten Blende in Strahlrichtung nachgeordnet. In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist die Beschleunigungseinrichtung in Strahlrichtung vor der ersten Blende angeordnet. Die Ionen können somit vor und/oder nach der ersten Blende beschleunigt werden.
Die Ionen werden in Richtung der Strahlachse beschleunigt. Dadurch wird das Verhältnis der Transversaltemperatur des Ionenstrahls zur kinetischen Energie des Ionenstrahls verkleinert. Dadurch kann eine verbesserte Emittanz des Ionenstrahls erzielt werden. Die Emittanz ist definiert als das Verhältnis von Transversalimpuls zu Longitudinalimpuls.
Die Emittanz kann verbessert werden durch eine Verringerung des Strahldurchmessers und/oder durch eine Verringerung der Temperatur der Ionen in dem Strahl. Die Verringerung der Ionentemperatur kann mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Die Verringerung des Strahldurchmessers kann durch eine entsprechende Verkleinerung des Durchmessers der Düse erreicht werden.
Vorzugsweise ist die Beschleunigungseinrichtung in der dritten Kammer angeordnet. In einer Ausgestaltung ist die Beschleunigungseinrichtung als zumindest ein Potentialgitter und/oder als zumindest ein Potentialring ausgeführt ist, an denen eine geeignete Beschleunigungsspannung anlegbar ist. Um insbesondere auch einzelne Ionenpakete bereitstellen zu können, was zum Beispiel für sogenannte Koinzidenzmessungen relevant ist, ist die eine Beschleunigungsspannung gepulst an der Beschleunigungseinrichtung anlegbar oder angelegt. Dazu ist zumindest eine steuerbare Spannungsversorgung zum Anlegen einer gepulsten Beschleunigungsspannung an der Beschleunigungseinrichtung vorgesehen.
Vorzugsweise werden die Ionen auf eine Energie von größer als oder gleich etwa 5 keV, bevorzugt von größer als oder gleich 10 keV, beschleunigt. Dies wird durch entsprechend ausgebildete Spannungsversorgungen ermöglicht.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist bzw. sind wenigstens Linse, vorzugsweise wenigstens eine elektrostatische und/oder wenigstens eine magnetische Linse, zum Fokussieren des Ionenstrahls vorgesehen. Dadurch kann der Ionenstrahl gezielt auf einen kleinen Querschnitt fokussiert werden. In der Ausbildung eines mehrstufigen Systems ist die Linse oder sind die Linsen in einer vierten Kammer angeordnet. Der Druck in der vierten Kammer liegt vorzugsweise in einem Bereich von kleiner als etwa 10^–7 mbar, vorzugsweise von kleiner als etwa 10^–9 mbar. Die Linse ist vorzugsweise in Strahlrichtung nach der Beschleunigungseinrichtung angeordnet. In der Ausbildung eines mehrstufigen Systems ist die Rasterscan-Einrichtung vorzugsweise ebenso in der vierten Kammer angeordnet. Dabei ist die genannten Linse in Strahlrichtung vor der Rasterscan-Einrichtung angeordnet.
Im Bereich vorliegenden Erfindung liegt auch die Verwendung der Ionenstrahlquelle und/oder des Ionenstrahlrastersystems in einer Lithographievorrichtung zum Strukturieren eines Zielobjekts und/oder in einem Ionenstrahlrastermikroskop zur Untersuchung eine Zielobjekts. Im Fall des Ionenstrahlrastermikroskops, kurz Ionenrastermikroskops, ist der Ionenstrahl eine Art Untersuchungsstrahl. Im Fall der Lithographievorrichtung ist der Ionenstrahl eine Art Werkzeug zum Strukturieren. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Ionenstrahlrastersystem Mittel zum Nachweisen der in der Wechselwirkung entstehenden Teilchen. Die genannten Mittel ermöglichen zum Beispiel den Nachweis von Photonen, Elektronen und/oder Ionen. Mögliche Ausgestaltungen der Nachweismittel stellen Photonendetektoren, Massenspektrometer, wie Flugzeitmassenspektrometer, Quadrupolmassenspektrometer und/oder Elektronenspektrometer, wie ein Plattenspektrometer dar.
Ein erfindungsgemäßes Ionenrastermikroskop ist besonders vorteilhaft gegenüber bekannten Rastersondenmikroskopen. Rastersondenmikroskope sind Geräte, mit welchen die Oberfläche eines Objekts zeilenweise Punkt für Punkt mit einer feinen Sonde abgetastet bzw. gerastert wird. Ein dabei entstehendes Messsignal wird in einem Bild als Helligkeits- oder Farbverteilung wiedergegeben. Die entstehenden Bilder sind keine geometrischen Abbildungen. Sie sind, entsprechend dem jeweiligen Messverfahren, eine flächenhafte Darstellung der physikalischen Eigenschaften der Probenoberfläche.
Eine mögliche Ausgestaltung eines Rastersondenmikroskops stellt zum Beispiel das Rasterelektronenmikroskop (Abk. REM) dar, bei dem ein Elektronenstrahl als Sonde verwendet wird. Das REM liefert unter anderem ein Bild des Reflexionsvermögens für Elektronen. Ein weiteres Beispiel ist das Rastertunnelmikroskop (Abk. STM: ”scanning tunnel microscope) mit einer feinen Metallspitze als sogenanntem Tunnelkontakt. Das STM gibt hierbei Aufschlüsse über die Elektronendichteverteilung in der zu untersuchenden Probe.
Jedoch liefern diese bekannten Rastersondenmikroskope im Allgemeinen nur ein Bild über die Elektronenverteilung in der zu untersuchenden Probe und keinen direkten Zugang über den Aufbau und die Zusammensetzung der zu untersuchenden Probe. Zudem besitzen diese im Allgemeinen einen sehr großen Aufbau von bis zu mehreren Metern und sind daher recht aufwendig im Aufbau und im Betrieb.
Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Ionenrastermikroskop in seinem Aufbau sehr kompakt. Zudem ist es möglich, da sowohl Photonen, Ionen und/oder Elektronen nachgewiesen werden können, einen verbesserten Zugang zu dem Aufbau und die Zusammensetzung einer zu untersuchenden Probe zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Elemente.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.
2.a zeigt eine Detailansicht der ersten Vakuumstufe mit der Mikrostrukturelektroden-Ionenquelle (MSE) aus 1.
2.b illustriert das Prinzip einer Überschall-Expansion eines Gasstrahls.
2.c illustriert die Verwendung der MSE in einer Überschall-Expansion eines Gasstrahls.
2.d zeigt eine Flugzeitverteilung eines Gasjets im Vergleich zu einem Gasstrahl bei Raumtemperatur ohne Überschallexpansion.
3.a zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine schematische Detailansicht der Mikrostrukturelektroden-Ionenquelle aus 2.
3.b zeigt eine Aufsicht auf eine Keramik-Wolfram-MSE.
3.c zeigt den gemessenen Ionenstrom als Funktion des Plasmastroms.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle in der Verwendung in einem Ionenstrahlrastersystem 100. Das Ionenstrahlrastersystem 100 umfasst zunächst eine Ionenquelle 12, vorzugsweise mit guter Emittanz, eine Nachbeschleunigung 31, 32, 33 und Linsen 41, die einen kleinen Strahlfleck, insbesondere im Nanometerbereich, erzeugen können. Dieser Ionenstrahl 49 wird mittels elektrostatischer Ablenkplatten 42 in kleinen Winkelschritten, insbesondere in Subnanometer-Schritten, auf einer Festkörperprobe 43 gerastert.
Diese Anordnung kann als ein Oberflächenionenmikroskop, insbesondere mit Subnanometerauflösung, verwendet werden und/oder es können mit der dieser Anordnung Strukturen, insbesondere ebenfalls mit Subnanometerauflösung, geätzt werden. Beispiele für ein Ionenstrahlrastersystem 100 sind Ionenrastermikrokope und/oder Lithographievorrichtungen.
Das System 100 kann zum Beispiel aus vier Vakuumstufen 10, 20, 30, 40 aufgebaut sein. Strahlachse und Strahlrichtung sind durch den Pfeil 50 illustriert.
In der ersten Vakuumstufe 10 befindet sich als erstes Gasvolumen 11 ein Heliumgas unter hohem Druck, zum Beispiel bei 1 bar bis 100 bar. Das Heliumgas kann bis auf ca. 10 K vorgekühlt werden. Entsprechende Kühlmittel hierzu, zum Beispiel ein Helium-Kryostat, sind in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt. Die erste Vakuumstufe 10 ist vorliegend in der zweiten Vakuumstufe 20 angeordnet. Die erste Vakuumstufe 10 ist über eine Mikrodüse 13 mit der zweiten Vakuumstufe 20 verbunden.
In dem ersten Gasvolumen 11 befindet sich in Nachbarschaft zur Mikrodüse 13, beispielsweise in einem Abstand von etwa 1 mm von der Düse 13, eine Ionenquelle 12, die auch bei diesem hohen Druck ohne äußeres Magnetfeld ein Plasma erzeugen kann. Dabei entstehen He¹⁺-Ionen, die im Heliumgas nicht vernichtet werden. Diese Ionen können bei der Entstehung einige eV kinetische Energie haben. Sollte ein He¹⁺-Ion sich durch Elektronentransfer neutralisieren, entsteht automatisch ein anders identische He¹⁺-Ion.
In dem wenige Kelvin kalten Gas 11 werden die Ionen sehr schnell auf die Umgebungstemperatur von wenigen Kelvin gekühlt. Dies entspricht einer kinetischen Energie von ca. 1 meV. Das Vorkühlen stellt ein erstes Kühlen dar.
Die Ionenquelle 12 kann zum Beispiel als eine Mikrostrukturelektrode (MSE) 12 ausgebildet sein, welche auch als Mikroplasmastruktur bezeichnet werden kann. Aufgrund der sehr kleinen Abstände können auch bei typischen Spannungen von etwa einigen 100 V bis etwa 1000 V Ionenströme von bis zu einigen mA erzeugt werden (siehe hierzu 3.c).
Ein Großteil dieser Ionen trifft auf die Metallwände der ersten Vakuumstufe 10, welche vorzugsweise geerdet sind, und wird wieder neutralisiert. Ein kleiner Teil dieser Ionen, insbesondere mit einem typischen Stromwert von einigen nA bis μA, kann durch die Mikrodüse 13 aus der ersten Vakuumstufe 10 in die zweite Vakuumstufe 20 bzw. in das zweite Gasvolumen 21 der zweiten Vakuumstufe 20 eintreten. Die erzeugten Ionen werden sozusagen von dem Gas mitgerissen. Die Düse 13 besitzt einen typischen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 10 μm. Beispielsweise eine Turbopumpe mit hoher Saugleistung von einigen 100 Liter/sec sorgt für ein relativ gutes Vakuum in der zweiten Vakuumstufe 20. Der Druck in der zweiten Vakuumstufe liegt typisch bei einigen 10^–3 mbar.
Wegen der großen Druckunterschiede in der ersten Vakuumstufe 10 im Vergleich zu der zweiten Vakuumstufe 20 bildet sich in der Mikrodüse 13 oder im Bereich der Mikrodüse 13 ein Überschallstrahl 29 aus, der sowohl transversal als auch longitudinal, vorzugsweise auf unter 10 mK, intern gekühlt wird. Das Kühlen durch bzw. in der Expansion stellt ein zweites Kühlen dar.
Durch den aufgrund des Druckunterschiedes entstehenden Sogs wird ein Teil der Ionen zusammen mit den Gasatomen (und/oder -molekülen) in die zweite Vakuumstufe 20 geführt. Die erzeugten Ionen werden von dem Gas oder von dem Sog, welches das Gas erzeugt, mitgeführt, welches aus der Düse 13 austritt. Es wird ein Ionenstrom 29 oder ein Ionenstrahl 29 gebildet. Der Ionenstrahl 29 ist sozusagen in dem Gasstrahl 29 enthalten. Dieser Ionenstrahl 29 tritt, zusammen mit dem Gasstrahl 29, aus der Düse aus 13 und in die zweite Vakuumstufe ein.
Die zweite Vakuumstufe 20 ist über eine erste Blende 22 mit einer dritten Vakuumstufe 30 verbunden. Die erste Blende 22 ist vorliegend als ein ”Skimmer” 22 ausgeführt. Der Ionenstrahl 29 tritt, zusammen mit dem Gasstrahl 29, in den Skimmer 22 ein. Der innerste Teil des Gasstrahls 29 und des Ionenstrahls 29 tritt durch die Skimmeröffnung, welche zum Beispiel einen Durchmesser von ca. 0,5 mm hat, in die dritte Vakuumstufe ein 30. Der Druck in der dritten Vakuumstufe 30 liegt in einer Größenordnung von etwa unter 10^–7 mbar. Der Druck wird durch eine Vakuumpumpe, zum Beispiel eine Turbomolekularpumpe, erzeugt. Es wird die Strahlachse 50 durch die Ionenquelle 12 und die Düse 13 und vorzugsweise auch durch die erste Blende 22 definiert.
Dieser ”geskimmte” innerste Teil des Strahls 39, d. h. des Ionenstrahls 39 und des Gasstrahls 39, hat eine typische transversale Temperatur von unter 10 mK. Dies entspricht einer transversalen kinetischen Energie von ca. 1 μeV.
In der dritten Vakuumstufe 30 befindet sich eine Beschleunigungseinrichtung 31, 32, 33 zum Beschleunigen der in dem Strahl 39 enthaltenen Ionen. Die Beschleunigung ist vorteilhaft, um das Abbildungsverhältnis des Systems 100 zu verbessern. In der dargestellten Ausführungsform wird die Beschleunigungseinrichtung zum Beispiel durch drei Gitter 31, 32, 33 gebildet. Die Gitter 31, 32, 33 sind parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die Gitter 31, 32, 33 stehen senkrecht zur Strahlachse 50. In der dritten Vakuumstufe 30 wird der Ionenstrahl 39 zum Beispiel auf ca. 10 keV kinetische Energie beschleunigt. Die dazu erforderlichen Beschleunigungsspannungen werden an den Gittern entsprechend angelegt. Die dazu erforderlichen HV-Spannungsversorgungen sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Eine mögliche Ausgestaltung ist das Setzen eines Potentials von 0 V an dem ersten Gitter 31 und das Setzen der Beschleunigungsspannung, hier von 10 kV, an dem zweiten Gitter 32 und dem dritten Gitter 33. Es würde eine Beschleunigung der Ionen zwischen dem ersten Gitter 31 und dem zweiten Gitter 32 erfolgen. Zwischen dem zweiten Gitter 32 und dem dritte Gitter 33 würden die Ionen entsprechend ihrer Geschwindigkeit driften. Die nachfolgenden Einrichtungen 41, 42 und 43 wären dann auch auf einem entsprechenden Potential, hier von 10 kV, zu setzen, um ein Verzögern der Ionen zu verhindern.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung wird die Beschleunigungsspannung gepulst an dem zweiten Gitter 32 und dem dritten Gitter 33 angelegt. Es würde wiederum eine Beschleunigung der Ionen zwischen dem ersten Gitter 31 und dem zweiten Gitter 32 stattfinden. Zwischen dem zweiten Gitter 32 und dem dritte Gitter 33 würden die Ionen wieder entsprechend ihrer Geschwindigkeit driften. Das ”Timing” bzw. die Pulsung ist derart zu wählen, dass die Beschleunigungsspannung auf den Wert von 0 V abgefallen ist, sobald die Ionen an dem dritten Gitter 33 angelangt sind. Die nachfolgenden Bauteile 41, 42, 43 könnten dann ebenso auf dem Erdpotential liegen. Durch die Pulsung können einzelne Ladungspakete erzeugt werden.
Die dritte Vakuumstufe 30 ist über eine weitere Öffnung mit einer vierten Vakuumstufe 40 verbunden. In der vierten Vakuumstufe 40 herrschen Ultrahochvakuum-Bedingungen mit einem Druck von unter 10^–10 mbar. Der Druck wird durch eine Vakuumpumpe, zum Beispiel eine Turbomolekularpumpe, erzeugt. In der vierten Vakuumstufe 40 sind elektrostatische Linsen 41, zum Beispiel Einzellinsen und/oder Quadrupollinsen, zum Fokussieren des Ionenstrahls 39 angeordnet. Diese Linsen 41 liegen auf der Strahlachse 50.
Für das gewählte Beispiel ergibt sich aus dem Verhältnis von Transversaltemperatur zur kinetischen Energie des Ionenstrahls 39 nach der Beschleunigung von 1 μeV/10 keV = 10^–10 für die Verkleinerung der Winkelemittanz ein Verhältnis von 10^–5.
Da der Austrittsfleck des Strahls aus der Düse 13 in der Größenordnung von einigen Mikrometern, vorzugsweise von etwa 2 bis 10 Mikrometern, ist, kann dieser durch die Beschleunigung und die Linsenfokusierung auf einen Strahldurchmesser in der Größenordnung im Nanometerbereich, vorzugsweise von etwa 0,1 bis 10 Nanometer, verkleinert werden. Dies erlaubt zum Beispiel eine hohe Genauigkeit in der Oberflächenmodifikationen und/oder -analyse.
Zudem ist vorliegend in der vierten Vakuumstufe 40 eine Rasterscan-Einrichtung 42 angeordnet. Mittels dieser erfolgt ein, vorzugsweises zweidimensionales, Scannen des Ionenstrahls 49, vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse, zum Abrastern des Targets 43 oder der Probe. Die Rasterscan-Einrichtung 42 wird zum Beispiel durch Rasterelektroden gebildet. Mittels dieser Rasterelektroden kann dieser so verkleinerte Ionenstrahl 49 auf der Probe 43, z. B. in wenigen Angström-Schritten, 2-dimensional über die Probe gescannt werden.
He¹⁺-Ionen tragen eine potentielle Ionenenergie von 24,9 eV mit sich. Diese Energie wird für 10 keV Ionen praktisch auf ein Oberflächenatom durch Elektronentransfer transferiert. He¹⁺-Ionen stellen somit eine starke Ätzsäure (sogenanntes Ionenätzen) dar. Sie ermöglichen gezielt einzelne Atome abzutragen und/oder Strukturen auf die Oberfläche der Probe zu schreiben. Sekundäre Stragglingprozesse, wie zum Beispiel bei hohen Energien von Ionenstrahlen oder UV-Photonen, kommen dagegen kaum vor.
Die Oberflächenatome, welche diese Energie von 24,9 eV durch einen Elektronentransfer zum Ion oder Projektilion erhalten haben, können diese Energie durch charakteristische Augerelektronen und/oder Photonen abgeben. Durch simultane Messung dieser Sekundärstrahlung kann die Ordnungszahl diese Oberflächenatoms identifiziert und damit im Subnanometerbereich eine kontrollierte Elementanalyse durchgeführt würden. Dazu ist in der vierten Vakuumstufe 40 noch ein Mittel 44 zum Nachweis der von der Probe 43 emittierten Teilchen schematisch dargestellt.
Helium stellt jedoch nur ein Gas dar. Neon und Argon sind zum Beispiel dann vorteilhaft, wenn hohe Sputterausbeuten an dem Target, zum Beispiel beim Strukturieren, erzeugt werden sollen. Es können neben den Elektronen und Photonen auch noch die von dem Target emittierten Ionen, Atome und/oder Moleküle nachgewiesen werden. Zudem sind Neon und Argon aufgrund ihrer gegenüber Helium geringen Ionisierungsenergie einfacher zu erzeugen.
Die Gesamtgröße eines solchen Ionenstrahlrastersystems 100 (in der Längserstreckung) kann in einer Größenordnung von etwa 20 cm bis 100 cm liegen. Es können trotzdem Ortsauflösungen erzielt werden, wie sie im Allgemeinen nur MeV-Elektronenstrahlmikroskope erreichen. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass, in Abhängigkeit von der Energie der Ionen, im Wesentlichen nur die Oberflächenschicht untersucht und/oder bearbeitet wird.
2.a zeigt eine Detailansicht der ersten Vakuumstufe 10 mit der Mikrostrukturelektroden-Ionenquelle 12 aus 1. An der einen Seite der ersten Vakuumstufe 10 (links dargestellt) ist der Gaseinlass 1 angeordnet. Die MSE-Ionenquelle 12 selbst ist im Inneren der ersten Vakuumstufe 10 angeordnet. Sie ist über entsprechende Halter positioniert. An der anderen Seite der ersten Vakuumstufe 10 (rechts dargestellt) ist die Düse 13 dargestellt. Die Ionenquelle 12 ist in einem kleinen Abstand zur Düse 13 angeordnet. Die Düse 13 wird nicht durch ein Pore 12c der MSE 12 bereitgestellt. Vorzugsweise wird eine Strahlachse 50 durch die Düse 13 und die MSE 12, insbesondere mit der Pore 12c oder den Poren 12c der MSE 12, definiert.
Über den Gaseinlass 1 wird das Gas, zum Beispiel Helium, der ersten Vakuumstufe 10 zugeführt. Die erste Vakuumstufe 10 stellt hierbei eine Art Hochdruckgefäß dar. Die Ionen werden auf der Hochdruckseite erzeugt. In der Ionenquelle 12 wird das Plasma zur Erzeugung der Ionen gezündet. Da sich die Ionenquelle 12 in der Nähe der Düse 13 befindet, werden die Ionen zwar für die Düse 13 bzw. für den Durchtritt durch die Düse 13 bereitgestellt. Die Ionen werden aber nicht in der Düse 13 erzeugt. Das Plasma selbst wird nicht in der Düse 13 gezündet. Es erfolgt somit eine Trennung von Ionenerzeugung und Expansion. Die Expansion führt gerade zur Kühlung des Strahls 29. Die Kühlung in der Expansion ist, nach dem Vorkühlen als erstes Kühlen, ein zweites Kühlen. Würde das Plasma nämlich in der Düse 13 und somit im Bereich der Expansion gezündet werden, würde die Expansion der Ionen durch die vorhandenen Felder gestört werden. Zudem würden die Ionen in Abhängigkeit von ihrem Entstehungsort in der Düse 13 eine unterschiedliche Potentialdifferenz durchlaufen. Sie würden somit, in Abhängigkeit von ihrem Entstehungsort in der Düse 13, eine unterschiedliche kinetische Energie gewinnen. Der resultierende Strahl 29 wäre nicht mehr ausreichend kalt. Die Düse 13 verbindet die erste Vakuumstufe 10 mit der zweiten Vakuumstufe 20. Die Düse 13 ist sozusagen eine Art Gasauslass. Wird durch die Düse 13 bei entsprechend hoher Druckdifferenz zwischen erster 10 und zweiter Vakuumstufe 20 ein Überschallstrahl bereitgestellt, so wird diese auch als ”Super Sonic Jet Expansion nozzle” bezeichnet.
Die Elektroden 12a und 12c der MSE 12 sind so gepolt, dass die in der MSE 12 bzw. der Pore 12d erzeugten Ionen in Richtung der Düse 13 austreten können. Die Elektrode 12c, welche auf der Seite der MSE 12 angeordnet ist, die an die Düse 13 grenzt, befindet sich auf einem gegenüber der Elektrode 12a niedrigem Potential. Das Bereitstellen der Zündspannung für die MSE 12, indem an der einen elektrisch leitfähigen Lage 12a der MSE 12, welcher der Düse 13 abgewandt ist, eine positive Spannung über die dargestellte Zuführung 14 angelegt wird. Die andere elektrisch leitfähige Lage 12c der MSE 12, welcher der Düse 13 zugewandt oder benachbart zur Düse 13 ist, liegt auf dem gleichen Potential wie die Düse 13. Vorzugsweise liegen beide auf dem Erdpotential.
Dadurch kann die Umgebung der Düse 13 im Wesentlichen feldfrei von der MSE 12 bereitgestellt werden. Die Umgebung definiert sich über den Bereich der Expansion des Gases und der darin enthaltenen Ionen. Um den erforderlichen feldfreien Raum gewährleisten zu können befinden sich die Bauteile, welche die Düse 13 sozusagen ”umgeben”, auf dem gleichen Potential wie Düse 13. Wäre dieser Bereich gerade nicht feldfrei, würde die Expansion gestört werden. Der resultierende Strahl 29 wäre nicht mehr ausreichend kalt. Vorzugsweise befindet sich der Skimmer 22, welcher in 2 jedoch nicht dargestellt ist, ebenso auf dem gleichen Potential wie die Düse 13. Vorzugsweise ist die Umgebung der Düse 13 nicht nur frei von elektrischen sondern ebenso frei von magnetischen Feldern bzw. Störfeldern.
Während die 2.a vielmehr die Strukturen der ersten Vakuumstufe 10 zeigt, illustriert dagegen die 2.b vielmehr das Prinzip der Überschall-Expansion eines Gasstrahls 29 bzw. eines Gasstrahls 29 und des in ihm enthaltenen Ionenstrahls 29. Als Bauteile sind die erste Vakuumstufe 10, die Düse 13, der Skimmer 22 und die Wand zwischen zweiter Vakuumstufe 20 und dritter Vakuumstufe 30 dargestellt.
Eine Funktionsskizze des Vorgangs im ”Inneren” der ersten Vakuumstufe 10 ist in 2.c dargestellt. Ergänzend zu 2.b ist in 2.c sozusagen die Verwendung der MSE 12 in der Überschall-Expansion eines Gasstrahls 29 illustriert. Die Ionenerzeugung und die Expansion des Gases und der Ionen sind getrennt. Das Plasma brennt in der MSE 12. In der Düse 13 erfolgt die Expansion. Um einen äußerst gut gekühlten Ionenstrahl zu erhalten, erfolgt die Ionisation somit bereits vor dem Durchströmen der Düse 13. Der entstehende Überschall-Gasjet 29 enthält neben neutralen Atomen und/oder Molekülen somit auch Ionen. Die MSE 12 wird vorliegend im Wesentlichen ausschließlich als Quelle zum Bereitstellen der Ionen verwendet. Daher kann diese in einem sogenannten ”statischen Modus” betrieben werden. Hierbei herrscht ein im Wesentlichen gleicher Gasdruck auf beiden Seiten der MSE 12. Da die MSE 12 vorliegend im Bereich der Düse 13 positioniert ist, kann sich bereits ein kleines Druckgefälle und somit eine Art dynamischer Modus ergeben.
Die Erzeugung eines Überschall-Gasjets 29 wird nachfolgend kurz skizziert. Weitere Details hierzu finden sich zum Beispiel in ”J. P. Toennies und K. Winkelmann, J. Chem. Phys. 66, 3965, 1977” und in ”G. Brusdeylins, J. P. Toennies und R. Vollmer, Book of Abstracts, Seite 98, Perugia, 1989”. Ein Gas aus einem ersten Gasvolumen 11 mit einem Anfangsdruck p₀ und der Temperatur T₀ strömt durch eine Düse 13 in ein zweites Gasvolumen 21 mit vermindertem Druck. Bei ausreichender Druckdifferenz findet eine adiabatische Expansion statt. Die freie Enthalpie des Gases, also sowohl die thermische Energie kT₀ als auch die gespeicherte Druckarbeit p₀V, wird in eine gerichtete Vorwärtsbewegung der Gase umgewandelt. Man erhält einen gerichteten Gasstrahl mit geringer transversaler Geschwindigkeit. Aufgrund der zahlreichen während der Expansion stattfindenden Stöße gleicht sich die Geschwindigkeit der einzelnen Atome, hier auch der Ionen, stark an: Die Breite der transversalen und longitudinalen Geschwindigkeitsverteilung und somit innere Temperatur des Strahls nimmt ab. Im Falle eines idealen Vakuums auf der Niederdruckseite und eines idealen Gases würde die Umwandlung von freier Enthalpie in gerichtete Bewegung vollständig geschehen. Die interne Temperatur würde dann auf 0 K sinken und die freie Weglänge wäre unendlich groß. Bei den real auftretenden Drücken behalten die Gasatome hingegen einen Rest thermischer Energie. Die Gasatome bzw. -moleküle werden beim Durchfliegen der Düse 13 aufgrund des Druckgradienten zwischen Düsenein- und -ausgang beschleunigt. Am Düsenausgang kann, unabhängig vom Hintergrunddruck auf der Vakuumseite, maximal Schallgeschwindigkeit erreicht werden. Die sogenannte Machzahl, die den Quotienten aus Geschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit darstellt, ist M = 1. Ist der Druck des Gasstrahls hinter der Düse 13 dagegen immer noch größer als der Hintergrunddruck, so expandiert das Gas weiter. Die im Strahl enthaltenen Teilchen erreichen Überschallgeschwindigkeit mit M > 1. Dieser Strahl wird dann im Allgemeinen als ein Überschalljet oder ”Super Sonic Jet” bezeichnet. Als Beispiel für Helium mit einer Temperatur von 300 K (Raumtemperatur) können die Teilchen von einer ungerichteten mittleren Geschwindigkeit von 1300 m/s auf eine gerichtete Geschwindigkeit im Jet von über 1700 m/s beschleunigt werden. Die sich ausbildenden Gasströmungen können vereinfacht in zwei Bereiche aufgeteilt werden: Die Expansionszone mit innenliegender ”Zone of Silence”, in welcher sich die Teilchen wechselwirkungsfrei mit Überschallgeschwindigkeit (Machzahl M > 1) bewegen, und in die außenliegende Schockfront.
Die Trennung der Ionenerzeugung in der Ionenquelle 12 von der Expansion in der Düse 13 ermöglicht, dass das Prinzip der Kühlung der Gasatome im Überschall-Gasjet sich auch auf die in der Entladung produzierten Ionen auswirkt. Das Kühlen in der Expansion stellt jedoch in der dargestellten Ausführungsform nur die zweite Stufe der Kühlung dar. Voraussetzung für einen gut gekühlten Ionenstrahl ist das 2-stufige Kühlen der Ionen: Zunächst das erste Vorkühlen der Ionen in der ersten Kammer 10 durch eine Wechselwirkung mit den gekühlten Heliumatomen in dem ersten Gasvolumen 11. Dann das zweite Kühlen der Ionen in der Expansion. Dies ermöglicht die Erzeugung eines kalten Ionenstrahls bzw. eine Ionenstrahls mit scharfer Energieverteilung. Darüber hinaus erlaubt das definierte Volumen, in dem die Ionen erzeugt werden, die Erzeugung eines genau lokalisierten Ionenstrahls, der gerade für Ionenstrahlrastersysteme 100 interessant ist.
Die erste Blende 22 filtert den inneren Teil des Strahls 29. Da die erste Blende 22 als ein Skimmer ausgebildet ist. kann der störende Einfluss der ersten Blende auf die freie Expansion gering gehalten werden. Die langsamere Außenströmung, welche maßgeblich für den Zusammenbruch des Jets verantwortlich ist, kann abgetrennt werden. Dagegen kann der ”wechselwirkungsfreie” Bereich des Jets ohne eine wesentliche Störung in den Bereich besseren Vakuums, hier der dritten Kammer 30, überführt werden.
Die Abnahme der internen Temperatur eines Gasstrahls, also der Breite der Geschwindigkeitsverteilung der Atome oder Moleküle, bei der Expansion ist noch einmal in 2.d illustriert. 2.d zeigt eine Flugzeitverteilung eines Gasjets (schmaler Peak) im Vergleich zu einem Gasstrahl bei Raumtemperatur (300 K), bei dem keine Überschallexpansion stattfindet (breite Verteilung). Der dargestellte Vergleich der longitudinalen Geschwindigkeitsverteilung verdeutlicht die Abnahme der internen Temperatur des Gasstrahls bei der Expansion. Heliumatome bei 300 K besitzen eine durchschnittliche Geschwindigkeit von etwa 1360 m/s. Das entspricht einer thermischen Energie von kT₀ = 36 meV. Dagegen liegen die Energien bei einem kalten Strahl in einem Bereich von etwa 1 meV. Da die Ionen mit den Gasatomen fliegen bzw. strömen, nehmen sie ebenso diese bzw. deren Temperatur an.
Die 3.a und 3.b zeigen schematisch zwei Ausführungsformen einer Mikrostrukturelektroden-Ionenquelle 12. In 3.a ist ein schematischer Schnitt durch eine MSE-Pore 12d dargestellt. Zum Beispiel sind auf einer Trägerfolie 12b aus Kapton zwei Kupferelektroden 12a und 12c aufgebracht. In dieses Mehrschichtsystem, hier einem 3-Schichtsystem, werden Poren 12d mit Durchmessern bis zu einigen 100 μm eingebracht, beispielsweise geätzt.
3.b zeigt eine Aufsicht auf eine Keramik-Wolfram-MSE 12. Es ist eine Keramik-MSE 12 mit Wolfram-Elektroden. Die lasergebohrte Pore 12d ist als dunkler Fleck im Zentrum zu erkennen. Um eine MSE 12 zu erhalten, die sich auch bei Entladeströmen im mA-Bereich über einen längeren Zeitraum betreiben lassen, wird als Isolator 12b eine Keramik (Al₂O₃) eingesetzt. Auf einer beispielsweise 100 μm dicken Al₂O₃-Folie sind Elektroden 12a und 12c aus Wolfram, mit einer beispielhaften Dicke von ca. 25 μm, angeordnet. Insbesondere aufgrund eines geringeren Sputtering-Koeffizienten sind diese MSE 12 länger haltbar. Die vier um die Elektroden angebrachten Löcher dienen zur Befestigung der MSE 12 in einer Halterung. Die Vorteile von Keramik, im Vergleich zu Kapton und Glas, sind eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen die Plasmaeinwirkung, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere Beständigkeit gegen thermische Belastungen.
3.c gibt einen Aufschluss über die Größenordnung der mit einer MSE 12 erzeugbaren Ionenströme. Dargestellt ist der Ionenstrom als Funktion des Plasmastroms für verschiedene Extraktionsspannungen. Es ist aufgetragen der zum Skimmer 22 fließende Strom in Abhängigkeit vom Plasmastrom und einer zusätzlichen Extraktionsspannung zum Beschleunigen der aus der MSE 12 austretenden Ionen. Das Bauteil zum Anlegen der Extraktionsspannung ist in den Figuren nicht dargestellt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Merkmale einzelner Ausführungsformen und die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Merkmale können jeweils untereinander als auch miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Gaseinlass
10: Erste Kammer oder erste Vakuumstufe oder He-Hochdruckkammer (gekühlt)
11: Erstes Gasvolumen
12: Ionenquelle oder Mikrostrukturelektoden-Ionenquelle oder Mikroplasmasstruktur
12a: Leitfähige Lage der Mikrostrukturelektoden-Ionenquelle
12b: Isolierende Lage der Mikrostrukturelektoden-Ionenquelle
12c: Leitfähige Lage der Mikrostrukturelektoden-Ionenquelle
12d: Pore in der Mikrostrukturelektoden-Ionenquelle
13: Düse oder Mikrodüse oder Nozzle
14: Spannungszuführung
19: Einzugsbereich der Düse oder Strahl vor der Expansion
20: Zweite Kammer oder zweite Vakuumstufe oder Expansionskammer
21: Zweites Gasvolumen
22: Erste Blende oder Skimmer
29: Strahl oder Gasstrahl oder Überschallstrahl oder ”Super Sonic Jet” (oder Expansionszone)
30: Dritte Kammer oder dritte Vakuumstufe
31: Beschleunigungseinrichtung oder erstes Beschleunigungsgitter oder Trägerflansch mit Potentialgitter
32: Beschleunigungseinrichtung oder zweites Beschleunigungsgitter
33: Beschleunigungseinrichtung oder drittes Beschleunigungsgitter
39: ”Geskimmter” Strahl oder Überschallstrahl oder ”Super Sonic Jet”
40: Vierte Kammer oder vierte Vakuumstufe oder Targetkammer
41: Fokussierungseinrichtung oder Linse
42: Rasterscaneinrichtung oder Scanningsysteme
43: Target oder Zielobjekt oder Festkörper-Oberfläche
44: Nachweissystem oder Spektrometer
49: Fokussierter und ”gescannter” Ionenstrahl oder scannender Einzelionenstrahl
50: Strahlachse
100: Ionenstrahlrastersystem

Claims

Ionenstrahlquelle zur Erzeugung eines Ionenstrahles, umfassend – eine erste Kammer (10) mit einem ersten Gasvolumen (11) und eine zweite Kammer (20) mit einem zweiten Gasvolumen (21), welche über eine Düse (13) miteinander verbunden sind, wobei das erste Gasvolumen (11) einen gegenüber dem zweiten Gasvolumen (21) derart erhöhten Druck aufweist, so dass das Gas aus Gasatomen und/oder -molekülen durch die Düse (13) aus der ersten Kammer (10) in die zweite Kammer (20) strömt und sich beim Durchströmen ein Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen ausbildet; – eine Kühleinrichtung zum Vorkühlen des ersten Gasvolumens (11) in der ersten Kammer (10), – eine Ionenquelle (12), die in der ersten Kammer (10) in Strahlrichtung (50) vor der Düse (13) angeordnet ist, zum Bereitstellen von Ionen beabstandet vor der Düse (13), sodass die Ionenerzeugung und die Expansion des Gases aus Gasatomen und/oder -molekülen beim Durchströmen der Düse (13) räumlich voneinander getrennt sind und der Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen die Ionen wenigstens teilweise mit in die zweite Kammer (20) reißt und ein Ionenstrahl in dem Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen enthalten ist, wobei die Ionen zweistufig gekühlt werden, indem Druck und Temperatur des ersten Gasvolumens (11) zum Vorkühlen derart eingestellt sind, dass die Ionen vor der Expansion in die zweite Kammer (20) mit den gekühlten Gasatomen und/oder -molekülen des ersten Gasvolumens (11) wechselwirken und die Expansion in die zweite Kammer (20) ein zweites Kühlen der in der ersten Kühlstufe vorgekühlten Ionen bewirkt, – eine Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33), welche der Düse (13) in Strahlrichtung (50) nachgeordnet ist, und eine Spannungsversorgung, mittels welcher eine Beschleunigungsspannung an die Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33) angelegt ist zum Beschleunigen des in dem Gasstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen enthaltenen Ionenstrahls in Strahlrichtung (50).
Ionenstrahlquelle nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum im Bereich der Düse (13) abgeschirmt ist von elektrischen und/oder magnetischen Feldern, sodass das in der Ionenerzeugung verwendete elektrische Feld keinen wesentlichen Einfluss auf die Expansion hat und die Expansion im näherungsweise feldfreien Raum erfolgt.
Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (10) zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähige Wände besitzt.
Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle (12) in einem Abstand von etwa 0,1 mm bis 10 mm zur Düse (13) angeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle (12) als eine Mikrostrukturelektroden-Ionenquelle (12) und/oder als eine Feldemissions-Ionenquelle ausgeführt ist.
Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine erste Blende (22) zum Filtern eines inneren Teils des Gasstrahls (29), die der Düse (13) in Strahlrichtung (50) nachgeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blende (22) als eine kegelförmige Blende ausgebildet ist.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (20) über die erste Blende (22) mit einer dritten Kammer (30) verbunden ist, welche in Stahlrichtung (50) nach der zweiten Kammer (20) angeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33) in der dritten Kammer (30) angeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33) als zumindest ein Potentialgitter (31, 32, 33) und/oder als zumindest ein Potentialring ausgeführt ist, an denen eine geeignete Beschleunigungsspannung anlegbar ist.
Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch zumindest eine steuerbare Spannungsversorgung zum Anlegen einer gepulsten Beschleunigungsspannung an die Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33).
Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33) der ersten Blende (22) in Strahlrichtung vorgelagert und/oder nachgeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch wenigstens eine, vorzugsweise elektrostatische und/oder magnetische, Linse (41) zum Fokussieren des Ionenstrahls, welche der Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33) in Strahlrichtung (50) nachgeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kammer (30) mit einer vierten Kammer (40) verbunden ist, welche in Stahlrichtung (50) nach der dritten Kammer (30) angeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine, vorzugsweise elektrostatische und/oder magnetische, Linse (41) zum Fokussieren des Ionenstrahls in der vierten Kammer (40) angeordnet ist.
Ionenstrahlrastersystem (100) umfassend – eine Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche und – eine Rasterscan-Einrichtung (42) zum zweidimensionalen Scannen des Ionenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse (50) zum Abrastern eines zu untersuchenden Zielobjekts (43).
Ionenstrahlrastersystem nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die, vorzugsweise elektrostatische und/oder magnetische, Linse (41) in Strahlrichtung (50) nach der Beschleunigungseinrichtung (31, 32, 33) und/oder vor Rasterscan-Einrichtung (42) angeordnet ist.
Ionenstrahlrastersystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenstrahlrastersystem als eine Lithographievorrichtung zum Strukturieren eines Zielobjekts (43), insbesondere von Oberflächen eines Zielobjekts (43), ausgebildet ist.
Ionenstrahlrastersystem nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenstrahlrastersystem als ein Ionenrastermikroskop zur Untersuchung eines Zielobjekts (43), insbesondere von Oberflächen eines Zielobjekts (43), ausgebildet ist.
Ionenstrahlrastersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 19, umfassend Mittel (44) zum Nachweisen von Teilchen, welche in der Wechselwirkung zwischen dem Ionenstrahl und dem Zielobjekt (43) entstehen.
Verfahren zum Bereitstellen eines Ionenstrahls für ein Ionenstrahlrastersystem (100) umfassend die nachfolgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines gekühlten ersten Gasvolumens (11) in einer ersten Kammer (10) und eines zweiten Gasvolumens (21) in einer zweiten Kammer (20), welche über eine Düse (13) miteinander verbunden sind, wobei das erste Gasvolumen (11) mit einem gegenüber dem zweiten Gasvolumen (21) derart erhöhten Druck bereitgestellt wird, so dass das Gas aus Gasatomen und/oder -molekülen aus der ersten Kammer (10) in die zweite Kammer (20) strömt und sich eine Überschallstrahlexpansion ausbildet, – Zünden einer in der ersten Kammer (10) bereitgestellten Ionenquelle (12) zur Erzeugung von Ionen beabstandet vor der Düse (13), sodass die Erzeugung der Ionen und die Expansion des Überschallstrahles räumlich voneinander getrennt sind, wobei die Ionen in der Überschallstrahlexpansion von den Gasatomen und/oder -molekülen wenigstens teilweise mit in die zweite Kammer (20) gerissen werden, sodass ein Ionenstrahl in dem Überschallstrahl (29) aus Gasatomen und/oder -molekülen gebildet wird, wobei die Ionen zweistufig gekühlt werden, indem sie vor der Expansion in die zweite Kammer (20) mit den gekühlten Gasatomen und/oder -molekülen des ersten Gasvolumens (11) wechselwirken und die so vorgekühlten Ionen durch die Überschallexpansion in die zweite Kammer (20) eine zweite Kühlung erfahren, – Beschleunigen des in dem Überschallstrahl (29) enthaltenen Ionenstrahls in Strahlrichtung (50) und – Scannen des Ionenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse (50) zum Abrastern eines zu untersuchenden und/oder zu bearbeitenden Zielobjekts (43).
Verfahren nach vorstehendem Anspruch gekennzeichnet durch ein Filtern des inneren Teils des Überschallstrahls (29), so dass der äußere Teil des Überschallstrahls (29) ausgeblendet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrahl vor und/oder nach dem Filtern beschleunigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrahl gepulst beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrahl nach dem Beschleunigen durch wenigstens eine, vorzugsweise elektrostatische und/oder magnetische, Linse (41) fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielobjekt, insbesondere eine Oberfläche des Zielobjekts (43), bearbeitet, vorzugsweise strukturiert, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Nachweisen von Teilchen, welche in der Wechselwirkung zwischen dem Ionenstrahl und dem Zielobjekt entstehen, bereitgestellt werden.