Simulation of ion beam induced etching and deposition

Abstract

Ionenstrahlinduziertes Ätzen (IBIE) und Deponieren (IBID) sind Methoden, die immer häufiger zur Herstellung von Nanostrukturen eingesetzt werden. Um diese Prozesse zu verstehen und zu verbessern, ist es hilfreich, die resultierenden Strukturen simulieren zu können. Mit einem Simulator können Zeit und Kosten für die Prozessentwicklung erheblich reduziert werden.<br />Für die Simulation von IBIE und IBID müssen folgende Teilaspekte berücksichtigt werden: Physikalisches Sputtern, die Präkursorbedeckung und die Flussdichte von rückgestoßenen Teilchen an der Oberfläche.<br />Außerdem benötigt man einen Algorithmus zur Beschreibung der Oberfläche.<br />Der Sputtersimulator IonShaper wurde um die Simulation der Präkursorbedeckung und die Berechnung der nicht-lokalen Flussdichte von gesputterten Atomen erweitert. IonShaper nutzt zur Beschreibung der Oberfläche einen String-Algorithmus.<br />Sputtern muss simuliert werden, da es sich mit den Effekten von IBIE und IBID überlagert. IonShaper berücksichtigt primäres Sputtern, Materialredeposition und sekundäres Sputtern durch reflektierte Ionen.<br />Um die Genauigkeit zu überprüfen wurde das Programm ausführlich getestet. Insbesondere wurde gezeigt, dass mit IonShaper Linienstrukturen im Nanometerbereich und Mikrolinsen simuliert werden können.<br />Zur Simulation von IBIE and IBID wurde ein Modell verwendet, das davon ausgeht, dass die Wirkung des Präkursors hauptsächlich durch rückgestoßene Substratatome aktiviert wird. Wenn ein hochenergetisches Ion auf das Substrat trifft, entsteht eine Rückstoßkaskade. Diese bewirkt einen nicht-lokalen Effekt. Dieser nicht-lokale Effekt kann mittels Monte-Carlo-Simulation charakterisiert werden. Die Daten aus diesen Simulationen werden verarbeitet und dienen als Eingabedaten für den nicht-lokalen Algorithmus. Die Berechnung der Flussdichte von rückgestoßenen Teilchen an der Oberfläche ist sehr effizient und wurde mit 2D Monte Carlo Simulationen überprüft.<br />Um die Nützlichkeit des nicht-lokalen Algorithmus zu überprüfen, wurden qualitative Analysen durchgeführt. Mehrere Effekte von IBIE und IBID konnten erfolgreich erklärt werden. Zu diesen Effekten zählen die Verbreiterung von deponierten Säulen und Wänden, der Einfluss von Ionenspezies und -energie sowie die Erzeugung von überhängenden Strukturen.<br />Die Präkursorbedeckung wird durch Lösen einer partiellen Differentialgleichung berechnet. Diese Gleichung wurde unter der Annahme einer Langmuir-Anlagerung der Präkursorgase hergeleitet. Das Modell berücksichtigt die Anlagerung und den Verbrauch des Präkursors und die Oberflächendiffusion. Der implementierte Algorithmus ermöglicht dynamische Berechnungen der Präkursorbedeckung und wurde anhand von mehreren Experimenten mit unterschiedlicher Ionenstromdichte getestet und verifiziert. Durch den Vergleich von Experimenten und Simulation konnte schlüssig gezeigt werden, dass es notwendig ist, die Oberflächendiffusion zu berücksichtigen.<br />Um alle drei Teile gemeinsam zu testen, wurden schließlich flugdachartige Strukturen deponiert. Die Form der deponierten Strukturen konnte sehr genau vorhergesagt werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die erstellten Strukturen mit einem lokalen Model nicht erklärt werden können.<br />Zusammengefasst sind die wichtigsten Errungenschaften dieser Arbeit: (i) Es wurde ein neuer nicht-lokaler Algorithmus zur effizienten Simulation von IBIE und IBID eingeführt. (ii) Zum ersten Mal wurde eine dynamischen Berechung der Präkursorbedeckung implementiert. (iii) Sputter-, Präkursorbedeckung- und Rückstoßkaskaden-Simulation wurden zu einem effizienten Topographiesimulator zusammengefügt. (iv) Zum ersten Mal wurde die Genauigkeit einen Simulators für IBIE and IBID quantitativ an überhängenden Strukturen überprüft und bestätigt.<br />

Focused ion beam induced etching (IBIE) and deposition (IBID) are increasingly popular methods for the fabrication of nanostructures.<br />To understand and improve these processes, the ability to accurately simulate and predict the resulting structures is very important. A simulator can drastically decrease process development times and costs.<br />For an accurate simulation of IBIE and IBID three phenomena need to be considered: physical sputtering, precursor coverage, and the flux of recoils on the surface. Additionally, a surface advancement algorithm is required. The sputtering simulation software IonShaper, which uses the string algorithm for surface advancement, has been extended for the simulation of precursor coverage and the calculation of the non-local flux of sputtered atoms.<br />Sputtering needs to be simulated because it is superimposed with the effect of IBIE and IBID. IonShaper accounts for primary sputtering, redeposition of sputtered material, and secondary sputtering, due to ion backscattering. To verify its accuracy it has been tested thoroughly. In particular, IonShaper is shown to accurately predict nanometer sized lines and spaces structures as well as microlenses.<br />For the simulation of etching and deposition a model of precursor dissociation is adopted that assumes dissociation to be mainly driven by low-energy recoils that reach the target's surface. When a highly energetic ion impacts on the target it creates a recoil cascade. This recoil cascade causes a non-local effect of the ion, which can be simulated using Monte Carlo binary collision simulations. The data from such simulations are tabulated and used as input for the recoils-based algorithm. The calculation of the flux of recoils on the surface is very efficient and has been verified using 2-dimensional Monte Carlo simulations.<br />To assess the usefulness of the recoils-based algorithm qualitative studies have been conducted. Several observations associated with IBIE and IBID have been explained successfully. These observations include the broadening of deposited walls and pillars, the effect of different ion species and energies as well as overhanging structures.<br />The precursor coverage is calculated by solving a partial differential equation that is derived by assuming a non-dissociative Langmuir adsorption of the precursor on the surface. The model accounts for the dissociation, resupply and diffusion of the precursor. The implemented algorithm for precursor coverage allows non steady-state solutions, as needed for moving beams. It has been tested and verified by experiments with different ion current densities. The comparison between simulations and experiments conclusively shows that it is necessary to account for surface diffusion.<br />Finally, to test all three parts together, flying-roof like overhanging structures have been deposited. The shape of the deposited structures could be predicted very accurately. It is also shown that these structures cannot be explained with a local deposition model.<br />In summary, the most important achievements of this thesis are: (i) A novel recoils-based algorithm is introduced that allows efficient simulation of the non-local effect of a focused ion beam. (ii) For the first time an implementation of a precursor coverage model for non steady-state solutions is presented. (iii) Sputtering simulation, precursor coverage simulation and recoil cascade simulation have been combined into an efficient topography simulator for ion beam induced etching and deposition. (iv) For the first time the accuracy of a simulator for ion beam induced etching and deposition has been quantitatively tested and verified on overhanging structures.<br />