Ionenspuren werden durch schnelle schwere Ionen auf ihrem Weg durch einen Festkörper erzeugt. Sie entsprechen strukturell veränderten Bereichen mit einem Durchmesser von 6–8 Nanometern und können mit folgenden Techniken untersucht werden: Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS), Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS), Gaspermeation. Ionenspuren können in vielen isolierenden Festkörpern selektiv geätzt werden. Als Ergebnis entstehen Kegel oder Zylinder mit Durchmessern bis herab zu 8 Nanometern. Ionenspuren können in Mineralien Millionen von Jahren überdauern. Aus ihrer Dichte lässt sich die Zeit bestimmen, zu der das Mineral aus seiner Schmelze erstarrt ist. In der Spaltspurdatierung dienen Ionenspuren als geologische Uhren.

Ionenspurtechnologie ist die Anwendung von Ionenspuren in Mikro- und Nanotechnologie. Geätzte Spurzylinder können als Filter genutzt werden, als Zählöffnungen, sie können durch Monolagen verändert werden, oder durch elektrochemische Abscheidung gefüllt werden.

Das klassische Paradigma des Atoms als unteilbarem Grundbaustein der Materie wurde im 19. Jahrhundert durch Experimente bestätigt. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden Atome nachgewiesen. Ab Mitte des 20. Jahrhunderts wurden einzelne Atome als Mikrowerkzeug eingesetzt. Hiervon handelt der vorliegende Artikel.

In der Mikrotechnologie werden die mechanischen Werkzeuge der Makrowelt zunehmend durch Bestrahlungsverfahren ersetzt. Photonen und Elektronen werden dazu eingesetzt, die Löslichkeit von strahlungsempfindlichen Polymeren, sogenannten Resists, zu erhöhen oder zu verkleinern. Als strukturgebendes Element werden Masken eingesetzt. Sie schützen den Resist vor der Bestrahlung. Die nicht abgedeckten Bereiche verändern ihre nasschemische Löslichkeit und ihre Beständigkeit gegen Abtragung durch Ionenzerstäubung. Typische Produkte der Mikrotechnik sind Integrierte Schaltkreise und mikroelektromechanische Systeme (MEMS). Gegenwärtig wird die Mikrotechnologie zur Nanotechnologie verfeinert. Hierbei werden zunehmend Ionen eingesetzt. Ein neuer Zweig dieser Technologie beruht auf der Strukturgebung durch energiereiche schwere Ionen. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte lassen sich mit einzelnen Ionen Mikro- und Nanostrukturen herstellen.

Einsatzgebiete Ionenspurtechnologie wurde für Nischengebiete entwickelt, wo die konventionelle Lithographie versagt: Bearbeitung von strahlungsresistenten Mineralien, Gläsern und Polymeren Herstellung von schlanken Strukturen mit einer Auflösungsgrenze bis herab zu 8 Nanometern Direkte Perforation von dünnen Filmen ohne jeden Entwicklungsprozess Strukturen, deren Tiefe durch die Reichweite der Ionen, nicht durch die Schichtdicke vorgegeben ist Herstellung von Strukturen mit hohem Streckungsverhältnis (Länge : Breite) bis 104. Formgebung von steifen und flexiblen Materialien unter definiertem Schnittwinkel Ausgerichtete Texturen mit definiertem Neigungswinkel Herstellung von Zufallsmustern aus teilweise überlappenden Ionenspuren Herstellung von großen Anzahlen von einzelnen Ionenstrukturen Gezielte Herstellung von Mustern aus einzelnen Ionenspuren

Eingesetzte Materialien Die Klasse der ionenspurempfindlichen Materialien ist durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

Große Homogenität: Die örtliche Dichteschwankungen des ursprünglichen Materials müssen klein sein im Vergleich zur Dichteänderung des Kernbereichs der Ionenspur. Optisch transparente (nicht opake) Materialien, wie zum Beispiel Polycarbonat und Polyvinylidenfluorid, haben diese Eigenschaft. Granuläre Polymere wie Teflon (Polytetrafluorethylen) sind opak und haben diese Eigenschaft nicht.

Hoher elektrischer Widerstand (geringe Konduktanz): Nichtleitende dielektrische Mineralien, Gläser und Polymere haben diese Eigenschaft, während gut leitende Metalle und Legierungen diese Eigenschaft nicht haben. In Metallen ist die thermische Leitfähigkeit mit dem elektrischen Widerstand gekoppelt. Dies unterdrückt in Metallen die Ausbildung einer aufgeheizten Zone in der Nähe der Ionenbahn.

Hohe Strahlungsempfindlichkeit: Polymere haben im Vergleich zu Gläsern und Ionenkristallen eine hohe Strahlungsempfindlichkeit. Der Bestrahlungseffekt in Polymeren wird durch eine beim Ionendurchgang ausgelöste Sekundärelektronenlawine verursacht. Diese bewirkt im Netzwerk des Polymers sowohl Strangbrüche als auch Querverbindungen. Strangbrüche herrschen im Kernbereich der Ionenspur vor (Radius 6–8 Nanometer) und Querverbindungen im Außenbereich der Ionenspur (bis ca. 100 Nanometer).

Geringe Mobilität der Atome: Zur selektiven Ätzung von Ionenspuren muss der Dichtekontrast zwischen der latenten Ionenspur und dem ursprünglichen Material hoch sein. Durch Diffusion schwindet der Kontrast. Das beruht auf der thermisch angeregten Wanderung der Atome. Ionenspuren können thermisch ausgeheilt werden. In Gläsern geschieht dies schneller als in harten Ionenkristallen.

Bestrahlungstechniken Mehrere Arten von Ionenbeschleunigern und Bestrahlungstechniken werden eingesetzt: Alphaquellen und Spaltquellen ermöglichen Bestrahlungen geringer Intensität mit breiter Winkel-, Massen- und Energieverteilung. Die Reichweite der ausgesendeten Spaltfragmente ist in Polymeren auf etwa 15 Mikrometer begrenzt. Schwache Californium-252 oder Americium-241 Quellen102 fission events/s werden für wissenschaftliche und technische Studien eingesetzt. Sie sind kompakt und preiswert bei geringer Strahlenbelastung. mini|Bestrahlung durch Radionuklide Kernreaktoren liefern Spaltfragmente mit breiter Winkel-, Massen- und Energieverteilung. Wie bei Alpha- und Spaltquellen ist die Reichweite der eingesetzten Spaltfragmente in Polymeren auf etwa 15 Mikrometer begrenzt. Kernreaktoren werden zur Herstellung von Filtern genutzt. mini|Bestrahlung an einem Kernreaktor Schwerionenbeschleuniger ermöglichen Bestrahlungen mit parallelem Strahl bei hoher Luminosität mit Ionen definierter Masse und Energie und Neigungswinkel.GSI Irradiation Facilities Der Intensitätsbereich reicht bis zu Milliarden von Ionen pro Sekunde. Je nach zur Verfügung stehender Energie können Spurlängen zwischen einigen Mikrometern und einigen hundert Mikrometern erzielt werden. Schwerionenbeschleuniger werden in der Mikro- und Nanotechnologie eingesetzt. Bei Bestrahlungen unterhalb der Coulomb-Schwelle werden die bestrahlten Materialien praktisch nicht aktiviert. mini|Bestrahlung an einem Ionenbeschleuniger Einzelionenbestrahlungen werden zur Herstellung von individuellen Mikro- und Nanostrukturen genutzt. Beispiele sind Kegel, Kanäle, Spitzen und Drähte. Die Technik benötigt einen schwachen Ionenstrahl, der abgeschaltet wird, sobald das Ion die Folie durchdrungen hat.mini|Einzelionenbestrahlung Ionenmikrosonden ermöglichen die vollständigste Kontrolle der Bestrahlungsparameter. Diese Apparate schränken den Ionenstrahl des Beschleunigers durch eine Blende auf einen dünnen Fadenstrahl ein, der über die Probenoberfläche gerastert wird. Ein gezieltes Schreiben mit Schwerionen ist möglich mit einer Zielgenauigkeit von etwa einem Mikrometer (1/1000 Millimeter). mini|Ionenmikrosonde

Ionenspurbildung Wenn ein schnelles Schwerion einen Festkörper durchdringt, hinterlässt es eine Spur aus verändertem Material. Der veränderte Bereich hat einen Durchmesser von wenigen Nanometern. Der Energieübertrag zwischen dem schweren Projektilion und den leichten Targetelektronen geschieht in Zweierstößen. Die herausgeschlagenen Primärelektronen hinterlassen eine elektrisch geladene Zone und lösen eine Sekundärelektronenlawine aus, die eine lawinenartig ansteigende Anzahl an Elektronen erfasst, deren Energie rasch abklingt. Die Elektronenlawine kommt zum Erliegen, sobald die Energie nicht mehr zur Ionisierung ausreicht. Die im Festkörper zurückbleibende Energie wird in atomare Anregung und Vibration umgesetzt und weitgehend in Wärme überführt. Aufgrund des großen Massenverhältnisses zwischen Proton und Elektron nimmt die Energie des Projektils kontinuierlich ab. Die Projektilbahn ist gerade.Für Eisen beträgt das Massenverhältnis MFe/me ≈ 105 Nur ein geringer Bruchteil der übertragenen Energie verbleibt als Ionenspur im Festkörper. Der Durchmesser der Ionenspur nimmt mit steigender Strahlungsempfindlichkeit des Materials zu. Mehrere Modelle werden zur Beschreibung der Ionenspurentstehung eingesetzt.

Nach dem Ion-Explosion-Modell führt die Primärionisation zu einer atomaren Stoßkaskade. Diese resultiert in einer amorphen Zone mit erniedrigter Dichte um die Ionenbahn.

Nach dem Elektronenkaskadenmodell bewirken die Sekundärelektronen einen Bestrahlungseffekt im Material, vergleichbar einer örtlich begrenzten Bestrahlung mit Elektronen. Das Elektronenkaskadenmodell eignet sich besonders gut für Polymere.

Nach dem Thermal-Spike-Modell, ist die Elektronenlawine für den Energieübertrag zwischen dem Projektil und den Targetelektronen verantwortlich. Sobald der Schmelzpunkt des Targetmaterials überschritten wird, bildet sich eine Schmelze. Das durch die kalte Umgebung bedingte rasche Abschrecken der Schmelze hinterlässt einen amorphen (glasähnlichen) Zustand erniedrigter Dichte. Die verbleibende Unordnung entspricht der Ionenspur. Aus dem Thermal Spike Modell folgt, dass die Strahlungsempfindlichkeit von Festkörpern mit sinkender Wärmeleitfähigkeit und sinkendem Schmelzpunkt steigt.

Ätzverfahren Einstufige Verfahren Die selektive Ätzung von Ionenspuren ist eng verwandt mit der selektiven Ätzung von Korngrenzen und Versetzungslinien. Der Ätzprozess muss hinreichend langsam sein um zwischen dem bestrahlten und unbestrahlten Material zu unterscheiden. Die resultierende Form hängt von der Art des Materials ab, von der Konzentration des Ätzmittels und von der Temperatur des Ätzbads. In Kristallen und Gläsern beruht die selektive Ätzung auf der erniedrigten Dichte des Materials in der Ionenspur. In Polymeren hängt die selektive Ätzung von der Fragmentierung des Polymers im Kernbereich der Ionenspur ab. Der Kernbereich ist von einem teilweise vernetzten Bereich geringerer Ätzbarkeit (Halo) umgeben. Außerhalb des vernetzten Halos wächst die Ionenspur linear mit der Zeit. Das Ergebnis des selektiven Ätzens ist eine Vertiefung, eine Pore oder ein Kanal.

Die netzmittelgeförderte Ätzung wird zum Aufsteilen von Spurformen eingesetzt. Die Methode beruht auf der Selbstorganisation von Monolagen auf der Innenwand des geätzten Kanals. Die Monolagen sind für die im wässrigen Medium gelösten (solvatierten) Ionen eine Barriere. Sie behindert die Ätzung der Oberfläche. Je nach der Konzentration des Netzmittels und des Ätzmittels entstehen tonnenförmige oder zylindrische Formen. Die Technik wird zur Erhöhung des Aspektverhältnisses eingesetzt.

Mehrstufige Verfahren Die Schrittweise Bestrahlung und Verarbeitung: Ein Mehrstufenprozess mit zwei Bestrahlungen und zwei Ätzungen zur Herstellung von perforierten Vertiefungen.

Willkürliche Bestrahlungswinkel erzwingen eine Anisotropie entlang einer bestimmten Symmetrieachse.

Mehrwinkelkanäle sind wechselseitig durchdringende Netzwerke aus zwei oder mehr Kanalscharen in verschiedenen Richtungen.

+ Selektive Ätzung einiger Polymere Material pH Ätzmedium Sensibili­sierung1) Desensibili­sierung2) Geschwindig­keit4)Selektivität5) PC basisch NaOH UV Alkohole Schnell 100–10000 PET basisch NaOH UV, DMF Alkohole 50–90Schnell10–1000 basisch K2CO3 80 Langsam 1000 PI basisch NaOCl NaOH 50–80Schnell 100–1000 CR39 basisch NaOH UV 50–80 Schnell 10–1000 PVDF6) basisch KMnO4 + NaOH 80Mittel10–100 PMMA6) sauer KMnO4 + H2SO4 50–80 Mittel 10 PP6) sauer CrO3 + H2SO4 80Schnell10–100 1) Sensitizer erhöhen das Spurätzverhältnis durch Brechen von chemischen Bindungen und Erhöhung des freien Volumens. 2) Desensitizer verkleinern das Spurätzverhältnis. Eine weitere Möglichkeit ist die Wärmebehandlung. 3) Typischer Bereich der Ätztemperatur. Die Ätzrate steigt mit Konzentration und Temperatur des Ätzmediums.