3D Simulation of Sputter Etching with the Monte-Carlo Approach

3D Simulation des Zerstäubungsätzens mittels der Monte-Carlo Methode

  • Sputtering as physical process is frequently used for structuring in technology. A typical example is focused ion beam (FIB) milling with which submicron-sized structures can be produced out of an arbitrary material without the requirement of lithography. As a second prominent example, sputtering is used to sharpen the tip of field emitter of field emitter arrays. For all these processes, simulation of the topography changes due to sputtering can be very useful to understand and optimize them. A key part of this work is the integration of the Monte-Carlo ion implantation simulator MC_SIM into the 3-D topography simulator ANETCH. This way, ANETCH is now able to simulate topography changes dueSputtering as physical process is frequently used for structuring in technology. A typical example is focused ion beam (FIB) milling with which submicron-sized structures can be produced out of an arbitrary material without the requirement of lithography. As a second prominent example, sputtering is used to sharpen the tip of field emitter of field emitter arrays. For all these processes, simulation of the topography changes due to sputtering can be very useful to understand and optimize them. A key part of this work is the integration of the Monte-Carlo ion implantation simulator MC_SIM into the 3-D topography simulator ANETCH. This way, ANETCH is now able to simulate topography changes due to sputtering for a wide range of ion/target combinations without a-priori knowledge about the respective yield from experiments. Although the models used in Monte-Carlo programs are usually accurate enough for simulating ion implantation profiles, this is not necessarily true for sputtering. In particular, to improve the accuracy of the simulations, a modification of the electronic stopping model in MC_SIM is suggested. Another limitation of Monte-Carlo programs is that they consider only planar surfaces. In the implementation performed in this work, the full surface topography provided by ANETCH was taken into account to calculate sputtering. This is particularly important at corners where sputtering may occur even when the respective surface segment is not exposed to the ion beam. Using the implementation of MC_SIM into ANETCH, characteristic features of sputtering were investigated. The most important ones occurring particularly during FIB processing are the formation of sloped side walls and an increase of the etch rate at the bottom of trenches close to the side walls known as microtrenching. The main influencing factors determining the slopes of the side walls like redeposition, the spatial distribution of the ion fluence, and the angular dependence of the sputtering yield are discussed in detail. Microtrenching was found to depend particularly on the reflection of the ions at the side walls. A comparison with the often found assumption of a specular reflection of ions at sloped side walls indicates that the ions are in reality reflected further away from the side walls which leads to a less pronounced but spatially more extended microtrenching than predicted by the simple assumption of specular reflection. Important for the sharpening of tips is also the side-wall propagation at a steep step due to a uniform ion irradiation. Simulations with ANETCH were able to reproduce this phenomenon and an analytical model was developed that explains the slope of the side wall. To validate the implementation of the integration of MC_SIM into ANETCH, the topographies of trenches fabricated by FIB milling with different currents were compared to the respective simulations. Good agreement was found and the experiments as well as the simulations showed that microtrenching is reduced and eventually vanishes for higher beam currents because of the more pronounced spreading of the beam. Finally, to validate the dependence of the sputtering yield on the angle of incidence, dedicated FIB experiments were designed first by simulations. A comparison of the respective experimental results to simulations confirmed the suitability of the model particularly for FIB processing.show moreshow less
  • Für die Herstellung kleinster Strukturen in unterschiedlichen Materialien findet häufig das Zerstäubungsätzen (Sputtern) Anwendung. Ein typisches Beispiel ist das fokussierte Ionenstrahlätzen, mit dem verschiedenste Materialien strukturiert werden können, ohne dass ein Lithographieschritt nötig ist. Eine weitere Anwendung findet das Zerstäubungsätzen bei der Herstellung von Spitzen für Feldemissionskathoden. Um diese Herstellungsprozesse weiter zu verbessern, können Simulationen des Zerstäubungsätzens hilfreich sein. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Integration des Monte-Carlo Implantationsprogramms MC_SIM in das 3D Topographieprogramm ANETCH. Mit dem erweiterten ANETCH können für eiFür die Herstellung kleinster Strukturen in unterschiedlichen Materialien findet häufig das Zerstäubungsätzen (Sputtern) Anwendung. Ein typisches Beispiel ist das fokussierte Ionenstrahlätzen, mit dem verschiedenste Materialien strukturiert werden können, ohne dass ein Lithographieschritt nötig ist. Eine weitere Anwendung findet das Zerstäubungsätzen bei der Herstellung von Spitzen für Feldemissionskathoden. Um diese Herstellungsprozesse weiter zu verbessern, können Simulationen des Zerstäubungsätzens hilfreich sein. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Integration des Monte-Carlo Implantationsprogramms MC_SIM in das 3D Topographieprogramm ANETCH. Mit dem erweiterten ANETCH können für eine große Anzahl von Materialien/Ionen Kombinationen Topographieänderungen berechnet werden, ohne das Informationen über die Zerstäubungsausbeute notwendig sind. Obwohl Monte-Carlo Programme, wie MC_SIM, Implantationsprofile mit hinreichender Genauigkeit berechnen, wurden einige Anpassungen an MC_SIM vorgenommen, um die Berechnung der Zerstäubungsausbeute weiter zu optimieren. Eine wichtige Verbesserung war dabei die Modifikation der elektronischen Abbremsung. Als weitere Veränderung wird nun die komplette Oberfläche, wie sie in ANETCH verwendet wird, auch für die Berechnung der Zerstäubungsausbeute benutzt, statt wie bisher üblich, eine ebene Oberfläche anzunehmen. An Kanten wird der Unterschied zum bisherigen Verfahren besonders deutlich, da auch Stellen abgetragen werden können, die nicht direkt von Ionen getroffen werden. Mit dem neuen Programm, das durch die Integration von MC_SIM in ANETCH entstanden ist, wurden charakteristische Eigenschaften des Zerstäubungsätzens analysiert. Besonders markant beim fokussierten Ionenstrahlätzen ist die Ausbildung von geneigten Seitenwänden und eine Erhöhung der Ätzrate am Grabenboden in der Nähe der Seitenwände, die als Microtrenching bekannt ist. Die Schräge der Seitenwände wird hauptsächlich beeinflusst von der Wiederanlagerung zerstäubter Atome, der räumlichen Verteilung der Fluenz und der Winkelabhängigkeit der Zerstäubungsausbeute. Diese Abhängigkeiten wurden gezielt untersucht. Microtrenching hängt neben der Seitenwandneigung vor allem von der Reflektion der Ionen ab, wobei häufig eine Spiegelung der Ionen an der Seitenwand angenommen wird. Untersuchungen zeigten, dass Ionen weiter von der Seitenwand weg reflektiert werden, als es durch Spiegelung der Fall wäre. Dadurch ist das Microtrenching geringer ausgeprägt aber dafür breiter. Für das Verständnis des Herstellungsprozesses von Spitzen bei Feldemissionskathoden ist die Untersuchung der Ausbreitung einer steilen Seitenwand unter gleichförmigem Ionenbeschuß gut geeignet. Simulationen mit dem erweiterten ANETCH zeigten die Ausbreitung der steilen Seitenwände. Weiterhin wurde ein analytisches Modell entwickelt, das die Neigung der Seitenwand erklärt. Um die Ergebnisse des Simulationsprogramms zu verifizieren, wurden Experimente durchgeführt, bei denen Gräben mit fokussierten Ionenstrahlen und unterschiedlichen Strömen hergestellt wurden. Der Vergleich mit entsprechenden Simulationen ergab eine gute Übereinstimmung und zeigte, dass Microtrenching bei höheren Strahlströmen nachläßt bis es nicht mehr auftritt. Der Grund hierfür ist die Verbreiterung des Ionenstrahls bei hohen Strömen. Um die Abhängigkeit der Zerstäubungsausbeute vom Einfallswinkel zu verifizieren, wurden Experimente entworfen und mit Simulationen optimiert. Der Vergleich zwischen Experimenten und Simulationen ergab eine gute Übereinstimmung und zeigte die gute Anwendbarkeit des Programms, insbesondere für Prozesse des fokussierten Ionenstrahlätzens.show moreshow less

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Metadaten
Author:Daniel Kunder
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-22987
Advisor:Peter Pichler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/02/04
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2010/12/16
Release Date:2011/02/04
Tag:Fokusierte Ionenstrahlen
Focused Ion Beam; Monte-Carlo-Simulation; Simulation; Sputter etching
SWD-Keyword:Computersimulation; Monte-Carlo-Simulation; Sputtern
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $