SCHMIDT, Mike (Robert-Koch-Straße 3, Heidenau, 01809, DE)
GROSSMANN, Frank (Bahnhofstraße 20, Ottendorf-Okrilla, 01458, DE)
ZSCHORNACK, Günter (Weidenweg 17 B, Pirna, 01796, DE)
SCHMIDT, Mike (Robert-Koch-Straße 3, Heidenau, 01809, DE)
GROSSMANN, Frank (Bahnhofstraße 20, Ottendorf-Okrilla, 01458, DE)
| PATENTANSPRÜCHE 1 . Vorrichtung (20) zur Strukturierung von Festkörperflächen (18) mit lonenstrahlen (141 ) aus einem lonenstrahlspektrum (14), wobei das lonenstrahlspektrum (14) aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen besteht, aufweisend eine Baugruppe (21 ) zur Erzeugung des lonenstrahlspektrums (14) mit Ionen verschiedener Ladungszustände und Massen mit einer Katode (1 ), mit mehreren Driftröhrensektionen (21 ,22,23) und einem Kollektor (4) und eine Anordnung (5) von lonenextraktions- und Fokussierungslinsen auf einer gemeinsamen Strahlachse (15) sowie ein Permanentmagnetsystem (3) um die gemeinsame Strahlachse (15), wobei das erzeugte lonenstrahlspektrum (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 lonenstrahls (141 ) dient, mindestens einen Deflektor (9,10), der den lonenstrahl (141 ) stigmatisiert, positioniert und ablenkt, und mindestens ein Objektiv (1 1 ), das den lonenstrahl (141 ) auf eine sehr kleine Festkörperfläche (18) feinfokussiert, wobei das Wienfilter (7) aus mindestens einer Elektrodenanordnung (70) mit mindestens zwei Segmenten (71 ,72) und mindestens einer zweipoligen Magnetanordnung (30,31 ) aufgebaut ist, wobei ein angelegtes elektrisches Feld E, das orthogonal zur Bewegungsrichtung (73) des lonenstrahlspektrums (14) angeordnet ist und ein Magnetfeld B, welches orthogonal zur Bewegungsrichtung (73) des lonenstrahlspektrums (14) und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist, vorgesehen sind sowie eingangsseitig eine Kollimatorblende (6) zum Passieren des lonenstrahlspektrums (14) und ausgangsseitig eine Massentrennblende (8) enthält, mit der das lonenstrahlspektrum (14) in seine lonenstrahlen (141 ,142,143) entsprechend Masse und Ladungszustand zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Wienfilter (7) ein erster Magnet (30) innerhalb eines Eisenjochs (35) fest angeordnet ist, der einen zur Strahlachse (15) gerichteten konvergent ausgebildeten Polschuh (37) hat, und ein dem ersten Magnet gegenüberliegender zweiter Magnet (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, vorhanden ist, wobei zwischen dem Polschuh (37) und dem zweiten Polschuhteil (36) ein primärer Magnetpolspalt (32) mit einem festen Spaltabstand a für den Durchgang des lonenstrahlspektrums (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. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass 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 besitzt, womit in Abhängigkeit von der eingestellten Spaltbreite b des sekundären Magnetpolspalts (33) die Magnetfeldstärke B im primären Magnetpolspalt (32) variierbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite b des sekundären Magnetpolspalts (33) durch Ein- und Ausfahren des beweglichen Polschuhs (34), an dem der Magnet (30) befestigt ist, am Eisenjoch (35) einstellbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 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, aufweist. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und die Größe der Linsen- und Blendenelemente variabel sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung (12) zur Fokussierung des Ionenstrahlspektrums (14) vorhanden ist, die enthält die Katode (1 ), die Driftröhrensegmente (21 ,22,23) und der Kollektor (4), die auf der Strahlachse (15) liegen und als Elektronenstoßionenquelle dienen, wobei dem Kollektor (4) entlang der Strahlachse (15) die Anordnung (5) mit lonenextraktions- und Fokussierungslinsen in der Reihenfolge nachfolgen, die enthält 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 und d) ein viertes zylindrisches Linsensegment (54) mit über seine axiale Ausdehnung konstantem Innendurchmesser, wobei das zylindrische Linsensegment (54) sich die Kollimatorblende (6) anschließt, die auf der Strahlachse (15) eine Apertur mit variablem Durchmesser besitzt. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole des Wienfilters (7) aus Permanentmagneten oder Elektromagneten bestehen. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (8) auf der Strahlachse (15) eine Apertur mit variablem Durchmesser besitzt und in Verbindung mit dem Wienfilter (7) als Massentrennblende funktioniert. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine kompakte Baugruppe (20) darstellt, die die Möglichkeiten einer Vorrichtung zur Fokussierung und zur Ladungszustand- und Massenseparation von lonenstrahlen mit den Vorteilen einer EBIT als Quelle von Ionen unterschiedlicher chemischer Elemente in einem weiten Bereich von Ladungszuständen miteinander vereint. 10.Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlblende (8) zwei Funktionen aufweist, wobei sie zum einen der weiteren Kollimierung des lonenstrahls (141 ) dient und des Weiteren durch sie in Kombination mit dem Wienfilter die Selektion eines Strahls einer einzelnen lonenspezies durch eine Ausblendung der restlichen lonenspezien (142,143) erfolgt. 1 1 .Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nachfolgende Deflektoranordnung aus zwei hintereinander angeordneten elektrostatischen Deflektoren (9,10) besteht, wobei die Deflektoren (9,10) aus mindestens vier zylindrisch angeordneten Segmenten bestehen oder vorzugsweise acht zylindrisch angeordnete Segmente besitzen. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das nachfolgend angebrachte Objektiv (1 1 ) folgenden Aufbau aufweist: ein erstes Linsensegment (1 1 1 ) mit konstantem Innendurchmesser, ein zweites Linsensegment (1 12) mit über seine axiale Ausdehnung variierendem oder konstantem Innendurchmesser, - ein drittes Linsensegment (1 13) mit über seine axiale Ausdehnung variierendem oder konstantem Innendurchmesser. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Druckbereich von 10"7 bis 10"11 mbar arbeitet, wobei Ionen aller im Periodensystem vorhandenen Elemente mit niedrigen bis hohen Ladungszustanden erzeugt, fokussiert und massensepariert zur Strukturierung einsetzbar sind. |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen mit lonenstrahlen aus einem lonenstrahlspektrum, wobei das lonenstrahlspektrum aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen besteht, aufweisend eine Baugruppe zur Erzeugung des lonenstrahlspektrums mit Ionen verschiedener Ladungszustände und Massen mit einer Katode, mehreren Driftröhrensektionen, einem Kollektor und einer Anordnung von lonenextraktions- und Fokussierungslinsen auf einer gemeinsamen Strahlachse sowie einem Permanentmagnetsystem um die gemeinsame Strahlachse, wobei das erzeugte lonenstrahlspektrum 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 lonenstrahls dient, mindestens einen Deflektor der den lonenstrahl stigmatisiert, positioniert und ablenkt, und
mindestens ein Objektiv, das den lonenstrahl 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 lonenstrahlspek- trums angeordnet ist und ein Magnetfeld B, welches orthogonal zur Bewegungsrichtung des lonenstrahlspektrums und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist, vorgesehen sind sowie eingangsseitig eine Kollimatorblende zum Passieren des lonenstrahlspektrums und ausgangsseitig eine Massentrennblende enthält, mit der das lonenstrahlspektrum in seine lonenstrahlen entsprechend Masse und Ladungszustand zerlegt wird.
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 lonenstrahlen 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 lonenstrahlfokussierungssysteme werden bis heute so genannte Flüssigmetallionenquellen verwendet. Diese erzeugen lonenstrahlen 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.
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 lonenfalle im Bereich des axialsymmetrischen fokussierten Elektronenstrahles,
- einer Einrichtung zur Vernichtung der Elektronen nach dem Durchgang durch die lonenfalle, - sowie einer Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums um den axialsymmetrischen fokussierten Elektronenstrahl und die darin befindliche lonenfalle
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 lonenfalle durchdringt,
- die Katode eine sehr hohe Emissivität von 100>A cm2 bei einem kleinen Kathodendurchmesser aufweist und
- ein Vakuum von 10-7 bis 10-1 1 mbar im Aufenthaltsbereich der Ionen während des Betriebs der Elektronenstoßionenquelle einstellbar ist.
Mit dieser Elektronenstoßionenquelle können niedriggeladene bis hochgeladene Ionen zu einem lonenstrahl 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, lonenstrahlen mit Emittanzen in der Größenordnung von 10 π mm mrad und besser zu extrahieren.
Ein Problem besteht darin, dass der extrahierte lonenstrahl 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.
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 lonenoptiken als lonenstrahl, 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.
Ein Problem besteht darin, dass durch die Verwendung eines Dipolmagneten die verschiedenen lonenspezien zwar getrennt werden können, aber der Gesamtaufbau der Anlage sehr groß und unhandlich ist. Eine Anlage zur Röntgenradiografie mit hochgeladenen Ionen ist in der Druckschrift US 6,1 15,452 beschrieben, wobei in der Anlage ein Strahl hochgeladener Ionen durch eine Ausblendung mit Hilfe eines Diaphragmas auf Strahldurchmesser von 1 bis 250 μιτι oder größer ausgebildet wird und ein Target zur Produktion von Röntgenstrahlung anregt.
Ein Problem besteht darin, dass durch die Ausblendung mithilfe eines Diaphragmas auf die genannten Strahldurchmesser ein wesentlicher Anteil der Strahlintensität verloren geht. 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 lonenladungszustände 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.
Ein Problem besteht darin, dass durch die Verwendung eines Dipolmagneten die verschiedenen lonenspezien zwar getrennt werden können, aber der Gesamtaufbau der Anlage sehr groß und unhandlich ist sowie einen hohen Energieverbrauch aufweist.
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.
Ein Problem besteht darin, dass die lonenausbeute für intensiven Bestrahlungsdurchsatz ungeeignet ist, da ein Großteil der Strahlintensität ausgeblendet wird.
Weitere Verfahren und Vorrichtungen zum Erhalt fokussierter lonenstrahlen (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.
Ein Problem besteht darin, dass durch das geringe lonenstrahl- 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.
Eine Vorrichtung zum Reparieren von Halbleitermasken und Strichplatten oder Zielmarken unter Verwendung von fokussierten lonenstrahlen ist in der Druckschrift DE 3890362 T1 beschrieben, die umfasst - eine lonenquelle, die eine Mehrzahl von lonenspezies enthält, wobei eine erste dieser Mehrzahl von lonenspezies kompatibel mit dem Material ist, aus dem die Maske oder die Strichplatte oder Zielmarke aufgebaut ist, und
- eine zweite der Mehrzahl von lonenspezies ein relativ hohes Atomgewicht im Vergleich zur ersten Spezies aufweist,
- eine Einrichtung zum Wählen eines lonenstrahles, der aus einer der ersten und zweiten lonenspezies aufgebaut ist und zum Richten eines fokussierten lonenstrahles 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 lonenquelle und dem Ziel, und
- eine Einrichtung zum Bilden eines Bildes des Zieles durch die Einrichtung der sekundären lonenemission.
Ein Problem besteht darin, dass es sich bei der oben angegeben lonenquelle 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.
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 lonenlinse 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 lonenstrahls gerichtet sind. Der in ein vakuumbelastetes Gehäuse durch eine eingangsseitige Blende hindurch einfallende lonenstrahl wird durch die Felder abgelenkt und separiert und ein Teil des lonenstrahles verlässt das Gehäuse durch eine ausgangsseitig angeordnete Blende zur weiteren Fokussierung.
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen mit lonenstrahlen aus einem lonenstrahlspektrum anzugeben, die derart ausgebildet ist, dass sowohl das lonenstrahlspektrum an eingesetzten Elementen verbreitert als auch eine Verbesserung der Bearbeitung von Festkörperflächen erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen mit lonenstrahlen aus einem lonenstrahlspektrum, wobei das lonenstrahlspektrum aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen besteht, weist auf
eine Baugruppe zur Erzeugung des lonenstrahlspektrums mit Ionen verschiedener Ladungszustände und Massen mit einer Katode, mit mehreren Driftröhrensektionen und mit einen Kollektor und
eine Anordnung von lonenextraktions- und Fokussierungslinsen auf einer gemeinsamen Strahlachse sowie
ein Permanentmagnetsystem um die gemeinsame Strahlachse,
wobei das erzeugte lonenstrahlspektrum in der Anordnung von Extraktionsund Fokussierungslinsen extrahiert und von da aus auf ein nachfolgendes Wienfilter fokussiert wird, das zur Ladungszustands- und Massenseparation eines extrahierten und fokussierten lonenstrahls dient,
mindestens einen Deflektor, der den lonenstrahl stigmatisiert, positioniert und ablenkt, und
mindestens ein Objektiv, das den lonenstrahl 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 lonenstrahlspektrums angeordnet ist und ein Magnetfeld B, welches orthogonal zur Bewegungsrichtung des lonenstrahlspektrums und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist, vorgesehen sind sowie eingangsseitig eine Kollimatorblende zum Passieren des lonenstrahlspektrums und ausgangsseitig eine Massentrennblende enthält, mit der das lonenstrahlspektrum in seine lonenstrahlen entsprechend Masse und Ladungszustand zerlegt wird,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 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 lonenstrahlspektrums 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. 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.
Die Spaltbreite b des sekundären Magnetpolspalts kann durch Ein- und Ausfahren des beweglichen Polschuhs, an dem der Magnet befestigt ist, am Eisenjoch eingestellt werden.
Das Wienfilter hat ein angelegtes elektrisches Feld E, das orthogonal zur Bewegungsrichtung des lonenstrahlspektrums angeordnet ist, und ein Magnetfeld B auf, das orthogonal zur Bewegungsrichtung des lonenstrahlspektrums und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist.
Die Form und die Größe der Linsen- und Blendenelemente kann variabel sein.
Es ist eine Anordnung zur Fokussierung des lonenstrahlspektrums 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 lonenextraktions- 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.
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.
Die Vorrichtung stellt eine kompakte Baugruppe dar, die die Möglichkeiten einer Vorrichtung zur Fokussierung und zur Ladungszustand- und Massenseparation von lonenstrahlen mit den Vorteilen einer EBIT als Quelle von Ionen unterschiedlicher chemischer Elemente in einem weiten Bereich von Ladungszuständen miteinander vereint.
Die Strahlblende weist zwei Funktionen auf, wobei sie zum einen der weiteren Kollimierung des lonenstrahls dient und des Weiteren durch sie in Kombination mit dem Wienfilter die Selektion eines einzelnen lonenstrahles durch eine Ausblendung der restlichen lonenstrahlen erfolgt.
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.
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. 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.
Im Gegensatz zu den im Stand der Technik angegebenen Vorrichtungen zur Erzeugung von lonenstrahlen wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung neben der Eigenschaft, einen selektierten fokussierten lonenstrahl 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 lonenstrahlspektrums eingestellt werden kann, eine ladungszustandsabhängige Potenzialenergie im lonenstrahl gespeichert hat, die bei der Wechselwirkung mit zu bearbeitenden Festkörperflächen abgegeben wird.
Dabei entstehen in nanoskopisch kleinen Wechselwirkungsbereichen Leistungsdichten von 10 12 . . . 10 14 Wem "2 für jeden loneneinzeltreffer.
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.
Die Erfindung erlaubt es, mit unterschiedlichen Strömen hochgeladener Ionen oder auch im Einzelionenbestrahlungsregime zu arbeiten. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung steht eine sehr kompakte Quelle beliebig geladener Ionen einschließlich lonenselektion 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 lonenstrahlen zur Verfügung stehen.
Die Erfindung ermöglicht es, dass mit der Selektion einzelner lonenladungszustände Projektile mit unterschiedlichen Beträgen an gespeicherten Potentialenergien und kinetischen Energien für den Betrieb der Vorrichtung zur Verfügung stehen.
In die Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen mit lonenstrahlen aus einem lonenstrahlspektrum sind die Fokussierung von lonenstrahlen nach Erzeugung, Fokussierung und Separation der lonenstrahlen eingeschlossen. Die Vorrichtung erlaubt im Wesentlichen die Erzeugung von ladungs- oder massenseparierten Strahlen von Ionen mit annähernd beliebigen Ladungszustand und beliebiger Masse. Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Strukturierung von Festkörperflächen mit lonenstrahlen aus einem lonenstrahlspektrum, Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus der magnetischen Flussführung eines Wienfilters mit variabler Sekundärspaltbreite, Fig. 3 eine schematische Darstellung des Wienfilters in einem Längsschnitt zur Funktionsweise,
Fig. 4 ein Diagramm mit der in Eisenionen und Bleiionen gespeicherten Potenzialenergien als Funktion des lonenladungszustandes q und
Fig. 5 eine Tabelle mit dem Spektrum möglicher lonenladungszustände in der Vorrichtung, dargestellt anhand ausgewählter chemischer Elemente. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 20 zur Strukturierung einer Festkörperfläche 18 mit einem lonenstrahl 141 aus einem lonenstrahlspektrum 14, wobei das lonenstrahlspektrum 14 aus Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen und unterschiedlichen Massen besteht, weist eine Baugruppe 21 zur Erzeugung des lonenstrahlspektrums 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 lonenextraktions- und Fokussierungslinsen auf einer gemeinsamen Strahlachse 15 und ein Permanentmagnetsystem 3 um die gemeinsame Strahlachse 15 auf, wobei das erzeugte lonenstrahlspektrum 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 lonenstrahls 141 dient,
mindestens einen Deflektor 9,10, der den lonenstrahl 141 stigmatisiert, positioniert und ablenkt, und
mindestens ein Objektiv 1 1 , das den lonenstrahl 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 lonenstrahlspektrums 14 angeordnet ist und ein Magnetfeld B, welches orthogonal zur Bewegungsrichtung 73 des lonenstrahlspektrums 14 und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist, vorgesehen sind sowie eingangsseitig eine Kollimatorblende 6 zum Passieren des lonenstrahlspektrums 14 und ausgangsseitig eine Massentrennblende 8 enthält, mit der das lonenstrahlspektrum 14 in seine lonenstrahlen 141 ,142,143 entsprechend Masse und Ladungszustand zerlegt wird.
Erfindungsgemäß sind im Wienfilter 7, wie in Fig. 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 lonenstrahlspektrums 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. 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. In Fig. 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 lonenstrahlspektrum 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.
Das elektrische Feld E wird in der herkömmlichen Weise durch Anlegen eines variablen elektrischen Potenzials an die Elektrodenanordnung 71 ,72 in Fig. 3 erzeugt und kann durch Änderung des elektrischen Potenzials verändert werden.
Dabei weist das Wienfilter 7 ein angelegtes elektrisches Feld E, das orthogonal zur Bewegungsrichtung 73 des lonenstrahlspektrums 14 angeordnet ist, und ein Magnetfeld B auf, das orthogonal zur Bewegungsrichtung 73 des lonenstrahlspektrums 14 und orthogonal zum elektrischen Feld E ausgerichtet ist. Tritt das lonenstrahlspektrum 14 in das Wienfilter 7 ein, wird das lonenstrahlspektrum 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 x U)/(2 x m)) 0 5
In Fig. 3 ist dies für die Ladungszustände von Argonionen 141 ,142,143 gezeigt. Argon 16+ des lonenstrahls 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 lonenstrahls 143 ist die Lorentzkraft F L = q x v x B infolge des magnetischen Feldes B größer als die elektrische Kraft F E = q x E und der lonenstrahl 143 wird von der Sollbahn 15 abgelenkt. Für den Ladungszustand Argon 15+ des lonenstrahls 142 ist die elektrische Kraft F E größer als die Lorentzkraft F L und es wird ebenfalls von der Sollbahn 15 abgelenkt. Dadurch enden die Trajektorien der lonenstrahlen 142,143 an der Separationsblende 8, wohingegen der Ladungszustand Argon 16+ des lonenstrahls 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 lonenstrahl 141 mit dem vorgegebenen Ladungszustand oder für die vorgegebene Masse angepasst werden.
Die Form und die Größe der Linsen- und Blendenelemente können variabel sein.
Die einzelnen Komponenten der Anordnung 12 zur Fokussierung des lonenstrahlspektrums 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. Dem Kollektor 4 folgen entlang der gemeinsamen Strahlachse 15 die Anordnung 5 mit lonenextraktions- 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. An das zylindrische Linsensegment 54 schließt sich eine Kollimatorblende 6 an, die auf der Strahlachse 15 eine Apertur mit variablem Durchmesser besitzt.
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 Fig. 4 sind die in Eisenionen und Bleiionen gespeicherten Potenzialenergien als Funktion des lonenladungszustandes q angegeben. Somit kann sehr selektiv auf den kinetischen wie auch den potentiellen Energiebetrag der den lonenstrahl 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 Fig. 5 ist das mögliche lonenstrahlspektrum 14 an Ladungszuständen für erfindungsgemäß fokussierte und selektierte lonenstrahlen 141 in einer Tabelle für ausgewählte Elemente dargestellt.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 20 wird im Folgenden erläutert:
Nach der herkömmlichen Formierung des erzeugten lonenstrahlspektrums 14 werden die Ionen bei der Extraktion aus den Driftröhrensektionen 21 ,22,23 von der Elektronenkomponente des formierten lonenstrahlspektrums 14 in einem Elektronenkollektor 4 getrennt und durch die Anordnung 5 mit den Extraktionsund Fokussierungslinse extrahiert und fokussiert. Anschließend wird das lonenstrahlspektrum 14 durch die Blenden 6,8 kollimiert oder parallel ausgeblendet, durch das Wienfilter 7 in seine Komponenten - die lonenstrahlen 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 lonenstrahlen 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 lonenstrahls 141 . Des Weiteren erfolgt durch sie in Kombination mit dem Wienfilter 7 die Selektion des einzelnen lonenstrahls 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 1 1 weist folgenden Aufbau auf:
- ein erstes Linsensegment 1 1 1 mit konstantem Innendurchmesser,
- ein zweites Linsensegment 1 12 mit über seine axiale Ausdehnung variierendem oder konstantem Innendurchmesser,
- ein drittes Linsensegment 1 13 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. Bezugszeichenliste
1 Katode
2 Driftröhre
21 Driftröhrensektion
22 Driftröhrensektion
23 Driftröhrensektion
3 Permanentmagnetringe
4 Kollektor
5 Anordnung von lonenextraktions- 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
1 1 Objektiv
1 1 1 erstes Linsenobjektiv
1 12 zweites Linsenobjektiv
1 13 drittes Linsenobjektiv
14 lonenstrahlspektrum
141 lonenstrahl
142 lonenstrahl
143 lonenstrahl
15 Strahlachse 18 Festkörperfläche
19 Fokus
20 erfindungsgemäße Vorrichtung
21 Baugruppe zur Erzeugung des lonenstrahlspektrums
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 lonenladungszustand
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)