Combining Focused Ion Beam Patterning and Atomic Layer Deposition for Nanofabrication

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4379-2
Julkaisun nimi: Combining Focused Ion Beam Patterning and Atomic Layer Deposition for Nanofabrication
Tekijä: Han, Zhongmei
Tiivistelmä: For nanofabrication of silicon based structures, focused ion beam (FIB) milling is a top-down approach mainly used for prototyping sub-micron devices, while atomic layer deposition (ALD) is a bottom-up approach for depositing functional thin films with excellent conformality and a nanometer level accuracy in controlling film thicknesses. Combining the strengths of FIB milling with ALD provides new opportunities for making 3D nanostructures. In FIB milled silicon, the gallium implanted surface suffers from segregation and roughening upon heating, which makes the thermal stability of the as-milled substrate a concern for the following ALD processes which are typically performed at temperatures of 150 ℃ and higher. This study aimed to explore methods for improving the thermal stability of FIB milled silicon structures for the following ALD processes. The other aim was to fabricate nanostructures by alternately using FIB milling and ALD approaches on silicon and oxide thin film materials. The experiments were started on the reduction of gallium implantation during FIB milling of silicon substrates using different incident angles. Oblique incidence of the ion beam was found an effective method for improving the thermal stability of the FIB milled silicon surfaces by decreasing their gallium content. The improved thermal stability allowed to apply ALD Al2O3 on the FIB milled surfaces to make nanotrenches. Wet etching in KOH/H2O2 was found as a second method for improving the thermal stability by removing the gallium implanted silicon layer. ALD Al2O3 thin films can be applied as milling masks to limit amorphization of silicon upon FIB milling. With the aid of KOH/H2O2 etching, nanopore arrays, nanotrenches and nanochannels were fabricated. ALD grown Al2O3/Ta2O5/Al2O3 multilayers were FIB milled and wet etched to form both 2D and 3D hard masks. The fabricated 2D masks were used for making metal structures which are applicable for electrical connections. Thin film resistors were also fabricated using this 2D mask system. In conclusion, this study illustrates that combining FIB patterning and ALD is feasible for 3D nanofabrication when the stability of FIB milled surfaces is considered and improved.Fokusoidut ionisuihkut (Focused Ion Beam, FIB) soveltuvat erilaisten materiaalien muokkaukseen mikro- ja nanomittakaavassa. FIB-työstöä on käytetty paljon piille valmistetun mikroelektroniikan materiaalien tutkimuksessa ja prototyyppien valmistuksessa. Atomikerroskasvatus (Atomic Layer Deposition, ALD) on ohutkalvojen valmistusmenetelmä, jossa kasvavan kalvon paksuus voidaan kontrolloida alle atomikerroksen tarkkuudella. ALD on nykyään erittäin tärkeä mikroelektroniikan valmistusmenetelmä. Etenkin hyvin ohuiden oksidieristeiden, kuten Al2O3:n, valmistuksessa se on nykyään lähes ainoa tapa luotettavasti peittää mikropiirien monimutkaiset nanomittakaavan rakenteet. FIB- ja ALD-menetelmien yhdistämisellä voidaan saavuttaa hyvin runsas kirjo erilaisia nanorakenteita. FIB-työstössä materiaaliin implantoituva gallium voi kuitenkin aiheuttaa ongelmia, kuten erkautumista ja pinnan karkeutumista, kun työstetty materiaali kuumennetaan ALD-kasvatuksissa 150 ℃ tai korkeampaan lämpötilaan. Tässä työssä on tutkittu erilaisia tapoja FIB-työstetyn piin termisen stabiilisuuden parantamiseksi, jotta rakenteet olisivat helpommin käytettävissä ALD-kalvojen kasvatusalustoina. Lisäksi valmistettiin useita eri tyyppisiä rakenteita tutkittuja menetelmiä yhdistämällä. Tutkimuksessa havaittiin, että ionisuihkun tulokulmaa muuttamalla pystyttiin vaikuttamaan voimakkaasti implantoituvan galliumin määrään, mikä selvästi paransi valmistettujen rakenteiden lämmönkestävyyttä. Näin valmistettuja railoja pystytään pinnoittamaan hallitusti, ja niitä voidaan kaventaa ALD-pinnoitteiden avulla erittäin tarkasti. Kemiallisessa etsauksessa pintoja muokataan hitaalla hallitulla syövytyksellä. Etsausvaiheita käytettiin sekä FIB-työstettyjen pintojen puhdistamiseen että rakenteiden valmistuksessa. Työssä kehitettiin KOH:H2O2 etsantti galliumilla kontaminoituneen piikerroksen poistamiseksi, jolloin pinta soveltui paremmin ALD-kasvatuksiin käytetystä ionien tulokulmasta riippumatta. Nanomittakaavassa implantoitujen alueiden poistoa voitiin myös käyttää nanorakenteiden valmistukseen. Kasvattamalla ALD-kalvoja ennen ionisuihkulla kuviointia piin kontaminoituminen ja vaurioituminen voidaan estää täydellisesti. ALD-pinnoitteet soveltuvat hyvin myös kuvioitavaksi maskikerrokseksi. Kolmikerroksinen Al2O3/Ta2O5/Al2O3 –maskipinnoite toimii hyvin kaksiulotteisten johdekuvioiden valmistuksessa, ja ALD:n täydellisen pinnanpeittokyvyn ja FIB-työstön tarkan asemoinnin ansiosta voidaan tehdä myös kolmiulotteisia maskeja pinnalla olevien rakenteiden päälle. Näin voidaan kuvioida rakenteita esimerkiksi yksittäisen mikropartikkelin tai nanokuidun pinnalle. Työ osoitti, että FIB- ja ALD-menetelmät ovat hyvin yhdistettävissä. Yhdessä kemiallisen etsauksen kanssa voidaan valmistaa hyvin runsaasti erilaisia 2D- ja 3D- rakenteita – käytännössä lähinnä mielikuvitus on rajana.
URI: http://hdl.handle.net/10138/239251
URN:ISBN:978-951-51-4379-2
Päiväys: 2018-08-28


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Combinin.pdf 5.910MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot