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.