Entwicklung einer ionenoptischen Säule mit Booster-Prinzip zur Erzeugung einer niederenergetischen Rasterionensonde

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird aufbauend auf der Dissertation von M. Rauscher „Development of an Advanced Low Energy Focused Ion Beam System Based on Immersion Optics“ (Eberhard-Karls-Universität Tübingen, 2006) eine ionenoptische Säule mit Booster-Prinzip zur Erzeugung einer niederenergetischen Rasterionensonde entwickelt. Ein derartiges System erlaubt es abhängig von der gewählten Landeenergie zum einen, Probenmaterial mit rentabeln Bearbeitungszeiten ortsgenau abzutragen, ohne die umliegende Probe merklich zu schädigen, und zum anderen, ortsgenau Material auf der Probe abzulagern. Mit Hilfe ausführlicher Simulationen werden prinzipielle Designentscheidungen bezüglich der Komponenten der ionenoptischen Säule getroffen, die optimale Systemkonfiguration für eine Landeenergie von 1, 2 und 3 keV bestimmt und ein Vorgehen für die reale Systemjustage entwickelt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf einer realistischen Beschreibung der Coulomb-Wechselwirkung, die im Fall einer niederenergetischen Rasterionensonde einen wesentlichen Einfluss auf das erreichbare Auflösungsvermögen ausübt. Ausgehend von diesen Ergebnissen werden allgemeine Designregeln für niederenergetische Systeme, in denen die Coulomb-Wechselwirkung einen großen Einfluss hat, abgeleitet. Anschließend werden sowohl die mit Hilfe der Simulationsergebnisse entworfenen Komponenten der ionenoptischen Säule (die Ventil- und Aperturblendeneinheit, der Rasterdoppelablenker mit überlagertem Justageablenker und Stigmator sowie die Objektivlinse) als auch der Laboraufbau selbst erläutert. Den Abschluss bilden die experimentellen Ergebnisse für eine Landeenergie von 1, 2 und 3 keV, die mit den entsprechenden Simulationen verglichen werden.

In this study, based on the dissertation of M. Rauscher „Development of an Advanced Low Energy Focused Ion Beam System Based on Immersion Optics“ (Eberhard-Karls-Universität Tübingen, 2006) an ion optical column with booster principle for generation of a low-energy scanning ion probe is developed. Depending on the selected landing energy, such a system allows both precise removal of sample material with profitable processing times without damaging the surrounding sample appreciably and precise deposition of material on the sample. By means of elaborate simulations basic design decisions concerning the components of the ion optical column are made, the optimum system configuration for a landing energy of 1, 2 and 3 keV is determined and a method for the adjustment of a real system is developed. The main focus is directed towards a realistic description of the Coulomb interaction, which has significant influence on the achievable resolution in case of a low-energy scanning ion probe. Based on these results general design rules for low-energy systems, in which the Coulomb interaction has a great influence, are derived. Subsequently, both the designed components of the ion optical column (the column unit containing the vacuum valve and the adjustable aperture, the two-stage scanning deflector with superimposed alignment deflector and stigmator as well as the objective lens) and the experimental setup are presented. The study concludes with experimental results for a landing energy of 1, 2 and 3 keV, which are compared with the corresponding simulations.