Development of an advanced low energy focused ion beam system based on immersion optics

Abstract

In this study an advanced approach towards low energy focused ion beam (FIB) system design and operation based on the use of immersion optics is presented. The system performance in terms of obtainable resolution for a given beam current has been investigated both theoretically as well as experimentally using a newly developed ion beam column. A thorough aberration-optical analysis has been carried out, which comprised the calculation of first-order optical properties and aberration coefficients of individual optical components as well as of the overall system. The results of this analysis have been used as a guideline for the layout and the choice of the favourable operation mode of the experimental test setup. Additionally, the impact of mutual Coulomb interactions on the thus predicted system performance has also been considered using numerical simulation tools. Methods have been developed to provide an objective measure for quantifying these interaction effects, and it has been shown that the latter may indeed be considered to have a limiting influence for the achievable probe size in the experimental setup. In parallel to these theoretical investigations, the practical realisation of the ion beam system was initiated. A reliably operating ion beam column has been developed, that - due to the envisaged operation mode - differs considerably from standard FIB setups. All mechanical system components have thus been newly developed, with some, e.g. the ion gun, having already been redesigned during the course of this study to provide improved functionality. Here the experience gained from early experimental data - obtained with purpose-built test setups - could be beneficially employed. Additionally, for the manufacturing of the air-tight joints between metals and insulator ceramic required for the isolation valve, the method of vacuum brazing was successfully introduced. Furthermore, to enable the above mentioned immersion operation, a number of dedicated power supplies has been designed and realised. Using dedicated measurement instrumentation, the performance of the low energy focused ion beam system has also been investigated experimentally. Probe sizes of 450 nm at 2 keV landing energy and 350 nm at 3 keV landing energy, respectively, have been obtained at beam currents of approximately 100 pA. The measurements thus deviate by a factor of about two from predicted data. Improved experimental data are expected to be obtained by further improving the existent system alignment concept.

In dieser Arbeit wird ein Ansatz zum Aufbau und dem Betrieb eines niederenergetischen feinfokussierten Ionenstrahlssystems auf der Basis einer Immersionsoptik vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des Systems (im Sinne des erreichbaren Sondendurchmessers für einen gegebenen Strahlstrom) wurde sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Den Startpunkt bildete eine detaillierte Analyse des Systems auf Grundlage aberrationsoptischer Betrachtungen, welche die Berechnung der optischen Eigenschaften einzelner Komponenten als auch des Gesamtsystems (bis zur dritten Ordnung) beinhaltet. Die Ergebnisse dieser Berechnungen wurden als Richtlinie beim Entwurf und der Wahl des Betriebsmodus des experimentellen Aufbaus verwendet. Zusätzlich wurden numerische Simulationen zum Einfluss der Coulomb-Wechselwirkung auf die erwarteten Systemdaten durchgeführt und Methoden zur verlässlichen Quantifizierung der Wechselwirkungseffekte entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass letztere einen limitierenden Einfluss auf den erreichbaren Sondendurchmesser des experimentellen Aufbaus haben. Parallel zu den theoretisch-rechnerischen Betrachtungen wurde mit der praktischen Umsetzung des Ionenstrahlsystems begonnen. Es wurde eine verlässlich arbeitende Ionensäule entwickelt, die aufgrund des gewählten Betriebsmodus in ihrem Aufbau deutlich von herkömmlichen Standardsystemen abweicht. Alle mechanischen Komponenten wurden speziell entworfen und einige, wie z.B. der Strahlkopf, im Verlaufe dieser Arbeit bereits weiterentwickelt, um eine verbesserte Funktionalität zu erreichen. Hierbei diente die experimentelle Erfahrung, welche mit speziell entworfenen Messaufbauten schon früh gewonnen werden konnte, als wertvolle Informationsquelle. Des Weiteren konnte die spezielle Methode des Vakuumhartlötens auf die Herstellung vakuumdichter Verbindungen zwischen Metallen und Isolatorkeramik, wie sie für das Säulentrennventil benötigt wird, erweitert werden. Um den Betrieb der Säule im Immersionsmodus zu ermöglichen, wurden mehrere Spannungsversorgungen neu entworfen. Die Leistungsfähigkeit des Ionenstrahlsystems wurde experimentell geprüft. Die gemessenen Sondendurchmesser betragen 450 nm bei 2 keV Landeenergie und 350 nm bei 3 keV Landeenergie (Sondenstrom jeweils ca. 100 pA). Diese Ergebnisse weichen damit um etwa einen Faktor zwei von den theoretisch vorhergesagten Werten ab. Verbesserte experimentelle Ergebnisse sind durch eine Erweiterung des bestehenden Justagekonzepts zu erwarten.