Ziel der Entwicklung
Die Detektion von Elektronen mit niedriger Energie war vor Beginn des Projektes nur mit niedrigen Quanteneffizienzen möglich. Für die Verbesserung von Elektronenmikroskopen hinsichtlich der Oberflächenanalytik ist es aber zwingend erforderlich, dass niederenergetische Elektronen auch mit hohen Quanteneffizienzen detektiert werden können. Ein Hersteller von Elektronenmikroskopen gab den Impuls zur Untersuchung, durch Anpassung der Herstellungsprozesse von Detektoren die Totzone zu reduzieren und flache p-n-Übergänge zu erzeugen.
Vorteile und Lösungen
Das Forschungsvorhaben zielte darauf ab, eine Technologieentwicklung für Detektoren voranzutreiben, um niederenergetische Elektronen und UV-Photonen mit hoher Quanteneffizienz detektieren zu können. Hierzu wurden in einem ersten Schritt verschiedene Messverfahren etabliert. Dies gelang zunächst mit dem Ausbau des Raster-Elektronenmikroskops (REM) dahingehend, dass der Strom von Detektoren im REM gemessen werden konnte. Damit war es möglich, aus der Messung des Elektronenstroms des REM in einem Faradaybecher und der Messung des durch diese Elektronen generierten Stromes im Detektor, dessen Quanteneffizienz zu bestimmen. Durch Variation der Elektronenenergie erhielt man dann die Quanteneffizienz in Abhängigkeit von der Elektronenenergie. Dieser Ausbau des REM ermöglicht die Durchführung des Qualifizierungsprozesses der Elektronendetektoren direkt im REM des CiS Forschungsinstitutes. Ein weiteres Messverfahren, welches im Rahmen dieses Forschungsvorhabens etabliert wurde, ist die Messung der Totzonenbreite von Elektronendetektoren. Durch Verkippen des Probentisches im REM ist es reproduzierbar möglich, unter bestimmten Winkeln auf den Detektor einzustrahlen. Die Elektronen durchqueren dann unterschiedlich lange die Totzone, wodurch sich der Strom des Detektors ändert. Aus diesem Messsignal lässt sich dann die Totzonenbreite ermitteln. Der Fokus dieses Forschungsvorhabens zielte allerdings auf die Entwicklung von Prozessen zur Herstellung von Elektronendetektoren mit einer hohen Quanteneffizienz für niedrige Elektronenenergien ab. Hierzu wurde zunächst der p-n-Übergang entwickelt. An Hand von Simulationen wurden geeignete Prozessparamater für die Implantation und Temperung ermittelt. Diese Simulationen wurden in ersten Versuchsreihen mit mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) gemessenen Profilen verglichen, so dass ein optimaler, sehr flacher p-n-Übergang gefunden wurde. Dieser p-n-Übergang wurde in einem ersten Detektorprozessrun umgesetzt und führte schon zu sehr guten Ergebnissen: Die Quanteneffizienz für Elektronen einer Energie von einem Kiloelektronenvolt betrug circa 70 Prozent. Allerdings war die verwendete Oxidschicht mit einer Dicke von 2,2 Nanometer noch nicht optimiert. Somit gab es Defizite im Dunkelstrom, der Durchbruchspannung, der Reproduzierbarkeit und der Plasmastabilität. Daraufhin wurde in einem weiteren Entwicklungsschritt die Oxidschicht optimiert. Es wurde ein reproduzierbarer Prozess gefunden, der eine Oxidschicht von sechs Nanometer erzeugt. In einem zweiten Detektorprozessrun wurde dann der entwickelte p-n-Übergang sowie die entwickelte Oxidschicht angewandt und Detektoren hergestellt. Diese erzeugten Detektoren zeigten eine überragende Performance hinsichtlich der Quanteneffizienz bei niedrigen Elektronenenergien. Es wurde eine Quanteneffizienz für Elektronen einer Energie von einem Kiloelektronenvolt von 76 Prozent gemessen. Auch hinsichtlich der weiteren Eigenschaften der Detektoren wie Dunkelstrom, Durchbruchspannung, der Reproduzierbarkeit und der Plasmastabilität sind diese Detektoren des zweiten Prozessruns sehr gut. Ein Vergleich der in diesem Forschungsvorhaben hergestellten Detektoren mit mehreren Konkurrenzanbietern durch unseren Partner und LOI-Geber Carl Zeiss Microscopy AG ergab, dass unsere Detektoren die Performance hinsichtlich der entscheidenden Parameter der Quanteneffizienz bei niedrigen Elektronenenergien und der Plasmastabilität ablieferten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Zielgruppe der entwickelten Technologie und damit herstellbarer Detektoren sind Gerätehersteller, Modulentwickler und Forschungseinrichtungen für hochwertige Systeme mit besonders hohen Anforderungen bezüglich Empfindlichkeit und Energieauflösung von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (UV und Röntgen) sowie niederenergetischer Teilchenstrahlung (Elektronen). Dazu zählen zum Beispiel Elektronenmikroskope, strahlungsbasierende Labor-, Prüf- beziehungsweise -Messgeräte oder medizintechnische Untersuchungsanlagen. Die Zielmärkte sind entsprechend in der Medizintechnik und im Labor-, Prüf- und Messgerätebau sowie im Forschungsbereich angesiedelt. Auf Grundlage der im Projekt entwickelten Technologien können für diese Branchen nun konkrete Detektoren und Detektormodule realisiert werden. Diese können zum Beispiel sehr kleine Detektoren für Dosismessungen, aber auch sehr große segmentierte Datentypen wie Arrays für Anwendungen mit Ortsauflösung sein.
