Abtragsverhalten von Einkristallen und Strukturierung von Siliziumnitrid-Membranen mittels Fokussiertem Ionenstrahl

Abstract

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse quantitativer Untersuchungen des Sputter-Yields präsentiert. Die Sputter-Yield-Werte werden mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB) und 30 keV Ga+-Ionen für verschiedene Materialen und beliebige Einfallswinkel bestimmt dank Anwendung einer neuen, im Rahmen dieser Arbeit ausgearbeiteten in situ Methode. Diese Methode und der entsprechende Messaufbau erlauben die genaue geometrische Bestimmung des Materialabtrags. So wurde bei senkrechtem Ioneneinfall der gemittelte Sputter-Yield für polykristallines Permalloy und Kobalt sowie für Silizium(001) und Galliumarsenid(001) erhalten. Die Abhängigkeit des Sputter-Yields von der Kristallorientierung wurde für ebene Einkristalle aus Eisen und Wolfram und für zylinderförmige Einkristalle aus Blei, Nickel und Vanadium gemessen. Dabei wurden ausgeprägte Minima und Maxima des Yields beobachtet; der Sputter-Yield als Funktion des Winkels zwischen Galliumstrahl und Kristallorientierung weist Größenunterschiede bis um den Faktor 10 auf. Die Minima können niedrigindizierten kristallographischen Richtungen zugeordnet und mit dem Kanalisieren (Channeling) der Ga+-Ionen erklärt werden. Der Vergleich der Messdaten mit SRIM-simulierten Werten für amorphe Materialien zeigt, dass letztere nur für Kristallrichtungen ohne Channeling eingesetzt werden dürfen. Für Blei wurden deutlich höhere Yield-Werte gemessen als die Simulation liefert. Dies wird auf Hitzespikes zurückgeführt. Bemerkenswerterweise erlaubt der erhöhte Sputter-Yield in diesem Fall die Ausbildung von Gallium-Nanotropfen und Pyramiden auf der Bleioberfläche. Die experimentellen Ergebnisse für den winkelabhängigen Sputter-Yield werden mit der Channeling-Theorie von Onderdelinden sowie mit einem um das Channeling erweiterten Transparenz-Modell verglichen. Für alle untersuchten Kristalle mit Ausnahme von Vanadium wird für beide Näherungen gute Übereinstimmung zwischen modellierten und experimentellen Daten erreicht. Die Abweichungen bei Vanadium können durch die Annahme einer erhöhten Amorphisierung der Probe erklärt werden. Der zweite Teil der Arbeit ist der Strukturierung von Siliziumnitrid-Membranen mit Hilfe des FIB gewidmet. Angestrebt wird die Erschaffung hochsensibler Mikrocantilever, welche Teil magnetischer, elektrischer oder anderer Sensoren werden könnten. Das Verhalten dünner Si3N4-Filme und die Änderungen ihrer Eigenschaften unter Einfluss des Ionenstrahls werden studiert. Mit diesen Kenntnissen gelingt die Kontrolle über Richtung und Grad der Verbiegung ausgeschnittener Strukturen. Es wird eine bis jetzt einzigartige Methode zur Herstellung von SiN-Cantilevern vorgestellt, die eine Vorstrukturierung und das eigentliche Ausschneiden mit dem fokussiertem Ionenstrahl beinhaltet. So wurden streifenförmige, aufgerollte, hängemattenähnliche und andere Cantilever hergestellt; einige davon wurden in einen speziell entwickelten Kondensator-Aufbau integriert. Die Auslenkung dieser Cantilever wurde als Funktion der elektrischen Spannung gemessen und ist in guter Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen. Somit wurde eine Methode zur kontrollierten Herstellung von Mikro/Nanocantilevern aus Siliziumnitrid-Membranen mittels FIB erfolgreich ausgearbeitet.

The first part of this thesis presents results from quantitative sputter yield measurements for bombardment of several materials with 30 keV Ga+ ions, which are commonly used in focused ion beam systems. The sputter yields were obtained from measurements of the removed volume. A new technique is introduced that allows the precise geometric measurement of the material removed by multipass milling. Mean sputter yield data was obtained for polycrystalline permalloy and cobalt, as well as for silicon(001) and gallium arsenide(001). The dependence of the sputter yield on the crystalline orientation was investigated for plane single crystals of iron and tungsten as well as for round single crystals of lead and nickel. Distinctive minima and maxima of the yield were observed as a function of the incidence angle, they vary up to a factor of 10. The positions of the minima coincide with crystalline orientations of low Miller-index and can thus be attributed to channeling of the Ga+ ions. A comparison with SRIM-simulated data for amorphous materials showed that yield values from simulations are only applicable for those orientations without channeling. For lead, much higher yields than predicted were observed. The increased sputter yield was attributed to heat spikes and allowed the formation of Gallium nanodroplets and pyramidic structures on the surfaces of the sputtered lead sample. The experimental results for the angular dependent sputter yield were compared with the channelling theory from Mr. Onderdelinden, as well as with a transparency theory that was extended here by including the channelling idea. For both approaches, good agreement of fit functions with the experimental data could be achieved for all materials except vanadium. The latter case can be explained by assuming a large portion of the sample to be amorphous. The second part of the work focuses on FIB structuring of thin silicon-nitride films. The main purpose of this structuring is the creation of different kinds of high-sensitivity microcantilevers that can be used for magnetic, electric or other kinds of sensors. The behaviour and changes in some of the properties of Si3N4-films under the influence of an ion beam were studied extensively. Thus, a method to control the curvature of the cantilever was derived. A unique procedure of pre-structuring and subsequent cutting of such structures by focused ion beam is described. This was then used to create plane, rolled up and hammock-like cantilevers. Some of the cantilevers were integrated into special plate capacitors as one of the plates. The deflection of these cantilevers was measured as a function of the electrical voltage applied. There is good quantitative agreement between the results and theoretical predictions. Thus, a method for controlled FIB structuring of micro/nanocantilevers from silicon-nitride films was successfully developed.