DE102015104213A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Aussendung eines ladungs- und massenseparierten Ionenstrahls variabler Energie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls (10a) mit Ionen (6a) aus einem Ionenstrahlspektrum (10). Das Ionenstrahlspektrum (10) besteht dabei aus Ionen (6) mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen. Die Vorrichtung (1) ist mit einer Ionenquelle sowie einer Anordnung aus optischen Elementen zur Ablenkung geladener Teilchen, insbesondere mindestens einer elektrostatischen Linse und mindestens einem Deflektor (14), auf einer gemeinsamen Strahlachse zum Extrahieren und Ablenken des erzeugten Ionenstrahlspektrums (10) ausgebildet. Die Vorrichtung weist ein Ausblendeelement (15) zur Ladungszustands- und Massenseparation des extrahierten Ionenstrahlspektrums (10) und zur Erzeugung eines Ionenstrahls (10a) aus Ionen (6a) mit einem vorbestimmten Ladungs-Masse-Verhältnis auf. Das Ausblendeelement (15) ist dabei derart konfiguriert, die Ionen (6a) nach der Flugzeit-Methode zu separieren. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung der Vorrichtung (1) in einem System zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Festkörpers (21) sowie ein Verfahren zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls (10a).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Festkörpers mit Ionen aus einem Ionenstrahlspektrum, welches aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen besteht. Die Vorrichtung ist mit einer Elektronenstrahlionenquelle sowie einer Anordnung aus Extraktionselektroden und einem Deflektor auf einer gemeinsamen Strahlachse zum Extrahieren und Ablenken des erzeugten Ionenstrahlspektrums auf die Oberfläche des Festkörpers ausgebildet. Die Elektronenstrahlionenquelle weist eine Kathode, eine zeitgesteuert öffenbar und verschließbar ausgebildete Driftröhrenanordnung und einen Elektronenkollektor auf.
• Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Festkörpers.
• Die Technologie der Fokussierten Ionenstrahlen, auch als FIB für „Focused Ion Beam“ bezeichnet, wird insbesondere unter der Verwendung von Ionenstrahlen mit Durchmessern kleiner als 50 nm in Bereichen der Halbleiterindustrie und der Forschung genutzt. Typische Anwendungen der FIB-Technologie sind beispielsweise die Mikrogeräte-Bearbeitung, die Probenpräparation, unter anderem für Transmissions-Elektronen-Mikroskopie, auch mit TEM abgekürzt, magnetisches Flachkopftrimmen oder lokale Deposition von Materialien. Die Entwicklung der FIB-Technologie wurde erst durch die Verwendung und Verfügbarkeit von Flüssigmetallionenquellen, auch als LMIS für „Liquid Metal Ion Source“ bezeichnet, möglich, welche als kompakte und quasi-punktuelle Ionenemitter eine hochbrilliante Quelle für eine Vielzahl von Metallionenspezies darstellen. Herkömmlich werden in der FIB-Technologie vorrangig Gallium-basierte LMIS verwendet. Trotz einer hohen Brillanz der Gallium-basierten LMIS mit Werten über 10⁶ A/(s·cm²·rad²) erfüllen die Gallium-basierten LMIS in Bezug auf Ionenabscheidung mit geringen Energien im Bereich von 30 keV bis 50 keV sowie Ionenimplantation im Bereich von 10 keV bis 500 keV und die limitierte Anzahl von produzierbaren Ionenspezies nicht die Ansprüche einer Vielzahl aufkommender Herausforderungen, insbesondere in den Nanowissenschaften. Unter der Brillanz ist dabei die Bündelung eines Strahls von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen.
• Die FIB-Technologie umfasst weitere Ionenquellen, wie Vorrichtungen zur Erzeugung von Hochstrom-FIB, welche mit Plasmaionenquellen ausgebildet werden, um niederenergetische Ionen von einer Vielzahl von Gasspezies zu produzieren. Dabei werden normalisierte Brillanzen von mehr als 10⁴ A/(s·cm²·rad²) für Xenon, 6,7·10³ A/(s·cm²·rad²) für Helium, 4,5·10³ A/(s·cm²·rad²) für Sauerstoff und 2,7·10³ A/(s·cm²·rad²) für Wasserstoff erzielt. Im Vergleich zu konventionellen Gallium-basierten LMIS ermöglichen die Plasmaionenquellen mit Strahlströmen im Mikroamperebereich einen deutlich höheren Durchsatz. Beim Einsatz von höheren Ionenmassen vergrößert sich der Materialabtrag um einen Faktor 20.
• Die Hochstrom-FIB-Technologie ermöglicht zudem ortspezifische Ionenschneidprozesse, auch als „cross-sectioning“ bezeichnet, großflächiges Ionenfräsen, auch als „milling“ bezeichnet, und Probenpreparationen, was aufgrund hoher Materialätzraten insbesondere für das Bearbeiten von integrierten Schaltkreisen geeignet ist. Die niedrigen Quellenleistungen limitieren jedoch die Anwendungen beim Strukturieren im Mikrometerbereich.
• Zur Erzeugung fokussierter Ionenstrahlen werden bekanntlich Feldemissionsionenquellen, insbesondere Gasfeldionisationsquellen, auch als GFIS für „Gas Field Ionisation Source“ bezeichnet, beziehungsweise hochbrilliante Edelgasionenquellen mit niedriger Energieverschmierung verwendet. GFIS basieren auf der Feldionisation von Molekülen, welche durch eine nanometergroße Nadelspitze adhäsiv angezogen werden. Die virtuelle Quellengröße der GFIS von etwa 1 nm und die Energieunschärfe sind signifikant kleiner als die von LMIS. Eine Anwendung von Edelgasionenquellen mit hoher Leistungsfähigkeit sind Helium-Ionenmikroskope, auch als HIM für „Helium Ion Microscope“ bezeichnet, welche zur Erzeugung von Sub-Nanometer-Strahlen aus leichten Ionen mit niedriger Energieverschmierung und reduzierten optischen Aberrationen geeignet sind und den Zugang zur Sub-Nanometer-Auflösung ermöglichen.
• Allerdings ist die Sputterrate von Heliumionen aufgrund des geringen Gewichts wesentlich geringer als die Sputterrate von Galliumionen. Zum Beispiel weisen 30 kV-Galliumionen bei gleicher kinetischer Ionenenergie eine um den Faktor 120 höhere Sputterrate als Heliumionen auf. Um den Unterschied in der Sputterrate zu kompensieren und eine höhere effektive Sputterausbeute zu erzielen, werden GFIS mit Neon entwickelt. Allerdings wird dabei die Stabilität des Ionenstrahls durch das niedrigere Ionisationspotenzial von Neon stark beeinträchtigt. Zudem ist zum einen auch die Sputterrate von Neonionen um den Faktor 4 geringer als die Sputterrate von Galliumionen. Zum anderen weisen Systeme mit Neon eine um den Faktor 3 bis 4 geringere Lebensdauer als vergleichbare Heliumanordnungen auf. Unter Sputtern ist dabei das Herauslösen von Atomen aus einem Festkörper beziehungsweise einer Probe durch Beschuss mit energiereichen Ionen, insbesondere Edelgasionen, als physikalischer Vorgang zu verstehen.
• Für einen gewünschten Materialabtrag am Festkörper müssen die Ionen eine bestimmte Mindestenergie aufweisen. Das auf den Festkörper auftreffende Ion überträgt einen Impuls auf Atome des beschossenen Materials, welche in einer Stoßkaskade weitere Kollisionen auslösen. Nach mehreren Kollisionen weist ein Teil der Festkörperatome einen vom Inneren des Festkörpers nach außen ausgerichteten Impuls auf. Bei einer ausreichend hohen Energie und Nähe zur Oberfläche tritt das Atom aus dem Festkörper aus. Die Sputterrate hängt somit im Wesentlichen von der kinetischen Energie und der Masse der Ionen sowie von der Bindungsenergie der Oberflächenatome und deren Masse ab. Um ein Atom aus dem Festkörper auszulösen, müssen die Ionen eine materialabhängige Mindestenergie besitzen. Oberhalb der Mindestenergie nimmt die Sputterrate zu.
• Im Stand der Technik wird zur Erweiterung des verfügbaren Ionenspektrums für FIB-Anordnungen mit einer Strahlfokussierungsvorrichtung ein feingebündelter Strahl von hochgeladenen Ionen, auch als HCI für „Highly Charged Ions“ bezeichnet, hergestellt. Hochgeladene Ionen sind Ionen mit hohen Ladungszuständen, welche durch das Entfernen von einer möglichst großen Anzahl Elektronen aus der Elektronenhülle mittels Elektronstoßionisation mit hochenergetischen Elektronen erzeugt werden. Die positive Kernladung der hochgeladenen Ionen kann dabei nicht durch eine elektronische Hülle abgeschirmt werden, sodass die hochgeladenen Ionen physikalische Eigenschaften aufweisen, welche sich wesentlich von den Eigenschaften einfach- oder niedriggeladener Ionen unterscheidet. Die Verwendung fokussierter hochgeladener Ionen für direkte Strukturierungsmethoden basiert beispielsweise auf den Möglichkeiten, eine Probe für einen räumlich hochaufgelösten intensiven Materialabtrag oder eine lokale Implantation eines speziellen Ions in einer kontrollierten Materialtiefe mit einem genau definierten Teilchenstrom zu bestrahlen. Die Ionen können dabei aus einer großen Anzahl von Elementen ausgewählt werden.
• Die Klasse von Projektilen wird durch eine Elektronenstrahlionenquelle, auch als EBIS für „Electron Beam Ion Source“ bezeichnet, produziert. Anwendungsbereiche sind die Röntgenspektroskopie, die Flugzeit-Sekundärionenspektrometrie, auch als TOF-SIMS für „Time-of-Flight-Secondary Ion Mass Spectrometry“ bezeichnet, und die Teilchentherapie.
• Bei einer Elektronenstrahlionenquelle werden bekanntlich durch eine entsprechende Potenzialkonfiguration ein Elektronenstrahl von einer thermionischen Kathodenoberfläche extrahiert und beim Passieren einer sogenannten Driftröhrenregion durch ein axiales Magnetfeld zu hohen Elektronenstromdichten komprimiert. In die Driftröhrenregion eindringende Atome werden durch sukzessive Elektronenstoßionisation bis zu sehr hohen Ladungszuständen aufionisiert.
• Die Elektronenstrahlionenquelle ist aus einer Kathode, einer Anordnung von Driftröhren, einem Elektronenkollektor und einem Ionenextraktionssystem ausgebildet. Es werden Elektronenstrahlen mit Strahlströmen von bis zu 700 mA erzeugt und mittels eines axialen Magnetfelds auf Durchmesser im Bereich von 80 mm bis 200 mm radial komprimiert.
• Die innerhalb der Ionenfalle erzeugten Ionen können die Ionenfalle entweder durch die Überwindung einer Potentialbarriere aufgrund der kinetischen Energie, auch als Leckstrom-Modus bezeichnet, oder durch das absichtliche periodische Verringern des Fallenpotentials am Austritt der Ionenfalle, auch als Puls-Modus bezeichnet, verlassen. Während der Ionenextraktion werden die Elektronen durch einen Elektronenkollektor vom Teilchenstrahl separiert.
• Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Strukturierung von Festkörperoberflächen mit Ionenstrahlen aus einem Ionenstrahlspektrum bekannt.
• In der DE10 2010 030 372 A1 wird eine Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen mit Ionenstrahlen aus einem Ionenstrahlspektrum offenbart, wobei das Ionenstrahlspektrum Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen umfasst. Die Vorrichtung weist eine Baugruppe zur Erzeugung des Ionenstrahlspektrums mit einer Kathode, Driftröhrensektionen und einem Kollektor sowie ein Permanentmagnetsystem auf, welche um eine Strahlachse angeordnet sind, auf. Zudem ist die Vorrichtung auf der gemeinsamen Strahlachse mit einer Anordnung von Ionenextraktions- und Fokussierungslinsen ausgebildet.
• Das erzeugte Ionenstrahlspektrum wird in der Anordnung von Ionenextraktionsund Fokussierungslinsen extrahiert und auf ein nachfolgend angeordnetes Wienfilter fokussiert, welches zur Ladungszustands- und Massenseparation des extrahierten und fokussierten Ionenstrahls dient. Das Wienfilter ist aus einer Elektrodenanordnung mit zwei Segmenten und einer zweipoligen Magnetanordnung aufgebaut, mit welchen ein orthogonal zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahlspektrums angeordnetes elektrisches Feld und ein orthogonal zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahlspektrums und orthogonal zum elektrischen Feld ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt werden.
• Dem Wienfilter ist eine Kollimatorblende zum Passieren des Ionenstrahlspektrums vorgelagert und eine Massentrennblende nachgelagert. Das Ionenstrahlspektrum wird mittels des Wienfilters in Verbindung mit der Massentrennblende in Ionenstrahlen entsprechend Masse und Ladungszustand zerlegt. Der Massentrennblende ist zum Stigmatisieren, Positionieren und Ablenken des Ionenstrahls ein Deflektor sowie zum Feinfokussieren auf eine sehr kleine Festkörperfläche ein Objektiv nachgeordnet.
• Aus der EP 2 521 427 A1 geht eine Vorrichtung zur Formierung von Dachionenpulsen aus einer Elektronenstrahlionenquelle mit einer Anordnung von Driftröhren hervor. Die Anordnung der Driftröhren weist eine kathodenseitige Driftröhre, eine mittlere Driftröhre und eine extraktionsseitige Driftröhre auf. Ein Pulsgenerator ist zur Steuerung des Fallenpotentials vorgesehen und derart ausgebildet, dass das extraktionsseitige Fallenpotential zur Ionenansammlung zeitgesteuert anhebbar und zur Ionenextraktion absenkbar ist. Die Öffnungscharakteristik der Falle ist zudem derart gestaltet, dass die Absenkung des extraktionsseitigen Fallenpotentials einem zeitlich fallenden Funktionsverlauf folgt.
• In der DE 199 49 978 A1 wird eine Elektronenstoßionenquelle zur Erzeugung von einfach bis vielfach- oder höchstgeladenen Ionen beschrieben. Die Elektronenstoßionenquelle ist aus einer Elektronenkanone mit Kathode und Anode zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen, einer Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahls, Mitteln zur Einbringung von ionisierbaren Substanzen in eine zu öffnende und zu schließende Ionenfalle im Bereich des axialsymmetrischen fokussierten Elektronenstrahls, einer Einrichtung zur Vernichtung der Elektronen nach dem Durchgang durch die Ionenfalle sowie einer Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums um den axialsymmetrischen fokussierten Elektronenstrahl und die darin befindliche Ionenfalle ausgebildet. Die Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahls weist zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringstrukturen auf, wobei jede der Ringstrukturen den Elektronenstrahl umfasst. Zudem sind je zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringe zu einem einheitlichen Magnetsystem zusammengefasst, wobei das sich schließende Magnetfeld den Aufenthaltsbereich der Ionen in der Ionenfalle durchdringt. Die Katode weist eine sehr hohe Emissivität von ≥ 25 A/cm2 bei einem kleinen Kathodendurchmesser auf. Im Aufenthaltsbereich der Ionen ist während des Betriebs der Elektronenstoßionenquelle ein Vakuum von 10^–7 bis 10^–11 mbar einstellbar.
• Mit der Elektronenstoßionenquelle können niedriggeladene bis hochgeladene Ionen zu einem Ionenstrahl erzeugt werden, welcher durch das System aufeinander folgender Driftröhren unter Ultrahochvakuumbedingungen beschleunigt wird und durch Magnetfelder von einem Permanentmagnetsystem fokussiert wird. Die Elektronenstoßionenquelle ermöglicht das Extrahieren von Ionenstrahlen mit Emittanzen in der Größenordnung von 10 π mm mrad.
• Aus der US 7,126,139 B2 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur positionsgenauen Implantation von einzelnen Partikeln auf einer Substratoberfläche hervor. Die Vorrichtung ist mit einer positionierbaren Blende für einen auf eine Substratoberfläche gerichteten Teilchenstrahl und einem Detektor ausgebildet. Der Detektor weist die Form eines p-n-Überganges zur Bestimmung eines Sekundärelektronenflusses auf, welcher durch die Einwirkung eines Teilchens auf die Substratoberfläche erzeugt wird. Die Blende und der Detektor sind an einer Spitze angeordnet, welche an einem freien Ende eines flexiblen Armes ausgebildet ist. Die Vorrichtung ist eine Komponente eines Scanngerätes, welches nach dem Verfahren des Rasterkraftmikroskops beziehungsweise Atomkraftmikroskops, auch als AFM für „Atomic Force Microscope“ bezeichnet, arbeitet.
• Die positionierbare Blende limitiert die Bewegung zur Änderung der Anordnung beziehungsweise die Schreibgeschwindigkeit der Vorrichtung. Zudem wird die Blende durch die energetischen Ionen drastisch erodiert werden und damit fortschreitend die Form ändern.
• Aus dem Stand der Technik ist zudem ein Rastersondeninstrument mit integrierten Ionenstrahlen und einer bildgebenden Funktion sowie einer Ausrichtungsfunktion einer piezoresistiven Rastersonde im Hochvakuum bekannt ("Integration of Scanning Probes and Ion Beams", A. Persaud, S. J. Park, J. A. Liddle, and T. Schenkel, J. Bokor, I. W. Rangelow, Nano Lett., 2005, 5 (6), pp 1087–1091). Der Ionenstrahl passiert dabei mehrere Blenden und wird final durch eine als Loch ausgebildete Öffnung in der Cantileverspitze einer Rastersonde kollimiert. Die Größe des Ionenstrahls ist durch die Größe der letzten Blende limitiert. Zum Nachweis von Einzelionentreffern in Fotolacken werden hochgeladene Ionen genutzt. Die Implantation von Einzelionen wird diskutiert.
• Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen wird die Ionenenergie unter Echtzeitanpassung kontrolliert. Dabei wird ein Geschwindigkeitsfilter mit orthogonal zueinander angeordneten elektrischen und magnetischen Feldern, auch als Wienfilter bezeichnet, verwendet, um die Teilchen nach dem Verhältnis Masse zu Ladung zu separieren.
• Die Verwendung eines Wienfilters induziert jedoch Aberrationen in der Optik und erlaubt kein Zeitfiltern von den zeitlich aus der Ionenfalle extrahierten Ionen.
• Herkömmliche Vorrichtungen zur Implantation beschleunigen die Ionen elektrostatisch zu finalen Energien im Bereich von 10 keV bis 500 keV in einem gleichmäßigen aber nicht fokussierten Strahl. Der Bauraum beziehungsweise Platzbedarf bekannter Vorrichtungen ist zudem sehr groß und daher exklusiv zur Verwendung in spezialisierten Firmen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Bearbeitung von Festkörperflächen mit Ionenstrahlen aus einem Ionenstrahlspektrum, welche derart ausgebildet ist, dass sowohl das Ionenstrahlspektrum an eingesetzten Elementen groß ist als auch eine Verbesserung der Bearbeitung der Festkörperflächen erreicht wird. Die Vorrichtung soll zur Filterung beziehungsweise zur Separation von Ionen unterschiedlicher Ladungen und/oder Massen, das heißt zur Separation von Ionen mit unterschiedlicher kinetischer und potenzieller Energie ausgebildet sein. Der erzeugte Ionenstrahl soll fokussierbar sein. Die Vorrichtung soll für eine mögliche Standortunabhängigkeit einen minimalen Platzbedarf aufweisen.
• Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls mit Ionen aus einem Ionenstrahlspektrum gelöst. Das Ionenstrahlspektrum besteht dabei aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen. Die Vorrichtung ist mit einer Ionenquelle sowie einer Anordnung aus optischen Elementen zur Ablenkung geladener Teilchen, insbesondere mindestens einer elektrostatischen Linse und mindestens einem Deflektor, auf einer gemeinsamen Strahlachse zum Extrahieren und Ablenken des erzeugten Ionenstrahlspektrums ausgebildet.
• Nach der Konzeption der Erfindung ist die Vorrichtung mit einem Ausblendeelement zur Ladungszustands- und Massenseparation des extrahierten Ionenstrahlspektrums und zur Erzeugung eines Ionenstrahls aus Ionen mit einem vorbestimmten Ladungs-Masse-Verhältnis ausgebildet. Das Ausblendeelement ist dabei derart konfiguriert, die Ionen nach einer Flugzeit-Methode zu separieren.
• Die mindestens eine elektrostatische Linse ist bevorzugt als Extraktionselektrode ausgebildet. Als Deflektor wird eine Elektrode zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, insbesondere der Ionen, verstanden.
• Die Flugzeit-Methode dient dem Erzeugen einer begrenzten Verteilung des Ionenstrahls zur Verringerung der Dispersion der Partikelgeschwindigkeit beziehungsweise von außermittigen Ionentrajektorien, um chromatische und sphärische Aberrationen zu vermeiden oder zu minimieren.
• Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausblendeelement in einer festen Entfernung von der Ionenquelle angeordnet und durch das Anlegen eines Potentials U_Blanker für die Ionen verschließbar. Das Ausblendeelement und die Ionenquelle sind derart ausgebildet, dass abhängig von der Entfernung zwischen dem Ausblendeelement und der Ionenquelle sowie einer Flugzeit der Ionen zum Überwinden der Entfernung das geschlossene Ausblendeelement nach der Flugzeit ab einem Öffnen der Ionenquelle geöffnet wird.
• Bei den Ionen handelt es sich bevorzugt um hochgeladene Ionen innerhalb eines sub-mm–Ionenstrahls. Die Ionen können mit geeigneter Optik auf einen sub-Mikrometer-Bereich und kleiner fokussiert werden, was in Verbindung mit Einzelionenbestrahlung beziehungsweise Einzelionenimplantation genutzt wird.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ionenquelle als Elektronenstrahlionenquelle ausgebildet und weist eine Kathode, eine zeitgesteuert öffenbare und verschließbare Driftröhrenanordnung sowie einen in Richtung des Ionenstrahlspektrums nachgeordneten Elektronenkollektor auf. Dabei ist das Ausblendeelement in der festen Entfernung von der Driftröhrenanordnung angeordnet. Zudem sind das Ausblendeelement und die Driftröhrenanordnung derart ausgebildet, dass abhängig von der Entfernung und der Flugzeit der Ionen zum Überwinden der Entfernung das geschlossene Ausblendeelement nach der Flugzeit ab einem Öffnen der Driftröhrenanordnung geöffnet wird.
• Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Ionenquelle als Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle, auch als ECR abgekürzt, und damit als Plasmaionenquelle ausgebildet, bei welcher das Plasma mittels der Elektron-Zyklotron-Resonanz erwärmt wird. Zur Erzeugung und Aussendung des Ionenstrahls können neben Elektronenstrahlionequellen und Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen auch andere Arten von Ionenquellen eingesetzt werden.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Driftröhrenanordnung der Elektronenstrahlionenquelle aus einem kathodenseitigen Driftröhrensegment mit einem Beschleunigungspotential U₀, einem mittleren Driftröhrensegment mit einem Potential U_A und einem extraktionsseitigen Driftröhrensegment mit einem Potential U_B1, U_B2 sowie einem Pulsgenerator zur Steuerung des Potentials des extraktionsseitigen Driftröhrensegments ausgebildet. Das Potential des extraktionsseitigen Driftröhrensegments ist zeitgesteuert zur Ionensammlung auf U_B1 anhebbar und zur Ionenextraktion auf U_B2 absenkbar.
• Das Ausblendeelement ist bevorzugt in einer festen Entfernung vom extraktionsseitigen Driftröhrensegment angeordnet.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausblendeelement derart ausgebildet, dass durch das Anlegen des Potentials U_Blanker ein transversales elektrisches Feld erzeugt wird und das Ausblendeelement für die Ionen verschlossen ist. Dabei ergibt sich der Zeitpunkt des Ausschaltens des transversalen elektrischen Feldes des Ausblendeelements aus der Flugzeit der durchzulassenden Ionen und der Entfernung zwischen dem Ausblendeelement und der Driftröhrenanordnung. Unter der Entfernung ist auch der Abstand zwischen dem Ausblendeelement und der Driftröhrenanordnung zu verstehen.
• Die Entfernung zwischen dem Ausblendeelement und der Driftröhrenanordnung kann an die jeweilige Systemanforderung bezüglich einer Flugzeitauflösung angepasst werden. Das Ausblendeelement ist dabei zwischen der Driftröhrenanordnung und der Oberfläche eines Festkörpers ausgebildet und vorteilhaft in einer Entfernung im Bereich von 100 mm bis 420 mm, insbesondere mit einem Abstand im Bereich von 138 mm bis 404 mm, von der Driftröhrenanordnung angeordnet.
• Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mindestens ein Objektiv zum Feinfokussieren des Ionenstrahlspektrums oder des Ionenstrahls ausgebildet ist. Ob das mindestens eine Objektiv zum Feinfokussieren des Ionenstrahlspektrums oder des Ionenstrahls dient, ist von der Anordnung des Ausblendeelements in Richtung des Ionenstrahlspektrums nach oder vor dem Objektiv abhängig.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Stigmator zum Stigmatisieren des Ionenstrahlspektrums oder des Ionenstrahls ausgebildet. Ob der mindestens eine Stigmator zum Stigmatisieren des Ionenstrahlspektrums oder des Ionenstrahls dient, ist von der Anordnung des Ausblendeelements in Richtung des Ionenstrahlspektrums nach oder vor dem Stigmator abhängig.
• Die Vorrichtung ist somit als eine Kombination einer Ionenquelle, insbesondere einer Elektronenstrahlionenquelle, welche vorselektierte Ionen von verschiedenen Elementen mit niedrigen bis hohen Ladungszuständen erzeugt, und einer speziellen Feinstrahlteilchenoptik, welche einen Strahl von hochgeladenen Ionen sukzessive formiert, selektiert, fokussiert und nach Bedarf auf einen Festkörper ausblendet, ausgebildet. Die Vorrichtung wird in einem System zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Festkörpers, insbesondere zum Strukturieren von Festkörpern, und/oder zur ortsaufgelösten Oberflächenanalyse, insbesondere zur Materialanalytik, von Festkörperoberflächen verwendet.
• Die Vorrichtung wird unter Nutzung der sogenannten Flugzeit-Methode betrieben, um die Ionen auf einer Driftstrecke, entsprechend der Geschwindigkeit und damit dem Ladungs-Masse-Verhältnis, zu separieren. Da in einer Elektronenstrahlionenquelle alle Ionenspezies, welche von einem bestimmten Element produziert werden, verschiedene kinetische Energien aufweisen, variieren die Geschwindigkeiten der Ionenspezies und damit auch die Flugzeiten auf dem Weg durch die Vorrichtung entsprechend den Energien. Die Flugzeit-Methode erfordert die gepulste Produktion der Ionen und damit eine gepulste Ionenextraktion und stellt eine Filtermethode zur Selektion von Ionen nach dem Ladungs-Masse-Verhältnis dar.
• Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls mit einer vorgenannten Vorrichtung gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
• – Extraktion von Ionen mit verschiedenen Ladungs-Masse-Verhältnissen aus einer Ionenquelle als ein Ionenstrahlspektrum, wobei die Ionen gepulst extrahiert werden und die Extraktion nach einem zu erreichenden Ladungs-Masse-Verhältnis zu extrahierender Ionen erfolgt,
• – Betreiben eines in Richtung des extrahierten Ionenstrahlspektrums angeordneten Ausblendeelements durch Anlegen eines Potentials, wobei das Ausblendeelement geschlossen ist und die Ionen ausblendet,
• – Ausschalten des Ausblendeelements je nach Flugzeit der Ionen mit bestimmtem Ladungs-Masse-Verhältnis für eine bestimmte Zeitdauer und Durchlassen der Ionen als Ionenstrahl, wobei sich die Flugzeit aus dem Ladungs-Masse-Verhältnis der Ionen und einer bekannten Flugdistanz als Entfernung zwischen der Ionenquelle und dem Ausblendeelement ergibt.
• Das Ausschalten und damit das Öffnen des Ausblendeelements bewirkt bevorzugt das Ausschalten eines transversalen elektrisches Feldes. Im angeschalteten Zustand des Ausblendeelements, welcher durch das Anlegen eines Potentials U_Blanker und dem daraus resultierenden transversalen elektrischen Feld erzeugt wird, werden die Ionen ausgeblendet beziehungsweise blockiert. Die Ionen werden am Durchtreten des Ausblendeelements gehindert. Die Zeitspanne des Öffnens des Ausblendeelements liegt im Bereich von 1 ns bis 1 μs.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung, nach welcher die Ionenquelle als Elektronenstrahlionenquelle mit einer zeitgesteuert öffenbaren und verschließbaren Driftröhrenanordnung ausgebildet ist, werden aus der Driftröhrenanordnung mit einem extraktionsseitigen Potential U_B1, U_B2 Dachionenpulse extrahiert. Dabei wird das Potential zur Ionensammlung zeitgesteuert auf das Potential U_B1 angehoben und zur Ionenextraktion auf das Potential U_B2 abgesenkt. Die Flugzeit der Ionen mit bestimmtem Ladungs-Masse-Verhältnis beginnt mit dem Absenken auf das Potential U_B2 und damit dem Öffnen der Driftröhrenanordnung beziehungsweise dem Extrahieren der Ionen aus der Driftröhrenanordnung.
• Die Driftröhrenanordnung wird folglich je nach Bedarf an Ionen mit einem bestimmten Ladungszustand beziehungsweise einem bestimmten Ladungs-Masse-Verhältnis geöffnet.
• Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Ionenstrahlen mit einfach geladenen und hochgeladenen Ionen mit selektierten Ladungszuständen extrahiert, wobei die Extraktion einfach geladener Ionen auf die Extraktion hochgeladener Ionen und umgekehrt in einer Zeitspanne im Bereich von wenigen ms umgeschaltet wird.
• Während des Vorgangs des Umschaltens werden die Objektive zur Fokussierung und des Stigmators zum Stigmatisieren des Ionenstrahls als elektrostatische Linsen simultan eingestellt, um die Ausdehnung und Stromdichte des Ionenstrahls konstant zu halten.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Festkörpers dient, wobei die Oberfläche des Festkörpers mit dem Ionenstrahl vierdimensional bearbeitet wird. Die Bearbeitung jedes Flächenelements der Oberfläche wird dabei in den Raumrichtungen in der Ebene der Oberfläche, in der Raumrichtung senkrecht zur Ebene der Oberfläche als Eindringtiefe der Ionen in die Oberfläche und der Anzahl der Ionen, welche in das Flächenelement implantiert oder zu Sputterprozessen in dem Flächenelement genutzt werden, gesteuert. Die Eindringtiefe der Ionen in die Oberfläche wird mit der kinetischen Energie beziehungsweise dem Ladungs-Masse-Verhältnis der Ionen eingestellt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zur Erzeugung und Aussendung eines ladungsseparierten und massenseparierten Ionenstrahls zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Festkörpers mit Ionen aus einem Ionenstrahlspektrum weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:
• – die Nutzung fokussierter Strahlen von hochgeladenen Ionen erlaubt die Funktionalisierung von Oberflächen von Festkörpern und die Untersuchung von bisher unbekannten physikalischen Phänomenen, wie lokalisierte Ionen-Oberflächen-Wechselwirkungen als auch Einzelionenimplantation,
• – die Vorrichtung ermöglicht als fokussierte Ionenstrahlmaschine eine verbesserte Kontrolle des vierdimensionalen direkten Strukturierens der Oberfläche des Festkörpers, wobei ein Bündel von Ionen mit einem bestimmten Ladungszustand auf einen bestimmten Punkt auf dem Festkörper fokussiert wird,
• – die Vorrichtung ermöglicht das Erzeugen hochgeladener Ionen mit Strömen von wenigen nA bis zu einigen hundert nA pro Ionenpuls und Dauerströmen von einigen pA bis hunderten pA, wobei vollständig ionisierte Kerne bis zur Ordnungszahl 28 oder heliumähnliche Ionen von Elementen wie Germanium oder Krypton beziehungsweise neonähnliche Ionen von schwereren Elementen verwendet werden,
• – mit der Vorrichtung werden die hochgeladenen Ionen gefiltert, geführt, fokussiert, gerastert und ausgeblendet, sodass
• – ein digitales Muster bestrahlt und erzeugt,
• – ein auf einen sub-Mikrometerbereich fokussierter Ionenstrahl am Festkörper beziehungsweise
• – ein spezieller Ionenstrahl am Festkörper realisiert werden können,
• – die Verwendung der hochgeladenen Ionen mit sehr hoher kinetischer Energie bewirkt zum einen eine hohe Eindringtiefe in den Festkörper und zum anderen eine hohe Sputterrate,
• – mit der Selektion einzelner Ionen mit bestimmten Ladungszuständen können Projektile mit unterschiedlichen Beträgen an gespeicherten potentiellen und kinetischen Energien zur Verfügung gestellt werden, wobei die Selektierung der Ionen nach dem Ladungszustand durch das Filtern der Geschwindigkeiten der Ionen und die Separation der verschiedenen Ionenspezies aufgrund der Flugzeit durch den gepulsten Betriebszustand der Elektronenstrahlionenquelle und des nachfolgenden Ausblendeelements als getriggertes Zeitschema mit einer einstellbaren Laufzeitkette erreicht werden,
• – Verbesserung der Homogenität der Strahlpartikel, welche auf Spezimen-Niveau emittiert werden, wobei der Rest der Partikelverteilung während der Extraktoröffnung mittels des Laufzeitunterschiedes entfernt werden,
• – die Vorrichtung schließt mit geringem Bauraum und konventionellen Installationsanforderungen und damit als sogenanntes Tischinstrument die Lücke zwischen den bekannten Systemen zur Ionenabscheidung mit geringen Energien und Systemen zur Ionenimplantation.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: Vorrichtung zur Erzeugung und Aussendung von Ionenstrahlen bestimmter Ionenspezies aus einem Ionenstrahlspektrum zur Strukturierung von Festkörperflächen mit verschiedenen Ionenflugdistanzen,
• 2a: Driftröhrenanordnung-Ionenfalle,
• 2b: Funktionsprinzip einer Elektronenstrahlionenquelle und
• 2c: elektrische Beschaltung der Elektronenstrahlionenquelle,
• 3: zeitliche Entwicklung der Ladungszustände von Argonionen abhängig von der Ioneneinschlusszeit innerhalb der Ionenfalle,
• 4: aus einer Elektronenstrahlionenquelle bei verschiedenen Ionisationszeiten extrahierte Pulsmodusspektren von Argonionen,
• 5: schematische Darstellung einer Flugzeitverteilung mit einem elektrostatisch kontrollierten Flugzeitfenster mit einer Zeitdauer von ungefähr einer μs,
• 6: Flugzeit von mit einem Potential des kathodenseitigen Driftröhrensegments von 20 kV in der Elektronenstrahlionenquelle beschleunigten Stickstoffionen mit verschiedenen Ladungszuständen und
• 7: Flugzeit t von mit einem Beschleunigungspotenzial U₀ des kathodenseitigen Driftröhrensegments von 20 kV in der Elektronenstrahlionenquelle beschleunigten Stickstoffionen für eine Ionenflugdistanz s₃ zwischen dem extraktionsseitigen Driftröhrensegment und dem Ausblendeelement von 138 mm sowie
• 8: ein zeitlicher Potenzialschemaverlauf verschiedener Potentialkonfigurationen.
• In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung und Aussendung von Ionenstrahlen 10a bestimmter Ionenspezies, insbesondere einer Ionenspezies, aus einem Ionenstrahlspektrum 10 zur Bearbeitung und Untersuchung von Festkörpern 21 gezeigt.
• Bei der in 1 und insbesondere in den 2a, 2b und 2c, dargestellten Elektronenstrahlionenquelle 2 werden Atome in einem hochdichten Elektronenstrahl 4 durch sukzessive Elektronenstoßionisation ionisiert. Der aus einer hochemissiven Kathode 3 emittierte Elektronenstrahl 4 wird in einem Magnetfeld der Elektronenstrahlionenquelle 2 magnetisch komprimiert, um als effizientes Ionisationsmedium zu wirken. Das Magnetfeld wird durch ein Permanentmagnetsystem aus einem ersten, am Einlass einer Driftröhrenordnung 5 angeordneten Permanentmagnetring 7a und einem zweiten, am Auslass der Driftröhrenordnung 5 angeordneten Permanentmagnetring 7b erzeugt.
• Der Ionisationsprozess innerhalb des Elektronenstrahls 4 erfolgt sukzessive, sodass ist eine bestimmte Verweildauer der Ionen 6 im Elektronenstrahl 4 erforderlich ist. Die bestimmte Verweildauer der Ionen 6 wird mit der als Ionenfalle ausgebildeten, zeitlich steuerbaren Driftröhrenanordnung 5 sichergestellt. Der Elektronenstrahl 4 wird durch die mit elektrischen Potentialen versehene Driftröhrenanordnung 5 geschossen. Die Driftröhrenenanordnung 5 weist drei Driftröhrensegmente 5a, 5b, 5c auf.
• Die Ionenfalle wird durch das negative Raumladungspotential des Elektronenstrahls 4 als radiales Potential 8 und durch das Anlegen spezieller positiver Potentiale als elektrostatischer Potenzialwall an den äußeren Driftröhrensegmenten 5a, 5c als axiales Potential 9 erzeugt. Das radiale Potential 8, auch als Einschlusspotential bezeichnet, ist über den Bereich des mittleren Driftröhrensegments 5b entlang der Strahlachse als konstant anzusehen. Damit werden die Zeiteigenschaften extrahierter Ionenpulse vom elektrischen Schaltverhalten der Driftröhrenanordnung 5 beeinflusst, insbesondere vom Öffnen der Ionenfalle in axialer Richtung.
• Zum Erzeugen und Aussenden eines Ionenstrahlspektrums 10 wird der Elektronenstrom 4 mittels Glühemission von der beheizten Kathode 3 ausgesendet. Die Kathode 3 weist das Potential U_Kathode auf. Der derart formierte Elektronenstrahl 4 folgt der Strahlachse und wird in die Ionisationszone eingeleitet, welche von den Driftröhrensegmenten 5a, 5b, 5c der Driftröhrenanordnung 5 umschlossen ist. Das kathodenseitige Driftröhrensegment 5a wirkt mit dem Potential U₀ als Anode.
• Die Driftröhrenanordnung 5 wird dabei auf ein zwischen +1 bis +20 kV variierbares Potential U₀ gelegt. Das Potential U_A des mittleren Driftröhrensegments 5b ist gegenüber dem Potential U₀ des kathodenseitigen Driftröhrensegments 5a und dem Potential U_B1 des extraktionsseitigen Driftröhrensegments 5c um etwa –100 V abgesenkt, um die produzierten Ionen 6 innerhalb der Ionenfalle axial zu halten. Die Ionenfalle ist geschlossen.
• Die Energie der Elektronen E_e, welche über das Einstellen des Potentials U₀ variierbar ist, wird unter Vernachlässigung des Raumladungspotentials des Elektronenstrahls 4 durch das Potential U_A am mittleren Driftröhrensegment 5b und das Potential U_Kathode an der Kathode 3 bestimmt: E_e = |U_Kathode| + |U_A|.
• Die Differenz zwischen dem Potential U₀ des kathodenseitigen Driftröhrensegments 5a und dem Potential U_A des mittleren Driftröhrensegments 5b bewirkt das axiale Potential 9 für die Ionen 6 in der Ionenfalle.
• Das Potential U_B1, U_B2 am extraktionsseitigen Driftröhrensegment 5c wird zum Sammeln der Ionen 6 zeitgesteuert auf U_B1 angehoben und zur Extraktion der Ionen 6 innerhalb weniger μs auf das Potential U_A des mittleren Driftröhrensegments 5b oder darunter, beispielsweise U_A – 10 V, abhängig von optimalen Extraktionsbedingungen der zu extrahierenden Ionen 6 auf U_B2 abgesenkt. Durch das Umschalten zwischen den Potentialen U_B1, U_B2 wird die Ionenfalle geöffnet und geschlossen.
• Der Ionisationsgrad beziehungsweise der Ladungszustand der in der Ionenfalle eingeschlossenen Ionen 6 steigt mit der Ioneneinschlusszeit der Ionen 6 innerhalb der Ionenfalle. Dabei wird nach einer charakteristischen Ionisationszeit ein bestimmter Ladungszustand q der Ionen 6 berreicht.
• In 3 ist die zeitliche Entwicklung der Ladungszustände q von Ionen 6 abhängig von der Ioneneinschlusszeit innerhalb der Ionenfalle am Beispiel von Argonionen dargestellt. Die Ioneneinschluss entspricht dabei der Ionisationszeit.
• Dabei wird einerseits deutlich, welcher Ionisationszeit es bedarf, um ein Maximum an Argonionen mit einem bestimmten Ladungszustand q zu erreichen. Je nach Bedarf an Argonionen mit bestimmtem Ladungszustand q ist die Ionenfalle zu öffnen. Andererseits wird auch gezeigt, das beim Öffnen der Ionenfalle zu einem gewissen Zeitpunkt und damit nach einer bestimmten Ionisationszeit Ionen 6 mit unterschiedlichen Ladungszuständen q vorliegen. Das nach dem Öffnen der Ionenfalle austretende Ionenstrahlspektrum 10 weist somit Argonionen mit gleicher Masse m aber unterschiedlichen Ladungszuständen q auf.
• Wenn in der Ionenfalle neben Argon auch Atome anderer Elemente eingeschlossen sind und ionisiert werden, treten nach dem Öffnen der Ionenfalle Ionen 6 mit unterschiedlichen Ladungszuständen q und unterschiedlichen Massen m aus, welche gemeinsam als Ionenstrahlspektrum 10 extrahiert werden. Die Ionen 6 können anhand des Ladungs-Masse-Verhältnisses (q·e)/m charakterisiert werden.
• Wie aus 1 hervorgeht, werden die in der Driftröhrenanordnung 5 gespeicherten Ionen 6 bei geöffneter Ionenfalle in Richtung der Extraktionselektrode 13, als für die Elektronen abstoßend gepolte Elektrode auch als Repeller bezeichnet, extrahiert. An der Extraktionselektrode 13 liegt die Spannung U_Repeller an. Die Ionen 6 liegen nach der Extraktion aus der Driftröhrenanordnung 5 als kurzer Ionenstrahlpuls im Bereich von 100 ns bis einigen μs vor. Nach der Zeit im Bereich von wenger als 100 ns bis einigen μs wird das Potential U_B2 des extraktionsseitigen Driftröhrensegments 5c, auch als Extractor bezeichnet, auf das Potential U_B1 angehoben und die Ionenfalle geschlossen.
• Nach dem Erzeugen der Ionen 6 und der Extraktion aus der Driftröhrenanordnung 5 als Ionenstrahlspektrum 10, das heißt nach dem Öffnen der Ionenfalle, wird der Elektronen-Ionen-Strahl 11 zum Elektronenkollektor 12 und der auf dem Potential U_Ex betriebenen Extraktionselektrode 13 geleitet, wobei die Elektronen des ursprünglichen Elektronenstrahls 4 vom Elektronen-Ionen-Strahl 11 beziehungsweise den Ionen 6 separiert werden. Die Ionen 6 werden im Elektronenkollektor 12 von den Elektronen getrennt und mit der Extraktionselektrode 13 extrahiert.
• Der Elektronenkollektor 12 weist kein Potential auf, während die Extraktionselektrode 13 mit einem Potential U_Ex betrieben wird, welches höher ist als das Potential U_Kathode oder gleich ist dem Potential U_Kathode als Startpotential der Elektronen. Damit werden durch den Elektronenkollektor 12 in Richtung der Strahlachse durchtretende Elektronen von der Extraktionselektrode 13 wieder in Richtung des Elektronenkollektors 12 geführt und dort abgeleitet.
• Die Extraktionselektrode 13 wirkt zudem wie eine Kondensorlinse zum Parallelisieren oder Fokussieren des Ionenstrahlspektrums 10.
• Die durch die Extraktionselektrode 13 hindurchgetretenen Ionen 6 des Ionenstrahlspektrums 10 werden anschließend durch den Deflektor 14 geleitet. Durch Anlegen eines Potentials U_Deflektor kann das Ionenstrahlspektrum 10 in eine gewünschte Richtung abgelenkt werden. In Kombination mit der Blende 17 wird das Ionenstrahlspektrum 10 beispielsweise in Richtung der Strahlachse der Vorrichtung 1 gelenkt. Mit Hilfe der Blende 17 wird gemessen, welcher Anteil des Ionenstrahlspektrums 10 von der Blende 17 blockiert wird, sodass durch eine Änderung des Potentials U_Deflektor das Ionenstrahlspektrum 10 ausgerichtet werden kann. Wenn das Ionenstrahlspektrum 10 die Blende 17 mittig passiert, ist der gemessene Anteil des Ionenstrahlspektrums 10 minimal. Die Richtung des Ionenstrahlspektrums 10 entspricht der Richtung der Strahlachse der Vorrichtung 1.
• Die mit der Geschwindigkeit v

  

  aus der Driftröhrenanordnung 5 extrahierten Ionen 6 erreichen den Eingang eines Ausblendeelements 15, auch als „beamblanker“ oder „blanker“ bezeichnet, abhängig vom Ladungs-Masse-Verhältnis (q·e)/m nach einer bestimmten Flugzeit t

  

  mit der kinetischen Energie E, der Ionenmasse m, dem Ionenladungszustand q, der Elementarladung e und der Ionenflugdistanz s. Die Flugzeit t der Ionen 6, auch als TOF für „time of flight“ bezeichnet, ist folglich abhängig vom Ladungs-Masse-Verhältnis (q·e)/m als Auswahlkriterium der zu separierenden und damit auszublendenden oder durchzulassenden Ionen 6a sowie von der Anordnung des Ausblendeelements 15 in Bezug auf den Ausgang der Ionenfalle als Ionenflugdistanz s, das heißt abhängig von der Entfernung zwischen dem extraktionsseitigen Driftröhrensegment 5c und dem Ausblendeelement 15.
• Das zur Ionenspeziesseparation vorgesehene Ausblendeelement 15 blendet aus der Pulsverteilung der Ionen 6, welche aus einem Ensemble von Ionen 6 mit unterschiedlichen Ladungszuständen q besteht, durch Anschalten und Ausschalten eines transversalen elektrischen Feldes in einer Zeit im Bereich von ns einen Anteil von Ionen 6a mit einem bestimmten Ladungs-Masse-Verhältnis (q·e)/m, insbesondere einem bestimmten Ladungszustand q, aus.
• Durch das Anschalten und Ausschalten des transversalen elektrischen Feldes wird das Ausblendeelement 15 geschlossen oder geöffnet. Das transversale elektrische Feld wird durch das Anlegen des Potentials U_blanker angeschalten. Der Zeitpunkt des Ausschaltens des transversalen elektrischen Feldes des Ausblendeelements 15 ergibt sich aus der Flugzeit t der durchzulassenden Ionenspezies.
• 4 zeigt aus der Elektronenstrahlionenquelle 2 bei verschiedenen Ionisationszeiten extrahierte Pulsmodusspektren von Argonionen. Dabei ist die elektrische Ladung Q der Ionen 6a in 10^–13 C pro Impuls über der magnetischen Flussdichte B in mT, auch als magnetische Induktion bekannt, aufgetragen. Das dargestellte Ionenladungsspektrum wurde mittels eines Dipolmagneten mit variiertem Magnetfeld analysiert, wobei sich die verschiedenen Ladungs-Masse-Verhältnisse (q·e)/m der Ionen 6a über die Lorentzkraft bestimmen lassen.
• Wie aus der gegenüberstellenden Darstellung mit unterschiedlichen Ionisationszeiten hervorgeht, wird die Ladung Q beziehungsweise werden die Ladungszustände q der Ionen 6a mit längerer Ioneneinschlusszeit innerhalb der Ionenfalle größer, was auch aus 4 deutlich wird. Je nach Bedarf an Ionen 6a mit einem bestimmten Ladungszustand q oder einem bestimmten Ladungs-Masse-Verhältnis (q·e)/m wird die Ionenfalle geöffnet. Dabei werden beispielsweise beim Öffnen der Ionenfalle zum Zeitpunkt t = 0 nach einer Ionisationszeit von 1 s Argonionen Ar¹⁶⁺, Heliumionen He²⁺ und Sauerstoffionen O⁸⁺ extrahiert.
• 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Flugzeitverteilung mit einem elektrostatisch kontrollierten Flugzeitfenster mit einer Zeitdauer von ungefähr 1 μs. Dabei ist die Stromstärke I in au (arbitrary units) über der Zeit t in μs aufgetragen. Das Flugzeitfenster ist mit Hilfe der gestrichelten Linien gekennzeichnet.
• Die Ionenfalle wird zum Zeitpunkt t = 0, beispielsweise für eine Zeit im Bereich von 20 ns bis 30 ns, geöffnet und danach wieder geschlossen sowie ein Puls von Ionen 6 mit verschiedenen Ladungszuständen q extrahiert, wobei die verschiedenen Geschwindigkeiten v der Ionen 6 in einer Flugzeitdifferenzverteilung resultieren. Durch das Ausschalten des Ausblendeelements 15 und damit das Öffnen eines elektrostatischen Tores zum Zeitpunkt t = t_Flug für eine Zeitdauer von t₁–t₂ werden bestimmte Ionen 6a mit bestimmten Ladungszuständen q beziehungsweise bestimmten Ladungs-Masse-Verhältnissen (q·e)/m durchgelassen und damit selektiert.
• Für eine vorgegebene Ionenmasse m und ein vorgegebenes Potential U₀ des kathodenseitigen Driftröhrensegments 5a als Beschleunigungspotential wird eine Spezies von Ionen 6a mit einem bestimmten Ladungszustand q gefiltert. Größere Ionenflugdistanzen s und damit Entfernungen zwischen dem extraktionsseitigen Driftröhrensegment 5c und dem Ausblendeelement 15 ermöglichen eine bessere Filterung der Ionen 6a nach dem gewünschten Ladungszustand q, was in den 6 und 7 veranschaulicht ist.
• In 6 ist die Flugzeit t von mit einem Beschleunigungspotential U₀ des kathodenseitigen Driftröhrensegments 5a von 20 kV in der Elektronenstrahlionenquelle 2 beschleunigten Stickstoffionen mit verschiedenen Ladungszuständen q dargestellt. Dabei kennzeichnen die Kurvenverläufe verschiedene mögliche Ionenflugdistanzen s innerhalb der Vorrichtung 1.
• Die Ionenflugdistanz s₁ von 404 mm erstreckt sich vom Ausgang der Ionenfalle und damit vom extraktionsseitigen Driftröhrensegment 5c bis zum zu untersuchenden oder zu bearbeitenden Festkörper 21. Der Abstand s₂ von 266 mm erstreckt sich vom Ausblendeelement 15 bis zum zu untersuchenden oder zu bearbeitenden Festkörper 21. Die Ionenflugdistanz s₃ von 138 mm erstreckt sich vom Ausgang der Ionenfalle und damit vom extraktionsseitigen Driftröhrensegment 5c bis zum Ausblendeelement 15.
• Alle Kurvenverläufe zeigen, dass mit größer werdendem Ladungszustand q die Geschwindigkeiten v der Ionen 6a zunehmen beziehungsweise die Flugzeiten t geringer werden. Je nach Anordnung des Ausblendeelements 15 in Bezug zum extraktionsseitigen Driftröhrensegment 5c ergeben sich unterschiedliche Flugzeiten t der Ionen 6a abhängig von deren Ladungszustand q und Ladungs-Masse-Verhältnissen (q·e)/m, sodass das Ausblendeelement 15 je nach Anordnung und gewünschter durchzulassender und damit zu separierender Ionenspezies nach einer dazugehörigen Flugzeit t auszuschalten und damit für einen kurzen Zeitraum zu öffnen ist.
• Je größer die Ionenflugdistanz s beziehungsweise je länger die Flugzeit t der Ionen 6a, umso mehr zerfällt das aus der Ionenfalle extrahierte Ionenstrahlspektrum 10. Mit größerem Zerfall des Ionenstrahlspektrums 10 ist eine bessere Separation der Ionen 6a möglich.
• 7 zeigt die Flugzeit t von mit einem Beschleunigungspotenzial U₀ des kathodenseitigen Driftröhrensegments 5a von 20 kV in der Elektronenstrahlionenquelle 2 beschleunigten Stickstoffionen für eine Ionenflugdistanz s₃ als kürzeste Distanz zwischen dem extraktionsseitigen Driftröhrensegments 5c und dem Ausblendeelement 15 von 138 mm.
• Auch aus 7 wird deutlich, dass die Ionen 6 mit dem größten Ladungszustand q die größte Geschwindigkeit v und damit die geringste Flugzeit t durch die Vorrichtung 1 aufweisen. Wenn nach einer Flugzeit t, das heißt einem Zeitraum zwischen dem Öffnen und dem Wieder-Schließen der Ionenfalle sowie dem Ausschalten des Ausblendeelements 15, von etwa 10^–7 s das Ausblendeelement 15 geöffnet wird, werden die Stickstoffionen mit einem Ladungszustand N⁷⁺ durchgelassen und separiert, während die Ionen 6 mit geringeren Ladungszuständen q durch ein Wieder-Anschalten des Ausblendeelements 15 nach einer sehr kurzen Zeitdauer t₁–t₂ ausgeblendet werden.
• Dabei kann durch die Wahl des Zeitpunkts von Ausschalten und Wieder-Anschalten des Ausblendelements 15 auch eine andere Ionenspezies mit einem anderen Ladungs-Masse-Verhältnis durchgelassen werden, während alle anderen ausgeblendet werden.
• Gemäß 1 wird der durch das Ausblendeelement 15 separierte Ionenstrahl 10a beim Durchqueren einer in Strahlrichtung nachfolgenden Optik 16 mit der Blende 17, nachfolgenden Objektiven 18 und einem Stigmator 19 begrenzt und fokussiert. Die Blende 17 dient in Verbindung mit dem Deflektor 14 zum Ablenken des Ionenstrahls 10a in eine gewünschte Richtung mit dem Ziel, dass der Ionenstrahl 10a die Blende 17 mittig passiert und damit die Richtung des Ionenstrahls 10a der Richtung der Strahlachse der Vorrichtung 1 entspricht. Der Ionenstrahl 10a wird mit Hilfe der Blende 17 kollimiert oder parallel ausgeblendet. Unter Kollimieren ist dabei das Beschränken beziehungsweise Beschneiden des Ionenstrahls 10a in radialer Richtung zu verstehen.
• Mittels der als Fokussierungslinsen ausgebildeten Objektive 18 und den an den Objektiven 18 angelegten Potentialen U_Objektiv wird der Ionenstrahl 10a fokussiert, um einen kleinen beziehungsweise scharfen Brennfleck einzustellen. Der den Objektiven 18 auf der Strahlachse nachfolgend angeordnete Stigmator 19 dient als eine in Stärke und Richtung veränderliche elektrostatische als Oktopol ausgebildete Zylinderlinse mit dem Potential U_Stigmator zur Beseitigung des axialen Astigmatismus der Elektronenlinsen und korrigiert den durch Fertigungsfehler oder Verunreinigungen bedingten Abbildungsfehler. Beim Durchqueren des Stigmators 19 wird der Ionenstrahl 10a abgelenkt und die Strahlform, insbesondere die Form des Querschnitts, beeinflusst. Beim Stigmatisieren wird ein möglichst kreisrunder Querschnitt des Ionenstrahls 10a erzeugt.
• Das Ausblendeelement 15 kann an einer beliebigen Stelle der Vorrichtung 1 angeordnet sein. Bei der Ausführungsform nach 1 ist das Ausblendeelement 15 in Richtung des Ionenstrahls 10 nach dem Deflektor 14 und vor der Blende 17 der Optik 16 angeordnet.
• Nach nicht dargestellten alternativen Ausbildungen ist das Ausblendeelement nach dem Stigmator 19 und damit nach der Optik 16 angeordnet.
• Die Anordnung des Ausblendeelements 15 hat Einfluss auf die Entfernung s zwischen dem extraktionsseitigen Driftröhrensegment 5c und dem Ausblendeelements 15 und damit auf die Ionenflugzeit.
• Die Vorrichtung 1 arbeitet in einem Druckbereich von 10^–7 bis 10^–11 mbar. Es können prinzipiell Ionen 6 aller im Periodensystem vorhandenen Elemente mit niedrigen bis hohen Ladungszuständen q erzeugt, fokussiert und separiert werden.
• Mit dem als Metallbecher ausgebildeten Faraday-Detektor 20 werden die Intensität beziehungsweise Transmission des Ionenstrahls 10a nach dem Austreten aus der Optik 16 bestimmt, um die gewünschte Dosis des Ionenstrahls 10a am Festkörper 21 einzustellen. Der Ionenstrom wird dabei absolut gemessen. Die Empfindlichkeit ist zeitlich konstant und massenunabhängig. Aus der Intensität des Ionenstrahls 10a kann beispielsweise die Bestrahlungszeit des Festkörpers 21 festgelegt werden.
• Der Faraday-Detektor 20 weist ein konstantes Potential auf, sodass die auftreffenden Ionen 6a durch Elektronen, welche dem Faraday-Detektor 20 über einen elektrischen Widerstand zufließen, ausgeglichen werden. Am Widerstand fällt eine Spannung ab, welche ein Maß für den Ionenstrom darstellt und gemessen wird. Der Faraday-Detektor 20 wird zur Bearbeitung des Festkörpers 21 aus dem Ionenstrahl 10a entfernt.
• Durch den Beschuss des auf dem Positioniertisch 22 angeordneten Festkörpers 21 mit Ionen 6a werden aus der Oberfläche neutrale Atome, Sekundärelektronen 23 und Sekundärionen 25 herausgelöst, welche mit einem Sekundärelektronenvervielfacher 24, auch als SEV abgekürzt, und einem Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometer 26, auch als TOF-SIMS abgekürzt, analysiert werden.
• Mit dem als Elektronenröhre ausgebildeten Sekundärelektronenvervielfacher 24 werden die von den Ionen 6a aus der Oberfläche des Festkörpers 21 herausgelösten Sekundärelektronen 23 aufgenommen und deren Anzahl bestimmt. Dabei werden in der Elektronenröhre durch die Emission weiterer Sekundärelektronen kleinste Elektronenströme oder Einzelelektronen mit hoher Zeitauflösung um viele Größenordnungen bis zu messbaren Größen verstärkt. Dabei erzeugt ein Elektron beim Auftreffen auf einen Körper, beispielsweise mit einer Metallfläche, einem Halbleiter oder ähnlichem, mehrere Sekundärelektronen, welche den Körper verlassen, sodass aus einem freien Elektron mehrere freie Elektronen geringerer Energie entstehen. Die herausgeschlagenen Elektronen werden zu einer nächsten Elektrode beschleunigt, um dort weitere Sekundärelektronen zu erzeugen.
• Der Sekundärelektronenvervielfacher 24 dient zum Bestimmen der Oberflächenform beziehungsweise der Topologie des Festkörpers 21.
• Mit dem Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometer 26 werden die von den Ionen 6a aus der Oberfläche des Festkörpers 21 herausgelösten Sekundärionen 25 aufgenommen und hinsichtlich des Ladungs-Masse-Verhältnisses analysiert. Dabei werden alle durch den Primärionenpuls erzeugten Sekundärionen 25 auf eine einheitliche Energie beschleunigt. Aus der Flugzeit, welche die Sekundärionen 25 zur Bewältigung einer bestimmten Flugdistanz benötigten, wird die Masse der Sekundärionen 25 bestimmt.
• Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Festkörper 21 kurzzeitig auf ein positives Potential angehoben. Der Festkörper 21 wird gepulst. Durch das negative Potential des Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometers 26 werden die aus der Oberfläche des Festkörpers 21 herausgelösten Sekundärionen 25 vom Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometer 26 angezogen. Mit der Bestimmung der Flugzeit für eine bekannte Flugdistanz wird die chemische Zusammensetzung der freigesetzten Sekundärionen 25 und damit der Oberfläche des Festkörpers 21 ermittelt:

  
• Durch pixelweises Abtasten der Oberfläche mit dem fokussierten Ionenstrahl 10a kann die chemische Verteilung bildgebend erfasst werden, wobei im jeweiligen Pixel gemessenen Intensität eines Sekundärions 25 ein Farbwert zugeordnet wird, sodass massenaufgelöste Bilder entstehen. Für das Untersuchen des chemischen Aufbaus des Festkörpers 21 als Funktion der Tiefe Z wird der Abtrag durch den Ionenbeschuss mit hohen Dosen des Ionenstrahls 10a genutzt. Mit der Kombination aus Bildgebung und Tiefenprofilierung ergibt sich die Möglichkeit einer dreidimensionalen Analyse, mit welcher das Volumen des Festkörpers 21 bildgebend erfasst werden kann.
• Der Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometer 26 dient somit dem Bestimmen eines Abbilds, das heißt der Materialzusammensetzung, der Oberfläche oder tieferer Schichten des Festkörpers 21.
• Eine weitere Verwendung der hochgeladenen fokussierten Ionenstrahlen 10a, auch als HCI-FIB für „Highly Charged Ions – Focused Ion Beam“ bezeichnet, ist die lokale und intensive Materialablation als Wechselwirkung zwischen hochgeladenen Ionen 6a und der Oberfläche des Festkörpers 21. Unter der Materialablation ist dabei das Abtragen von Material von der Oberfläche des Festkörpers 21 durch Beschuss mit gepulster Ionenstrahlung zu verstehen.
• Die Anwendung des hochgeladenen fokussierten Ionenstrahls 10a erlaubt eine sehr präzise Kontrolle der Parameter und eröffnet die Perspektive von hochintensiven und lokalen Ätzprozessen aufgrund der Potentialenergie sowie präferentielles Ätzen von Isolatormaterialien durch die repulsive Coulombkraft, welche durch multiple Elektronenlochbildung auf der Oberfläche des Festkörpers 21 generiert wird.
• Eine weitere Verwendung der hochgeladenen fokussierten Ionenstrahlen 10a ist die Ionenimplantation in den Festkörper 21. Die Tiefe Z der Ionenimplantation wird dabei durch die Auswahl eines bestimmten Ladungszustandes q aus einer gegebenen Ionenladungsverteilung variiert. Der Ladungszustand q bestimmt die finale kinetische Energie in Verbindung mit einem konstanten Beschleunigungspotenzial U₀.
• Die Fokussierung von Ionen 6 mit ausreichenden kinetischen Energien auf ausgewählte Oberflächenbereiche des Festkörpers 21 wird insbesondere in der Nano-Elektronik und Nano-Optik verwendet. Der Vorteil der Vorrichtung 1 ist das Erzeugen von Ionen 6a mit hohen Ladungszuständen q und kinetischen Energien, welche exakt einstellbar sind. Dabei weist die Vorrichtung 1 zudem einen experimentellen Aufbau mit sehr geringen Abmessungen sowie einem sehr geringen Platzbedarf auf und wird auch als Tischgerät bezeichnet.
• Infolge der Erzeugung von Ionen 6a mit sehr hohen Ladungszuständen q, wie beispielsweise 15fach geladenen Phosphor-Ionen (P15+), ist bei einem Beschleunigungspotenzial U₀ von 10 kV eine Implantation bis in eine Tiefe Z im Bereich von etwa 1 nm/keV erreichbar. Die Vorrichtung 1 erlaubt eine sehr genaue Konfiguration von Bestrahlungsmustern in den Raumrichtungen X, Y, Z und von der Anzahl N effektiv implantierter Ionen 6.
• Die Einzelionenimplantation von Dopanten dient insbesondere zur Herstellung elektronischer und optischer Geräte, bei denen die Charakteristik des Gerätes durch die Eigenschaften einzelner Atome oder Defekte gegeben ist und in deren Ausweitung Computeroperationen ausgeführt werden können. Die in Feldern oder Linien angeordneten Atome oder Defekte werden kontrolliert gekoppelt. Dabei werden die durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmbaren Wechselwirkungen genutzt.
• Im Stand der Technik wurde bereits eine Architektur für einen Quantencomputer vorgeschlagen, welche auf der Enkodierung von Donorkernen in individuellen Phosphoratomen basiert, welche in einer Siliziummatrix eingebettet sind.
• Hochgeladene fokussierte Ionenstrahlen 10a werden auch bei der Implantation einzelner neutraler Stickstoffvakanzzentren in Diamant verwendet. Einzelne Photonenquellen, welche nichtklassische Lichtzustände bereitstellen, weisen ein breites Anwendungsspektrum in der Quantenkommunikation, dem Quantumcomputing und der Quantenmetrologie auf. Einzelphotonenemission ist unter Verwendung einzelner Atome, Ionen, Moleküle, Diamantfarbzentren und Halbleiterquantumdots aus dem Stand der Technik bekannt. Ein signifikanter Fortschritt dazu wird mit hocheffizienten und verschränkten Photonenquellen, insbesondere der Halbleiterquantumdots, erzielt. Bei Raumtemperatur einsetzbare, stabile, elektrisch getriebene Einzelphotonenquellen, welche auf einem einzelnen neutralen Stickstoff-Vakanzzentrum in einer Diamantdiodenstruktur basieren, werden verwendet. Zum Stand der Technik gehört im Vergleich dazu das Erfordernis der Bereitstellung cryogener Temperaturen, um die entsprechenden Informationsträger störungsfrei zu halten.
• Die Erzeugung der Elektrolumineszenz folgt dabei einer Kinetik, welche fundamental verschieden von der Kinetik der Photolumineszenz mit Intra-Bandabstand-Anregung ist. Das weist darauf hin, dass Elektrolumineszenz durch Elektronenlochrekombination an einem Defekt generiert wird. Die Resultate bestätigen, dass funktionelle einzelne Defekte in elektronische Kontrollstrukturen integrierbar sind, was insbesondere die Entwicklung von Quantuminformationsgeräten betrifft.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist es beispielsweise möglich, sequenziell Stickstoffionen in einer Anordnung von gerasterten Punkten zu implantieren, bei denen die Positionen X, Y durch das Rastern des Ionenstrahls 10a und des Festkörpers 21 festgelegt werden. Die Eindringtiefe Z wird dabei durch das Einstellen der Ionenenergie und der Ionenanzahl N pro Pixel eingestellt. Die Position des gerasterten Musters kann durch Modifikation einer beschreibbaren Zone in das Substrat eingebracht werden.
• In 8 ist ein zeitlicher Potentialschemaverlauf verschiedener Potentialkonfigurationen am Beispiel von Stickstoffionen mit den Ladungszuständen (n – 1)+, n+, (n + 1)+ dargestellt.
• Zum Zeitpunkt t = 0 ist die Ionenfalle geschlossen und das transversale Ausblendpotential des Ausblendelements 15 ist an, das heißt U_Blanker > 0. Die unterschiedlichen Ionenspezies (n – 1)+, n+, (n + 1)+ mit den verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen befinden sich innerhalb der geschlossenen Ionenfalle.
• Zum Zeitpunkt t = t₁ ist die Ionenfalle geöffnet und die verschiedenen Ionenspezies (n – 1)+, n+, (n + 1)+ mit den verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen verlassen die Ionenfalle. Das transversale Ausblendpotential des Ausblendelements 15 ist an (U_Blanker > 0).
• Zum Zeitpunkt t = t₂ ist die Ionenfalle wieder geschlossen. Die verschiedenen Ionenspezies (n – 1)+, n+, (n + 1)+ mit den verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen bewegen sich als kurzer, räumlich begrenzter, dispergierender Puls in Richtung des Ausblendelements 15. Das transversale Ausblendpotential des Ausblendelements 15 ist an (U_Blanker > 0).
• Zum Zeitpunkt t = t₃ erreicht die Ionenspezies mit dem höchsten Ladungszustand (n + 1) das Ausblendelement 15 und wird durch das aktive transversale Ausblendpotenzial U_Blanker > 0 ausgeblendet. Die anderen Ionespezies (n – 1)+, n+ mit niedrigeren Masse-Ladungs-Verhältnissen befinden sich noch auf dem Weg zum Ausblendeelement 15 und damit vor dem Ausblendelement 15.
• Zum Zeitpunkt t = t₄ wird das Ausblendpotential U_Blanker des Ausblendelements 15 heruntergefahren und damit das Ausblendelement 15 durchlässig. Das transversale Ausblendpotential des Ausblendelements 15 ist aus (U_Blanker = 0). Die das Ausblendelement 15 erreichende Ionenspezies (n+) passiert das Ausblendelement 15. Die nachfolgende Ionenspezies (n – 1)+ befindet sich noch auf dem Weg zum Ausblendeelement 15 und damit vor dem Ausblendelement 15.
• Zum Zeitpunkt t = t₅ wird das Ausblendpotential U_Blanker des Ausblendelements 15 wieder angeschalten und damit die Ionenspezies (n – 1)+ ausgeblendet. Das transversale Ausblendpotential des Ausblendelements 15 ist wieder an (U_Blanker > 0).
• Der zeitliche Ablauf wird durch das Einstellen der chronologischen Schaltabfolge der Zustände Ionenfalle-Schließen und Ionenfalle-Öffnen sowie Ausblendelement-An, Ausblendeelement-Aus und Ausblendelement-An abhängig von einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis einer Ionenspezies entsprechend angepasst.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls

2

Elektronenstrahlionenquelle

3

Kathode

4

Elektronenstrahl

5

Driftröhrenanordnung

5a

kathodenseitiges Driftröhrensegment

5b

mittleres Driftröhrensegment

5c

extraktionsseitiges Driftröhrensegment

6

Ionen

6a

Ionen bestimmter Ionenspezies

7a, 7b

Permanentmagnetsystem, Permanentmagnetring

8

radiales Potenzial

9

axiales Potenzial

10

Ionenstrahlspektrum (Ionenstrahl aus Ionenspezien)

10a

Ionenstrahl einer bestimmten Ionenspezies

11

Elektronen-Ionen-Strahl

12

Elektronenkollektor

13

Extraktionselektrode

14

Deflektor

15

Ausblendeelement

16

Optik

17

Blende

18

Objektiv

19

Stigmator

20

Faraday-Detektor

21

Festkörper

22

Positioniertisch

23

Sekundarelektron

24

Sekundärelektronenvervielfacher, SEV

25

Sekundärion

26

Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometer

e

Elementarladung

E_e

Energie der Elektronen

E

kinetische Energie

m

Masse, Ionenmasse

I

Stromstärke

q

Ladungszustand, Ionenladungszustand

Q

elektrische Ladung

s, s₁, s₂, s₃

Ionenflugdistanz, Abstand

t, t_Flug

Flugzeit

U

Potential

U_Kathode

Potential Kathode

U₀

Potential kathodenseitiges Driftröhrensegment 5a, Beschleunigungspotential

U_A

Potential mittleres Driftröhrensegment 5b

U_B1

Potential extraktionsseitiges Driftröhrensegment 5c, Driftröhrenanordnung 5 geschlossen

U_B2

Potential extraktionsseitiges Driftröhrensegment 5c, Driftröhrenanordnung 5 offen

U_Blanker

Potential Ausblendeelement 15

U_Deflektor

Potential Deflektor 14

U_ex

Potential Extraktionselektrode 13

U_Objektiv

Potential Objektiv 18

U_Stigmator

Potential Stigmator 19

v

Geschwindigkeit

X, Y

Raumrichtung in der Ebene der Oberfläche des Festkörpers 21

Z

Tiefe, Eindringtiefe, Raumrichtung senkrecht zur Ebene der Oberfläche des Festkörpers 21

N

Ionenanzahl, Anzahl Ionen

AFM

engl. Atomic Force Microscope

EBIS

engl. Electron Beam Ion Source

FIB

engl. Focused Ion Beam

GFIS

engl. Gas Field Ionisation Source

HCI

engl. Highly Charged Ions

HCI-FIB

engl. hochgeladener fokussierter Ionenstrahl

HIM

engl. Helium Ion Microscope

LMIS

engl. Liquid Metal Ion Source

SEV

Sekundärelektronenvervielfacher

SIMS

engl. Secondary Ion Mass Spectrometry

TEM

Querschnitts-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie

TOF

engl. Time-of-Flight

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102010030372 A1 [0015]
• EP 2521427 A1 [0018]
• DE 19949978 A1 [0019]
• US 7126139 B2 [0021]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• “Integration of Scanning Probes and Ion Beams”, A. Persaud, S. J. Park, J. A. Liddle, and T. Schenkel, J. Bokor, I. W. Rangelow, Nano Lett., 2005, 5 (6), pp 1087–1091 [0023]

Claims (10)

1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls (10a) mit Ionen (6a) aus einem Ionenstrahlspektrum (10), wobei das Ionenstrahlspektrum (10) aus Ionen (6) mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen besteht, aufweisend – eine Ionenquelle und – eine Anordnung aus optischen Elementen zur Ablenkung geladener Teilchen, insbesondere mindestens eine elektrostatische Linse und mindestens einen Deflektor (14), auf einer gemeinsamen Strahlachse zum Extrahieren und Ablenken des erzeugten Ionenstrahlspektrums (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausblendeelement (15) zur Ladungszustands- und Massenseparation des extrahierten Ionenstrahlspektrums (10) und zur Erzeugung eines Ionenstrahls (10a) aus Ionen (6a) mit einem vorbestimmten Ladungs-Masse-Verhältnis ausgebildet ist, welches derart konfiguriert ist, die Ionen (6a) nach einer Flugzeit-Methode zu separieren.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ausblendeelement (15) in einer Entfernung (s) von der Ionenquelle angeordnet ist sowie durch Anlegen eines Potentials (U_Blanker) für die Ionen (6, 6a) verschließbar ausgebildet ist, – das Ausblendeelement (15) und die Ionenquelle derart ausgebildet sind, dass abhängig von der Entfernung (s) und einer Flugzeit (t) der Ionen (6a) zum Überwinden der Entfernung (s) das geschlossene Ausblendeelement (15) nach der Flugzeit (t) ab einem Öffnen der Ionenquelle geöffnet wird.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle als Elektronenstrahlionenquelle (2) mit einer Kathode (3) sowie einer zeitgesteuert öffenbar und verschließbar ausgebildeten Driftröhrenanordnung (5) ausgebildet ist und dass in Richtung des Ionenstrahlspektrums (10) ein Elektronenkollektor (12) angeordnet ist, wobei – das Ausblendeelement (15) in der Entfernung (s) von der Driftröhrenanordnung (5) angeordnet ist und – das Ausblendeelement (15) und die Driftröhrenanordnung (5) derart ausgebildet sind, dass abhängig von der Entfernung (s) und der Flugzeit (t) der Ionen (6a) zum Überwinden der Entfernung (s) das geschlossene Ausblendeelement (15) nach der Flugzeit (t) ab einem Öffnen der Driftröhrenanordnung (5) geöffnet wird.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhrenanordnung (5) der Elektronenstrahlionenquelle (2) aus einem kathodenseitigen Driftröhrensegment (5a) mit einem Beschleunigungspotential (U₀), einem mittleren Driftröhrensegment (5b) mit einem Potential (U_A) und einem extraktionsseitigen Driftröhrensegment (5c) mit einem Potential (U_B1, U_B2) sowie einem Pulsgenerator zur Steuerung des Potentials (U_B1, U_B2) des extraktionsseitigen Driftröhrensegments (5c) ausgebildet ist, wobei zur Ionensammlung das Potential (U_B1) zeitgesteuert anhebbar und zur Ionenextraktion das Potential (U_B2) absenkbar ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausblendeelement (15) derart ausgebildet ist, dass durch das Anlegen des Potentials (U_Blanker) ein transversales elektrisches Feld erzeugt wird und das Ausblendeelement (15) für die Ionen (6, 6a) verschlossen ist, wobei sich der Zeitpunkt des Ausschaltens des transversalen elektrischen Feldes des Ausblendeelements (15) aus der Flugzeit (t) der durchzulassenden Ionen (6a) und der Entfernung (s) ergibt.
6. Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem System zur Bearbeitung einer Oberfläche und/oder zur ortsaufgelösten Oberflächenanalyse eines Festkörpers (21).
7. Verfahren zur Erzeugung und Aussendung eines Ionenstrahls (10a) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: – Extraktion von Ionen (6) mit verschiedenen Ladungs-Masse- Verhältnissen aus einer Ionenquelle als ein Ionenstrahlspektrum (10), wobei die Ionen (6) gepulst extrahiert werden und die Extraktion nach einem zu erreichenden Ladungs-Masse-Verhältnis zu extrahierender Ionen (6a) erfolgt, – Betreiben eines in Richtung des extrahierten Ionenstrahlspektrums (10) angeordneten Ausblendeelements (15) durch Anlegen eines Potentials (U_Blanker), wobei das Ausblendeelement (15) geschlossen ist und die Ionen (6) ausblendet, – Ausschalten des Ausblendeelements (15) je nach Flugzeit (t) der Ionen (6a) mit bestimmtem Ladungs-Masse-Verhältnis für eine bestimmte Zeitdauer und Durchlassen der Ionen (6a) als Ionenstrahl (10a), wobei sich die Flugzeit (t) aus dem Ladungs-Masse-Verhältnis der Ionen (6a) und einer bekannten Flugdistanz (s) als Entfernung zwischen der Ionenquelle und dem Ausblendeelement (15) ergibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Ionenquelle als Elektronenstrahlionenquelle (2) mit einer zeitgesteuert öffenbar und verschließbar ausgebildeten Driftröhrenanordnung (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Driftröhrenanordnung (5) mit einem extraktionsseitigen Potential (U_B1, U_B2) Dachionenpulse extrahiert werden, wobei das Potential zur Ionensammlung zeitgesteuert auf das Potential (U_B1) angehoben und zur Ionenextraktion auf das Potential (U_B2) abgesenkt wird, wobei die Flugzeit (t) der Ionen (6a) mit bestimmtem Ladungs-Masse-Verhältnis mit dem Absenken auf das Potential (U_B2) beginnt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ionenstrahlen (10a) mit einfach geladenen und hochgeladenen Ionen (6a) mit selektierten Ladungszuständen extrahiert werden, wobei die Extraktion einfach geladener Ionen (6a) auf die Extraktion hochgeladener Ionen (6a) und umgekehrt umgeschaltet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Festkörpers (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Festkörpers (21) mit dem Ionenstrahl (10a) vierdimensional bearbeitet wird, wobei die Bearbeitung jedes Flächenelements der Oberfläche in den Raumrichtungen (X, Y) in der Ebene der Oberfläche, in der Raumrichtung (Z) senkrecht zur Ebene der Oberfläche als Eindringtiefe der Ionen (6a) in die Oberfläche, welche mit dem Ladungs-Masse-Verhältnis der Ionen (6a) eingestellt wird, und der Anzahl (N) der Ionen (6a), welche in das Flächenelement implantiert oder zu Sputterprozessen in dem Flächenelement genutzt werden, gesteuert wird.

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