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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Technische Physik - Halbleiterphysik, Nanostrukturierung & Analytik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-1873

Title: Lithography-free micro- and nanostructuring based on conventional plasma etching
Authors: Georgiev, Georgi Todorov
???metadata.dc.subject.swd???: MikrosystemtechnikPlasmaätzen
???metadata.dc.subject.ddc???: 530 - Physik (Physics)
Issue Date: 2-Feb-2005
Abstract: In now-a-days semiconductor and MEMS technologies the photolithography is the working horse for fabrication of functional devices. The conventional way (so called Top-Down approach) of microstructuring starts with photolithography, followed by patterning the structures using etching, especially dry etching. The requirements for smaller and hence faster devices lead to decrease of the feature size to the range of several nanometers. However, the production of devices in this scale range needs photolithography equipment, which must overcome the diffraction limit. Therefore, new photolithography techniques have been recently developed, but they are rather expensive and restricted to plane surfaces. Recently a new route has been presented - so-called Bottom-Up approach - where from a single atom or a molecule it is possible to obtain functional devices. This creates new field - Nanotechnology - where one speaks about structures with dimensions 1 - 100 nm, and which has the possibility to replace the conventional photolithography concerning its integral part - the self-assembly. However, this technique requires additional and special equipment and therefore is not yet widely applicable. This work presents a general scheme for the fabrication of silicon and silicon dioxide structures with lateral dimensions of less than 100 nm that avoids high-resolution photolithography processes. For the self-aligned formation of extremely small openings in silicon dioxide layers at in depth sharpened surface structures, the angle dependent etching rate distribution of silicon dioxide against plasma etching with a fluorocarbon gas (CHF3) was exploited. Subsequent anisotropic plasma etching of the silicon substrate material through the perforated silicon dioxide masking layer results in high aspect ratio trenches of approximately the same lateral dimensions. The latter can be reduced and precisely adjusted between 0 and 200 nm by thermal oxidation of the silicon structures owing to the volume expansion of silicon during the oxidation. On the basis of this a technology for the fabrication of SNOM calibration standards is presented. Additionally so-formed trenches were used as a template for CVD deposition of diamond resulting in high aspect ratio diamond knife. A lithography-free method for production of periodic and nonperiodic surface structures using the angular dependence of the etching rate is also presented. It combines the self-assembly of masking particles with the conventional plasma etching techniques known from microelectromechanical system technology. The method is generally applicable to bulk as well as layered materials. In this work, layers of glass spheres of different diameters were assembled on the sample surface forming a mask against plasma etching. Silicon surface structures with periodicity of 500 nm and feature dimensions of 20 nm were produced in this way. Thermal oxidation of the so structured silicon substrate offers the capability to vary the fill factor of the periodic structure owing to the volume expansion during oxidation but also to define silicon dioxide surface structures by selective plasma etching. Similar structures can be simply obtained by structuring silicon dioxide layers on silicon. The method offers a simple route for bridging the Nano- and Microtechnology and moreover, an uncomplicated way for photonic crystal fabrication.In der heutigen Halbleiter- bzw. MEMS-technologie spielt die Photolithographie die entscheidende Rolle in der Herstellung von integrierten Schaltungen. Auf konventionellem Wege, der so genannten "Top-Down" Annäherung, beginnt die Mikrostrukturierung mit der Photolithographie, gefolgt von der Herstellung der Strukturen mittels Ätzprozessen, im Speziellen Trockenätzprozesse. Die Ansprüche für immer kleiner werdende und somit immer schneller arbeitende Schaltungen zielen darauf ab, dass die hergestellten Strukturen auf eine Grössenordnung von wenigen Nanometern zusammenschrumpfen müssen. Wie auch immer, die Herstellung solcher Nanostrukturen benötigt eine photolithographische Ausrüstung, die das Beugungslimit in dieser Grössenordnung überwinden kann. Hierfür wurden neue Techniken entwickelt, die aber nur für planare Oberflächen einsetzbar und extrem kostenintensiv sind. Jüngst wurde eine neue Variante zur Herstellung von Nanostrukturen präsentiert, die so genannte "Bottom-Up" Annäherung, in der es möglich ist, ausgehend von einem einzelnen Atom oder Molekül, funktionierende Schaltungen zu realisieren. Diese Möglichkeit stösst die Tür auf zu einem neuem Gebiet, der Nanotechnologie. Ausgehend von einem Grössenbereich von 1-100 nm kann jetzt die konventionelle Photolithographie durch einen anderen physikalischen Prozess ersetzt werden, der Selbstorganisation von Atomen bzw. Molekülen. Diese neue Technik benötigt zusätzlich zur heutigen Mikrostrukturtechnologie weitere technische Ausrüstungen, welche aber noch nicht weit verbreitet sind. Diese Arbeit präsentiert eine allgemeine Möglichkeit für die Herstellung von Silizium- und Siliziumdioxidstrukturen mit lateralen Dimensionen von weniger als 100 nm, welche keinen hochauflösenden photolithographischen Prozess benötigen. Hierzu wurden Untersuchungen zur Ätzratenwinkelverteilung von Siliziumdioxidoberflächen mittels eines CHF3-Gases in einer Plasmaätzanlage durchgeführt. Es wurde das Verhalten zur selbstgerichteten Formation von extrem schmalen Öffnungen in tiefen V-Grabenstrukturen in Siliziumdioxid untersucht. Durch sukzessives Plasmaätzen des Siliziumsubstrates durch die perforierte Siliziumdioxid Maskierungsschicht konnten tiefen Grabenstrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis und einer Öffnung von wenigen Nanometern erzielt werden. Letztere kann noch reduziert werden und präzise in einer Grössenordnung von 1-200 nm eingestellt werden. Hierzu wird die thermische Oxidation von Silizium benutzt. Durch die Volumenänderung des Materials während der Oxidation kann somit der Innendurchmesser der Lochstruktur variiert eingestellt werden. Ausgehend von der Basis dieser Technik wurden SNOM Kalibrierungsstandards hergestellt. Diese so hergestellten Strukturen dienen als Schablone für eine CVD Deposition von Diamant. Das Ergebnis ist ein "Diamantschneider" mit hohem Aspektverhältnis. Weiterhin wurde eine lithographiefreie Methode entwickelt, in der periodische und nicht periodische Strukturen auf Oberflächen, durch winkelabhängiges Plasmaätzen realisiert wurden. Diese Methode kombiniert einerseits das Selbstorganisieren von Nanopartikeln, die als Maskierungsschicht dienen und andererseits die konventionelle Plasmaätztechnik aus der Mikrostrukturtechnologie. Diese Methode ist allgemein anwendbar auf Bulk- bzw. Schichtmaterialien. In dieser Arbeit wurden Schichten von Glaskugeln mit unterschiedlichen Durchmessern (500nm-1µm) durch Selbstorganisation auf Substrate aufgebracht, die als eine Maske für den Plasmaätzprozess dienen. Strukturen auf Silizium mit einer Periodizität von 500 nm und einer Objektgrösse von 20 nm wurden auf diese Weise hergestellt. Durch thermische Oxidation weiterbehandelt, kann der Füllfaktor dieser Strukturen variiert werden. Ähnliche Strukturen können durch die Strukturierung von Siliziumdioxid auf Silizium erzielt werden. Diese Methode schlägt somit die Brücke zwischen der Nano- und der Mikrotechnologie und stellt einen unkomplizierten Weg zur Herstellung von photonischen Kristallen dar.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-1873
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