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Porträt Dr. Bischoff, Lothar; FWIZ-N

Dr. Lothar Bischoff

Nano­struk­turen durch fokussierte Elek­tronen­ und Ionen
Legie­rungs­flüssignetall-Ionen­quellen
Ionen­induzierte Nano­struk­turen
l.bischoffAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2866
+49 351 260 2963

Porträt Dr. Klingner, Nico; FWIZ-N

Dr. Nico Klingner

R&D of Focussed Ion Beams (FIB) using Liquid Metall Alloy Ion Sources (LMAIS) or He/Ne GFIS
Ionen­induzierte Nano­struk­turen
n.klingnerAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2524

Fokussierte Ionenstrahlen

Einleitung

Fein fokussierte Ionenstrahlen (focused ion beam FIB) sind ein sehr nützliches Werkzeug in der Mikro- und Nanotechnologie sowie in der Analytik. Charakteristische Eigenschaften sind der Nanometer-Strahldurchmesser, der Energiebereich zwischen einigen eV und 200 keV, eine hohe Stromdichte sowie eine große Vielfalt an verfügbaren Ionen. In kommerziellen FIB Systemen werden üblicherweise Ga Flüssigmetall-Ionenquellen (LMIS) und in einigen Fällen auch Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquellen (LMAIS) eingesetzt. FIB-Anlagen gestatten es, Strukturen beliebiger Form bis in den Nanometerbereich hinein zu erzeugen.

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 siehe oben
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 (Abb. 2 für GaBi LMAIS)
  • Winkelverteilung und Winkelintensität mittels eines rotierenden Faradayzylinders.
  • Ionenenergieverteilung sowie Energieverschiebung jeder emittierten Komponente der Quelle durch einen Massenfilter und einen Gegenfeldanalysator.
Flüssigmetall Ionenquelle Massenspektren einer GaBi Legierungs- Flüssigmetallionenquelle als Funktion des Ionenemissionsstromes	© Dr. L. Bischoff
Abb. 1: Glühende LMAIS im Benetzungsprozess Abb. 2: Massenspektrum der emittierten Ionen aus einer Gallium-Bismut Quelle

Instrumentation

  • Carl Zeiss NVision 40 CrossBeam Ga-FIB für Standardanwendungen wie Ionenstrahllithografie und TEM-Lamellen-Zielpräparation
  • 2x Orsay Physics CANION Z31Mplus massen-separierte FIBs (semi-kommerziell), der mit Hilfe von selbstentwickelten Ionenquellen verschiedenste Ionenspezies bereitstellen kann, für dedizierte Forschungsthemen
  • Carl Zeiss ORION NanoFab Helium Ion Microscope He/Ne-FIB
  • Hitachi Ion Milling System ArBlade 5000 zur Erstellung von Ionenpolierten Probenquerschnitten, 500µA of 10 keV Ar, Abtragraten > 1 mm / h

FIB cut into CPU

Eye of a fruit fly

Abb. 3: FIB Schnitt in einen Prozessor

Abb. 4: Auge einer Fruchtfliege

Aktuelle Projekte

Demonstration der Nutzbarkeit der Raith-Focused-Ion-Beam-Systeme zur Erzeugung magnetischer Nanostrukturen (03/2020 – 02/2022)

Förderkennzeichen: ZF4494801 DF7 

Das System VELION der Fa. Raith vereint die Vorzüge moderner Zweistrahlanlagen, bestehend aus einem massenseparierten fokussierten Ionenstrahl (FIB), einem Elektronenmikroskop (SEM) und einem Laser-gesteuerten Probentisch. Ein wesentlicher Fortschritt gegenüber bisherigen FIB/SEM Systemen ist die Nutzbarkeit von Legierungs-Ionenquellen, was den Einsatz unterschiedlichster Ionen ermöglicht und so die Bandbreite der Anwendungen im Bereich der Grundlagenforschung sowie im industriellen Sektor erheblich vergrößert. Der Anwendungs- und Markt-Ausbau soll mit diesem Projekt signifikant erweitert werden. Als exemplarische Zielrichtung wurden hier magnetische Nanostrukturen ausgewählt. Sie sind in der Informationstechnologie (IT) heutzutage von enormer Bedeutung und daher ständiger Optimierung unterworfen. Diese zielt zum einen auf eine zunehmende Miniaturisierung, zum anderen auf eine Erhöhung der Prozess-Geschwindigkeit ab, wobei die Anwendung dieser Spintronik einen wesentlichen Beitrag auch zur Energieeffizienz (Wärmeverringerung) leistet. Schwerpunkte bilden dabei die lokale Bearbeitung einzelner Nanostrukturen sowie die Herstellung und Bearbeitung von flächigen magnonischen Strukturen (magno­ni­sche Kristalle).

Abgeschlossene Projekte

Flüssigmetallquellen zur Bereitstellung von speziellen Ionenarten für Anwendungen in der Nano- und Quantentechnologie (11/2017 – 12/2019)

Förderkennzeichen: ZF4330902 DF7 

Die Firma Raith entwickelt Lithografie-Systeme zur Strukturierung und Herstellung von Bauelementen der nächsten Generation der Quanten- und Nano-Technologie. Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelt neuartige Ionenquellen für den Einsatz in Forschung und Entwicklung. Im beantragten Projekt werden beide Systeme zu einem neuartigen, industriell nutzbaren Ionenstrahl-Lithografie-System zur Strukturierung der Bauelemente der nächsten Quanten- und Nano-Technologie-Generation integriert. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines in seiner Architektur, Software und Leistungsfähigkeit einzigartigen Ionenstrahl-Lithographiesystems, das dank spezifischer Legierungs-Ionenquellen neue Anwendungen in der Nano- und Quantentechnik adressieren kann. Anlagentechnisch setzt die Entwicklung auf das bei Raith vorhandene Know how des ionLINE PLUS-Systems auf. Materialseitig werden vom HZDR die Legierungen AuGeSi, AuSiCr, AuBGeNi und GaBiLi auf ihre Spezifikas hinsichtlich des Einsatzes in dem neu zu entwickelnden Ionenstrahl-Lithographiesystems untersucht. Das Spektrum der untersuchten Materialien ergibt sich aus den Anwendungsszenarien die mit dem neuen FIB-System abzudecken sind.

Selbstorganisierte Oberflächenmuster auf Germanium durch schwere Clusterionen (01/2011 - 02/2014)

Förderkennzeichen: DFG Projekt FOR 845  BI 508 / 14-1

Ionenstrahlinduzierte Oberflächenstrukturen von bisher nicht erreichter Qualität wurden Ende 2009 am HZDR bei der Untersuchung der Oberflächenerosion von Ge mit schweren Bi2+ und Bi32+ Ionenclustern gefunden. Die neue Qualität betrifft die sehr gute Nahordnung und die große Amplitude der "Dot"-Muster, die für elementare Halbleiter deutlich über dem bisher erreichten liegt. Das implantierte Bi ist in den Dots angereichert. Auch ein qualitativer Sprung wird bei der Cluster-Ionenerosion beobachtet: Währen bei senkrechter FIB-Bestrahlung mit Bi+-Ionen die Ge-Oberflächenschicht die bekannte amorphe Schwammstruktur erhält, finden wir mit Bi32+-Clustern bei gleicher Energie pro Bi-Atom (> 10 keV) selbstorganisierte, kristalline "Dots", deren Abstand untereinander weniger als 50 nm beträgt und die 30-40 nm hoch sind. Diese Art der Selbststrukturierung wird also durch einen Bi-Clustereffekt dominiert, nicht durch Einzelatom-Ioneneinschläge. Im Gegensatz zur regulären Selbststrukturierung von Ge mit 3 - 4 nm flachen Löchern durch Beschuss mit 5 keV Ga-Einzelionen sind Modellvorstellungen, die zur Bradley-Harper- bzw. zur Kuramoto-Sivashinsky-Gleichung führen, im vorliegenden Fall nicht unmittelbar anwendbar. ...

Untersuchung leitfähiger Nanostrukturen auf ta-C - Schichten, hergetellt durch FIB-Lithografie (04/2010 – 08/2013)

Förderkennzeichen: DFG – Projekt BI 508 / 13-1

Durch gefilterte Vakuumlichtbogenabscheidung hergestellte tetrahedrale amorphe Kohlenstoff (ta-C)-Schichten mit einem hohen sp3-Gehalt wurden mittels Ga+ FIB-Bestrahlung modifziert. In Abhängigkeit der Fluenz kommt es zu einem Aufblähen der Oberfläche, verursacht durch die ioneninduzierte Umwandlung von sp3 zu sp2 hybridisierten Kohlenstoffatomen. Ein Model für das Aufblähen der Oberflächen von Diamant wurde auf ta-C - Schichten angewandt um das Aufblähen bis zu einer Fluenz von 1 x 1016 cm-2 abzuschätzen. Auf Grund des einsetzenden Sputterns wurden für höhere Fluenzen wurden TRYDIN Simulationen einbezogen um die experimentellen Daten zu reproduzieren. Van der Pauw - Strukturen wurden mittels Ga+ FIB-Lithografie hergestellt. Ein Absinken des Schichtwiederstandes mit ansteigenden Fluenzen auf Grund der Ausbildung graphitisierter Regionen wurde beobachtet. Ein Minimum von 290 Ω/ wurde bei einer Fluenz von 1.6 x 1017 cm-2 erreicht. Außerdem wurden leitende graphitsierte Drähte hergestellt. (Länge: 10 µm, Breite 300 nm to 5 µm). Der Drahtwiderstand lag zwischen 130 kΩ (5 µm Breite) und 3 GΩ (300 nm Breite). Ioneninduzierte Graphitisierung von ta-C - Schichten durch FIB-Bestrahlung ermöglicht potenziell die Herstellung leitfähiger Nanostrukturen in einem dünnen isolierenden Film.

Ga+ FIB-Implantation und selektives nasschemische Ätzen für 3D-Nanostrukturen (2010)

Mehr Informationen

Maskierungseffekte in Silizium während des nasschemischen und des Trockenätzens können erzielt werden, indem das Si-Substrat durch Implantation hoch dotiert oder mit Ionenstrahlen gezielt modifiziert wird. Der Maskierungseffekt tritt z.B. ein, wenn man eine mit Bor hochdotierte p+-Schicht erzeugt. Der gleiche Effekt wird bei entsprechender Dotierung mit Gallium erzielt. Für die Nano-Strukturierung von Si ohne die Verwendung lithografischer Schablonen ist Ga von besonderem Interesse, da dieses Element als Ion in den meisten FIB-Anlagen zur Verfügung steht. Die Ga+-FIB-Bestrahlung von Halbleitern für verschiedenste Anwendung ist heute eine etablierte Technik, wobei eine Fokusierung des Ionenstrahls von ca. 10 nm erreicht wird. Durch Kombination einer lokalen Ga+-FIB-Implantation in (100)Si mit nachfolgendem anisotropen und selektiven Nassätzen (z.B. in KOH) lassen sich 3D-Siliziumstrukturen mit Abmessungen im nm-Bereich herstellen. Dabei wird die starke Reduzierung der Ätzrate an den Ga+-FIB implantierten Gebieten bei Ga-Konzentrationen > 5x1019 cm-3 ausgenutzt.

Micro- und nanostructures by local FIB ion milling (2006)

FIB irradiation with Gaor other heavy ions, i.e. Ge+, Au+, rare earth-elements, allows the fabrication of surface patterned structures with defined geometrical dimensions by direct writing ion beam milling (sputtering). For example, nano-holes were milled into an AFM tip, which should act as an aperture for single ion implantation experiments. Furthermore, a lot of different thin magnetic films were patterned (locally modified or sputtered away to study magnetic properties on sub-micrometer or nanometer scale.

Ionenstrahlsynthese von Nanostukturen (07/2004 – 06/2006)

Förderkennzeichen: DFG – Projekt Schm 1490 / 6-1

Die lokale Implantation mit fokusierten Ionenstrahlen (FIB) mit nachfolgender Temperung wird untersucht, um Nanodrähte mit charakteristischen Abmessungen kleiner 100 nm zu synthetisieren. Silizid-Nanodrähte sind aufgrund ihres geringen spezifischen Widerstandes von Interesse für Leitbahnen in zukünftigen integrierten Schaltkreisen und für neue CMOS-kompatible Nanodraht-Bauelemente. So wird z.B. die Kobalt-FIB-Implantation eingesetzt, um die CoSi2-Nanodraht-Synthese in Silizium zu studieren. Zwei verschiedene Verfahren zur Herstellung der Nanodrähte werden dabei in Betracht gezogen: (a) die konventionelle Ionenstrahlsynthese durch 60 keV Co++ FIB Implantation bei erhöhter Probentemperatur in Si entlang der <110>-Kristallrichtung mit nachfolgender Temperung und (b) das selbst-gerichtete und Defekt-induzierte Wachstum von CoSi2-Nanodrähten in Si (mit einer übersättigten Festkörperlösung von Kobalt) durch FIB-Implantation bei Raumtemperatur und nachfolgende Temperung. Die mit den beiden Methoden hergestellten CoSi2-Nanodrähte haben Durchmesser im Bereich 20-100 nm und sind mehrere µm lang. Die Wachstumsstabilität langer Nanodrähte in Si hängt dabei empfindlich von der Genauigkeit der Ausrichtung der FIB-Implantationsspur relativ zur bevorzugten Wachstums-richtung in <110>-Kristallrichtung ab. Geringe Winkelabweichungen der FIB-Implantationsspur führen zum Zerfall des CoSi2 Nanodrahtes in längere und große Winkelabweichungen in kürzere Drahtfragmente (Nanopartikel). Die experimentellen Beobachtungen des Drahtwachstums, der Drahtstabilität und des Drahtzerfalls stimmen quantitativ sehr gut mit Ergebnissen von KLMC Simulationen überein, die in der Theoriegruppe unseres Institutes durchgeführt werden.

Defektbildung und dynamische Ausheilung bei FIB-Implantation (06/1996 – 02/2000)

Förderkennzeichen: DFG – Projekt Te 250 / 1-1 

Bei der FIB Implantation kann die Ionenstromdichte (bzw. der Ionenfluss) über 6 Größenordnungen geändert werden, indem die Scan-Geschwindigkeit des Ionenstrahls variiert wird. Im quasi-stationären Fall kann eine Ionenstromdichte von 10 A/cm2 erreicht werden. Wird der Strahl schnell über die Probe gescannt (Pixel-Verweilzeit < 1 µs), kann die Ionenstromdichte in den Bereich von µA/cm2 abgesenkt werden. In Zusammenarbeit mit der Theoriegruppe unseres Institutes wurden in einem großen Bereich des Ionenflusses die Mechanismen der Defektbildung und des dynamischen Ausheilens in Si, Ge und SiC in Abhängigkeit von der Implantationstemperatur untersucht.

Alle Publikationen

Abschlussarbeiten, Patente

Aktuelle Publikationen

2020

Conductive ITO interfaces for optoelectronic applications based on highly ordered inverse opal thin films

L. Galle, S. Ehrling, S. Lochmann, S. Kaskel, L. Bischoff, J. Grothe


Sputtering of nanostructured tungsten and comparison to modelling with TRI3DYN

R. Stadlmayr, P. S. Szabo, D. Mayer, C. Cupak, T. Dittmar, L. Bischoff, S. Möller, M. Rasinski, R. A. Wilhelm, W. Möller, F. Aumayr

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  • Zweitveröffentlichung erwartet ab 07.02.2021

Boron Liquid Metal Alloy Ion Sources for Special FIB Applications

L. Bischoff, N. Klingner, P. Mazarov, W. Pilz, F. Meyer

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Morphology modification of Si nanopillars under ion irradiation at elevated temperatures: plastic deformation and controlled thinning to 10 nm

X. Xu, K.-H. Heinig, W. Möller, H.-J. Engelmann, N. Klingner, A. Gharbi, R. Tiron, J. Borany, G. Hlawacek

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2019

P1803 - Teilchenspektrometer und Teilchenspektrometrieverfahren

N. Klingner, R. A. Wilhelm

  • Patent
    DE102018106412 - Offenlegung 26.09.2019

Stationary beam full-field transmission helium ion microscopy using sub-50 keV He+: Projected images and intensity patterns

M. Mousley, S. Eswara, O. de Castro, O. Bouton, N. Klingner, C. T. Koch, G. Hlawacek, T. Wirtz


Lithium Ion Beams from Liquid Metal Alloy Ion Sources

W. Pilz, P. Mazarov, N. Klingner, S. Bauerdick, L. Bischoff

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Time-of-flight secondary ion mass spectrometry in the helium ion microscope

N. Klingner, R. Heller, G. Hlawacek, S. Facsko, J. von Borany

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2018

P1709 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Ionenpulsen

R. A. Wilhelm, N. Klingner, S. Facsko

  • Patent
    DE102017218456 - Erteilung 22.11.2018

Review Article: Review of electrohydrodynamical ion sources and their applications to focused ion beam technology

J. Gierak, P. Mazarov, L. Bruchhaus, R. Jede, L. Bischoff

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Electronic-skin compasses for geomagnetic field driven artificial magnetoception and interactive electronics

G. S. Cañón Bermúdez, H. Fuchs, L. Bischoff, J. Fassbender, D. Makarov

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Site-controlled formation of single Si nanocrystals in a buried SiO₂ matrix using ion beam mixing

X. Xu, T. Prüfer, D. Wolf, H.-J. Engelmann, L. Bischoff, R. Hübner, K.-H. Heinig, W. Möller, S. Facsko, J. von Borany, G. Hlawacek


Modelling of focused ion beam induced increases in sample temperature: a case study of heat damage in biological samples

A. Wolff, N. Klingner, W. Thompson, Y. Zhou, J. Lin, Y. Y. Peng, J. A. M. Ramshaw, Y. Xiao


Swift heavy ion shaping of oxide-structures at (sub)-micrometer scales

R. Ferhati, S. Amirthapandian, M. Fritzsche, L. Bischoff, W. Bolse

Downloads:

  • Zweitveröffentlichung erwartet

Magnetosensitive e-skins with directional perception for augmented reality

G. S. Cañón Bermúdez, D. D. Karnaushenko, D. Karnaushenko, A. Lebanov, L. Bischoff, M. Kaltenbrunner, J. Fassbender, O. G. Schmidt, D. Makarov


Enhancements in full-field PIXE imaging - large area elemental mapping with increased lateral resolution devoid of optics artefacts

J. Buchriegler, N. Klingner, D. Hanf, F. Munnik, S. H. Nowak, O. Scharf, R. Ziegenrücker, A. D. Renno, J. von Borany


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Dr. Lothar Bischoff

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Ionen­induzierte Nano­struk­turen
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