Eberhard Hahn: Entwickler auf dem Gebiet der Elektronenoptik
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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 page 21 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 page 23 Darlegung der Ergebnisse in Laborberichten - Berechnungen teilweise zeitlich parallel zur Konstruktion der Anlage - Elektronenoptische Fahne (Teil Kondensor) 19. Mai 2011 page 24 Justierung mittels Abbildungssystem Rechtwinkligkeit 19. Mai 2011 des Leuchtfeldes page 25 EBA: Elektronenstrahlbearbeitungsanlage Prinzipversuche am EME-Versuchsstand page 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 page 27 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 page 28 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 page 19. Mai 201 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
