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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen
mit Ionenstrahlen aus einem Ionenstrahlspektrum, wobei das Ionenstrahlspektrum
aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen
Massen besteht, aufweisend eine Baugruppe zur Erzeugung des Ionenstrahlspektrums
mit Ionen verschiedener Ladungszustände und Massen mit
einer Katode, mehreren Driftröhrensektionen, einem Kollektor
und einer Anordnung von Ionenextraktions- und Fokussierungslinsen
auf einer gemeinsamen Strahlachse sowie einem Permanentmagnetsystem
um die gemeinsame Strahlachse, wobei das erzeugte Ionenstrahlspektrum
in der Anordnung von Extraktions- und Fokussierungslinsen extrahiert
und von da aus auf ein nachfolgendes Wienfilter fokussiert wird,
das zur Ladungszustands- und Massenseparation eines extrahierten
und fokussierten Ionenstrahls dient, mindestens einen Deflektor
der den Ionenstrahl stigmatisiert, positioniert und ablenkt, und
mindestens
ein Objektiv, das den Ionenstrahl auf eine sehr kleine Festkörperfläche
feinfokussiert,
wobei das Wienfilter aus einer Elektrodenanordnung mit
zwei Segmenten und einer zweipoligen Magnetanordnung aufgebaut ist,
wobei ein angelegtes elektrisches Feld E, das orthogonal zur Bewegungsrichtung
des Ionenstrahlspek- trums angeordnet ist und ein Magnetfeld B,
welches orthogonal zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahlspektrums
und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist, vorgesehen
sind sowie eingangsseitig eine Kollimatorblende zum Passieren des
Ionenstrahlspektrums und ausgangsseitig eine Massentrennblende enthält,
mit der das Ionenstrahlspektrum in seine Ionenstrahlen entsprechend
Masse und Ladungszustand zerlegt wird.
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Dem
allgemeinen Bestreben, Festkörper immer kleiner zu machen,
um viele davon auf engstem Raum zu lokalisieren, wurde in den letzten
Jahrzehnten enorme finanzielle Mittel zur Verfügung gestellt. Das
Resultat sind hochentwickelte lithografische Verfahren zur Bearbeitung
von Festkörpern auf der Basis von ultravioletter Strahlung,
mit deren Hilfe sich z. B. viele Millionen Transistoren auf einer
sehr kleinen Fläche unterbringen lassen. Feinfokussierte
Ionenstrahlen zum Strukturieren bzw. zur Reparatur von Halbleitermaterialien,
wie z. B. Lithografiemasken, aber auch für materialanalytische
Untersuchungen finden inzwischen ebenfalls verbreitet Anwendung. Für
die dafür eingesetzten Ionenstrahlfokussierungssysteme
werden bis heute so genannte Flüssigmetallionenquellen
verwendet. Diese erzeugen Ionenstrahlen von wenigen Elementen mit
sehr niedrigen Ladungszuständen (einfach bis zweifach geladen). Die
Einflussnahme auf anwendungsrelevante Parameter wie z. B. Sputterrate
und Eindringtiefe in das zu bestrahlende Festkörpermaterial
ist dabei nur beschränkt möglich, weil die Variation
der kinetischen Projektilenergie oder der Potenzialenergie auf Grund der
Variation des Ladungszustands, aber auch die Variation der Projektilmasse
durch Einsatz beliebiger chemischer Elemente als Projektile nur
sehr beschränkt möglich ist.
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Es
ist eine Elektronenstoßionenquelle zur Erzeugung von einfach
bis vielfach- oder höchstgeladenen Ionen in der Druckschrift
DE 199 49 978 A1 beschrieben,
die aus
- – einer Elektronenkanone mit
Katode und Anode zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen,
- – einer Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung
des Elektronenstrahles,
- – Mitteln zur Einbringung von ionisierbaren Substanzen
in eine zu öffnende und zu schließende Ionenfalle
im Bereich des axialsymmetrischen fokussierten Elektronenstrahles,
- – 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
besteht, wobei
- – die Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung
des Elektronenstrahls aus wenigstens zwei gegenläufig radial
magnetisierten Ringstrukturen besteht und jede der Ringstrukturen
den Elektronenstrahl umfasst,
- – je zwei gegenläufig radial magnetisierte
Ringe zu einem einheitlichen Magnetsystem zusammengefasst sind,
wobei das sich schließende Magnetfeld den Aufenthaltsbereich
der Ionen in der Ionenfalle durchdringt,
- – die Katode eine sehr hohe Emissivität von
100 ≥ A/cm2 bei einem kleinen Kathodendurchmesser aufweist
und
- – ein Vakuum von 10–7 bis
10–11 mbar im Aufenthaltsbereich
der Ionen während des Betriebs der Elektronenstoßionenquelle
einstellbar ist.
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Mit
dieser Elektronenstoßionenquelle können niedriggeladene
bis hochgeladene Ionen zu einem Ionenstrahl erzeugt werden, der
durch das System aufeinander folgender Driftröhren unter
Ultrahochvakuumbedingungen beschleunigt wird und der durch Magnetfelder
von einem Permanentmagnetsystem fokussiert wird. Die Elektronenstoßionenquelle
erlaubt es, Ionenstrahlen mit Emittanzen in der Größenordnung
von 10 π mm mrad und besser zu extrahieren.
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Ein
Problem besteht darin, dass der extrahierte Ionenstrahl aus einem
Spektrum verschiedener Ionen, d. h. aus Projektilen verschiedener
Massen und Ladungszustände besteht, so dass die Strukturierung
von Festkörperflächen nur mit relativ geringem
Auflösungsvermögen durchgeführt werden kann.
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Eine
Bestrahlungseinrichtung ist in der Druckschrift
US 5,849,093 beschrieben, die zur
Säuberung und Glättung von Festkörperflächen
durch Ionen aus Plasmaionenquellen dient, wobei in der Bestrahlungseinrichtung
die Ionen durch klassische Ionenoptiken als Ionenstrahl, bestehend
aus unterschiedlichen, aus der Plasmaionenquelle extrahierten Ionen,
auf einen Festkörper geschossen werden oder die Ionen aus
der gleichen Quelle über einen Dipolmagneten ladungszustandsepariert
ebenfalls auf den Festkörper geführt werden.
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Ein
Problem besteht darin, dass durch die Verwendung eines Dipolmagneten
die verschiedenen Ionenspezien zwar getrennt werden können, aber
der Gesamtaufbau der Anlage sehr groß und unhandlich ist.
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Eine
Anlage zur Röntgenradiografie mit hochgeladenen Ionen ist
in der Druckschrift
US 6,115,452 beschrieben,
wobei in der Anlage ein Strahl hochgeladener Ionen durch eine Ausblendung mit
Hilfe eines Diaphragmas auf Strahldurchmesser von 1 bis 250 μm
oder größer ausgebildet wird und ein Target zur
Produktion von Röntgenstrahlung anregt.
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Ein
Problem besteht darin, dass durch die Ausblendung mithilfe eines
Diaphragmas auf die genannten Strahldurchmesser ein wesentlicher
Anteil der Strahlintensität verloren geht.
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Ein
Flugzeitemissionsmikroskop auf der Basis hochgeladener Ionen ist
in der Druckschrift
US 6,288,394
B1 beschrieben, in dem fokussierte hochgeladene Ionen als
Anregungsmedium verwendet werden. In dem Mikroskop erfolgt die Produktion
der hochgeladenen Ionen mit einer kryogenen EBIT. Einzelne Ionenladungszustände
werden über einen Dipolmagnet separiert. Zur Gewährleistung
einer hohen Auflösung oder Fokussierung der Apparatur wird u.
a. eine fokussierende Linse eingesetzt, die bis zu 40 kV Linsenpotenzial
erfordert.
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Ein
Problem besteht darin, dass durch die Verwendung eines Dipolmagneten
die verschiedenen Ionenspezien zwar getrennt werden können, aber
der Gesamtaufbau der Anlage sehr groß und unhandlich ist
sowie einen hohen Energieverbrauch aufweist.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur lagegenauen Positionierung einzelner
Ionen auf Substratflächen sind in der Druckschrift
DE 103 47 969 A1 beschrieben,
wobei die Vorrichtung ein Teil einer nach dem AFM-Verfahren arbeitenden
Abtastvorrichtung ist.
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Ein
Problem besteht darin, dass die Ionenausbeute für intensiven
Bestrahlungsdurchsatz ungeeignet ist, da ein Großteil der
Strahlintensität ausgeblendet wird.
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Weitere
Verfahren und Vorrichtungen zum Erhalt fokussierter Ionenstrahlen
(engl. focussed ion beam – FIB) sind z. B. in den Druckschriften Gianuzzi,
Steve: Introduction to Focussed Ion Beams, Springerverlag, 2005
und Orloff, Utlaut, Swanson: High Resolution Focussed Ion Beams,
Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2003, beschrieben, bei
denen vorrangig Flüssigmetallionenquellen eingesetzt werden,
die ausschließlich niedriggeladene Ionen von wenigen Elementen
produzieren.
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Ein
Problem besteht darin, dass durch das geringe Ionenstrahl- und Elementspektrum
und die ausschließliche Erzeugung von niedriggeladenen
Ionen das Einsatzspektrum eingeschränkt ist, da die anwendungsrelevanten
Parameter – Eindringtiefe und Sputterrate – bei
Beschuss von Festkörperflächen nur geringfügig
variiert werden können.
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Eine
Vorrichtung zum Reparieren von Halbleitermasken und Strichplatten
oder Zielmarken unter Verwendung von fokussierten Ionenstrahlen
ist in der Druckschrift
DE
3890362 T1 beschrieben, die umfasst
- – eine
Ionenquelle, die eine Mehrzahl von Ionenspezies enthält,
wobei eine erste dieser Mehrzahl von Ionenspezies kompatibel mit
dem Material ist, aus dem die Maske oder die Strichplatte oder Zielmarke
aufgebaut ist, und
- – eine zweite der Mehrzahl von Ionenspezies ein relativ
hohes Atomgewicht im Vergleich zur ersten Spezies aufweist,
- – eine Einrichtung zum Wählen eines Ionenstrahles,
der aus einer der ersten und zweiten Ionenspezies aufgebaut ist
und zum Richten eines fokussierten Ionenstrahles auf ein Ziel, das
eine zu reparierende Halbleitermaske oder eine Strichplatte oder
Zielmarke aufweist,
- – eine Einrichtung zum Fördern eines metallhaltigen
Dampfes zur Fläche oder Oberfläche des Zieles,
- – eine Einrichtung zum selektiven Bereitstellen einer
niedrigen Spannung oder einer hohen Spannung zwischen der Ionenquelle
und dem Ziel, und
- – eine Einrichtung zum Bilden eines Bildes des Zieles
durch die Einrichtung der sekundären Ionenemission.
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Ein
Problem besteht darin, dass es sich bei der oben angegeben Ionenquelle
auch um eine Flüssigmetallionenquelle handelt. Die Flüssigmetallionenquelle
verfügt nicht über ein breites Spektrum von Elementen
und Ladungszuständen, die für das Einstellen von
Eindringtiefe und Sputterrate bei entsprechenden Oberflächenbehandlungen
der Festkörper wichtig sind.
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur hochsensitiven Wasserstoffdetektion
mit langsamen hochgeladenen Ionen sind in der Druckschrift
US 5,528,034 beschrieben,
wobei die Vorrichtung aus einer EBIS-Ionenquelle, einem Massenfilter
mit davor und dahinter angeordneten Strahlblenden, einem Deflektor
und Linsen enthält, wobei die EBIS-Ionenquelle aus einer
Katode, einer Driftröhrensektion, einem Kollektor und einer
Ionenlinse auf einer gemeinsamen Achse sowie einem Magnetsystem
um die gemeinsame Achse besteht. Der zugehörige Massenfilter
ist als Wienfilter ausgebildet, bei dem Elektroden und Magnete derart
ausgerichtet angeordnet sind, dass das entstehende elektrische Feld
und das sich ausbildende magnetische Feld senkrecht zueinander und
zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahls gerichtet sind. Der in ein
vakuumbelastetes Gehäuse durch eine eingangsseitige Blende
hindurch einfallende Ionenstrahl wird durch die Felder abgelenkt
und separiert und ein Teil des Ionenstrahles verlässt das
Gehäuse durch eine ausgangsseitig angeordnete Blende zur
weiteren Fokussierung.
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Ein
Problem besteht darin, dass der oben beschriebene Aufbau eine kryogene
EBIS-Quelle enthält, die mit flüssigem Helium
betrieben wird und daher durch die sehr großen geometrischen
Abmaße ein großer Materialaufwand und hohe Unterhaltskosten
erforderlich sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Strukturierung
von Festkörperflächen mit Ionenstrahlen aus einem
Ionenstrahlspektrum anzugeben, die derart ausgebildet ist, dass sowohl
das Ionenstrahlspektrum an eingesetzten Elementen verbreitert als
auch eine Verbesserung der Bearbeitung von Festkörperflächen
erreicht wird.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst.
Die Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen
mit Ionenstrahlen aus einem Ionenstrahlspektrum, wobei das Ionenstrahlspektrum
aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen
Massen besteht, weist auf
eine Baugruppe zur Erzeugung des
Ionenstrahlspektrums mit Ionen verschiedener Ladungszustände
und Massen mit einer Katode, mit mehreren Driftröhrensektionen
und mit einen Kollektor und
eine Anordnung von Ionenextraktions-
und Fokussierungslinsen auf einer gemeinsamen Strahlachse sowie
ein
Permanentmagnetsystem um die gemeinsame Strahlachse,
wobei
das erzeugte Ionenstrahlspektrum in der Anordnung von Extraktions-
und Fokussierungslinsen extrahiert und von da aus auf ein nachfolgendes Wienfilter
fokussiert wird, das zur Ladungszustands- und Massenseparation eines
extrahierten und fokussierten Ionenstrahls dient,
mindestens
einen Deflektor, der den Ionenstrahl stigmatisiert, positioniert
und ablenkt, und
mindestens ein Objektiv, das den Ionenstrahl
auf eine sehr kleine Festkörperfläche feinfokussiert,
wobei
das Wienfilter aus einer Elektrodenanordnung mit mindestens zwei
Segmenten und mindestens einer zweipoligen Magnetanordnung aufgebaut
ist, wobei ein angelegtes elektrisches Feld E, das orthogonal zur
Bewegungsrichtung des Ionenstrahlspektrums angeordnet ist und ein
Magnetfeld B, welches orthogonal zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahlspektrums
und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist, vorgesehen
sind sowie eingangsseitig eine Kollimatorblende zum Passieren des
Ionenstrahlspektrums und ausgangsseitig eine Massentrennblende enthält,
mit der das Ionenstrahlspektrum in seine Ionenstrahlen entsprechend
Masse und Ladungszustand zerlegt wird,
wobei gemäß dem
Kennzeichenteil des Schutzanspruchs 1
im Wienfilter ein erster
Magnet innerhalb eines Eisenjochs fest angeordnet ist, der einen
zur Strahlachse gerichteten konvergent ausgebildeten Polschuh hat, und
ein dem ersten Magnet gegenüberliegender zweiter Magnet,
der mit einem am Eisenjoch beweglich ausgebildeten ersten Polschuhteil
randseitig gehaltert ist und mit einem fest angeordneten, zur Strahlachse
gerichteten konvergent ausgebildeten zweiten Polschuhteil versehen
ist, vorhanden ist,
wobei zwischen dem Polschuh und dem zweiten
Polschuhteil ein primärer Magnetpolspalt mit einem festen
Spaltabstand a für den Durchgang des Ionenstrahlspektrums
längs der Strahlachse vorhanden ist, wobei zwischen den
beiden Polschuhteilen ein sekundärer Magnetpolspalt mit
einer variablen Spaltbreite b vorhanden ist, wobei sich durch die
Bewegung des beweglichen Polschuhteils die Flussführung
des magnetischen Feldes B im sekundären Magnetpolspalt
und gleichzeitig übertragend im primären Magnetpolspalt
mit dem Spaltabstand a variierbar ist.
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Das
Wienfilter besitzt einen primären Magnetpolspalt mit einem
festen Spaltabstand a um die Strahlachse und einen sekundären
Magnetpolspalt mit einer variablen Spaltbreite b, womit in Abhängigkeit
von der eingestellten Spaltbreite b des sekundären Magnetpolspalts
die Magnetfeldstärke B im primären Magnetpolspalt
variierbar ist.
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Die
Spaltbreite b des sekundären Magnetpolspalts kann durch
Ein- und Ausfahren des beweglichen Polschuhs, an dem der Magnet
befestigt ist, am Eisenjoch eingestellt werden.
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Das
Wienfilter hat ein angelegtes elektrisches Feld E, das orthogonal
zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahlspektrums angeordnet ist, und ein
Magnetfeld B auf, das orthogonal zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahlspektrums
und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist.
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Die
Form und die Größe der Linsen- und Blendenelemente
kann variabel sein.
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Es
ist eine Anordnung zur Fokussierung des Ionenstrahlspektrums vorhanden,
die enthält die Katode, die Driftröhrensegmente
und der Kollektor, die auf der Strahlachse liegen und als Elektronenstoßionenquelle
dienen, wobei dem Kollektor entlang der Strahlachse die Anordnung
mit Ionenextraktions- und Fokussierungslinsen in der Reihenfolge
nachfolgen, die enthält
- a) ein erstes
zylindrisches Linsensegment mit über seine axiale Ausdehnung
variierenden oder konstantem Innendurchmesser,
- b) ein zweites zylindrisches Linsensegment mit über
seine axiale Ausdehnung konstantem Innendurchmesser,.
- c) ein drittes zylindrisches Linsensegment mit über
seine axiale Ausdehnung konstantem Innendurchmesser und
- d) ein viertes zylindrisches Linsensegment mit über
seine axiale Ausdehnung konstantem Innendurchmesser,
wobei
an das zylindrische Linsensegment sich die Kollimatorblende anschließt,
die auf der Strahlachse eine Apertur mit variablem Durchmesser besitzt.
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Die
hinter dem Wienfilter angeordnete Blende auf der Strahlachse kann
eine Apertur mit variablem Durchmesser besitzen und in Verbindung
mit dem Wienfilter als Massentrennblende funktionieren.
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Die
Vorrichtung stellt eine kompakte Baugruppe dar, die die Möglichkeiten
einer Vorrichtung zur Fokussierung und zur Ladungszustand- und Massenseparation
von Ionenstrahlen mit den Vorteilen einer EBIT als Quelle von Ionen
unterschiedlicher chemischer Elemente in einem weiten Bereich von Ladungszuständen
miteinander vereint.
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Die
Strahlblende weist zwei Funktionen auf, wobei sie zum einen der
weiteren Kollimierung des Ionenstrahls dient und des Weiteren durch
sie in Kombination mit dem Wienfilter die Selektion eines einzelnen
Ionenstrahles durch eine Ausblendung der restlichen Ionenstrahlen
erfolgt.
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Die
nachfolgende Deflektoranordnung kann aus mindestens zwei hintereinander
angeordneten elektrostatischen Deflektoren bestehen, wobei die Deflektoren
aus mindestens vier zylindrisch angeordneten Segmenten bestehen
oder vorzugsweise acht zylindrisch angeordnete Segmente besitzen.
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Das
nachfolgend angebrachte Objektiv kann folgenden Aufbau aufweisen:
- – ein erstes Linsensegment mit konstantem
Innendurchmesser,
- – ein zweites Linsensegment mit über seine
axiale Ausdehnung variierendem oder konstantem Innendurchmesser,
- – ein drittes Linsensegment mit über seine
axiale Ausdehnung variierendem oder konstantem Innendurchmesser.
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Die
Vorrichtung kann in einem Druckbereich von 10–7 bis
10–11 mbar arbeiten, wobei Ionen
aller im Periodensystem vorhandenen Elemente mit niedrigen bis hohen
Ladungszuständen erzeugt, fokussiert und massensepariert
zur Strukturierung einsetzbar sind.
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Im
Gegensatz zu den im Stand der Technik angegebenen Vorrichtungen
zur Erzeugung von Ionenstrahlen wird mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung neben der Eigenschaft, einen selektierten fokussierten
Ionenstrahl zu erzeugen, der Umstand genutzt, dass jedes Ion in
Abhängigkeit von seinem Ladungszustand, der niedrig aber
auch sehr hoch in der Baugruppe zur Erzeugung eines Ionenstrahlspektrums
eingestellt werden kann, eine ladungszustandsabhängige
Potenzialenergie im Ionenstrahl gespeichert hat, die bei der Wechselwirkung
mit zu bearbeitenden Festkörperflächen abgegeben
wird.
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Dabei
entstehen in nanoskopisch kleinen Wechselwirkungsbereichen Leistungsdichten
von 1012...1014 Wcm–2 für jeden Ioneneinzeltreffer.
Außerdem können der Ladungszustand sowie die Masse des
Projektils über einen weiten Bereich variiert werden und
somit auch die linear abhängige kinetische Energie der
Projektile. Diese Eigenschaften können in den herkömmlichen
Vorrichtungen nicht genutzt werden, erweitern aber das Spektrum
der Einflussnahme auf Prozesse wie Implantation und Nanostrukturieren,
die präzise Oberflächenrekonstruktion, im Device
Prototyping, bei der Einzelionenimplantation, in der Analytik für
die Metrologie im Nanometerbereich, aber auch für neue
Zugänge in der Materialforschung wesentlich.
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Die
Erfindung erlaubt es, mit unterschiedlichen Strömen hochgeladener
Ionen oder auch im Einzelionenbestrahlungsregime zu arbeiten.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung steht eine sehr
kompakte Quelle beliebig geladener Ionen einschließlich
Ionenselektion und Fokussierung zur Verfügung, die ohne
größere Standzeiten von einem Element auf ein
anderes umgerüstet werden kann und für deren Betrieb
nahezu alle Elemente des Periodensystems mit nahezu allen Ladungszuständen
zur Verfügung stehen. Das betrifft u. a. auch Edelgasionen
wie Helium, Neon, Argon oder Xenon, die damit im Gegensatz zu dem
Betrieb mit Flüssigmetallionenquellen als fokussierte Ionenstrahlen
zur Verfügung stehen.
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Die
Erfindung ermöglicht es, dass mit der Selektion einzelner
Ionenladungszustände Projektile mit unterschiedlichen Beträgen
an gespeicherten Potentialenergien und kinetischen Energien für
den Betrieb der Vorrichtung zur Verfügung stehen.
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In
die Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen
mit Ionenstrahlen aus einem Ionenstrahlspektrum sind die Fokussierung
von Ionenstrahlen nach Erzeugung, Fokussierung und Separation der
Ionenstrahlen eingeschlossen. Die Vorrichtung erlaubt im Wesentlichen
die Erzeugung von ladungs- oder massenseparierten Strahlen von Ionen mit
annähernd beliebigen Ladungszustand und beliebiger Masse.
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Weiterbildungen
und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels
mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es
zeigen:
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1 einen
prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen
mit Ionenstrahlen aus einem Ionenstrahlspektrum,
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2 eine
schematische Darstellung des Aufbaus der magnetischen Flussführung
eines Wienfilters mit variabler Sekundärspaltbreite,
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3 eine
schematische Darstellung des Wienfilters in einem Längsschnitt
zur Funktionsweise,
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4 ein
Diagramm mit der in Eisenionen und Bleiionen gespeicherten Potenzialenergien
als Funktion des Ionenladungszustandes q und
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5 eine
Tabelle mit dem Spektrum möglicher Ionenladungszustände
in der Vorrichtung, dargestellt anhand ausgewählter chemischer
Elemente.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung 20 zur Strukturierung
einer Festkörperfläche 18 mit einem Ionenstrahl 141 aus
einem Ionenstrahlspektrum 14, wobei das Ionenstrahlspektrum 14 aus
Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen
Massen besteht, weist eine Baugruppe 21 zur Erzeugung des
Ionenstrahlspektrums 14 mit Ionen verschiedener Ladungszustände
und Massen mit einer Katode 1, mit drei Driftröhrensektionen 21, 22, 23,
mit einem Kollektor 4 sowie eine Anordnung 5 von
Ionenextraktions- und Fokussierungslinsen auf einer gemeinsamen
Strahlachse 15 und ein Permanentmagnetsystem 3 um
die gemeinsame Strahlachse 15 auf, wobei das erzeugte Ionenstrahlspektrum 14 in
der Anordnung 5 von Extraktions- und Fokussierungslinsen
extrahiert und von da aus auf ein nachfolgendes Wienfilter 7 fokussiert
wird, das zur Ladungszustands- und Massenseparation eines extrahierten
und fokussierten Ionenstrahls 141 dient,
mindestens
einen Deflektor 9, 10, der den Ionenstrahl 141 stigmatisiert,
positioniert und ablenkt, und
mindestens ein Objektiv 11,
das den Ionenstrahl 141 auf eine sehr kleine Festkörperfläche 18 im
Fokus 19 feinfokussiert,
wobei das Wienfilter 7 aus
einer Elektrodenanordnung 70 mit zwei Segmenten 71, 72 und
einer zweipoligen Magnetanordnung 30, 31 aufgebaut
ist, wobei ein angelegtes elektrisches Feld E, das orthogonal zur
Bewegungsrichtung 73 des Ionenstrahlspektrums 14 angeordnet
ist und ein Magnetfeld B, welches orthogonal zur Bewegungsrichtung 73 des
Ionenstrahlspektrums 14 und orthogonal zum elektrischen
Feld E ausgerichtet ist, vorgesehen sind sowie eingangsseitig eine
Kollimatorblende 6 zum Passieren des Ionenstrahlspektrums 14 und
ausgangsseitig eine Massentrennblende 8 enthält,
mit der das Ionenstrahlspektrum 14 in seine Ionenstrahlen 141, 142, 143 entsprechend
Masse und Ladungszustand zerlegt wird.
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Erfindungsgemäß sind
im Wienfilter 7, wie in 2 gezeigt
ist, ein erster Permanentmagnet 30 innerhalb eines Eisenjochs 35 fest
angeordnet, der einen zur Strahlachse 15 gerichteten konvergent
ausgebildeten Polschuh 37 hat, und ein dem ersten Permanentmagneten
gegenüberliegender zweiter Permanentmagnet 31,
der mit einem am Eisenjoch 35 beweglich ausgebildeten ersten
Polschuhteil 34 randseitig gehaltert ist und mit einem
fest angeordneten, zur Strahlachse 15 gerichteten konvergent
ausgebildeten zweiten Polschuhteil 36 versehen ist, wobei
zwischen dem Polschuh 37 und dem zweiten Polschuhteil 36 ein
primärer Magnetpolspalt 32 mit einem festen Spaltabstand
a für den Durchgang des Ionenstrahlspektrums 14 längs
der Strahlachse 15 vorhanden ist, wobei zwischen den beiden
Polschuhteilen 34, 36 ein sekundärer
Magnetpolspalt 33 mit einer variablen Spaltbreite b vorhanden
ist, wobei sich durch die Bewegung des beweglichen Polschuhteils 34 die
Flussführung des magnetischen Feldes B im sekundären
Magnetpolspalt 33 und gleichzeitig übertragend
im primären Magnetpolspalt 32 mit dem Spaltabstand
a variierbar ist.
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Damit
besitzt das Wienfilter 7 einen primären Magnetpolspalt 32 mit
einem festen Spaltabstand a um die Strahlachse 15 und einen
sekundären Magnetpolspalt mit einer variablen Spaltbreite
b, womit in Abhängigkeit von der eingestellten Spaltbreite
b des sekundären Magnetpolspalts 33 die Magnetfeldstärke
B im primären Magnetpolspalt 32 variiert werden kann.
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In 2 wird
das magnetische Feld B durch die zwei Permanentmagnete 30 und 31 realisiert.
Dabei wird die magnetische Feldstärke B im primären Magnetpolspalt 32 mit
dem Spaltabstand a, den das Ionenstrahlspektrum 14 passiert,
durch die variable Spaltbreite b des sekundären Magnetpolspalts 33 eingestellt.
Die Spaltbreite b des sekundären Magnetpolspalts 33 kann
durch Ein- und Ausfahren des beweglichen Polschuhs 34,
an dem der Magnet 30 befestigt ist, am Eisenjoch 35 eingestellt
werden. Die geschlossene magnetische Flussführung wird
durch ein Eisenjoch 35 und zwei fixierte Polschuhe 36, 37 realisiert.
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Das
elektrische Feld E wird in der herkömmlichen Weise durch
Anlegen eines variablen elektrischen Potenzials an die Elektrodenanordnung 71, 72 in 3 erzeugt
und kann durch Änderung des elektrischen Potenzials verändert
werden.
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Dabei
weist das Wienfilter 7 ein angelegtes elektrisches Feld
E, das orthogonal zur Bewegungsrichtung 73 des Ionenstrahlspektrums 14 angeordnet ist,
und ein Magnetfeld B auf, das orthogonal zur Bewegungsrichtung 73 des
Ionenstrahlspektrums 14 und orthogonal zum elektrischen
Feld E ausgerichtet ist. Tritt das Ionenstrahlspektrum 14 in
das Wienfilter 7 ein, wird das Ionenstrahlspektrum 14 durch
das Kräfteverhältnis von Lorentzkraft und elektrischer Kraft
ausgelenkt. Dabei passieren die Ionen 141, die die Wienbedingung
v = E/B erfüllen, wobei v die Geschwindigkeit des Ions,
E das elektrische Feld und B das magnetische Feld sind, das Wienfilter 7 geradlinig
entlang der Sollbahn 15. Bei der Wienbedingung besteht
Kräftegleichgewicht zwischen Lorentzkraft und elektrischer
Kraft. Die Geschwindigkeit v bestimmt sich aus dem Quellenstartpotenzial
U, der Masse m und dem Ladungszustand q der Ionen 141, 142, 143 gemäß v
= ((q × U)/(2 × m))0,5.
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In 3 ist
dies für die Ladungszustände von Argonionen 141, 142, 143 gezeigt.
Argon 16+ des Ionenstrahls 141 erfüllt die Wienbedingung,
d. h. die resultierenden Kräfte durch das magnetische Feld
und durch das elektrische Feld heben sich gerade auf. Für
den benachbarten Ladungszustand Argon 17+ des Ionenstrahls 143 ist
die Lorentzkraft FL = q × v × B
infolge des magnetischen Feldes B größer als die
elektrische Kraft FE = q × E und
der Ionenstrahl 143 wird von der Sollbahn 15 abgelenkt.
Für den Ladungszustand Argon 15+ des Ionenstrahls 142 ist
die elektrische Kraft FE größer
als die Lorentzkraft FL und es wird ebenfalls
von der Sollbahn 15 abgelenkt. Dadurch enden die Trajektorien
der Ionenstrahlen 142, 143 an der Separationsblende 8,
wohingegen der Ladungszustand Argon 16+ des Ionenstrahls 141,
der die Wienbedingung erfüllt, die Blende 8 geradlinig
durch die zugehörige Öffnung passiert. Somit kann
durch Einstellung des elektrischen Feldes E, aber auch durch Einstellen
des magnetischen Feldes B die Wienbedingung für den ausgewählten Ionenstrahl 141 mit
dem vorgegebenen Ladungszustand oder für die vorgegebene
Masse angepasst werden.
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Die
Form und die Größe der Linsen- und Blendenelemente
können variabel sein.
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Die
einzelnen Komponenten der Anordnung 12 zur Fokussierung
des Ionenstrahlspektrums 14 sind wie folgt angeordnet:
Die
Katode 1, die Driftröhrensegmente 21, 22, 23 und der
Kollektor 4 liegen auf der gemeinsamen Strahlachse 15 und
dienen als Elektronenstoßionenquelle.
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Dem
Kollektor 4 folgen entlang der gemeinsamen Strahlachse 15 die
Anordnung 5 mit Ionenextraktions- und Fokussierungslinsen
in der Reihenfolge
- a) ein erstes zylindrisches
Linsensegment 51 mit über seine axiale Ausdehnung
variierenden oder konstantem Innendurchmesser,
- b) ein zweites zylindrisches Linsensegment 52 mit über
seine axiale Ausdehnung konstantem Innendurchmesser,
- c) ein drittes zylindrisches Linsensegment 53 mit über
seine axiale Ausdehnung konstantem Innendurchmesser,
- d) ein viertes zylindrisches Linsensegment 54 mit über
seine axiale Ausdehnung konstantem Innendurchmesser.
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An
das zylindrische Linsensegment 54 schließt sich
eine Kollimatorblende 6 an, die auf der Strahlachse 15 eine
Apertur mit variablem Durchmesser besitzt.
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Der
Kollimatorblende 6 folgt das Wienfilter 7, dessen
Magnetpole aus Permanentmagneten oder Elektromagneten bestehen können.
-
Dem
Wienfilter 7 folgt die Blende 8, die auf der Strahlachse 15 eine
Apertur mit variablem Durchmesser besitzt und in Verbindung mit
dem Wienfilter 7 als Massentrennblende funktioniert.
-
In 4 sind
die in Eisenionen und Bleiionen gespeicherten Potenzialenergien
als Funktion des Ionenladungszustandes q angegeben. Somit kann sehr
selektiv auf den kinetischen wie auch den potentiellen Energiebetrag
der den Ionenstrahl 141 formierenden Projektile Einfluss
genommen werden und damit auch auf die Parameter – Eindringtiefe
und Sputterrate – in der zu bestrahlenden Festkörperfläche 18.
Spezifische Anwendungen erlauben somit Prozesse wie Oberflächenstrukturierungen,
Oberflächenreinigen und ionenstrahlgestütztes
Schreiben in Mikro- und Nanodimensionen.
-
In 5 ist
das mögliche Ionenstrahlspektrum 14 an Ladungszuständen
für erfindungsgemäß fokussierte und selektierte
Ionenstrahlen 141 in einer Tabelle für ausgewählte
Elemente dargestellt.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung 20 wird im Folgenden erläutert:
Nach
der herkömmlichen Formierung des erzeugten Ionenstrahlspektrums 14 werden
die Ionen bei der Extraktion aus den Driftröhrensektionen 21, 22, 23 von
der Elektronenkomponente des formierten Ionenstrahlspektrums 14 in
einem Elektronenkollektor 4 getrennt und durch die Anordnung 5 mit
den Extraktions- und Fokussierungslinse extrahiert und fokussiert.
Anschließend wird das Ionenstrahlspektrum 14 durch
die Blenden 6, 8 kollimiert oder parallel ausgeblendet,
durch das Wienfilter 7 in seine Komponenten – die
Ionenstrahlen 141, 142, 143 – ladungszustands- und
massensepariert zerlegt.
-
Damit
entsteht eine kompakte Baugruppe, die die Möglichkeiten
einer Vorrichtung zur Fokussierung und zur Ladungszustand- und Massenseparation
von Ionenstrahlen mit den Vorteilen einer EBIT als Quelle von Ionen
unterschiedlicher chemischer Elemente in einem weiten Bereich von
Ladungszuständen miteinander vereint.
-
Die
Strahlblende 8 weist zwei Funktionen auf. Zum einen dient
sie der weiteren Kollimierung des Ionenstrahls 141. Des
Weiteren erfolgt durch sie in Kombination mit dem Wienfilter 7 die
Selektion des einzelnen Ionenstrahls 141 durch eine Ausblendung der
restlichen Komponenten 142, 143.
-
Die
nachfolgende Deflektoranordnung besteht aus zwei hintereinander
angeordneten elektrostatischen Deflektoren 9 und 10.
Die Deflektoren 9 und 10 bestehen aus mindestens
vier zylindrisch angeordneten Segmenten, besitzen vorteilhaft acht
zylindrisch angeordnete Segmente.
-
Das
nachfolgend angebrachte Objektiv 11 weist folgenden Aufbau
auf:
- – ein erstes Linsensegment 111 mit
konstantem Innendurchmesser,
- – ein zweites Linsensegment 112 mit über
seine axiale Ausdehnung variierendem oder konstantem Innendurchmesser,
- – ein drittes Linsensegment 113 mit über
seine axiale Ausdehnung variierendem oder konstantem Innendurchmesser.
-
Die
Vorrichtung 20 arbeitet in einem Druckbereich von 10–7 bis 10–11 mbar.
Es können prinzipiell Ionen aller im Periodensystem vorhandenen
Elemente mit niedrigen bis hohen Ladungszuständen erzeugt,
fokussiert und massensepariert werden.
-
- 1
- Katode
- 2
- Driftröhre
- 21
- Driftröhrensektion
- 22
- Driftröhrensektion
- 23
- Driftröhrensektion
- 3
- Permanentmagnetringe
- 4
- Kollektor
- 5
- Anordnung
von Ionenextraktions- und Fokussierungslinsen
- 51
- erstes
Linsensegment
- 52
- zweites
Linsensegment
- 53
- drittes
Linsensegment
- 54
- viertes
Linsensegment
- 6
- Kollimatorblende
- 7
- Wienfilter
- 70
- Elektrodenanordnung
- 71
- erste
Elektrode
- 72
- zweite
Elektrode
- 73
- Bewegungsrichtung
- 8
- Massentrennblende
- 9
- erster
Deflektor
- 10
- zweiter
Deflektor
- 11
- Objektiv
- 111
- erstes
Linsenobjektiv
- 112
- zweites
Linsenobjektiv
- 113
- drittes
Linsenobjektiv
- 14
- Ionenstrahlspektrum
- 141
- Ionenstrahl
- 142
- Ionenstrahl
- 143
- Ionenstrahl
- 15
- Strahlachse
- 18
- Festkörperfläche
- 19
- Fokus
- 20
- erfindungsgemäße
Vorrichtung
- 21
- Baugruppe
zur Erzeugung des Ionenstrahlspektrums
- 30
- erster
Permanentmagnet
- 31
- zweiter
Permanentmagnet
- 32
- primärer
Magnetpolspalt
- 33
- sekundärer
Magnetpolspalt
- 34
- beweglicher
Polschuhteil
- 35
- Eisenjoch
- 36
- fester
Polschuhteil
- 37
- fester
Polschuhteil
- a
- Spaltabstand
- b
- Spaltbreite
- q
- Ionenladungszustand
- v
- Geschwindigkeit
- E
- elektrische
Kraft
- B
- magnetische
Kraft
- F
- Lorentzkraft
- U
- Quellenstartpotenzial
- M
- Masse
- FIB
- (engl.)
Focussed Ion Beam
- AFM
- (engl.)
Atomic Force Microscope
- EBIT
- (engl.)
Electron Beam Ion Trap
- EBIS
- (engl.)
Electron Beam Ion Source
- table-top
- Tisch-Größe
(bezugnehmend auf die geometrischen Dimensionen)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19949978
A1 [0003]
- - US 5849093 [0006]
- - US 6115452 [0008]
- - US 6288394 B1 [0010]
- - DE 10347969 A1 [0012]
- - DE 3890362 T1 [0016]
- - US 5528034 [0018]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Gianuzzi,
Steve: Introduction to Focussed Ion Beams, Springerverlag, 2005
und Orloff, Utlaut, Swanson: High Resolution Focussed Ion Beams, Kluwer
Academic/Plenum Publishers, 2003 [0014]