WO2023148095A1 - Ion implantation method, focused ion beam system, component and manufacturing method - Google Patents

Ion implantation method, focused ion beam system, component and manufacturing method Download PDF

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WO2023148095A1
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Nico Klingner
Gregor Hlawacek
Georgy Astakhov
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Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf E.V.
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Definitions

  • the present application relates to the implantation of ions, in particular a method for the deterministic implantation of individual ions in solids and their subsequent detection. Further aspects of the application relate to an ion beam system set up for the deterministic implantation of individual ions, components for signal and/or information processing, in particular quantum components, and a method for producing components, in particular quantum components.
  • Newer components for signal and/or information processing are based on the quantum mechanical coupling between individual atoms which are arranged in a suitable solid at defined distances from one another. To do this, the atoms are implanted individually.
  • the impact of individual ions on the solid can be detected, for example, by detecting secondary electrons triggered by the impact or by a detector integrated in the solid, whereby the emission and the detection of secondary electrons are currently not carried out with a sufficiently high degree of certainty and detectors with reasonable Effort can only be realized in solid bodies made of special materials.
  • the object of the embodiments of the present application is to implant individual atoms in solids in such a way that the individual atoms can be introduced into the solid with high lateral precision and the introduction of the respective atom can be clearly demonstrated.
  • the following figures illustrate embodiments of a method according to the invention for implanting atoms in solids, an ion beam system, an operating method for an ion beam system and a component for signal and/or information processing.
  • the elements and structures shown in the figures are not necessarily drawn to scale relative to one another.
  • the same reference symbols refer to the same or corresponding elements and structures.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic block diagram of a fine beam ion system for ion clusters according to one embodiment.
  • FIG. 2 shows a simplified schematic block diagram of a fine beam ion system for ion clusters according to an embodiment with an electron beam system for detecting atoms of the detection element.
  • FIG. FIG. 3 shows a simplified plan view of a substrate after the implantation of heterogeneous ion clusters at lattice points of a horizontal square lattice Meshes showing effects of the method for implanting ions according to a further embodiment.
  • FIG. 4 shows a simplified cross section through a portion of a quantum device according to a further embodiment.
  • the term atom includes both the uncharged atom and any ion thereof.
  • beam path designates the space that the trajectories of the ions of an ion beam can cover.
  • the method includes providing a heterogeneous ion cluster, the ion cluster having a target element and at least one detection element.
  • the detection element has an atomic optical transition and/or an X-ray transition from an excited to a low-energy state.
  • the ion cluster is focused and accelerated.
  • the focused and accelerated ion cluster is applied to a main surface of a solid, with the ion cluster being implanted into the solid at or near a predetermined target position on the main surface, d. H . hits .
  • the method relates to the deterministic implantation of individual ion clusters, for example as part of an implantation using a fine ion beam system (English: focused ion beam implanter).
  • At least one heterogeneous ion cluster (also: heterogeneous ionic cluster, multi-elementary ion cluster; English: heterogeneous cluster ion) is provided, which comprises atoms of at least two different elements.
  • At least one of the at least two atoms is an atom of the target element and at least one other is an atom of the detection element.
  • a single atom of the target element is less detectable than a single atom of the detection element.
  • the detection element has an atomic optical transition and/or an atomic
  • both the target element and the detection element have at least one atomic optical transition or an atomic X-ray transition from an excited to a low-energy state, with at least one atomic optical transition or X-ray transition of the detection element from an excited to a low-energy state easier and/or can be detected with higher spatial resolution than sj of each atomic optical transition and X-ray transition of the target element.
  • the transition from the excited to the low-energy state can be an optical transition, where the emitted radiation contains infrared radiation, visible light, or UV radiation, or an X-ray transition, where the emitted radiation is X-rays.
  • the ion cluster can have exactly one atom of the target element.
  • the ion cluster can, for example, also have exactly one atom of exactly one detection element.
  • the ion cluster can include one or more atoms of a further element or elements.
  • the ion cluster does not have any atoms of a further element in addition to the atom or atoms of the target element and the atom or atoms of the detection element.
  • the ion cluster is focused, for example, by electrostatic and/or magnetic lenses, which narrow a beam path of the ion cluster on the main surface of the solid to a beam cross-sectional area of a few square nanometers.
  • the ion Clusters for example, by an electric field generated by acceleration electrodes.
  • the solid body into which the ion cluster is implanted is, for example, a substrate for producing components for signal and/or information processing, in particular quantum components.
  • the solid is or includes a diamond substrate or a semiconductor substrate.
  • the main surface on which the ion cluster strikes can be a flat working surface of the solid, on which a structure for manipulating the implanted atom of the target element is then formed.
  • Each ion cluster strikes the solid body at or at least close to a predetermined lateral target position on the main surface.
  • the maximum lateral distance of the point of impact of the ion cluster from the desired position is specified by the radius of the cross-sectional area of the beam path on the main area. An impact within the cross-sectional area of the beam path centered on the target position on the main surface is considered below as an impact at or near the specified target position.
  • the radius of the cross-sectional area of the beam path on the main surface depends on the system type and the type of implanted ion cluster.
  • the ion cluster can be focused in such a way that a lateral deviation of an impact of the ion cluster from the desired position is a maximum of 10 nm, a maximum of 30 nm or a maximum of 20 nm.
  • the radius of the cross-sectional area of the beam path on the main surface of the solid can be 10 ⁇ m or smaller than 10 ⁇ m, e.g. B. 30nm or 20nm .
  • the ion cluster can disintegrate on impact, with the components of the ion cluster being able to be scattered laterally in the solid. The components of the ion cluster are slowed down in the solid, scattered laterally and come to rest within a lateral scattering radius around the point of impact.
  • the ion cluster breaks down into one or more atoms of the detection element and one or more atoms of the target element.
  • the scattering radius for the detection element and the scattering radius for the target element are usually different.
  • the maximum lateral distance between the implanted atom of the target element and the implanted atom of the detection element can be estimated by the sum of the scattering radii of both atoms.
  • the standard deviation of the Gaussian distribution can be interpreted as a mean scattering radius.
  • the mean scattering radius for carbon atoms implanted in a diamond substrate with an acceleration energy of 10 OkeV is about 50 nm and for bismuth atoms implanted in a silicon substrate with an acceleration energy of 20 keV is about 4 nm.
  • the joint implantation (co-implantation) of atoms of the target element with atoms of the detection element enables an indirect but reliable detection or a reliable quantitative determination of the implanted atoms of the target element through the detection or the quantitative determination of the atoms of the detection element on the basis of its atomic optical transition or its X-ray transition.
  • a plurality of ion clusters is generated and the ion clusters generated are isolated before they are applied to the main surface in such a way that within a predetermined period of time there is a probability of more than 0. 05% and less than 100% exactly one of the ion clusters is implanted at the specified target position.
  • the ion clusters can be emitted individually from a single ion source, released individually from an ion trap, or can be screened out of a number of similar ion clusters by suitable screens in the beam path.
  • the distribution of the ion clusters can be approximated by a Poisson distribution of the ion clusters based on the specified time window for the individual implantation.
  • the Poisson distribution expresses the probability that a specific number of ion clusters will be present in a fixed time window if the ion clusters are provided at a known constant average rate and independently of the ion clusters provided earlier.
  • the mean provision rate related to the predetermined time window for the individual implantation corresponds to the expected value X of the Poisson distribution.
  • the expected value X of the Poisson distribution can be varied by the length of the time window for the individual implantation, with the expected value X being increased with a longer time window.
  • the expected value X of the Poisson distribution can be varied by the provision rate, with the expected value X increasing with a higher provision rate.
  • the co-implantation of an atom of a target element with an atom of a detection element enables the indirect, but unambiguous and non-destructive detection of the implantation, in particular of precisely one atom of the target element, by detecting the atom of the detection element in the solid.
  • Another known method for detecting the impact of individual ions is based on the detection of secondary electrons triggered by the impact.
  • the quality of such a detection is determined by the secondary electron detection efficiency, which in turn depends on the sensitivity of the secondary electrode detector and on the number of secondary electrons generated per impact and thus on the material of the solid, the type of ion and the implantation energy.
  • a secondary electron detection efficiency of 80% to 95% can currently be achieved for the implantation of bismuth in monocrystalline silicon.
  • Another post-implantation approach detects the impact using a solid-state detector.
  • the detector includes z. B. a biased pn junction and a measurement circuit.
  • the impact creates an electron-hole pair at or near the pn junction.
  • the measuring circuit amplifies and detects the current generated by the electron-hole pair.
  • the requirements for the trained detector severely restrict the choice of solid material and its structure.
  • the co-implantation of an atom of a target element and an atom of a detection element enables an alternative way to reliably detect each individual implanted atom of the target element.
  • the method can be used for a large number of material combinations for solid bodies and target elements.
  • the probability of success can be gradually increased by the statistically determined implantation of one or no ion cluster and the subsequent possible detection of the detection element. With a sufficient number of subsequent implantations, the probability of success for the successful implantation of exactly one atom of the target element at a target position can be increased to over 99.9%, despite the statistical nature of the i
  • the method enables, for example, the deterministic implantation of individual ions using a fine ion beam system without an ion trap. There is no need to form a detector in the target substrate.
  • individual ion clusters can be implanted at or near different predetermined target positions.
  • the target positions can form a regular pattern.
  • the target positions are at the grid points of a regular, two-dimensional grid.
  • the distance between adjacent lattice points can be larger than the radius of the cross-sectional area of the beam path on the main surface of the solid, in particular larger than the sum of the radius of the cross-sectional area of the beam path and the lateral scattering radius of the implanted atom with the larger lateral scattering. If the ion cluster breaks up into parts, an average lateral distance between the parts of the ion cluster in the solid can be smaller than an average distance between the target positions.
  • the method can include the detection of individual atoms of the detection element based on the atomic optical transition or include the X-ray transition of the detection element from the excited to the low-energy state.
  • the detection can excite the atoms of the detection element up to at least the excited state of the atomic optical transition or of the X-ray transition and detecting the radiation that the atoms of the detection element in the optical transition or include. give off during the X-ray transition from the excited state to the low-energy state.
  • the main surface of the solid can be scanned with an electron beam, for example with the electron beam of an electron beam system, e.g. B. a scanning electron microscope (SEM) .
  • the radiation emitted by an optical transition can be detected with a light or image sensor, the X-rays emitted by an X-ray transition, for example, by a semiconductor detector for X-ray photons.
  • the detection element can be cathodoluminescent and can detect individual Atoms of the detection element include scanning the main surface with an electron beam.
  • the electron beam selectively excites only those atoms of the detection element that are located within the cross-sectional area of the electron beam to emit radiation.
  • Kathodolumines zente detection elements therefore allow a very precise location of the atoms of the detection element and thus also an accurate assignment of detected atoms of the detection element or. of the target element to the target positions.
  • the method in the event that no atom of the detection element is detected in sufficient proximity to one of the target positions, can involve renewed exposure to the target position with a missing atom of the detection element with a focused and accelerated heterogeneous ion clusters include.
  • the probability of the presence of an ion cluster in the relevant time window (time interval) from implantation to implantation can be reduced for subsequent implantations, with which ion clusters are to be implanted in a targeted manner at target positions that have remained unoccupied in previous implantations are to reduce the probability of implanting two or more ion clusters at the same target position.
  • the expected value X for the presence of an ion cluster in a time window provided for precisely one implantation of an ion cluster is exactly 1, then a probability of 36 results. 7% that no ion cluster is implanted, a probability of 36 . 7% that exactly one ion cluster is implanted, but a probability of 26 . 6% for the fact that more than one ion cluster is implanted, and thus the goal of the implantation can no longer be achieved. Choosing a lower expected value X can reduce the probability that more than one ion cluster will be implanted at the same target position.
  • an atom of the detection element is sought after each implantation at the desired position and, if the atom of the detection element is missing, the implantation is repeated, with each of the following implantations the expected value
  • N denotes the number of the implantation
  • L the values set for the expected value X for the N implantations
  • E the probability that after the Nth implantation exactly one ion cluster will be implanted at the desired position :
  • Table 1 For the successful implantation of precisely one ion cluster at a target position, for example, there is a comparatively low probability of success of only 36.7% in the case of only one implantation with an average of one ion cluster per time window. After a third implantation with 0.63 ion clusters per time window, the probability of success increases to 69.7%, after a tenth implantation with 0.36 ion clusters per time window to 91.9% and after 50%. implantation with 0.12 ion clusters per time window to 99.1%.
  • an expected value X of exactly 1 for the presence of an ion cluster ten ion clusters are to be implanted at ten different target positions in a time window provided for precisely one implantation of an ion cluster, then there is one implantation at j each time Each target position has a probability of only 0 . 0045% that exactly one ion cluster is actually implanted in each case. If the implantation is repeated at a target position in the event that an atom of the detection element is missing, the expected value X can again be reduced in smaller steps for each of the following implantations.
  • Table 2 shows, according to an example, the increasing probability that after the Nth implantation, exactly one ion cluster will be implanted in each of the 10 target positions:
  • the method thus enables targeted reworking of already implanted patterns of individual ions and thus significantly reduces the effort involved in producing structures and components which have a large number of individual atoms arranged in a predetermined pattern in a solid.
  • a material of the solid and the target element can be selected in such a way that individual atoms of the target element in the solid or atoms of the target element Pointing complexes can be coupled quantum mechanically with one another.
  • the target positions of the implanted ion clusters can be selected in such a way that the implanted atoms of the target element can be coupled quantum mechanically.
  • the detection element can be a rare earth (rare earth metal).
  • Rare earth metals form ionizable clusters with a variety of elements that can be relevant as a target element, especially in the manufacture of components for signal and or information processing, z. B. quantum devices .
  • a further aspect of the present disclosure relates to a method for producing a component for signal or information processing, in particular a quantum component.
  • the method includes providing a heterogeneous ion cluster, the ion cluster having a target element and a detection element.
  • the detection element exhibits an atomic optical transition and/or an X-ray transition from an excited to a low-energy state.
  • the ion cluster is focused and accelerated.
  • the focused and accelerated ion cluster is applied to a main surface of a solid, the ion cluster being implanted into the solid at or near a predetermined target position on the main surface, d. H . hits .
  • the method for producing a component can comprise a method for implanting ions in one of the embodiments described above.
  • a further aspect of the present disclosure relates to an ion beam system.
  • the ion beam system has an ion source which, among other things, emits heterogeneous ion clusters of a specified type.
  • a beam guidance device of the ion beam system bundles the ion clusters emitted by the ion source in an ion beam.
  • the ion beam system also includes an ion separation device that removes ions and ion clusters other than the heterogeneous ion clusters of the specified type from the ion beam.
  • the beam guiding device can have an ion beam optics, which uses components that generate electrostatic and/or magnetic fields to focus the ion beam in a projection plane onto a beam cross-sectional area of a few square nanometers.
  • the beam guidance device can also include an ion acceleration device, which accelerates the ions in the ion beam in the direction of the pro ection plane by means of an electric field. The trajectories of the ions in the ion beam cover a beam path of the ion beam system.
  • the ion separation device includes a Wien filter, for example.
  • a Wien filter an electric field and a magnetic field are superimposed, the vectors of which are aligned perpendicular to each other and to the direction of movement of the ions.
  • Particles in the ion beam with a different mass and/or a different charge than the heterogeneous ion cluster of the specified type are deflected out of the beam path of the ion beam and hit, for example, an aperture so that only the heterogeneous ion cluster of the specified type a pass through the aperture in the panel.
  • Customary ion sources emit individual ions and ion clusters of different types. Usually only one is used only type of ions, namely single ions of the same element and the same charge number.
  • a conventional ion separation device integrated in the ion beam system filters out other individual ions of the same element and with a different charge number, individual ions of other elements, homogeneous ion clusters and heterogeneous ion clusters generated and emitted by the ion source from the ion beam.
  • the ion separation device of the present ion beam single-beam system removes all individual ions, all homogeneous ion clusters and all heterogeneous ion clusters, with the exception of the heterogeneous ion clusters of the specified type, from the ion beam and, in particular, enables co-implantation of atoms of different elements in a solid, predetermined ratio to each other.
  • the ion beam system with an ion separation device set up in this way enables the co-implantation of atoms of a first element and of atoms of a second element in a fixed numerical ratio, e.g. B. in a ratio of 1:1.
  • the ion beam system with an ion separation device set up in this way enables the co-implantation of exactly one atom of a target element and one atom or several atoms of a detection element for the method described above for implanting atoms.
  • a further aspect of the present disclosure relates to an operating method for an ion beam system which has an ion source, a beam guiding device and an ion separating device, the ion source including heterogeneous ion clusters of a specified type emitted and the beam guiding device bundles the ion clusters emitted by the ion source into an ion beam.
  • the ion separation device is adjusted and operated in such a way that ions and ion clusters other than the heterogeneous ion clusters of the specified type are removed from the ion beam and the ion beam irradiation system only emits the heterogeneous ion clusters of the specified type.
  • the ion beam system can have an ion separation device, the ion separation device separating the heterogeneous ion clusters of the specified type in the ion beam in such a way that the ion beam system within a specified period of time has a probability of over 0. 05% and below 100% exactly one of the ion clusters emitted.
  • the ion isolation device effects a temporary blanking of the ion beam.
  • the ion separation device has deflection plates on both sides of the beam path. An electric field between the deflection plates deflects the ion clusters in the direction of one of the deflection plates. If the electric field is switched off for a short time, ions can pass through the deflection plates...
  • the ion source of the ion beam system can have a liquid metal alloy ion source.
  • the liquid metal alloy ion source may include a chamber, a field generator, and a delivery unit.
  • the chamber is filled with a liquid starting material, e.g. B. with a eutectic alloy.
  • a heat source can liquify the feedstock and/or the feedstock keep liquid.
  • the delivery unit has, for example, a capillary or a needle.
  • the liquid starting material is at the outer opening of the capillary or envelops the needle tip.
  • the field generator creates an electric field at the opening of the capillary or at the tip of the needle. Under the influence of the electric field, a Taylor cone forms at the opening of the capillary or at the tip of the needle, the tip of which emits ions.
  • the emitted ions can include individual ions of the alloying elements, homogeneous ion clusters of the alloying elements and heterogeneous ion clusters.
  • the ion beam system can have an object table, an electron beam system and a radiation detector.
  • the stage is set up to align a solid body arranged on the stage with the ion beam.
  • the stage can be movable along two or three orthogonal spatial axes.
  • the electron beam system generates a collimated electron beam, focuses the collimated electron beam in a projection plane between the electron beam system and the stage, and scans at least a portion of the projection plane with the electron beam.
  • a cross-sectional area of the electron beam in the projection plane can be approximately circular, with the radius of the cross-sectional area being less than 100 nm, e.g. less than 30 nm or even less than 2 nm.
  • the electron beam scans the main surface of the solid.
  • the electron beam excites optical transition or X-ray transition atoms in the solid to emit radiation.
  • the radiation can be infrared radiation, visible light, ultraviolet light, or X-rays.
  • the radiation detector detects radiation generated in the projection plane. If a solid is arranged on the object table, the exposed main surface of which lies in the projection plane and which contains atoms with an optical transition or with an X-ray transition, then the radiation detector detects radiation excited by the electron beam of the electron beam system.
  • the electron beam system and radiation detector are components of an SEM-EDX setup for energy-dispersive X-ray analysis.
  • the ion beam system can have an evaluation device, the evaluation device being connected to the radiation detector and the electron beam system in terms of information technology and being set up to identify a position of the electron beam in the projection plane at the time when a predetermined radiation is detected by the radiation detector fi grace .
  • the radiation detector detects radiation excited by the electron beam of the electron beam system and the evaluation device identifies the position of the cathodoluminescent atoms on the main surface with high spatial resolution, which is essentially defined by the cross-sectional area of the electron beam in the projection plane.
  • a further aspect of the present disclosure relates to a component for signal or information processing, in particular a quantum component, for example a single photon emitter for quantum communication or a quantum register for quantum computing (English: quantum memory for quantum computing).
  • a quantum component for example a single photon emitter for quantum communication or a quantum register for quantum computing (English: quantum memory for quantum computing).
  • the device has a substrate and groups of atoms arranged in a horizontal layer of the substrate, each group of atoms comprising at least one atom of a target element and at least one atom of a detection element with an optical transition or with an X-ray transition, and in each of which Atomic groups a lateral distance between the atom of the target element and the atom of the detection element is a maximum of 200 nm, z. B. is a maximum of 50 nm, in particular l Onm to 20 nm.
  • each atom group includes exactly one atom of the target element and at least one atom, e.g. B. exactly one atom of the detection element .
  • the optical transition or the X-ray transition of the atoms of the detection element in the manner described above at least in one phase of production after the implantation of the atomic groups the reliable detection of the presence of the atoms of the target element.
  • the position of the individual atoms of the target element can be determined relatively precisely.
  • the atomic groups can form at or near lattice points of a regular, horizontal Be arranged lattice, wherein the atoms of the target element or complexes, each having an atom of the target element, are coupled to each other quantum mechanically.
  • the grid can have rectangular meshes or meshes with more than four edges.
  • the meshes of the grid are squares or hexagons.
  • the detection element can
  • the target element is, for example, a non-metal, e.g. boron (B) , carbon (C) , nitrogen (N) , silicon (Si) , phosphorus (P) , germanium (Ge) , arsenic (As) , antimony (Sb) , a post
  • a non-metal e.g. boron (B) , carbon (C) , nitrogen (N) , silicon (Si) , phosphorus (P) , germanium (Ge) , arsenic (As) , antimony (Sb) , a post
  • Transition metal e.g. gallium (Ga) , indium (In) , tin (Sn) ,
  • Lead (Pb) bismuth (Bi) , a group 1 metal, e.g. lithium
  • the target element is an element of the
  • the material of the solid can, for example, be silicon, e.g .
  • FIG. 1 shows a simplified block diagram of an ion beam system 40 with an ion source 41 which emits heterogeneous ion clusters 10 of a given type.
  • the ion source 41 emits other types of ions.
  • a beam guiding device 42 bundles the ions emitted by the ion source 41 in an ion beam 49. The trajectories the ions in the ion beam 49 sweep over a beam path 19 of the ion beam system 40 .
  • An ion separator 43 removes ions and ion clusters other than the heterogeneous ion clusters 10 of the specified kind from the ion beam 49 .
  • An ion separation device 44 separates the remaining heterogeneous ion clusters 10 of the specified type in the ion beam 49 in such a way that the ion beam irradiation system 40 within a specified period of time has a probability of over 0. 05% and below 100% exactly one of the ion cluster 10 emits. For example, the ion isolation device 44 temporarily blanks the ion beam 49 black.
  • the ion beam 49 is focused in a projection plane 47 above an object table 45 , the projection plane 47 and a planar main surface 31 of a solid 30 arranged on the object table 45 being coplanar.
  • the object table 45 may be placed within a vacuum chamber.
  • the representation of the parts of the ion beam system 40 is roughly simplified.
  • the arrangement of the parts along the ion beam 49 can be different from that shown.
  • Each of the parts can have multiple sub-parts that are separated from one another by other parts or sub-parts of other parts.
  • the ion separation device 43 comprises a Wien filter, for example.
  • An electric field E and a magnetic field B are superimposed in the Wien filter, the vectors of which are aligned perpendicular to one another and to the direction of movement of the ions in the ion beam 49 .
  • Particles in the ion beam 49 with a different mass and / or a different charge than the heterogeneous ion cluster 10 of the specified type are deflected from the beam path 19 of the ion beam 49 and strike, for example, on an aperture 431, so that only the heterogeneous ion cluster 10 of the specified type Pass opening 432 in aperture 431 .
  • the filter parameters Adj of the ion separation device 43 can be configured.
  • the filter parameters can be set in such a way that the ion separation device 43 removes all individual ions generated by the ion source 41, all homogeneous ion clusters and all heterogeneous ion clusters with the exception of the heterogeneous ion cluster 10 of the specified type from the ion beam 49.
  • the ion beam system 40 additionally includes an electron beam system 46 and a radiation detector 48 .
  • the electron beam system 46 generates a focused electron beam 18 , focuses the focused electron beam 18 in the projection plane 47 and thus on the main surface 31 of the solid 30 , and scans at least a portion of the main surface 31 .
  • the electron beam 18 excites optical transition or x-ray transition atoms in the solid 30 to emit infrared radiation, visible light , ultraviolet light or x-ray radiation.
  • the electron beam system 46 can be, for example, a scanning electron microscope or a part thereof.
  • the radiation detector 48 detects in the pro ection plane 47 or. radiation generated on the main surface 31, which may be infrared radiation, visible light, ultraviolet light or X-ray radiation. Contains the solid 30 on the main surface 31 or near the main surface 31 atoms with optical transition or with X-ray transition, then the radiation detector 48 detects radiation that was excited by the electron beam 18 of the electron beam system 46 .
  • the scanning of the main surface 31 can take place in the ion-beam system 40 , in particular within a vacuum chamber of the ion-beam system 40 .
  • the solid 30 can be rearranged within the vacuum chamber, e.g. B. by moving the obj ect table 45 .
  • the solid can be removed from the vacuum chamber for scanning.
  • the electron beam system 46 and the radiation detector 48 can be integral components of the ion beam system 40 or can be operated as an independent arrangement separate from the ion beam system 40 in the manner described.
  • the ion beam system of FIG. 2 also has an evaluation device 50 .
  • the evaluation device 50 receives time-dependent position data pos(t) which describe the position of the cross-sectional area of the electron beam 18 on the main area 31 at a time t.
  • the radiation detector 48 detects radiation excited by the electron beam 18 of the electron beam system 46 and the evaluation device 50 identifies it the position Pos (tn) of the atoms of the detection element on the main surface 31 with a high location s resolution.
  • the evaluation device 50 can compare the measured position data with target data and control parts of the ion beam irradiation system 40 depending on the result of the comparison.
  • the evaluation device 50 can, for example, initiate the subsequent implantation of a heterogeneous ion cluster in the event that the determined position data shows that one of the target is in the immediate vicinity -No atom of the detection element was found on positions.
  • FIG. 3 shows a top view of the main surface 31 of a solid 30 after reimplantation of atoms 61 of a target element and atoms 62 of a detection element at target positions 33-1, 31-12.
  • the target positions 33-1, . . . , 31-12 form the grid points of a regular grid with square meshes of edge length dl.
  • the ion beam is in each case directed to one of the target positions 33-1, ..., 31-12, with an approximately round cross-sectional area of the beam path of the ion beam on the main surface 31 within the scope of the positioning accuracy of the ion beam irradiation system on the j respective target position 33-1, ..., 31-12 is centered.
  • the diameter d2 of the cross-sectional area of the beam path of the ion beam on the main surface 31 is between 2 nm and 200 nm, for example approximately 30 nm.
  • the lateral scattering of the atoms 61 of the target element and the atoms 62 of the detection element increases the mean lateral radius rx by a target position 33-1, ..., 31-12, within which the atom 61 of the target element and the atom 62 of the detection element come to rest.
  • the lateral scattering of the atoms 61 of the target element and the atoms 62 of the detection element depends on the energy of the ion clusters, the material of the solid 30, the target element and the detection element.
  • the position of an atom of the detection element can be determined with a lateral resolution of 2 nm.
  • the edge length dl of the grid mesh is selected to be slightly larger than 2 * rx, so that, taking into account the maximum spatial resolution for the detection of the atoms of the detection element, the absence of the atom of the target element at the target position 31-12 can be closed.
  • FIG. 4 shows a Kane quantum computer component 90 as an example of a component produced using the method described.
  • the component 90 has a substrate 50 and atomic groups 60 arranged in a near-surface horizontal layer 53 of the substrate 50, each atomic group 60 being an atom 61 of a target element and an atom 62 of a detection element with an optical and/or X-ray transition includes .
  • the substrate 50 is based z. B. on monocrystalline silicon.
  • the vertical extension vl of the hori zontal layer 53 can be several nanometers, z. B. up to 200nm .
  • An insulator layer 55 is applied to a main surface 51 of the substrate 50 .
  • a second electrode 59 is formed on the insulator layer 55 and vertically midway between two adjacent atoms 61 of the target element.
  • the atoms 61 of the target element are, for example, phosphorus atoms with the nucleon number 31 .
  • the detection element is a rare earth element, for example cerium (Ce).
  • a lateral distance between the atom 61 of the target element and the atom 62 of the detection element is smaller than a maximum lateral distance rl of 5 nm.
  • the grid can have rectangular meshes or meshes with more than four edges.

Abstract

A heterogeneous ion cluster (10) having a target element (61) and at least one detection element (62) is disclosed, wherein the detection element has an atomic optical transition and/or X-ray transition. The ion cluster (10) is focused and accelerated. The focused and accelerated ion cluster (10) is applied to a main surface (31) of a solid body, and the ion cluster (10) is implanted into the solid body (30) at or near a predetermined target position (33-1,..., 33-12) on the main surface (31).

Description

I ONEN- IMPLANTAT I ONS VERFAHREN , I ONENFE INS TRAHLANLAGE , ION I ON IMPLANTATION PROCESS , ION FE IN THE RADIATION PLANT ,
BAUELEMENT UND HERSTELLUNGSVERFAHREN COMPONENT AND MANUFACTURING PROCESS
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
Die vorliegende Anmeldung betri f ft das Implantieren von Ionen, insbesondere ein Verfahren zur deterministischen Implantation einzelner Ionen in Festkörper und deren anschließenden Nachweis . Weitere Aspekte der Anmeldung betref fen eine zur deterministischen Implantation einzelner Ionen eingerichtete lonen- f einstrahlanlage , Bauelemente zur Signal- und oder Informationsverarbeitung, insbesondere Quantenbauelemente , sowie ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen, insbesondere Quantenbauelementen . The present application relates to the implantation of ions, in particular a method for the deterministic implantation of individual ions in solids and their subsequent detection. Further aspects of the application relate to an ion beam system set up for the deterministic implantation of individual ions, components for signal and/or information processing, in particular quantum components, and a method for producing components, in particular quantum components.
HINTERGRUND BACKGROUND
Neuere Bauelemente zur Signal- und oder Informationsverarbeitung, insbesondere Bauelemente zur Quanteninformationsverarbeitung, beruhen auf der quantenmechanischen Kopplung zwischen einzelnen Atomen, die in einem geeigneten Festkörper in definierten Abständen zueinander angeordnet sind . Dazu werden die Atome einzeln implantiert . Newer components for signal and/or information processing, in particular components for quantum information processing, are based on the quantum mechanical coupling between individual atoms which are arranged in a suitable solid at defined distances from one another. To do this, the atoms are implanted individually.
Der Einschlag einzelner Ionen auf dem Festkörper kann beispielsweise durch die Detektion von durch den Einschlag ausgelöste Sekundärelektronen oder durch einen im Festkörper integrierten Detektor nachgewiesen werden, wobei die Emiss ion und der Nachweis von Sekundärelektronen derzeit nicht mit ausreichend hoher Sicherheit erfolgen und wobei sich Detektoren mit vertretbarem Aufwand nur in Festkörpern aus speziellen Materialien realisieren lassen . Den Aus führungs formen der vorliegenden Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde , einzelne Atome derart in Festkörper zu implantieren, dass die einzelnen Atome mit hoher lateraler Präzision in den Festkörper eingebracht und das Einbringen des j eweiligen Atoms eindeutig nachgewiesen werden kann . The impact of individual ions on the solid can be detected, for example, by detecting secondary electrons triggered by the impact or by a detector integrated in the solid, whereby the emission and the detection of secondary electrons are currently not carried out with a sufficiently high degree of certainty and detectors with reasonable Effort can only be realized in solid bodies made of special materials. The object of the embodiments of the present application is to implant individual atoms in solids in such a way that the individual atoms can be introduced into the solid with high lateral precision and the introduction of the respective atom can be clearly demonstrated.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche gelöst . Vorteilhafte Aus führungs formen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen . The object is achieved with the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments result from the dependent claims.
Die nachfolgenden Figuren illustrieren Aus führungs formen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Implantieren von Atomen in Festkörper, einer lonenf einstrahlanlage , eines Betriebsverfahrens für eine lonenf einstrahlanlage und eines Bauelements zur Signal- und oder Informationsverarbeitung . Die in den Figuren gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt . Gleiche Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen . The following figures illustrate embodiments of a method according to the invention for implanting atoms in solids, an ion beam system, an operating method for an ion beam system and a component for signal and/or information processing. The elements and structures shown in the figures are not necessarily drawn to scale relative to one another. The same reference symbols refer to the same or corresponding elements and structures.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
FIG . 1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Feinstrahlionenanlage für lonen-Cluster gemäß einer Aus führungs form . FIG. 1 shows a simplified schematic block diagram of a fine beam ion system for ion clusters according to one embodiment.
FIG . 2 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Feinstrahlionenanlage für lonen-Cluster gemäß einer Aus führungs form mit einem Elektronenstrahlsystem zum Nachweis von Atomen des Nachweis-Elements . FIG. 2 shows a simplified schematic block diagram of a fine beam ion system for ion clusters according to an embodiment with an electron beam system for detecting atoms of the detection element.
FIG . 3 zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf ein Substrat nach der Implantation von heterogenen lonen-Clustern an Gitterpunkten eines hori zontalen Gitters mit quadratischen Maschen zur Darstellung von Ef fekten des Verfahrens zum Implantieren von Ionen gemäß einer weiteren Aus führungs form . FIG. FIG. 3 shows a simplified plan view of a substrate after the implantation of heterogeneous ion clusters at lattice points of a horizontal square lattice Meshes showing effects of the method for implanting ions according to a further embodiment.
FIG . 4 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Abschnitt eines Quantenbauelements nach einer weiteren Aus führungs form . FIG. 4 shows a simplified cross section through a portion of a quantum device according to a further embodiment.
DE TAI LBE S CHRE I BUNG DETAILED DESCRIPTION
In der folgenden aus führlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen . Die beigefügten Zeichnungen bilden einen Tei l der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezi fische Aus führungs formen, die die Erfindung realisieren können . Richtungsterminologie wie etwa „oben" , „unten" , „vorne" , „hinten" , „vorderes" , „hinteres" , usw . wird mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur ( en) verwendet . Die Komponenten der Aus führungs formen können entlang unterschiedlicher Orientierungen ausgerichtet werden . Insoweit dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keinerlei Weise einschränkend auf zufassen . Neben den gezeichneten Aus führungs formen gibt es weitere Aus führungs formen . An den in den Figuren dargestellten und/oder im Weiteren beschriebenen Aus führungs formen können strukturelle oder andere Änderungen vorgenommen werden, ohne dass dabei vom beanspruchten Gegenstand abgewichen wird . Merkmale der beschriebenen Aus führungs formen können miteinander kombiniert werden, sofern sich nicht ausdrücklich oder inhärent etwas anderes ergibt . In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings. The accompanying drawings form a part of the specification and show, by way of illustration, specific embodiments which can implement the invention. Directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "front", "back", etc. is used with reference to the orientation of the figure(s) being described. The components of the embodiments can be aligned along different orientations. In this regard, the directional terminology is for explanation only and should not be construed as limiting in any way. In addition to the illustrated embodiments, there are other embodiments. Structural or other changes can be made to the embodiments shown in the figures and/or described below without deviating from the claimed subject matter. Features of the described embodiments can be combined with one another unless something else is explicitly or inherently stated.
In der folgenden Beschreibung umfasst der Begri f f Atom sowohl das ungeladene Atom als auch j edes Ion davon . Der Begri f f Strahlengang bezeichnet im Folgenden den Raum, den die Bahnkurven der Ionen eines lonenstrahls überstreichen können . In the following description, the term atom includes both the uncharged atom and any ion thereof. In the following, the term beam path designates the space that the trajectories of the ions of an ion beam can cover.
Ein Aspekt der vorliegenden Of fenbarung betri f ft ein Verfahren zum Implantieren von Atomen . Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines heterogenen lonen-Clusters , wobei der lonen-Cluster ein Ziel-Element und mindestens ein Nachweis- Element aufweist . Das Nachweis-Element weist einen atomaren optischen Übergang und/oder einen Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf . Der lonen- Cluster wird fokussiert und beschleunigt . Mit dem fokussierten und beschleunigten lonen-Cluster wird eine Hauptfläche eines Festkörpers beaufschlagt , wobei der lonen-Cluster an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position auf der Hauptfläche in den Festkörper implantiert wird, d . h . einschlägt . One aspect of the present disclosure relates to a method for implanting atoms. The method includes providing a heterogeneous ion cluster, the ion cluster having a target element and at least one detection element. The detection element has an atomic optical transition and/or an X-ray transition from an excited to a low-energy state. The ion cluster is focused and accelerated. The focused and accelerated ion cluster is applied to a main surface of a solid, with the ion cluster being implanted into the solid at or near a predetermined target position on the main surface, d. H . hits .
Insbesondere bezieht sich das Verfahren auf die deterministische Implantation einzelner lonen-Cluster, beispielsweise im Rahmen einer Implantation mittels einer Feinionenstrahlanlage (Englisch : focused ion beam Implanter ) . In particular, the method relates to the deterministic implantation of individual ion clusters, for example as part of an implantation using a fine ion beam system (English: focused ion beam implanter).
Dazu wird mindestens ein heterogener lonen-Cluster ( auch : heterogenes ionisches Cluster, multi-elementarer lonen- Cluster ; Englisch : heterogeneous cluster ion) bereitgestellt , der Atome mindestens zweier verschiedener Elemente umfasst . For this purpose, at least one heterogeneous ion cluster (also: heterogeneous ionic cluster, multi-elementary ion cluster; English: heterogeneous cluster ion) is provided, which comprises atoms of at least two different elements.
Mindestens eines der mindestens zwei Atome ist ein Atom des Ziel-Elements und mindestens ein anderes ein Atom des Nachweis-Elements . Ein einzelnes Atom des Ziel-Elements ist schlechter nachweisbar als ein einzelnes Atom des Nachweis- Elements . Beispielsweise weist das Nachweis-Element einen atomaren optischen Übergang und/oder einen atomarenAt least one of the at least two atoms is an atom of the target element and at least one other is an atom of the detection element. A single atom of the target element is less detectable than a single atom of the detection element. For example, the detection element has an atomic optical transition and/or an atomic
Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf und das Ziel-Element nicht . Alternativ weisen sowohl das Ziel-Element als auch das Nachweiselement mindestens einen atomaren optischen Übergang oder einen atomaren Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf , wobei sich mindestens ein atomarer optischer Übergang oder Röntgenübergang des Nachweis-Elements von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand einfacher und/oder mit höherer örtlicher Auflösung detektieren lässt al s j eder atomare optische Übergang und Röntgenübergang des Ziel- Elements . X-ray transition from an excited to a low-energy one state on and the target element not . Alternatively, both the target element and the detection element have at least one atomic optical transition or an atomic X-ray transition from an excited to a low-energy state, with at least one atomic optical transition or X-ray transition of the detection element from an excited to a low-energy state easier and/or can be detected with higher spatial resolution than sj of each atomic optical transition and X-ray transition of the target element.
Der Übergang vom angeregten zum energiearmen Zustand kann ein optischer Übergang sein, wobei die abgegebene Strahlung Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht oder UV-Strahlung enthält , oder ein Röntgenübergang, wobei die abgegebene Strahlung Röntgenstrahlung ist . The transition from the excited to the low-energy state can be an optical transition, where the emitted radiation contains infrared radiation, visible light, or UV radiation, or an X-ray transition, where the emitted radiation is X-rays.
Beispielsweise kann der lonen-Cluster genau ein Atom des Ziel- Elements aufweisen . Der lonen-Cluster kann beispielsweise auch genau ein Atom genau eines Nachweis-Elements aufweisen . Neben den Atomen des Ziel-Elements und des Nachweis-Elements oder der Nachweis-Elemente kann der lonen-Cluster ein oder mehrere Atome eines weiteren Elements oder weiterer Elemente umfassen . Es kann j edoch auch vorgesehen sein, dass der lonen-Cluster neben dem Atom oder den Atomen des Ziel-Elements und dem Atom oder den Atomen des Nachweis-Elements keine Atome eines weiteren Elements aufweist . For example, the ion cluster can have exactly one atom of the target element. The ion cluster can, for example, also have exactly one atom of exactly one detection element. In addition to the atoms of the target element and the detection element or elements, the ion cluster can include one or more atoms of a further element or elements. However, it can also be provided that the ion cluster does not have any atoms of a further element in addition to the atom or atoms of the target element and the atom or atoms of the detection element.
Fokussiert wird der lonen-Cluster beispielsweise durch elektrostatische und/oder magnetische Linsen, die einen Strahlengang des lonen-Clusters auf der Hauptfläche des Festkörpers auf eine Strahlquerschnitts fläche von wenigen Quadratnanometern verengen . Beschleunigt wird der lonen- Cluster beispielsweise durch ein von Beschleunigungselektroden erzeugtes elektrisches Feld . The ion cluster is focused, for example, by electrostatic and/or magnetic lenses, which narrow a beam path of the ion cluster on the main surface of the solid to a beam cross-sectional area of a few square nanometers. The ion Clusters, for example, by an electric field generated by acceleration electrodes.
Der Festkörper, in den der lonen-Cluster implantiert wird, ist beispielsweise ein Substrat zur Herstellung von Bauelementen zur Signal- und/oder Informationsverarbeitung, insbesondere von Quantenbauelementen . Beispielsweise ist oder umfasst der Festkörper ein Diamantsubstrat oder ein Halbleitersubstrat . Die Hauptfläche , auf der der lonen-Cluster einschlägt , kann eine ebene Arbeits fläche des Festkörpers sein, auf der im Weiteren eine Struktur zur Manipulation des implantierten Atoms des Ziel-Elements ausgebildet wird . The solid body into which the ion cluster is implanted is, for example, a substrate for producing components for signal and/or information processing, in particular quantum components. For example, the solid is or includes a diamond substrate or a semiconductor substrate. The main surface on which the ion cluster strikes can be a flat working surface of the solid, on which a structure for manipulating the implanted atom of the target element is then formed.
Jeder lonen-Cluster tri f ft an oder zumindest nahe einer vorgegebenen lateralen Soll-Position auf der Hauptfläche in den Festkörper auf . Der maximale laterale Abstand des Aufschlagortes des lonen-Clusters von der Soll-Position wird durch den Radius der Querschnitts fläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche vorgegeben . Ein Aufschlag innerhalb der zur Soll-Position zentrierten Querschnitts fläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche gilt im Folgenden als Aufschlag an oder nahe der vorgegebenen Soll-Position . Each ion cluster strikes the solid body at or at least close to a predetermined lateral target position on the main surface. The maximum lateral distance of the point of impact of the ion cluster from the desired position is specified by the radius of the cross-sectional area of the beam path on the main area. An impact within the cross-sectional area of the beam path centered on the target position on the main surface is considered below as an impact at or near the specified target position.
Der Radius der Querschnitts fläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche hängt vom Anlagentyp und dem Typ des implantierten lonen-Clusters ab . Beispielsweise kann der lonen-Cluster derart fokussiert werden, das s eine laterale Abweichung eines Einschlags des lonen-Clusters von der Soll-Position maximal l O Onm, maximal 30nm oder maximal 20nm beträgt . Entsprechend kann der Radius der Querschnitts fläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche des Festkörpers l O Onm betragen oder kleiner als l O Onm sein, z . B . 30nm oder 20nm . Der lonen-Cluster kann beim Aufschlag zerfallen, wobei die Bestandteile des lonen-Clusters im Festkörper lateral gestreut werden können . Die Bestandteile des lonen-Clusters werden im Festkörper abgebremst , lateral gestreut und kommen innerhalb eines lateralen Streuradius um den Aufschlagort zur Ruhe . The radius of the cross-sectional area of the beam path on the main surface depends on the system type and the type of implanted ion cluster. For example, the ion cluster can be focused in such a way that a lateral deviation of an impact of the ion cluster from the desired position is a maximum of 10 nm, a maximum of 30 nm or a maximum of 20 nm. Correspondingly, the radius of the cross-sectional area of the beam path on the main surface of the solid can be 10 μm or smaller than 10 μm, e.g. B. 30nm or 20nm . The ion cluster can disintegrate on impact, with the components of the ion cluster being able to be scattered laterally in the solid. The components of the ion cluster are slowed down in the solid, scattered laterally and come to rest within a lateral scattering radius around the point of impact.
Beispielsweise zerfällt der lonen-Cluster in ein Atom oder mehrere Atome des Nachweis-Elements und in ein Atom oder mehrere Atome des Ziel-Elements . Der Streuradius für das Nachweis-Element und der Streuradius für das Ziel-Element sind in der Regel unterschiedlich . Der maximale laterale Abstand zwischen dem implantierten Atom des Ziel-Elements und dem implantierten Atom des Nachweis-Elements kann durch die Summe der Streuradien beider Atome abgeschätzt werden . For example, the ion cluster breaks down into one or more atoms of the detection element and one or more atoms of the target element. The scattering radius for the detection element and the scattering radius for the target element are usually different. The maximum lateral distance between the implanted atom of the target element and the implanted atom of the detection element can be estimated by the sum of the scattering radii of both atoms.
Kann die Verteilung der implantierten Atome um die Soll- Position durch eine an der Soll-Position zentrierte Gauß- Verteilung angenähert werden, dann kann man die Standardabweichung der Gauß-Verteilung als einen mittleren Streuradius auf fassen . Beispielsweise beträgt der mittlere Streuradius für mit einer Beschleunigungsenergie von l O OkeV in ein Diamantsubstrat implantierte Kohlenstof f atome etwa 50nm und für mit einer Beschleunigungsenergie von 20keV in ein Sili ziumsubstrat implantierte Wismutatome etwas 4nm . If the distribution of the implanted atoms around the target position can be approximated by a Gaussian distribution centered on the target position, then the standard deviation of the Gaussian distribution can be interpreted as a mean scattering radius. For example, the mean scattering radius for carbon atoms implanted in a diamond substrate with an acceleration energy of 10 OkeV is about 50 nm and for bismuth atoms implanted in a silicon substrate with an acceleration energy of 20 keV is about 4 nm.
Die gemeinsame Implantation (Koimplantation) von Atomen des Ziel-Elements mit Atomen des Nachweis-Elements ermöglicht einen indirekten aber sicheren Nachweis bzw . eine sichere quantitative Bestimmung der implantierten Atome des Ziel- Elements durch den Nachweis bzw . die quantitative Bestimmung der Atome des Nachweis-Elements auf Basis dessen atomaren optischen Übergangs bzw . dessen Röntgenübergangs . Nach einer Aus führungs form wird eine Mehrzahl der lonen- Cluster erzeugt und werden die erzeugten lonen-Cluster vor dem Beaufschlagen der Hauptfläche derart vereinzelt , dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0 . 05% und unter 100% genau einer der lonen-Cluster an der vorgegebenen Soll-Position implantiert wird . The joint implantation (co-implantation) of atoms of the target element with atoms of the detection element enables an indirect but reliable detection or a reliable quantitative determination of the implanted atoms of the target element through the detection or the quantitative determination of the atoms of the detection element on the basis of its atomic optical transition or its X-ray transition. According to one embodiment, a plurality of ion clusters is generated and the ion clusters generated are isolated before they are applied to the main surface in such a way that within a predetermined period of time there is a probability of more than 0. 05% and less than 100% exactly one of the ion clusters is implanted at the specified target position.
Die lonen-Cluster können von einer Einzelionenquelle einzeln abgegeben, aus einer lonenfalle einzeln entlassen oder durch geeignete Blenden im Strahlengang aus einer Menge von gleichartigen lonen-Clustern herausgesiebt werden . The ion clusters can be emitted individually from a single ion source, released individually from an ion trap, or can be screened out of a number of similar ion clusters by suitable screens in the beam path.
Das Bereitstellen einzelner lonen-Cluster durch eine geeignete lonenquelle , aus einer lonenfalle oder durch geeignete Blenden im Strahlengang ist gerätetechnisch meist mit einer Restunsicherheit belastet . Es können lediglich Wahrscheinlichkeiten dafür angegeben werden, dass sich innerhalb eines für die Implantation genau eines lonen- Clusters an einer Soll-Position vorgegebenen Zeitfensters durchschnittlich weniger als ein lonen-Cluster, durchschnittlich genau ein lonen-Cluster oder durchschnittlich mehr als ein lonen-Cluster in einem vorgegebenen Abschnitt des Strahlengangs befindet . The provision of individual ion clusters by a suitable ion source, from an ion trap or by suitable screens in the beam path is usually associated with a residual uncertainty in terms of device technology. It is only possible to state the probabilities that within a time window specified for the implantation of exactly one ion cluster at a target position, on average less than one ion cluster, on average exactly one ion cluster or on average more than one ion cluster in a predetermined section of the beam path is located.
Für die Bestimmung solcher Wahrscheinlichkeiten kann die Verteilung der lonen-Cluster durch eine Poisson-Verteilung der lonen-Cluster bezogen auf das vorgegebene Zeitfenster für die einzelne Implantation angenähert werden . Die Poisson- Verteilung drückt die Wahrscheinlichkeit dafür aus , dass in einem festgelegten Zeitfenster eine bestimmte Anzahl von lonen-Clustern vorliegen, wenn die lonen-Cluster mit einer bekannten konstanten mittleren Rate und unabhängig von den früher bereitgestellten lonen-Clustern bereitgestellt werden . Die auf das vorgegebene Zeitfenster für die Einzelimplantation bezogene mittlere Bereitstellungsrate entspricht dabei dem Erwartungswert X der Poisson-Verteilung . To determine such probabilities, the distribution of the ion clusters can be approximated by a Poisson distribution of the ion clusters based on the specified time window for the individual implantation. The Poisson distribution expresses the probability that a specific number of ion clusters will be present in a fixed time window if the ion clusters are provided at a known constant average rate and independently of the ion clusters provided earlier. The mean provision rate related to the predetermined time window for the individual implantation corresponds to the expected value X of the Poisson distribution.
Bei gleicher Bereitstellungrate kann der Erwartungswert X der Poisson-Verteilung durch die Länge des Zeitfensters für die einzelne Implantation variiert werden, wobei der Erwartungswert X mit längerem Zeitfenster angehoben wird . Bei gleicher Länge des Zeitfensters kann der Erwartungswert X der Poisson-Verteilung durch die Bereitstellungsrate variiert werden, wobei der Erwartungswert X mit höherer Bereitstellungsrate angehoben wird . With the same provision rate, the expected value X of the Poisson distribution can be varied by the length of the time window for the individual implantation, with the expected value X being increased with a longer time window. With the same length of the time window, the expected value X of the Poisson distribution can be varied by the provision rate, with the expected value X increasing with a higher provision rate.
Für manche Anwendungen in Wissenschaft und Industrie ist eine zuverlässige ( 100%ig sichere ) Implantation einzelner Atome oder von einer genau vorgegebenen Anzahl von Atomen an einer oder mehreren Soll-Positionen erforderlich . For some applications in science and industry, a reliable (100% safe) implantation of individual atoms or of a precisely specified number of atoms at one or more target positions is required.
Das Koimplantieren eines Atoms eines Ziel-Elements mit einem Atom eines Nachweis-Elements ermöglicht den indirekten, aber eindeutigen und zerstörungs freien Nachweis der Implantation insbesondere genau eines Atoms des Ziel-Elements durch den Nachweis des Atoms des Nachweis-Elements im Festkörper . The co-implantation of an atom of a target element with an atom of a detection element enables the indirect, but unambiguous and non-destructive detection of the implantation, in particular of precisely one atom of the target element, by detecting the atom of the detection element in the solid.
Angaben darüber, ob ein einzelnes Ion tatsächlich implantiert wird bzw . wurde oder nicht , beruhen derzeit auf verschiedenen Ansätzen, die entweder die Präsenz eines zu implantierenden Ions im Strahlengang innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters sicherstellen oder erfassen ( Prä- Implantations- Ansatz ) oder den Einschlag des Ions in den Festkörper nachweisen ( Post- Implantations-Ansatz ) . Information on whether a single ion is actually implanted or . or not , are currently based on various approaches that either ensure or detect the presence of an ion to be implanted in the beam path within a predetermined time window (pre-implantation approach) or prove the impact of the ion in the solid (post-implantation approach) .
Beispielsweise können die Ionen in einem Längsabschnitt desFor example, the ions in a longitudinal section of the
Strahlengangs , z . B . in einem Flugrohr, über durch den lonenfluss induzierte Spiegelladungen nachgewiesen werden . Die Empfindlichkeit einer solchen Messung reicht derzeit nicht zum sicheren Erkennen einzelner einfach oder zwei fach geladener Teilchen aus . lonenfallen geben vorher deterministisch nachgewiesene , einzelne Ionen frei . Um die Ionen im Strahlengang nicht zu verlieren und damit den determinierten Nachweis , wird der Durchmesser des lonenstrahls vergleichsweise weit gehalten . Der aufgeweitete Strahlengang reduziert die laterale Genauigkeit der Implantation . beam path, e.g. B. in a flight tube, over through the Ion flow induced mirror charges can be detected. The sensitivity of such a measurement is currently not sufficient for the reliable detection of individual singly or doubly charged particles. Ion traps release previously deterministically detected single ions. In order not to lose the ions in the beam path and thus the determinate detection, the diameter of the ion beam is kept comparatively large. The expanded beam path reduces the lateral accuracy of the implantation.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Nachweis des Einschlags einzelner Ionen beruht auf dem Detektieren von durch den Einschlag ausgelösten Sekundärelektronen . Die Qualität eines solchen Nachweises wird durch die Sekundärelektronen- Detektionsef f i zienz bestimmt , die ihrerseits von der Empfindlichkeit des Sekundärelektroden-Detektors und von der Anzahl der pro Aufprall erzeugten Sekundärelektronen und damit vom Material des Festkörpers , der lonensorte und der Implantationsenergie abhängt . Für die Implantation von Wismut in einkristallines Sili zium lässt sich derzeit eine Sekundärelektronen-Detektionsef f i zienz von 80% bis 95% erreichen . Another known method for detecting the impact of individual ions is based on the detection of secondary electrons triggered by the impact. The quality of such a detection is determined by the secondary electron detection efficiency, which in turn depends on the sensitivity of the secondary electrode detector and on the number of secondary electrons generated per impact and thus on the material of the solid, the type of ion and the implantation energy. A secondary electron detection efficiency of 80% to 95% can currently be achieved for the implantation of bismuth in monocrystalline silicon.
Ein weiterer Post- Implantations-Ansatz weist den Einschlag durch einen im Festkörper ausgebildeten Detektor nach . Der Detektor umfasst z . B . einen vorgespannten pn-Ubergang und eine Messschaltung . Der Einschlag erzeugt am oder nahe dem pn- Ubergang ein Elektronen-Loch-Paar . Die Messschaltung verstärkt und detektiert den durch das Elektronen-Loch-Paar erzeugten Strom . Die Anforderungen an den ausgebildeten Detektor schränken die Auswahl des Festkörpermaterials und dessen Aufbau stark ein . Demgegenüber ermöglicht die Koimplantation eines Atoms eines Ziel-Elements und eines Atoms eines Nachweis-Elements einen alternativen Weg zur sicheren Detektion j edes einzelnen implantierten Atoms des Ziel-Elements . Das Verfahren ist für eine große Anzahl von Materialkombinationen für Festkörper und Ziel-Element einsetzbar . Durch die statistisch bestimmte Implantation von einem oder keinem lonen-Cluster und den anschließenden möglichen Nachweis des Nachweis-Elements kann die Erfolgswahrscheinlichkeit schrittweise erhöht werden . Durch eine ausreichende Anzahl von Folgeimplantationen lässt sich die Erfolgswahrscheinlichkeit für die erfolgreiche Implantation von genau einem Atom des Ziel-Elements an einer Soll-Position trotz der statistischen Natur der lonenverteilung beliebig bis auf über 99 , 9% steigern . Another post-implantation approach detects the impact using a solid-state detector. The detector includes z. B. a biased pn junction and a measurement circuit. The impact creates an electron-hole pair at or near the pn junction. The measuring circuit amplifies and detects the current generated by the electron-hole pair. The requirements for the trained detector severely restrict the choice of solid material and its structure. In contrast, the co-implantation of an atom of a target element and an atom of a detection element enables an alternative way to reliably detect each individual implanted atom of the target element. The method can be used for a large number of material combinations for solid bodies and target elements. The probability of success can be gradually increased by the statistically determined implantation of one or no ion cluster and the subsequent possible detection of the detection element. With a sufficient number of subsequent implantations, the probability of success for the successful implantation of exactly one atom of the target element at a target position can be increased to over 99.9%, despite the statistical nature of the ion distribution.
Das Verfahren ermöglicht beispielsweise das deterministische Implantieren einzelner Ionen mittels einer Feinionenstrahlanlage ohne lonenfalle . Das Ausbilden eines Detektors im Zielsubstrat erübrigt sich . The method enables, for example, the deterministic implantation of individual ions using a fine ion beam system without an ion trap. There is no need to form a detector in the target substrate.
Nach einer Aus führungs form können einzelne lonen-Cluster an oder nahe verschiedener vorgegebenen Soll-Positionen implantiert werden . According to one embodiment, individual ion clusters can be implanted at or near different predetermined target positions.
Die Soll-Positionen können ein regelmäßiges Muster bilden . Beispielsweise liegen die Soll-Positionen an den Gitterpunkten eines regelmäßigen, zweidimensionalen Gitters . Der Abstand benachbarter Gitterpunkte kann größer sein als der Radius der Querschnitts fläche des Strahlengangs auf der Hauptfläche des Festkörpers , insbesondere größer als die Summe aus dem Radius der Querschnitts fläche des Strahlengangs und dem lateralen Streuradius des implantierten Atoms mit der größeren lateralen Streuung . Zerfällt der lonen-Cluster in Teile , kann im Festkörper ein mittlerer lateraler Abstand zwischen den Teilen des lonen- Clusters kleiner sein al s ein mittlerer Abstand der Soll- Positionen . The target positions can form a regular pattern. For example, the target positions are at the grid points of a regular, two-dimensional grid. The distance between adjacent lattice points can be larger than the radius of the cross-sectional area of the beam path on the main surface of the solid, in particular larger than the sum of the radius of the cross-sectional area of the beam path and the lateral scattering radius of the implanted atom with the larger lateral scattering. If the ion cluster breaks up into parts, an average lateral distance between the parts of the ion cluster in the solid can be smaller than an average distance between the target positions.
Nach einer Aus führungs form kann das Verfahren das Detektieren von einzelnen Atomen des Nachweis-Elements anhand des atomaren optischen Übergangs bzw . des Röntgenübergangs des Nachweis- Elements von dem angeregten zu dem energiearmen Zustand umfassen . According to one embodiment, the method can include the detection of individual atoms of the detection element based on the atomic optical transition or include the X-ray transition of the detection element from the excited to the low-energy state.
Insbesondere kann das Detektieren das Anregen der Atome des Nachweis-Elements bis mindestens zu dem angeregten Zustand des atomaren optischen Übergangs bzw . des Röntgenübergangs und das Detektieren der Strahlung umfassen, die die Atome des Nachweis-Elements beim optischen Übergang bzw . beim Röntgenübergang von dem angeregten Zustand zu dem energiearmen Zustand abgeben . In particular, the detection can excite the atoms of the detection element up to at least the excited state of the atomic optical transition or of the X-ray transition and detecting the radiation that the atoms of the detection element in the optical transition or include. give off during the X-ray transition from the excited state to the low-energy state.
Zum Anregen der Atome des Nachweis-Elements bis mindestens zu dem angeregten Zustand des atomaren optischen Übergangs oder des Röntgenübergangs kann die Hauptfläche des Festkörpers mit einem Elektronenstrahl abgetastet werden, beispielsweise mit dem Elektronenstrahl eines Elektronenstrahlsystems , z . B . eines Rasterelektronenmikroskops (Englisch : scanning electron microscope ( SEM) ) . Die von einem optischen Übergang abgegebene Strahlung kann mit einem Licht- oder Bildsensor erfasst werden, die von einem Röntgenübergang abgegebene Röntgenstrahlung beispielsweise von einem Halbleiterdetektor für Röntgenphotonen . In order to excite the atoms of the detection element to at least the excited state of the atomic optical transition or the X-ray transition, the main surface of the solid can be scanned with an electron beam, for example with the electron beam of an electron beam system, e.g. B. a scanning electron microscope (SEM) . The radiation emitted by an optical transition can be detected with a light or image sensor, the X-rays emitted by an X-ray transition, for example, by a semiconductor detector for X-ray photons.
Nach einer Aus führungs form kann das Nachweis-Element kathodolumines zent sein und kann das Detektieren von einzelnen Atomen des Nachweis-Elements das Abtasten der Hauptfläche mit einem Elektronenstrahl umfassen . According to one embodiment, the detection element can be cathodoluminescent and can detect individual Atoms of the detection element include scanning the main surface with an electron beam.
Durch den Elektronenstrahl werden selektiv nur die sich j eweils innerhalb der Querschnitts fläche des Elektronenstrahls befindlichen Atome des Nachweis-Elements zur Abgabe von Strahlung angeregt . Kathodolumines zente Nachweis-Elemente ermöglichen daher eine sehr genaue Ortsbestimmung der Atome des Nachweis-Elements und damit auch eine genaue Zuordnung von nachgewiesenen Atomen des Nachweis-Elements bzw . des Ziel- Elements zu den Soll-Positionen . The electron beam selectively excites only those atoms of the detection element that are located within the cross-sectional area of the electron beam to emit radiation. Kathodolumines zente detection elements therefore allow a very precise location of the atoms of the detection element and thus also an accurate assignment of detected atoms of the detection element or. of the target element to the target positions.
Nach einer Aus führungs form kann das Verfahren im Falle , das s kein Atom des Nachweis-Elements in ausreichender Nähe zu einer der Soll-Positionen detektiert wird, ein erneutes Beaufschlagen der Soll-Position mit fehlendem Atom des Nachweis-Elements mit einem fokussierten und beschleunigten heterogenen lonen- Cluster umfassen . According to one embodiment, in the event that no atom of the detection element is detected in sufficient proximity to one of the target positions, the method can involve renewed exposure to the target position with a missing atom of the detection element with a focused and accelerated heterogeneous ion clusters include.
Dabei kann für folgende Implantationen, mit denen lonen- Cluster gezielt an solchen Soll-Positionen implantiert werden sollen, die in vorangegangen Implantationen unbesetzt geblieben sind, die Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines lonen-Clusters im maßgeblichen Zeitfenster ( Zeitintervall ) von Implantation zu Implantation reduz iert werden um die Wahrscheinlichkeit für das Implantieren von zwei oder mehreren lonen-Clusters an der gleichen Soll-Position zu reduzieren . The probability of the presence of an ion cluster in the relevant time window (time interval) from implantation to implantation can be reduced for subsequent implantations, with which ion clusters are to be implanted in a targeted manner at target positions that have remained unoccupied in previous implantations are to reduce the probability of implanting two or more ion clusters at the same target position.
Beträgt beispielweise der Erwartungswert X für das Vorhandensein eines lonen-Clusters in einem für genau eine Implantation eines lonen-Clusters vorgesehenen Zeitfenster genau 1 , dann ergibt sich eine Wahrscheinlichkeit von 36 . 7 % dafür, dass kein lonen-Cluster implantiert wird, eine Wahrscheinlichkeit von 36 . 7 % dafür, dass genau ein lonen-Cluster implantiert wird, aber eine Wahrscheinlichkeit von 26 . 6% dafür, dass mehr als ein lonen-Cluster implantiert wird, und damit das Ziel der Implantation nicht mehr erreicht werden kann . Mit der Wahl eines niedrigeren der Erwartungswerts X kann die Wahrscheinlichkeit dafür, dass mehr al s ein lonen-Cluster an derselben Soll- Position implantiert wird, reduz iert werden . Um möglichst genau ein lonen-Cluster an einer Soll-Position zu implantieren, wird nach j eder Implantation an der Soll-Position nach einem Atom des Nachweis-Elements gesucht und im Falle des Fehlens des Atoms des Nachweis-Elements die Implantation wiederholt , wobei für j ede der folgenden Implantationen der ErwartungswertIf, for example, the expected value X for the presence of an ion cluster in a time window provided for precisely one implantation of an ion cluster is exactly 1, then a probability of 36 results. 7% that no ion cluster is implanted, a probability of 36 . 7% that exactly one ion cluster is implanted, but a probability of 26 . 6% for the fact that more than one ion cluster is implanted, and thus the goal of the implantation can no longer be achieved. Choosing a lower expected value X can reduce the probability that more than one ion cluster will be implanted at the same target position. In order to implant an ion cluster as precisely as possible at a desired position, an atom of the detection element is sought after each implantation at the desired position and, if the atom of the detection element is missing, the implantation is repeated, with each of the following implantations the expected value
X in kleiner werdenden Schritten reduziert wird . X is reduced in smaller steps.
In der Tabelle 1 bezeichnet N die Nummer der Implantation, L die für die N Implantationen eingestellten Werte für den Erwartungswert X, und E die Wahrscheinl ichkeit dafür, dass nach der N-ten Implantation genau ein lonen-Cluster an der Soll- Position implantiert ist :
Figure imgf000016_0001
In Table 1, N denotes the number of the implantation, L the values set for the expected value X for the N implantations, and E the probability that after the Nth implantation exactly one ion cluster will be implanted at the desired position :
Figure imgf000016_0001
Tabelle 1 Für die erfolgreiche Implantation von genau einem lonen- Cluster an einer Soll-Position ergibt sich beispielweise bei nur einer Implantation mit durchschnittlich einem lonen- Cluster pro Zeitfenster eine vergleichsweise geringe Erfolgswahrscheinlichkeit von nur 36 , 7 % . Nach einer dritten Implantation mit 0 , 63 lonen-Clustern pro Zeitfenster steigt die Erfolgswahrscheinlichkeit auf 69 , 7 % , nach einer zehnten Implantation mit 0 , 36 lonen-Clustern pro Zeitfenster auf 91 , 9% und nach der 50 . Implantation mit 0 , 12 lonen-Clustern pro Zeitfenster auf 99 , 1 % . Table 1 For the successful implantation of precisely one ion cluster at a target position, for example, there is a comparatively low probability of success of only 36.7% in the case of only one implantation with an average of one ion cluster per time window. After a third implantation with 0.63 ion clusters per time window, the probability of success increases to 69.7%, after a tenth implantation with 0.36 ion clusters per time window to 91.9% and after 50%. implantation with 0.12 ion clusters per time window to 99.1%.
Sollen bei einem Erwartungswert X von genau 1 für das Vorhandensein eines lonen-Clusters in einem für genau eine Implantation eines lonen-Clusters vorgesehenen Zeitfenster zehn lonen- Cluster an zehn unterschiedlichen Soll-Positionen implantiert werden, dann ergibt sich nach j eweils einer Implantation an j eder Soll-Position eine Wahrscheinlichkeit von nur 0 . 0045% dafür, dass j eweils tatsächlich genau ein lonen-Cluster implantiert ist . Wird im Falle des Fehlens eines Atoms des Nachweis-Elements die Implantation an einer Soll-Position wiederholt , kann wieder für j ede der folgenden Implantationen der Erwartungswert X in kleiner werdenden Schritten reduziert werden . If, given an expected value X of exactly 1 for the presence of an ion cluster, ten ion clusters are to be implanted at ten different target positions in a time window provided for precisely one implantation of an ion cluster, then there is one implantation at j each time Each target position has a probability of only 0 . 0045% that exactly one ion cluster is actually implanted in each case. If the implantation is repeated at a target position in the event that an atom of the detection element is missing, the expected value X can again be reduced in smaller steps for each of the following implantations.
Die Tabelle 2 zeigt für eine vorgegebene Abnahme des Erwartungswertes X nach einem Beispiel die wachsende Wahrscheinlichkeit dafür, dass nach der N-ten Implantation genau ein lo- nen-Cluster an j eder der 10 Soll-Positionen implantiert ist :
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000018_0001
For a given decrease in the expected value X, Table 2 shows, according to an example, the increasing probability that after the Nth implantation, exactly one ion cluster will be implanted in each of the 10 target positions:
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Tabelle 2 Table 2
Für die erfolgreiche Implantation von jeweils genau einem Atom des Ziel-Elements an zehn unterschiedlichen Soll-Positionen ergibt sich bei durchschnittlich einem lonen-Cluster pro Zeitfenster bei nur einer Implantation pro Soll-Position eine vergleichsweise geringe Erfolgswahrscheinlichkeit von 0,0045%. Nach einer dritten Implantation mit 0, 63 lonen-Clustern pro Zeitfenster steigt die Erfolgswahrscheinlichkeit auf 2,72%, nach der zehnten Implantation mit 0,36 lonen-Clustern pro Zeitfenster auf 42,8% und nach der 46. Implantation mit 0,13 lonen-Clustern pro Zeitfenster auf 90,1%. For the successful implantation of exactly one atom of the target element at ten different target positions, with an average of one ion cluster per time window and only one implantation per target position, there is a comparatively low probability of success of 0.0045%. The probability of success increases to 2.72% after a third implantation with 0.63 ion clusters per time window, to 42.8% after the tenth implantation with 0.36 ion clusters per time window and to 0.13 after the 46th implantation ion clusters per time window to 90.1%.
Das Verfahren ermöglicht somit ein gezieltes Nachbessern bereits implantierter Muster von Einzel-Ionen und verringert damit signifikant den Aufwand zur Herstellung von Strukturen und Bauelementen, die eine Vielzahl von in einem vorgegebenen Muster in einem Festkörper angeordneten Einzelatomen aufweisen . The method thus enables targeted reworking of already implanted patterns of individual ions and thus significantly reduces the effort involved in producing structures and components which have a large number of individual atoms arranged in a predetermined pattern in a solid.
Nach einer Aus führungs form können ein Material des Festkörpers und das Ziel-Element so gewählt sein, dass einzelne Atome des Ziel-Elements im Festkörper oder Atome des Ziel-Elements auf- weisende Komplexe untereinander quantenmechanisch koppelbar sind . Insbesondere können die Soll-Positionen der implantierten lonen-Cluster so gewählt sein, dass die implantierten Atome des Ziel-Elements quantenmechanisch gekoppelt werden können . According to one embodiment, a material of the solid and the target element can be selected in such a way that individual atoms of the target element in the solid or atoms of the target element Pointing complexes can be coupled quantum mechanically with one another. In particular, the target positions of the implanted ion clusters can be selected in such a way that the implanted atoms of the target element can be coupled quantum mechanically.
Nach einer Aus führungs form kann das Nachweis-Element eine Seltene Erde ( Seltenerd-Metall ) sein . Metalle der Seltenen Erde bilden ionisierbare Cluster mit einer Viel zahl von Elementen, die als Ziel-Element relevant sein können, insbesondere bei der Herstellung von Bauelementen zur Signal- und oder Informationsverarbeitung, z . B . Quantenbauelementen . According to one embodiment, the detection element can be a rare earth (rare earth metal). Rare earth metals form ionizable clusters with a variety of elements that can be relevant as a target element, especially in the manufacture of components for signal and or information processing, z. B. quantum devices .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Of fenbarung betri f ft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur Signal- oder Informationsverarbeitung, insbesondere eines Quantenbauelements . Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines heterogenen lonen-Clusters , wobei der lonen-Cluster ein Ziel-Element und ein Nachweis-Element aufweist . Das Nachweis- Element weist einen atomaren optischen Übergang und/oder einen Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand auf . Der lonen-Cluster wird fokussiert und beschleunigt . Mit dem fokussierten und beschleunigten lonen- Cluster wird eine Hauptfläche eines Festkörpers beaufschlagt , wobei der lonen-Cluster an oder nahe einer vorgegebenen Soll- Position auf der Hauptfläche in den Festkörper implantiert wird, d . h . einschlägt . Insbesondere kann das Verfahren zum Herstellen eines Bauelements ein Verfahren zum Implantieren von Ionen in einer der oben beschriebenen Aus führungs formen umfassen . A further aspect of the present disclosure relates to a method for producing a component for signal or information processing, in particular a quantum component. The method includes providing a heterogeneous ion cluster, the ion cluster having a target element and a detection element. The detection element exhibits an atomic optical transition and/or an X-ray transition from an excited to a low-energy state. The ion cluster is focused and accelerated. The focused and accelerated ion cluster is applied to a main surface of a solid, the ion cluster being implanted into the solid at or near a predetermined target position on the main surface, d. H . hits . In particular, the method for producing a component can comprise a method for implanting ions in one of the embodiments described above.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Of fenbarung betri f ft eine lonenf einstrahlanlage . Die lonenf einstrahlanlage weist eine lonenquelle auf , die unter anderem heterogene lonen-Cluster einer vorgegebenen Art emittiert . Eine Strahl führungseinrichtung der lonenf einstrahlanlage bündelt die von der lonenquelle emittierten lonen-Cluster in einem lonenstrahl . Die lonenf einstrahlanlage umfasst zudem eine lonentrenneinreichung, die andere Ionen und lonen-Cluster als die heterogenen lonen-Cluster der vorgegebenen Art aus dem lonenstrahl entfernt . A further aspect of the present disclosure relates to an ion beam system. The ion beam system has an ion source which, among other things, emits heterogeneous ion clusters of a specified type. A beam guidance device of the ion beam system bundles the ion clusters emitted by the ion source in an ion beam. The ion beam system also includes an ion separation device that removes ions and ion clusters other than the heterogeneous ion clusters of the specified type from the ion beam.
Die Strahl führungseinrichtung kann eine lonenstrahloptik aufweisen, die mit Bauelementen, die elektrostatische und/oder magnetische Felder erzeugen, den lonenstrahl in einer Proj ektionsebene auf eine Strahlquerschnitts fläche von wenigen Quadratnanometern fokussiert . Die Strahl führungseinrichtung kann zudem eine lonen-Beschleunigungseinrichtung umfassen, die mittels eines elektrischen Feldes die Ionen im lonenstrahl in Richtung der Pro ektionsebene beschleunigt . Die Traj ektorien der Ionen im lonenstrahl überstreichen einen Strahlengang der lonenf einstrahlanlage . The beam guiding device can have an ion beam optics, which uses components that generate electrostatic and/or magnetic fields to focus the ion beam in a projection plane onto a beam cross-sectional area of a few square nanometers. The beam guidance device can also include an ion acceleration device, which accelerates the ions in the ion beam in the direction of the pro ection plane by means of an electric field. The trajectories of the ions in the ion beam cover a beam path of the ion beam system.
Die lonentrenneinrichtung umfasst beispielweise ein Wienfilter . Im Wienfilter überlagern sich ein elektrisches Feld und ein Magnetfeld, deren Vektoren zueinander und zu der Bewegungsrichtung der Ionen senkrecht ausgerichtet sind . Teilchen im lonenstrahl mit einer anderen Masse und/oder einer anderen Ladung als die heterogenen lonen-Cluster der vorgegebenen Art werden aus dem Strahlengang des lonenstrahls abgelenkt und schlagen zum Beispiel auf eine Blende auf , so dass nur die heterogenen lonen-Cluster der vorgegeben Art eine Öf fnung in der Blende passieren . The ion separation device includes a Wien filter, for example. In the Wien filter, an electric field and a magnetic field are superimposed, the vectors of which are aligned perpendicular to each other and to the direction of movement of the ions. Particles in the ion beam with a different mass and/or a different charge than the heterogeneous ion cluster of the specified type are deflected out of the beam path of the ion beam and hit, for example, an aperture so that only the heterogeneous ion cluster of the specified type a pass through the aperture in the panel.
Übliche lonenquellen emittieren Einzel- Ionen und lonen-Cluster unterschiedlicher Art . Genutzt wird üblicherweise nur eine einzige Art von Ionen, nämlich Einzel- Ionen desselben Elements und der gleichen Ladungs zahl . Eine in der lonenf einstrahlanlage integrierte , übliche lonentrenneinrichtung filtert weitere von der lonenquelle erzeugte und emittierte Einzel- Ionen desselben Elements und mit einer anderen Ladungs zahl , Einzel- Ionen anderer Elemente , homogene lonen-Cluster und heterogene lonen-Cluster aus dem lonenstrahl heraus . Customary ion sources emit individual ions and ion clusters of different types. Usually only one is used only type of ions, namely single ions of the same element and the same charge number. A conventional ion separation device integrated in the ion beam system filters out other individual ions of the same element and with a different charge number, individual ions of other elements, homogeneous ion clusters and heterogeneous ion clusters generated and emitted by the ion source from the ion beam.
Dagegen entfernt die lonentrenneinrichtung der vorliegenden lonenf einstrahlanlage alle Einzel- Ionen, alle homogenen lonen- Cluster und alle heterogenen lonen-Cluster mit Ausnahme der heterogenen lonen-Cluster der vorgegebenen Art aus dem lonenstrahl und ermöglicht insbesondere eine Koimplantation von Atomen unterschiedlicher Elemente in einem festen, vorgegebenen Zahlenverhältnis zueinander . In contrast, the ion separation device of the present ion beam single-beam system removes all individual ions, all homogeneous ion clusters and all heterogeneous ion clusters, with the exception of the heterogeneous ion clusters of the specified type, from the ion beam and, in particular, enables co-implantation of atoms of different elements in a solid, predetermined ratio to each other.
Unter anderem ermöglicht die lonenf einstrahlanlage mit einer derart eingerichteten lonentrenneinrichtung die Koimplantation von Atomen eines ersten Elements und von Atomen eines zweitens Elements in einem festen Zahlenverhältnis , z . B . in einem Verhältnis von 1 : 1 . Among other things, the ion beam system with an ion separation device set up in this way enables the co-implantation of atoms of a first element and of atoms of a second element in a fixed numerical ratio, e.g. B. in a ratio of 1:1.
Insbesondere ermöglicht die lonenf einstrahlanlage mit einer derart eingerichteten lonentrenneinrichtung die Koimplantation genau eines Atoms eines Ziel-Elements und eines Atoms oder mehrerer Atome eines Nachweise-Elements für das oben beschriebene Verfahren zum Implantieren von Atomen . In particular, the ion beam system with an ion separation device set up in this way enables the co-implantation of exactly one atom of a target element and one atom or several atoms of a detection element for the method described above for implanting atoms.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Of fenbarung betri f ft ein Betriebsverfahren für eine lonenf einstrahlanlage , die eine lonenquelle , eine Strahl führungseinrichtung und eine lonentrenneinrichtung aufweist , wobei die lonenquelle unter anderem heterogene lonen-Cluster einer vorgegebenen Art emittiert und die Strahl führungseinrichtung die von der lonenquelle emittierten lonen-Cluster in einem lonenstrahl bündelt . Die lonentrenneinrichtung wird derart eingestellt und betrieben, dass andere Ionen und lonen-Cluster al s die heterogenen lonen-Cluster der vorgegebenen Art aus dem lonenstrahl entfernt werden und die lonenf einstrahlanlage nur die heterogenen lonen-Cluster der vorgegebenen Art emittiert . A further aspect of the present disclosure relates to an operating method for an ion beam system which has an ion source, a beam guiding device and an ion separating device, the ion source including heterogeneous ion clusters of a specified type emitted and the beam guiding device bundles the ion clusters emitted by the ion source into an ion beam. The ion separation device is adjusted and operated in such a way that ions and ion clusters other than the heterogeneous ion clusters of the specified type are removed from the ion beam and the ion beam irradiation system only emits the heterogeneous ion clusters of the specified type.
Gemäß einer Aus führungs form kann die lonenf einstrahlanlage eine lonenvereinzelungseinrichtung aufweisen, wobei die lonenvereinzelungseinrichtung die heterogenen lonen-Cluster der vorgegebenen Art im lonenstrahl derart vereinzelt , das s die lonenf einstrahlanlage innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0 . 05% und unter 100% genau einen der lonen-Cluster emittiert . According to one embodiment, the ion beam system can have an ion separation device, the ion separation device separating the heterogeneous ion clusters of the specified type in the ion beam in such a way that the ion beam system within a specified period of time has a probability of over 0. 05% and below 100% exactly one of the ion clusters emitted.
Beispielsweise bewirkt die lonenvereinzelungseinrichtung ein temporäres Schwarztasten (Englisch : blanking) des lonenstrahls . Beispielsweise weist die die lonenvereinzelungseinrichtung Ablenkplatten beiderseits des Strahlengangs auf . Ein elektrisches Feld zwischen den Ablenkplatten lenkt die lonen-Cluster in Richtung einer der Ablenkplatten aus . Wird das elektrische Feld kurz zeitig ausgeschaltet , können Ionen die Ablenkplatten passieren... For example, the ion isolation device effects a temporary blanking of the ion beam. For example, the ion separation device has deflection plates on both sides of the beam path. An electric field between the deflection plates deflects the ion clusters in the direction of one of the deflection plates. If the electric field is switched off for a short time, ions can pass through the deflection plates...
Gemäß einer Aus führungs form kann die lonenquelle der lonenf einstrahlanlage eine Flüssigmetall-Legierungs- lonenquelle aufweisen . According to one embodiment, the ion source of the ion beam system can have a liquid metal alloy ion source.
Die Flüssigmetall-Legierungs- Ionenquelle kann eine Kammer , einen Feldgenerator und eine Abgabeeinheit aufweisen . Die Kammer ist mit einem flüssigen Ausgangsmaterial gefüllt , z . B . mit einer eutektischen Legierung . Eine Wärmequelle kann das Ausgangsmaterial verflüssigen und/oder das Ausgangsmaterial flüssig halten. Die Abgabeeinheit weist beispielsweise eine Kapillare oder eine Nadel auf. Das flüssige Ausgangsmaterial steht an der äußeren Öffnung der Kapillare an oder hüllt die Nadelspitze ein. Der Feldgenerator erzeugt ein elektrisches Feld an der Öffnung der Kapillare bzw. an der Nadelspitze. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bildet sich an der Öffnung der Kapillare bzw. an der Nadelspitze ein Taylor-Kegel aus, dessen Spitze Ionen emittiert. Die emittierten Ionen können Einzel-Ionen der Legierungselemente, homogene lonen- Cluster der Legierungselemente und heterogene lonen-Cluster umfassen . The liquid metal alloy ion source may include a chamber, a field generator, and a delivery unit. The chamber is filled with a liquid starting material, e.g. B. with a eutectic alloy. A heat source can liquify the feedstock and/or the feedstock keep liquid. The delivery unit has, for example, a capillary or a needle. The liquid starting material is at the outer opening of the capillary or envelops the needle tip. The field generator creates an electric field at the opening of the capillary or at the tip of the needle. Under the influence of the electric field, a Taylor cone forms at the opening of the capillary or at the tip of the needle, the tip of which emits ions. The emitted ions can include individual ions of the alloying elements, homogeneous ion clusters of the alloying elements and heterogeneous ion clusters.
Gemäß einer Aus führungs form kann die lonenf einstrahlanlage einen Objekttisch, ein Elektronenstrahlsystem und einen Strahlungsdetektor aufweisen. According to one embodiment, the ion beam system can have an object table, an electron beam system and a radiation detector.
Der Objekttisch ist dazu eingerichtet, einen auf dem Objekttisch angeordneten Festkörper zu dem lonenstrahl auszurichten. Der Objekttisch kann entlang von zwei oder drei orthogonalen Raumachsen beweglich sein. The stage is set up to align a solid body arranged on the stage with the ion beam. The stage can be movable along two or three orthogonal spatial axes.
Das Elektronenstrahlsystem erzeugt einen gebündelten Elektronenstrahl, fokussiert den gebündelten Elektronenstrahl in einer Projektionsebene zwischen dem Elektronenstrahlsystem und dem Objekttisch und tastet mindestens einen Abschnitt der Projektionsebene mit dem Elektronenstrahl ab. The electron beam system generates a collimated electron beam, focuses the collimated electron beam in a projection plane between the electron beam system and the stage, and scans at least a portion of the projection plane with the electron beam.
Eine Querschnittsfläche des Elektronenstrahls in der Projektionsebene kann in etwa kreisrund sein, wobei der Radius der Querschnitt fläche kleiner lOOnm, z.B. kleiner 30nm oder auch kleiner als 2nmsein kann. A cross-sectional area of the electron beam in the projection plane can be approximately circular, with the radius of the cross-sectional area being less than 100 nm, e.g. less than 30 nm or even less than 2 nm.
Ist auf dem Objekttisch ein Festkörper angeordnet, dessen freiliegende Hauptfläche in der Projektionsebene liegt, dann tastet der Elektronenstrahl die Hauptfläche des Festkörpers ab . Der Elektronenstrahl regt Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang im Festkörper zur Abgabe von Strahlung an . Die Strahlung kann Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht , ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlung sein . If a solid is arranged on the object table, the exposed main surface of which lies in the projection plane, then the electron beam scans the main surface of the solid. The electron beam excites optical transition or X-ray transition atoms in the solid to emit radiation. The radiation can be infrared radiation, visible light, ultraviolet light, or X-rays.
Der Strahlungsdetektor detektiert eine in der Proj ektionsebene erzeugte Strahlung . I st auf dem Obj ekttisch ein Festkörper angeordnet , dessen freiliegende Hauptfläche in der Proj ektionsebene liegt und der Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang enthält , dann detektiert der Strahlungsdetektor vom Elektronenstrahl des Elektronenstrahlsystems angeregte Strahlung . The radiation detector detects radiation generated in the projection plane. If a solid is arranged on the object table, the exposed main surface of which lies in the projection plane and which contains atoms with an optical transition or with an X-ray transition, then the radiation detector detects radiation excited by the electron beam of the electron beam system.
Beispielsweise sind Elektronenstrahlsystem und Strahlungsdetektor Komponenten eines SEM-EDX Aufbaus zur energiedispersiven Röntgenanalyse . For example, the electron beam system and radiation detector are components of an SEM-EDX setup for energy-dispersive X-ray analysis.
Gemäß einer Aus führungs form kann die lonenf einstrahlanlage eine Auswerteeinrichtung aufweisen, wobei die Auswerteeinrichtung inf ormationstechnisch mit dem Strahlungsdetektor und dem Elektronenstrahlsystem verbunden und dazu eingerichtet ist , eine Position des Elektronenstrahls in der Proj ektionsebene zum Zeitpunkt einer Detektion einer vorgegebenen Strahlung durch den Strahlungsdetektor zu identi fi zieren . According to one embodiment, the ion beam system can have an evaluation device, the evaluation device being connected to the radiation detector and the electron beam system in terms of information technology and being set up to identify a position of the electron beam in the projection plane at the time when a predetermined radiation is detected by the radiation detector fi grace .
I st auf dem Obj ekttisch ein Festkörper angeordnet , dessen freiliegende Hauptfläche in der Proj ektionsebene liegt und der Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang enthält , dann detektiert der Strahlungsdetektor vom Elektronenstrahl des Elektronenstrahlsystems angeregte Strahlung und die Auswerteeinrichtung identi fi ziert die Lage der kathodolumines zenten Atome auf der Hauptfläche mit hoher Ortsauflösung, die im Wesentlichen durch die Querschnitts fläche des Elektronenstrahls in der Proj ektionsebene vorgegeben wird . If a solid body is arranged on the object table, the exposed main surface of which lies in the projection plane and which contains atoms with an optical transition or with an X-ray transition, then the radiation detector detects radiation excited by the electron beam of the electron beam system and the evaluation device identifies the position of the cathodoluminescent atoms on the main surface with high spatial resolution, which is essentially defined by the cross-sectional area of the electron beam in the projection plane.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Of fenbarung betri f ft ein Bauelement zur Signal- oder Informationsverarbeitung, insbesondere ein Quantenbauelement , beispielsweise ein Einzelphotonenemitter zur Quantenkommunikation oder ein Quantenregister für die Quantenrechnung (Englisch : quantum memory for quantum computing) . A further aspect of the present disclosure relates to a component for signal or information processing, in particular a quantum component, for example a single photon emitter for quantum communication or a quantum register for quantum computing (English: quantum memory for quantum computing).
Das Bauelement weist ein Substrat und in einer hori zontalen Schicht des Substrats angeordnete Atomgruppen auf , wobei j ede Atomgruppe mindestens ein Atom eines Ziel-Elements und mindestens ein Atom eines Nachweis-Elements mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang umfasst , und wobei in j eder der Atomgruppen ein lateraler Abstand zwischen dem Atom des Ziel-Elements und dem Atom des Nachweis-Elements maximal 200nm , z . B . maximal 50nm, insbesondere l Onm bis 20nm beträgt . Beispielsweise umfasst j ede Atomgruppe genau ein Atom des Ziel-Elements und mindestens ein Atom, z . B . genau ein Atom des Nachweis-Elements . The device has a substrate and groups of atoms arranged in a horizontal layer of the substrate, each group of atoms comprising at least one atom of a target element and at least one atom of a detection element with an optical transition or with an X-ray transition, and in each of which Atomic groups a lateral distance between the atom of the target element and the atom of the detection element is a maximum of 200 nm, z. B. is a maximum of 50 nm, in particular l Onm to 20 nm. For example, each atom group includes exactly one atom of the target element and at least one atom, e.g. B. exactly one atom of the detection element .
In einem solchen Bauelement ermöglicht der optische Übergang bzw . der Röntgenübergang der Atome des Nachweis-Elements in der oben beschriebenen Weise mindestens in einer Phase der Fertigung nach dem Implantieren der Atomgruppen den sicheren Nachweis der Präsenz der Atome des Ziel-Elements . Zudem lässt sich die Lage der einzelnen Atome des Ziel-Elements relativ genau ermitteln . In such a device, the optical transition or the X-ray transition of the atoms of the detection element in the manner described above at least in one phase of production after the implantation of the atomic groups the reliable detection of the presence of the atoms of the target element. In addition, the position of the individual atoms of the target element can be determined relatively precisely.
Gemäß einer Aus führungs form können die Atomgruppen an oder nahe von Gitterpunkten eines regelmäßigen, hori zontalen Gitters angeordnet sein, wobei die Atome des Ziel-Elements oder Komplexe, die jeweils ein Atom des Ziel-Elements aufweisen, miteinander quantenmechanisch gekoppelt sind. Das Gitter kann rechteckige Maschen oder Maschen mit mehr als vier Kanten aufweisen. Beispielsweise sind die Maschen des Gitters Quadrate oder Hexagone. According to one embodiment, the atomic groups can form at or near lattice points of a regular, horizontal Be arranged lattice, wherein the atoms of the target element or complexes, each having an atom of the target element, are coupled to each other quantum mechanically. The grid can have rectangular meshes or meshes with more than four edges. For example, the meshes of the grid are squares or hexagons.
Gemäß einer Aus führungs form kann das Nachweis-Element einAccording to one embodiment, the detection element can
Element der Seltenen Erden sein. Beispielsweise ist dasbe a rare earth element. For example this is
Seltene Erde Element Cer (Ce) . Rare earth element Cerium (Ce) .
Das Ziel-Element ist beispielsweise ein Nichtmetall, z.B. Bor (B) , Kohlenstoff (C) , Stickstoff (N) , Silizium (Si) , Phosphor (P) , Germanium (Ge) , Arsen (As) , Antimon (Sb) , ein Post-The target element is, for example, a non-metal, e.g. boron (B) , carbon (C) , nitrogen (N) , silicon (Si) , phosphorus (P) , germanium (Ge) , arsenic (As) , antimony (Sb) , a post
Übergangsmetall, z.B. Gallium (Ga) , Indium (In) , Zinn (Sn) ,Transition metal, e.g. gallium (Ga) , indium (In) , tin (Sn) ,
Blei (Pb) , Bismut (Bi) , ein Metall der 1. Gruppe, z.B. LithiumLead (Pb) , bismuth (Bi) , a group 1 metal, e.g. lithium
(Li) oder ein Nebengruppen-Metall , dass kein Seltenes Erden(Li) or a subgroup metal that is not a rare earth
Element ist. Insbesondere ist das Ziel-Element ein Element deritem is. In particular, the target element is an element of the
4. oder 5. Gruppe. 4th or 5th group.
Das Material des Festkörpers kann beispielsweise Silizium, z.B. einkristallines Silizium oder isotopenreines Silizium, eine auf einer Isolatorschicht ausgebildete Siliziumschicht, Diamant, Siliziumoxid, Kohlenstoff, ein mehrlagiges 2D- Material wie z.B. Graphen, TMDC (transition metal dichalcogenide) oder hexagonales Bornitrid (hBN) sein. The material of the solid can, for example, be silicon, e.g .
Die FIG. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer lonenf einstrahlanlage 40 mit einer lonenquelle 41, die heterogene lonen-Cluster 10 einer vorgegebenen Art emittiert. Neben den heterogenen lonen-Clustern 10 der vorgegebenen Art emittiert die lonenquelle 41 weitere lonensorten. Eine Strahlführungseinrichtung 42 bündelt die von der lonenquelle 41 emittierten Ionen in einem lonenstrahl 49. Die Trajektorien der Ionen im lonenstrahl 49 überstreichen einen Strahlengang 19 der lonenf einstrahlanlage 40 . The FIG. 1 shows a simplified block diagram of an ion beam system 40 with an ion source 41 which emits heterogeneous ion clusters 10 of a given type. In addition to the heterogeneous ion clusters 10 of the specified type, the ion source 41 emits other types of ions. A beam guiding device 42 bundles the ions emitted by the ion source 41 in an ion beam 49. The trajectories the ions in the ion beam 49 sweep over a beam path 19 of the ion beam system 40 .
Eine lonentrenneinrichtung 43 entfernt andere Ionen und lonen- Cluster als die heterogenen lonen-Cluster 10 der vorgegebenen Art aus dem lonenstrahl 49 . An ion separator 43 removes ions and ion clusters other than the heterogeneous ion clusters 10 of the specified kind from the ion beam 49 .
Eine lonenvereinzelungseinrichtung 44 vereinzelt die verbleibenden heterogenen lonen-Cluster 10 der vorgegebenen Art im lonenstrahl 49 derart , dass die lonenf einstrahlanlage 40 innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0 . 05% und unter 100% genau einen der lonen-Cluster 10 emittiert . Beispielsweise bewirkt die lonenvereinzelungseinrichtung 44 ein temporäres Schwarztasten des lonenstrahls 49 . An ion separation device 44 separates the remaining heterogeneous ion clusters 10 of the specified type in the ion beam 49 in such a way that the ion beam irradiation system 40 within a specified period of time has a probability of over 0. 05% and below 100% exactly one of the ion cluster 10 emits. For example, the ion isolation device 44 temporarily blanks the ion beam 49 black.
Der lonenstrahl 49 wird in einer Proj ektionsebene 47 oberhalb eines Ob ekttisches 45 fokussiert , wobei die Proj ektionsebene 47 und eine ebene Hauptfläche 31 eines auf dem Obj ekttisch 45 angeordneten Festkörpers 30 koplanar liegen . Der Obj ekttisch 45 kann innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet sein . The ion beam 49 is focused in a projection plane 47 above an object table 45 , the projection plane 47 and a planar main surface 31 of a solid 30 arranged on the object table 45 being coplanar. The object table 45 may be placed within a vacuum chamber.
Die Darstellung der Teile der lonenf einstrahlanlage 40 ist grob vereinfacht . Die Anordnung der Teile entlang dem lonenstrahl 49 kann eine andere als die dargestellte sein . Jedes der Teile kann mehrere Unterteile aufweisen, die durch andere Teile oder Unterteile anderer Teile voneinander getrennt sind . The representation of the parts of the ion beam system 40 is roughly simplified. The arrangement of the parts along the ion beam 49 can be different from that shown. Each of the parts can have multiple sub-parts that are separated from one another by other parts or sub-parts of other parts.
Die lonentrenneinrichtung 43 umfasst beispielweise ein Wienfilter . Im Wienfilter überlagern sich ein elektrisches Feld E und ein Magnetfeld B, deren Vektoren zueinander und zu der Bewegungsrichtung der Ionen im lonenstrahl 49 senkrecht ausgerichtet sind . Teilchen im lonenstrahl 49 mit einer anderen Masse und/oder einer anderen Ladung als die heterogenen lonen-Cluster 10 der vorgegebenen Art werden aus dem Strahlengang 19 des lonenstrahls 49 abgelenkt und schlagen zum Beispiel auf eine Blende 431 auf , so dass nur die heterogenen lonen-Cluster 10 der vorgegebenen Art eine Öf fnung 432 in der Blende 431 passieren . The ion separation device 43 comprises a Wien filter, for example. An electric field E and a magnetic field B are superimposed in the Wien filter, the vectors of which are aligned perpendicular to one another and to the direction of movement of the ions in the ion beam 49 . Particles in the ion beam 49 with a different mass and / or a different charge than the heterogeneous ion cluster 10 of the specified type are deflected from the beam path 19 of the ion beam 49 and strike, for example, on an aperture 431, so that only the heterogeneous ion cluster 10 of the specified type Pass opening 432 in aperture 431 .
In der dargestellten lonenf einstrahlanlage 40 sind die Filterparameter Adj der lonentrenneinrichtung 43 konfigurierbar . Insbesondere sind die Filterparameter derart einstellbar, dass die lonentrenneinrichtung 43 alle von der lonenquelle 41 erzeugten Einzel- Ionen, alle homogenen lonen- Cluster und alle heterogenen lonen-Cluster mit Ausnahme der heterogenen lonen-Cluster 10 der vorgegebenen Art aus dem lonenstrahl 49 entfernt . In the ion beam system 40 shown, the filter parameters Adj of the ion separation device 43 can be configured. In particular, the filter parameters can be set in such a way that the ion separation device 43 removes all individual ions generated by the ion source 41, all homogeneous ion clusters and all heterogeneous ion clusters with the exception of the heterogeneous ion cluster 10 of the specified type from the ion beam 49.
In FIG . 2 umfasst die lonenf einstrahlanlage 40 zusätzlich ein Elektronenstrahlsystem 46 und einen Strahlungsdetektor 48 . In FIG. 2, the ion beam system 40 additionally includes an electron beam system 46 and a radiation detector 48 .
Das Elektronenstrahlsystem 46 erzeugt einen gebündelten Elektronenstrahl 18 , fokussiert den gebündelten Elektronenstrahl 18 in der Proj ektionsebene 47 und damit auf der Hauptfläche 31 des Festkörpers 30 , und tastet mindestens einen Abschnitt der Hauptfläche 31 ab . Der Elektronenstrahl 18 regt Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang im Festkörper 30 zur Abgabe von Infrarot-Strahlung, sichtbarem Licht , ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlung an . Das Elektronenstrahlsystem 46 kann beispielsweise ein Rasterelektronenmikroskop oder ein Teil davon sein . The electron beam system 46 generates a focused electron beam 18 , focuses the focused electron beam 18 in the projection plane 47 and thus on the main surface 31 of the solid 30 , and scans at least a portion of the main surface 31 . The electron beam 18 excites optical transition or x-ray transition atoms in the solid 30 to emit infrared radiation, visible light , ultraviolet light or x-ray radiation. The electron beam system 46 can be, for example, a scanning electron microscope or a part thereof.
Der Strahlungsdetektor 48 detektiert in der Pro ektionsebene 47 bzw . auf der Hauptfläche 31 erzeugte Strahlung, die Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht , ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlung sein kann . Enthält der Festkörper 30 auf der Hauptfläche 31 oder nahe der Hauptfläche 31 Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang, dann detektiert der Strahlungsdetektor 48 Strahlung, die durch den Elektronenstrahl 18 des Elektronenstrahlsystems 46 angeregt wurde . The radiation detector 48 detects in the pro ection plane 47 or. radiation generated on the main surface 31, which may be infrared radiation, visible light, ultraviolet light or X-ray radiation. Contains the solid 30 on the main surface 31 or near the main surface 31 atoms with optical transition or with X-ray transition, then the radiation detector 48 detects radiation that was excited by the electron beam 18 of the electron beam system 46 .
Das Abtasten der Hauptfläche 31 kann in der lonenf einstrahlanlage 40 erfolgen, insbesondere innerhalb einer Vakuumkammer der lonenf einstrahlanlage 40 . Vor dem Abtasten kann der Festkörper 30 innerhalb der Vakuumkammer umgelagert werden, z . B . durch ein Verschieben des Obj ekttisches 45 . Alternativ kann der Festkörper zum Abtasten der Vakuumkammer entnommen werden . Je nach Aus führung können das Elektronenstrahlsystem 46 und der Strahlungsdetektor 48 integrale Bestandteile der lonenf einstrahlanlage 40 sein oder als eigenständige Anordnung abgesetzt von der lonenf einstrahlanlage 40 in der beschriebenen Weise betrieben werden . The scanning of the main surface 31 can take place in the ion-beam system 40 , in particular within a vacuum chamber of the ion-beam system 40 . Before scanning, the solid 30 can be rearranged within the vacuum chamber, e.g. B. by moving the obj ect table 45 . Alternatively, the solid can be removed from the vacuum chamber for scanning. Depending on the design, the electron beam system 46 and the radiation detector 48 can be integral components of the ion beam system 40 or can be operated as an independent arrangement separate from the ion beam system 40 in the manner described.
Die lonenf einstrahlanlage der FIG . 2 weist zudem eine Auswerteeinrichtung 50 auf . Die Auswerteeinrichtung 50 empfängt zeitabhängige Positionsdaten pos ( t ) , die die Lage der Querschnitts fläche des Elektronenstrahls 18 auf der Hauptfläche 31 zu einer Zeit t beschreiben . The ion beam system of FIG. 2 also has an evaluation device 50 . The evaluation device 50 receives time-dependent position data pos(t) which describe the position of the cross-sectional area of the electron beam 18 on the main area 31 at a time t.
I st auf dem Obj ekttisch 45 ein Festkörper 30 angeordnet , der an oder nahe an der freiliegende Hauptfläche 31 Atome mit optischem Übergang oder mit Röntgenübergang enthält , dann detektiert der Strahlungsdetektor 48 vom Elektronenstrahl 18 des Elektronenstrahlsystems 46 angeregte Strahlung und die Auswerteeinrichtung 50 identi fi ziert die Lage Pos ( tn) der Atome des Nachweis-Elements auf der Hauptfläche 31 mit hoher Ort s auf lö sung . Die Auswerteeinrichtung 50 kann die gemessenen Positionsdaten mit Soll-Daten vergleichen und Teile der lonenf einstrahlanlage 40 abhängig vom Ergebnis des Vergleichs steuern . If a solid 30 is arranged on the object table 45, which contains atoms with an optical transition or with an X-ray transition on or near the exposed main surface 31, then the radiation detector 48 detects radiation excited by the electron beam 18 of the electron beam system 46 and the evaluation device 50 identifies it the position Pos (tn) of the atoms of the detection element on the main surface 31 with a high location s resolution. The evaluation device 50 can compare the measured position data with target data and control parts of the ion beam irradiation system 40 depending on the result of the comparison.
Für den Fall einer Koimplantation von Atomen eines Ziel- Elements und eines Nachweis-Elements kann die Auswerteeinrichtung 50 zum Beispiel das Nachimplantieren eines heterogenen lonen-Clusters für den Fall veranlassen, dass sich aus den ermittelten Positionsdaten ergibt , dass in der näheren Umgebung einer der Soll-Positionen kein Atom des Nachweis- Elements auf gefunden wurde . In the case of a co-implantation of atoms of a target element and a detection element, the evaluation device 50 can, for example, initiate the subsequent implantation of a heterogeneous ion cluster in the event that the determined position data shows that one of the target is in the immediate vicinity -No atom of the detection element was found on positions.
FIG . 3 zeigt eine Draufs icht auf die Hauptfläche 31 eines Festkörpers 30 nach einer Reimplantation von Atomen 61 eines Ziel-Elements und Atomen 62 eines Nachweis-Elements an Soll- Positionen 33- 1 , 31- 12 . FIG. 3 shows a top view of the main surface 31 of a solid 30 after reimplantation of atoms 61 of a target element and atoms 62 of a detection element at target positions 33-1, 31-12.
Die Soll-Positionen 33- 1 , ..., 31 - 12 bilden die Gitterpunkte eines regelmäßigen Gitters mit quadratischen Maschen der Kantenlänge dl . The target positions 33-1, . . . , 31-12 form the grid points of a regular grid with square meshes of edge length dl.
Zur Implantation wird der lonenstrahl j eweils auf eine der Soll-Positionen 33- 1 , ..., 31- 12 gerichtet , wobei eine annähernd runde Querschnitts fläche des Strahlengangs des lonenstrahls auf der Hauptfläche 31 im Rahmen der Positioniergenauigkeit der lonenf einstrahlanlage auf die j eweilige Soll-Position 33- 1 , ..., 31- 12 zentriert ist . Der Durchmesser d2 der Querschnitts fläche des Strahlengangs des lonenstrahls auf der Hauptfläche 31 beträgt zwischen 2nm und 200nm, beispielsweise etwa 30nm . For implantation, the ion beam is in each case directed to one of the target positions 33-1, ..., 31-12, with an approximately round cross-sectional area of the beam path of the ion beam on the main surface 31 within the scope of the positioning accuracy of the ion beam irradiation system on the j respective target position 33-1, ..., 31-12 is centered. The diameter d2 of the cross-sectional area of the beam path of the ion beam on the main surface 31 is between 2 nm and 200 nm, for example approximately 30 nm.
Die laterale Streuung der Atome 61 des Ziel-Elements und der Atome 62 des Nachweis-Elements vergrößert den mittleren lateralen Radius rx um eine Soll-Position 33- 1 , ..., 31- 12 , innerhalb dessen das Atome 61 des Ziel-Elements und das Atom 62 des Nachweis-Elements zu Ruhe kommen . Die laterale Streuung der Atome 61 des Ziel-Elements und der Atome 62 des Nachweis- Elements hängt von der Energie der lonen-Cluster , dem Material des Festkörpers 30 , dem Ziel-Element und dem Nachweis-Element ab . The lateral scattering of the atoms 61 of the target element and the atoms 62 of the detection element increases the mean lateral radius rx by a target position 33-1, ..., 31-12, within which the atom 61 of the target element and the atom 62 of the detection element come to rest. The lateral scattering of the atoms 61 of the target element and the atoms 62 of the detection element depends on the energy of the ion clusters, the material of the solid 30, the target element and the detection element.
Bei Verwendung eines Elektronenstrahls mit einem Durchmesser von 2nm kann die Position eines Atoms des Nachweis-Elements mit einer lateralen Auflösung von 2nm ermittelt werden . When using an electron beam with a diameter of 2 nm, the position of an atom of the detection element can be determined with a lateral resolution of 2 nm.
Im gezeichneten Beispiel ist die Kantenlänge dl der Gittermaschen etwas größer gewählt als 2 * rx, so dass unter Berücksichtigung der maximalen Ortsauflösung für den Nachweis der Atome des Nachweis-Elements auf das Fehlen des Atoms des Ziel-Elements an der Soll-Position 31- 12 geschlossen werden kann . In the example shown, the edge length dl of the grid mesh is selected to be slightly larger than 2 * rx, so that, taking into account the maximum spatial resolution for the detection of the atoms of the detection element, the absence of the atom of the target element at the target position 31-12 can be closed.
FIG . 4 zeigt als Beispiel für ein unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens hergestelltes Bauteil ein Kane- Quantum-Computer Bauelement 90 . FIG. 4 shows a Kane quantum computer component 90 as an example of a component produced using the method described.
Das Bauelement 90 weist ein Substrat 50 und in einer oberflächennahen hori zontalen Schicht 53 des Substrats 50 angeordnete Atomgruppen 60 auf , wobei j ede Atomgruppe 60 ein Atom 61 eines Ziel-Elements und ein Atom 62 eines Nachweis- Elements mit einem optischen und/oder Röntgenübergang umfasst . Das Substrat 50 basiert z . B . auf einkristallinem Sili zium . Die vertikale Ausdehnung vl der hori zontalen Schicht 53 kann mehrere Nanometer betragen, z . B . bis zu 200nm . The component 90 has a substrate 50 and atomic groups 60 arranged in a near-surface horizontal layer 53 of the substrate 50, each atomic group 60 being an atom 61 of a target element and an atom 62 of a detection element with an optical and/or X-ray transition includes . The substrate 50 is based z. B. on monocrystalline silicon. The vertical extension vl of the hori zontal layer 53 can be several nanometers, z. B. up to 200nm .
Auf einer Hauptfläche 51 des Substrats 50 ist eine I solatorschicht 55 aufgebracht . Auf der I solatorschicht 55 und vertikal über den Atomen 61 des Ziel-Elements sind zwei erste Elektroden 58 ausgebildet . Auf der I solatorschicht 55 und vertikal über der Mitte der Strecke zwischen zwei benachbarten Atomen 61 des Ziel-Elements ist eine zweite Elektrode 59 ausgebildet . An insulator layer 55 is applied to a main surface 51 of the substrate 50 . On the insulator layer 55 and vertically above the atoms 61 of the target element are two first Electrodes 58 formed. A second electrode 59 is formed on the insulator layer 55 and vertically midway between two adjacent atoms 61 of the target element.
Die Atome 61 des Ziel-Elements sind beispielsweise Phosphoratome mit der Nukleonenzahl 31 . Das Nachweis-Element ist ein Element der Seltenen Erden, beispielweise Cer ( Ce ) . The atoms 61 of the target element are, for example, phosphorus atoms with the nucleon number 31 . The detection element is a rare earth element, for example cerium (Ce).
In j eder Atomgruppe 60 ist ein lateraler Abstand zwischen dem Atom 61 des Ziel-Elements und dem Atom 62 des Nachweis- Elements kleiner als ein maximaler lateraler Abstand rl von 5nm . In each atom group 60, a lateral distance between the atom 61 of the target element and the atom 62 of the detection element is smaller than a maximum lateral distance rl of 5 nm.
Die Atomgruppen 60 können entsprechend FIG . 3 an oder nahe von Gitterpunkten eines regelmäß igen, hori zontalen Gitters angeordnet und miteinander quantenmechanisch gekoppelt sein . Das Gitter kann rechteckige Maschen oder Maschen mit mehr als vier Kanten aufweisen . Beispiel sweise sind die Maschen desAccording to FIG. 3 arranged at or near lattice points of a regular horizontal lattice and coupled to one another quantum mechanically. The grid can have rectangular meshes or meshes with more than four edges. For example, the meshes of the
Gitters Quadrate oder Hexagone . Lattice squares or hexagons.

Claims

PATENTANS PRÜCHE Verfahren zum Implantieren von Atomen, umfassend: Bereitstellen eines heterogenen lonen-Clusters (10) , wobei der lonen-Cluster (10) ein Ziel-Element und mindestens ein Nachweis-Element aufweist, und wobei das Nachweis- Element einen atomaren optischen Übergang und/oder Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand aufweist; PATENT CLAIMS A method for implanting atoms, comprising: providing a heterogeneous ion cluster (10), said ion cluster (10) having a target element and at least one detection element, and wherein the detection element comprises an atomic optical junction and/or exhibits an X-ray transition from an excited to a low-energy state;
Fokussieren und Beschleunigen des lonen-Clusters (10) ; und Beaufschlagen einer Hauptfläche (31) eines Festkörpers (30) mit dem fokussierten und beschleunigten lonen-Cluster (10) , wobei der lonen-Cluster (10) an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position (33) auf der Hauptfläche (31) in den Festkörper (30) implantiert wird. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei eine Mehrzahl der lonen-Cluster (10) erzeugt wird und die lonen-Cluster (10) vor dem Beaufschlagen der Hauptfläche (31) derart vereinzelt werden, dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mit einer Wahrscheinlichkeit von über 0.05% und unter 100% genau einer der lonen-Cluster (10) an oder nahe der vorgegebenen Soll-Position (33) implantiert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei einzelne lonen-Cluster (10) an oder nahe verschiedener vorgegebenen Soll-Positionen (33-1, ...) implantiert werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend : focusing and accelerating the ion cluster (10); and subjecting a main surface (31) of a solid (30) to the focused and accelerated ion cluster (10), the ion cluster (10) at or near a predetermined target position (33) on the main surface (31) in the solid (30) is implanted. Method according to the preceding claim, in which a plurality of the ion clusters (10) is produced and the ion clusters (10) are isolated before the main surface (31) is acted upon in such a way that within a predetermined period of time there is a probability of more than 0.05% and one of the ion clusters (10) is implanted at or near the predetermined target position (33) with less than 100% accuracy. Method according to one of the preceding claims, wherein individual ion clusters (10) are implanted at or near different predetermined target positions (33-1,...). Method according to one of the preceding claims, further comprising :
Detektieren von einzelnen Atomen (62) des Nachweis-Elements anhand des atomaren optischen Übergangs oder des Röntgenübergangs von dem angeregten zu dem energiearmen Zustand . Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Nachweis-Element kathodolumineszent ist und das Detektieren von einzelnen Atomen (62) des Nachweis- Elements ein Abtasten der Hauptfläche (31) mit einem Elektronenstrahl (18) umfasst. Verfahren nach einem der zwei vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend: im Falle, dass kein Atom des Nachweis-Elements in ausreichender Nähe zu einer der Soll-Positionen (33—Detecting individual atoms (62) of the detection element based on the atomic optical transition or the X-ray transition from the excited to the low-energy state. A method according to the preceding claim, wherein the detection element is cathodoluminescent and detecting individual atoms (62) of the detection element comprises scanning the major surface (31) with an electron beam (18). Method according to one of the two preceding claims, further comprising: in the event that no atom of the detection element is in sufficient proximity to one of the target positions (33-
1, ...) detektiert wird, erneutes Beaufschlagen der Soll- Position mit fehlendem Atom des Nachweis-Elements mit einem fokussierten und beschleunigten heterogenen lonen-Cluster (10) . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Material des Festkörpers, das Ziel-Element und die Soll-Positionen (33-1, ..., ) so gewählt werden, dass im Festkörper (31) einzelne Atome (61) des Ziel- Elements oder Atome des Ziel-Elements aufweisende Komplexe miteinander quantenmechanisch gekoppelt werden . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Nachweis-Element ein Seltenes Erden Element ist. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, umfassend: Bereitstellen eines heterogenen lonen-Clusters (10) , wobei der lonen-Cluster (10) ein Ziel-Element und ein Nachweis-Element aufweist, und wobei das Nachweis- Element einen atomaren optischen Übergang und/oder Röntgenübergang von einem angeregten zu einem energiearmen Zustand aufweist; 1, ...) is detected, re-applying the target position with missing atom of the detection element with a focused and accelerated heterogeneous ion cluster (10). Method according to one of the preceding claims, wherein a material of the solid, the target element and the target positions (33-1, ..., ) are selected so that in the solid (31) individual atoms (61) of the target Elements or atoms of the target element having complexes are coupled to each other quantum mechanically. A method according to any one of the preceding claims, wherein the detection element is a rare earth element. A method for producing a device, comprising: providing a heterogeneous ion cluster (10), the ion cluster (10) having a target element and a detection element, and the detection element having an atomic optical transition and/or exhibits x-ray transition from an excited to a low-energy state;
Fokussieren und Beschleunigen des lonen-Clusters (10) ; und Beaufschlagen einer Hauptfläche (31) eines Festkörpers (30) mit dem fokussierten und beschleunigten lonen-Cluster (10) , wobei der lonen-Cluster (10) an oder nahe einer vorgegebenen Soll-Position auf der Hauptfläche (31) in den Festkörper (30) implantiert wird. lonenf einstrahlanlage (40) , aufweisend eine lonenquelle (41) , wobei die lonenquelle (41) dazu eingerichtet ist, heterogene lonen-Cluster (10) einer vorgegebenen Art zu emittieren; eine Strahlführungseinrichtung (42) , wobei die Strahlführungseinrichtung (42) dazu eingerichtet ist, von der lonenquelle (41) emittierte lonen-Cluster (10) in einem lonenstrahl (49) zu bündeln; und eine lonentrenneinreichung (43) , wobei die lonentrenneinrichtung (43) dazu eingerichtet ist, andere Ionen und lonen-Cluster als die heterogenen lonen-Cluster (10) der vorgegebenen Art aus dem lonenstrahl zu entfernen. lonenf einstrahlanlage nach dem vorangehenden Anspruch, weiter aufweisend: einen Objekttisch (45) , wobei der Objekttisch (45) dazu eingerichtet ist einen Festkörper (30) zu dem lonenstrahl (49) auszurichten; ein Elektronenstrahlsystem (46) , wobei das Elektronenstrahlsystem (46) dazu eingerichtet ist, einen gebündelten Elektronenstrahl (18) zu erzeugen, und einen Abschnitt einer Projektionsebene (47) zwischen dem Elektronenstrahlsystem (46) und dem Objekttisch (45) mit dem in der Pro ektionsebene (47) fokussierten Elektronenstrahl (18) abzutasten; und einen Strahlungsdetektor (48) , wobei der Strahlungsdetektor (48) dazu eingerichtet ist, in der Projektionsebene (47) erzeugte Strahlung (17) zu detektieren. lonenf einstrahlanlage nach dem vorangehenden Anspruch, weiter aufweisend: eine Auswerteeinrichtung (50) , wobei die Auswerteeinrichtung (50) inf ormationstechnisch mit dem Strahlungsdetektor (48) und dem Elektronenstrahlsystem (46) verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Position des Elektronenstrahls (18) auf der Hauptfläche (31) des Festkörpers (30) zum Zeitpunkt einer Detektion einer von dem Elektronenstrahl (18) ausgelösten Strahlung (18) durch den Strahlungsdetektor (48) zu identifizieren . Bauelement, aufweisend: ein Substrat (50) ; und in einer horizontalen Schicht (53) des Substrats (50) angeordnete Atomgruppen (60) , wobei jede Atomgruppe (60) mindestens ein Atom (61) eines Ziel-Elements und mindestens ein Atom (62) eines Nachweis-Elements mit einem optischen Übergang und/oder einem Röntgenübergang aufweist, und wobei in jeder der Atomgruppen (60) ein lateraler Abstand rl zwischen dem Atom (61) des Ziel- Elements und dem Atom (62) des Nachweis-Elements maximal 200nm beträgt. Bauelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Atomgruppen (60) an oder nahe von Gitterpunkten eines regelmäßigen, horizontalen Gitters angeordnet und die Atome (61) des Ziel-Elements oder Komplexe, die jeweils ein Atom (61) des Ziel-Elements aufweisen, miteinander quantenmechanisch gekoppelt sind. Bauelement nach einem der zwei vorangehenden Ansprüche, wobei das Nachweis-Element ein Element der Seltenen Erden ist . focusing and accelerating the ion cluster (10); and acting on a main surface (31) of a solid (30) with the focused and accelerated ion cluster (10), the ion cluster (10) at or near a predetermined target position on the main surface (31) in the solid ( 30) is implanted. ion beam system (40), comprising an ion source (41), wherein the ion source (41) is set up to emit heterogeneous ion clusters (10) of a predetermined type; a beam guidance device (42), the beam guidance device (42) being set up to bundle ion clusters (10) emitted by the ion source (41) into an ion beam (49); and an ion separation device (43), the ion separation device (43) being set up to remove ions and ion clusters other than the heterogeneous ion clusters (10) of the predetermined type from the ion beam. Ion-beam system according to the preceding claim, further comprising: an object table (45), wherein the object table (45) is set up to align a solid (30) to the ion beam (49); an electron beam system (46), wherein the electron beam system (46) is set up to generate a focused electron beam (18), and a portion of a projection plane (47) between the electron beam system (46) and the Scan the object table (45) with the electron beam (18) focused in the pro ection plane (47); and a radiation detector (48), the radiation detector (48) being set up to detect radiation (17) generated in the projection plane (47). Ion radiation system according to the preceding claim, further comprising: an evaluation device (50), wherein the evaluation device (50) is connected in terms of information technology to the radiation detector (48) and the electron beam system (46) and is set up to determine a position of the electron beam (18). to identify the main surface (31) of the solid (30) at the time of detection of the electron beam (18) triggered radiation (18) by the radiation detector (48). Component, comprising: a substrate (50); and atomic groups (60) arranged in a horizontal layer (53) of the substrate (50), each atomic group (60) containing at least one atom (61) of a target element and at least one atom (62) of a detection element having an optical transition and/or an X-ray transition, and wherein in each of the atom groups (60) a lateral distance rl between the atom (61) of the target element and the atom (62) of the detection element is at most 200 nm. Device according to the preceding claim, wherein the atomic groups (60) arranged at or near lattice points of a regular, horizontal lattice and the atoms (61) of the target element or complexes, the each having an atom (61) of the target element are quantum mechanically coupled to one another. Component according to one of the two preceding claims, wherein the detection element is a rare earth element.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080299749A1 (en) * 2006-12-06 2008-12-04 Jacobson Dale C Cluster ion implantation for defect engineering
US8455822B2 (en) * 2010-08-31 2013-06-04 Fei Company Navigation and sample processing using an ion source containing both low-mass and high-mass species

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010016042A (en) 2008-07-01 2010-01-21 Panasonic Corp Elemental analysis method, and manufacturing method of semiconductor device
US20140295674A1 (en) 2013-03-29 2014-10-02 International Business Machines Corporation Angled gas cluster ion beam
US11387073B2 (en) 2020-03-24 2022-07-12 Applied Materials, Inc. In situ angle measurement using channeling

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080299749A1 (en) * 2006-12-06 2008-12-04 Jacobson Dale C Cluster ion implantation for defect engineering
US8455822B2 (en) * 2010-08-31 2013-06-04 Fei Company Navigation and sample processing using an ion source containing both low-mass and high-mass species

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BISCHOFF LOTHAR ET AL: "Liquid metal alloy ion sources-An alternative for focussed ion beam technology", APPLIED PHYSICS REVIEWS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 3, no. 2, 11 May 2016 (2016-05-11), XP012211417, DOI: 10.1063/1.4947095 *
GOTOH Y ET AL: "Molecular ion implanter equipped with liquid-metal alloy ion source", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 71, no. 2, 1 February 2000 (2000-02-01), pages 780 - 782, XP012038080, ISSN: 0034-6748, DOI: 10.1063/1.1150292 *
JAMIESON DAVID N ET AL: "Deterministic Atom Placement by Ion Implantation: Few and Single Atom Devices for Quantum Computer Technology", 2016 21ST INTERNATIONAL CONFERENCE ON ION IMPLANTATION TECHNOLOGY (IIT), IEEE, 26 September 2016 (2016-09-26), pages 1 - 6, XP033080329, DOI: 10.1109/IIT.2016.7882858 *
MAZAROV P ET AL: "Alloy liquid metal ion source for carbon focused ion beams", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY: PART B, AVS / AIP, MELVILLE, NEW YORK, NY, US, vol. 27, no. 6, 18 November 2009 (2009-11-18), pages 47 - 49, XP012129669, ISSN: 1071-1023, DOI: 10.1116/1.3253471 *

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