FI122010B - Ionisuihkuetsausmenetelmä ja -laitteisto - Google Patents
Ionisuihkuetsausmenetelmä ja -laitteisto Download PDFInfo
- Publication number
- FI122010B FI122010B FI20060719A FI20060719A FI122010B FI 122010 B FI122010 B FI 122010B FI 20060719 A FI20060719 A FI 20060719A FI 20060719 A FI20060719 A FI 20060719A FI 122010 B FI122010 B FI 122010B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- ion beam
- nanostructure
- substrate
- sample holder
- ion
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/20—Means for supporting or positioning the objects or the material; Means for adjusting diaphragms or lenses associated with the support
-
- 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System 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
-
- 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
- B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
- B81C1/00523—Etching material
- B81C1/00531—Dry etching
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
- H01J37/305—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching
- H01J37/3053—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching
- H01J37/3056—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching for microworking, e.g. etching of gratings, trimming of electrical components
-
- 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
- H01L21/64—Manufacture or treatment of solid state devices other than semiconductor devices, or of parts thereof, not peculiar to a single device provided for in groups H01L31/00 - H10K99/00
-
- 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
- B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
- B81C2201/0128—Processes for removing material
- B81C2201/0143—Focussed beam, i.e. laser, ion or e-beam
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/20—Positioning, supporting, modifying or maintaining the physical state of objects being observed or treated
- H01J2237/202—Movement
- H01J2237/20214—Rotation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/245—Detection characterised by the variable being measured
- H01J2237/24507—Intensity, dose or other characteristics of particle beams or electromagnetic radiation
- H01J2237/24514—Beam diagnostics including control of the parameter or property diagnosed
- H01J2237/24528—Direction of beam or parts thereof in view of the optical axis, e.g. beam angle, angular distribution, beam divergence, beam convergence or beam landing angle on sample or workpiece
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
- H01J2237/317—Processing objects on a microscale
- H01J2237/3174—Etching microareas
Description
IONISUIHKUETSAUSMENETELMÄ JA -LAITTEISTO
KEKSINNÖN ALA
Esillä oleva keksintö liittyy kolmiulotteisten (3D) nanorakenteiden valmistukseen, erityisesti 5 nanorakenteisiin, joiden mitat ovat alueella alle 100 nm.
KEKSINNÖN TAUSTA
On olemassa lukuisia erilaisia tekniikoita 10 eri materiaaleja olevien kolmiulotteisten (3D) nanorakenteiden valmistukseen. Esimerkiksi UV litografiaa on perinteisesti käytetty laajasti erityisesti mikro-elektroniikkateollisuudessa. On kuitenkin olemassa perustavanlaatuinen raja, jonka alle rakenteellisia mit-15 toja ei voida pienentää. Käytettäessä deep UV -valoa tämä raja on jossakin 100 nm lähellä.
Elektronisuihkulitografiaan (EBL) perustuvilla kehittyneemmillä menetelmillä voidaan saada aikaan pienempiäkin mittoja ja niitä on käytetty esimerkiksi 20 piialustalla olevien 5-7 nm leveiden etsattujen viivojen valmistukseen. Kuitenkin höyrystettäessä metallisia rakenteita EBL:llä tehtävien maskien läpi on raja korkeampi, noin 20 - 50 nm. EBL:n haittana on, että se on suhteellisen hidas menetelmä.
25 Fokusoitu ionisuihku (FIB) on menetelmä, joka on ajatuksellisesti samankaltainen EBL:n kanssa, pait- ^ si että elektronit on korvattu fokusoiduilla raskailla o ^ ioneilla. FIB-menetelmää on käytetty menestyksellises- cp ti hyvin paikalliseen etsaukseen ja leikkaukseen, kui- o 30 tenkin pikemminkin mikrometri- kuin nanometrialueella.
Keksijöiden parhaan tietämyksen mukaan ei ole rapor-
CL
toitu FIB-menetelmällä valmistettuja 3D-rakenteita,
CD
joiden mitat olisivat olleet merkittävästi alle 100 o to nm. Lisäksi FIB on erittäin kallista. Toisaalta teol- o ^ 35 lisen valmistuksen tarkoituksiin FIB on äärimmäisen 2 hidas eikä lainkaan yhteensopiva massavalmistuksen ajatuksen kanssa.
Keksijät ovat aiemmin julkaisseet perusperiaatteen täysin uudesta lähestymistavasta, jossa esi-5 valmistettujen nanorakenteiden mittoja pienennetään ionisuihkusputteroinnilla (Applied Physics A 79, 1769 - 1773, 2004). Periaatteena on altistaa prosessoitava nanorakenne matalaenergisten, massaltaan keskitasoisten ionien suihkulle vinossa kohtauskulmassa. Kohteen 10 pintakerrokseen törmäävien ionien energia saa pinta- atomit irtoamaan. Tätä fysikaalista prosessia säädetään prosessimuuttujien, kuten ionien energian ja massan, ionisuihkun tulokulman ja ionisuihkun virranvoi-makkuuden huolellisella valinnalla. Näytettä pyörite-15 tään atsimuuttikulman ympäri isotrooppisen etsauksen varmistamiseksi. Prosessi voidaan toteuttaa kaupallisesti saatavilla olevilla ionisuihkulähteillä ja tyhjö järjestelmillä, joihin on lisätty näytteenkäsittely-laite kallistusta ja pyöritystä varten. Keksijät ovat 20 löytäneet, että tämän kaltaisella prosessilla voidaan valmistaa jopa alle 10 nm rakenteita suurella tarkkuudella ja tuottaen äärimmäinen pinnan tasaisuus (Nano Letters, Voi. 5, No. 6, 1029 - 1033, 2005). Huolimatta lupaavista alustavista tuloksista on vaikeus tämän me-25 netelmän soveltamisessa erilaisiin materiaaleihin sekä rakenteen muotoihin ja mittoihin siinä, miten löydetään optimaalinen prosessimuuttujien joukko. Edes pe-^ rinteisen makroskooppisten 2D-rakenteiden ionisuihku- ^ sputteroinnin teoriaa ei täysin tunneta ja on luonnol- o 30 lisesti erittäin paljon monimutkaisempaa ennustaa alle o 100 nm mittojen 3D-rakenteiden nanotyöstöprosessin tu- loksia.
CL
CD
KEKSINNÖN TARKOITUS o
CD
o 35 Esillä olevan keksinnön tarkoitus on saada o 0X1 aikaan uusi, hyvin hallittavissa oleva menetelmä ja laitteisto kolmiulotteisten alle 100 nm:n nanoraken- 3 teiden prosessointiin suurella tarkkuudella ja nano-metriluokan pinnankarheudella.
KEKSINNÖN YHTEENVETO
5 Esillä olevan keksinnön mukaiselle menetel mälle on tunnusomaista, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Esillä olevan keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 10.
10 Esillä oleva keksintö koskee ensinnäkin io- nisuihkuetsausmenetelmää alle 100 nm:m kolmiulotteisten (3D) nanorakenteiden prosessointiin, jossa esivalmistettua nanorakennetta, joka on muodostettu alustalle ja jolla edullisesti on olennaisesti nanorakenteen 15 haluttu lopullinen muoto, etsataan kolmiulotteisesti pommittamalla nanorakennetta tyhjöympäristössä matala-energisten, keskimassaisten ionien suihkulla vinossa tulokulmassa mahdollisesti samalla pyörittäen nanorakennetta alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin 20 ympäri. Esillä olevan keksinnön etsauksella voi olla kaksi käyttötarkoitusta. Ensinnäkin tarkoituksena voi olla pienentää esivalmistettua näytettä kolmiulotteisesti nanorakenteen lopulliseen kokoon ja muotoon hyvin hallittavalla ionisuihkuetsausprosessilla, joka 25 sallii tuottaa selvästi alle perinteisten valmistusme netelmien olevia mittoja. Toisaalta keksinnön etsaus-prosessia voidaan käyttää vain jollakin perinteisellä o prosessointimenetelmällä, kuten elektronisuihkulito- c\i ^ grafia, LIGA tai nanopainanta (nanoimprint) valmiste- 30 tun näytteen pinnan tasoittamiseen. Etsaus perustuu oo ° fysikaaliseen sputterointiprosessiin, jossa kohteen c pinta-atomit irtoavat näytteeseen osuvien energisten o, ionien kanssa törmäysten johdosta.
Is» Erona kaksiulotteisiin (2D) eli tasomaisiin o o 35 rakenteisiin, kuten tasomaiset kalvot tai nauhat, joi- o ^ den paksuus on olennaisesti pienempi kuin nauhan pi tuus ja leveys, kolmiulotteinen tarkoittaa tässä nano- 4 rakenteita, joilla myös korkeusmitat ovat olennaisesti samassa mittakaavassa kuin vaakasuuntainen(set) mitta (mitat). Esimerkkeihin tällaisista 3D-rakenteista kuuluvat erilaiset langat, palkit, saarekkeet ja nii-5 den yhdistelmät. Tulokulma tarkoittaa tässä kulmaa pinnan normaalin ja suihkun pituusakselin välillä. Vino ionisuihkun tulokulma samoin kuin näytteen pyöritys tarvitaan isotrooppista etsausta varten, toisin sanoen samaa etsausnopeutta sekä vaaka- että pystypinnoille 10 varten. Myös etsatun pinnan karheus on erittäin pientä, koska näytteen joka kohtaa pommitetaan eri suunnista johtuen pyörityksestä alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin ympäri. "Alustaan nähden kohtisuorassa" tarkoittaa tässä alustan päätasoon näh-15 den olennaisesti kohtisuorassa olevaa suuntaa. Tyypillisillä tasomaisilla alustoilla, esimerkiksi pyöreinä kiekoilla, tämä on yksiselitteinen määritelmä. Ei-tasomaisilla alustoilla tämä suunta on nanorakenteen alustasta ulottumisen suunta. Ilmaus "mahdollisesti 20 pyörittäen" tarkoittaa, että on luonnollisesti myös mahdollista pitää nanorakenne paikallaan ja pommittaa sitä vain yhdestä suunnasta. Tämänkaltainen suuntava-linnainen etsaus sallii nanorakenteen muodon hallitun muuttamisen.
25 Keksinnön mukaisesti ionien energia massaa kohden on alueella 0,0025 - 0,0225 keV/amu, jossa amu tarkoittaa atomimassayksikköä (1, 66*10~27kg) , ja io- ^ nisuihkun tulokulma suhteessa alustaan on alueella 30 o ^ - 50 astetta, edullisesti noin 40 astetta. Tämän toi- sj- o 30 siinsa yhteydessä olevien muuttujien yhdistelmän ha- o valttiin yllättävästi varmistavan tehokkaan, mutta g kuitenkin hienovaraisen ja hyvin hallittavan etsaus-
CL
prosessin saaden aikaan isotrooppisen etsauksen ja 05 tuottaen äärimmäisen alhaisen pinnankarheuden. Tämä o g 35 muuttujien joukko on myös hyvin yleinen soveltuen laa- ^ jaan joukkoon erilaisia materiaaleja. Molempia noita 5 muuttujia käsitellään yksityiskohtaisemmin seuraavas-sa.
Kohteen pommittaminen ionisuihkulla kohtisuoraan kohteen pintaan nähden saa tavallisesti io-5 nit tunkeutumaan kohteeseen melko syvälle nanotyöstön näkökulmasta. Lisäksi kohtisuorasta pommituksesta tuloksena oleva pinnankarheus on tyypillisesti vähintään useiden nanometrien luokassa. Jos kohteen materiaalissa on virheitä, tulee pinnankarheus vielä huonommaksi 10 johtuen nopeammasta etsauksesta virheiden ympärillä.
Näin ollen tarvitaan erisuuntaisille pinnoille yhtä aikaa sopiva vino kulma. Päinvastoin kuin aiemmin julkaistuissa tuloksissa, optimaalisen kulman yhdessä edellä mainittujen muuttujamäärittelyjen kanssa ha-15 valttiin olevan noin 40 asteen paikkeilla.
Perinteisesti, 2D-sputterointiprosesseissa, käytetään korkeaenergisiä ioneja, joiden energiat ovat useita keV. Viitaten siihen, mitä edellä on sanottu tunkeutumissyvyydestä ja hallittavuudesta ja ymmärret-20 täessä myös tosiasia, että mitä suurempi on energia, sitä korkeampi on todennäköisyys vaurioitumisille, edellyttää näytteen hienovarainen prosessointi matalampaa energiaa. Tämä myös edesauttaa nanometriluokas-sa olevan pinnankarheuden aikaansaamista. Toisaalta 25 liian matala energia ei saa aikaan lainkaan etsautu- mista. Kiihdytysjännitteestä ja ionivarauksesta riippuvan liike-energian lisäksi myös ionin massa vaikut- ^ taa näytteen pinta-atomien irrotusprosessiin, koska o ^ kohteen atomin poistamisen todennäköisyys riippuu tu- cp 30 levän ionin liikemäärästä. Näin ollen myös massa täy- 0 tyy ottaa huomioon valittaessa ionityyppiä ja energi- 1 aa. Tämä on syy energian määrittämiselle suhteessa io-
CL
nin massaan. Kompromissina kohtuullisen sputterointi-
CD
nopeuden, pinnan vaurioitumisen estämisen ja erityyp-§ 35 pisten ionien saatavuuden välillä käytetään edullises- ^ ti keskimassaisia ioneja. Alue 0,0025 - 0,0225 keV/amu, yhdessä muiden patenttivaatimuksissa määri- 6 tettyjen muuttujien kanssa, löydettiin kokeellisesti optimaaliseksi useimmille etsattaville materiaaleille.
On tärkeää huomata, että tällä hetkellä ei ole luotu kattavaa teoriaa koskien ionisuihkuavustei-5 sen nanorakenteiden etsauksen mekanismia. Siksi, huolimatta joistakin suuntaa-antavista teoreettisista oletuksista, toisiinsa yhteydessä olevien prosessi-muuttujien optimointi perustuu mitä suurimmassa määrin kokeellisiin tutkimuksiin. Kuten tavallista nanotek-10 nilkassa, myös tässä tapauksessa lopulliset johtopäätökset johtivat muuttujajoukkoon, joka eroaa olennaisesti siitä, mitä olisi voinut olettaa.
Esivalmistetun näytteen muotosuhde toteuttaa edullisesti ehdon —>1, jossa h ja w ovat rakenteen w 15 korkeus ja leveys vastaavasti. Tämä ehto liittyy tarpeeseen säilyttää esivalmistetun näytteen alkuperäinen muoto etsausprosessin aikana. Muodon säilyttäminen yksinkertaistaa suuresti koko valmistusprosessia, kun jo esivalmistetulla rakenteella voi olla nanorakenteen 20 lopullinen haluttu geometria. Toisin kuin aiemmin julkaistut testirakenteet, jotka perustuivat olettamuksiin sopivasta poikkileikkauksesta, keksijät havaitsivat, että - yllä määritellyillä tulokulmalla ja energialla massaa kohden - osien pitäminen vähintään yhtä 25 korkeina kuin ne ovat leveitä tehokkaimmin varmistaa näytteen alkuperäisen muodon säilymisen vähäisillä muutoksilla etsausprosessin aikana. Luonnollisesti, ^ jos prosessoidun nanorakenteen alkuperäisen muodon i § säilymistä ei edellytetä, voi suhteella korkeuden ja i oo 30 leveyden välillä olla mikä tahansa arvo.
0 x Eräässä esillä olevan keksinnön edullisessa tr toteutusmuodossa ionien energia massaa kohden on alu- 1 eella 0,01 - 0,015 keV/amu, edullisesti noin 0,0125 § keV/amu, mikä on havaittu optimaaliseksi useimmille o o 35 näytemateriaaleille ja ionityypeille.
7
Ionisuihkun virranvoimakkuus on edullisesti alueella 10 - 20 μΑ/cm2. Tämän vastoin odotuksia havaitun alueen alaraja tulee tarpeesta pinnan riittävälle dynaamiselle puhdistukselle. Dynaamisella puh-5 distuksella tarkoitetaan lisämateriaalin prosessoidulle pinnalle kasvun estämisprosessia. Esimerkiksi, koska tyhjökammiossa aina on jonkun verran jäännöshappea, voisi helposti muodostua oksidikerros esimerkiksi metallipinnalle ilman riittävää ionisuihkun virrantihe-10 yttä. Toisaalta liian suuri virrantiheys voisi johtaa ei-toivottuun pinnan vaurioitumiseen ja/tai ylikuumenemiseen johtaen etsausprosessin heikkoon hallittavuuteen .
Riittävän laajan prosessointialueen eli alu-15 een alustan pinnan tasossa, jossa etsautumista voi tapahtua, takaamiseksi ja siten useiden samalla alustalla olevien nanorakenteiden samanaikaisen prosessoinnin mahdollistamiseksi nanorakennetta pommittavan ionisuihkun halkaisija on edullisesti vähintään noin 10 20 mm. Laaja suihku auttaa myös tasoittamaan ionivuon voimakkuutta läpi suihkun. Suihkun leveys riippuu laitteiston ominaisuuksista. Sitä voidaan säätää jossakin määrin kiihdytysjännitteen valinnalla: mitä korkeampi on jännite, sitä kapeampi on suihku. Alustasta 25 riippuen on näin ollen mahdollista, että suihkun poikkileikkaus on jopa verrattavissa alustan kokoon. Kuitenkin voimakkuudella on tavallisesti Gaussinen tai ^ jokin muu epätasainen jakauma. Sen vuoksi prosessoin-
O
^ tialuetta voidaan edelleen kasvattaa samoin kuin ioni- i sj- o 30 vuon homogeenisuutta parantaa poikkeuttamalla proses- o soinnin aikana ionisuihkua suhteessa alustaan suunnas- ^ sa, joka on kohtisuorassa suihkun pituusakseliin, yli
CL
laajan alueen. Poikkeuttaminen voidaan toteuttaa joko 05 poikkeuttamalla suihkua tai nanorakennetta kannattavaa § 35 alustaa, o
Nanorakenne on edullisesti maadoitettu varauksen näytteeseen kerääntymisen estämiseksi. Ionisuih- 8 kun varautuneiden ionien aiheuttama varauksen kerääntyminen voisi tuhota näytteen sähköpurkauksen seurauksena näytteen myöhemmän käsittelyn aikana. Maadoittaminen voidaan tehdä esimerkiksi näytteen metalliseen, 5 maadoitettuun näytteenpitimeen yhdistävillä bondatuil-la metallilangoilla.
Varauksen kerääntymistä voidaan estää myös puolijohde- tai metallisella alustalla, jolle näyte on valmistettu. Ei-eristävä alusta vähentää tehokkaasti 10 näytteen varautumista.
Erityisesti tapauksessa, jossa näyte on valmistettu eristävälle alustalle, on edullista tuoda li-säelektroneja nanorakenteen läheisyyteen pommittavan suihkun varautuneista ioneista johtuvan näytteen va-15 rautumisen neutraloimiseksi. Ylimääräelektronit esi merkiksi elektronipilven muodossa voidaan järjestää laitteistoon yhdistetyllä perinteisellä varauksen neutraloijalla (esimerkiksi kuumennettu volframilan-ka). Keksijät ovat havainneet esillä olevan keksinnön 20 soveltuvaksi eri metalleille, kuten vismutti, alumiini ja tina, epäorgaanisille eristeille, kuten alumiinioksidi, kiille ja piioksidi, piille esimerkkinä puolijohteista kuten myös orgaaniselle PMMA-resistille. Et-sausnopeudet ovat erilaisia eri materiaaleille tehden 25 etsauksesta hyvin selektiivistä. Pienimmät nanometri- mittakaavan tarkkuudella valmistettujen rakenteiden mitat ovat 5 nm alueella. Saavutettavissa olevan pin- ^ nankarheuden on osoitettu olevan noin 1 nm. Johtuen o ^ hienovaraisesta prosessista, myös hyvin hauraita nano- cp 30 rakenteita, kuten yhden elektronin elektronitransisto- o rit, voidaan etsata esillä olevan keksinnön menetellä mällä.
CL
Esillä oleva keksintö koskee myös ionisuih-cn kuetsauslaitteistoa alle 100 nm kokoisten tasomaiselle o g 35 alustalle muodostettujen esivalmistettujen nanoraken- ° teiden etsaamiseen ionisuihkulla. Laitteisto käsittää tyhjökammion, näytteenkäsittelylaitteen, joka on kiin- 9 riitetty tyhj ökammioon ja johon kuuluu näytteenpidin näytteen kiinnittämiseksi sille, ja ionisuihkulähteen järjestettynä lähettämään matalaenergisiä keskimassai-sia ioneja kohti näytteenpidintä vinossa tulokulmassa 5 sille kiinnitettyyn alustaan nähden. Näytteenkäsitte- lylaite voi pyörittää näytteenpidintä ja siten sen päällä olevaa alustaa alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin ympäri.
Keksinnön mukaisesti ionisuihkulähde voi lä-10 hettää ioneja, joilla on energia massaa kohden alueella 0,0025 - 0,0225 keV/amu ja ionisuihkun tulokulma suhteessa näytteenpitimelle asetettuun alustaan on alueella 30 - 50 astetta, edullisesti noin 40 astetta. Nämä laitteiston ominaisuudet yhdessä asianmukaisesti 15 valitun näytteen geometrian kanssa mahdollistavat hy vin hallittavan ja hienovaraisen isotrooppisen etsaus-prosessin, joka tuottaa korkealaatuisen etsatun pinnan .
Ionisuihkuetsauslaitteisto voi edullisesti 20 tuottaa ionisuihkun virrantiheyden, joka on alueella 10 - 20 μΑ/cm2. Tämä on havaittu sopivaksi alueeksi prosessoidun pinnan tehokkaan dynaamisen puhdistuksen j ärj estämiseen.
Ionisuihkulähde voi edullisesti tuottaa io-25 nisuihkun, jolla on vähintään 10 mm:n halkaisija riittävän laajan prosessointialueen varmistamiseksi ja siten useiden samalla alustalla olevien nanorakenteiden ^ samanaikaisesti etsaamiseksi.
0 ^ Laitteisto käsittää edullisesti myös välineet cp 30 ionisuihkun poikkeuttamiseksi suhteessa alustaan suunti nassa, joka on kohtisuorassa suihkun pituusakseliin 1 nähden prosessointialueen laajentamiseksi ja ionivuon Q_ voimakkuuden homogeenisuuden prosessointialueella pa- CT> rantamiseksi. Tämä ominaisuus mahdollistaa samanaikai-o g 35 sen ja tasaisen etsauksen suurelle määrälle yhdellä ^ alustalla olevia nanorakenteita.
10
Laitteisto käsittää edullisesti myös välineet lisäelektronien tuomiseksi näytteenpitimen läheisyyteen pommittavan ionisuihkun varautuneista ioneista aiheutuvan nanorakenteen varautumisen neutraloimisek-5 si.
Yhteenvetona esillä oleva keksintö mahdollistaa jopa alle 10 nm: n nanorakenteiden valmistuksen hallittavasti ja käyttäen matalan kustannuksen laitteistoa, joka kostuu kaupallisesta ionilähteestä ja 10 tyhjöjärjestelmästä lisättynä näytteenkäsittelylait-teella.
Mittojen tarkkuuden lisäksi prosessoidulla pinnalla on myös erinomainen tasaisuus. Päinvastoin kuin esimerkiksi FIB-menetelmässä, suurta joukkoa yh-15 delle alustalle muodostettuja nanorakenteita voidaan prosessoida samanaikaisesti yhdenmukaisella etsausno-peudella koko alustan alueella, mikä mahdollistaa teollisen massatuotannon. Esillä olevan keksinnön mukaiset menetelmä ja laitteisto ovat myös erittäin jousta-20 via. Näytteen esivalmistus voidaan tehdä millä tahansa tunnetulla valmistusmenetelmällä ja menetelmää voidaan soveltaa useimpiin mikro- ja nanoelektroniikassa käytettyihin materiaaleihin. Myös ionityyppi voidaan va lita vapaasti niin kauan kuin seurataan patenttivaati-25 musten mukaisia määritelmiä.
LYHYT PIIRUSTUSTEN KUVAUS
o Oheiset kuvat, jotka on sisällytetty mukaan
(M
^ lisäymmärryksen antamiseksi keksinnöstä ja jotka muo- ° 30 dostavat osan tätä selitystä, selittävät yhdessä kuva- 00 ° uksen kanssa keksinnön periaatteita.
κ Kuva 1 esittää kaaviomaista kuviota esillä
CL
o, olevan keksinnön mukaisesta ionisuihkuetsauslaitteis- [y tosta.
o o 35 Kuva 2 edustaa esimerkkiä esillä olevan kek- o ^ sinnön mukaisella menetelmällä prosessoiduista nanora- kenteista.
11
Kuvat 3a ja 3b ovat AFM-kuvia (atomivoimamik-roskooppi, Atomic Force Microscope) eräästä nanoraken-teesta ennen ja jälkeen esillä olevan keksinnön mukaisen etsausprosessin.
5
KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS
Tässä viitataan yksityiskohtaisesti esillä olevaan keksintöön liittyviin toteutusmuotoihin ja esimerkkeihin, jotka on esitetty oheisissa kuvissa.
10 Kuvan 1 ionisuihkuetsauslaitteistoon 1 kuuluu tyhjökammio 2 yhdistettynä tyhjöpumppuun 3, etsauksessa tarvittavan ionisuihkun 5 tuottava ionipyssy 4 ja näytteenkäsittelylaite 6, johon kuuluu näytteenpidin 7. Ionipyssy 4 ja näytteenkäsittelylaite on järjestet-15 ty sellaiseen kokoonpanoon, että ionisuihku tavoittaa näytteenpitimelle 7 sijoitetun alustan 8 noin 40 asteen vinossa kulmassa ai suhteessa alustan normaaliin N. Laitteistoon kuuluu edullisesti myös välineet tämän kulman säätämiseksi. Näytteenkäsittelylaitteessa on 20 myös välineet näytteenpitimen pyörittämiseksi alustan pintaan nähden kohtisuorassa olevan akselin N ympäri ja, sen seurauksena, näytteen pyörittämiseksi atsi-muuttikulman ympäri. Suihkun poikkeutusjärjestelmä 9 on liitetty ionipyssyyn suihkun poikkeuttamiseksi koh-25 tisuorassa suunnassa suihkun akseliin nähden etsaus-alueen laajentamiseksi. Laitteisto käsittää myös va-rauksenneutraloijan 10 kiinnitettynä tyhjökammioon o näytteenpitimen läheisyyteen elektronien 11 lähettämi en seksi kohti näytettä varautuneista ioneista johtuvan o ^ 30 näytteeseen kerääntyneen varauksen neutraloimiseksi.
° Laitteisto käsittää luonnollisesti myös tavanomaiset x £ ohjausvälineet, jotka eivät ole erityisiä tälle kek- σ> sinnölle eikä niitä siten ole esitetty kuvassa. Esi- ^ merkiksi näytteenkäsittelylaitteeseen voi olla yhdis-
CD
o 35 tettynä virtamittari ionivirran mittaamista varten, ^ joka ionivirta voidaan laskea (integroida) uudelleen 12 ioniannokseksi. Koko laitteistoa ohjataan edullisesti tietokoneella.
Kuvassa 2 näkyy pala alustaa 8, jolle on muodostettu sarja nanolankoja 12. Langan poikkileikkauk-5 sen korkeus h on suurempi tai samaa luokkaa kuin leveys w. Tämä yhdessä asianmukaisesti valittujen proses-simuuttujien kanssa varmistaa, että poikkileikkauksen muoto säilyy olennaisesti muuttumattomana etsauspro-sessiin aikana. Mittakaavaan liittyen on tärkeää huo-10 mata, että havainnollistamistarkoituksessa lankojen pituus on paljon pienempi, kuin se todellisuudessa on. Alusta 8 on tehty edullisesti vähintään osittain johtavasta materiaalista nanolankojen yhdistämiseksi sähköisesti alustan kautta näytteenpitimeen. Maadoittami-15 nen estää varausta kerääntymästä nanorakenteisiin, mikä muuten saattaisi tapahtua pommittavien ionien varauksesta johtuen.
AFM-kuvat 3a ja 3b esittävät alumiinista tehtyä nanolankaa ennen ja jälkeen esillä olevan keksin-20 non mukaisella menetelmässä etsauksen. Kuvista voidaan nähdä, että mittojen pienenemisen lisäksi myös nano-langan pinnan tasaisuus paranee suuresti. Itse asiassa kokeet ovat osoittaneet, että esillä olevalla keksinnöllä voidaan saavuttaa jopa noin 1 nm karheus.
25 On alan ammattilaiselle ilmeistä, että tek niikan kehittyessä keksinnön perusidea voidaan toteuttaa eri tavoin. Keksintöä ja sen toteutusmuotoja ei ^ siten rajoiteta yllä kuvattuihin esimerkkeihin; sen
O
sijaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puit- cp 30 teissä.
00 o
X
cc
CL
CD
O
CO
O
o C\l
Claims (14)
13
1. Ionisuihkuetsausmenetelmä alle 100 nm:n kolmiulotteisten nanorakenteiden prosessointiin, jossa 5 alustalle (8) muodostettua esivalmistettua nanoraken-netta (12) etsataan kolmiulotteisesti pommittamalla nanorakennetta tyhjöolosuhteissa matalaenergisten kes-kimassaisten ionien suihkulla (5) vinossa tulokulmassa (ai) alustaan nähden mahdollisesti samalla pyörittäen 10 nanorakennetta alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin (N) ympäri, tunnettu siitä, että ionien energia massaa kohden on alueella 0,0025 - 0,0225 keV/amu; ja - ionisuihkun (5) tulokulma (a±) suhteessa 15 alustaan (8) on alueella 30 - 50 astetta, edullisesti noin 40 astetta.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ionisuihkuetsausmenetelmä, tunnettu siitä, että esivalmistetun nanorakenteen kunkin osan muotosuhde toteuttaa 20 ehdon —>1, jossa h ja w ovat rakenteen korkeus ja le-w veys vastaavasti.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ionien energia massaa kohden on alueella 0,0100 - 0,0150 keV/amu, edullises- 25 ti noin 0,0125 keV/amu.
4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukai- ^ nen menetelmä, tunnettu siitä, että ionisuihkun , (5) virranvoimakkuus on alueella 10 - 20 μΑ/cm . c? 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukai- o 30 nen menetelmä, tunnettu siitä, että nanorakentee- seen (12) törmäävän ionisuihkun (5) halkaisija on noin CL 10 mm tai enemmän riittävän laajan prosessointialueen CD varmistamiseksi. o
6. Jonkin patenttivaatrmuksista 1-5 mukar- S 35 nen menetelmä, tunnettu siitä, että ionisuihkua (5) poikkeutetaan suhteessa alustaan (8) suunnassa, 14 joka on kohtisuorassa suihkun akseliin (5) nähden pro-sessointialueen laajentamiseksi ja ionivuon voimakkuuden homogeenisuuden prosessointialueella parantamiseksi .
7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukai nen menetelmä, tunnettu siitä, että nanorakenne (12) on sähköisesti maadoitettu näytteen metalliseen, maadoitettuun näytteenpitimeen yhdistävillä bondatuil-la metallilangoilla pommittavan suihkun (5) varautu- 10 neista ioneista johtuvan varauksen kerääntymisen nano-rakenteeseen estämiseksi.
8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alusta (8) on puolijohde- tai metallista materiaalia pommittavan 15 suihkun (5) varautuneista ioneista johtuvan varauksen kerääntymisen nanorakenteeseen estämiseksi.
9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nanorakenteen (12) läheisyyteen tuodaan varauksen neutralisoijalla 20 pilvi lisäelektroneja (11) pommittavan suihkun (5) varautuneista ioneista johtuvan nanorakenteen (12) varautumisen neutraloimiseksi.
10. Ionisuihkuetsauslaitteisto (1) alle 100 nm:n kokoisten, alustalle (8) muodostettujen esival- 25 mistettujen nanorakenteiden (12) kolmiulotteiseen etsaukseen ionisuihkulla, joka laitteisto käsittää tyhjö kammion (2), näytteenkäsittelylaitteen (6) kiinni-^ tettynä tyhjökammioon, näytteenkäsittelylaitteeseen O ^ kuuluessa näytteenpitimen (7) nanorakenteen kiinnittä- o 30 miseksr sille, ja ionisuihkulähteen (4) järjestettynä o lähettämään matalaenergisten keskimassaisten ionien g suihku (5) kohti näytteenpidintä vinossa tulokulmassa CL (ai) suhteessa näytteenpitimelle asetettuun alustaan, σ> jossa laitteistossa näytteenkäsittelylaite (6) voi o g 35 pyörittää näytteenpidintä (7) näytteenpitimelle ase- ° tettuun alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin (N) ympäri, tunnettu siitä, että 15 ionisuihkulähde (4) voi lähettää ioneja, joilla on energia massaa kohden alueella 0,0025 0,0225 keV/amu; ja - ionisuihkun tulokulma (a±) suhteessa näyt-5 teenpitimelle (7) asetettuun alustaan (8) on alueella 30 - 50 astetta, edullisesti noin 40 astetta.
11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laitteisto (1), tunnettu siitä, että ionisuihkulähde (4) voi tuottaa ionisuihkun (5) virranvoimakkuuden, joka 10 on alueella 10 -20 μΑ/cm2.
12. Patenttivaatimuksen 11 tai 10 mukainen laitteisto (1), tunnettu siitä, että ionisuihkulähde (4) voi tuottaa ionisuihkun (5), jonka halkaisija on vähintään 10 mm näytteenpitimen kohdalla riittä- 15 vän laajan prosessointialueen varmistamiseksi.
13. Jonkin patenttivaatimuksista 10 - 12 mukainen laitteisto (1), tunnettu siitä, että laitteisto (1) käsittää välineet (9) ionisuihkun (5) poik-keuttamiseksi suhteessa näytteenpitimeen kulmassa, jo- 20 ka on kohtisuorassa suihkun akseliin (5) prosessointi-alueen laajentamiseksi ja ionivuon voimakkuuden homogeenisuuden prosessointialueella parantamiseksi.
14. Jonkin patenttivaatimuksista 10 -13 mu kainen laitteisto (1), tunnettu siitä, että lait- 25 teisto (1) käsittää varauksen neutralisoijan (10) pilven lisäelektroneja (11) tuomiseksi näytteenpitimen (7) läheisyyteen pommittavan ionisuihkun (5) varautu- ·>- neista ioneista johtuvan nanorakenteen (12) varautumien J ^ sen neutraloimiseksi. o 30 00 o X en CL O) o CD O O (M 16
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20060719A FI122010B (fi) | 2006-08-09 | 2006-08-09 | Ionisuihkuetsausmenetelmä ja -laitteisto |
| PCT/FI2007/050440 WO2008017733A1 (en) | 2006-08-09 | 2007-08-09 | Ion beam etching method and ion beam etching apparatus |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20060719A FI122010B (fi) | 2006-08-09 | 2006-08-09 | Ionisuihkuetsausmenetelmä ja -laitteisto |
| FI20060719 | 2006-08-09 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20060719A0 FI20060719A0 (fi) | 2006-08-09 |
| FI20060719A FI20060719A (fi) | 2008-02-10 |
| FI122010B true FI122010B (fi) | 2011-07-15 |
Family
ID=36950625
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20060719A FI122010B (fi) | 2006-08-09 | 2006-08-09 | Ionisuihkuetsausmenetelmä ja -laitteisto |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FI (1) | FI122010B (fi) |
| WO (1) | WO2008017733A1 (fi) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2585010C1 (ru) * | 2014-12-12 | 2016-05-27 | Антон Борисович Архипов | Установка для двусторонней финишной обработки поверхности интраокулярных линз |
| EP3809447A1 (en) * | 2019-10-18 | 2021-04-21 | FEI Company | Method for large-area 3d analysis of samples using glancing incidence fib milling |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5856332A (ja) * | 1981-09-30 | 1983-04-04 | Hitachi Ltd | マスクの欠陥修正方法 |
| US5599749A (en) * | 1994-10-21 | 1997-02-04 | Yamaha Corporation | Manufacture of micro electron emitter |
| RU2173003C2 (ru) * | 1999-11-25 | 2001-08-27 | Септре Электроникс Лимитед | Способ образования кремниевой наноструктуры, решетки кремниевых квантовых проводков и основанных на них устройств |
-
2006
- 2006-08-09 FI FI20060719A patent/FI122010B/fi not_active IP Right Cessation
-
2007
- 2007-08-09 WO PCT/FI2007/050440 patent/WO2008017733A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2008017733A1 (en) | 2008-02-14 |
| FI20060719A (fi) | 2008-02-10 |
| FI20060719A0 (fi) | 2006-08-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3816484B2 (ja) | ドライエッチング方法 | |
| EP1918963B1 (en) | Charged particle beam processing using a cluster source | |
| Pratontep et al. | Size-selected cluster beam source based on radio frequency magnetron plasma sputtering and gas condensation | |
| Aumayr et al. | Potential sputtering | |
| JP5600371B2 (ja) | 荷電粒子ビーム処理のための保護層のスパッタリング・コーティング | |
| US20090071818A1 (en) | Film deposition apparatus and method of film deposition | |
| US8889245B2 (en) | Three-dimensional nanostructures and method for fabricating the same | |
| Hofsäss et al. | Surfactant sputtering | |
| Ocola et al. | High-resolution direct-write patterning using focused ion beams | |
| Ritter et al. | Pit formation on poly (methyl methacrylate) due to ablation induced by individual slow highly charged ion impact | |
| KR100445105B1 (ko) | 가스 클러스터 이온빔을 이용한 아이.티.오 박막 표면처리시스템 및 그 방법 | |
| JP2016509263A (ja) | 基板処理方法における欠陥削減 | |
| El-Said et al. | Pyramidal pits created by single highly charged ions in BaF 2 single crystals | |
| FI122010B (fi) | Ionisuihkuetsausmenetelmä ja -laitteisto | |
| Xu et al. | Etching of glass, silicon, and silicon dioxide using negative ionic liquid ion sources | |
| Delcorte | Organic surfaces excited by low-energy ions: atomic collisions, molecular desorption and buckminsterfullerenes | |
| EP2263248B1 (en) | Gas field ion source with coated tip | |
| JP2003522710A (ja) | ダイヤモンド表面の処理方法および対応するダイヤモンド表面 | |
| Skopinski et al. | Velocity distributions of particles sputtered from supported two-dimensional MoS 2 during highly charged ion irradiation | |
| Allen et al. | Transport of multiply and highly charged ions through nanoscale apertures in silicon nitride membranes | |
| JP4006531B2 (ja) | イオンビームによる表面処理方法および表面処理装置 | |
| Takaoka et al. | Micro-patterning of Si (100) surfaces by ethanol cluster ion beams | |
| Ichiki | Study on size effect of cluster ion beam irradiation | |
| Ichiki et al. | The effects of cluster size on sputtering and surface smoothing of PMMA with gas cluster ion beams | |
| Seki et al. | Surface processing with high-energy gas cluster ion beams |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: ARUTYUNOV Free format text: ARUTYUNOV |
|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 122010 Country of ref document: FI |
|
| MM | Patent lapsed |