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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

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4 DIE

4 DIE HERSTELLUNGSTECHNOLOGIEN (Abbildung 4.20 a). Die beschleunigten Ionen werden an der Lackkante gestreut und treffen unter einem schrägen Winkel auf die Substratoberfläche. Eine Ätzselektivität zwischen unterschiedlichen Materialien ist nur bedingt durch die Verwendung verschiedener Gase gegeben [112]. Im Fall II) der chemischen Trockenätzverfahren werden reaktive Gase (O 2 , F, Cl etc.) eingesetzt. Durch die Reaktion des Ätzgases mit den Waferatomen bilden sich flüchtige Verbindungen, die durch Desorption von der Oberfläche entweichen. Der chemische Ätzprozess zeichnet sich durch seine isotrope Charakteristik aus, wodurch bei vorstrukturierten Substraten ein Unterätzen der Maske entstehen kann (Abbildung 4.20 b). Im Fall III) des physikalisch unterstützten chemischen Prozesses wird ein Gasgemisch aus inerten und reaktiven Gasen gebildet. Der Inertgasanteil sorgt in diesem Fall dafür, dass nicht-flüchtige Reaktionsprodukte durch eine kinetische Komponente von der Oberfläche entfernt werden können. Dieses Verfahren bietet eine hohe Flexibilität, da durch geeignete Gasmischungsverhältnisse zum einen senkrechte Ätzkanten realisiert und zum anderen hohe Ätzselektivitäten unterschiedlicher Materialien erzielt werden können. Senkrechte Kanten und hohe Selektivitäten sind in der Trockenchemie- Technologie wünschenswert, da hierdurch unerwünschte, vertikale und horizontale Strukturverluste gering gehalten werden. Neben der Wahl geeigneter Gase und Mischungsverhältnisse spielen Parameter, wie die Beschleunigungsenergien der Ionen, die Temperatur der Probe, der Kammerdruck und die Plasmadichte, während des Prozesses eine bedeutende Rolle. Die Regelung und Einflüsse dieser Parameter sind jedoch stark von der verwendeten Technologie (z.B. RIBE oder RIE) und der Dimensionierung der Prozesskammer bzw. deren Komponenten abhängig [113, 114]. 4.2.5 Ätzprozesse Zur Herstellung der Crossbar-Bauelemente wurden eine Reihe an Materialien strukturiert. Für die Stempelherstellung wurde sowohl das Hartmaskenmaterial, bestehend aus verschiedenen Metallen, als auch das Glassubstrat (SiO 2 ) geätzt (vgl. Abbildung 4.7 d, e). Für die Herstellung der Crossbars wurde zunächst nach der Nanoimprint-Lithographie der Residual-Layer, bestehend aus siliziumhaltigem UV- Lack, und anschließend das Elektrodenmaterial, welches verschiedene Metalle beinhalten konnte, strukturiert. Ferner wurde eine Planarisierungsschicht benötigt (siehe Kapitel 5.5), welche mittels RIBE gedünnt werden musste. Diese Schicht bestand aus einem SiO 2 -haltigem Glas, wodurch hier Ätzprozesse für reines SiO 2 angewendet wurden. 55

4 DIE HERSTELLUNGSTECHNOLOGIEN Der Strukturierung von Metallen diente ein Sputterprozess mit Ar-Ionen. Es konnte hierbei zum größten Teil auf die Institutserfahrungen und Literaturwerte zurückgegriffen werden [105, 115]. Generell wurde bei allen Ätzprozessen die Probe unter einem Winkel von 90° (also senkrecht zur Quelle) und unter 10 rpm Rotation geätzt. Außerdem sorgte die Heliumkühlung der Probenrückseite für eine konstante Temperatur von 15°C während des Ätzprozesses auf dem zu strukturierendem Substrat. Mit U B = 450 V, U A = 187 V und I B = 125 mA wurden folgende Ätzraten mit Hilfe von REM-Aufnahmen und Oberflächenprofil-Analysen (Profilometer – Dektak 3 ST Digital Instruments Veeco Metrology Group) ermittelt: - Pt: 20 nm/min - Cr: 5 nm/min - Ag: 60 nm/min Die Sputtereffizienz ergibt sich hierbei (laut Literaturangaben) unter anderem aus einem qualitativen Modell, welches die Effizienz des Energieaustauschs γ zweier Teilchen unterschiedlicher Massen M 1 und M 2 bei einem elastischen Zusammenstoß beschreibt [112]: 4M 1M 2 γ ~ M + M ( ) 2 1 2 Die Flankensteilheit, die durch den Sputterprozess bei der Strukturierung von Metallen erzielt wurde, genügte den Anforderungen an die Herstellung von Nanoelektroden. Teststrukturen im Nanometerbereich, die mittels Nanoimprint hergestellt und anschließend geätzt wurden, verfügten über eine nahezu 90° steile Flanke, welches durch qualitative Bewertungen anhand von REM-Aufnahmen erkannt wurde (Beispiel in Abbildung 4.21 für Pt Nanostrukturen einer Breite von 200 nm und einer Höhe von 100 nm). Bei der Strukturierung von siliziumhaltigen Materialien, z.B. dem SiO 2 -Glas der Nanoimprint-Stempel, wurde Tetrafluormethan (CF 4 ) eingesetzt. Das fluorhaltige Gas, welches im Plasma in die Komponenten F, CF, CF 2 und CF 3 zerlegt wird, führt auf der Probenoberfläche in der chemischen Reaktion mit dem Silizium e - + CF 4 → CF 3 + + F + 2 e - 4 F + Si → SiF 4 zu flüchtigen SiF 4 -Produkten, die von der Waferoberfläche desorbieren können. Es findet ein chemischer Ätzprozess statt, der durch die Sputterkomponente der beschleunigten CF x -Ionen unterstützt wird. Mit U B = 450 V, U A = 180 V und I B = 125 mA wurde eine SiO 2 -Ätzrate von 50 nm/min erzielt. In einem reinen 56