DE102022102340B4

DE102022102340B4 - Ionen-implantationsverfahren, ionenfeinstrahlanlage, bauelement und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102022102340B4
Application number: DE102022102340.0A
Authority: DE
Inventors: Nico Klingner; Gregor Hlawacek; Georgy Astakhov
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2042-02-02
Also published as: WO2023148095A1; DE102022102340A1

Abstract

Verfahren zum Implantieren von Atomen, umfassend:Bereitstellen eines heterogenen Ionen-Clusters (10), wobei der Ionen-Cluster (10) ein Ziel-Element und mindestens ein Nachweis-Element aufweist, und wobei das Nachweis-Element einen atomaren optischen Übergang und/oder Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand aufweist;Fokussieren und Beschleunigen des Ionen-Clusters (10);Beaufschlagen einer Hauptfläche (31) eines Festkörpers (30) mit dem fokussierten und beschleunigten Ionen-Cluster (10), wobei der Ionen-Cluster (10) an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position (33) auf der Hauptfläche (31) in den Festkörper (30) implantiert wird; undDetektieren von einzelnen Atomen (62) des Nachweis-Elements anhand des atomaren optischen Übergangs oder Röntgenübergangs von dem angeregten zu dem energiearmen Zustand.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft das Implantieren von Ionen, insbesondere ein Verfahren zur deterministischen Implantation einzelner Ionen in Festkörper und deren anschließenden Nachweis. Weitere Aspekte der Anmeldung betreffen eine zur deterministischen Implantation einzelner Ionen eingerichtete Ionenfeinstrahlanlage, Bauelemente zur Signal- und oder Informationsverarbeitung, insbesondere Quantenbauelemente, sowie ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen, insbesondere Quantenbauelementen.
HINTERGRUND
Neuere Bauelemente zur Signal- und oder Informationsverarbeitung, insbesondere Bauelemente zur Quanteninformationsverarbeitung, beruhen auf der quantenmechanischen Kopplung zwischen einzelnen Atomen, die in einem geeigneten Festkörper in definierten Abständen zueinander angeordnet sind. Dazu werden die Atome einzeln implantiert.
Der Einschlag einzelner Ionen auf dem Festkörper kann beispielsweise durch die Detektion von durch den Einschlag ausgelöste Sekundärelektronen oder durch einen im Festkörper integrierten Detektor nachgewiesen werden, wobei die Emission und der Nachweis von Sekundärelektronen derzeit nicht mit ausreichend hoher Sicherheit erfolgen und wobei sich Detektoren mit vertretbarem Aufwand nur in Festkörpern aus speziellen Materialien realisieren lassen.
Die Druckschrift US 2010 / 0 003 770 A1 beschreibt die Detektion von Metallatomen in einem Halbleitersubstrat mittels eines Protonenstrahls. Der Protonenstrahl tastet die Oberfläche des Halbleitersubstrats unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln ab und regt dabei die Metallatome zur Emission charakteristischer Röntgenstrahlung an. Die Druckschrift WO 2021 / 194 723 A1 bezieht sich auf ein Ionenimplantierungssystem mit Sensoren zur Erfassung von durch die Ionenimplantierung ausgelöster Röntgenstrahlung. Aus der angularen Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung kann auf Einstrahlwinkel und weitere Eigenschaften des Ionenstrahls geschlossen werden.
Die Druckschrift US 2014 / 0 295 674 A1 beschreibt den Einsatz eines Gascluster-Ionenstrahls (gas cluster ion beam, GCIB) zur Abscheidung von Schichten und zum Ätzen von Strukturen im Rahmen der Herstellung von Halbleiterbauelementen. Das GCIB-System umfasst ein Modul, in dem unter Druck stehendes Gas in einem Vakuum expandiert. Das Gas kondensiert zu nanometergroßen kristallinen Clustern, die anschließend durch Kollisionen mit Elektronen geladen werden. Die ionisierten Cluster werden beschleunigt und zu einem Gascluster-Ionenstrahl gebündelt, mit dem ein Halbleiterwafer bestrahlt wird.
Den Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, einzelne Atome derart in Festkörper zu implantieren, dass die einzelnen Atome mit hoher lateraler Präzision in den Festkörper eingebracht und das Einbringen des jeweiligen Atoms eindeutig nachgewiesen werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die nachfolgenden Figuren illustrieren Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Implantieren von Atomen in Festkörper, einer Ionenfeinstrahlanlage, eines Betriebsverfahrens für eine Ionenfeinstrahlanlage und eines Bauelements zur Signal- und oder Informationsverarbeitung. Die in den Figuren gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Feinstrahlionenanlage für Ionen-Cluster gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Feinstrahlionenanlage für Ionen-Cluster gemäß einer Ausführungsform mit einem Elektronenstrahlsystem zum Nachweis von Atomen des Nachweis-Elements.
3 zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf ein Substrat nach der Implantation von heterogenen Ionen-Clustern an Gitterpunkten eines horizontalen Gitters mit quadratischen Maschen zur Darstellung von Effekten des Verfahrens zum Implantieren von Ionen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
4 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Abschnitt eines Quantenbauelements nach einer weiteren Ausführungsform.

DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die beigefügten Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen, die die Erfindung realisieren können. Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. wird mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Die Komponenten der Ausführungsformen können entlang unterschiedlicher Orientierungen ausgerichtet werden. Insoweit dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keinerlei Weise einschränkend aufzufassen. Neben den gezeichneten Ausführungsformen gibt es weitere Ausführungsformen. An den in den Figuren dargestellten und/oder im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen können strukturelle oder andere Änderungen vorgenommen werden, ohne dass dabei vom beanspruchten Gegenstand abgewichen wird. Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern sich nicht ausdrücklich oder inhärent etwas anderes ergibt.
In der folgenden Beschreibung umfasst der Begriff Atom sowohl das ungeladene Atom als auch jedes Ion davon.
Der Begriff Strahlengang bezeichnet im Folgenden den Raum, den die Bahnkurven der Ionen eines Ionenstrahls überstreichen können.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Implantieren von Atomen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines heterogenen Ionen-Clusters, wobei der Ionen-Cluster ein Ziel-Element und mindestens ein Nachweis-Element aufweist. Das Nachweis-Element weist einen atomaren optischen Übergang und/oder einen Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf. Der Ionen-Cluster wird fokussiert und beschleunigt. Mit dem fokussierten und beschleunigten Ionen-Cluster wird eine Hauptfläche eines Festkörpers beaufschlagt, wobei der Ionen-Cluster an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position auf der Hauptfläche in den Festkörper implantiert wird, d.h. einschlägt.
Insbesondere bezieht sich das Verfahren auf die deterministische Implantation einzelner Ionen-Cluster, beispielsweise im Rahmen einer Implantation mittels einer Feinionenstrahlanlage (Englisch: focused ion beam implanter).
Dazu wird mindestens ein heterogener Ionen-Cluster (auch: heterogenes ionisches Cluster, multi-elementarer Ionen-Cluster; Englisch: heterogeneous cluster ion) bereitgestellt, der Atome mindestens zweier verschiedener Elemente umfasst.
Mindestens eines der mindestens zwei Atome ist ein Atom des Ziel-Elements und mindestens ein anderes ein Atom des Nachweis-Elements. Ein einzelnes Atom des Ziel-Elements ist schlechter nachweisbar als ein einzelnes Atom des Nachweis-Elements. Beispielsweise weist das Nachweis-Element einen atomaren optischen Übergang und/oder einen atomaren Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf und das Ziel-Element nicht. Alternativ weisen sowohl das Ziel-Element als auch das Nachweiselement mindestens einen atomaren optischen Übergang oder einen atomaren Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf, wobei sich mindestens ein atomarer optischer Übergang oder Röntgenübergang des Nachweis-Elements von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand einfacher und/oder mit höherer örtlicher Auflösung detektieren lässt als jeder atomare optische Übergang und Röntgenübergang des Ziel-Elements.
Der Übergang vom angeregten zum energiearmen Zustand kann ein optischer Übergang sein, wobei die abgegebene Strahlung Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht oder UV-Strahlung enthält, oder ein Röntgenübergang, wobei die abgegebene Strahlung Röntgenstrahlung ist.
Beispielsweise kann der Ionen-Cluster genau ein Atom des Ziel-Elements aufweisen. Der Ionen-Cluster kann beispielsweise auch genau ein Atom genau eines Nachweis-Elements aufweisen. Neben den Atomen des Ziel-Elements und des Nachweis-Elements oder der Nachweis-Elemente kann der Ionen-Cluster ein oder mehrere Atome eines weiteren Elements oder weiterer Elemente umfassen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Ionen-Cluster neben dem Atom oder den Atomen des Ziel-Elements und dem Atom oder den Atomen des Nachweis-Elements keine Atome eines weiteren Elements aufweist.
Fokussiert wird der Ionen-Cluster beispielsweise durch elektrostatische und/oder magnetische Linsen, die einen Strahlengang des Ionen-Clusters auf der Hauptfläche des Festkörpers auf eine Strahlquerschnittsfläche von wenigen Quadratnanometern verengen. Beschleunigt wird der Ionen-Cluster beispielsweise durch ein von Beschleunigungselektroden erzeugtes elektrisches Feld.
Der Festkörper, in den der Ionen-Cluster implantiert wird, ist beispielsweise ein Substrat zur Herstellung von Bauelementen zur Signal- und/oder Informationsverarbeitung, insbesondere von Quantenbauelementen. Beispielsweise ist oder umfasst der Festkörper ein Diamantsubstrat oder ein Halbleitersubstrat. Die Hauptfläche, auf der der Ionen-Cluster einschlägt, kann eine ebene Arbeitsfläche des Festkörpers sein, auf der im Weiteren eine Struktur zur Manipulation des implantierten Atoms des Ziel-Elements ausgebildet wird.
Jeder Ionen-Cluster trifft an oder zumindest nahe einer vorgegebenen lateralen Soll-Position auf der Hauptfläche in den Festkörper auf. Der maximale laterale Abstand des Aufschlagortes des Ionen-Clusters von der Soll-Position wird durch den Radius der Querschnittsfläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche vorgegeben. Ein Aufschlag innerhalb der zur Soll-Position zentrierten Querschnittsfläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche gilt im Folgenden als Aufschlag an oder nahe der vorgegebenen Soll-Position.
Der Radius der Querschnittsfläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche hängt vom Anlagentyp und dem Typ des implantierten Ionen-Clusters ab. Beispielsweise kann der Ionen-Cluster derart fokussiert werden, dass eine laterale Abweichung eines Einschlags des Ionen-Clusters von der Soll-Position maximal 100nm, maximal 30nm oder maximal 20nm beträgt. Entsprechend kann der Radius der Querschnittsfläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche des Festkörpers 100nm betragen oder kleiner als 100nm sein, z.B. 30nm oder 20nm.
Der Ionen-Cluster kann beim Aufschlag zerfallen, wobei die Bestandteile des Ionen-Clusters im Festkörper lateral gestreut werden können. Die Bestandteile des Ionen-Clusters werden im Festkörper abgebremst, lateral gestreut und kommen innerhalb eines lateralen Streuradius um den Aufschlagort zur Ruhe.
Beispielsweise zerfällt der Ionen-Cluster in ein Atom oder mehrere Atome des Nachweis-Elements und in ein Atom oder mehrere Atome des Ziel-Elements. Der Streuradius für das Nachweis-Element und der Streuradius für das Ziel-Element sind in der Regel unterschiedlich. Der maximale laterale Abstand zwischen dem implantierten Atom des Ziel-Elements und dem implantierten Atom des Nachweis-Elements kann durch die Summe der Streuradien beider Atome abgeschätzt werden.
Kann die Verteilung der implantierten Atome um die Soll-Position durch eine an der Soll-Position zentrierte Gauß-Verteilung angenähert werden, dann kann man die Standardabweichung der Gauß-Verteilung als einen mittleren Streuradius auffassen. Beispielsweise beträgt der mittlere Streuradius für mit einer Beschleunigungsenergie von 100keV in ein Diamantsubstrat implantierte Kohlenstoffatome etwa 50nm und für mit einer Beschleunigungsenergie von 20keV in ein Siliziumsubstrat implantierte Wismutatome etwas 4nm.
Die gemeinsame Implantation (Koimplantation) von Atomen des Ziel-Elements mit Atomen des Nachweis-Elements ermöglicht einen indirekten aber sicheren Nachweis bzw. eine sichere quantitative Bestimmung der implantierten Atome des Ziel-Elements durch den Nachweis bzw. die quantitative Bestimmung der Atome des Nachweis-Elements auf Basis dessen atomaren optischen Übergangs bzw. dessen Röntgenübergangs.
Nach einer Ausführungsform wird eine Mehrzahl der Ionen-Cluster erzeugt und werden die erzeugten Ionen-Cluster vor dem Beaufschlagen der Hauptfläche derart vereinzelt, dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0.05% und unter 100% genau einer der Ionen-Cluster an der vorgegebenen Soll-Position implantiert wird.
Die Ionen-Cluster können von einer Einzelionenquelle einzeln abgegeben, aus einer Ionenfalle einzeln entlassen oder durch geeignete Blenden im Strahlengang aus einer Menge von gleichartigen Ionen-Clustern herausgesiebt werden.
Das Bereitstellen einzelner Ionen-Cluster durch eine geeignete Ionenquelle, aus einer Ionenfalle oder durch geeignete Blenden im Strahlengang ist gerätetechnisch meist mit einer Restunsicherheit belastet. Es können lediglich Wahrscheinlichkeiten dafür angegeben werden, dass sich innerhalb eines für die Implantation genau eines Ionen-Clusters an einer Soll-Position vorgegebenen Zeitfensters durchschnittlich weniger als ein Ionen-Cluster, durchschnittlich genau ein Ionen-Cluster oder durchschnittlich mehr als ein Ionen-Cluster in einem vorgegebenen Abschnitt des Strahlengangs befindet.
Für die Bestimmung solcher Wahrscheinlichkeiten kann die Verteilung der Ionen-Cluster durch eine Poisson-Verteilung der Ionen-Cluster bezogen auf das vorgegebene Zeitfenster für die einzelne Implantation angenähert werden. Die Poisson-Verteilung drückt die Wahrscheinlichkeit dafür aus, dass in einem festgelegten Zeitfenster eine bestimmte Anzahl von Ionen-Clustern vorliegen, wenn die Ionen-Cluster mit einer bekannten konstanten mittleren Rate und unabhängig von den früher bereitgestellten Ionen-Clustern bereitgestellt werden.
Die auf das vorgegebene Zeitfenster für die Einzelimplantation bezogene mittlere Bereitstellungsrate entspricht dabei dem Erwartungswert X der Poisson-Verteilung.
Bei gleicher Bereitstellungrate kann der Erwartungswert λ der Poisson-Verteilung durch die Länge des Zeitfensters für die einzelne Implantation variiert werden, wobei der Erwartungswert λ mit längerem Zeitfenster angehoben wird. Bei gleicher Länge des Zeitfensters kann der Erwartungswert λ der Poisson-Verteilung durch die Bereitstellungsrate variiert werden, wobei der Erwartungswert λ mit höherer Bereitstellungsrate angehoben wird.
Für manche Anwendungen in Wissenschaft und Industrie ist eine zuverlässige (100%ig sichere) Implantation einzelner Atome oder von einer genau vorgegebenen Anzahl von Atomen an einer oder mehreren Soll-Positionen erforderlich.
Das Koimplantieren eines Atoms eines Ziel-Elements mit einem Atom eines Nachweis-Elements ermöglicht den indirekten, aber eindeutigen und zerstörungsfreien Nachweis der Implantation insbesondere genau eines Atoms des Ziel-Elements durch den Nachweis des Atoms des Nachweis-Elements im Festkörper.
Angaben darüber, ob ein einzelnes Ion tatsächlich implantiert wird bzw. wurde oder nicht, beruhen derzeit auf verschiedenen Ansätzen, die entweder die Präsenz eines zu implantierenden Ions im Strahlengang innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters sicherstellen oder erfassen (Prä-Implantations-Ansatz) oder den Einschlag des Ions in den Festkörper nachweisen (Post-Implantations-Ansatz).
Beispielsweise können die Ionen in einem Längsabschnitt des Strahlengangs, z.B. in einem Flugrohr, über durch den Ionenfluss induzierte Spiegelladungen nachgewiesen werden. Die Empfindlichkeit einer solchen Messung reicht derzeit nicht zum sicheren Erkennen einzelner einfach oder zweifach geladener Teilchen aus.
Ionenfallen geben vorher deterministisch nachgewiesene, einzelne Ionen frei. Um die Ionen im Strahlengang nicht zu verlieren und damit den determinierten Nachweis, wird der Durchmesser des Ionenstrahls vergleichsweise weit gehalten. Der aufgeweitete Strahlengang reduziert die laterale Genauigkeit der Implantation.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Nachweis des Einschlags einzelner Ionen beruht auf dem Detektieren von durch den Einschlag ausgelösten Sekundärelektronen. Die Qualität eines solchen Nachweises wird durch die Sekundärelektronen-Detektionseffizienz bestimmt, die ihrerseits von der Empfindlichkeit des Sekundärelektroden-Detektors und von der Anzahl der pro Aufprall erzeugten Sekundärelektronen und damit vom Material des Festkörpers, der Ionensorte und der Implantationsenergie abhängt. Für die Implantation von Wismut in einkristallines Silizium lässt sich derzeit eine Sekundärelektronen-Detektionseffizienz von 80% bis 95% erreichen.
Ein weiterer Post-Implantations-Ansatz weist den Einschlag durch einen im Festkörper ausgebildeten Detektor nach. Der Detektor umfasst z.B. einen vorgespannten pn-Übergang und eine Messschaltung. Der Einschlag erzeugt am oder nahe dem pn-Übergang ein Elektronen-Loch-Paar. Die Messschaltung verstärkt und detektiert den durch das Elektronen-Loch-Paar erzeugten Strom. Die Anforderungen an den ausgebildeten Detektor schränken die Auswahl des Festkörpermaterials und dessen Aufbau stark ein.
Demgegenüber ermöglicht die Koimplantation eines Atoms eines Ziel-Elements und eines Atoms eines Nachweis-Elements einen alternativen Weg zur sicheren Detektion jedes einzelnen implantierten Atoms des Ziel-Elements. Das Verfahren ist für eine große Anzahl von Materialkombinationen für Festkörper und Ziel-Element einsetzbar. Durch die statistisch bestimmte Implantation von einem oder keinem Ionen-Cluster und den anschließenden möglichen Nachweis des Nachweis-Elements kann die Erfolgswahrscheinlichkeit schrittweise erhöht werden. Durch eine ausreichende Anzahl von Folgeimplantationen lässt sich die Erfolgswahrscheinlichkeit für die erfolgreiche Implantation von genau einem Atom des Ziel-Elements an einer Soll-Position trotz der statistischen Natur der Ionenverteilung beliebig bis auf über 99,9% steigern.
Das Verfahren ermöglicht beispielsweise das deterministische Implantieren einzelner Ionen mittels einer Feinionenstrahlanlage ohne Ionenfalle. Das Ausbilden eines Detektors im Zielsubstrat erübrigt sich.
Nach einer Ausführungsform können einzelne Ionen-Cluster an oder nahe verschiedener vorgegebenen Soll-Positionen implantiert werden.
Die Soll-Positionen können ein regelmäßiges Muster bilden. Beispielsweise liegen die Soll-Positionen an den Gitterpunkten eines regelmäßigen, zweidimensionalen Gitters. Der Abstand benachbarter Gitterpunkte kann größer sein als der Radius der Querschnittsfläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche des Festkörpers, insbesondere größer als die Summe aus dem Radius der Querschnittsfläche des Strahlengangs und dem lateralen Streuradius des implantierten Atoms mit der größeren lateralen Streuung.
Zerfällt der Ionen-Cluster in Teile, kann im Festkörper ein mittlerer lateraler Abstand zwischen den Teilen des Ionen-Clusters kleiner sein als ein mittlerer Abstand der Soll-Positionen.
Nach einer Ausführungsform kann das Verfahren das Detektieren von einzelnen Atomen des Nachweis-Elements anhand des atomaren optischen Übergangs bzw. des Röntgenübergangs des Nachweis-Elements von dem angeregten zu dem energiearmen Zustand umfassen.
Insbesondere kann das Detektieren das Anregen der Atome des Nachweis-Elements bis mindestens zu dem angeregten Zustand des atomaren optischen Übergangs bzw. des Röntgenübergangs und das Detektieren der Strahlung umfassen, die die Atome des Nachweis-Elements beim optischen Übergang bzw. beim Röntgenübergang von dem angeregten Zustand zu dem energiearmen Zustand abgeben.
Zum Anregen der Atome des Nachweis-Elements bis mindestens zu dem angeregten Zustand des atomaren optischen Übergangs oder des Röntgenübergangs kann die Hauptfläche des Festkörpers mit einem Elektronenstrahl abgetastet werden, beispielsweise mit dem Elektronenstrahl eines Elektronenstrahlsystems, z.B. eines Rasterelektronenmikroskops (Englisch: scanning electron microscope (SEM)). Die von einem optischen Übergang abgegebene Strahlung kann mit einem Licht- oder Bildsensor erfasst werden, die von einem Röntgenübergang abgegebene Röntgenstrahlung beispielsweise von einem Halbleiterdetektor für Röntgenphotonen.
Nach einer Ausführungsform kann das Nachweis-Element kathodolumineszent sein und kann das Detektieren von einzelnen Atomen des Nachweis-Elements das Abtasten der Hauptfläche mit einem Elektronenstrahl umfassen.
Durch den Elektronenstrahl werden selektiv nur die sich jeweils innerhalb der Querschnittsfläche des Elektronenstrahls befindlichen Atome des Nachweis-Elements zur Abgabe von Strahlung angeregt. Kathodolumineszente Nachweis-Elemente ermöglichen daher eine sehr genaue Ortsbestimmung der Atome des Nachweis-Elements und damit auch eine genaue Zuordnung von nachgewiesenen Atomen des Nachweis-Elements bzw. des Ziel-Elements zu den Soll-Positionen.
Nach einer Ausführungsform kann das Verfahren im Falle, dass kein Atom des Nachweis-Elements in ausreichender Nähe zu einer der Soll-Positionen detektiert wird, ein erneutes Beaufschlagen der Soll-Position mit fehlendem Atom des Nachweis-Elements mit einem fokussierten und beschleunigten heterogenen Ionen-Cluster umfassen.
Dabei kann für folgende Implantationen, mit denen Ionen-Cluster gezielt an solchen Soll-Positionen implantiert werden sollen, die in vorangegangen Implantationen unbesetzt geblieben sind, die Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines Ionen-Clusters im maßgeblichen Zeitfenster (Zeitintervall) von Implantation zu Implantation reduziert werden um die Wahrscheinlichkeit für das Implantieren von zwei oder mehreren Ionen-Clusters an der gleichen Soll-Position zu reduzieren.
Beträgt beispielweise der Erwartungswert λ für das Vorhandensein eines Ionen-Clusters in einem für genau eine Implantation eines Ionen-Clusters vorgesehenen Zeitfenster genau 1, dann ergibt sich eine Wahrscheinlichkeit von 36.7% dafür, dass kein Ionen-Cluster implantiert wird, eine Wahrscheinlichkeit von 36.7% dafür, dass genau ein Ionen-Cluster implantiert wird, aber eine Wahrscheinlichkeit von 26.6% dafür, dass mehr als ein Ionen-Cluster implantiert wird, und damit das Ziel der Implantation nicht mehr erreicht werden kann. Mit der Wahl eines niedrigeren der Erwartungswerts λ kann die Wahrscheinlichkeit dafür, dass mehr als ein Ionen-Cluster an derselben Soll-Position implantiert wird, reduziert werden. Um möglichst genau ein Ionen-Cluster an einer Soll-Position zu implantieren, wird nach jeder Implantation an der Soll-Position nach einem Atom des Nachweis-Elements gesucht und im Falle des Fehlens des Atoms des Nachweis-Elements die Implantation wiederholt, wobei für jede der folgenden Implantationen der Erwartungswert λ in kleiner werdenden Schritten reduziert wird.
In der Tabelle 1 bezeichnet N die Nummer der Implantation, L die für die N Implantationen eingestellten Werte für den Erwartungswert λ, und E die Wahrscheinlichkeit dafür, dass nach der N-ten Implantation genau ein Ionen-Cluster an der Soll-Position implantiert ist: Tabelle 1

N L E

1 1 36,7%

2 0,73 57,4%

3 0, 63 69,7%

4 0,57 77,1%

5 0,52 81,9%

10 0,36 91,9%

15 0,28 95,1%

30 0,17 98,1%

50 0,12 99,1%

100 0,073 99,7%

200 0,042 99, 9%
Für die erfolgreiche Implantation von genau einem Ionen-Cluster an einer Soll-Position ergibt sich beispielweise bei nur einer Implantation mit durchschnittlich einem Ionen-Cluster pro Zeitfenster eine vergleichsweise geringe Erfolgswahrscheinlichkeit von nur 36,7%. Nach einer dritten Implantation mit 0,63 Ionen-Clustern pro Zeitfenster steigt die Erfolgswahrscheinlichkeit auf 69,7%, nach einer zehnten Implantation mit 0,36 Ionen-Clustern pro Zeitfenster auf 91,9% und nach der 50. Implantation mit 0,12 Ionen-Clustern pro Zeitfenster auf 99,1%.
Sollen bei einem Erwartungswert λ von genau 1 für das Vorhandensein eines Ionen-Clusters in einem für genau eine Implantation eines Ionen-Clusters vorgesehenen Zeitfenster zehn Ionen-Cluster an zehn unterschiedlichen Soll-Positionen implantiert werden, dann ergibt sich nach jeweils einer Implantation an jeder Soll-Position eine Wahrscheinlichkeit von nur 0.0045% dafür, dass jeweils tatsächlich genau ein Ionen-Cluster implantiert ist. Wird im Falle des Fehlens eines Atoms des Nachweis-Elements die Implantation an einer Soll-Position wiederholt, kann wieder für jede der folgenden Implantationen der Erwartungswert λ in kleiner werdenden Schritten reduziert werden.

Die Tabelle 2 zeigt für eine vorgegebene Abnahme des Erwartungswertes λ nach einem Beispiel die wachsende Wahrscheinlichkeit dafür, dass nach der N-ten Implantation genau ein Ionen-Cluster an jeder der 10 Soll-Positionen implantiert ist: Tabelle 2

N	L	E

1	1	0,0045%
2	0,73	0,38%
3	0, 63	2, 72%
4	0,57	7,46%
5	0,52	13, 6%
10	0,36	42, 8%
15	0,28	60, 7%
30	0,17	82,5%
46	0,13	90,1%
74	0,09	95, 0%
210	0,04	99, 0%
850	0,013	99, 9%

Für die erfolgreiche Implantation von jeweils genau einem Atom des Ziel-Elements an zehn unterschiedlichen Soll-Positionen ergibt sich bei durchschnittlich einem Ionen-Cluster pro Zeitfenster bei nur einer Implantation pro Soll-Position eine vergleichsweise geringe Erfolgswahrscheinlichkeit von 0,0045%. Nach einer dritten Implantation mit 0,63 Ionen-Clustern pro Zeitfenster steigt die Erfolgswahrscheinlichkeit auf 2,72%, nach der zehnten Implantation mit 0,36 Ionen-Clustern pro Zeitfenster auf 42,8% und nach der 46. Implantation mit 0,13 Ionen-Clustern pro Zeitfenster auf 90,1%.
Das Verfahren ermöglicht somit ein gezieltes Nachbessern bereits implantierter Muster von Einzel-Ionen und verringert damit signifikant den Aufwand zur Herstellung von Strukturen und Bauelementen, die eine Vielzahl von in einem vorgegebenen Muster in einem Festkörper angeordneten Einzelatomen aufweisen.
Nach einer Ausführungsform können ein Material des Festkörpers und das Ziel-Element so gewählt sein, dass einzelne Atome des Ziel-Elements im Festkörper oder Atome des Ziel-Elements aufweisende Komplexe untereinander quantenmechanisch koppelbar sind. Insbesondere können die Soll-Positionen der implantierten Ionen-Cluster so gewählt sein, dass die implantierten Atome des Ziel-Elements quantenmechanisch gekoppelt werden können.
Nach einer Ausführungsform kann das Nachweis-Element eine Seltene Erde (Seltenerd-Metall) sein. Metalle der Seltenen Erde bilden ionisierbare Cluster mit einer Vielzahl von Elementen, die als Ziel-Element relevant sein können, insbesondere bei der Herstellung von Bauelementen zur Signal- und oder Informationsverarbeitung, z.B. Quantenbauelementen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur Signal- oder Informationsverarbeitung, insbesondere eines Quantenbauelements. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines heterogenen Ionen-Clusters, wobei der Ionen-Cluster ein Ziel-Element und ein Nachweis-Element aufweist. Das Nachweis-Element weist einen atomaren optischen Übergang und/oder einen Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf. Der Ionen-Cluster wird fokussiert und beschleunigt. Mit dem fokussierten und beschleunigten Ionen-Cluster wird eine Hauptfläche eines Festkörpers beaufschlagt, wobei der Ionen-Cluster an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position auf der Hauptfläche in den Festkörper implantiert wird, d.h. einschlägt. Insbesondere kann das Verfahren zum Herstellen eines Bauelements ein Verfahren zum Implantieren von Ionen in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen umfassen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Ionenfeinstrahlanlage.
Die Ionenfeinstrahlanlage weist eine Ionenquelle auf, die unter anderem heterogene Ionen-Cluster einer vorgegebenen Art emittiert. Eine Strahlführungseinrichtung der Ionenfeinstrahlanlage bündelt die von der Ionenquelle emittierten Ionen-Cluster in einem Ionenstrahl. Die Ionenfeinstrahlanlage umfasst zudem eine Ionentrenneinreichung, die andere Ionen und Ionen-Cluster als die heterogenen Ionen-Cluster der vorgegebenen Art aus dem Ionenstrahl entfernt.
Die Strahlführungseinrichtung kann eine Ionenstrahloptik aufweisen, die mit Bauelementen, die elektrostatische und/oder magnetische Felder erzeugen, den Ionenstrahl in einer Projektionsebene auf eine Strahlquerschnittsfläche von wenigen Quadratnanometern fokussiert. Die Strahlführungseinrichtung kann zudem eine Ionen-Beschleunigungseinrichtung umfassen, die mittels eines elektrischen Feldes die Ionen im Ionenstrahl in Richtung der Projektionsebene beschleunigt. Die Trajektorien der Ionen im Ionenstrahl überstreichen einen Strahlengang der Ionenfeinstrahlanlage.
Die Ionentrenneinrichtung umfasst beispielweise ein Wienfilter. Im Wienfilter überlagern sich ein elektrisches Feld und ein Magnetfeld, deren Vektoren zueinander und zu der Bewegungsrichtung der Ionen senkrecht ausgerichtet sind. Teilchen im Ionenstrahl mit einer anderen Masse und/oder einer anderen Ladung als die heterogenen Ionen-Cluster der vorgegebenen Art werden aus dem Strahlengang des Ionenstrahls abgelenkt und schlagen zum Beispiel auf eine Blende auf, so dass nur die heterogenen Ionen-Cluster der vorgegeben Art eine Öffnung in der Blende passieren.
Übliche Ionenquellen emittieren Einzel-Ionen und Ionen-Cluster unterschiedlicher Art. Genutzt wird üblicherweise nur eine einzige Art von Ionen, nämlich Einzel-Ionen desselben Elements und der gleichen Ladungszahl. Eine in der Ionenfeinstrahlanlage integrierte, übliche Ionentrenneinrichtung filtert weitere von der Ionenquelle erzeugte und emittierte Einzel-Ionen desselben Elements und mit einer anderen Ladungszahl, Einzel-Ionen anderer Elemente, homogene Ionen-Cluster und heterogene Ionen-Cluster aus dem Ionenstrahl heraus.
Dagegen entfernt die Ionentrenneinrichtung der vorliegenden Ionenfeinstrahlanlage alle Einzel-Ionen, alle homogenen Ionen-Cluster und alle heterogenen Ionen-Cluster mit Ausnahme der heterogenen Ionen-Cluster der vorgegebenen Art aus dem Ionenstrahl und ermöglicht insbesondere eine Koimplantation von Atomen unterschiedlicher Elemente in einem festen, vorgegebenen Zahlenverhältnis zueinander.
Unter anderem ermöglicht die Ionenfeinstrahlanlage mit einer derart eingerichteten Ionentrenneinrichtung die Koimplantation von Atomen eines ersten Elements und von Atomen eines zweitens Elements in einem festen Zahlenverhältnis, z.B. in einem Verhältnis von 1:1.
Insbesondere ermöglicht die Ionenfeinstrahlanlage mit einer derart eingerichteten Ionentrenneinrichtung die Koimplantation genau eines Atoms eines Ziel-Elements und eines Atoms oder mehrerer Atome eines Nachweise-Elements für das oben beschriebene Verfahren zum Implantieren von Atomen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Ionenfeinstrahlanlage, die eine Ionenquelle, eine Strahlführungseinrichtung und eine Ionentrenneinrichtung aufweist, wobei die Ionenquelle unter anderem heterogene Ionen-Cluster einer vorgegebenen Art emittiert und die Strahlführungseinrichtung die von der Ionenquelle emittierten Ionen-Cluster in einem Ionenstrahl bündelt. Die Ionentrenneinrichtung wird derart eingestellt und betrieben, dass andere Ionen und Ionen-Cluster als die heterogenen Ionen-Cluster der vorgegebenen Art aus dem Ionenstrahl entfernt werden und die Ionenfeinstrahlanlage nur die heterogenen Ionen-Cluster der vorgegebenen Art emittiert.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ionenfeinstrahlanlage eine Ionenvereinzelungseinrichtung aufweisen, wobei die Ionenvereinzelungseinrichtung die heterogenen Ionen-Cluster der vorgegebenen Art im Ionenstrahl derart vereinzelt, dass die Ionenfeinstrahlanlage innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0.05% und unter 100% genau einen der Ionen-Cluster emittiert.
Beispielsweise bewirkt die Ionenvereinzelungseinrichtung ein temporäres Schwarztasten (Englisch: blanking) des Ionenstrahls. Beispielsweise weist die die Ionenvereinzelungseinrichtung Ablenkplatten beiderseits des Strahlengangs auf. Ein elektrisches Feld zwischen den Ablenkplatten lenkt die Ionen-Cluster in Richtung einer der Ablenkplatten aus. Wird das elektrische Feld kurzzeitig ausgeschaltet, können Ionen die Ablenkplatten passieren...
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ionenquelle der Ionenfeinstrahlanlage eine Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquelle aufweisen.
Die Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquelle kann eine Kammer, einen Feldgenerator und eine Abgabeeinheit aufweisen. Die Kammer ist mit einem flüssigen Ausgangsmaterial gefüllt, z.B. mit einer eutektischen Legierung. Eine Wärmequelle kann das Ausgangsmaterial verflüssigen und/oder das Ausgangsmaterial flüssig halten. Die Abgabeeinheit weist beispielsweise eine Kapillare oder eine Nadel auf. Das flüssige Ausgangsmaterial steht an der äußeren Öffnung der Kapillare an oder hüllt die Nadelspitze ein. Der Feldgenerator erzeugt ein elektrisches Feld an der Öffnung der Kapillare bzw. an der Nadelspitze. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bildet sich an der Öffnung der Kapillare bzw. an der Nadelspitze ein Taylor-Kegel aus, dessen Spitze Ionen emittiert. Die emittierten Ionen können Einzel-Ionen der Legierungselemente, homogene Ionen-Cluster der Legierungselemente und heterogene Ionen-Cluster umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ionenfeinstrahlanlage einen Objekttisch, ein Elektronenstrahlsystem und einen Strahlungsdetektor aufweisen.
Der Objekttisch ist dazu eingerichtet, einen auf dem Objekttisch angeordneten Festkörper zu dem Ionenstrahl auszurichten. Der Objekttisch kann entlang von zwei oder drei orthogonalen Raumachsen beweglich sein.
Das Elektronenstrahlsystem erzeugt einen gebündelten Elektronenstrahl, fokussiert den gebündelten Elektronenstrahl in einer Projektionsebene zwischen dem Elektronenstrahlsystem und dem Objekttisch und tastet mindestens einen Abschnitt der Projektionsebene mit dem Elektronenstrahl ab.
Eine Querschnittsfläche des Elektronenstrahls in der Projektionsebene kann in etwa kreisrund sein, wobei der Radius der Querschnittfläche kleiner 100nm, z.B. kleiner 30nm oder auch kleiner als 2nmsein kann.
Ist auf dem Objekttisch ein Festkörper angeordnet, dessen freiliegende Hauptfläche in der Projektionsebene liegt, dann tastet der Elektronenstrahl die Hauptfläche des Festkörpers ab. Der Elektronenstrahl regt Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang im Festkörper zur Abgabe von Strahlung an. Die Strahlung kann Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht, ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlung sein.
Der Strahlungsdetektor detektiert eine in der Projektionsebene erzeugte Strahlung. Ist auf dem Objekttisch ein Festkörper angeordnet, dessen freiliegende Hauptfläche in der Projektionsebene liegt und der Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang enthält, dann detektiert der Strahlungsdetektor vom Elektronenstrahl des Elektronenstrahlsystems angeregte Strahlung.
Beispielsweise sind Elektronenstrahlsystem und Strahlungsdetektor Komponenten eines SEM-EDX Aufbaus zur energiedispersiven Röntgenanalyse.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ionenfeinstrahlanlage eine Auswerteeinrichtung aufweisen, wobei die Auswerteeinrichtung informationstechnisch mit dem Strahlungsdetektor und dem Elektronenstrahlsystem verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Position des Elektronenstrahls in der Projektionsebene zum Zeitpunkt einer Detektion einer vorgegebenen Strahlung durch den Strahlungsdetektor zu identifizieren.
Ist auf dem Objekttisch ein Festkörper angeordnet, dessen freiliegende Hauptfläche in der Projektionsebene liegt und der Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang enthält, dann detektiert der Strahlungsdetektor vom Elektronenstrahl des Elektronenstrahlsystems angeregte Strahlung und die Auswerteeinrichtung identifiziert die Lage der kathodolumineszenten Atome auf der Hauptfläche mit hoher Ortsauflösung, die im Wesentlichen durch die Querschnittsfläche des Elektronenstrahls in der Projektionsebene vorgegeben wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Bauelement zur Signal- oder Informationsverarbeitung, insbesondere ein Quantenbauelement, beispielsweise ein Einzelphotonenemitter zur Quantenkommunikation oder ein Quantenregister für die Quantenrechnung (Englisch: quantum memory for quantum computing).
Das Bauelement weist ein Substrat und in einer horizontalen Schicht des Substrats angeordnete Atomgruppen auf, wobei jede Atomgruppe mindestens ein Atom eines Ziel-Elements und mindestens ein Atom eines Nachweis-Elements mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang umfasst, und wobei in jeder der Atomgruppen ein lateraler Abstand zwischen dem Atom des Ziel-Elements und dem Atom des Nachweis-Elements maximal 200nm , z.B. maximal 50nm, insbesondere 10nm bis 20nm beträgt. Beispielsweise umfasst jede Atomgruppe genau ein Atom des Ziel-Elements und mindestens ein Atom, z.B. genau ein Atom des Nachweis-Elements.
In einem solchen Bauelement ermöglicht der optische Übergang bzw. der Röntgenübergang der Atome des Nachweis-Elements in der oben beschriebenen Weise mindestens in einer Phase der Fertigung nach dem Implantieren der Atomgruppen den sicheren Nachweis der Präsenz der Atome des Ziel-Elements. Zudem lässt sich die Lage der einzelnen Atome des Ziel-Elements relativ genau ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform können die Atomgruppen an oder nahe von Gitterpunkten eines regelmäßigen, horizontalen Gitters angeordnet sein, wobei die Atome des Ziel-Elements oder Komplexe, die jeweils ein Atom des Ziel-Elements aufweisen, miteinander quantenmechanisch gekoppelt sind. Das Gitter kann rechteckige Maschen oder Maschen mit mehr als vier Kanten aufweisen. Beispielsweise sind die Maschen des Gitters Quadrate oder Hexagone.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Nachweis-Element ein Element der Seltenen Erden sein. Beispielsweise ist das Seltene Erde Element Cer (Ce).
Das Ziel-Element ist beispielsweise ein Nichtmetall, z.B. Bor (B), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Silizium (Si), Phosphor (P), Germanium (Ge), Arsen (As), Antimon (Sb), ein Post-Übergangsmetall, z.B. Gallium (Ga), Indium (In), Zinn (Sn), Blei (Pb), Bismut (Bi), ein Metall der 1.Gruppe, z.B. Lithium (Li) oder ein Nebengruppen-Metall, dass kein Seltenes Erden Element ist. Insbesondere ist das Ziel-Element ein Element der 4. oder 5. Gruppe.
Das Material des Festkörpers kann beispielsweise Silizium, z.B. einkristallines Silizium oder isotopenreines Silizium, eine auf einer Isolatorschicht ausgebildete Siliziumschicht, Diamant, Siliziumoxid, Kohlenstoff, ein mehrlagiges 2D-Material wie z.B. Graphen, TMDC (transition metal dichalcogenide) oder hexagonales Bornitrid (hBN) sein.
Die 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Ionenfeinstrahlanlage 40 mit einer Ionenquelle 41, die heterogene Ionen-Cluster 10 einer vorgegebenen Art emittiert. Neben den heterogenen Ionen-Clustern 10 der vorgegebenen Art emittiert die Ionenquelle 41 weitere Ionensorten. Eine Strahlführungseinrichtung 42 bündelt die von der Ionenquelle 41 emittierten Ionen in einem Ionenstrahl 49. Die Trajektorien der Ionen im Ionenstrahl 49 überstreichen einen Strahlengang 19 der Ionenfeinstrahlanlage 40.
Eine Ionentrenneinrichtung 43 entfernt andere Ionen und Ionen-Cluster als die heterogenen Ionen-Cluster 10 der vorgegebenen Art aus dem Ionenstrahl 49.
Eine Ionenvereinzelungseinrichtung 44 vereinzelt die verbleibenden heterogenen Ionen-Cluster 10 der vorgegebenen Art im Ionenstrahl 49 derart, dass die Ionenfeinstrahlanlage 40 innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0.05% und unter 100% genau einen der Ionen-Cluster 10 emittiert. Beispielsweise bewirkt die Ionenvereinzelungseinrichtung 44 ein temporäres Schwarztasten des Ionenstrahls 49.
Der Ionenstrahl 49 wird in einer Projektionsebene 47 oberhalb eines Objekttisches 45 fokussiert, wobei die Projektionsebene 47 und eine ebene Hauptfläche 31 eines auf dem Objekttisch 45 angeordneten Festkörpers 30 koplanar liegen. Der Objekttisch 45 kann innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet sein.
Die Darstellung der Teile der Ionenfeinstrahlanlage 40 ist grob vereinfacht. Die Anordnung der Teile entlang dem Ionenstrahl 49 kann eine andere als die dargestellte sein. Jedes der Teile kann mehrere Unterteile aufweisen, die durch andere Teile oder Unterteile anderer Teile voneinander getrennt sind.
Die Ionentrenneinrichtung 43 umfasst beispielweise ein Wienfilter. Im Wienfilter überlagern sich ein elektrisches Feld E und ein Magnetfeld B, deren Vektoren zueinander und zu der Bewegungsrichtung der Ionen im Ionenstrahl 49 senkrecht ausgerichtet sind. Teilchen im Ionenstrahl 49 mit einer anderen Masse und/oder einer anderen Ladung als die heterogenen Ionen-Cluster 10 der vorgegebenen Art werden aus dem Strahlengang 19 des Ionenstrahls 49 abgelenkt und schlagen zum Beispiel auf eine Blende 431 auf, so dass nur die heterogenen Ionen-Cluster 10 der vorgegebenen Art eine Öffnung 432 in der Blende 431 passieren.
In der dargestellten Ionenfeinstrahlanlage 40 sind die Filterparameter Adj der Ionentrenneinrichtung 43 konfigurierbar. Insbesondere sind die Filterparameter derart einstellbar, dass die Ionentrenneinrichtung 43 alle von der Ionenquelle 41 erzeugten Einzel-Ionen, alle homogenen Ionen-Cluster und alle heterogenen Ionen-Cluster mit Ausnahme der heterogenen Ionen-Cluster 10 der vorgegebenen Art aus dem Ionenstrahl 49 entfernt.
In 2 umfasst die Ionenfeinstrahlanlage 40 zusätzlich ein Elektronenstrahlsystem 46 und einen Strahlungsdetektor 48.
Das Elektronenstrahlsystem 46 erzeugt einen gebündelten Elektronenstrahl 18, fokussiert den gebündelten Elektronenstrahl 18 in der Projektionsebene 47 und damit auf der Hauptfläche 31 des Festkörpers 30, und tastet mindestens einen Abschnitt der Hauptfläche 31 ab. Der Elektronenstrahl 18 regt Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang im Festkörper 30 zur Abgabe von Infrarot-Strahlung, sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlung an. Das Elektronenstrahlsystem 46 kann beispielsweise ein Rasterelektronenmikroskop oder ein Teil davon sein.
Der Strahlungsdetektor 48 detektiert in der Projektionsebene 47 bzw. auf der Hauptfläche 31 erzeugte Strahlung, die Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht, ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlung sein kann. Enthält der Festkörper 30 auf der Hauptfläche 31 oder nahe der Hauptfläche 31 Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang, dann detektiert der Strahlungsdetektor 48 Strahlung, die durch den Elektronenstrahl 18 des Elektronenstrahlsystems 46 angeregt wurde.
Das Abtasten der Hauptfläche 31 kann in der Ionenfeinstrahlanlage 40 erfolgen, insbesondere innerhalb einer Vakuumkammer der Ionenfeinstrahlanlage 40. Vor dem Abtasten kann der Festkörper 30 innerhalb der Vakuumkammer umgelagert werden, z.B. durch ein Verschieben des Objekttisches 45. Alternativ kann der Festkörper zum Abtasten der Vakuumkammer entnommen werden. Je nach Ausführung können das Elektronenstrahlsystem 46 und der Strahlungsdetektor 48 integrale Bestandteile der Ionenfeinstrahlanlage 40 sein oder als eigenständige Anordnung abgesetzt von der Ionenfeinstrahlanlage 40 in der beschriebenen Weise betrieben werden.
Die Ionenfeinstrahlanlage der 2 weist zudem eine Auswerteeinrichtung 50 auf. Die Auswerteeinrichtung 50 empfängt zeitabhängige Positionsdaten pos(t), die die Lage der Querschnittsfläche des Elektronenstrahls 18 auf der Hauptfläche 31 zu einer Zeit t beschreiben.
Ist auf dem Objekttisch 45 ein Festkörper 30 angeordnet, der an oder nahe an der freiliegende Hauptfläche 31 Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang enthält, dann detektiert der Strahlungsdetektor 48 vom Elektronenstrahl 18 des Elektronenstrahlsystems 46 angeregte Strahlung und die Auswerteeinrichtung 50 identifiziert die Lage Pos(tn) der Atome des Nachweis-Elements auf der Hauptfläche 31 mit hoher Ortsauflösung.
Die Auswerteeinrichtung 50 kann die gemessenen Positionsdaten mit Soll-Daten vergleichen und Teile der Ionenfeinstrahlanlage 40 abhängig vom Ergebnis des Vergleichs steuern.
Für den Fall einer Koimplantation von Atomen eines Ziel-Elements und eines Nachweis-Elements kann die Auswerteeinrichtung 50 zum Beispiel das Nachimplantieren eines heterogenen Ionen-Clusters für den Fall veranlassen, dass sich aus den ermittelten Positionsdaten ergibt, dass in der näheren Umgebung einer der Soll-Positionen kein Atom des Nachweis-Elements aufgefunden wurde.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Hauptfläche 31 eines Festkörpers 30 nach einer Koimplantation von Atomen 61 eines Ziel-Elements und Atomen 62 eines Nachweis-Elements an Soll-Positionen 33-1, ..., 31-12.
Die Soll-Positionen 33-1, ..., 31-12 bilden die Gitterpunkte eines regelmäßigen Gitters mit quadratischen Maschen der Kantenlänge d1.
Zur Implantation wird der Ionenstrahl jeweils auf eine der Soll-Positionen 33-1, ..., 31-12 gerichtet, wobei eine annähernd runde Querschnittsfläche des Strahlengangs des Ionenstrahls auf der Hauptfläche 31 im Rahmen der Positioniergenauigkeit der Ionenfeinstrahlanlage auf die jeweilige Soll-Position 33-1, ..., 31-12 zentriert ist. Der Durchmesser d2 der Querschnittsfläche des Strahlengangs des Ionenstrahls auf der Hauptfläche 31 beträgt zwischen 2nm und 200nm, beispielsweise etwa 30nm.
Die laterale Streuung der Atome 61 des Ziel-Elements und der Atome 62 des Nachweis-Elements vergrößert den mittleren lateralen Radius rx um eine Soll-Position 33-1, ..., 31-12, innerhalb dessen das Atome 61 des Ziel-Elements und das Atom 62 des Nachweis-Elements zu Ruhe kommen. Die laterale Streuung der Atome 61 des Ziel-Elements und der Atome 62 des Nachweis-Elements hängt von der Energie der Ionen-Cluster, dem Material des Festkörpers 30, dem Ziel-Element und dem Nachweis-Element ab.
Bei Verwendung eines Elektronenstrahls mit einem Durchmesser von 2nm kann die Position eines Atoms des Nachweis-Elements mit einer lateralen Auflösung von 2nm ermittelt werden.
Im gezeichneten Beispiel ist die Kantenlänge d1 der Gittermaschen etwas größer gewählt als 2*rx, so dass unter Berücksichtigung der maximalen Ortsauflösung für den Nachweis der Atome des Nachweis-Elements auf das Fehlen des Atoms des Ziel-Elements an der Soll-Position 31-12 geschlossen werden kann.
4 zeigt als Beispiel für ein unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens hergestelltes Bauteil ein Kane-Quantum-Computer Bauelement 90.
Das Bauelement 90 weist ein Substrat 50 und in einer oberflächennahen horizontalen Schicht 53 des Substrats 50 angeordnete Atomgruppen 60 auf, wobei jede Atomgruppe 60 ein Atom 61 eines Ziel-Elements und ein Atom 62 eines Nachweis-Elements mit einem optischen und/oder Röntgenübergang umfasst. Das Substrat 50 basiert z.B. auf einkristallinem Silizium. Die vertikale Ausdehnung v1 der horizontalen Schicht 53 kann mehrere Nanometer betragen, z.B. bis zu 200nm.
Auf einer Hauptfläche 51 des Substrats 50 ist eine Isolatorschicht 55 aufgebracht. Auf der Isolatorschicht 55 und vertikal über den Atomen 61 des Ziel-Elements sind zwei erste Elektroden 58 ausgebildet. Auf der Isolatorschicht 55 und vertikal über der Mitte der Strecke zwischen zwei benachbarten Atomen 61 des Ziel-Elements ist eine zweite Elektrode 59 ausgebildet.
Die Atome 61 des Ziel-Elements sind beispielsweise Phosphoratome mit der Nukleonenzahl 31. Das Nachweis-Element ist ein Element der Seltenen Erden, beispielweise Cer (Ce).
In jeder Atomgruppe 60 ist ein lateraler Abstand zwischen dem Atom 61 des Ziel-Elements und dem Atom 62 des Nachweis-Elements kleiner als ein maximaler lateraler Abstand r1 von 5nm.
Die Atomgruppen 60 können entsprechend 3 an oder nahe von Gitterpunkten eines regelmäßigen, horizontalen Gitters angeordnet und miteinander quantenmechanisch gekoppelt sein. Das Gitter kann rechteckige Maschen oder Maschen mit mehr als vier Kanten aufweisen. Beispielsweise sind die Maschen des Gitters Quadrate oder Hexagone.

Claims

Verfahren zum Implantieren von Atomen, umfassend: Bereitstellen eines heterogenen Ionen-Clusters (10), wobei der Ionen-Cluster (10) ein Ziel-Element und mindestens ein Nachweis-Element aufweist, und wobei das Nachweis-Element einen atomaren optischen Übergang und/oder Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand aufweist; Fokussieren und Beschleunigen des Ionen-Clusters (10); Beaufschlagen einer Hauptfläche (31) eines Festkörpers (30) mit dem fokussierten und beschleunigten Ionen-Cluster (10), wobei der Ionen-Cluster (10) an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position (33) auf der Hauptfläche (31) in den Festkörper (30) implantiert wird; und Detektieren von einzelnen Atomen (62) des Nachweis-Elements anhand des atomaren optischen Übergangs oder Röntgenübergangs von dem angeregten zu dem energiearmen Zustand.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei eine Mehrzahl der Ionen-Cluster (10) erzeugt wird und die Ionen-Cluster (10) vor dem Beaufschlagen der Hauptfläche (31) derart vereinzelt werden, dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0.05% und unter 100% genau einer der Ionen-Cluster (10) an oder nahe der vorgegebenen Soll-Position (33) implantiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei einzelne Ionen-Cluster (10) an oder nahe verschiedener vorgegebenen Soll-Positionen (33-1, ...) implantiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Nachweis-Element kathodolumineszent ist und das Detektieren von einzelnen Atomen (62) des Nachweis-Elements ein Abtasten der Hauptfläche (31) mit einem Elektronenstrahl (18) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend: im Falle, dass kein Atom des Nachweis-Elements in ausreichender Nähe zu einer der Soll-Positionen (33-1, ...) detektiert wird, erneutes Beaufschlagen der Soll-Position mit fehlendem Atom des Nachweis-Elements mit einem fokussierten und beschleunigten heterogenen Ionen-Cluster (10).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Material des Festkörpers, das Ziel-Element und die Soll-Positionen (33-1, ...,) so gewählt werden, dass im Festkörper (31) einzelne Atome (61) des Ziel-Elements oder Atome des Ziel-Elements aufweisende Komplexe miteinander quantenmechanisch gekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Nachweis-Element ein Seltenes Erden Element ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, umfassend: Bereitstellen eines heterogenen Ionen-Clusters (10), wobei der Ionen-Cluster (10) ein Ziel-Element und ein Nachweis-Element aufweist, und wobei das Nachweis-Element einen atomaren optischen Übergang und/oder Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand aufweist; Fokussieren und Beschleunigen des Ionen-Clusters (10); und Beaufschlagen einer Hauptfläche (31) eines Festkörpers (30) mit dem fokussierten und beschleunigten Ionen-Cluster (10), wobei der Ionen-Cluster (10) an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position auf der Hauptfläche (31) in den Festkörper (30) implantiert wird; und Detektieren von einzelnen Atomen (62) des Nachweis-Elements anhand des atomaren optischen Übergangs oder Röntgenübergangs von dem angeregten zu dem energiearmen Zustand.
Ionenfeinstrahlanlage (40), aufweisend eine Ionenquelle (41), wobei die Ionenquelle (41) dazu eingerichtet ist, heterogene Ionen-Cluster (10) einer vorgegebenen Art zu emittieren; eine Strahlführungseinrichtung (42), wobei die Strahlführungseinrichtung (42) dazu eingerichtet ist, von der Ionenquelle (41) emittierte Ionen-Cluster (10) in einem Ionenstrahl (49) zu bündeln; eine Ionentrenneinreichung (43), wobei die Ionentrenneinrichtung (43) dazu eingerichtet ist, andere Ionen und Ionen-Cluster als die heterogenen Ionen-Cluster (10) der vorgegebenen Art aus dem Ionenstrahl zu entfernen; einen Objekttisch (45), wobei der Objekttisch (45) dazu eingerichtet ist einen Festkörper (30) zu dem Ionenstrahl (49) auszurichten; ein Elektronenstrahlsystem (46), wobei das Elektronenstrahlsystem (46) dazu eingerichtet ist, einen gebündelten Elektronenstrahl (18) zu erzeugen, und einen Abschnitt einer Projektionsebene (47) zwischen dem Elektronenstrahlsystem (46) und dem Objekttisch (45) mit dem in der Projektionsebene (47) fokussierten Elektronenstrahl (18) abzutasten; und einen Strahlungsdetektor (48), wobei der Strahlungsdetektor (48) dazu eingerichtet ist, in der Projektionsebene (47) erzeugte Strahlung (17) zu detektieren.
Ionenfeinstrahlanlage nach dem vorangehenden Anspruch, weiter aufweisend: eine Auswerteeinrichtung (50), wobei die Auswerteeinrichtung (50) informationstechnisch mit dem Strahlungsdetektor (48) und dem Elektronenstrahlsystem (46) verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Position des Elektronenstrahls (18) auf der Hauptfläche (31) des Festkörpers (30) zum Zeitpunkt einer Detektion einer von dem Elektronenstrahl (18) ausgelösten Strahlung (18) durch den Strahlungsdetektor (48) zu identifizieren.
Bauelement, aufweisend: ein Substrat (50); und in einer horizontalen Schicht (53) des Substrats (50) angeordnete Atomgruppen (60), wobei jede Atomgruppe (60) genau ein Atom (61) eines Ziel-Elements und mindestens ein Atom (62) eines Nachweis-Elements mit einem optischen Übergang und/oder einem Röntgenübergang aufweist, und wobei in jeder der Atomgruppen (60) ein lateraler Abstand r1 zwischen dem Atom (61) des Ziel-Elements und dem Atom (62) des Nachweis-Elements maximal 200nm beträgt, und wobei die Atomgruppen (60) an oder nahe von Gitterpunkten eines regelmäßigen, horizontalen Gitters angeordnet und die Atome (61) des Ziel-Elements oder Komplexe, die jeweils ein Atom (61) des Ziel-Elements aufweisen, miteinander quantenmechanisch gekoppelt sind.
Bauelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Nachweis-Element ein Element der Seltenen Erden ist.