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Effekte bei der Nanostrukturierung mittels fokussierter Ionenstrahlen

Effects during nanostructuration with focused ion beams
 
: Lehrer, C.

Aachen: Shaker, 2005, 134 pp.
Zugl.: Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2005
Erlanger Berichte Mikroelektronik, 2005,3
ISBN: 3-8322-4164-7
German
Dissertation
Fraunhofer IISB ()
focused ion beam; material processing; nano structuring; ion beam induced damage; simulation of material removal

Abstract
Fokussierte Ionenstrahlsysteme sind durch ihre Fähigkeit, eine Probenoberfläche sowohl mit hoher Auflösung abbilden als auch direktschreibend durch Sputtererosion oder chemisch induzierte Ätz- und Abscheideprozesse strukturieren zu können, ein in verschiedensten Arbeitsgebieten häufig eingesetztes Werkzeug. Strahldurchmesser von weniger als zehn Nanometer machen die Anwendung fokussierter Ionenstrahlen im Bereich Nanotechnologie zu einer vielversprechenden Methode für die Herstellung kleinster Strukturen. Mit abnehmender Strukturgröße nimmt für die Materialbearbeitung die Bedeutung der Form des Ionenstrahles, der gewählten Bearbeitungsparameter und von Effekten, die die Materialbearbeitung beeinflussen, zu. Für die Herstellung nanoskaliger Strukturen mit definierter Form und Tiefe müssen alle wichtigen, die Materialbearbeitung beeinflussenden Größen bekannt sein und berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel der Bearbeitung von Silicium durch einen fokussierten Galliumionenstrahl bestimmt, welche Effekte sich auf die Materialbearbeitung auswirken und wie sie diese begrenzen. Untersucht wurde die Winkelabhängigkeit der effektiven Abtragerate, die Beeinflussung der Materialbearbeitung durch gestreute Ionen und durch die Wiederanlagerung von bereits abgetragenen Material sowie die durch Ionenimplantation und durch Veränderung der Probenstruktur hervorgerufene Dosisabhängigkeit der effektiven Abtragerate. Neben der Beeinflussung der Materialbearbeitung wurde die Schädigung und Kontamination untersucht, die durch die Anwendung fokussierter Ionenstrahlen verursacht wird. Von besonderem Interesse war hierbei die Ausdehnung der lateralen Schädigung. Diese wird durch die Form des Ionenstrahles, besonders durch weitreichende Strahlausläufer, hervorgerufen und muß ebenso beachtet werden wie Schädigungen, die während der Probennavigation und der Justage des Ionenstrahles erzeugt werden. Die Auswirkung eines einzelnen Effektes auf die Materialbearbeitung ist experimentell nicht zu bestimmen, da sich verschiedene Effekte überlagern und gegenseitig beeinflussen. Die Separation und Untersuchung der Auswirkung eines einzelnen Effektes ist mit Hilfe theoretischer Betrachtungen in Form einer Computersimulation möglich. Aus diesem Grund wurde ein Programm erstellt, das die Form einer durch Sputtererosion mit dem fokussierten Ionenstrahl erzeugten Struktur in zwei Dimensionen berechnet. Die Simulation, die alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten sekundären Effekte berücksichtigt, wurde verwendet, um über den Vergleich mit realen Strukturen die Auswirkung einzelner Effekte auf die Materialbearbeitung sowie die Stromdichteverteilung des Ionenstrahles zu bestimmen.
Fokussierte Ionenstrahlsysteme sind durch ihre Fähigkeit, eine Probenoberfläche sowohl mit hoher Auflösung abbilden als auch direktschreibend durch Sputtererosion oder chemisch induzierte Ätz- und Abscheideprozesse strukturieren zu können, ein in verschiedensten Arbeitsgebieten häufig eingesetztes Werkzeug. Strahldurchmesser von weniger als zehn Nanometer machen die Anwendung fokussierter Ionenstrahlen im Bereich Nanotechnologie zu einer vielversprechenden Methode für die Herstellung kleinster Strukturen. Mit abnehmender Strukturgröße nimmt für die Materialbearbeitung die Bedeutung der Form des Ionenstrahles, der gewählten Bearbeitungsparameter und von Effekten, die die Materialbearbeitung beeinflussen, zu. Für die Herstellung nanoskaliger Strukturen mit definierter Form und Tiefe müssen alle wichtigen, die Materialbearbeitung beeinflussenden Größen bekannt sein und berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel der Bearbeitung von Silicium durch einen fokussierten Galliumionenstrahl bestimmt, welche Effekte sich auf die Materialbearbeitung auswirken und wie sie diese begrenzen. Untersucht wurde die Winkelabhängigkeit der effektiven Abtragerate, die Beeinflussung der Materialbearbeitung durch gestreute Ionen und durch die Wiederanlagerung von bereits abgetragenen Material sowie die durch Ionenimplantation und durch Veränderung der Probenstruktur hervorgerufene Dosisabhängigkeit der effektiven Abtragerate. Neben der Beeinflussung der Materialbearbeitung wurde die Schädigung und Kontamination untersucht, die durch die Anwendung fokussierter Ionenstrahlen verursacht wird. Von besonderem Interesse war hierbei die Ausdehnung der lateralen Schädigung. Diese wird durch die Form des Ionenstrahles, besonders durch weitreichende Strahlausläufer, hervorgerufen und muß ebenso beachtet werden wie Schädigungen, die während der Probennavigation und der Justage des Ionenstrahles erzeugt werden. Die Auswirkung eines einzelnen Effektes auf die Materialbearbeitung ist experimentell nicht zu bestimmen, da sich verschiedene Effekte überlagern und gegenseitig beeinflussen. Die Separation und Untersuchung der Auswirkung eines einzelnen Effektes ist mit Hilfe theoretischer Betrachtungen in Form einer Computersimulation möglich. Aus diesem Grund wurde ein Programm erstellt, das die Form einer durch Sputtererosion mit dem fokussierten Ionenstrahl erzeugten Struktur in zwei Dimensionen berechnet. Die Simulation, die alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten sekundären Effekte berücksichtigt, wurde verwendet, um über den Vergleich mit realen Strukturen die Auswirkung einzelner Effekte auf die Materialbearbeitung sowie die Stromdichteverteilung des Ionenstrahles zu bestimmen.

 

Focused ion beam systems are frequently used in different areas because of their capability of high resolution imaging and structuring in a direct writing mode by sputtering and ion beam induced etching or deposition. Beam diameters of less than ten nanometers make material processing by focused ion beams a promising method for the fabrication of nano-sized structures. The impact of ion beam profile, processing parameters, and effects influencing material processing increases with decreasing structure size and has to be considered for the fabrication of nano-sized structures with predefined shape and depth. Therefore, for the processing of silicon with a focused gallium ion beam, it was investigated which effects do influence material processing and in which way these effects may be a limiting factor for nanostructuring by focused ion beams. Investigated effects were: the angle dependence of the effective material removal rate, the influence of ion implantation and ion beam induced damage on the effective material removal rate, and the impact of reflected ions and redeposition of sputtered material on material processing and structure shape. Apart from the influence of material processing ion beam induced damage and contamination were investigated. Of particular interest was the lateral extent of ion beam induced damage, which is due to the shape of the ion beam and especially due to far ranging beam tails. Attention has also to be paid to damage created during sample alignment and adjustment of the ion beam. The influence of a single effect on mat erial processing can not be determined experimentally as different effects occur at the same time and affect each other. Separation and investigation of the influence of a single effect is only possible by simulation. For this reason a computer program was written which calculates the shape of structures processed by focused ion beam sputtering two dimensionally. The simulation takes into consideration all effects investigated within this work. Comparison between experimental and simulated data was used to determine the influence of single effects on material processing and the current density distribution of the ion beam.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-33617.html