Kim, H.-B. (2007). Design, simulation and fabrication of micro/nano functional structures using ion beams [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/183189
Focused ion beam/Simulation/Nanofabrication/Level set
en
Abstract:
Fokussierte Ionenstrahlen sind ein potentielles Werkzeug zur Herstellung von Mikro/Nano-Strukturen, wobei jedoch noch einige Probleme zu lösen sind. Die direkte Strukturherstellung hat unter den Redepositionsflüssen gelitten, die durch den Sputter-Prozess erzeugt werden. Diese Redeposition limitiert die präzise Herstellung von funktionalen Mikro/Nano-Strukturen. Die Herausforderung liegt in der genauen Kontrolle des fokussierten Ionenstrahls um beliebig geformte Kurvenformen herzustellen. Dafür sind neue Techniken und Ansätze erforderlich. In dieser Dissertation wurde die direkte Strukturherstellung mittels fokussiertem Ionenstrahl auf der Grundlage eines physikalischen Modells für die Entwicklung neu aufkommender Anwendungen simuliert. Der erste Simulationscode basiert auf der String-Methode, für zwei und drei Dimensionen, welche aber limitiert ist, wenn Oberflächen während der Simulation zusammengefügt oder getrennt werden. Das Zusammenfügen und Trennen der Oberflächen wird durch die Einführung der Level-Set-Methode behandelt. Die Level-Set-Methode wird seit kurzem in der Simulation von Ätzen, Abscheidung und photolithographischen Prozessen in der Halbleiterherstellung eingesetzt, weil es eine äußerst stabile und genaue numerische Methode ist um die Bewegung von Oberflächen zu verfolgen. Simulationen von fokussiertem Ionenstrahl und Plasma-Ionen-Zerstäubung wurden durchgeführt und mit experimentellen Untersuchungen verglichen. Darüber hinaus demonstriert diese Dissertation die Nützlichkeit des entwickelten Simulationsprogramms für das Design von Direktherstellung mittels fokussiertem Ionenstrahl von funktionalen Strukturen im Mikro/Nano-Bereich. Als erstes Beispiel wurde ein Beugungsgitter auf einem Silizium-Substrat gewählt. Das ist der erste auf Prozess-Simulation basierende Ansatz zur Optimierung dieser Strukturen. Als zweite Anwendung wird eine Methode zur Herstellung von Nano-Strömungskanälen präsentiert. Die Form und die Abmessungen des Querschnitts der Kanäle kann einfach durch Variation der Prozessparameter verändert werden. Diese Methode bietet einen Ein-Schritt-Prozess zur Herstellung von Gräben mit automatischer Versiegelung im Mikro/Nano-Bereich. Sowohl Kanäle als auch Kanal-Felder mit einer Breite von Zehntel bis Hundertstel Nanometer können durch die Verwendung von Silizium als Kanal-Substrat hergestellt werden.
de
Focused ion beams are a potential tool for micro/nano structure fabrication while several problems still have to be overcome. Ion beam induced direct fabrication has suffered from redeposition fluxes that are generated during sputter process by nature. Redeposition limits the accurate fabrication of micro/nano functional structures. The challenge lies in accurately controlling the focused ion beam to fabricate various arbitrary curved shapes. Therefore, new techniques and approaches are necessary. In this dissertation, ion beam induced direct fabrication was simulated with a physical model for the purpose of developing emerging applications. The first simulation code is based on string methods for two and three dimensions, but it has limitations when surfaces are merged and separated during simulation. The surface merge and separation are naturally treated by introducing the level set method. The level set method has recently become popular in the simulation of etching, deposition and photolithography processes in semiconductor manufacturing, as it is a highly robust and accurate computational technique for tracking moving interfaces. Simulations for focused ion beam and plasma ion milling process were performed and compared with experimental investigations. In addition, this dissertation demonstrates the usefulness of the developed simulation program in the design of focused ion beam direct fabrication of functional structures in the micro/nano scale. As a first example, blazed diffractive gratings on a silicon substrate are chosen. This is the first process simulation based approach to optimize these structures. As the second application, a method is presented for nanofluidic channel fabrication. The shape and dimensions of the channel cross-section are readily changeable by varying the process parameters. This method provides a one step process for trench formation with automatic sealing in the micro-/nano range.<br />Channels as well as channel arrays, from hundreds to tens of nanometers wide, can be fabricated by using silicon as a channel substrate. This method is advantageous because of high accuracy and simplicity of the process.<br />