Fokussierte Ionenstrahlen

Edwin Hall

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse- und bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"?

Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:

• das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
• das gezielte Abtragen des Targetmaterials

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

Physikalischer Hintergrund

a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike

Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 $\AA$ tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

• Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, $M_{ion} << M_{atom}$ oder bei niedrigen Ionenenergien $E_0 < 1keV$ statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
• Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < $E_0$ < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
• Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie $E_0$ > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.