DE102014107458B4 - patterning methods - Google Patents
patterning methods Download PDFInfo
- Publication number
- DE102014107458B4 DE102014107458B4 DE102014107458.0A DE102014107458A DE102014107458B4 DE 102014107458 B4 DE102014107458 B4 DE 102014107458B4 DE 102014107458 A DE102014107458 A DE 102014107458A DE 102014107458 B4 DE102014107458 B4 DE 102014107458B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- layer
- structuring
- ion
- ion beam
- structured
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 54
- 238000000059 patterning Methods 0.000 title 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 55
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 81
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 41
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 16
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 13
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 12
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 8
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 claims description 7
- WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenezinc Chemical compound [Zn]=S WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 17
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 12
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 11
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 11
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 3
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 3
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015372 FeAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 1
- 101150112014 Gapdh gene Proteins 0.000 description 1
- 229910017639 MgSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 210000000020 growth cone Anatomy 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000004573 interface analysis Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000005211 surface analysis Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
- B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
- B81C1/00031—Regular or irregular arrays of nanoscale structures, e.g. etch mask layer
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1847—Manufacturing methods
- G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/26—Bombardment with radiation
- H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
- H01L21/2633—Bombardment with radiation with high-energy radiation for etching, e.g. sputteretching
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
- B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
- B81C2201/0198—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making a masking layer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Strukturierungsverfahren zum Herstellen einer räumlich periodischen Oberflächenstrukturierung, aufweisend die Schritte:- Bereitstellen eines Substrats mit einer zu strukturierenden Schicht (1) aus einem einkristallinen Schichtmaterial aus mindestens zwei chemischen Elementen,- Heizen des Substrats mit der Schicht (1) mittels einer Kontaktheizung (5), und- Bestrahlen einer zu strukturierenden Oberfläche (9) der geheizten Schicht (1) mit einem Ionenstrahl (7) unter Erzeugung von Gitterfehlern in Form von Leerstellen in der Schicht (1).Structuring method for producing a spatially periodic surface structuring, comprising the steps: - providing a substrate with a layer (1) to be structured from a single-crystalline layer material comprising at least two chemical elements, - heating the substrate with the layer (1) by means of contact heating (5) , and - irradiating a surface (9) of the heated layer (1) to be structured with an ion beam (7), producing lattice defects in the form of vacancies in the layer (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Strukturierungsverfahren, insbesondere ein Strukturierungsverfahren zum Herstellen räumlich periodischer Oberflächenstrukturierungen, die Strukturelemente mit Abmessungen im Nanometer-Bereich aufweisen.The invention relates to a structuring method, in particular a structuring method for producing spatially periodic surface structuring, which have structural elements with dimensions in the nanometer range.
Nanostrukturierte Anordnungen bzw. Werkstücke werden in verschiedensten Technikbereichen eingesetzt und können mittels unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. So ist es z.B. in der Halbleiterindustrie bekannt, Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unter Verwendung lithographischer Masken mittels photolithographischer oder elektronenstrahllithographischer Verfahren herzustellen. Bei der optischen Lithographie ist das Auflösungsvermögen durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts beschränkt, sodass diese Verfahren für geringe Strukturabmessungen sehr aufwendig sind. Die Elektronenstrahllithographie wiederum ist aufgrund der seriellen Natur dieses Verfahrens sehr zeitaufwendig. Diese Verfahren sind somit nur bedingt zur massenproduktionstauglichen Strukturierung großer Flächen geeignet.Nanostructured arrangements or workpieces are used in a wide variety of technical areas and can be manufactured using different processes. So it is e.g. known in the semiconductor industry to produce structures with dimensions in the nanometer range using lithographic masks by means of photolithographic or electron beam lithographic methods. In optical lithography, the resolution is limited by the wavelength of the light used, so that these methods are very complex for small structural dimensions. Electron beam lithography, in turn, is very time consuming due to the serial nature of this process. These processes are therefore only conditionally suitable for structuring large areas for mass production.
Als ein anderes Beispiel beschreibt die
Die mangelhafte Regelmäßigkeit und kristalline Qualität wirken sich jedoch in vielen Bereichen nachteilig aus und limitieren die potentiellen Anwendungsmöglichkeiten dieser Strukturanordnungen. So werden z.B. die elektrischen Transporteigenschaften von Nanodrähten durch die amorphen Oberflächenbereiche stark beeinträchtigt.The poor regularity and crystalline quality, however, have an adverse effect in many areas and limit the potential applications of these structural arrangements. For example, the electrical transport properties of nanowires are greatly affected by the amorphous surface areas.
Die
In „Composition and structure of ion-bombardment-induced growth cones on InP“ (J. B. Malherbe, H. Lakner, W. H. Gries in: Surface and Interface Analysis, Vol. 17, 719 - 725, September 1991) wird die Ausbildung von Oberflächenstrukturierungen mit unregelmäßig angeordneten, kegelförmigen Erhebungen (sog. „cones“) bei Ionenbestrahlung von InP behandelt.In “Composition and structure of ion-bombardment-induced growth cones on InP” (JB Malherbe, H. Lakner, WH Gries in: Surface and Interface Analysis, Vol. 17, 719 - 725, September 1991) the formation of surface structures is described Irregularly arranged, cone-shaped elevations (so-called "cones") treated by ion irradiation from InP.
Durch die Erfindung wird ein unkompliziertes und kosteneffektives Verfahren zum Herstellen großflächiger, räumlich periodischer Oberflächenstrukturierungen bzw. Oberflächenprofile mit periodisch angeordneten Strukturelementen bereitgestellt, wobei die Strukturelemente zudem eine hohe kristalline Qualität aufweisen. Dazu wird ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bereitgestellt, Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The invention provides an uncomplicated and cost-effective method for producing large-area, spatially periodic surface structuring or surface profiles with periodically arranged structural elements, the structural elements also having a high crystalline quality. For this purpose, a method is provided with the features according to
Gemäß der Erfindung wird ein Strukturierungsverfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer räumlich periodischen Oberflächenstrukturierung bereitgestellt, wobei die Strukturelemente der Oberflächenstrukturierung Abmessungen im Nanometer-Bereich aufweisen. Anders ausgedrückt wird somit ein Strukturierungsverfahren zum Herstellen einer nanostrukturierten Anordnung mit periodisch angeordneten Strukturelementen bereitgestellt. Gemäß dem Strukturierungsverfahren wird zunächst ein Substrat bereitgestellt, das eine zu strukturierende Schicht aus einem einkristallinen Schichtmaterial aus mindestens zwei chemischen Elementen aufweist oder daraus besteht. Demgemäß besteht die Schicht also aus einem Einkristall einer Verbindung mit mindestens zwei chemischen Elementen als Komponenten, z.B. aus einkristallinem GaAs oder InAs. Das Substrat mit der einkristallinen Schicht wird geheizt, wobei das Substrat mittels einer Kontaktheizung geheizt wird. Eine zu strukturierende Oberfläche der geheizten Schicht wird mit einem Ionenstrahl bestrahlt, wobei die Ionenstrahlparameter (insbesondere die kinetische Energie der Ionen des lonenstrahls) derart eingestellt sind, dass von dem Ionenstrahl in der einkristallinen Schicht Gitterfehler in Form von Leerstellen erzeugt werden. Die während des Strukturierens vorliegende Temperatur des Substrats (und der Schicht) wird im Folgenden auch als „Strukturierungstemperatur“ bezeichnet. Die Strukturierungstemperatur kann mittels eines Temperatursensors (z.B. in Form eines Thermoelements oder Pyrometers) erfasst und auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden.According to the invention, a structuring method for producing a component with a spatially periodic surface structuring is provided, the structural elements of the surface structuring having dimensions in the nanometer range. In other words, a structuring method for producing a nanostructured arrangement with periodically arranged structural elements is thus provided. According to the structuring method, a substrate is first provided which has a layer to be structured from a single-crystalline layer material or consists of at least two chemical elements. Accordingly, the layer consists of a single crystal of a compound with at least two chemical elements as components, for example of single crystal GaAs or InAs. The substrate with the single-crystalline layer is heated, the substrate being heated by means of a contact heater. A surface of the heated layer to be structured is irradiated with an ion beam, the ion beam parameters (in particular the kinetic energy of the ions of the ion beam) being set such that lattice defects in the form of vacancies are generated by the ion beam in the single-crystal layer. The temperature of the substrate (and the layer) that is present during the structuring is also referred to below as the “structuring temperature”. The structuring temperature can be achieved using a temperature sensor (eg in the form of a thermocouple or Pyrometers) are recorded and regulated to a predetermined value.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren in der Herstellung facettierter periodischer Oberflächenstrukturierungen mit hoher kristalliner Qualität resultiert. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße ionenbasierte Strukturierungsverfahren mit Heizen der zu strukturierenden Schicht gegenüber bekannten ionenbasierten Strukturierungserfahren ohne Heizen bzw. mit Kühlen der zu strukturierenden Schicht die Herstellung regelmäßigerer Oberflächenstrukturen, insbesondere die Herstellung großflächiger periodischer Oberflächenstrukturen bzw. Oberflächenreliefs. Bei den bekannten Verfahren ohne Heizen erfolgt die Strukturierung an einer aufgrund der Ionenbestrahlung amorphisierten Oberfläche mit einer hohen Defektdichte, wodurch die entstehenden Strukturierungen eine unregelmäßige Anordnung ihrer Strukturelemente und eine hohe Dichte topographischer Defekte aufweisen.It has surprisingly been found that the method according to the invention results in the production of faceted periodic surface structuring with high crystalline quality. In particular, the ion-based structuring method according to the invention with heating the layer to be structured compared to known ion-based structuring methods without heating or with cooling the layer to be structured enables the production of more regular surface structures, in particular the production of large-area periodic surface structures or surface reliefs. In the known methods without heating, the structuring takes place on a surface which is amorphized due to the ion irradiation and has a high defect density, as a result of which the structuring that is created has an irregular arrangement of its structural elements and a high density of topographic defects.
Das erfindungsgemäße Strukturierungsverfahren basiert auf einem selbstorganisierenden Prozess, der auf der Diffusion der erzeugten Leerstellen basiert, wobei die Strukturierung in einer facettierten Oberfläche resultiert (d.h. die Oberflächenstruktur weist mehrere zueinander verkippte ebene Teilflächen auf bzw. besteht daraus). Der selbstorganisierende Prozess wird durch die Minimierung der Gesamtenergie getrieben, wobei die Facettierung der Nanostrukturierung der Oberflächenstruktur mit der geringsten Energie entspricht, die bei der Strukturierungstemperatur während der Ionenbestrahlung kinetisch zugänglich ist. Durch die Erfindung wird somit ein unkompliziertes, massenproduktionstaugliches Strukturierungsverfahren bereitgestellt. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung der beschriebenen Strukturierungsverfahren zum Herstellen von Bauelementen mit derartigen facettierten periodischen Oberflächenstrukturierungen.The structuring method according to the invention is based on a self-organizing process which is based on the diffusion of the created vacancies, the structuring resulting in a faceted surface (i.e. the surface structure has or consists of a plurality of flat partial surfaces which are tilted relative to one another). The self-organizing process is driven by the minimization of the total energy, whereby the faceting corresponds to the nanostructuring of the surface structure with the lowest energy, which is kinetically accessible at the structuring temperature during the ion irradiation. The invention thus provides an uncomplicated structuring method suitable for mass production. The invention also relates to the use of the structuring methods described for producing components with such faceted periodic surface structuring.
Indem gemäß der Erfindung die zu strukturierende Schicht während des Strukturierens geheizt wird, können die ioneninduzierten Defekte während des Strukturierens bzw. während der Ionenbestrahlung unter zumindest teilweiser Rekristallisation des Schichtmaterials thermisch ausheilen, wodurch insbesondere die Amorphisierung der oberflächennahen Schichtbereiche vermindert oder sogar verhindert werden kann, sodass sich aufgrund der Periodizität des strukturierten Materials räumlich periodische Oberflächenstrukturierungen ergeben. Indem die ioneninduzierten Kristalldefekte thermisch ausgeheilt werden, kann die resultierende strukturierte Anordnung mit einer hohen kristallinen Qualität ausgebildet werden. Das Substrat wird bevorzugt derart geheizt, dass die Substrattemperatur während der Ionenbestrahlung mindestens so groß ist wie die Rekristallisationstemperatur des Schichtmaterials, da oberhalb der Rekristallisationstemperatur ein besonders effektives Rekristallisieren und Ausheilen der Defekte ermöglicht ist.By heating the layer to be structured during the structuring, the ion-induced defects can thermally heal during the structuring or during the ion irradiation with at least partial recrystallization of the layer material, whereby in particular the amorphization of the layer regions near the surface can be reduced or even prevented, so that spatially periodic surface structuring results from the periodicity of the structured material. By thermally healing the ion-induced crystal defects, the resulting structured arrangement can be formed with a high crystalline quality. The substrate is preferably heated in such a way that the substrate temperature during ion irradiation is at least as high as the recrystallization temperature of the layer material, since above the recrystallization temperature a particularly effective recrystallization and healing of the defects is made possible.
Der Ionenstrahl ist bevorzugt ein homogener Ionenstrahl mit einer über den Querschnitt des lonenstrahls homogenen Ionenstromdichte und Ionenenergie. Die Oberfläche der zu strukturierenden Schicht, an der die Strukturierung erfolgt, ist bevorzugt eine ebene Fläche, z.B. eine Kristallebene. Der Ionenstrahl kann entweder stationär sein oder über die zu strukturierende Oberfläche hinweg bewegt geführt werden, wobei jedoch - im Gegensatz zu z.B. maskenbasierten Verfahren - die gesamte zu strukturierende Oberfläche der Schicht derselben Ionenbestrahlung ausgesetzt wird (d.h. die Ionenbestrahlung ist über die gesamte zu strukturierende Fläche hinweg ortsunabhängig, wobei jeder Abschnitt der zu strukturierenden Oberfläche derselben Ionenbestrahlung mit denselben Bestrahlungsparametern wie kinetische Ionenenergie, Ionenstromdichte bzw. Ionenflussdichte, Bestrahlungsdauer, resultierender lonenfluenz etc. ausgesetzt wird). Demgemäß ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ionenstrahl ein homogener Ionenstrahl mit einer über den Querschnitt des lonenstrahls homogenen Ionenstromdichte und Ionenenergie ist, wobei der Ionenstrahl derart geformt und geführt ist, dass der Querschnitt des lonenstrahls beim Auftreffen auf die zu strukturierende Schicht mindestens so groß ist wie die zu strukturierende Oberfläche und somit der Ionenstrahl beim Auftreffen auf die Schicht mindestens die gesamte zu strukturierende Oberfläche abdeckt.The ion beam is preferably a homogeneous ion beam with an ion current density and ion energy that is homogeneous over the cross section of the ion beam. The surface of the layer to be structured, on which the structuring takes place, is preferably a flat surface, e.g. a crystal plane. The ion beam can either be stationary or guided over the surface to be structured, but - in contrast to e.g. mask-based method - the entire surface to be structured of the layer is exposed to the same ion irradiation (ie the ion irradiation is independent of location over the entire area to be structured, with each section of the surface to be structured being subjected to the same ion irradiation with the same irradiation parameters as kinetic ion energy, ion current density or ion flux density, irradiation duration , resulting ion fluence etc. is exposed). Accordingly, it is preferably provided that the ion beam is a homogeneous ion beam with an ion current density and ion energy that is homogeneous over the cross section of the ion beam, the ion beam being shaped and guided such that the cross section of the ion beam is at least as large as it strikes the layer to be structured the surface to be structured and thus the ion beam covers at least the entire surface to be structured when it hits the layer.
Der Ionenstrahl kann aus elektrisch geladenen Ionen oder aus (nachträglich) neutralisierten Ionen bestehen. Der Ionenstrahl ist bevorzugt ein kollimierter Ionenstrahl, der entlang einer Ausbreitungsrichtung bzw. Strahlungsrichtung verläuft. Der Ionenstrahl trifft senkrecht oder unter einem anderen Winkel auf die zu strukturierende SchichtoberflächeThe ion beam can consist of electrically charged ions or of (subsequently) neutralized ions. The ion beam is preferably a collimated ion beam which runs along a direction of propagation or radiation direction. The ion beam strikes the layer surface to be structured perpendicularly or at a different angle
Die resultierenden Oberflächenstrukturierungen bzw. nanostrukturierten Anordnungen weisen periodisch angeordnete Strukturelemente hoher kristalliner Qualität auf. Die resultierende Anordnung ist nanostrukturiert, d.h. weist Strukturelemente mit Abmessungen von kleiner als 1000 nm auf (wobei die Strukturelemente jedoch nicht ausschließlich Abmessungen von kleiner als 1000 nm aufweisen müssen). Der Begriff „nanostrukturiert“ bezieht sich hier also auf eine Strukturierung mit Strukturabmessungen im Nanometer-Bereich, d.h. von kleiner als 1000 nm.The resulting surface structuring or nanostructured arrangements have periodically arranged structural elements of high crystalline quality. The resulting arrangement is nanostructured, i.e. has structural elements with dimensions of less than 1000 nm (although the structural elements need not exclusively have dimensions of less than 1000 nm). The term “nanostructured” here refers to structuring with structure dimensions in the nanometer range, i.e. of less than 1000 nm.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem selbstorganisierenden Prozess beim Ionenbestrahlen einer einkristallinen und somit reinen Schicht unter Ausbildung von Leerstellen bzw. Vakanzen und ist insbesondere zu unterscheiden von Strukturierungsprozessen, die auf der Abschattung von Ionenstrahlung durch Fremdmaterialien bzw. Defekte in einem zu strukturierenden Material beruhen. Derartige abschattungsbasierte Prozesse resultieren in der Regel in Oberflächenstrukturierungen mit unregelmäßig angeordneten, kegelförmigen Erhebungen (sog. „cones“) oder Vertiefungen (sog. „pits“).The method according to the invention is based on a self-organizing process in the ion irradiation of a single-crystalline and thus pure layer with the formation of vacancies or vacancies and is to be distinguished in particular from Structuring processes that are based on the shadowing of ion radiation by foreign materials or defects in a material to be structured. Such shadowing-based processes usually result in surface structuring with irregularly arranged, conical elevations (so-called "cones") or depressions (so-called "pits").
Die Form und die Ausrichtung der resultierenden Strukturierung wird durch die Kristallsymmetrie der ionenbestrahlten Schichtoberfläche bestimmt, wobei die resultierenden Strukturelemente entlang der kristallographischen Richtungen des Kristallgitters der zu strukturierenden Schicht ausgerichtet sind. So bildet sich z.B. bei Ionenbestrahlung einer (100)-Ebene an GaAs oder einem anderen Einkristall mit Zinkblende-Kristallstruktur ein periodisches Wellenprofil mit entlang der [1-10]-Richtung verlaufenden Wellenfronten. Die Abmessungen der Strukturelemente der Anordnung hängen von der Ionenenergie, der Ionenstromdichte, der lonenfluenz und der Strukturierungstemperatur ab, wobei die resultierenden Strukturelemente Abmessungen im Bereich von einigen Nanometern bis zu einigen hundert Nanometern aufweisen. Dementsprechend können die hergestellten Nanostrukturierungen z.B. in Form von Schachbrettmustern oder Punktmustern vorliegen und können insbesondere in Form von Wellenprofilen bzw. Strichmustern mit zweizähliger Symmetrie vorliegen. Derartige nanostrukturierte Anordnungen bzw. Muster können zur Herstellung optischer, elektronischer, optoelektronischer, thermoelektrischer und photovoltaischer Geräte verwendet werden, aber auch zur Energiespeicherung, für die Katalyse, zur chemischen Analyse, für Photodetektoren und für sonstige Sensoren.The shape and the alignment of the resulting structuring is determined by the crystal symmetry of the ion-irradiated layer surface, the resulting structural elements being aligned along the crystallographic directions of the crystal lattice of the layer to be structured. For example, with ion irradiation of a (100) plane on GaAs or another single crystal with a zinc diaphragm crystal structure, a periodic wave profile with wave fronts running along the [1-10] direction. The dimensions of the structural elements of the arrangement depend on the ion energy, the ion current density, the ion fluence and the structuring temperature, the resulting structural elements having dimensions in the range from a few nanometers to a few hundred nanometers. Accordingly, the nanostructures produced can e.g. are in the form of checkerboard patterns or dot patterns and can in particular be in the form of wave profiles or line patterns with double symmetry. Such nanostructured arrangements or patterns can be used for the production of optical, electronic, optoelectronic, thermoelectric and photovoltaic devices, but also for energy storage, for catalysis, for chemical analysis, for photodetectors and for other sensors.
Mittels des Verfahrens können insbesondere periodische Strichmuster bzw. Wellenprofile mit Strukturabmessungen im Nanometerbereich hergestellt werden, die z.B. als optisches Gitter, zur Herstellung von Nanodrähten, als nanostrukturiertes Template zum (z.B. epitaktischen) Aufwachsen weiterer Materialien oder zur Ausbildung des Kanalbereichs eines Feldeffekttransistors verwendet werden können. Das Strukturierungsverfahren kann somit insbesondere zum Herstellen eines optischen Strichgitters, zum Herstellen von Nanodrähten, und zum Herstellen von Abscheidungs-Templaten zum Abscheiden von Fremdmaterialien daran (z.B. Epitaxie-Templaten zum Abscheiden von Fremdmaterialien mittels Epitaxie) verwendet werden. Bei der Herstellung eines optischen Strichgitters und eines Abscheidungs-Templates kann das hergestellte nanostrukturierte Bauelement direkt als ein derartiges Strichgitter bzw. Abscheidungs-Template verwendet werden; sodass durch das Strukturierungsverfahren ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Gitters bzw. Abscheidungs-Templates gegeben ist.The method can be used in particular to produce periodic line patterns or wave profiles with structural dimensions in the nanometer range, which e.g. can be used as an optical grating, for the production of nanowires, as a nanostructured template for (e.g. epitaxial) growth of further materials or for forming the channel area of a field effect transistor. The structuring method can thus be used in particular for the production of an optical grating, for the production of nanowires, and for the production of deposition templates for the deposition of foreign materials thereon (e.g. epitaxy templates for the deposition of foreign materials by means of epitaxy). In the production of an optical line grating and a deposition template, the nanostructured component produced can be used directly as such a line grating or deposition template; so that the structuring method provides a method for producing an optical grating or deposition template.
Das Verfahren erfordert keine spezielle Vorbehandlung der zu strukturierenden Oberfläche, da die Oberfläche aufgrund der Ionenbestrahlung einer ständigen Reinigung unterliegt.The method does not require any special pretreatment of the surface to be structured, since the surface is subject to constant cleaning due to the ion radiation.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Ionenstrahlparameter (insbesondere die kinetische Energie der Ionen des lonenstrahls) derart eingestellt, dass mittels des lonenstrahls an der Oberfläche der geheizten Schicht ein Materialabtrag mittels Sputterns erfolgt. Unter Sputtern bzw. Ionensputtern wird das Herauslösen von Atomen aus einem Festkörper durch Beschuss des Festkörpers mit Ionen verstanden. Mittels des Materialabtrags kann die vakanzgetriebene Strukturbildung zusätzlich unterstützt werden, da beim Sputtern anteilig mehr Leerstellen als Adatome erzeugt werden.According to one embodiment, the ion beam parameters (in particular the kinetic energy of the ions of the ion beam) are set such that the ion beam on the surface of the heated layer removes material by means of sputtering. Sputtering or ion sputtering means the removal of atoms from a solid by bombarding the solid with ions. The material removal can additionally support the vacancy-driven structure formation, since proportionately more vacancies than adatoms are generated during sputtering.
Die zu strukturierende Schicht besteht aus einem einkristallinen Schichtmaterial mit zwei oder mehr chemischen Elementen in beliebiger Stöchiometrie. Gemäß einer Ausführungsform ist das Schichtmaterial ein Verbindungshalbleiter, insbesondere ein III-V-Verbindungshalbleiter wie z.B. GaAs, InAs oder GaSb. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Schichtmaterial ein II-VI-Verbindungshalbleiter, z.B. ZnSe, CdTe oder HgS, oder aber ein Halbleiter aus zwei Elementen der vierten Gruppe des Periodensystems ist, z.B. SiC oder SiGe. Das Schichtmaterial kann ferner ein Oxid (z.B. TiO2, ZnO) oder eine intermetallische Verbindung (wie z.B. GaPd, FeAl, MgSi2) sein.The layer to be structured consists of a single-crystalline layer material with two or more chemical elements in any stoichiometry. According to one embodiment, the layer material is a compound semiconductor, in particular a III-V compound semiconductor such as, for example, GaAs, InAs or GaSb. However, it can also be provided that the layer material is a II-VI compound semiconductor, for example ZnSe, CdTe or HgS, or else a semiconductor composed of two elements of the fourth group of the periodic table, for example SiC or SiGe. The layer material can also be an oxide (for example TiO 2 , ZnO) or an intermetallic compound (for example GaPd, FeAl, MgSi 2 ).
Der Ionenstrahl kann aus beliebigen Ionen bestehen, bevorzugt aus Ionen eines reaktionsträgen Gases (etwa N+), z.B. aus Ionen eines Edelgases (wie etwa He+, Ne+, Ar+, Kr+ oder Xe+). Die Strukturierung bzw. die Ionenbestrahlung des Substrats erfolgt unter Vakuum, z.B. in einer Vakuumkammer (wobei während des Strukturierens z.B. Drücke von unter 10-3 mbar vorliegen). Die Ionen des lonenstrahls weisen bevorzugt eine kinetische Energie zwischen 50 eV und 10 keV auf. Der Ionenstrahl weist bevorzugt eine lonenstromdichte bzw. Ionenflussdichte von maximal 1017 cm-2s-1 auf, insbesondere zwischen 1014 cm-2s-1 und 1017 cm-2s-1; wobei die lonenfluenz bevorzugt einen Wert zwischen 1016 cm-2 und 1020 cm-2 aufweist. Die Bestrahlungsdauer liegt typischerweise im Bereich zwischen 60 min und 120 min, hängt jedoch von den konkreten Verfahrensbedingungen ab.The ion beam can consist of any ions, preferably ions of an inert gas (approximately N + ), for example ions of a noble gas (such as He + , Ne + , Ar + , Kr + or Xe + ). The structuring or ion irradiation of the substrate is carried out under vacuum, for example in a vacuum chamber (wherein, for example, pressures of below 10 -3 mbar are present during the structuring). The ions of the ion beam preferably have a kinetic energy between 50 eV and 10 keV. The ion beam preferably has an ion current density or ion flux density of at most 10 17 cm -2 s -1 , in particular between 10 14 cm -2 s -1 and 10 17 cm -2 s -1 ; the ion fluence preferably has a value between 10 16 cm -2 and 10 20 cm -2 . The irradiation time is typically in the range between 60 min and 120 min, but depends on the specific process conditions.
Der Ionenstrahl kann mit einem großen Querschnitt ausgebildet werden, sodass in einem einzigen Schritt eine großflächige Strukturierung ermöglicht ist, wobei das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund des selbstorganisierenden Strukturierungsprozesses insbesondere großflächig ohne strahlformende Masken durchgeführt werden kann. Im Unterschied zu z.B. maskenbasierten Verfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Ionenstrahl derart ausgebildet und geformt ist, dass am Ort des Auftreffens des lonenstrahls auf die Schicht die kleinste Querschnittsausdehnung des lonenstrahls größer ist als die kleinste Strukturgröße der herzustellenden Strukturierung. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass am Ort des Auftreffens auf die Schicht die kleinste Querschnittsabmessung des lonenstrahls mindestens 1000 nm oder mehr (z.B. mindestens 1 mm, 1cm oder 10 cm) beträgt. Des Weiteren kann der Ionenstrahl derart ausgebildet sein, dass er am Ort seines Auftreffens auf die Schicht entlang einer Periodizitätsrichtung der herzustellenden periodischen Anordnung bzw. Strukturierung eine Querschnittsausdehnung aufweist, die größer ist als die Periodenlänge der herzustellenden periodischen Strukturierung. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Querschnitt des auf die zu strukturierende Schicht auftreffenden lonenstrahls den gesamten zu strukturierenden Bereich der einkristallinen Schicht abdeckt, z.B. die gesamte zu strukturierende Schicht bzw. deren Vorderseite abdeckt.The ion beam can be formed with a large cross section, so that structuring over a large area is made possible in a single step, the method according to the invention being able to be carried out in particular over a large area without beam-shaping masks due to the self-organizing structuring process. In contrast to, for example, mask-based methods, it can in particular be provided that the ion beam is such is formed and shaped that the smallest cross-sectional dimension of the ion beam is larger than the smallest structure size of the structuring to be produced at the location of the impact of the ion beam on the layer. For example, it can be provided that the smallest cross-sectional dimension of the ion beam is at least 1000 nm or more (for example at least 1 mm, 1 cm or 10 cm) at the point of impact with the layer. Furthermore, the ion beam can be designed in such a way that it has a cross-sectional dimension that is greater than the period length of the periodic structuring to be produced along the periodicity of the periodic arrangement or structuring to be imposed on the layer. In particular, it can be provided that the cross section of the ion beam impinging on the layer to be structured covers the entire area of the single-crystalline layer to be structured, for example covering the entire layer to be structured or its front side.
Durch die Ionenbestrahlung werden in der zu strukturierenden Schicht Kristalldefekte erzeugt, z.B. Leerstellen, Zwischengitteratome und Frenkel-Defekte. Nach derzeitigem Kenntnisstand können - vor allem wenn die Strukturierungstemperatur mindestens der Rekristallisationstemperatur des Schichtmaterials entspricht - ioneninduzierte Leerstellen und Zwischengitteratome im Inneren bzw. im Bulkmaterial der Schicht thermisch ausheilen, sodass lediglich Adatome und Leerstellen in einem oberflächennahen Abschnitt der Schicht verbleiben. Die Oberflächen-Nanostrukturierung resultiert demgemäß vor allem aus der Kinetik der ioneninduzierten oberflächennahen Leerstellen und Adatome, wobei aufgrund ihres häufigeren Vorkommens die Kinetik der Leerstellen als entscheidend angesehen wird und die Strukturierung stark von der Diffusion und der Verteilung der oberflächennahen Leerstellen abhängt.Ion defects produce crystal defects in the layer to be structured, e.g. Vacancies, interstitials and Frenkel defects. According to the current state of knowledge - especially if the structuring temperature corresponds at least to the recrystallization temperature of the layer material - ion-induced vacancies and interstitial atoms inside or in the bulk material of the layer can heal thermally, so that only adatoms and vacancies remain in a section of the layer near the surface. Accordingly, the surface nanostructuring results primarily from the kinetics of the ion-induced vacancies and adatoms, due to their more frequent occurrence the kinetics of the vacancies are regarded as crucial and the structuring is strongly dependent on the diffusion and distribution of the vacancies near the surface.
Die kinetische Energie der Ionen des lonenstrahls ist derart hoch, dass von den Ionen in der Schicht Gitterfehler in Form von Leerstellen erzeugt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die Schicht auf eine derart hohe Temperatur geheizt, dass zumindest ein Teil der erzeugten Leerstellen während der Dauer der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl an die bestrahlte Oberfläche der Schicht diffundieren kann. Von dem Ionenstrahl werden somit Leerstellen in einer vorgegebenen Eindringtiefe erzeugt, wobei die Leerstellen in dem Schichtmaterial eine temperaturabhängige Diffusionskonstante aufweisen, die mit zunehmender Temperatur zunimmt. Gemäß dieser Ausführung können im Inneren der Schicht erzeugte Leerstellen an die bestrahlte Oberfläche der Schicht diffundieren, wodurch die Regelmäßigkeit und die Kristallqualität der resultierenden Struktur zusätzlich verbessert werden, sodass die resultierenden Strukturen insbesondere auch an der Oberfläche vollständig kristallin ausgebildet werden können.The kinetic energy of the ions of the ion beam is so high that lattice defects in the form of vacancies are generated by the ions in the layer. According to one embodiment, the layer is heated to such a high temperature that at least some of the vacancies generated can diffuse to the irradiated surface of the layer during the duration of the irradiation with the ion beam. Vacancies are thus generated by the ion beam at a predetermined penetration depth, the vacancies in the layer material having a temperature-dependent diffusion constant which increases with increasing temperature. According to this embodiment, vacancies generated in the interior of the layer can diffuse onto the irradiated surface of the layer, as a result of which the regularity and the crystal quality of the resulting structure are additionally improved, so that the resulting structures can in particular also be completely crystalline on the surface.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Strukturierungstemperatur höchstens so groß wie die der Ehrlich-Schwoebel-Barriere des Schichtmaterials entsprechende Temperatur, wobei die der Ehrlich-Schwoebel-Energiebarriere
Für die Diffusion von Leerstellen oder Atomen an einer Kristalloberfläche existiert an einer Kristallstufe aufgrund der mit der Stufenposition einhergehenden Verringerung der Koordinationszahl eine Aktivierungsbarriere, die als Ehrlich-Schwoebel-Barriere (auch kurz als „ES-Barriere“ bezeichnet) bekannt ist. Da die Oberfläche der zu strukturierenden Schicht während der Ionenbestrahlung im Wesentlichen kristallin bleibt, wird die Diffusion der Leerstellen und Adatome an deren Oberfläche durch die ES-Barriere beeinflusst, vor allem solange die thermische Energie der diffundierenden Defekte (insbesondere Leerstellen) nicht zum Überwinden der ES-Barriere ausreicht. Indem die Strukturierungstemperatur maximal so groß ist wie die der Ehrlich-Schwoebele-Barriere des Schichtmaterials (insbesondere für die Diffusion von Leerstellen und/oder Adatomen) entsprechende Temperatur, oberhalb derer die ES-Barriere inaktiv wird, kann die Strukturierung durch die Ordnungswirkung der ES-Barriere unterstützt werden.For the diffusion of vacancies or atoms on a crystal surface, there is an activation barrier at a crystal stage due to the reduction in the coordination number associated with the stage position, which is known as an Ehrlich-Schwoebel barrier (also known as “ES barrier” for short). Since the surface of the layer to be structured remains essentially crystalline during the ion irradiation, the diffusion of the vacancies and adatoms on their surface is influenced by the ES barrier, especially as long as the thermal energy of the diffusing defects (in particular vacancies) does not overcome the ES - Barrier is sufficient. Since the structuring temperature is at most as high as the temperature corresponding to the Ehrlich-Schwoebele barrier of the layer material (in particular for the diffusion of vacancies and / or adatoms) above which the ES barrier becomes inactive, the structuring can be Barrier are supported.
Die Strukturierungstemperatur kann in Abhängigkeit von dem Schichtmaterial zwischen 30 °C und 1000 °C betragen. Die Ermittlung der obigen Bedingungen für die Strukturierungstemperatur kann in der Praxis aufwendig sein, zumal für die optimale Strukturierungstemperatur unter Umständen weitere Faktoren zu berücksichtigen sein können. Es hat sich - insbesondere für Verbindunghalbleiter als Schichtmaterialien - gezeigt, dass bei Einstellung der Strukturierungstemperatur auf einen Wert zwischen 25 % und 75 % der absoluten (d.h. in Kelvin gemessenen) Schmelztemperatur des Schichtmaterials Oberflächenstrukturierungen mit einer hohen Regelmäßigkeit und einer hohen Kristallqualität hergestellt werden können, sodass gemäß einer Ausführungsform die Strukturierungstemperatur innerhalb dieses Temperaturfensters liegt. Insbesondere kann als Abschätzung für die Rekristallisationstemperatur ein Wert von 40 % der absoluten Schmelztemperatur herangezogen werden. So können z.B. bei einer Bestrahlung mit Ar+-Ionen einer Ionenenergie von 1 keV für InAs als Schichtmaterial in einem Temperaturfenster von 100 °C bis 430 °C und für GaAs als Schichtmaterial in einem Temperaturfenster von 200 °C bis 500 °C gute Strukturierungsergebnisse mit hoher Periodizität und kristalliner Qualität erzielt werden.The structuring temperature can be between 30 ° C and 1000 ° C depending on the layer material. The determination of the above conditions for the structuring temperature can be complex in practice, especially since other factors may have to be taken into account for the optimal structuring temperature. It has been shown - in particular for compound semiconductors as layer materials - that if the structuring temperature is set to a value between 25% and 75% of the absolute (ie measured in Kelvin) melting temperature of the layer material, surface structuring can be produced with a high degree of regularity and a high crystal quality, so that, according to one embodiment, the structuring temperature lies within this temperature window. In particular, a value of 40% of the absolute melting temperature can be used as an estimate for the recrystallization temperature. For example, when irradiated with Ar + ions, an ion energy of 1 keV for InAs as layer material in a temperature window from 100 ° C to 430 ° C and for GaAs as layer material in a temperature window from 200 ° C to 500 ° C good structuring results with high periodicity and crystalline quality can be achieved.
Zwar erfolgt bereits durch die Ionenbestrahlung ein Wärmeeintrag in die zu strukturierende Schicht, jedoch wird das Substrat mit der zu strukturierenden Schicht bevorzugt zusätzlich zu dem ioneninduzierten Wärmeeintrag geheizt. Dadurch ist ein besonders effektives Ausheilen der durch die Ionen hervorgerufenen Gitterdefekte möglich. So geht eine Erhöhung des ioneninduzierte Wärmeeintrags stets auch mit einer Verstärkung der ioneninduzierten Gitterdefekte einher, was sich negativ auf die Kristallqualität auswirkt. Im Gegensatz dazu kann mittels einer ionenstrahlunabhängigen zusätzlichen Beheizung die Strukturierungstemperatur unabhängig von der Ionenbestrahlung eingestellt werden.Although ion radiation already introduces heat into the layer to be structured, the substrate with the layer to be structured is preferably heated in addition to the ion-induced heat input. This enables a particularly effective healing of the lattice defects caused by the ions. An increase in the ion-induced heat input is always accompanied by an increase in the ion-induced lattice defects, which has a negative effect on the crystal quality. In contrast to this, the structuring temperature can be set independently of the ion radiation by means of an additional ion-independent heating.
Die zu strukturierende Schicht weist eine zur Strukturierung vorgesehene Vorderseite und eine von derselben abgewandte Rückseite auf, wobei der Ionenstrahl auf die Vorderseite der Schicht gerichtet ist. Gemäß einer Ausführungsform wird die zu strukturierende Schicht von der Rückseite her beheizt. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass das Substrat (das die Schicht aufweist) zum Heizen im Kontakt zu einem Kontaktelement bzw. Temperierelement (z.B. einer Heizplatte) einer Heizvorrichtung steht.The layer to be structured has a front side provided for structuring and a rear side facing away from the same, the ion beam being directed onto the front side of the layer. According to one embodiment, the layer to be structured is heated from the rear. For example, it may be provided that the substrate (which has the layer) for heating is in contact with a contact element or temperature control element (e.g. a heating plate) of a heating device.
Das im Kontakt mit dem Substrat stehende Temperierelement besteht bevorzugt aus einem nichtmetallischen Material, z.B. aus einem Halbleitermaterial. Dadurch kann das Eindiffundieren von metallischen Verunreinigungen, die üblicherweise hohe Diffusionsgeschwindigkeiten aufweisen, in die zu strukturierende Schicht verhindert werden. Das ist insbesondere bei der Herstellung von kristallinen Halbleiterstrukturen aus einer Schicht aus einem Verbindungshalbleiter als Schichtmaterial von Relevanz, da metallische Verunreinigungen die elektrischen und kristallinen Eigenschaften des Verbindungshalbleiters beträchtlich beeinträchtigen können.The temperature control element in contact with the substrate preferably consists of a non-metallic material, e.g. made of a semiconductor material. As a result, the diffusion of metallic impurities, which usually have high diffusion speeds, into the layer to be structured can be prevented. This is particularly relevant in the production of crystalline semiconductor structures from a layer of a compound semiconductor as the layer material, since metallic impurities can considerably impair the electrical and crystalline properties of the compound semiconductor.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Temperierelement aus demselben Material besteht wie die zu strukturierende Schicht, wodurch eine Störung der Kristallstruktur der Schicht durch eindiffundierende Fremdmaterialien zuverlässig verhindert ist.It can also be provided that the temperature control element consists of the same material as the layer to be structured, whereby a disturbance of the crystal structure of the layer by foreign materials that diffuse in is reliably prevented.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Schichtmaterial ein Material, das die Zinkblende-Struktur als Kristallstruktur aufweist. Zum Beispiel weisen viele Verbindungshalbleiter diese Kristallstruktur auf. Bei der Strukturierung an (100)-Ebenen eines derartigen Schichtmaterials wird eine Oberflächenstrukturierung mit einer vierzähligen oder zweizähligen Symmetrie erwartet, wohingegen bei der Strukturierung an (111)-Ebenen eine sechszählige oder dreizählige Symmetrie zu erwarten ist. Dementsprechend können durch Strukturierung an Oberflächen mit unterschiedlichen Kristallorientierungen Oberflächenstrukturierungen mit unterschiedlichen Formen hergestellt werden.In accordance with one embodiment, the layer material is a material which has the zinc diaphragm structure as a crystal structure. For example, many compound semiconductors have this crystal structure. When structuring at (100) planes of such a layer material, a surface structuring with a four-fold or two-fold symmetry is expected, whereas when structuring at (111) planes a six-fold or three-fold symmetry is to be expected. Accordingly, surface structuring with different shapes can be produced by structuring on surfaces with different crystal orientations.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schicht derart ausgebildet ist, dass die zu strukturierende Schichtoberfläche eine (100)-Ebene der Zinkblende-Kristallstruktur ist (d.h. dass die zur Strukturierung vorgesehene Vorderseite der Schicht einer (100)-Kristallebene entspricht). In diesem Fall können mittels des Strukturierungsverfahrens periodische Wellenprofile bzw. Strichgitter erzeugt werden, wobei die derart erzeugten Oberflächenstrukturierungen z.B. als optisches Gitter oder als Template zum (z.B. epitaktischen) Aufwachsen eines anderen Materials verwendet werden können. Bei Ionenbestrahlung einer (100)-Ebene unter senkrechtem Strahleinfall ist das resultierende Strichgitter symmetrisch derart ausgebildet, dass beide Flanken eines „Striches“ bzw. Steges des Gitters denselben Winkel bezüglich der Flächennormale der (100)-Ebene aufweisen.In particular, it can be provided that the layer is formed in such a way that the layer surface to be structured is a (100) plane of the zincblende crystal structure (i.e. that the front side of the layer provided for structuring corresponds to a (100) crystal plane). In this case, periodic wave profiles or dashed grids can be generated using the structuring method, the surface structuring generated in this way e.g. can be used as an optical grating or as a template for (e.g. epitaxial) growth of another material. In the case of ion irradiation of a (100) plane under perpendicular beam incidence, the resulting line grating is formed symmetrically in such a way that both flanks of a “line” or web of the grating have the same angle with respect to the surface normal of the (100) plane.
Gemäß einer Ausführungsform ist die bestrahlte Oberfläche bzw. die Vorderseite der zu strukturierenden Schicht eine ebene Fläche, die gegenüber einer (100)-Ebene der Zinkblende-Kristallstruktur einen Fehlschnitt aufweist. Bei Ionenbestrahlung einer derartigen Fehlschnitt-Fläche - insbesondere unter Normaleinfall bzw. senkrechtem Einfall des lonenstrahls - ist das resultierende Strichgitter asymmetrisch derart ausgebildet, dass die beiden Flanken eines Strichs bzw. Stegs eines derartigen Strichgitters unterschiedliche Winkel bezüglich der Flächennormale der bestrahlten Fehlschnitt-Fläche aufweisen. Ein derartiges asymmetrisches Strichgitter kann z.B. als Blazegitter oder als orientierungsselektiv zu beschichtendes (z.B. mittels Bedampfens) Template verwendet werden, sodass mittels der Erfindung auch Verfahren zum Herstellen eines Blazegitters und eines orientierungsselektiven Abscheidungs-Templates bereitgestellt werden. Durch Einstellen des Fehlschnitts bzw. des Fehlschnitt-Winkels (Winkel zwischen der (100)-Ebene und der zu strukturierenden Oberflächen-Ebene) kann der Blazewinkel eines derartigen Blazegitters eingestellt werden. Der Fehlschnitt-Winkel bezüglich der (100)-Ebene beträgt bevorzugt bis zu 30°, z.B. in Richtung der (111)-Ebene.According to one embodiment, the irradiated surface or the front side of the layer to be structured is a flat surface which has a mismatch with respect to a (100) plane of the zincblende crystal structure. In the case of ion irradiation of such a faulty cut surface - in particular under normal incidence or perpendicular incidence of the ion beam - the resulting line grating is designed asymmetrically such that the two flanks of a line or web of such a line grating have different angles with respect to the surface normal of the irradiated faulty cut surface. Such an asymmetrical grating can e.g. can be used as a blaze grid or as an orientation-selective coating (e.g. by vapor deposition), so that the invention also provides methods for producing a blaze grid and an orientation-selective deposition template. The blaze angle of such a blaze grid can be adjusted by adjusting the incorrect cut or the incorrect cut angle (angle between the (100) plane and the surface plane to be structured). The mis-cut angle with respect to the (100) plane is preferably up to 30 °, e.g. towards the (111) plane.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Illustration eines Strukturierungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform; -
2 eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme einer strukturierten (100)-Oberfläche einer GaAs-Schicht in Draufsicht; -
3 eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme einer strukturierten (100)-Oberfläche einer InAs-Schicht in Draufsicht; -
4 eine Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme einer strukturierten GaAs-Schicht im Querschnitt; -
5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Herstellung eines periodischen Wellenprofils mit asymmetrischen Flanken; -
6 eine schematische Darstellung zur Verwendung des gemäß5 hergestellten Bauelements als Abscheidungs-Template; und -
7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen von Nanodrähten.
-
1 a schematic illustration of a structuring method according to an embodiment; -
2 a scanning electron microscope image of a structured (100) surface of a GaAs layer in plan view; -
3 a scanning electron micrograph of a structured (100) surface of an InAs layer in plan view; -
4 a transmission electron microscope image of a structured GaAs layer in cross section; -
5 a schematic representation to illustrate the production of a periodic wave profile with asymmetrical flanks; -
6 is a schematic representation of the use of the5 manufactured component as a deposition template; and -
7 a schematic representation to illustrate a method for producing nanowires.
Wenn das Substrat
Während des Strukturierens bzw. während der Ionenbestrahlung beträgt der Druck in der Vakuumkammer weniger als 10-3 mbar. Das Temperierelement
Bei den genannten Bestrahlungsbedingungen erfolgt unter Materialabtrag eine selbstorganisierende, großflächige Strukturierung der Oberfläche
Die Strukturelemente bzw. Wellenfronten der periodischen Wellenprofile gemäß den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schicht aus einkristallinem Material aus zwei chemischen ElementenLayer of single-crystal material consisting of two chemical elements
- 33
- Vakuumkammervacuum chamber
- 55
- Temperierelement einer HeizvorrichtungTemperature control element of a heating device
- 77
- Ionenstrahlion beam
- 99
-
Vorderseite der Schicht
1 / zu strukturierende OberflächeFront of thelayer 1 / surface to be structured - 1111
- (100)-Ebene(100) plane
- 13, 1513, 15
- Flankeflank
- 1616
- aufzuwachsendes Fremdmaterialforeign material to be grown
- 1717
- Schicht aus elektrisch isolierendem MaterialLayer of electrically insulating material
- 1919
- Nanodrahtnanowire
Claims (10)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014107458.0A DE102014107458B4 (en) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | patterning methods |
CN201510275299.6A CN105068166B (en) | 2014-05-27 | 2015-05-26 | A kind of preparation method of high linear density multiplayer films in EUV balzed grating, |
CN201510275200.2A CN104986722B (en) | 2014-05-27 | 2015-05-26 | A kind of nano patterning method |
CN201510274630.2A CN104986728B (en) | 2014-05-27 | 2015-05-26 | A kind of preparation method of large-area nano array |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014107458.0A DE102014107458B4 (en) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | patterning methods |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102014107458A1 DE102014107458A1 (en) | 2015-12-03 |
DE102014107458B4 true DE102014107458B4 (en) | 2020-02-13 |
Family
ID=54298653
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102014107458.0A Active DE102014107458B4 (en) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | patterning methods |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (3) | CN104986728B (en) |
DE (1) | DE102014107458B4 (en) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106338882B (en) * | 2015-12-21 | 2019-11-05 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | A kind of multiplayer films in EUV and preparation method thereof |
CN106094084A (en) * | 2016-06-02 | 2016-11-09 | 中国科学院微电子研究所 | extreme ultraviolet multilayer film reflection type single-stage diffraction grating |
CN106597588B (en) * | 2016-12-20 | 2019-10-18 | 中国科学院微电子研究所 | Transmission grating |
CN108288512A (en) * | 2017-12-06 | 2018-07-17 | 上海交通大学 | Vertical broached-tooth design refraction of X-ray lens |
CN108766883B (en) * | 2018-06-13 | 2020-10-27 | 中国科学技术大学 | Ion bombardment preparation method of self-organizing nano structure with sawtooth profile |
CN110632687B (en) * | 2018-06-22 | 2021-07-27 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | Metamaterial crystal structure capable of regulating and controlling electromagnetic wave absorption and preparation method thereof |
CN110333564B (en) * | 2019-03-15 | 2021-07-02 | 中山大学 | Van der Waals excimer material micro-nano structure prepared based on focused ion beam etching and preparation method thereof |
CN110146947B (en) * | 2019-05-22 | 2020-07-21 | 复旦大学 | Blazed grating with fabry-perot cavity and method for manufacturing the same |
CN110244514B (en) * | 2019-07-01 | 2021-10-19 | 中国科学技术大学 | Photoresist with surface having nano-pore structure and preparation method thereof |
CN113253373B (en) * | 2021-04-02 | 2022-05-31 | 艾普偏光科技(厦门)有限公司 | Glasses lens with flashing grating technology visible light color changing |
CN113720795B (en) * | 2021-09-03 | 2024-03-01 | 上海科技大学 | High flux extreme ultraviolet multi-layer film grating spectrometer |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19932880A1 (en) * | 1998-09-23 | 2000-03-30 | Stefan Facsko | Process for the production of nanometer structures on semiconductor surfaces |
DE102009046756A1 (en) * | 2008-11-18 | 2010-05-20 | Amo Gmbh | Method for manufacturing regular nano-structures on solid body surface for computers, involves bringing relief structure on solid body surface before execution of illumination, where structure exhibits dimensions within submicrometer range |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4906594A (en) * | 1987-06-12 | 1990-03-06 | Agency Of Industrial Science And Technology | Surface smoothing method and method of forming SOI substrate using the surface smoothing method |
JPH10133008A (en) * | 1996-11-01 | 1998-05-22 | Japan Aviation Electron Ind Ltd | Multilayered diffraction grating and its production |
US7459839B2 (en) * | 2003-12-05 | 2008-12-02 | Zhidan Li Tolt | Low voltage electron source with self aligned gate apertures, and luminous display using the electron source |
CN100423245C (en) * | 2005-12-07 | 2008-10-01 | 中国科学院物理研究所 | Metal silicide nano-wire and its making method |
JP2008090030A (en) * | 2006-10-03 | 2008-04-17 | Japan Atomic Energy Agency | High-efficiency heat-resistant multilayer diffraction grating |
CN100477308C (en) * | 2007-05-10 | 2009-04-08 | 复旦大学 | A making method for the diameter-adjustable silicon quanta line array |
CN101565164B (en) * | 2009-05-31 | 2011-05-11 | 北京石油化工学院 | Method and equipment for controlling growth of quantum dots |
CN102653414B (en) * | 2011-03-04 | 2013-10-09 | 中国科学院金属研究所 | Nano crystal grain tin dioxide electron beam preparation method |
CN102230179B (en) * | 2011-06-22 | 2013-01-02 | 清华大学 | Method for preparing metal nano stripes |
CN103663354B (en) * | 2012-09-11 | 2016-07-20 | 北京大学 | Micro/nano array and the application in micro/nano material standard bending strain loads thereof |
CN102877035B (en) * | 2012-10-08 | 2014-10-15 | 云南大学 | Method for preparing silicon-based germanium film with low-temperature buffer layer by means of cyclic stress modulation |
CN102866445A (en) * | 2012-10-15 | 2013-01-09 | 上海理工大学 | Design method of grating with glaring concave surface |
CN103787270A (en) * | 2014-01-27 | 2014-05-14 | 中国科学院物理研究所 | Method for processing graphene superlattice nano-structure with atomic force microscope |
-
2014
- 2014-05-27 DE DE102014107458.0A patent/DE102014107458B4/en active Active
-
2015
- 2015-05-26 CN CN201510274630.2A patent/CN104986728B/en active Active
- 2015-05-26 CN CN201510275200.2A patent/CN104986722B/en active Active
- 2015-05-26 CN CN201510275299.6A patent/CN105068166B/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19932880A1 (en) * | 1998-09-23 | 2000-03-30 | Stefan Facsko | Process for the production of nanometer structures on semiconductor surfaces |
DE102009046756A1 (en) * | 2008-11-18 | 2010-05-20 | Amo Gmbh | Method for manufacturing regular nano-structures on solid body surface for computers, involves bringing relief structure on solid body surface before execution of illumination, where structure exhibits dimensions within submicrometer range |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Malherbe, J. B.; Lakner, H.; Gries, W. H: Composition and Structure of Ion-bombardment-induced Growth Cones on InP. In: Surface and Interface Analysis, Vol. 17, 1991, 719-725. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102014107458A1 (en) | 2015-12-03 |
CN105068166B (en) | 2017-12-29 |
CN104986728A (en) | 2015-10-21 |
CN104986722B (en) | 2017-06-06 |
CN105068166A (en) | 2015-11-18 |
CN104986728B (en) | 2017-03-15 |
CN104986722A (en) | 2015-10-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102014107458B4 (en) | patterning methods | |
DE112013005407B4 (en) | Method for producing semiconductor epitaxial wafers, semiconductor epitaxial wafers, and method for producing solid-state image sensor devices | |
DE112012002072B4 (en) | Method for producing an epitaxial silicon wafer, epitaxial silicon wafer and method for producing a solid-state image pickup device | |
DE112013005409B4 (en) | Method for producing semiconductor epitaxial wafers, semiconductor epitaxial wafers, and method for producing solid-state image sensor devices | |
DE102015103810B4 (en) | Fabrication of semiconductor devices with creation and annealing of radiation-induced crystal defects | |
Crouch et al. | Infrared absorption by sulfur-doped silicon formed by femtosecond laser irradiation | |
DE102007047231B4 (en) | Silicon carbide semiconductor device and process for its production | |
DE2929296A1 (en) | METHOD FOR FORMING PN BARRIER LAYERS | |
DE112014005494T5 (en) | A method of manufacturing a semiconductor epitaxial wafer, a semiconductor epitaxial wafer, and a method of manufacturing a solid state image sensor | |
DE112013005401T5 (en) | A method of making semiconductor epitaxial wafers, semiconductor epitaxial wafers, and methods of fabricating solid state image sensing devices | |
DE112015003938T5 (en) | Epitaxial semiconductor wafers and methods of making the same, and methods of making a solid state image sensing device | |
DE69432604T2 (en) | METHOD FOR PRODUCING A SEMICONDUCTOR SUBSTRATE | |
DE102015109961A1 (en) | Method for treating a semiconductor wafer | |
DE112014006124B4 (en) | Epitaxial wafer manufacturing method and epitaxial wafer | |
DE102012020785B4 (en) | Increasing the doping efficiency under proton irradiation | |
DE112016005749T5 (en) | A method of producing a semiconductor epitaxial wafer and a method of producing a solid state imaging device | |
DE10393440T5 (en) | Process for treating semiconductor material | |
DE102022114411A1 (en) | METHOD OF FABRICATION OF OHMIC CONTACTS ON A SILICON CARBIDE (SIC) SUBSTRATE, METHOD OF FABRICATION OF A SEMICONDUCTOR DEVICE, AND SEMICONDUCTOR DEVICE | |
US6344082B1 (en) | Fabrication method of Si nanocrystals | |
DE102012214335A1 (en) | Method for ablating a layer | |
DE69116202T2 (en) | Process for the production of a semiconductor thin film | |
DE102004037191A1 (en) | Semiconductor device with a passivation layer and method for its production | |
DE112019001022T5 (en) | METHOD FOR MANUFACTURING AN EPITACTIC SEMICONDUCTOR WAFER AND METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR COMPONENT | |
WO2020221525A1 (en) | Method for producing a 2d material, 2d material, and the uses thereof | |
DE102015115961B4 (en) | Process for the production of a monocrystalline SiC wafer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |