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Fraunhofer Allianz Nanotechnologie
 

  Integration einer gesteuerten Elektronenquelle in eine Rasterkraftsonde

Eine Technik, die neben den konventionellen lithographischen Strukturierungsmethoden am IISB in Erlangen angewandt und weiterentwickelt wird, beruht auf der Anwendung von Ionen- und Elektronenstrahlen. Fokussierte Ionen- und Elektronenstrahlen, mit Strahldurchmessern von wenigen Nanometern, ermöglichen sowohl durch Materialabtrag als auch durch die Abscheidung verschiedenster Materialien die Herstellung kleinster Strukturen. Die der Materialbearbeitung zu Grunde liegenden Prozesse beruhen auf der Wechselwirkung der Elektronen und Ionen mit den Atomen des zu bearbeitenden Materials, bei denen in mikroskopischen Stoßprozessen durch auftreffende Ionen auf Substratatome Energie übertragen wird und zu Materialabtrag führt, der durch die Verwendung spezieller Ätzgase verstärkt werden kann. Gasinduzierte Prozesse bilden ebenfalls die Grundlage für die Abscheidung von Materialien mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften sowohl durch fokussierte Ionen- als auch Elektronenstrahlen.

Spitze einer Rasterkraftsonde
Bild 1: Verbesserung des Aspektverhältnisses einer Rasterkraftsonde durch die Materialbearbeitung mit fokussierten Ionenstrahlen.

 

Ein Beispiel für Nanostrukturen, die weltweit bereits in ca. 10 000 Anlagen Anwendung finden, sind Rastersonden. Seit der Erfindung der Rastertunnelmikroskopie hat die Rastersondentechnik, bei der verschiedenste Nanosonden verwendet werden, um Material- und Oberflächeneigenschaften bis in den Sub-Nanometer Bereich abzutasten, einen ungeheuren Aufschwung genommen. Mittels fokussierter Teilchenstrahlen können diese Sonden gezielt bearbeitet und speziell für den jeweiligen Anwendungsbereich optimiert werden. Bild 1 zeigt eine Rasterkraftsonde, deren Aspektverhältnis durch den Materialabtrag mittels fokussierter Ionenstrahlen deutlich verbessert wurde.

Metallpunkte-Matrix
Bild 2: Matrix von 494 mittels Elektronenstrahl abgeschiedener Metallpunkte (Platin-Nano-dots) als Keimzellen für die Schichtabscheidung.

 

Dieses Bearbeitungsbeispiel zeigt, daß die Materialbearbeitung mit einer hohen lateralen Genauigkeit von wenigen Nanometern ausgeführt werden kann. Bild 2 zeigt ein Feld mit 494 identischen Nanostrukturen, die mittels elektronenstrahlinduzierter Materialabscheidung hergestellt wurden. Diese Strukturen, mit einer Höhe von 80 nm und einem Durchmesser von 90 nm, dienen als Keimzellen für die Schichtabscheidung von Nanokristalliten für elektronische Speicher.

  Integration einer gesteuerten Elektronenquelle in eine Rasterkraftsonde

Das Bild 3 unten zeigt eine miniaturisierte, gesteuerte Elektronenquelle, die in die Spitze einer Silicium Rasterkraftsonde integriert wurde. Diese Kombination ermöglicht es, mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskopes einen Emitter für niederenergetische Elektronen mit hoher lateraler Präzision in einem sehr geringen Abstand zur Probenoberfläche zu positionieren. Die Elektronenquellen wurden mittels fokussierter Ionen- und Elektronenstrahlen hergestellt. Die Einsatzspannung für Feldemission beträgt für diese Strukturen 40 V. Die Stabilität der Elektronenemission wurde gleichzeitig an acht Emitter-Gate Strukturen gemessen. Bei einer Gatespannung von 70 V betrug die Fluktuation eines Emissionsstroms von 0,3 µA / Emitter über einen Zeitraum von acht Stunden weniger als 20 %.

AFM-Sonde mit Plateau-Spitze
Bild 3: Rasterelektronenmikroskop Bild einer AFM-Sonde mit Plateau-Spitze
und integriertem Feldemitter (Höhe: 1 µm; Durchmesser: 80 nm).

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