Published December 7, 2016 | Version v1
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Development of a Versatile High-Brightness Electron Impact Ion Source for Nano-Machining, Nano-Imaging and Nano-Analysis

Description

High brightness low energy spread (ΔE) ion sources are needed for focused ion beam nano-applications in order to get a high lateral resolution while having sufficiently high ion beam currents to obtain reasonable erosion rates and large secondary electron/ion yields. The objectives of this thesis are: the design of an electron impact ion source, a reduced brightness Br of 103 - 104 A m-2 sr-1 V-1 with an energy distribution spread ΔE ∼≤ 1 eV and a versatile ion species choice. In a first evaluated concept an electron beam is focused in between two parallel plates spaced by ≤ 1 mm. A micron sized ionisation volume is created above an extraction aperture of a few tens of μm. By using a LaB6 electron emitter and the ionisation region with a pressure around 0.1 mbar, Br is close to 2x102 A m-2 sr-1 V-1 with source sizes of a few μm, ionic currents of a few nA for Ar+/Xe+/O2+ and the energy spread being ΔE < 0.5 eV. The determined Br value is still below the minimum targeted value and furthermore the main difficulty is that the needed operation pressure for the LaB6 emitter cannot be achieved across the compact electron column and therefore a prototype has not been constructed. The second evaluated source concept is based on stopping a 100 eV high current electron beam within a 1 V/mm retarding field ionisation region kept at a pressure of 0.1 mbar. Ion currents up to hundreds of μA are created within an ionisation volume of mm dimensions. In order to obtain an efficient ion extraction, which is done coaxially to the electron beam, and keep the ion beam source size in the μm range a radio frequency ion carpet is used to funnel the ions through a central 1 mm opening followed by an extraction aperture of 100 μm in diameter. The determined Br is in the lower 102 A m-2 sr-1 V-1 range for Ar+ ions with ΔE ≅ 3 eV. The reduced brightness is lower than the original goal but a few μA of ion beam current are available and ΔE is in the same order of magnitude as the objective. Experimental prototype tests have shown that the argon ion extraction is clearly raised by using the radio frequency ion carpet. Unfortunately, the measured ion currents are still one or two orders of magnitude below the μA range. Further optimisations to further enhance the source performance have been identified and will be implemented in the future. (author)

Abstract (French)

Les nano-applications utilisant des faisceaux d'ions focalises necessitent des sources d'ions a haute brillance avec une faible dispersion en energie (ΔE) ce qui permet une excellente resolution laterale et un courant d'ions suffisamment eleve pour induire des vitesses d'erosion raisonnables et des rendements eleves d'emission electronique et ionique. Les objectifs de cette these sont le developpement d'une source d'ions basee sur l'impact electronique ayant une brillance reduite Br de 103 - 104 A m-2 sr-1 V-1, une dispersion en energie ΔE ∼≤ 1 eV et un choix polyvalent d'ions. Le premier concept evalue consiste a focaliser un faisceau d'electrons a une energie de 1 keV entre deux electrodes paralleles distant de moins d'un millimetre. Le volume d'ionisation 'micrometrique' est forme au-dessus d'une ouverture d'extraction de quelques dizaines de μm. En utilisant un emetteur d'electrons LaB6 et une pression de 0.1 mbar dans la region d'ionisation, Br est proche de 2x102 A m-2 sr-1 V-1 avec des tailles de source de quelques μm, des courants de quelques nA pour Ar+/Xe+/O2+ et une dispersion en energie ΔE < 0.5 eV. La brillance reduite Br est encore en dessous de la valeur minimum de notre objectif et la pression de fonctionnement tres faible necessaire pour l'emetteur LaB6 ne peut etre obtenue avec une colonne d'electrons compacte, donc ce prototype n'a pas ete construit. Le deuxieme concept evalue est base sur un faisceau d'electrons a fort courant et de 100 eV d'energie qui est arrete dans une region d'ionisation sous une pression de 0.1 mbar et ayant un champ electrique decelerateur de 1 V/mm. Des courants d'ions de quelques 100 μA sont produits dans un volume d'ionisation millimetrique. Afin d'extraire efficacement les ions de facon coaxiale au faisceau electronique et de garder des tailles de source dans le domaine du μm, un element special d'optique ionique radio-frequence nomme 'RF Ion Carpet' est utilise pour guider les ions vers un canal central d'un mm suivi d'une extraction de 100 μm d'ouverture. La brillance reduite Br est determinee autour de 102 A m-2 sr-1 V-1 ce qui est inferieur a notre objectif initial pour un faisceau d'Ar+ avec une dispersion ΔE ≅ 3 eV qui est dans le meme ordre de grandeur que l'objectif et un courant d'ions de quelques μA qui compense la faible brillance et une dispersion en energie un peu elevee. Des etudes experimentales avec un prototype de la source d'ions ont montrees que l'extraction d'ions d'argon est clairement amelioree en utilisant le dispositif 'RF Ion Carpet'. Malheureusement, les courants d'ions mesures sont actuellement encore un a deux ordres de grandeur en dessous de la gamme du μA. Des moyens d'optimisation pour ameliorer d'avantage les performances de la source ont ete identifies et vont etre integres dans le futur. (auteur)

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Original title (English)
Developpement d'une source d'ions polyvalente a haute brillance basee sur l'impact electronique pour la nanofabrication, la nano-imagerie et la nano-analyse

Publishing Information

Imprint Pagination
219 p.
Report number
FRNC-TH--13304

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Notes
179 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses