DE4312028A1 - Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Kobalt-Ionenstrahlen - Google Patents
Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Kobalt-IonenstrahlenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Kobaltionenstrahlen,
insbesondere das den Emitter benetzende Quellenmaterial einer derartigen Ionenquelle.
Flüssigmetall-Ionenquellen sind spezielle Ionenquellen, die gegenüber anderen Typen von
Ionenquellen einen sehr hohen Richtstrahlwert besitzen, und die auf Grund dieser Eigenschaft
in Ionenmikrostrahlanlagen Verwendung finden. Diese Anlagen ermöglichen es, Ionenstrahlen
auf weniger als einem Mikrometer Durchmesser zu fokussieren, und sie erlangen zunehmende
Bedeutung für die Ionenstrahlbelichtung, Ionenstrahlfräsen, Mikrodotierung und Oberflächen
analyse im Submikrometerbereich.
Die bekannten Veröffentlichungen zu Flüssigmetall-Ionenquellen und deren Quellenmaterial
beziehen sich zumeist auf die Erzeugung von Ionensorten, welche als Dotanten für Halbleiterbau
elemente auf Silizium- oder GaAs-Basis benötigt werden. Von zunehmendem Interesse in
Silizium-Halbleiterbauelementen ist die Anwendung von Kobaltsilizid-Leitbahnen, die durch
Ionenimplantation von Kobalt hergestellt werden. Bislang sind keine Veröffentlichungen über die
Emission von Kobaltionen aus einer Flüssigmetall-Ionenquelle bekannt geworden.
Flüssigmetall-Ionenquellen sind in P.D. Prewett and G.L.R. Mair, Focused Ion Beams from
Liquid Metal Ion Sources, Research Studies Press Ltd. 1991 ausführlich beschrieben. In ihnen
dient eine aus Wolfram, Tantal, Kohlenstoff oder anderem geeigneten Material hergestellte feine
Spitze als Emitter, der mit dem Quellenmaterial benetzt ist. Um den Emitter benetzten zu können
und während des Betriebs der Ionenquelle muß das Quellenmaterial flüssig sein. Dazu wird eine
elektrische Widerstandsheizung oder eine Elektronenstrahlheizung verwendet. Zwischen einer
Gegenelektrode und der Emitterspitze wird eine elektrische Spannung angelegt. Die hohe
elektrische Feldstärke an der Emitterspitze führt dazu, daß sich an dieser eine noch feinere
Spitze aus dem flüssigen Quellenmaterial bildet und aus dieser Ionen emittiert werden. Auf diese
Weise ist es möglich, einen auf lange Zeit stabilen Ionenstrahl der Elemente des Quellenmateri
als zu erzeugen. Das Quellenmaterial muß dazu spezielle physikalische und chemische
Eigenschaften besitzen. Von besonderer Wichtigkeit ist, daß sich das Quellenmaterial metallisch
verhält, einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt, sein Dampfdruck hoch ist, den Emitter gut benetzt
und mit dem Emittermaterial chemisch verträglich ist. Daher sind nur wenige Elemente, z. B.
Indium, Gallium und Gold als Quellenmaterial geeignet. Ein wirkungsvolles Verfahren um diese
Schwierigkeit zu überwinden und Ionen anderer Elemente erzeugen zu können, besteht in der
Verwendung geeigneter Legierungen als Quellenmaterial. Es entsteht dann ein Ionenstrom aus
allen in der Legierung enthaltenen Elementen. Mittels einer nachfolgenden Massenseparation
kann die gewünschte Ionensorte abgetrennt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigmetall-Ionenquelle zu schaffen, die durch
Ausstattung mit einem neuen Kobalt-Quellenmaterial, insbesondere einer Legierung mit aus
reichend hohem Anteil des Elements Kobalt einen insgesamt langzeitig stabilen Betrieb mit
ausreichend hoher Emission des Elements Kobalt gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit Flüssigmetall-Ionenquellen gelöst, deren Emitter mit den
in den Patentansprüchen definierten Legierungen als Quellenmaterial benetzt ist. Mit derart
ausgestatteten Flüssigmetall-Ionenquellen ist es möglich, langzeitig einen stabilen Ionenstrom,
der im ausreichendem Maße aus Kobaltionen besteht, zu erhalten.
Die Bestandteile der Legierung im Zusammenspiel mit dem niedrigen Schmelzpunkt führen dazu,
daß keine chemischen Reaktionen mit dem Emitter- und Heizermaterial auftreten. Die
Verwendung von Seltenerdelementen in der Legierung ist vorteilhaft, da dadurch die Legierung
im Temperaturbereich des Schmelzpunktes einen niedrigen Dampfdruck besitzt. Somit wird nur
ein geringer Anteil des Quellenmaterials verdampft. Beide genannten Sachverhalte garantieren
eine lange Lebensdauer der Flüssigmetall-Ionenquelle.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in den günstigen physikalischen
Eigenschaften der Legierung in der flüssigen Phase. Die Legierung benetzt die Emitternadel
leicht und vollständig, es erfolgt ein ausreichender Nachfluß von Quellenmaterial aus dem
Reservoir zur Emitterspitze, und ein Tropfen der Legierung, welcher als Reservoir dienen kann,
haftet gut und stabil am Heizer und Emitter.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die als Quellenmaterial einzusetzende Legierung aus Kobalt und dem jeweils gewählten
Seltenerdelement wird durch Elektronenstrahlschmelzen des metallischen Kobalt und des
elementaren Seltenerdmetalls in den angegebenen Verhältnissen hergestellt. Die Benetzung des
Emitters mit dem Quellenmaterial erfolgt dann im Vakuum z. B. durch Aufschmelzen des
Quellenmaterials in einem direktbeheizten Tantaltiegel durch Eintauchen des gehalterten,
vorgeheizten Emitters in die Schmelze.
Für das erste Beispiel wird eine Legierung aus 36 Atomprozent Kobalt und 64 Atomprozent
Neodym verwendet, die einen Schmelzpunkt von 566°C besitzt. Demgegenüber liegt der
Schmelzpunkt für elementares Kobalt bei 1495°C. Der Anteil von 36 Atomprozenten Kobalt
in der Legierung entspricht dem eutektischen Punkt. Eine Verringerung oder Erhöhung des
Kobaltanteils führt daher zu einer Erhöhung der Schmelztemperatur, die nachteilig für den
Betrieb der Flüssigmetall-Ionenquelle ist.
Wird die Quelle bei einer Temperatur von etwa 600°C betrieben, läßt sich die Emission eines
stabilen Ionenstrahls im Strombereich von 2 bis 20 µA mit einer Stromstabilität von 1 bis 5%
erzielen.
Die als zweites Beispiel aufgeführte Legierung aus 31 Atomprozent Kobalt und 69 Atomprozent
Lanthan besitzt einen Schmelzpunkt von 500°C, die beispielhafte Legierung aus 34 Atomprozent
Kobalt und 66 Atomprozent Praseodym besitzt einen Schmelzpunkt von 541°C. Die
Bemerkungen zur Legierung Co₃₆Ne₆₄ treffen auch für diese Beispiele vollinhaltlich zu.
Es ist je nach Einsatzzweck des erzeugten Ionenstrahles auch möglich neben den genannten
dualen Legierungen solche aus mehreren Einzelelementen zu verwenden um spezifische Vorteile
zu erzielen.
Claims (5)
1. Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Kobalt-Ionenstrahlen, gekennzeichnet durch die
Zusammensetzung des den Emitter benetzenden Quellenmaterials als Legierung aus Kobalt und
einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe der Seltenen Erden.
2. Quellenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungselemente neben
dem Kobalt die Seltenerden Neodym, Lanthan oder Praseodym eingesetzt werden.
3. Quellenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 36
Atomprozent Kobalt und 64 Atomprozent Neodym besteht.
4. Quellenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 31
Atomprozent Kobalt und 69 Atomprozent Lanthan besteht.
5. Quellenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 34
Atomprozent Kobalt und 66 Atomprozent Praseodym besteht.
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1994
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DE59400534D1 (de) | 1996-10-02 |
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