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Porträt Dr. Bischoff, Lothar; FWIZ-N

Dr. Lothar Bischoff
Ion Induced Nanostructures
l.bischoffAthzdr.de
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Fax: +49 351 260 - 12866

Entwicklung und Test von Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquellen (LMAIS)

Einleitung

Flüssigmetallionenquellen (Liquid Metal Ion Source = LMIS) sind Ionenquellen mit sehr hohem Richtstrahlwert und nahezu punktförmiger Emissionsfläche, was sie für die Anwendung in Ionenfeinstrahlanlagen besonders geeignet macht. Man kann diese Quellen in Kapillartyp- und Nadeltyp-Quellen einteilen. Durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes an der Nadelspitze oder an der Kapillare bildet sich ein so genannter Taylor - Kegel aus, von dessen Spitze die Ionenemission erfolgt. Dieser Prozess wird als Feldverdampfung bezeichnet. Als Quellenmaterial können entweder reine Metalle (Ga, In, ... - LMIS) oder aber auch eutektische Legierungen (AuSi, CoNd, MnGe, … - LMAIS) verwendet werden.

Diese müssen folgende Anforderungen erfüllen:

  • hohe Konzentration in der Legierung für das gewünschte Ion
  • niedriger Schmelzpunkt
  • geringer Dampfdruck bei der Schmelztemperatur
  • gute Benetzbarkeit des Emitternadelmaterials
  • keine chemischen Reaktionen oder Phasenumwandlungen mit dem Emitter

Herstellung

Das Ionenfeinstrahllabor im Institut verfügt über Ausrüstungen und umfangreiche Erfahrungen zur Entwicklung und Herstellung von Flüssigmetallionenquellen vom Haarnadeltyp für unterschiedliche  Quellenmaterialien, die in der Tabelle zusammengestellt sind.

Material Schmelzpunkt (°C) Anwendungen
Au73Ge27 365 Au:Sputtern, Nanocluster; Ge: Dotierung, SixGe1-x
Au77Ge14Si9 365 Si:Kontaminationsfreie Prozessierung, Imaging
Au82Si18 365 dto.
Co36Nd64 566 Co:CoSi2 – IBS, Nd: Optik + Magnetismus
Co27Ge73 817 Co:Magnetische Anwendungen
Er69Ni31 765 Er:Optische Anwendungen
Er70Fe22Ni5Cr3 862 Fe,Ni,Cr:  Magnetische Anwendungen
Sn74Pb26 183 Sn:Dotierung, F&E
In14Ga86 14.2 F&E, Untersuchung der Emissionscharakteristik
Mn45Ge55 720 Mn Implantation in Verbindungshalbleiter
Ga38Bi62 222 Ga: Akzeptor; Bi: Flache Dotierung in Si
Ga35Bi60Li5 250 Li: Ionenstrahl-Analytik und -lithographie
Ga 29.7 Alle konventionelle FIB Anwendungen
Bi 271.5 Oberflächenmodifikation durch Monomere und Cluster

Test und Charakterisierung

Für den Test und zur Charakterisierung der Quellen werden folgende Parameter bestimmt:

  • Strom-Spannungs-Charakteristik, Emissionsstabilität, Lebensdauer und Emitter-Temperaturverhalten, Langzeitstabilität.
  • Massenspektren (unten gezeigt für GaBi  LMAIS)
  • Winkelverteilung und Winkelintensität mittels eines rotierenden Faradayzylinders.
  • Ionenenergieverteilung sowie Energieverschiebung jeder emittierten Komponente der Quelle durch einen Massenfilter und einen Gegenfeldanalysator.
Massenspektren einer GaBi Legierungs- Flüssigmetallionenquelle als Funktion des Ionenemissionsstromes
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Massenspektren einer GaBi Legierungs- Flüssigmetallionenquelle als Funktion des Ionenemissionsstromes
Halbwertsbreite der Energieverteilung für verschiedene Ionenarten als Funktion von deren Masse und Ladungszustand
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Halbwertsbreite der Energieverteilung für verschiedene Ionenarten als Funktion von deren Masse und Ladungszustand. Der Emissionsstrom beträgt jeweils 15 µA.

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