Strahlprofil und Nanoporen

Ausgehend von den Überlegungen in Abschnitt 3.3 wurde in dieser Arbeit experimentell un-tersucht, in welchem Maße die Membranzusammensetzung durch den Ga⁺-Ionenstrahl verän-dert wird. Dazu wurde eine Membran mit Paaren gleich großer FIB-Schnitte strukturiert. Ein Schnitte-Paar besteht jeweils aus einem mit Liniendosis in einem Zyklus strukturiertem Schnitt und einem mit Flächendosis in 100 Zyklen strukturiertem Schnitt, wie in Abbildung 4.2 skizziert ist. Die Paare wurden mit verschiedenen Blenden und entsprechend anderen Io-nenströmen geschrieben. Für eine Blende (Ionenstrom 200 pA), die am meisten für Struktu-rieren eingesetzt wird, wurde zusätzlich die deponierte Ionendosis variiert, und zwar die Lini-endosis ebenso wie die FlächLini-endosis. Anschließend wurde für alle Schnitte mit EDX senk-recht zur Schnittrichtung ein Linienprofil der Zusammensetzung der Membran erstellt. Zwei Beispiele der EDX-Linienprofile sind in Abbildung 4.3 dargestellt.

Wie zu erwarten, befindet sich direkt an der Schnittkante Gallium in der Membran. Das Gal-lium-Signal fällt bei allen Schnitten innerhalb von 1 µm Abstand zur Schnittkante auf die Stärke des Untergrundsignals ab. Die EDX-Auflösung ist ungefähr 0,5 µm und erlaubt somit nicht die genaue Strahlprofilbestimmung in den Fällen, in denen die Strahlflanken schmaler als 0,5 µm sind. Es kann aber die Aussage gemacht werden, dass bei denjenigen Schnitten, die mit auf mehrere Zyklen verteilter Flächendosis präpariert wurden, die mit Ga kontaminier-ten Bereiche schmaler als 0,5 µm (bezogen auf die Nachweisgrenze mittels EDX) sind. Hin-gegen ist bei den mit Liniendosis erzeugten Schnitten implantiertes Gallium bis zu 0,7-0,8 µm Entfernung vom Schnitt nachweisbar. Die geringere Ausdehnung der Ga-Implantation bei den flächig erzeugten Schnitten lässt sich auf die mäanderförmige Bewegung des Ionenstrahls

EDX

Variation der Linien- oder Flächendosis

SiN-Membran Abbildung 4.2: Schnitte-Paare in

SiN-Membran - jeweils ein mit Liniendosis in einem Zyklus strukturierter Schnitt und ein mit Flächendosis in 100 Zyk-len strukturierter Schnitt. Entlang der grünen Linie wurde ein EDX-Profil aufgenommen.

a) b)

Abbildung 4.3: EDX-Linienprofile von zwei FIB-Schnitten in einer Cr-beschichteten SiN-Membran:

a) geschnitten mit einem schnellen Scan mit Liniendosis; b) geschnitten mit Mäanderscan in 100 Zyk-len als 3 µm breite Fläche.

zurückführen, denn bei dieser Bewegung ist die Mitte des Ionenstrahls im Mittel weiter von der Schnittkante entfernt als wenn der Ionenstrahl in einem Zyklus entlang der Schnittlinie bewegt wird. Somit ist das flächige, mäanderförmige Schneiden die Strukturierungs-Methode, mit der sich die Ionenimplantation und ihre Konsequenzen reduzieren lassen.

Informationen über das Strahlprofil werden auch aus dem Sputtern kleiner Löcher gewonnen.

Durch die Betrachtung der gesputterten Löcher erhält man einen Wert für den Strahldurch-messer. Die Ausdehnung des hell erscheinenden Halo um die Löcher korreliert mit der Breite der Flanken des Strahls. Die Kreissymmetrie des Halos ist dabei ein Indiz für die Güte der Fokussierung des FIB bzw. für den Einfluss von Astigmatismus und/oder Koma. Ein kreis-runder Halo deutet auf eine gut justierte Ionenoptik hin. So ist die schnelle und einfache Pro-zedur, Löcher zu schießen und zu inspizieren, zur alltäglichen Strahlkontrolle-Methode ge-worden. Das funktioniert selbstverständlich auch für Bulk-Material.

Bei der Strahlkontrolle auf SiN-Membranen wurde ein interessanter Effekt beobachtet, der sehr ähnlich ist zu dem, was Li et al. 2001 in Nature [Li01] berichteten. Li et al. bestrahlten mittels FIB eine freistehende SiN-Membran mit 3 keV Ar⁺-Ionen und erzeugten so Mem-branöffnungen (Poren) von 60 nm Durchmesser. Die überraschende Beobachtung war, dass diese Poren während des weiteren Ionenbeschusses schrumpften – siehe Abbildung 4.4. Bei ausreichender Dosis schließen sich die Poren ganz, was durch den auf Null sinkenden Ar⁺-Ionen-Strom durch die Poren bestätigt wird. Der Effekt ist bei Beschuss mit gepulstem

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 100 200 300

Ga-Intensität, willk. Einh.

Position auf Membran, µm

0 1 2 3 4 5 6

0 100 200 300 400

Ga-Intensität, willk. Einh.

Position auf Membran, µm

Abbildung 4.4: TEM-Bilder aus [Li01]:

a) Mit dem FIB in eine 500 nm dicke SiN-Membran durchgearbeitete Öffnung, b) die-selbe Öffnung, die sich durch weiteres Be-strahlen geschlossen hat.

a) b)

Ionenstahl ausgeprägter als mit kontinuierlichem Strahl. Die Autoren erklären das Verschlie-ßen der Poren durch die Bildung einer sehr dünnen (~10 nm) Schicht, die von einem FIB-induzierten lateralen atomaren SiN-Fluss in Richtung Pore erzeugt wird. Sich selbstschließen-de Poren wurselbstschließen-den von Li et. al. erfolgreich für DNA-Untersuchungen eingesetzt und sind seit-dem ziemlich schnell beliebt geworden. In der letzten Dekade werden sie in physikalischen und bio-medizinischen Forschungsbereichen als nanoporenbasierte-Biosensoren (für z.B. Ein-zelmolekül-Nachweis) verwendet [Li01, Geor10].

Im Rahmen dieser Arbeit wurden SiN-Membranen der Dicke D = 100 nm mit 30 keV Ga⁺ -Ionen bestrahlt. Die Membranen waren mit Chrom oder Gold oder mit Chrom und Gold be-schichtet. Die Metallschichtdicke variierte zwischen 10 nm und 40 nm. Strukturiert wurde mit 45 pA Ionenstrom. Poren mit 50 nm bis 140 nm Durchmessern wurden im Spot-Mode er-zeugt. Während der weiteren FIB-Einwirkung verkleinert und verschließt sich ein Teil der Poren. Ähnlich wie bei Li mit gepulstem Strahl schließen sich kleine runde Poren, wenn der Stahl rasch aus dem Fokus und zurück gebracht wird – ein Beispiel ist in der unteren Reihe der Abbildung 4.5 gezeigt. Die Poren werden kleiner und schließen sich auch dann, wenn sie gemeinsam mit der Umgebung (einige µm²) gleichmäßig bestrahlt werden. Allerdings ist es in diesem Fall nicht einfach, die entsprechende Ionendosis zu bestimmen, da eine nur geringfü-gig zu große Dosis die dünne Schicht in der Pore wieder zerstört.

EDX-Untersuchungen zeigten, dass der Effekt des Schrumpfens nur auftritt, wenn die Ionen-dosis groß genug ist, um die Metallschicht komplett zu entfernen und das Siliziumnitrid anzu-greifen. Somit spielen Beschichtungs-Material und -Dicke hier keine Rolle. Für Membranen mit 100 nm Dicke und einen 45 pA Ga⁺-Strahl mit Uacc = 30 keV wurde ein kritischer Poren-Durchmesser von 90 nm gefunden. Bei etwas größeren Anfangsdurchmessern werden Poren erst kleiner, schließen sich aber nicht komplett sondern werden bei weiterem Ionenbeschuss wieder größer. Poren mit Durchmessern ab 140 nm wachsen kontinuierlich. Für Poren mit einem anfänglichen Durchmesser von 50 nm gelingt es, bis zu 90 % der Poren zu schließen.

Der erzielte Porendurchmesser hängt von Stärke und Dauer des Ionenbeschusses ab. Abbil-dung 4.6 zeigt eine Reihe von Poren, die anfänglich gleichen Durchmesser und gleiche Form hatten und danach, ausgenommen die Referenzpore ganz links, mit steigenden Flächendosen bestrahlt wurden (im Bild von links nach rechts). Bei kleinster Zusatzdosis (Nummer 1 in Abbildung 4.6) beobachtet man eine deutliche Verkleinerung der Pore, alle Poren zeigen da-bei eine Veränderung ihrer Form in Richtung besserer Kreisförmigkeit.

Abbildung 4.5: Zeitliche Se-quenz von FIB-Bildern zweier Poren mit verschiedenen Ausgangsdurchmessern, die mit gepulstem Strahl 5 Minu-ten weiter bestrahlt wurden.

Die obere Pore ist ca.140 nm breit und wird immer größer.

Die untere Pore ist ca. 60 nm breit und schließt sich.

200 nm

In den letzten Jahren zeigt sich ein steigendes Interesse an Nanoporen. Es wurde quantitativ untersucht, wie der Porendurchmesser von Anfangsdurchmesser, Ionenstrom und Zeit ab-hängt. Dabei wurde ein Memory-Effekt beobachtet, d.h. Poren gleicher aktueller Größe schlie-ßen sich umso schneller, je kleiner sie anfänglich waren [Geor10, Lieb11]. Es ist inzwischen möglich, Poren gewünschter Größe kontrolliert herzustellen. Dabei gibt es noch offene Fra-gen, z.B. lässt sich die Topographie des Materials, welches die Pore verschließt, theoretisch vorhersagen, aber es gibt noch keine Möglichkeit, diese Topographie zu messen. Dement-sprechend gibt es noch viel Raum für weitere Forschung auf diesem Feld.