Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2005

Feinfokussierte Ionenstrahlen dienen in den Gebieten der Halbleiterindustrie und Materialforschung der Mikro- und Nanostrukturierung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den beiden Hauptanwendungen von fokussierten Ionenstrahlen, dem Materialabtrag und der ionenstrahlinduzierten Materialabscheidung. Dabei wird die hochauflösende Ionensäule CANION 31Z der Firma Orsay Physics mit Stromdichten von bis zu 10 A/cm2 und mit integriertem Gassystem eingesetzt. Es wird ausführlich auf Anwendungsbeispiele von Fokussierten Ionenstrahlsystemen im Bereich der Industrie und Forschung eingegangen. Schwerpunktmäßig wird die Abscheidung von Wolfram aus dem Precursorgas W(CO)6 (Wolframhexacarbonyl) auf Si und SiO2 als Substrat untersucht, mit dem Ziel, gut leitfähige Drähte (hier im Sinne von Leiterbahnen) mit minimalem Querschnitt herzustellen. Die Optimierung der Ionenstrahl-Parameter dieser Feinfokussierten Ionenstrahlanlage bezüglich der Abscheidung steht im Vordergrund. Dabei wird ein kurzer Einblick in die Theorie der Schichtentstehung beim Abscheidevorgang gegeben. Untersuchungen der erzeugten Strukturen entsprechend der Schichtqualität und der Strukturabmessungen werden erläutert und die Ergebnisse diskutiert. Es konnten Wolframdrähte mit einer Länge von 20 ... 100 µm, einer Breite von minimal 150 nm und einer Höhe von maximal 600 nm angefertigt werden. Die Zusammensetzung der Drähte in Abhängigkeit der Prozessparameter wurde mittels AES bestimmt. Im optimalen Fall wurden die Schichtanteile zu 80% W, 5% O, 6% C und 9% Ga ermittelt (Angaben in Atomprozent). Der spezifische Widerstand der Wolframdrähte ist im Bereich 150 ... 320 µWcm gemessen worden.

Aufgabe des Projektes war die Entwicklung einer neuen Technologie zur Probenpräparation für die Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) auf der Basis der Ionenfeinstrahlbearbei-tung. Dazu wurden Prozesse der ionenstrahlgestützten Abtragung (Sputtern), der Abschei-dung, des Probenhandling sowie systemeigener Komponenten untersucht. Als Alternative zur Ga- Quelle wurde eine Flüssigmetall-Ionenquelle auf der Basis einer AuGeSi Legierung entwi-ckelt, charakterisiert und in der FIB 4400 eingesetzt. Um eine automatische Bearbeitung bei der Herstellung von TEM-Lamellen zu ermöglichen, erfolgte eine Modifikation der FIB-4400 Software. Das LabView Programm wurde entsprechend modifi-ziert und zusätzlich um nützliche Komponenten ergänzt. Abtragsraten auf der Basis der Volumenverlustmethode wurden experimentell bestimmt. Diese Werte dienen als Ausgangspunkt für eine weiter ausbaubare Datensammlung, die die entwi-ckelte Prozessautomatisierung verfeinert. Für den Tranfer von TEM -Lamellen, die aus dem Volumen präpariert werden, wurde ein spe-zieller lift-off Manipulator entwickelt, gebaut und getestet. Es wurde ein Angebotskatalog erarbeitet, der anhand von Applikationsbeispielen mit verschie-denen Anforderungen (raue Oberflächen, Hochauflösung, poröse Materialien, Materialien mit verminderter Leitfähigkeit) die Kooperationsmöglichkeiten im Dresdener Raum im Rahmen des Materialforschungsverbundes aufzeigt.

Dünnfilmabscheidung wird häufig mit physikalischer Gasphasenabscheidung durchgeführt, wobei in letzter Zeit vermehrt höhere Teilchenenergien zur Steuerung des Wachstums eingesetzt werden. Dieser Abscheideprozess kann durch Multiskalensimulation optimiert werden, wofür die Oberflächeninteraktionen von Kupferteilchen bis 800 eV benötigt werden. Die Interaktionen sind jedoch bisher nur für geringe Teilchenenergien unterhalb von 300 eV bekannt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem mit Molekulardynamik-Methoden (MD) die Oberflächeninteraktionen von Kupferteilchen bis 800 eV simuliert werden. Die dabei erhaltenen Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit im Vergleich mit der Literatur, sowie im Vergleich mit Ergebnissen aus der zur Simulation der Wechselwirkung von hochenergetischen Ionen mit Materie etablierten Simulationsmethode TRIM. Es wird auch die Abhängigkeit der Oberflächeninteraktionen und der Verteilungen der gesputterten Teilchen von der Netzebene gezeigt. Außerdem konnten erstmals Ergebnisse für den für das Substratsputtern hochenergetischen Bereich von 300 eV bis 800 eV gewonnen werden. Diese stehen nun für die Simulation des Abscheideprozesses zur Verfügung.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einführung 2 Grundlagen 2.1 Oberflächeninteraktionen 2.1.1 Sorption 2.1.2 Reflexion 2.1.3 Sputtern 2.2 Physikalische Grundlagen 2.2.1 Klassische Betrachtungsweise 2.2.2 Newtonsche Axiome 2.2.3 Statistische Physik 2.2.4 Festkörperphysik 2.3 Binary Collision Approximation 2.3.1 Grundlagen 2.3.2 TRIM 2.3.3 Erweiterungen von TRIM 2.3.4 Grenzen 2.4 Molekulardynamik 2.4.1 Allgemeines 2.4.2 Kraftfelder 2.4.3 Integrationsalgorithmen 2.4.4 Thermostate 2.4.5 Randbedingungen 2.4.6 LAMMPS 2.5 Materialsystem und Stand der Forschung 2.5.1 Materialsystem 2.5.2 Stand der Forschung 3. Methoden und Modelle 3.1 Modellsystem für die MD-Simulation 3.1.1 Aufbau des Modellsystems 3.1.2 Festzulegende Systemparameter 3.1.3 Projektilparameter 3.2 Ablauf der Simulation 3.2.1 Erstellen des Substrates 3.2.2 Weg des Projektils zum Substrat 3.2.3 Wechselwirkung und Zeit bis zum Gleichgewicht 3.3 Auswertungsverfahren 3.3.1 Auswertung der einzelnen Simulationen 3.3.2 Stochastische Betrachtung 3.3.3 Erstellen der Interaktionstabellen 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1 Simulation mit TRIM 4.2 Vorversuche zur MD-Simulation 4.2.1 Potential 4.2.2 Thermostat 4.2.3 Thermostatanteil 4.2.4 Temperatur 4.2.5 Substratgröße 4.2.6 Netzebene 4.2.7 Erhaltene Systemparameter 4.3 Oberflächeninteraktionen 4.3.1 Auswertung (111)-Netzebene 4.3.2 Vergleich mit experimentellen Ergebnissen 4.3.3 Vergleich der Netzebenen 4.4 Energie- und Richtungsverteilungen 4.4.1 Reflektierte Teilchen 4.4.2 Gesputterte Teilchen 4.5 Vergleich der Methoden 4.6 Anwendung 5. Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Ausblick Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Freiburg, Univ., Diss., 2003.

Dresden, Techn. Univ., Diss., 2004.

Zugl.: Cottbus, Techn. Univ., Diss., 2009

Universiẗat, Diss., 1999--Siegen.