Die Mischung macht's

In fokussierten Ionenstrahlsystemen (FIB – focused ion beam) werden ionisierte Atome mit Energien im keV-Bereich auf eine Probe beschleunigt, wo sie auf vielfältige Weise mit der Oberfläche wechselwirken. Diese Anlagen sind in der modernen Mikro- und Nanotechnologie nicht mehr wegzudenken. Mit ihnen werden zum Beispiel Proben für Transmissionselektronenmikroskopie- (TEM-) Lamellen hergestellt. Oder sie werden bei lokalen Strukturierungsprozessen eingesetzt. Dabei werden fast ausschließlich Gallium-Flüssigmetall-Ionenquellen – sogenannte LMIS (liquid metal ion sources) – eingesetzt. Diese können nach dem Ausheizvorgang sehr einfach ohne weitere kontinuierliche Heizung bei Raumtemperatur betrieben werden.

Eine vielversprechende Alternative zu den reinen Metallen stellen Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquellen (LMAIS) dar. Diese können den Anwendungsbereich von fokussierten Ionenstrahlen in FIB-Systemen deutlich ausdehnen und speziell im Forschungs- und Entwicklungsbereich weitere komplementäre Applikationsfelder auf unterschiedlichsten Materialsystemen erschließen.

Neben Neuentwicklungen, wie dem Helium-Mikroskop oder den Xenon-FIBs, gibt es viele Anwendungen in der Nanofabrikation, die dieses erweiterte Ionenangebot benötigen, wie beispielsweise die lokale Ionen-Implantation, die Ionenstrahlsynthese und -mischung, die Funktionalisierung von Oberflächen in Nanometer-Dimensionen und die FIB-gestützte Selbstorganisation von Nanostrukturen. Auch als chemischer Reaktionspartner bei Prozessgasstrukturierungen oder bei der Lithographie finden solche Ionen Verwendung.

Mittlerweile steht fast die Hälfte aller bekannten Atome für FIB-Technologien zur Verfügung. Davon kann unter anderem auch die ionenstrahlgestützte Nanostrukturierung stark profitieren. Wechselwirkungseigenschaften anderer ionisierter Atome können damit auch bei diesen Techniken zum Tragen kommen. Im Vergleich zur derzeit hauptsächlich für laterale Nanostrukturierungstechnik eingesetzten Elektronenstrahllithographie ergeben sich bei Verwendung von Ionen zusätzliche Möglichkeiten. So ermöglicht diese eine Nanobauelement-Herstellung in einem Arbeitsschritt, eine Prozessvereinfachung durch Lackfreiheit, den Zugang zur dritten Dimension und die Möglichkeit der simultanen in-situ-Prozesskontrolle.

Mit Hilfe verschiedener beschleunigter und fokussierter ionisierter Atome kann die Probenoberfläche physikalisch, chemisch, elektronisch, magnetisch oder auch mechanisch signifikant verändert werden, wodurch Nanostrukturen für eine Vielzahl von Anwendungen und Materialsystemen erstellt werden können. Zu den Eigenschaften der neuen Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquellen zählen eine hinreichende Lebensdauer, eine hohe „Helligkeit“ – also Stromdichte innerhalb eines kleinen Raumwinkels – sowie eine große Stabilität des Strahlstroms.

Von besonderem Interesse sind auf der Grundlage metallischer Gläser hergestellte LMIS, wie Legierungen aus Gold und Germanium bzw. Silicium (AuGe oder AuSi). Diese Materialien bieten nach einer Massenseparation in der ionenoptischen Säule des FIB-Systems die Möglichkeit, sowohl sehr leichte als auch sehr schwere Ionen unmittelbar nacheinander ohne Wechsel der Quelle einzusetzen. Auch lassen sich in diese stabilen Legierungen weitere Elemente, wie Berillium oder Mangan, problemlos integrieren. Wichtig für den Betrieb solcher Quellen ist auch, dass in den eingesetzten eutektischen Legierungen, also in solchen mit eindeutig bestimmbaren Schmelzpunkt, die Schmelztemperatur relativ niedrig, nämlich unter 400°C ist. Darüber hinaus müssen sie einen kleinen Dampfdruck haben, um das Verdampfen des Materials in der Quelle zu minimieren. In der Optoelektronik gewinnen auch Ionenquellen für seltene Erden, wie Neodym oder Erbium, immer mehr an Bedeutung.

Der Betrieb der neuen Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquellen LMAIS ist allerdings anspruchsvoller als der einfacher Ga-LMIS. So muss beispielsweise die Temperatur genau kontrolliert werden und der Massenseparator exakt eingestellt sein. Die Möglichkeiten, die insbesondere in der Forschung mit den neuen Quellentypen erschlossen werden können, lassen diesen Mehraufwand gering erscheinen.

Raith / LK