DE60211672T2

DE60211672T2 - Ionenstrahlerzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60211672T2
Application number: DE60211672T
Authority: DE
Inventors: Jacques Gierak; Yvon Lagadec; Albert Septier
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: EP1699067A3; ATE327570T1; US6864495B2; WO2002078036A2; EP1374270A2; EP1699067B1; ES2313542T3; FR2823005A1; ATE406665T1; CA2442189A1; CA2442189C; DE60228637D1; EP1699067A2; FR2823005B1; DE60211672D1; ES2265496T3; WO2002078036A3; EP1374270B1; US20040094725A1; JP2004527078A

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ionenstrahls.
Diese Erfindung findet auch Anwendung bei der Herstellung von Strukturen sehr kleiner Größe unter 50 nm, und insbesondere bei der Herstellung von Nanostrukturen mit Größen in der Größenordnung von 10 nm oder weniger.
Die Erfindung findet auf verschiedenen Gebieten Anwendung, wie z.B. der Elektronik (insbesondere was die Vorrichtungen – beispielsweise Transistoren – mit einem einzelnen Elektron betrifft), die Datenspeicherung mit ultrahoher Dichte (die Nanostrukturen einsetzt, die auf magnetischen Materialien ausgebildet sind) sowie die Halbleitervorrichtungen mit ultrahoher Geschwindigkeit (die Nanostrukturen einsetzen, welche auf Halbleitermaterialien ausgebildet sind).
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine punktuelle Ionenquelle einsetzt, d.h., eine Ionenquelle mit einer punktuellen und sehr leuchtkräftigen Emissionszone.
Außerdem ist diese punktuelle Ionenquelle vorzugsweise ein LMIS, d.h. eine Flüssigmetall-Ionenquelle (in Englisch "Liquid Metal Ion Source").
Stand der Technik
Eine Flüssigmetall-Ionenquelle ist durch das folgende Dokument, auf das Bezug genommen wird, bekannt:

[1] Internationale Patentanmeldung PCT/FR 95/00903, internationale Veröffentlichungsnummer WO 96/02065, Erfindung von Jacques Gierak und Gérard Ben Assayag, entsprechend dem amerikanischen Patent US-A-5936251.

Die in diesem Dokument [1] beschriebene Quelle ist ein Beispiel einer bei der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Quelle.
Eine Ionenstrahl-Erzeugungsvorrichtung mit einer Flüssigmetall-Ionenquelle sowie einem elektrostatischen asymmetrischen Linsensystem mit drei Elementen ist durch das folgende Dokument bekannt:

[2] US-A-4426581, Erfindung von J.H. Orloff und L.W. Swanson.

Die durch das Dokument [2] bekannte Vorrichtung weist einen Nachteil auf: sie ermöglicht keine Trennung der Ionen-Extraktionsfunktion von der Ionen-Beschleunigungsfunktion.
Außerdem sind Ionenstrahl-Erzeugungsvorrichtungen bekannt, bei denen eine Ionenquelle, eine Membran und elektrostatische Fokussierungslinsen aufgrund geeigneter Verschiebungen der Ionenquelle und der Membran ausgerichtet werden.
Diese bekannten Vorrichtungen, die als FIB bezeichnet werden und fokalisierte Ionenstrahlen erzeugen (in englisch "focused ion beams"), gestatten keine Herstellung von Nanostrukturen guter Qualität mit Größen unter 50 nm.
Außerdem ist eine Regelungsvorrichtung der Form eines fokalisierten Ionenstrahls durch das folgende Dokument bekannt:

[3] US-A-4704526, Erfindung von H. Kyogoku und T. Kaito (Senko Instruments and Electronics, Ltd.).

Die durch dieses Dokument [3] bekannte Regelungstechnik ist nur eine Übertragung der klassischen Regelungstechnik, die bei der elektronischen Mikroskopie mit Abtastung oder bei der Lithographie durch Elektronenstrahlen benutzt wird.
Eine solche Technik ist auf dem Gebiet der Nanometrie nicht einsetzbar.
Außerdem erfordert diese bekannte Technik die vorherige Herstellung von kostspieligen und zerbrechlichen Eichungsmarken, die nicht wiederverwendbar sind.
Abriss der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen.
Im Gegensatz zu der aus dem Dokument [2] bekannten Vorrichtung gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Trennung der Ionen-Extraktionsfunktion von der Ionen-Beschleunigungsfunktion.
Außerdem wendet die Erfindung eine Technik zur Ausrichtung einer Membran und von elektrostatischen Linsen in einer mechanisch perfekten optischen Achse an, eine Technik, die zu weit besseren Leistungen führt wie die, welche die oben erwähnten FIB-Vorrichtungen ermöglichen: die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung von Nanostrukturen guter Qualität mit Größen unter 50 nm.
Genauer gesagt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ionenstrahls, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Ionenquelle, ein Mittel zum Extrahieren der von der Quelle emittierten Ionen, ein Mittel zum Beschleunigen der so extrahierten Ionen, ein Mittel zur Auswahl der so beschleunigten Ionen und ein elektrostatisches optisches System, das zum Fokussieren der auf diese Weise ausgewählten Ionen entlang einer ersten Achse bestimmt ist, umfasst, wobei die Vorrichtung außerdem ein Mittel zur Variation des Abstands zwischen der Ionenquelle und dem Ionen-Extraktionsmittel aufweist, wobei dieser Abstand entlang einer zweiten Achse gezählt wird, die parallel zu der ersten Achse ist und die Achse des von der Quelle emittierten Ionenstrahls ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ionenquelle eine punktuelle Ionenquelle.
Vorzugsweise ist diese punktuelle Ionenquelle eine Flüssigmetall-Ionenquelle.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Ionen-Extraktionsmittel und das Ionen-Beschleunigungsmittel voneinander unabhängig und werden getrennt voneinander durch Anlegen jeweiliger variabler Potentiale gesteuert.
Vorzugsweise umfasst das Ionen-Auswahlmittel ein Mittel zur Auswahl einer Membran unter mehreren Membranen sowie zur Anordnung der ausgewählten Membran auf der ersten Achse.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst außerdem vorzugsweise ein Mittel zum Bewegen der Quelle parallel zu dem Ionen-Auswahlmittel, wobei dieses Bewegungsmittel dazu vorgesehen ist, die ersten und zweiten Achsen koinzidieren zu lassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung ist aus der Lektüre der Beschreibung von nachstehend gegebenen Ausführungsbeispielen besser verständlich, die lediglich hinweisend und keineswegs einschränkend sind, indem auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2 eine schematische, perspektivische Teilansicht der Vorrichtung der 1 zur Darstellung der eine Membranhalterung bildenden Leiste, die in der Vorrichtung der 1 verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung spezieller Ausführungsformen
1 ist eine schematische Ansicht einer speziellen Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung eines Ionenstrahls gemäß der Erfindung.
Die Vorrichtung der 1 umfasst eine Ionenquelle 2, die zur Herstellung von Ionenstrahlen bestimmt ist, sowie ein System 4 zur Extraktion und zur Beschleunigung des erzeugten Ionenstrahls, wobei dieses System eine Extraktionselektrode 6 des erzeugten Strahls sowie eine Endbeschleunigungselektrode 8 des extrahierten Strahls umfasst. Diese Elektrode 8 bildet den Eingang des elektrostatischen Optiksystems 10, das auch die Vorrichtung der 1 umfasst.
In dieser Figur ist auch die Halterung bzw. der Träger 12 der Ionenquelle 2 dargestellt.
Diese Quelle 2 ist eine herkömmliche Flüssigmetall- Ionenquelle, die beispielsweise zur Bildung eines Gallium-Ionenstrahls 14 vorgesehen ist.
In der vorliegenden Erfindung könnte aber auch eine weitere LMIS verwendet werden, beispielsweise von der Art, die in dem Dokument [1] beschrieben ist, um beispielsweise einen Aluminium-Ionenstrahl zu bilden.
Wiederum gemäß 1 umfasst die herkömmliche Ionenquelle 2 eine mit einer Spitze abgeschlossene Leiterstange 16 sowie ein Leiterfilament 18, das Wicklungen 20 aufweist, welche die Spitze durchsetzen.
Bekannterweise wird die Stange von einem Paar Klauen bzw. Klemmen 22 gehalten. Außerdem sind Leiterelemente 25 und 26 dargestellt, die dazu dienen, die Enden des Filaments zu halten. Darüberhinaus ist eine Fußplatte bzw. ein Sockel 28 zu erkennen, an dem die Halterung 12 der Quelle 2 angebracht ist. Die Extraktions-Elektrode ist mit einer Extraktions-Membran 30 und mit Löchern, wie z.B. dem Loch 32, versehen, was es ermöglicht, Restgase zu pumpen, da die Vorrichtung dazu vorgesehen ist, im Vakuum zu arbeiten.
Das Extraktions- und Beschleunigungssystem 4, das bei der Vorrichtung der 1 eingesetzt wird, ist aufgrund seiner Geometrie originell. Die Extraktions-Elektrode 6 des Strahls 14 unterbricht diesen Strahl 14 an keinem Punkt. Das für die Ionenemission charakteristische Extraktions-Potential V0 ist bei dem in Betracht kommenden Beispiel so gesteuert, dass mechanisch der Abstand D zwischen der Quelle 2 und der Extraktions-Elektrode 6 gesteuert wird, wobei dieser Abstand parallel zu der Achse Z des von der Quelle 2 emittierten Ionenstrahls 14 gezählt wird.
Hierzu wird ein Mittel zum Bewegen der Extraktions-Elektrode 6 in Bezug auf die Quelle 2 verwendet (oder der Quelle in Bezug auf dieses Elektrode).
Dieses Bewegungsmittel ist von dem Pfeil F in 1 symbolisiert. Es ist vom Fachmann herstellbar (und besteht beispielsweise aus einem mechanischen Mittel auf der Basis einer Gewindestange).
Außerdem sind die Extraktions-Elektrode 6 und die Endbeschleunigungs-Elektrode 8 unabhängig und können getrennt voneinander durch Anlegen variabler Potentiale gesteuert werden.
Das Extraktions- und Beschleunigungssystem 4 ist auch aufgrund seiner optischen Eigenschaften originell. Bei seiner Funktion wird ein Potential V1 an die Quelle 2 angelegt, und ein Potential V2 an die Extraktions-Elektrode 6. Wenn die Differenz V1 – V2 gleich V0 von der Größenordnung von 10 kV ist, wird ein Ionenstrahl Ga⁺ mit einer Winkeldichte der Größenordnung von 20 μA pro fester Winkeleinheit (an der Z-Achse des Strahls, die eine zentrale Drehachse bildet) emittiert.
Wenn V0 bis auf etwa 17 kV erhöht wird, erreicht die gemessene Winkeldichte unter den gleichen Bedingungen etwa 80 μA/Steradiant.
Das System gestattet auch eine starke Verbesserung der Nutz-Leuchtkraft eines LMIS, was einen der entscheidenden Punkte bei der Anwendung der FIB-Technik bei der Nanoherstellung darstellt.
Das Extraktions- und Beschleunigungssystem 4 ist auch wegen seiner Nutzungseigenschaften originell, welche eine verbesserte Nutzung der Funktionsweise der Quelle 2 gestattet.
Jede der Elektroden 6 und 8 kann auf unabhängige und spezifische Weise durch einen angepassten (nicht dargestellten) Hochspannungsgenerator (beispielsweise in der Größenordnung von 20 bis 40 kV) gesteuert werden.
Die Ionenemission wird von einer ersten Hochspannungsquelle (nicht dargestellt) gesteuert, die speziell dafür optimiert ist, den von der Quelle 2 emittierten Ionenstrahlstrom zu regeln. Der Wert bzw. die Größe dieses Stroms wird von einer Gegenreaktion mit Hilfe einer optimierten analogen Vorrichtung servogesteuert, um über eine schnelle Ansprechdynamik zu verfügen. Diese Servosteuerung wird erreicht, indem der an die Quelle 2 angelegte Potentialwert um einen Wert modifiziert wird, der es gestattet, eine Ionenemission durch Feldverdampfung (évaporation de champ) zu unterhalten (in der Größenordnung von 10⁹ Vm).
Es ist anzumerken, dass der emittierte Strom dank einem Mikro-Amperemeter erkannt werden kann, das in der elektrischen Versorgungsleitung positioniert wird, was eine polarisierung der Spitze der Quelle gestattet. Als Variante ist zur Erkennung dieses Stroms möglich, den Strom zu messen, der auf die Beschleunigungselektrode 8 auftrifft.
Die Endenergie der Ionen wird erhalten, indem die Endbeschleunigungselektrode 8 auf ein positives Potential V2 in Bezug auf Erde gebracht wird. Dieses Potential V2 wird mit einer sehr hohen Stabilität gesteuert. Diese Stabilität wird durch einen Generator (nicht dargestellt) gewährleistet, dessen Stabilitätspegel in der Größenordnung von 10^–6 liegt. Es wird beispielsweise eine Einspeisung vom Zerhackungstyp mit einem solchen Stabilitätspegel verwendet.
Das Extraktions- und Beschleunigungssystem 4 des Ionenstrahls 14 funktioniert mit höheren Leistungen wie das von herkömmlichen Extraktions- und Beschleunigungssystemen.
Die Vorrichtung der 1 umfasst auch ein System 34 (2) zur Auswahl der optischen Öffnung der Säule fokalisierter Ionen der Vorrichtung, wobei diese Säule die Quelle 2, den Träger 12 der Quelle und das elektrostatische Optiksystem 10 umfasst.
Das Auswahlsystem der optischen Öffnung 34 umfasst eine Einheit, die eine Hülse 36 umfasst, welche dazu vorgesehen ist, einen Stab 38 mit mechanischer oder elektromechanischer Steuerung aufzunehmen, der durch den Pfeil F1 symbolisiert ist, wobei dieser Stab 38 mehrere kalibrierte Membranen 40 trägt. Dieser Stab 38 ermöglicht die Anbringung auf der zentralen Achse Z1 des elektrostatischen Optiksystems 10 aufgrund einer Translationsbewegung in einer zu dieser Achse Z1 senkrechten X-Achse, wobei eine kalibrierte Membran 40 unter den von dem Stab 38 getragenen kalibrierten Membranen ausgewählt wird. Diese Membranen legen verschiedene Öffnungsgrößen für das elektrostatische Optiksystem 10 der fokalisierten Ionensäule fest.
In den 1 und 2 ist auch eine Y-Achse festgelegt, die zu der X-Achse sowie zur Z-Achse senkrecht ist, wobei letztere parallel zu der Achse Z1 ist.
Das Auswahlsystem der optischen Öffnung 34 ist aufgrund seiner Finalität originell.
Im Gegensatz zu allen bekannten Auswahlsystemen einer optischen Öffnung hat dieses in der Vorrichtung der 1 eingesetzte System nur die Aufgabe, eine Ausrichtung zwischen einer Quelle, einer Membran und elektrostatischen Linsen zu ermöglichen, wobei die beweglichen Mittel, die auf die X-Achse und die Y-Achse zentriert werden können, die Membran sowie die Ionenquelle sind. Ein solches bekanntes System gestattet es nur, über mehrere leicht austauschbare Membranen zu verfügen, welche unterschiedliche Größen oder die gleiche Größe aufweisen.
Im Fall der Vorrichtung der 1 wird die Zentrierung der wesentlichen Elemente des elektrostatischen Optiksystems 10, d.h. der von der Membran 40 und den elektrostatischen Linsen 42 und 44, auf die später eingegangen wird, gebildeten Einheit durch enge Herstellungstoleranzen sichergestellt. So werden die Eingangsmembran des elektrostatischen Optiksystems und die zugeordneten Linsen 42 und 44 genau nach einer einzigen optischen Achse Z1 ausgerichtet.
Der Hauptzweck hiervon ist, die von Dezentrierungsfehlern induzierten optischen Aberrationen zu begrenzen. Diese Mängel bilden das experimentelle Limit aller bekannten elektrostatischen Optiksysteme.
Es wird wieder auf die elektrostatischen Linsen 42 und 44 eingegangen, die in der Vorrichtung der 1 verwendet werden, wobei darauf hingewiesen wird, dass es zwei an der Zahl sind, wobei die erste 42 sehr schematisch im Schnitt in der Ebene der 1 dargestellt ist, während die zweite 44 in Außenansicht dargestellt ist. Außerdem sind verschiedene Löcher 46 zu erkennen, mit denen diese Linsen versehen sind, und die insbesondere die Herstellung des Unterdrucks in dem elektrostatischen Optiksystem 10 ermöglichen.
Um die Membran 40 auszutauschen (1) und die Austauschmembran entlang der X-Achse mit einer Unsicherheit unter einem Zehntel Mikrometer zu positionieren, ist eine vorangehende Eichung der Absolutposition, nach X, des Zentrums jeder Membran notwendig. Eine Steuerung auf einer Bank von der Art der optischen Steuerbänke ermöglicht es, mit Präzision die Position der verschiedenen Membranen zu erkennen.
Die einzige tatsächlich notwendige Anpassung bzw. Einstellung im Fall der Vorrichtung der 1 besteht in einer Verschiebung des Trägers 12, der die Quelle 2 trägt, parallel zu der Ebene des Eingangs des elektrostatischen Optiksystems 10 und damit parallel zu der Membran 40 (1), wobei diese Ebene parallel zu den X- und Y-Achsen ist. Dies ermöglicht eine Ausrichtung der Mittelachse Z des Emissionskonus des Ionenstrahls 14 mit der Optikachse Z1 des elektrostatischen Optiksystems 10. Hierzu ist die Basisplatte bzw. der Sockel 28, welcher die Halterung der Quelle 12 trägt, mit Mikrometer-Platinen versehen, die durch strichpunktierte Linien 48 symbolisiert sind und eine Bewegung dieser Sockelplatte und damit der Halterung 12 entlang der X-Achse und der Y-Achse ermöglichen.
Im Vergleich zu bekannten Systemen erfüllt das Auswahlsystem einer optischen Öffnung der Vorrichtung der 1 die folgenden Funktionen:

– Definieren mit höchstmöglicher Genauigkeit einer einzigen optischen Achse, die durch die Mitte der Eingangsmembran des elektrostatischen Optiksystem und die Mitte der verschiedenen (nicht dargestellten) Elektroden hindurchgeht, welche die beiden elektrostatischen Linsen festlegen, und
– Ermöglichen einer sehr raschen Änderung des optischen Öffnungsparameters der fokalisierten Ionensäule.

Es ist anzumerken, dass die Tatsache, über mehrere Membranen zu verfügen, es gestattet, über eine bessere Regelungsmöglichkeit des elektrostatischen Optiksystems zu verfügen und außerdem die Zeitabstände von Interventionen zur Wartung der Vorrichtung zu vergrößern.
Im folgenden werden Verfahren betrachtet, insbesondere Fokalisierungs- und Einstellverfahren der Größe eines Lesefeldes bei der Nanoherstellung durch fokalisierte Ionenstrahlen. Diese Verfahren sind in Hinblick auf eine leistungsfähige Automatisierung der Nanoherstellung durch FIB von Bedeutung, sind jedoch nicht durch die Ansprüche abgedeckt.
Die nachstehend erläuterten Verfahren zielen darauf ab, das Hauptproblem der Regelung der Parameter einer Ionenstrahlsäule zu lösen, die eine Ionensonde liefert (ein fokalisiertes Ionenbündel, das auf ein Ziel gerichtet wird), und zwar in der Größenordnung von 10 Nanometern.
Diese Ionensonde ist dazu vorgesehen, Strukturen von Nanometer-Größe durch gesteuerte Ionenstrahlung zu bilden.
Die geometrische Form (Größe), die Gangart (mehr oder minder schnelles Abnehmen der Anzahl von Partikeln, wenn man sich von der Mittelachse des Strahls entfernt), sowie der sphärische Charakter der Verteilung in der Ionensonde auf Höhe des Ziels sind von maßgeblicher Bedeutung. Bei einem Maßstab von einigen Nanometern sind die Probleme umso komplizierter.
Die hier vorgeschlagenen Verfahren zielen darauf ab, eine schnelle und sehr präzise Einstellung des Profils dieser Ionensonde in manuellem Modus (was eine Intervention der Anwender erfordert), im automatischen Modus (der keine Intervention erfordert) oder im halbautomatischen Modus zu ermöglichen. Die betreffenden Punkte sind:

– die Fokalisierung (Konzentrierung) des Ionenbündels unter der Wirkung der elektrostatischen Linsen, welche die Strahlerzeugungsvorrichtung umfasst, an einem Ziel oder einer Probe bei einem Fleck (Auftrefffleck) von Nanometer-Dimensionen,
– die Korrektur von sphärischen Fehlern der inzidierenden Ionensonde, und
– die Eichung des Schreibfeldes (von dem Strahl unter der Wirkung von elektrostatischen Ablenkelementen adressierbares Feld) an der Oberfläche des Ziels und zwar so, dass immer genau die Relativposition bis auf einige Nanometer bekannt ist.

Es ist anzumerken, dass die Vorrichtung zur Erzeugung des Strahls elektrostatische Deflektoren umfasst, die zum Ablenken dieses Strahls vorgesehen sind, und dass das spezielle elektrostatische Optiksystem 14 der 1 nicht dargestellte Abtastelektroden enthält, die die elektrostatischen Deflektoren bilden.
Im folgenden sind die zu lösenden Probleme dargestellt.
Die Verwendung eines fokalisierten Ionenstrahls auf einem Fleck von 10 nm für Anwendungen der Nanoherstellung weist spezifische Zwänge auf, die sich von denjenigen, die beispielsweise bei der elektronischen Mikroskopie mit Abtastung auftreten, stark unterscheiden:

– der Pulverisierungseffekt, der von energiegeladenen Ionen induziert wird, welche das Ziel bombardieren, führt dazu, über kurz oder lang die Eichungsstrukturen zu zerstören (allgemein Markierungen aus Gold oder Silizium), die herkömmlicherweise beispielsweise in der Lithographie durch Elektronenstrahlen eingesetzt werden. Außerdem sind die kalibrierten Strukturen mit einigen-zig Nanometern sehr schwer herzustellen, sehr zerbrechlich und vor allem kostspielig;
– die Verwendungsdauer des Ionenstrahls kann mehrere Stunden erreichen, was es notwendig macht, periodisch die Eigenschaften dieses Ionenstrahls zu kontrollieren, um den Einfluss von Ablenkungen und von vorübergehenden Instabilitäten zu begrenzen;
– die reduzierten Arbeitsabstände, die zum Erhalt einer geometrischen Vergrößerung des Flecks der Quelle unter 1 sind, reduzieren um diesen Betrag die Tiefe des verwendbaren Feldes. Außerdem umfassen bestimmte Proben Muster mit zueinander sehr unterschiedlichen Höhen, so dass diese Muster sich nicht auf der idealen Brennweite befinden;
– in letzterem Fall durchläuft ein Ion, das auf eine solche Probe an der optischen Achse auftrifft, einen viel kürzeren Weg als ein anderes Ion, das um mehrere Millimeter in Bezug auf diese Achse abgelenkt wurde. Dieser Unterschied des Strahlengangs bzw. der optischen Bahn führt zum Auftreten von Aberrationsfehlern. Um diese Aberrationen auf einen akzeptablen Wert zu beschränken, wird die Schreibgröße eines Feldes auf die Größenordnung von 100 Mikrometern begrenzt. So kann ohne Zusatzvorrichtung die Technik der Nanoherstellung durch FIB nur sehr kleine elementare Muster bilden;
– wenn eine ultrapräzise Bewegung der Probe angewendet wird, taucht die Möglichkeit auf, mehrere elementare Unterstrukturen zu verbinden, um ein Muster größerer Dimension festzulegen. Dies bleibt jedoch einer strikten Kalibrierung der Größe des elementaren Schreibfeldes durch FIB untergeordnet. Es ist nämlich eine möglichst perfekte Übereinstimmung zwischen den Koordinaten der im Inneren eines Abtastfeldes definierten Punkte und der Bewegungskoordinaten der Platine, welche die Probe trägt, notwendig.

All ist dies ist komplex, da die Abtastung der Ionensonde mittels eines CAO-Generators (CAO = Conception Assisté par Ordinateur) vom D-/A-Typ erreicht wird, während die die Probe tragende Platine ihrerseits durch eine spezifische und unabhängige Schnittstelle gesteuert wird. Außerdem ist anzumerken, dass jegliche Abweichung des Abstands zwischen der Probe und der Ionensäule, der Energie der Ionen oder der Natur derselben den Amplitudenwert des Abtastfeldes modifiziert.
Es wird ein schnelles, sehr genaues Verfahren vorgeschlagen, das automatisiert werden kann, um das Optiksystem einer Ionensäule zu kalibrieren, in dem die Eigenschaft genutzt wird, welche schwere auftreffende Ionen haben, wie z.B. Gallium-Ionen oder andere Metallionen wie Aluminium-Ionen, nämlich das Ziel, auf das sie auftreffen, lokal zu prägen bzw. zu ätzen.
Bei diesem Verfahren ist die Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenstrahlen selbst in der Lage, ihre eigenen Kalibrierungsmarken zu bilden und sie dann in vollständiger Autonomie zu überprüfen.

– Zunächst wird vorgeschlagen, den Erosionseffekt des auftreffenden Ionenstrahls einzusetzen, der von einer Ionenstrahl-Erzeugungsvorrichtung gebildet wird, um eine einfache Struktur gemäß einem durch CAO vorbestimmten Muster, beispielsweise von der Art eines Quadrats, eines einfachen Lochs ("Spot") oder Kreuzes in einer "geopferten" Zone der Probe einzuprägen bzw. einzuätzen. Nach dem Ätzvorgang durch FIB wird anschließend diese Struktur durch die gleiche Vorrichtung abgebildet, die hierbei im MIB-Modus (MIB = Microscopie Ionique à Balayage) unter den gleichen Bedingungen ohne irgendeine Modifizierung funktioniert, indem einfach Sekundärelektronen gesammelt werden, die sich aus dem Abtasten der Oberfläche der Probe durch den Ionenstrahl ergeben. Das MIB-Bild wird erhalten und numeriert, und auf diesem numerierten MIB-Bild, welches der tatsächlich eingeätzten bzw. geprägten Struktur entspricht, ist es nunmehr möglich, informationsmäßig das vorbestimmte anfängliche numerierte Muster (Quadrat, Loch oder Kreuz beispielsweise) zu überlagern und die beiden Bilder (auf digitale Weise) zu differenzieren. Im Fall eines Musters vom Quadrattyp beispielsweise kann hierbei ein Fehler erfasst werden, der von einer schlechten Fokalisierung herrührt, und kann dann korrigiert werden, indem Schritt für Schritt der Fokalisierungseffekt der Linsen erhöht wird, mit denen die Strahlenerzeugungsvorrichtung versehen ist. Der Prozess kann für verschiedene Vergrößerungen automatisiert und Schritt für Schritt wiederholt werden, bis das numerierte MIB-Bild und das anfängliche Muster perfekt koinzidieren.
– Die gleiche Erosionswirkung kann auch zur Korrektur eines eventuellen "sphärischen" Fehlers eingesetzt werden, der auch als Astigmatismus-Fehler bezeichnet wird, und zwar an dem Fleck auftreffender Ionen. In diesem Fall ermöglicht das Stanzen eines einzigen Lochs der Größenordnung von 10 bis 20 nm den sehr schnellen Erhalt in einigen Zehntel Sekunden eines dem Prägungs- bzw. Ätzmittel der Ionensonde getreuen Bildes. Wenn eine elliptische Laufbahn des Flecks hervortritt, nach wie vor im Vergleich mit einem "idealen" Bezugsbild (kreisförmiges Bild) und gemäß der Ausrichtung der erhaltenen Ellipse, ist es möglich, eine Prozedur von sich wiederholenden Korrekturen und Tests auszulösen, bis dieses von den Anwendern aufgestellte, zufriedenstellende Entscheidungskriterium das bei dieser Sequenz verwendete Informatiksystem (vorzugsweise automatisch) hervortreten lässt.
– Die Eichung der Größe des Schreibfeldes durch FIB ist der letzte entscheidende Punkt der vorzugsweise auf automatisierte Art mit einem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt werden kann. Dieses Verfahren besteht zunächst darin, Striche bzw. Linien einzuprägen (ein Netz paralleler Linien oder ein Netz sich kreuzender Linien), die eine bekannte Länge mit einer sehr geringen Unsicherheit aufweisen. Hierzu wird der Ionenstrahl im "Spot"-Modus gehalten und tastet die Oberfläche der Probe nicht ab, während letztere mittels der Platine bewegt wird, welche diese Probe trägt, wobei die Messung der Bewegungen dieser Platine durch Laser-Interferometrie erfolgt. In diesem Fall kann die mechanische Präzision bis auf einige Nanometer (in der Größenordnung von 10 nm bis 5 nm) heruntergeschraubt werden.

In diesem Fall werden die Markierungen nicht durch Abtastung der Oberfläche des Ziels durch die Ionensonde gebildet, sondern lediglich durch Bewegen dieses Ziels, wobei die Mittelachse des Präge- bzw. Ätz-Ionenstrahls feststehend gehalten wird. Ein MIB-Bild der so hergestellten Strukturen gestattet es hierbei, nach Numerierung dieses Bilds, die Verstärkung der Verstärkerstufe der Strahlerzeugungsvorrichtung derart einzustellen bzw. anzupassen, dass sie einer digitalen Gewichtung von 1 oder einigen Bits einer bekannten Bewegung bzw. Ortsveränderung (von einigen Nanometern) an der Probe entspricht. Die Eichung des Abtastfeldes wird hierbei mit der Laser-Interferometrie-Messtechnik realisiert, der bisher als leistungsfähigsten bekannten Technik zur Messung von Relativbewegungen, einer Technik, die übrigens von dem Bureau National des Mesures eingesetzt wird.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Ionenstrahls, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Ionenquelle (2), ein Mittel (6) zum Extrahieren der von der Quelle emittierten Ionen, ein Mittel (8) zum Beschleunigen der so extrahierten Ionen, ein Mittel (34) zur Auswahl der so beschleunigten Ionen und ein elektrostatisches optisches System (10), das zum Fokussieren der auf diese Weise ausgewählten Ionen entlang einer ersten Achse (Z1) bestimmt ist, umfasst, und dass die Vorrichtung außerdem ein Mittel (F) zur Variation des Abstands (D) zwischen der Ionenquelle und dem Ionen-Extraktionsmittel aufweist, wobei dieser Abstand entlang einer zweiten Achse (Z) gezählt wird, die parallel zu der ersten Achse ist und die Achse des von der Quelle emittierten Ionenstrahls (14) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ionenquelle eine punktuelle Ionenquelle (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei diese punktuelle Ionenquelle eine Flüssigmetall-Ionenquelle (2) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ionen-Extraktionsmittel (6) und das Ionen-Beschleunigungsmittel (8) voneinander unabhängig sind und durch Anlegen jeweiliger variabler Potentiale getrennt voneinander gesteuert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ionen-Auswahlmittel (34) ein Mittel (8) zur Auswahl einer Membran (40) unter mehreren Membranen sowie der Anordnung der ausgewählten Membran auf der ersten Achse (Z1) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem mit einem Mittel (48) zum Bewegen der Quelle (2) parallel zu dem Ionen-Auswahlmittel, wobei dieses Bewegungsmittel dazu vorgesehen ist, die ersten und zweiten Achsen (Z1, Z) koinzidieren zu lassen.