Räumliche Winkelverteilung von gesputterten und rückgestreuten Atomen bei der Ionenbestrahlung unter streifenden Winkeln
Final Report Abstract
Es gibt zwei wichtige Anwendungen der lonenzerstäubung (im Englischen wird der Begriff „sputtering" verwendet) bei welchen die Winkelabhängigkeit der Zerstäubungsausbeute und die Winkel Verteilung der bei der Zerstäubung emittierten Atome eine entscheidende Rolle spielen. Feinfokusionen strahlanlagen („Focused Ion Beam", FIB) strukturieren das Material mit einem Auflösungsvermögen im Nanometerbereich. Mit Hilfe energiereicher Ionen werden Atome des zu bearbeitenden Materials aus dem Festkörper geschlagen. Elektrostatische Linsen fokussieren dabei den lonenstrahl. Durch eine zeilenweise Abrasterung der Oberfläche können auf diese Weise nahezu beliebige Strukturen gefertigt werden. Eine zweite Anwendung ergibt sich aus einer Problemstellung in der Ionenimplantationstechnik. Viele lonenimplantationsanlagen arbeiten mit Massenseparatoren zur Filterung unerwünschter lonensorten. Trotzdem ist ein Problem bei Implantationen für Halbleiterbauelemente die Kontamination des zu implantierenden Festkörpers mit Bestandteilen der lonenimplantalionsanlage. Grund ist die Zerstäubung an Innenwänden der Anlagen welche aus Edelstahl bestehen. Gerade metallische Elemente beeinflussen die Eigenschaften der erzeugten Implantationen erheblich. In beiden Anwendungen ist besonders der Zerstäubungsprozess bei flachen loneneinfallswinkeln von Interesse. Zum Beispiel ist die Neigung der Wände der mit einem fokussierten lonenstrahl erzeugten Gräben durch Winkelabhängigkeiten ionenzerstäubter Atome bestimmt. Im Idealfall erwartet man beim Grabenätzen mit einem fokussierten lonenstrahl absolut scharfe Wände senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche. In der Realität sind die Grabenwände immer etwas geneigt, so dass mit größer werdender Tiefe des Grabens die Breite des Grabens immer kleiner wird und ab einer kritischen Tiefe die Seitenwände des Grabens aufeinander treffen. Um die zeitliche Entwicklung der Form der mit dem lonenstrahl geätzten Strukturen zu beschreiben, muss man die Abhängigkeit der Zerstäubungsausbeute vom Einfallswinkel und die Winkelverteilung der bei der Zerstäubung emittierten Atome kennen. Die Zerstäubungsausbeute bestimmt die Abtragung des Materials und die Winkelverteilung der emittierten Atome bestimmt, wo die Atome wieder auf die Oberfläche abgeschieden werden. Zum Zeitpunkt der Antragstellung gab es fast keine Literatur zur Untersuchung des Zerstäubungsprozesses bei stark geneigtem loneneinfall auf die Oberfläche. Da Silicium und Germanium die am meisten verbreiteten Halbleitermaterialien in der Mikro- und Nanoelektronik sind, wurden diese Materialien zur Untersuchung ihrer Zerstäubung gewählt. Im Laufe des Projekts wurden die Winkelverteilungen der abgetragenen Atome von Sihcium und Germanium bei der Zerstäubung mit Ionen von Gallium, Argon und Stickstoff experimentell untersucht. Um eine physikalische Interpretation der Ergebnisse der Experimente zu ermöglichen, wurde der Zerstäubungsprozess mit Hilfe eines am Lehrstuhl entwickelten Monte-Carlo Programms [1] (im Folgenden als „MC_SIM" bezeichnet) simuliert. Zu Beginn des Projekts gab es deutliche Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Monte-Carlo Simulationen und den experimentellen Messungen. Im Laufe des Projekts wurden die physikalischen Modelle der zwischenatomaren Wechselwirkung im Monte-Carlo Programm in vielen Punkten verbessert, so dass zum Ende des Projekts sowohl eine gute Wiedergabe der experimentell gemessenen Winkel Verteilungen als auch der Zerstäubungsausbeuten erreicht wurde. Mit dem im Projekt verbesserten und durch Vergleich mit mehreren experimentellen Messungen verifizierten Monte-Carlo Programm lassen sich Zerstäubungsaus beuten und Winkel Verteilungen der emittierten Atome für eine breite Palette der Zerstäubungsbedingungen berechnen. Da der Rechenaufwand bei Monte-Carlo-basierten Simulationen mit Berücksichtigung aller möglichen atomaren KoUisionskaskaden beträchtUch (bis zu einigen Tagen) sein kann, wurde der Rechenalgorithmus des Monte-Carlo Programms speziell für die Simulation des Zerstäubungsprozesses optimiert und in dieser Weise eine Beschleunigung der Rechengeschwindigkeit um ein Faktor 5 bis 10 erreicht. Für die kompakte ModeUierung der mit dem Monte-Carlo Programm gerechneten Winkelverteilungen wurde im Projekt ein neues analytisches Modell für die Beschreibung der Winkelverteilungen vorgeschlagen, welches auch für den streifenden loneneinfaU gültig ist. Das Modell ist auch auf die dreidimensionale Simulation des Zerstäubungsprozesses anwendbar. Der bereits erwähnte Fall der lonenzerstäubung an Innenwänden von Implantationsanlagen wurde anhand eines Versuches untersucht. Ionen wurden in ein Kupferrohr eingestrahlt und das am Rohrausgang aufgesammelte Kupfer wurde analysiert. Die Experimente konnten eine deutliche Verunreinigung des lonenstrahls mit herausgeschlagenen Atomen bestätigen. Durch die gewählte Geometrie des Versuches konnten Simulationen mit einem dreidimensionalen Ätzsimulator durchgeführt werden. Das am IISB entwickelte Programm basiert auf der Integration des Programms MC_SIM in einen Ätzsimulator. Die durchgeführten Simulationen konnten experimentelle Ergebnisse bestätigen. Damit konnte die Grundlage für weitere Untersuchungen geschaffen werden. Die Ergebnisse dieses Projektes können in anwendungsbezogenen Projekten weitergeführt werden. Eine der möglichen Anwendungen ist die Anpassung und Nutzung der Software für die Simulation von FIB-Prozessen und Plasmaätzem. Ein am IISB entwickeltes Ätzprogramm konnte bereits mit dem Monte-Carlo Programm gekoppelt werden. Hier sind noch weitere Arbeiten nötig, um beispielsweise den Ätzprozess anderer Materialien richtig beschreiben zu können. Auch bei der Plasmaimmersionsionenimplantation beeinflusst die lonenzerstäubung die Konzentration der implantierten Atome. Bei Implantation in lateral strukturierten Materialien ist die Redeposition dort ebenfalls von Bedeutung. Weiterhin kann auf der Grundlage des im Projekt weiterentwickelten Programms MC_SIM eine Simulationsmethode für die Berechnung der Verfälschungen der Messsignale bei der SIMS-Analyse durch die lonenzerstäubung entwickelt werden. Dabei muss ein zusätzliches Modell für die Ionisierung der bei der Zerstäubung emittierter Atome implementiert und berücksichtigt werden. Des Weiteren kann mit Hilfe der im Projekt entwickelten Programme und Modelle eine Evaluierung der ultimativen Auflösung des FIB-Prozesses für die Nanoelektronik durchgeführt werden. Die Ergebnisse des Projekts liefern auch die Ausgangsdaten und physikalische Modelle für die Evaluierung der Kontamination des zu implantierenden Materials durch die Zerstäubung an Wänden von lonenimplantationsanlagen.
Publications
- „TXRF as a sensitive analysis method for the investigation of sputtering processes", Vortrag im Rahmen der Konferenz TXRF 2007 (18.-22.6.2007, Trento, Italien)
M. Sekowski, C. Steen, A. Nutsch, E. Birnbaum, A. Burenkov, P. Pichler
- „A-ngular Distributions of Sputtered Atoms from Semiconductor Targets at Grazing Ion Beam Incidence Angles", AIP Conf Proc, Vol. 1066, pp.236 - 239 (2008)
M. Sekowski, A. Burenkov, J. Hemandez-Mangas, A. Martinez-Li mi a, H. Ryssel
- „Angular Distributions of Sputtered Atoms from Semiconductor Targets at Grazing Ion Beam Incidence Angles", Posterbeitrag im Rahmen der Konferenz IIT2008 (8.-13.6.2008, Monterey CA, USA)
M. Sekowski, A. Burenkov, J. Hemandez-Mangas, A. Martinez-Limia, H. Ryssel
- „TXRF as a sensitive analysis method for the investigation of sputtering processes", Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, Vol. 63, pp. 1382 - 1386 (2008)
M. Sekowski, C. Steen, A. Nutsch, E. Birnbaum, A. Burenkov, P Pichler
- „2D angular distributions of ion sputtered germanium atoms under grazing ion incidence", Microelectron. Eng. (2009)
M. Sekowski, A. Burenkov, H. Ryssel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mee.2009.11.068) - „2D angular distributions of ion sputtered germanium atoms under grazing ion incidence", Posterbeitrag im Rahmen der Konferenz MNE 2009 (28.09.-01.10.2009, Ghent, Belgien)
M. Sekowski, A. Burenkov, H. Ryssel
- „Simulation of focused ion beam etching by coupling a topography simulator and a monte-carlo sputtering yield simulator", Microelectron. Eng. (2009)
D. Kunder, E. Bär, M. Sekowski, P. Pichler, M. Rommel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mee.2009.11.007)
