Eberhard Hahn: Entwickler auf dem Gebiet der Elektronenoptik

Eberhard Hahn:
Entwickler auf dem Gebiet der
Elektronenoptik
Peter Hahmann
Lebenslauf
 30. Dezember 1923 in Zweenfurth bei Leipzig geboren
 Abitur am König-Albert-Gymnasium / Leipzig
 Wehrmacht / Funker: vermutlich an ENIGMA
 Kriegsgefangenschaf / Hilfsarbeiter
 Lehrerstudium in Leipzig / Staatsexamen für höheres Lehramt
 Staatsexamensarbeit:
Über die Bewegung eines Elektrons im elektromagnetischen Feld, insbesondere in einem
solchen von Rotationssymmetrie
 „mangelnde gesellschaftliche Aktivität“  nicht als Lehrer
 VEB Carl Zeiss Jena (Lothar Schmidt)
 Frau Gisela, Tochter Carola, Jena Lebensmittelpunkt
 Ca. 40 Jahre auf dem Gebiet der Elektronenoptik im VEB Carl Zeiss Jena
 Erlag am 18. Feb. 2011 einer Lungenembolie
Elektronenmikroskopie
Vorgeschichte
 Stationen des Zeiss-Engagements
 Erste Verhandlungen mit Ruska 1935
 Auftrag der AEG für elektrostatische Linsen
 Kauf eines SIEMENS Mikroskops (magnetisch)
 Zeiss plant den Eintritt in Mikroskop-Geschäft / Recknagel / Elmi A /
 Verkauf Elmi B
 Eberhard Hahn wird eingestellt (1951)
Elektronenmikroskopie
Elmi C Elmi D
 Überschläge
Verkantung
Elektronenmikroskopie
Elmi C, Elmi D
 Astigmatismuskorrektur
 Bestimmung des Astigmatismus
 Hahn:
 Wichtungsfaktoren der Komponenten
 Ausmessen der Komponenten
 Kombination
 Korrektur durch Stigmator
 Scherzer 1936 / Oktupol
 Hier: Verbesserung der elektrischen
Ansteuerung
Elektronenmikroskopie
Elmi D2 (1955)
 Tetrodenstrahler
 Abbildungsmaßstab stufenweise
 Stigmator
 Elektrische Strahlzentrierung
 Beugungs- und Kontrastblende mit
Schnellauszug
Elektronenmikroskopie
EF / Elmi H

Ab 1960: magnetisches Elmi
 Ausgehend von einer Zusammenarbeit
mit „Institut f. experimentelle Physik,
Halle“ (Bethke)
 Mittelklasse-Gerät EF
 Baukastenprinzip (TEM, EEM)
 2nm Auflösung

Weiterentwicklung Elmi H
v.l.n.r.
Walter Plischke
Wolfgang Hoch
Ernst Guyenot
Karl Möller
Eberhard Hahn
Roland Pangert
Elektronenoptik
Sekundärvervielfacher
Gemeinsame Photokathode
für getrennte
Lichtstrahlen
Einschränkung der wirksamen
Kathodenfläche zur Reduktion des
Rauschens mit Hilfe einer
zusätzlichen Elektrode
Theoretische Arbeiten
allgemeines Vorgehen
 Vorhersage der optischen Eigenschaften
 Vorgabe der Polschuh bzw. Elektrodenanordnung
 Berechnung / Messung des elektr. / magn. Feldes
 Formeln der Elektrodynamik / Lorenzkraft
 Differentialgleichungen / Auswertung der Integrale
(aufwändig)
 Auswertung
𝐵(𝑧) = 𝐵0 (1 + (𝑧 𝑑)2 )
 Näherung des Feldverlaufes durch Glasersche Formel
 Vollständig auf elementare Funktionen zurückzuführen
(auch Bildfehler 3. Ordnung)
 Gibt nicht den wahren Verlauf wider  zu große
Abweichungen in der Praxis
 Numerische Auswertung  komplexer Formeln 
möglichst weitgehende analytische Aufbereitung der
Formeln
𝑓=
𝑑
𝑛𝜋
sin 𝜔
Theoretische Arbeiten
Feldberechnung

Maschenverfahren (noch) nicht effektiv lösbar

Bertram (1942, Ohio): Lange koaxiale Zylinder
 T-Funktionen; analytische Lösung
 Übertragungsfunktion der Randwerte auf die optische Achse
 Veröffentlichte Tabellen, aus denen etliche Anordnungen zusammengesetzt
werden konnten
 Mit Abstrichen auch für magnetische Linsen geeignet (Permeabilität ∞, linearer
Verlauf des Feldes im Spalt)
 Genauigkeit reicht nicht, da Ableitungen der Achsfunktion benötigt werden

Hahn:
 griff Idee auf
 Für genaue Berechnungen: Unstetigkeiten in 2. Ableitung
 Entwickelte Formeln für die Ableitungen / Tabellen
 numerisch erheblich stabilere Werte (P. Winkler, H. Seyfarth)
 Spätere Ausführungsform: Anwendung des Formalismus, indem Werte
punktweise auf dem zylindrischen Rand vorgegeben werden  Berechnung
der Achswerte durch T-Funktionen
Vn(1, z)=zn,0,
Vn(1, z)=zn,1,
z<0
z>0.
Theoretische Arbeiten
Glaser ca. 1955
 Theorie
 Glaserfeld
𝐵 = 𝐵0
1+ 𝑧 𝑑
2
 mit
 𝜔 =1+
𝑒 𝐵02 𝑑2
8𝑚0 𝑈
𝑑
𝑓=
𝑛𝜋
sin 𝜔
 Feld gibt realen Feldverlauf nur
genähert wider
Theoretische Arbeiten
Elektrostatische Linse
Ф = 𝑈 + 𝑈L 1 + 𝑧 𝑑
2
 Lösung geschlossen möglich
 (Jacobi-elliptische Funktionen)
 Feld gibt realen Feldverlauf nur
genähert wider
 Numerische Lösung notwendig
 Feld
 Differentialgleichungen der
Elektronenbewegung
- real: durchgezogen
- Angenähert: gestrichelt
Theoretische Arbeiten
 Numerische Auswertung üblicherweise: Runge-Kutta-Verfahren
 Vereinfachung der Differentialgleichungen angestrebt
 Hahn entwickelte ein Kalkül
 Innere Struktur des physikalischen Inhalts sollte zum Ausdruck kommen
 Zunächst für elektrostatische Elemente (Hahn 1958)
 Eine Reihe von Substitutionen („bekannte Lösungen“)  Glaserfeld ist einfachste Lösung
 Störungsrechnung bei Abweichung von der Rotationssymmetrie / Bildfehler
 „Theorie der elektrisch-magnetischen Linsen bei Zugrundelegung der natürlichen Maßbestimmung der
Achsenabszisse
𝜋
2
+Ώ=µ
𝑧
𝑑𝑧
−∞ 𝑝 𝑐+𝜑
 Nenner: Produkt aus Abstandsquadrat und Geschwindigkeit der Elektronen entlang einer Bahnkurve
 P später zusätzliche Komponente (Magnetfeld)
 Transformation der z-Achse: in der Linse gestreckt / außerhalb gestaucht (Schrittweiten Anpassung)
 „Theorie der elektrisch-magnetischen Linsen mit gestörter Feldsymmetrie bei Zugrundelegung der
natürlichen Maßbestimmung“ (1966)
 Ab 1960: Berechnungen an ZRA 1 (Florian Holub)
Theoretische Arbeiten
Filterlinsen
 Bedeutung der Filterlinsen
 Streuung
 Elastische S.
 Unelastische S
 Filterung der unelastisch gestreuten
Elektronen
Theoretische Arbeiten
Filterlinsen / experimenteller Befund
 Bedeutung der
Filterlinsen allgemein
 Streuuntergrund
 Energieverluste
 Was passiert?
 Herausforderung an
Theorie
Theoretische Arbeiten
Filterlinsen

Arbeitsweise einer elektrostatischen Filter-Linse

Neigungswinkel Achse << 1 nicht erfüllt

Designparameter

Herausforderung an Theorie

Dissertation (1961) „Zur Theorie des
elektrostatischen Geschwindigkeitsfilters“
Elektronenmikroskopie
Elmi – Gruppe 1970
Hintere Reihe v.l.n.r.
Heinz Müller
Eberhard Hahn
Peter Stade
Thomas Elbel
Johanna Köcher
Wolfgang Hoch
N.N.
N.N.
Herr Prehl
Hilmar Waldbach
Kurt Protze
Vordere Reihe
Ernst Adolf Soa
Ernst Guyenot
N.N.
Klaus Voigt
Herr Tischendorf
Irmgard Klaus
Heidrun Klipp
Heinz Seyfarth
Joachim Stich
Karl-Heinz Schmidt
Fritz Kühne
Edgar Jahn
Elektronenstrahllithografie
Einstrahl
 Regierungsabkommen 1967/68
Einstieg des VEB Carl Zeiss JENA
 Ausrüstungen für die Mikroelektronik (TSA)  SU (DDR)
 Völlig neue Aufgaben, auch für optische Modellierung
 Aus Rastermikroskop heraus entwickelt
 1965: erstes kommerzielles Gerät zur Elektronenstrahl-Lithografie
 Durchsatzproblem
Elektronenstrahllithografie
Einstrahl
0.5 µm
0.5 µm
0.1 µm
0.5 µm
Gaussian Beam
0.1 µm
0.1 µm
0.5 µm
0.1 µm
10 x 50 x 2 = 1000 spots )
0.01µm
0.5 µm
0.1 µm
Elektronenstrahllithografie
Einstrahl
August Köhler
1893
Le Poole et al. (1967) Vorrichtung zur
Registrierung mit Elektronenstrahlen
EME / Prinzip
•
Aufbau 1970
•
Zu Versuchszwecken bereit: 1971
•
Erste Belichtung: 18.5.1971: Abbildung eines
Kupfernetzes
1. Belichtung
19. Mai 2011
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Elektronenstrahllithografie
Einstrahl (EME)
 Kondensor
 Leuchtfeldblende (pneumatisch)
 Austastsystem
 Verkleinerungslinse
 Apertur- und Austastblende
 Postlens Ablenksystem
Eberhard Hahn
1971
EME / EBA (ElektronenstrahlBearbeitungsanlage)
•
1971: EME hat Funktionstüchtigkeit nachgewiesen /
Belichtungsergebnisse akzeptiert
•
Nicht für Betrieb bei einem Anwender geeignet
 völlige Neukonstruktion
•
•
Hoher Automatisierungsgrad
Rechner gesteuert: KSR 4100 http://robotron.foerdervereintsd.de/3/robotron3a.pdf
Produktivitätssteigerung
• (elektronenoptisch) variabler Formstrahl
• Ablenkbereich 1mm mit niedrigen Aberrationen  In-lens Ablenksystem
• Stromdichte (0,1A/cm²  1A/cm²)
• Tisch / Tischsteuerung
Vakuumtechnik: Kontamination / Vakuumschleuse
•
•
19. Mai 2011
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Darlegung der Ergebnisse in
Laborberichten
- Berechnungen teilweise
zeitlich parallel zur
Konstruktion der Anlage
- Elektronenoptische Fahne
(Teil Kondensor)
19. Mai 2011
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Justierung mittels Abbildungssystem
Rechtwinkligkeit
19. Mai 2011
des Leuchtfeldes
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EBA: Elektronenstrahlbearbeitungsanlage
Prinzipversuche am EME-Versuchsstand
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19. Mai 201
•
EBA
Erstes Muster EBA 1974
•1A/cm²
•„elektronenoptische“ Querschnittsveränderung
 Variable Shaped Beam)
(engl.
• Muster 1976 positiver Test;
•
1977 Lieferung an den Auftraggeber
(MEI-UdSSR /Angstrom-Selenograd)
19. Mai 2011
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EBA  ZBA 10
Ausstellung auf der LFM 1978
ZBA 10 (1976)
• Minimale Struktur:
100 nm
• Overlay:
100 nm 2σ
• Substrate:
3“ Wafer / 4“ Masken
• Tischfahrbereich:
80 mm
19. Mai 2011
• 30keV
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64kbit- Niveau
Elektronenstrahllithografie
Einstrahl ZBA10 und ZBA20
 Ablenkobjektiv (In-lens
Deflection system)
 Zunächst (ZBA10)
 eine Etage in der Linse
 lediglich Länge und zPosition optimal
 ZBA20
 2 Etagen, optimiert
 Jedoch dynamische
Korrektur experimentell
eingeführt
 2-Kanal-Ablenksystem
 Statisches AS unterhalb
 konnte (noch) nicht
berechnet werden
Elektronenstrahllithografie
Einstrahl ZBA10 und ZBA20
Aberrationsarmes Ablenksystem
𝑁
𝑔𝑛 si n( 3 ∝𝑛 ) = 0
𝑛=1
Elektronenstrahllithografie
ZBA20 Drehlinse
 Magnetische Linse erzeugt
Bilddrehung
 Winkel ist proportional zur Erregung
der Linse
 Brechkraft hängt quadratisch von
Linsenerregung ab
  ±22,5° erzeugt achselparallel und
45° Format
Elektronenoptische Säule
•
20keV / 3A/cm²
•
F Drehlinse: erlaubt 45° Kanten
•
I Ablenkobjektiv
•
Radialspaltlinse (Wirbelströme)
•
2-Etagen Ablenksystem
•
2-Kanal-Ablenksystem
(elektrostatisch / magnetisch)
•
200µm / 3.2mm
•
•
Dyn. Korrektur der Ablenkaberration
Elektrostatische Ablenksysteme für HellDunkel-Tastung sowie Formatsteuerung
Quelle: Jenaer Rundschau 27 (1982) S 62
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Elektronenstrahllithografie
Vielstrahl
 Konventionelle Quelle / Kondensor
 Magnetisches Prisma
 Kollimator
 Verzögerungsfeld
 CCD als Spiegel
 Beschleunigung
 Kollimator
 Prisma (Besonderheit)
𝑃 = 𝑒(𝑣 𝑥 𝐵)
 Konventionell: Verkleinerungslinse,
Ablenkobjektiv (natürlich Radialspaltlinse)
Elektronenstrahllithografie
Vielstrahl
 Konventionelle Quelle / Kondensor
 Quadrupolsystem / Zylinderlinsen
 Brennlinien (wie bei astigmatischem System)
 In einer Brennlinie: Elektrodenkamm
 In orthogonalen Brennlinie: Kontrastblende
 Quadrupolsystem / Zylinderlinsen zur Abb. In TE
 Strukturierte Linie in TE
 Tisch bewegt sich unter Strahl kontinuierlich
Elektronenstrahllithografie
Vielstrahl
 Versuchsanordnung
 Betreut durch E. Hahn
 Durchgeführt an TUD
Theorie
Quadrupoloptik

Formalismus für Rundlinsen  Quadrupole

Nichtlineare Differentialgleichungen in eine Folge von lin. DGL 
Iterationszyklen
 2 gekoppelte Dff.-gl. 2. Ordnung (herkömmlich Methoden spiegeln nicht
die Spezifik wider
 Linearisierung der Gleichungen
 „step matrices“; Lens-matrices
 Fundamentalsmatrizen,
 Lokale Kopplung von Feld und Bahn
 Näherung konvergiert mit h6 der Linsen“höhe“

Advances of Electronics and Electronphysics

Elsvier: nicht zitiert

Speziell geeignet für Probleme wie Kammstruktur (Micro-lenses)

Ablehnung weit verbreiteter Lösungsansätze
 Direkte Bahnintegration
 Ray tracing
Kollegenkreis / Elmi
Edgar Jahn, Rolf Heinke, Ernst Guyenot, Klaus Voigt,
Karl-Heinz Schmidt, …, Heinz Seyfarth, Karl Möller;
stehend: …Wolfgang Fickler, Walter Plischke)
Eberhard Hahn beim Abteilungsfest
mit Monika Grimmer
und Hansjürgen Pröger (ca 1963)
Kollegen / Elmi
Karl-Heinz Schmidt,
Heinz Seyfarth,
Eckart Schulz
Eberhard Hahn (rechts) im Kreise der
Kollegen des ElMiLabs (v.l.n.r.: Wolfgang
Fickler, Johanna Kücher, Hansjürgen
Pröger)
Kollegen / E-Lith
Eberhard Hahn bei
der
Verabschiedung
Ernst Guyenots 1978
Eberhard
Hahn
Kulturelle
Abteilungsveranstaltung
Heinz Seyfarth
Johanna Mönch
Zusammenfassung
 Theoretiker und Erfinder
 Erfinder von ca. 35 angemeldeten bzw. erteilten Schutzrechten,
 davon 30 als alleiniger Erfinder
 Zahlreiche (ca. 20) Veröffentlichungen
 Davon 19 als alleiniger Autor
 Hohe Anerkennung
 International: Tagungen, Korrespondenz mit westlichen Berufskollegen
 Einzelvertrag
 Nationalpreis 1. Klasse für Wissenschaft und Technik
Danksagung
 Private Details: Gisela Hahn / Carola Frisch geb. Hahn
 Berufliche Partner
 Dr. Karl Heinz Schmidt (Manuskript)
 Prof. Rolf Goldberg (Vielstrahlprojekt und Direkte Bahnintegration)
 Florian Holub (Rechenzentrum)
 Dr. Volker Guyenot / Bilder aus dem Nachlass Peter Winkler
 Bildmaterial und Recherche
 Zeissarchiv (Dr. Wolfgang Wimmer, Marte Schwabe)
 Archiv der Fa. Vistec Electron Beam GmbH
Danke für die Aufmerksamkeit
Ehepaar Hahn
Ca. 2004