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Dr. Lothar Bischoff

Nanostructures by focused electrons and ions
Liquid Metal Alloy Ion Sources
Ion Induced Nanostructures
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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, Si_xGe_1-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.

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Massenspektren einer GaBi Legierungs- Flüssigmetallionenquelle als Funktion des Ionenemissionsstromes

(Klicken zum Vergrößern)...

Halbwertsbreite der Energieverteilung für verschiedene Ionenarten als Funktion von deren Masse und Ladungszustand. Der Emissionsstrom beträgt jeweils 15 µA.