WO2008151602A1 - Flüssigmetall-ionenquelle zur erzeugung von lithium-ionenstrahlen - Google Patents

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Lothar Bischoff
Shavkat Akhmadaliev
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Forschungszentrum Dresden - Rossendorf E.V.
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    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/26Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C12/00Alloys based on antimony or bismuth
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    • C22CALLOYS
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Ionenquelle (LMIS) zur Erzeugung von Lithiumionenstrahlen, insbesondere das den Emitter benetzende Quellenmaterial einer derartigen lonenquelle. Die Erfindung beinhaltet Flüssigmetall-Ionenquellen, deren Emitter mit einer definierten Legierung aus Lithium und einem oder mehreren der Elemente Gallium, Indium und Wismut als Quellenmaterial benetzt ist. Mit derart ausgestatteten Flüssigmetall-Ionenquellen ist es möglich, langzeitig einen stabilen lonenstrom, der im ausreichenden Maße aus Lithiumionen 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 sowie die Legierungsoberfläche relativ langsam an Luft korrodiert.

Description


  Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Lithium-Ionenstrahlen

Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Ionenquelle (LMIS) zur Erzeugung von Lithiumionenstrahlen, insbesondere das den Emitter benetzende Quellenmaterial einer derartigen lonenquelle.

Flüssigmetali-Ionenquellen sind spezielle lonenquellen, die gegenüber anderen Typen von lonenquellen einen sehr hohen Richtstrahlwert besitzen, und die auf Grund dieser Eigenschaft in lonenmikrostrahlanlagen Verwendung finden.

   Diese Anlagen ermöglichen es, lonenstrahlen auf weniger als einem Mikrometer Durchmesser zu fokussieren, und sie erlangen zunehmende Bedeutung für die lonenstrahlbelichtung, lonenstrahlfräsen, Mikrodotierung und Oberflächenanalyse im Submikrometerbereich.

Lithium ist das leichteste Metall im Periodensystem, das für Flüssigmetalllonenquellen geeignet ist und vorteilhaft in der lonenlithographie und der lonenstrahl-Analytik eingesetzt werden kann. Wegen der starken chemischen Reaktivität lässt es sich nur schwierig in Quellen handhaben und langzeitstabil betreiben. Auch andere Lösungsansätze führten nicht zu einem akzeptablen Einsatz.

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 benetzen zu können und während des

Betriebs der lonenquelle 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 lonenstrahl der Elemente des

Quellenmaterials 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 nicht zu 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 lonenstrom aus allen in der Legierung enthaltenen Elementen. Mittels einer nachfolgenden Massenseparation kann die gewünschte lonensorte abgetrennt werden.

   Die Verwendung von Lithium ist nicht erwähnt, ein lonenstrom aus allen in der Legierung enthaltenen Elementen entweder nicht gewünscht oder mit weiteren Problemen verbunden.

Es ist bereits eine Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von KobaltIonenstrahlen bekannt, bei der eine Legierung des Kobalts mit Elementen aus der Gruppe der Seltenen Erden eingesetzt wird (DE 43 12 028 A1).

   Das Prinzip dieser technischen Lösung lässt sich für eine Lithium-Ionenquelle nicht übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigmetall-Ionenquelle zu schaffen, die durch Ausstattung mit einem neuen Lithium-Quellenmaterial, insbesondere einer Legierung mit ausreichend hohem Anteil des Elements Lithium einen insgesamt langzeitig stabilen Betrieb mit ausreichend hoher Emission des Elements Lithium 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 lonenstrom, der im ausreichenden Masse aus Lithiumionen besteht, zu erhalten.

Die Bestandteile der Legierung im Zusammenspiel mit dem niedrigen

Schmelzpunkt führen dazu,

   dass keine chemischen Reaktionen mit dem Emitterund Heizermaterial auftreten. Die Verwendung der Legierungselemente 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 Legierung zeichnet sich durch eine sehr geringe Korrosion an Luft aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ein Wolframemitter wird nach einem bekannten Standardverfahren hergestellt und mit der Legierung aus Ga35Bi6oLi5 (at. %) benetzt. Der Emitter wird in eine lonenquelle eingesetzt und in einem Analyseteststand untersucht. Die Betriebstemperatur beträgt ca. 300<0>C1 der Heizstrom etwa 2.4 A, der Emissionsstrom 2 [mu]A. Das Lithium ist aufgetrennt in die beiden Isotope (93% <7>Li, 7% <6>Li). Die Anteile der Ionen Bi, Ga, Li am Gesamtstrom sind eine Funktion des Emissionsstromes und des Ladungszustandes.

Für Li konnte durch die Massenabhängigkeit der Energiebreite von m<1/3> des Projektilions ein Wert von nur 2 eV gefunden werden.

   Für reine Li-LMIS betrug dieser Parameter 4 eV durch die hohe Winkelintensität und der dadurch entstehenden Coulomb - Abstossung. Im Falle der Legierungsquelle wird eine normale Winkelverteilung erwartet. Diese kleine Energiebreite gestattet auch kleinere Strahldurchmesser eines fokussierten lonenstrahls durch die verringerte chromatische Aberration.

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Lithium-Ionenstrahlen, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung des den Emitter benetzenden
Quellenmaterials als Legierung aus Lithium und einem oder mehreren der Elemente Gallium, Indium und Wismut.
2. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium, 33 bis 43 Atomprozent Gallium und 56 bis 66 Atomprozent Wismut besteht.
3. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium und 90 bis 95 Atomprozent Gallium besteht.
4. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium und 90 bis 95 Atomprozent
Indium besteht.
5. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium, 75 bis 80 Atomprozent Indium und 20 bis 25 Atomprozent Wismut besteht.
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