DE102014107458B4 - patterning methods - Google Patents

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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 DE 199 32 880 A1 ein Verfahren zur Herstellung regelmäßiger Halbleiterstrukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich mittels lonensputterns, wobei ein Substrat aus einem Verbindungshalbleiter mit zwei Komponenten mit Edelgasionen beschossen wird, wobei aufgrund unterschiedlicher Sputterraten der beiden Komponenten eine Oberflächenstrukturierung erfolgt. Während des Ionenbeschusses wird das Substrat gekühlt, z.B. mittels Wassers oder mittels flüssigen Stickstoffs. Die resultierenden Strukturen sind zwar relativ gleichmäßig über die strukturierte Oberfläche hinweg verteilt, die Ordnung ist jedoch nicht völlig regelmäßig und beschränkt sich auf einen Nahordnungsradius von einigen 100 nm, sodass dieses Verfahren nicht zur Herstellung hochqualitativer periodischer Strukturen geeignet ist. Zudem geht die Strukturierung mit einer Zerstörung der Kristallstruktur zumindest an der Oberfläche der erzeugten Strukturen einher, sodass dieses Verfahren nicht zur Herstellung durchgehend kristalliner Werkstücke bzw. Strukturen hoher kristalliner Qualität geeignet ist.As another example, describes the DE 199 32 880 A1 a method for producing regular semiconductor structures with dimensions in the nanometer range by means of ion sputtering, wherein a substrate from a compound semiconductor with two components is bombarded with noble gas ions, with a surface structuring taking place due to different sputtering rates of the two components. The substrate is cooled during the ion bombardment, for example by means of water or by means of liquid nitrogen. The resulting structures are distributed relatively evenly over the structured surface, but the order is not completely regular and is limited to a short-range radius of a few 100 nm, so that this method is not suitable for producing high-quality periodic structures. In addition, the structuring is accompanied by destruction of the crystal structure, at least on the surface of the structures produced, so that this method is not suitable for producing continuously crystalline workpieces or structures of high crystalline quality.

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 DE 10 2009 046 756 A1 beschreibt ausgehend von dem Verfahren gemäß der DE 199 32 880 A1 ein Verfahren zur Herstellung von regelmäßigen Nanostrukturen auf einer Festkörperoberfläche, wobei jedoch zunächst ein Relief mit einer Strukturierung im Submikrometerbereich auf die Festkörperoberfläche aufgebracht wird und anschließend eine Ionenbestrahlung unter Abtragung des Reliefs und Strukturierung der darunterliegenden Festkörperoberfläche erfolgt.The DE 10 2009 046 756 A1 describes on the basis of the method according to DE 199 32 880 A1 a process for the production of regular nanostructures on a solid surface, but first a relief with a structuring in the submicrometer range is applied to the solid surface and then ion radiation is carried out while removing the relief and structuring the underlying solid surface.

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 claim 1, embodiments of the method result from the dependent claims.

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 EES entsprechende Temperatur bzw. Aktivierunstemperatur TES gemäß EES = kTES ermittelt werden kann (wobei mit k die Boltzmann-Konstante bezeichnet ist). Demgemäß ist die Strukturierungstemperatur maximal so groß wie diejenige Temperatur, bei der die thermische Energie der Atome des Schichtmaterials genauso groß ist wie die Ehrlich-Schwoebel-Barriere des Schichtmaterials und oberhalb derer somit die Ehrlich-Schwoebel-Barriere inaktiv wird.According to a further embodiment, the structuring temperature is at most as high as the temperature corresponding to the Ehrlich-Schwoebel barrier of the layer material, the temperature of the Ehrlich-Schwoebel energy barrier E ES corresponding temperature or activation temperature T ES can be determined according to E ES = kT ES (where k denotes the Boltzmann constant). Accordingly, the structuring temperature is at most as high as the temperature at which the thermal energy of the atoms of the layer material is as large as the Ehrlich-Schwoebel barrier of the layer material and above which the Ehrlich-Schwoebel barrier thus becomes inactive.

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 gemäß 5 hergestellten Bauelements als Abscheidungs-Template; und
  • 7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen von Nanodrähten.
The invention is explained below using exemplary embodiments with reference to the accompanying figures, the same or similar features being provided with the same reference numerals. The figures show:
  • 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 the 5 manufactured component as a deposition template; and
  • 7 a schematic representation to illustrate a method for producing nanowires.

1 veranschaulicht ein Strukturierungsverfahren gemäß einer Ausführungsform. Gemäß 1 wird ein Substrat 1 bereitgestellt, wobei das Substrat 1 als Beispiel vollständig aus einer Schicht 1 eines einkristallinen Materials aus zwei chemischen Elementen besteht. Das Substrat 1 ist als Beispiel ein kreisförmiger Wafer eines III-V-Verbindungshalbleiters, z.B. GaAs oder InAs, mit einem Durchmesser von 1 cm. Das Substrat 1 ist in einer Vakuumkammer 3 im Kontakt mit einem Temperierelement 5 einer nicht näher dargestellten Heizvorrichtung angeordnet, wobei das Substrat 1 während des Strukturiervorgangs mittels des Temperierelements 5 der Heizvorrichtung geheizt wird. Ein Ionenstrahl 7 aus einer nicht dargestellten Ionenquelle (z.B. einer Kaufman-Ionenquelle) wird auf die ebene Vorderseite 9 des Substrats gerichtet. Der Ionenstrahl 7 ist vorliegend ein kollimierter, homogener Ionenstrahl aus Ionen eines Edelgases (hier: Ar+-Ionen) mit einer kinetischen Energie zwischen 50 eV und 10 keV, wobei die kinetische Energie vorliegend als Beispiel 1 keV beträgt. Die Ionenstromdichte beträgt hier 1016 cm-2s-1 bei einer lonenfluenz von 1019 cm-2. Der Ionenstrahl 7 hat einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von mehr als 1 cm, sodass von ihm die gesamte Vorderseite 9 des Substrats 1 abgedeckt wird und somit die gesamte zu strukturierende Oberfläche 9 derselben Ionenbestrahlung ausgesetzt wird (d.h. das Substrat 1 über die gesamte Vorderseite 9 hinweg derselben Ionenbestrahlung ausgesetzt wird). Der Ionenstrahl 7 trifft im rechten Winkel auf die zu strukturierende Oberfläche 9 der Vorderseite des Substrats 1, wobei unter Erzeugung von Leerstellen ein Materialabtrag mittels Sputterns erfolgt. Die in 1 veranschaulichte Strukturierungsvorrichtung kann ferner ein Massenspektrometer zum Identifizieren der gesputterten Elemente sowie ein Pyrometer zum kontaktlosen Erfassen der Temperatur des Substrats 1 aufweisen (nicht dargestellt). 1 illustrates a structuring method according to an embodiment. According to 1 becomes a substrate 1 provided, the substrate 1 as an example completely from one layer 1 of a single-crystal material consists of two chemical elements. The substrate 1 is, for example, a circular wafer of a III-V compound semiconductor, for example GaAs or InAs, with a diameter of 1 cm. The substrate 1 is in a vacuum chamber 3 in contact with a temperature control element 5 a heating device, not shown, arranged, the substrate 1 during the structuring process using the temperature control element 5 the heater is heated. An ion beam 7 an ion source (not shown) (eg a Kaufman ion source) becomes the flat front 9 of the substrate directed. The ion beam 7 is a collimated, homogeneous ion beam from ions of a noble gas (here: Ar + ions) with a kinetic energy between 50 eV and 10 keV, the kinetic energy in the present example being 1 keV. The ion current density here is 10 16 cm -2 s -1 with an ion fluence of 10 19 cm -2 . The ion beam 7 has a circular cross section with a diameter of more than 1 cm, so that from it the entire front 9 of the substrate 1 is covered and thus the entire surface to be structured 9 exposed to the same ion radiation (ie the substrate 1 over the entire front 9 exposed to the same ion radiation). The ion beam 7 strikes the surface to be structured at a right angle 9 the front of the substrate 1 , whereby material is removed by means of sputtering while creating empty spaces. In the 1 The illustrated structuring device can also include a mass spectrometer for identifying the sputtered elements and a pyrometer for contactless detection of the temperature of the substrate 1 have (not shown).

Wenn das Substrat 1 aus GaAs als Schichtmaterial besteht, wird das Substrat 1 mittels des Temperierelements 5 während der Ionenbestrahlung auf eine Temperatur im Bereich zwischen 200 °C und 500 °C geheizt, vorliegend als Beispiel auf 400 °C (was ca. 45 % der absoluten Schmelztemperatur von GaAs entspricht). Wenn das Substrat 1 aus InAs als Schichtmaterial besteht, wird das Substrat 1 mittels des Temperierelements 5 während der Ionenbestrahlung auf eine Temperatur im Bereich zwischen 100 °C und 430 °C geheizt, vorliegend als Beispiel auf 350 °C (was ca. 50 % der absoluten Schmelztemperatur von GaAs entspricht).If the substrate 1 consists of GaAs as layer material, the substrate 1 by means of the temperature control element 5 heated to a temperature in the range between 200 ° C and 500 ° C during the ion irradiation, in this case as an example to 400 ° C (which corresponds to approx. 45% of the absolute melting temperature of GaAs). If the substrate 1 consists of InAs as layer material, the substrate 1 by means of the temperature control element 5 heated during the ion irradiation to a temperature in the range between 100 ° C and 430 ° C, in the present case as an example to 350 ° C (which corresponds to approx. 50% of the absolute melting temperature of GaAs).

Während des Strukturierens bzw. während der Ionenbestrahlung beträgt der Druck in der Vakuumkammer weniger als 10-3 mbar. Das Temperierelement 5 besteht aus Bornitrid als nichtmetallischem Material.During structuring or during ion radiation, the pressure in the vacuum chamber is less than 10 -3 mbar. The temperature control element 5 consists of boron nitride as a non-metallic material.

Bei den genannten Bestrahlungsbedingungen erfolgt unter Materialabtrag eine selbstorganisierende, großflächige Strukturierung der Oberfläche 9 des Substrats 1 unter Ausbildung einer facettierten, kristallinen und periodischen Oberflächenstruktur, wobei die Form der Strukturelemente und die Symmetrie der resultierenden Oberflächenstrukturierung von der Kristallstruktur und Kristallorientierung des Substrats 1 sowie von den Bestrahlungsparametern abhängen.Under the radiation conditions mentioned, a self-organizing, large-area structuring of the surface takes place with material removal 9 of the substrate 1 forming a faceted, crystalline and periodic surface structure, the shape of the structural elements and the symmetry of the resulting surface structuring of the crystal structure and crystal orientation of the substrate 1 and depend on the radiation parameters.

2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme einer (100)-Oberfläche einer GaAs-Schicht, die mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform strukturiert wurde, in Draufsicht. Demgemäß wurde ein GaAs-Substrat 1 mit einer (100)-Kristallebene als Vorderseite 9 bereitgestellt und bei senkrechtem Ionenstrahl-Einfall unter den oben angegebenen Ionenbedingungen bestrahlt, wobei das GaAs-Substrat auf eine Temperatur von 400 °C geheizt wurde. Wie in 2 dargestellt, resultiert die Ionenbestrahlung in einem periodischen Wellenprofil bzw. Strichmuster mit Strukturabmessungen im Nanometerbereich, wobei die Wellenfronten bzw. Striche entlang der [1-10]-Kristallrichtung des Zinkblende-Kristallgitters des GaAs-Substrats 1 verlaufen. 2 shows a scanning electron micrograph of a (100) surface of a GaAs layer, which was structured by means of a method according to an embodiment, in plan view. Accordingly, a GaAs substrate 1 having a (100) crystal plane as a front 9 provided and irradiated with perpendicular ion beam incidence under the ion conditions specified above, wherein the GaAs substrate was heated to a temperature of 400 ° C. As in 2 shown, the ion irradiation results in a periodic wave profile or line pattern with structure dimensions in the nanometer range, the wave fronts or lines running along the [1-10] crystal direction of the zinc diaphragm crystal lattice of the GaAs substrate 1.

3 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme einer (100)-Oberfläche einer InAs-Schicht, die mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform strukturiert wurde, in Draufsicht. Demgemäß wurde ein InAs-Substrat 1 mit einer (100)-Kristallebene als Vorderseite 9 bereitgestellt und bei senkrechtem Ionenstrahl-Einfall unter den oben angegebenen Ionenbedingungen bestrahlt, wobei das InAs-Substrat auf eine Temperatur von 350 °C geheizt wurde. Wie in 3 dargestellt, resultiert die Ionenbestrahlung in einem periodischen Wellenprofil bzw. Strichmuster mit Strukturabmessungen im Nanometerbereich, wobei die Wellenfronten bzw. Striche entlang der [1-10]-Kristallrichtung des Zinkblende-Kristallgitters des InAs-Substrats 1 verlaufen. 3 shows a scanning electron micrograph of a (100) surface of an InAs layer, which was structured by means of a method according to an embodiment, in plan view. Accordingly, an InAs substrate 1 having a (100) crystal plane was used as the front 9 provided and irradiated with perpendicular ion beam incidence under the ion conditions specified above, wherein the InAs substrate was heated to a temperature of 350 ° C. As in 3 shown, the ion irradiation results in a periodic wave profile or line pattern with structure dimensions in the nanometer range, the wave fronts or lines running along the [1-10] crystal direction of the zincblende crystal lattice of the InAs substrate 1.

Die Strukturelemente bzw. Wellenfronten der periodischen Wellenprofile gemäß den 2 und 3 verlaufen entlang der [1-10]-Kristallrichtung, wobei die Periodenlänge des Wellenprofils auf einen Wert zwischen 30 nm und 500 nm und die Amplitude des Wellenprofils auf einen Wert zwischen 5 nm und 200 nm eingestellt werden kann, indem die Ionenenergie, Ionenstromdichte, lonenfluenz, Bestrahlungstemperatur und Fehlschnitt (der bestrahlten Oberfläche gegenüber der (100)-Ebene) variiert werden.The structural elements or wave fronts of the periodic wave profiles according to 2 and 3 run along the [1-10] crystal direction, the period length of the wave profile can be set to a value between 30 nm and 500 nm and the amplitude of the wave profile can be set to a value between 5 nm and 200 nm by the ion energy, ion current density, ion fluence , Irradiation temperature and incorrect cut (the irradiated surface opposite the (100) plane) can be varied.

4 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme einer (100)-Oberfläche einer GaAs-Schicht, die analog zu der oben beschriebenen Vorgehensweise strukturiert wurde, im Querschnitt. Wie zu erkennen, weist die strukturierte Oberfläche eine facettierte periodische Struktur mit einer hohen kristallinen Qualität auch im Oberflächenbereich auf. Die Strukturierung erfolgte mittels senkrechten Ionenstrahl-Einfalls auf die (100)-Ebene. Wie aus 4 ersichtlich, resultiert die Strukturierung in einem Wellenprofil bzw. Stegmuster, wobei die beiden Flanken eines Steges des Stegmusters jeweils denselben Winkel (hier: ca. 20°) bezüglich der (100)-Ebene aufweisen. 4 shows a transmission electron microscope image of a (100) surface of a GaAs layer, which was structured analogously to the procedure described above, in cross section. As can be seen, the structured surface has a faceted periodic structure with a high crystalline quality even in the surface area. The structuring was carried out by means of perpendicular ion beam incidence on the (100) plane. How from 4 can be seen, the structuring results in a wave profile or web pattern, the two flanks of a web of the web pattern each having the same angle (here: approx. 20 °) with respect to the (100) plane.

5 zeigt schematisch als Seitenansicht die Oberflächenstrukturierung, die entsteht, wenn eine Schicht 1 aus einem Schichtmaterial mit Zinkblende-Kristallstruktur gemäß einer Ausführungsform strukturiert wird, wobei die bestrahlte Vorderseite 9 der Schicht eine ebene Fläche ist, die gegenüber einer (100)-Ebene der Zinkblende-Kristallstruktur einen Fehlschnitt (von z.B. 10° in Richtung der (111)-Ebene) aufweist. Zur Veranschaulichung ist in 5 die Ausrichtung der (100)-Ebene schematisch mittels der gestrichelten Linie 11 dargestellt. Das Schichtmaterial kann z.B. InAs oder GaAs sein, wobei die Strukturierung mit den oben für InAs bzw. GaAs beschriebenen Ionenstrahlparametern und Strukturierungstemperaturen erfolgen kann. Bei senkrechtem Einfall des lonenstrahls 7 auf die Fehlschnitt-Fläche resultiert die Ionenbestrahlung in einem Wellenprofil bzw. Stegmuster, wobei die beiden Flanken 13, 15 eines Steges des Stegmusters unterschiedliche Winkel bezüglich der Oberflächennormale der bestrahlten Fehlschnitt-Ebene aufweisen. Das resultierende oberflächenstrukturierte Bauelement kann z.B. als Blazegitter oder als orientierungsselektives Abscheidungs-Template verwendet werden. 5 shows a schematic side view of the surface structuring that occurs when a layer 1 is structured from a layer material with a zincblende crystal structure according to one embodiment, the irradiated front side 9 the layer is a flat surface that is opposite a ( 100 ) Plane of the zincblende crystal structure a miscut (e.g. 10 ° in the direction of the ( 111 ) Level). For illustration, see 5 the orientation of the ( 100 ) Plane schematically using the dashed line 11 shown. The layer material can be, for example, InAs or GaAs, and the structuring can be carried out using the ion beam parameters and structuring temperatures described above for InAs or GaAs. If the ion beam 7 is incident perpendicularly on the faulty cut surface, the ion irradiation results in a wave profile or web pattern, the two flanks 13 . 15 of a web of the web pattern have different angles with respect to the surface normal of the irradiated false cut plane. The resulting surface-structured component can be used, for example, as a blaze grid or as an orientation-selective deposition template.

6 veranschaulicht die Verwendung des gemäß 5 hergestellten, oberflächenstrukturierten Bauelements 1 als Abscheidungs-Template zum Aufwachsen von Fremdmaterial 16, z.B. mittels Epitaxie oder Deposition. 6 illustrates the use of the according 5 manufactured, surface-structured component 1 as a deposition template for growing foreign material 16 , for example by means of epitaxy or deposition.

7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zum Herstellen von Nanodrähten bzw. einer Nanodraht-Anordnung (wobei unter einem Nanodraht ein Draht mit einer Querschnittsabmessung von maximal 100 nm verstanden wird). Gemäß 7 weist das Substrat neben der einkristallinen Schicht 1 aus einem Material mit zwei chemischen Elementen eine zweite Schicht 17 aus einem elektrisch isolierenden Material auf. Die Schicht 1 weist als Beispiel eine Zinkblende-Kristallstruktur auf (besteht z.B. aus einem entsprechenden Verbindungshalbleiter), wobei die ebene Vorderseite 9 der Schicht 1 einer (100)-Kristallebene entspricht. Die Strukturierung erfolgt bei senkrechtem Einfall des lonenstrahls 7 auf die Vorderseite 9 der Schicht 1. Wie oben erläutert, resultiert die Strukturierung in einem Wellenprofil (7b), wobei der Materialabtrag mittels des lonenstrahls bis zum Erreichen der isolierenden zweiten Schicht 17 fortgesetzt wird (7c), wodurch voneinander separierte Nanodrähte 19 resultieren. 7 illustrates a method according to an embodiment for producing nanowires or a nanowire arrangement (wherein a nanowire is understood to be a wire with a maximum cross-sectional dimension of 100 nm). According to 7 shows the substrate next to the single crystal layer 1 a second layer made of a material with two chemical elements 17 made of an electrically insulating material. The layer 1 has, for example, a zinc blende crystal structure (consists, for example, of a corresponding compound semiconductor), with the flat front side 9 the layer 1 corresponds to a (100) crystal plane. The structuring takes place when the ion beam 7 is incident perpendicularly on the front side 9 the layer 1 , As explained above, the structuring results in a wave profile ( 7b) , wherein the material removal by means of the ion beam until the insulating second layer is reached 17 is continued ( 7c ), whereby separated nanowires 19 result.

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 the layer 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)

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) to be structured of the heated layer (1) with an ion beam (7), producing lattice defects in the form of vacancies in the layer (1). Strukturierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestrahlen der Oberfläche (9) der geheizten Schicht (1) unter Materialabtrag an der geheizten Schicht (1) mittels Sputterns durch den Ionenstrahl (7) erfolgt.Structuring procedure according to Claim 1 The surface (9) of the heated layer (1) is irradiated with material being removed from the heated layer (1) by means of sputtering by the ion beam (7). Strukturierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht (1) über die gesamte zu strukturierende Oberfläche (9) hinweg derselben Ionenbestrahlung ausgesetzt wird.Structuring procedure according to Claim 1 or 2 The layer (1) is exposed to the same ion radiation over the entire surface (9) to be structured. Strukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die kinetische Energie der Ionen des lonenstrahls (7) zwischen 50 eV und 10 keV beträgt.Structuring procedure according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the kinetic energy of the ions of the ion beam (7) is between 50 eV and 10 keV. Strukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat derart geheizt wird, dass die Schicht (1) während des Bestrahlens mit dem Ionenstrahl (7) eine Temperatur aufweist, die mindestens so groß ist wie die Rekristallisationstemperatur des Schichtmaterials.Structuring procedure according to one of the Claims 1 to 4 The substrate is heated in such a way that the layer (1) has a temperature during irradiation with the ion beam (7) which is at least as high as the recrystallization temperature of the layer material. Strukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Substrat derart geheizt wird, dass die Schicht (1) während des Bestrahlens mit dem Ionenstrahl (7) eine Temperatur aufweist, die höchstens so groß ist wie die der Ehrlich-Schwoebel-Barriere des Schichtmaterials entsprechende Aktivierungstemperatur.Structuring procedure according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the substrate is heated such that the layer (1) has a temperature during the irradiation with the ion beam (7) which is at most as high as the activation temperature corresponding to the Ehrlich-Schwoebel barrier of the layer material. Strukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schichtmaterial ein Verbindungshalbleiter ist.Structuring procedure according to one of the Claims 1 to 6 , wherein the layer material is a compound semiconductor. Strukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Schichtmaterial die Zinkblende-Struktur als Kristallstruktur aufweist.Structuring procedure according to one of the Claims 1 to 7 , wherein the layer material has the zinc diaphragm structure as a crystal structure. Strukturierungsverfahren nach Anspruch 8, wobei die bestrahlte Oberfläche (9) der Schicht (1) eine ebene Fläche ist, die gegenüber einer (100)-Ebene der Zinkblende-Kristallstruktur einen Fehlschnitt aufweist.Structuring procedure according to Claim 8 , wherein the irradiated surface (9) of the layer (1) is a flat surface which has a false cut with respect to a (100) plane of the zincblende crystal structure. Verwendung des Strukturierungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Herstellen eines periodisch nanostrukturierten Bauelements mit einer facettierten Oberfläche.Using the structuring method according to one of the Claims 1 to 9 for producing a periodically nanostructured component with a faceted surface.
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