FI122010B - Ion beam etching method and plant - Google Patents

Ion beam etching method and plant Download PDF

Info

Publication number
FI122010B
FI122010B FI20060719A FI20060719A FI122010B FI 122010 B FI122010 B FI 122010B FI 20060719 A FI20060719 A FI 20060719A FI 20060719 A FI20060719 A FI 20060719A FI 122010 B FI122010 B FI 122010B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
ion beam
nanostructure
substrate
sample holder
ion
Prior art date
Application number
FI20060719A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI20060719A (en
FI20060719A0 (en
Inventor
Vladimir Touboltsev
Marko Kaarre
Konstantin Arutyunov
Original Assignee
Konstantin Arutyunov
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Konstantin Arutyunov filed Critical Konstantin Arutyunov
Priority to FI20060719A priority Critical patent/FI122010B/en
Publication of FI20060719A0 publication Critical patent/FI20060719A0/en
Priority to PCT/FI2007/050440 priority patent/WO2008017733A1/en
Publication of FI20060719A publication Critical patent/FI20060719A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI122010B publication Critical patent/FI122010B/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/20—Means for supporting or positioning the objects or the material; Means for adjusting diaphragms or lenses associated with the support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/2633—Bombardment with radiation with high-energy radiation for etching, e.g. sputteretching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
    • B81C1/00523—Etching material
    • B81C1/00531—Dry etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching
    • H01J37/3053—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching
    • H01J37/3056—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching for microworking, e.g. etching of gratings, trimming of electrical components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/64—Manufacture or treatment of solid state devices other than semiconductor devices, or of parts thereof, not peculiar to a single device provided for in groups H01L31/00 - H10K99/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0128—Processes for removing material
    • B81C2201/0143—Focussed beam, i.e. laser, ion or e-beam
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/20—Positioning, supporting, modifying or maintaining the physical state of objects being observed or treated
    • H01J2237/202—Movement
    • H01J2237/20214—Rotation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/245—Detection characterised by the variable being measured
    • H01J2237/24507—Intensity, dose or other characteristics of particle beams or electromagnetic radiation
    • H01J2237/24514—Beam diagnostics including control of the parameter or property diagnosed
    • H01J2237/24528—Direction of beam or parts thereof in view of the optical axis, e.g. beam angle, angular distribution, beam divergence, beam convergence or beam landing angle on sample or workpiece
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/3174—Etching microareas

Description

IONISUIHKUETSAUSMENETELMÄ JA -LAITTEISTOION ION BREAKING METHOD AND APPARATUS

KEKSINNÖN ALAFIELD OF THE INVENTION

Esillä oleva keksintö liittyy kolmiulotteisten (3D) nanorakenteiden valmistukseen, erityisesti 5 nanorakenteisiin, joiden mitat ovat alueella alle 100 nm.The present invention relates to the manufacture of three-dimensional (3D) nanostructures, in particular 5 nanostructures having dimensions less than 100 nm.

KEKSINNÖN TAUSTABACKGROUND OF THE INVENTION

On olemassa lukuisia erilaisia tekniikoita 10 eri materiaaleja olevien kolmiulotteisten (3D) nanorakenteiden valmistukseen. Esimerkiksi UV litografiaa on perinteisesti käytetty laajasti erityisesti mikro-elektroniikkateollisuudessa. On kuitenkin olemassa perustavanlaatuinen raja, jonka alle rakenteellisia mit-15 toja ei voida pienentää. Käytettäessä deep UV -valoa tämä raja on jossakin 100 nm lähellä.There are many different techniques for manufacturing three-dimensional (3D) nanostructures of 10 different materials. For example, UV lithography has traditionally been widely used, particularly in the micro-electronics industry. However, there is a fundamental threshold below which structural dimensions cannot be reduced. When using deep UV light, this limit is somewhere near 100 nm.

Elektronisuihkulitografiaan (EBL) perustuvilla kehittyneemmillä menetelmillä voidaan saada aikaan pienempiäkin mittoja ja niitä on käytetty esimerkiksi 20 piialustalla olevien 5-7 nm leveiden etsattujen viivojen valmistukseen. Kuitenkin höyrystettäessä metallisia rakenteita EBL:llä tehtävien maskien läpi on raja korkeampi, noin 20 - 50 nm. EBL:n haittana on, että se on suhteellisen hidas menetelmä.More sophisticated methods based on electron beam lithography (EBL) can provide even smaller dimensions and have been used, for example, to produce etched lines of 5-7 nm wide on 20 silicon substrates. However, when vaporizing metal structures through masks made with EBL, the limit is higher, about 20-50 nm. The disadvantage of EBL is that it is a relatively slow method.

25 Fokusoitu ionisuihku (FIB) on menetelmä, joka on ajatuksellisesti samankaltainen EBL:n kanssa, pait- ^ si että elektronit on korvattu fokusoiduilla raskailla o ^ ioneilla. FIB-menetelmää on käytetty menestyksellises- cp ti hyvin paikalliseen etsaukseen ja leikkaukseen, kui- o 30 tenkin pikemminkin mikrometri- kuin nanometrialueella.Focused ion beam (FIB) is a method which is conceptually similar to EBL, except that electrons are replaced by focused heavy ions. The FIB method has been successfully used for very local etching and cutting, however, even within the micrometer rather than the nanometer range.

Keksijöiden parhaan tietämyksen mukaan ei ole rapor-To the best of the inventors' knowledge, there are no reports

CLCL

toitu FIB-menetelmällä valmistettuja 3D-rakenteita,imported 3D structures made using the FIB method,

CDCD

joiden mitat olisivat olleet merkittävästi alle 100 o to nm. Lisäksi FIB on erittäin kallista. Toisaalta teol- o ^ 35 lisen valmistuksen tarkoituksiin FIB on äärimmäisen 2 hidas eikä lainkaan yhteensopiva massavalmistuksen ajatuksen kanssa.with dimensions significantly below 100o to nm. In addition, the FIB is very expensive. On the other hand, for industrial manufacturing purposes, FIB is extremely slow and not at all compatible with the idea of mass production.

Keksijät ovat aiemmin julkaisseet perusperiaatteen täysin uudesta lähestymistavasta, jossa esi-5 valmistettujen nanorakenteiden mittoja pienennetään ionisuihkusputteroinnilla (Applied Physics A 79, 1769 - 1773, 2004). Periaatteena on altistaa prosessoitava nanorakenne matalaenergisten, massaltaan keskitasoisten ionien suihkulle vinossa kohtauskulmassa. Kohteen 10 pintakerrokseen törmäävien ionien energia saa pinta- atomit irtoamaan. Tätä fysikaalista prosessia säädetään prosessimuuttujien, kuten ionien energian ja massan, ionisuihkun tulokulman ja ionisuihkun virranvoi-makkuuden huolellisella valinnalla. Näytettä pyörite-15 tään atsimuuttikulman ympäri isotrooppisen etsauksen varmistamiseksi. Prosessi voidaan toteuttaa kaupallisesti saatavilla olevilla ionisuihkulähteillä ja tyhjö järjestelmillä, joihin on lisätty näytteenkäsittely-laite kallistusta ja pyöritystä varten. Keksijät ovat 20 löytäneet, että tämän kaltaisella prosessilla voidaan valmistaa jopa alle 10 nm rakenteita suurella tarkkuudella ja tuottaen äärimmäinen pinnan tasaisuus (Nano Letters, Voi. 5, No. 6, 1029 - 1033, 2005). Huolimatta lupaavista alustavista tuloksista on vaikeus tämän me-25 netelmän soveltamisessa erilaisiin materiaaleihin sekä rakenteen muotoihin ja mittoihin siinä, miten löydetään optimaalinen prosessimuuttujien joukko. Edes pe-^ rinteisen makroskooppisten 2D-rakenteiden ionisuihku- ^ sputteroinnin teoriaa ei täysin tunneta ja on luonnol- o 30 lisesti erittäin paljon monimutkaisempaa ennustaa alle o 100 nm mittojen 3D-rakenteiden nanotyöstöprosessin tu- loksia.In the past, the inventors have published the basic concept of a completely new approach in reducing the dimensions of pre-fabricated nanostructures by ion-jet sputtering (Applied Physics A 79, 1769-1773, 2004). The principle is to expose the processable nanostructure to a jet of low-energy, medium-mass ions at an oblique angle of attack. The energy of the ions colliding with the surface layer of the object 10 causes the surface atoms to release. This physical process is controlled by careful selection of process variables such as ion energy and mass, ion jet inlet angle, and ion jet current. A sample is swirled around the azimuth angle to ensure isotropic etching. The process can be accomplished with commercially available ion-jets and vacuum systems with the addition of a sample processing device for tilting and rotating. The inventors have found that a process of this kind can produce structures up to 10 nm with high accuracy and producing extreme surface smoothness (Nano Letters, Vol. 5, No. 6, 1029-1033, 2005). Despite promising preliminary results, it is difficult to apply this method to a variety of materials, as well as structure shapes and dimensions in finding the optimal set of process variables. Even the theory of ion-sputtering of conventional macroscopic 2D structures is not fully understood and is naturally very much more complex in predicting the results of the nanostructuring process of 3D structures smaller than 100 nm.

CLCL

CDCD

KEKSINNÖN TARKOITUS oPURPOSE OF THE INVENTION o

CDCD

o 35 Esillä olevan keksinnön tarkoitus on saada o 0X1 aikaan uusi, hyvin hallittavissa oleva menetelmä ja laitteisto kolmiulotteisten alle 100 nm:n nanoraken- 3 teiden prosessointiin suurella tarkkuudella ja nano-metriluokan pinnankarheudella.It is an object of the present invention to provide o 0X1 a novel, well-controllable method and apparatus for processing high-precision 3-dimensional nanostructured nanostructures at nano-meter surface roughness.

KEKSINNÖN YHTEENVETOSUMMARY OF THE INVENTION

5 Esillä olevan keksinnön mukaiselle menetel mälle on tunnusomaista, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Esillä olevan keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 10.The method of the present invention is characterized in that is set forth in claim 1. The apparatus of the present invention is characterized in that set forth in claim 10.

10 Esillä oleva keksintö koskee ensinnäkin io- nisuihkuetsausmenetelmää alle 100 nm:m kolmiulotteisten (3D) nanorakenteiden prosessointiin, jossa esivalmistettua nanorakennetta, joka on muodostettu alustalle ja jolla edullisesti on olennaisesti nanorakenteen 15 haluttu lopullinen muoto, etsataan kolmiulotteisesti pommittamalla nanorakennetta tyhjöympäristössä matala-energisten, keskimassaisten ionien suihkulla vinossa tulokulmassa mahdollisesti samalla pyörittäen nanorakennetta alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin 20 ympäri. Esillä olevan keksinnön etsauksella voi olla kaksi käyttötarkoitusta. Ensinnäkin tarkoituksena voi olla pienentää esivalmistettua näytettä kolmiulotteisesti nanorakenteen lopulliseen kokoon ja muotoon hyvin hallittavalla ionisuihkuetsausprosessilla, joka 25 sallii tuottaa selvästi alle perinteisten valmistusme netelmien olevia mittoja. Toisaalta keksinnön etsaus-prosessia voidaan käyttää vain jollakin perinteisellä o prosessointimenetelmällä, kuten elektronisuihkulito- c\i ^ grafia, LIGA tai nanopainanta (nanoimprint) valmiste- 30 tun näytteen pinnan tasoittamiseen. Etsaus perustuu oo ° fysikaaliseen sputterointiprosessiin, jossa kohteen c pinta-atomit irtoavat näytteeseen osuvien energisten o, ionien kanssa törmäysten johdosta.Firstly, the present invention relates to an ion-beam etching process for processing three-dimensional (3D) nanostructures of less than 100 nm, wherein a prefabricated nanostructure formed on a substrate and preferably having the desired final shape of the nanostructure is etched in a three-dimensional by an ion beam at an angle of inclination, possibly while rotating the nanostructure about an axis 20 perpendicular to the substrate. The etching of the present invention may have two uses. First, the aim may be to reduce the pre-fabricated sample to a three-dimensional size and shape of the nanostructure by means of a well-controlled ion-beam etching process, which allows production of dimensions well below conventional manufacturing methods. On the other hand, the etching process of the invention can only be used to smooth the surface of a sample prepared by any conventional processing method, such as electron beam printing, LIGA, or nanoimprint. Etching is based on a physical sputtering process, whereby the surface atoms of the object c are released by collisions with the energetic ions that hit the sample.

Is» Erona kaksiulotteisiin (2D) eli tasomaisiin o o 35 rakenteisiin, kuten tasomaiset kalvot tai nauhat, joi- o ^ den paksuus on olennaisesti pienempi kuin nauhan pi tuus ja leveys, kolmiulotteinen tarkoittaa tässä nano- 4 rakenteita, joilla myös korkeusmitat ovat olennaisesti samassa mittakaavassa kuin vaakasuuntainen(set) mitta (mitat). Esimerkkeihin tällaisista 3D-rakenteista kuuluvat erilaiset langat, palkit, saarekkeet ja nii-5 den yhdistelmät. Tulokulma tarkoittaa tässä kulmaa pinnan normaalin ja suihkun pituusakselin välillä. Vino ionisuihkun tulokulma samoin kuin näytteen pyöritys tarvitaan isotrooppista etsausta varten, toisin sanoen samaa etsausnopeutta sekä vaaka- että pystypinnoille 10 varten. Myös etsatun pinnan karheus on erittäin pientä, koska näytteen joka kohtaa pommitetaan eri suunnista johtuen pyörityksestä alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin ympäri. "Alustaan nähden kohtisuorassa" tarkoittaa tässä alustan päätasoon näh-15 den olennaisesti kohtisuorassa olevaa suuntaa. Tyypillisillä tasomaisilla alustoilla, esimerkiksi pyöreinä kiekoilla, tämä on yksiselitteinen määritelmä. Ei-tasomaisilla alustoilla tämä suunta on nanorakenteen alustasta ulottumisen suunta. Ilmaus "mahdollisesti 20 pyörittäen" tarkoittaa, että on luonnollisesti myös mahdollista pitää nanorakenne paikallaan ja pommittaa sitä vain yhdestä suunnasta. Tämänkaltainen suuntava-linnainen etsaus sallii nanorakenteen muodon hallitun muuttamisen.In contrast to two-dimensional (2D) or planar structures such as planar films or strips having a thickness substantially less than the length and width of the tape, three-dimensional here refers to nano-structures which also have substantially the same height dimensions. as a horizontal measure (s). Examples of such 3D structures include various threads, beams, islands, and combinations thereof. Inlet angle here means the angle between the surface normal and the longitudinal axis of the shower. The inclined angle of the ion beam as well as the rotation of the sample is required for isotropic etching, i.e. the same etching rate for both horizontal and vertical surfaces 10. Also, the roughness of the etched surface is very low because each point of the sample is bombarded from different directions due to rotation about an axis perpendicular to the substrate. "Perpendicular to the substrate" herein means a direction substantially perpendicular to the main plane of the substrate. On typical planar substrates, such as round discs, this is an unambiguous definition. For non-planar substrates, this direction is the direction of the nanostructure from the substrate. The phrase "possibly 20 rotating" means that, of course, it is also possible to hold the nanostructure in place and bombard it from only one direction. This kind of directional castle etching allows for the controlled deformation of the nanostructure.

25 Keksinnön mukaisesti ionien energia massaa kohden on alueella 0,0025 - 0,0225 keV/amu, jossa amu tarkoittaa atomimassayksikköä (1, 66*10~27kg) , ja io- ^ nisuihkun tulokulma suhteessa alustaan on alueella 30 o ^ - 50 astetta, edullisesti noin 40 astetta. Tämän toi- sj- o 30 siinsa yhteydessä olevien muuttujien yhdistelmän ha- o valttiin yllättävästi varmistavan tehokkaan, mutta g kuitenkin hienovaraisen ja hyvin hallittavan etsaus-According to the invention, the ion energy per mass is in the range of 0.0025 to 0.0225 keV / amu, where amu represents the atomic mass unit (1.66 * 10 ~ 27kg), and the angle of arrival of the ion beam relative to the substrate is in the range of 30-50 degrees. , preferably about 40 degrees. This combination of secondary 30 variables was surprisingly found to provide an effective yet g subtle and well-controlled etching system.

CLCL

prosessin saaden aikaan isotrooppisen etsauksen ja 05 tuottaen äärimmäisen alhaisen pinnankarheuden. Tämä o g 35 muuttujien joukko on myös hyvin yleinen soveltuen laa- ^ jaan joukkoon erilaisia materiaaleja. Molempia noita 5 muuttujia käsitellään yksityiskohtaisemmin seuraavas-sa.process resulting in isotropic etching and 05 producing extremely low surface roughness. This set of? 35 variables is also very common, with a wide variety of materials to apply. Both of these 5 variables are discussed in more detail below.

Kohteen pommittaminen ionisuihkulla kohtisuoraan kohteen pintaan nähden saa tavallisesti io-5 nit tunkeutumaan kohteeseen melko syvälle nanotyöstön näkökulmasta. Lisäksi kohtisuorasta pommituksesta tuloksena oleva pinnankarheus on tyypillisesti vähintään useiden nanometrien luokassa. Jos kohteen materiaalissa on virheitä, tulee pinnankarheus vielä huonommaksi 10 johtuen nopeammasta etsauksesta virheiden ympärillä.Bombing an object with an ion beam perpendicular to the surface of the target will usually cause the io-5 nit to penetrate the target quite deep from the point of view of nano-machining. In addition, the surface roughness resulting from perpendicular bombardment is typically at least several nanometers. If there is a defect in the material of the object, the surface roughness becomes even worse 10 due to the faster etching around the defects.

Näin ollen tarvitaan erisuuntaisille pinnoille yhtä aikaa sopiva vino kulma. Päinvastoin kuin aiemmin julkaistuissa tuloksissa, optimaalisen kulman yhdessä edellä mainittujen muuttujamäärittelyjen kanssa ha-15 valttiin olevan noin 40 asteen paikkeilla.Thus, at one and the same time, a tilt angle is required for the opposite directions. Contrary to previously published results, the optimal angle, together with the above-mentioned variable definitions, was avoided at about 40 degrees.

Perinteisesti, 2D-sputterointiprosesseissa, käytetään korkeaenergisiä ioneja, joiden energiat ovat useita keV. Viitaten siihen, mitä edellä on sanottu tunkeutumissyvyydestä ja hallittavuudesta ja ymmärret-20 täessä myös tosiasia, että mitä suurempi on energia, sitä korkeampi on todennäköisyys vaurioitumisille, edellyttää näytteen hienovarainen prosessointi matalampaa energiaa. Tämä myös edesauttaa nanometriluokas-sa olevan pinnankarheuden aikaansaamista. Toisaalta 25 liian matala energia ei saa aikaan lainkaan etsautu- mista. Kiihdytysjännitteestä ja ionivarauksesta riippuvan liike-energian lisäksi myös ionin massa vaikut- ^ taa näytteen pinta-atomien irrotusprosessiin, koska o ^ kohteen atomin poistamisen todennäköisyys riippuu tu- cp 30 levän ionin liikemäärästä. Näin ollen myös massa täy- 0 tyy ottaa huomioon valittaessa ionityyppiä ja energi- 1 aa. Tämä on syy energian määrittämiselle suhteessa io-Traditionally, 2D sputtering processes use high energy ions with multiple keV energies. Referring to what has been said above about penetration depth and controllability, and as you also realize that the higher the energy, the higher the probability of damage, subtle processing of the sample requires lower energy. This also contributes to achieving surface roughness in the nanometer class. On the other hand, 25 too low energy will not cause any etching. In addition to the kinetic energy, which depends on the acceleration voltage and ion charge, the ion mass also influences the process of removing the surface atoms of the sample, since the probability of removing the atom of the target depends on the amount of motion of the ion. Therefore, the mass must also be taken into account when selecting the ion type and energy. This is the reason for determining the energy relative to io-

CLCL

nin massaan. Kompromissina kohtuullisen sputterointi-n mass. As a compromise, reasonable sputtering

CDCD

nopeuden, pinnan vaurioitumisen estämisen ja erityyp-§ 35 pisten ionien saatavuuden välillä käytetään edullises- ^ ti keskimassaisia ioneja. Alue 0,0025 - 0,0225 keV/amu, yhdessä muiden patenttivaatimuksissa määri- 6 tettyjen muuttujien kanssa, löydettiin kokeellisesti optimaaliseksi useimmille etsattaville materiaaleille.medium speed ions are preferably used between speed, surface damage prevention and availability of various types of ions. The range of 0.0025 to 0.0225 keV / amu, along with other variables defined in the claims, was found to be experimentally optimal for most etched materials.

On tärkeää huomata, että tällä hetkellä ei ole luotu kattavaa teoriaa koskien ionisuihkuavustei-5 sen nanorakenteiden etsauksen mekanismia. Siksi, huolimatta joistakin suuntaa-antavista teoreettisista oletuksista, toisiinsa yhteydessä olevien prosessi-muuttujien optimointi perustuu mitä suurimmassa määrin kokeellisiin tutkimuksiin. Kuten tavallista nanotek-10 nilkassa, myös tässä tapauksessa lopulliset johtopäätökset johtivat muuttujajoukkoon, joka eroaa olennaisesti siitä, mitä olisi voinut olettaa.It is important to note that there is currently no comprehensive theory regarding the mechanism of etching of ion-jet auxiliary nanostructures. Therefore, despite some indicative theoretical assumptions, optimization of interrelated process variables is largely based on experimental research. As usual with the nanotek-10 ankle, in this case too, the final conclusions led to a set of variables that are fundamentally different from what one would have expected.

Esivalmistetun näytteen muotosuhde toteuttaa edullisesti ehdon —>1, jossa h ja w ovat rakenteen w 15 korkeus ja leveys vastaavasti. Tämä ehto liittyy tarpeeseen säilyttää esivalmistetun näytteen alkuperäinen muoto etsausprosessin aikana. Muodon säilyttäminen yksinkertaistaa suuresti koko valmistusprosessia, kun jo esivalmistetulla rakenteella voi olla nanorakenteen 20 lopullinen haluttu geometria. Toisin kuin aiemmin julkaistut testirakenteet, jotka perustuivat olettamuksiin sopivasta poikkileikkauksesta, keksijät havaitsivat, että - yllä määritellyillä tulokulmalla ja energialla massaa kohden - osien pitäminen vähintään yhtä 25 korkeina kuin ne ovat leveitä tehokkaimmin varmistaa näytteen alkuperäisen muodon säilymisen vähäisillä muutoksilla etsausprosessin aikana. Luonnollisesti, ^ jos prosessoidun nanorakenteen alkuperäisen muodon i § säilymistä ei edellytetä, voi suhteella korkeuden ja i oo 30 leveyden välillä olla mikä tahansa arvo.The aspect ratio of the prefabricated sample preferably fulfills the condition -> 1, where h and w are the height and width of structure w 15, respectively. This condition relates to the need to preserve the original shape of the pre-fabricated sample during the etching process. Shape retention greatly simplifies the entire manufacturing process, since an already fabricated structure may have the desired desired geometry of the nanostructure. Contrary to previously published test structures based on assumptions of a suitable cross section, the inventors found that keeping the parts at least as high as they are wide, with the angle of incidence and energy per mass as defined above, is most effective in ensuring the original shape of the sample with slight changes. Of course, if no preservation of the original shape of the processed nanostructure is required, the ratio between height and width of 30 can be any value.

0 x Eräässä esillä olevan keksinnön edullisessa tr toteutusmuodossa ionien energia massaa kohden on alu- 1 eella 0,01 - 0,015 keV/amu, edullisesti noin 0,0125 § keV/amu, mikä on havaittu optimaaliseksi useimmille o o 35 näytemateriaaleille ja ionityypeille.In one preferred embodiment of the present invention, the ion energy per mass is in the range of 0.01 to 0.015 keV / amu, preferably about 0.0125 keV / amu, which has been found to be optimal for most of the o 35 sample materials and ion types.

77

Ionisuihkun virranvoimakkuus on edullisesti alueella 10 - 20 μΑ/cm2. Tämän vastoin odotuksia havaitun alueen alaraja tulee tarpeesta pinnan riittävälle dynaamiselle puhdistukselle. Dynaamisella puh-5 distuksella tarkoitetaan lisämateriaalin prosessoidulle pinnalle kasvun estämisprosessia. Esimerkiksi, koska tyhjökammiossa aina on jonkun verran jäännöshappea, voisi helposti muodostua oksidikerros esimerkiksi metallipinnalle ilman riittävää ionisuihkun virrantihe-10 yttä. Toisaalta liian suuri virrantiheys voisi johtaa ei-toivottuun pinnan vaurioitumiseen ja/tai ylikuumenemiseen johtaen etsausprosessin heikkoon hallittavuuteen .The ion beam current is preferably in the range of 10 to 20 μΑ / cm 2. Contrary to expectations, the lower bound of the observed area comes from the need for sufficient dynamic surface cleaning. Dynamic cleaning refers to the process of inhibiting growth of the treated material on the treated surface. For example, since there is always some residual oxygen in the vacuum chamber, an oxide layer could easily be formed, for example, on a metal surface without sufficient ion beam current density. On the other hand, excessive current density could lead to unwanted surface damage and / or overheating, resulting in poor control of the etching process.

Riittävän laajan prosessointialueen eli alu-15 een alustan pinnan tasossa, jossa etsautumista voi tapahtua, takaamiseksi ja siten useiden samalla alustalla olevien nanorakenteiden samanaikaisen prosessoinnin mahdollistamiseksi nanorakennetta pommittavan ionisuihkun halkaisija on edullisesti vähintään noin 10 20 mm. Laaja suihku auttaa myös tasoittamaan ionivuon voimakkuutta läpi suihkun. Suihkun leveys riippuu laitteiston ominaisuuksista. Sitä voidaan säätää jossakin määrin kiihdytysjännitteen valinnalla: mitä korkeampi on jännite, sitä kapeampi on suihku. Alustasta 25 riippuen on näin ollen mahdollista, että suihkun poikkileikkaus on jopa verrattavissa alustan kokoon. Kuitenkin voimakkuudella on tavallisesti Gaussinen tai ^ jokin muu epätasainen jakauma. Sen vuoksi prosessoin-In order to provide a sufficiently large processing area, or region 15, in the plane of the substrate surface at which etching can take place, and thus allowing simultaneous processing of several nanostructures on the same substrate, the ion beam bombarded with the nanostructure preferably has a diameter of at least about 10 mm. A large shower also helps to even out the ion flux through the shower. The width of the shower depends on the characteristics of the installation. It can be adjusted to some extent by selecting the acceleration voltage: the higher the voltage, the narrower the shower. Depending on the substrate 25, it is thus possible that the cross-section of the jet is even comparable to the substrate size. However, the intensity usually has a Gaussian or other uneven distribution. Therefore,

Oo

^ tialuetta voidaan edelleen kasvattaa samoin kuin ioni- i sj- o 30 vuon homogeenisuutta parantaa poikkeuttamalla proses- o soinnin aikana ionisuihkua suhteessa alustaan suunnas- ^ sa, joka on kohtisuorassa suihkun pituusakseliin, yliThe area can be further increased as well as the homogeneity of the ionic stream 30 can be improved by deflecting the ion beam relative to the substrate in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the jet during processing.

CLCL

laajan alueen. Poikkeuttaminen voidaan toteuttaa joko 05 poikkeuttamalla suihkua tai nanorakennetta kannattavaa § 35 alustaa, owide area. The diversion can be accomplished either by 05 diverting the jet or the nanostructure profitable § 35 platform,

Nanorakenne on edullisesti maadoitettu varauksen näytteeseen kerääntymisen estämiseksi. Ionisuih- 8 kun varautuneiden ionien aiheuttama varauksen kerääntyminen voisi tuhota näytteen sähköpurkauksen seurauksena näytteen myöhemmän käsittelyn aikana. Maadoittaminen voidaan tehdä esimerkiksi näytteen metalliseen, 5 maadoitettuun näytteenpitimeen yhdistävillä bondatuil-la metallilangoilla.Preferably, the nanostructure is grounded to prevent accumulation of charge in the sample. The accumulation of charge caused by ionic charges could destroy the sample as a result of electric discharge during subsequent processing of the sample. Grounding can be done, for example, with bonded metal wires connecting the sample to a metallic, grounded sample holder.

Varauksen kerääntymistä voidaan estää myös puolijohde- tai metallisella alustalla, jolle näyte on valmistettu. Ei-eristävä alusta vähentää tehokkaasti 10 näytteen varautumista.Charge accumulation can also be prevented on the semiconductor or metallic substrate on which the sample is made. A non-insulating substrate effectively reduces the charge of 10 samples.

Erityisesti tapauksessa, jossa näyte on valmistettu eristävälle alustalle, on edullista tuoda li-säelektroneja nanorakenteen läheisyyteen pommittavan suihkun varautuneista ioneista johtuvan näytteen va-15 rautumisen neutraloimiseksi. Ylimääräelektronit esi merkiksi elektronipilven muodossa voidaan järjestää laitteistoon yhdistetyllä perinteisellä varauksen neutraloijalla (esimerkiksi kuumennettu volframilan-ka). Keksijät ovat havainneet esillä olevan keksinnön 20 soveltuvaksi eri metalleille, kuten vismutti, alumiini ja tina, epäorgaanisille eristeille, kuten alumiinioksidi, kiille ja piioksidi, piille esimerkkinä puolijohteista kuten myös orgaaniselle PMMA-resistille. Et-sausnopeudet ovat erilaisia eri materiaaleille tehden 25 etsauksesta hyvin selektiivistä. Pienimmät nanometri- mittakaavan tarkkuudella valmistettujen rakenteiden mitat ovat 5 nm alueella. Saavutettavissa olevan pin- ^ nankarheuden on osoitettu olevan noin 1 nm. Johtuen o ^ hienovaraisesta prosessista, myös hyvin hauraita nano- cp 30 rakenteita, kuten yhden elektronin elektronitransisto- o rit, voidaan etsata esillä olevan keksinnön menetellä mällä.Particularly in the case where the sample is made on an insulating substrate, it is preferable to introduce additional electrons in the vicinity of the nanostructure to counteract the irradiation of the sample due to the charged ions of the jet. The excess electrons, for example in the form of an electron cloud, may be provided by a conventional charge neutralizer (e.g., heated tungsten wire) connected to the apparatus. The present invention has been found by the inventors 20 to be applicable to various metals such as bismuth, aluminum and tin, inorganic insulators such as alumina, mica and silica, as examples of semiconductors as well as organic PMMA resistors. Et dry rates are different for different materials making 25 etching very selective. The smallest nanometer scale structures are within the 5 nm range. The achievable surface roughness has been shown to be about 1 nm. Due to the delicate process, also very fragile nano-cp 30 structures, such as single electron electron transistors, can be etched by the process of the present invention.

CLCL

Esillä oleva keksintö koskee myös ionisuih-cn kuetsauslaitteistoa alle 100 nm kokoisten tasomaiselle o g 35 alustalle muodostettujen esivalmistettujen nanoraken- ° teiden etsaamiseen ionisuihkulla. Laitteisto käsittää tyhjökammion, näytteenkäsittelylaitteen, joka on kiin- 9 riitetty tyhj ökammioon ja johon kuuluu näytteenpidin näytteen kiinnittämiseksi sille, ja ionisuihkulähteen järjestettynä lähettämään matalaenergisiä keskimassai-sia ioneja kohti näytteenpidintä vinossa tulokulmassa 5 sille kiinnitettyyn alustaan nähden. Näytteenkäsitte- lylaite voi pyörittää näytteenpidintä ja siten sen päällä olevaa alustaa alustaan nähden kohtisuorassa olevan akselin ympäri.The present invention also relates to an ion-jet etching apparatus for etching pre-fabricated nanostructures on a planar o g 35 substrate less than 100 nm. The apparatus comprises a vacuum chamber, a sample processing device attached to the vacuum chamber, and comprising a sample holder for attaching the sample thereto, and an ion jet source arranged to emit low energy medium-mass ions at an inclined inlet angle 5 to the substrate attached thereto. The sample processing device may rotate the sample holder and thus the substrate thereon about an axis perpendicular to the substrate.

Keksinnön mukaisesti ionisuihkulähde voi lä-10 hettää ioneja, joilla on energia massaa kohden alueella 0,0025 - 0,0225 keV/amu ja ionisuihkun tulokulma suhteessa näytteenpitimelle asetettuun alustaan on alueella 30 - 50 astetta, edullisesti noin 40 astetta. Nämä laitteiston ominaisuudet yhdessä asianmukaisesti 15 valitun näytteen geometrian kanssa mahdollistavat hy vin hallittavan ja hienovaraisen isotrooppisen etsaus-prosessin, joka tuottaa korkealaatuisen etsatun pinnan .According to the invention, the ion jet source can emit ions having energy per mass in the range of 0.0025 to 0.0225 keV / amu and the angle of inlet of the ion jet relative to the substrate on the sample holder is in the range of 30 to 50 degrees, preferably about 40 degrees. These hardware features, combined with the geometry of properly selected samples, allow for a highly controllable and subtle isotropic etching process that produces a high quality etched surface.

Ionisuihkuetsauslaitteisto voi edullisesti 20 tuottaa ionisuihkun virrantiheyden, joka on alueella 10 - 20 μΑ/cm2. Tämä on havaittu sopivaksi alueeksi prosessoidun pinnan tehokkaan dynaamisen puhdistuksen j ärj estämiseen.Preferably, the ion beam etching apparatus 20 can produce an ion beam current density in the range of 10 to 20 μΑ / cm 2. This has been found to be a suitable area for efficient dynamic cleaning of the processed surface.

Ionisuihkulähde voi edullisesti tuottaa io-25 nisuihkun, jolla on vähintään 10 mm:n halkaisija riittävän laajan prosessointialueen varmistamiseksi ja siten useiden samalla alustalla olevien nanorakenteiden ^ samanaikaisesti etsaamiseksi.Preferably, the ion jet source can produce an Io-25 wheat jet having a diameter of at least 10 mm to ensure a sufficiently large processing area and thus to simultaneously etch several nanostructures on the same substrate.

0 ^ Laitteisto käsittää edullisesti myös välineet cp 30 ionisuihkun poikkeuttamiseksi suhteessa alustaan suunti nassa, joka on kohtisuorassa suihkun pituusakseliin 1 nähden prosessointialueen laajentamiseksi ja ionivuon Q_ voimakkuuden homogeenisuuden prosessointialueella pa- CT> rantamiseksi. Tämä ominaisuus mahdollistaa samanaikai-o g 35 sen ja tasaisen etsauksen suurelle määrälle yhdellä ^ alustalla olevia nanorakenteita.Preferably, the apparatus also comprises means for deflecting the ion beam cp 30 relative to the substrate in a direction perpendicular to the longitudinal axis 1 of the jet to expand the processing area and improve the homogeneity of the ion flux Q_ in the processing region. This feature allows simultaneous etching and uniform etching of a large number of nanostructures on a single substrate.

1010

Laitteisto käsittää edullisesti myös välineet lisäelektronien tuomiseksi näytteenpitimen läheisyyteen pommittavan ionisuihkun varautuneista ioneista aiheutuvan nanorakenteen varautumisen neutraloimisek-5 si.Preferably, the apparatus also comprises means for introducing additional electrons in the vicinity of the sample holder to counteract the charge of the nanostructure due to the charged ions of the ion beam to be bombarded.

Yhteenvetona esillä oleva keksintö mahdollistaa jopa alle 10 nm: n nanorakenteiden valmistuksen hallittavasti ja käyttäen matalan kustannuksen laitteistoa, joka kostuu kaupallisesta ionilähteestä ja 10 tyhjöjärjestelmästä lisättynä näytteenkäsittelylait-teella.In summary, the present invention enables the fabrication of nanostructures up to 10 nm in a controlled manner using low-cost equipment wetted from a commercial ion source and 10 vacuum systems added to a sample processing device.

Mittojen tarkkuuden lisäksi prosessoidulla pinnalla on myös erinomainen tasaisuus. Päinvastoin kuin esimerkiksi FIB-menetelmässä, suurta joukkoa yh-15 delle alustalle muodostettuja nanorakenteita voidaan prosessoida samanaikaisesti yhdenmukaisella etsausno-peudella koko alustan alueella, mikä mahdollistaa teollisen massatuotannon. Esillä olevan keksinnön mukaiset menetelmä ja laitteisto ovat myös erittäin jousta-20 via. Näytteen esivalmistus voidaan tehdä millä tahansa tunnetulla valmistusmenetelmällä ja menetelmää voidaan soveltaa useimpiin mikro- ja nanoelektroniikassa käytettyihin materiaaleihin. Myös ionityyppi voidaan va lita vapaasti niin kauan kuin seurataan patenttivaati-25 musten mukaisia määritelmiä.In addition to the dimensional accuracy, the processed surface also has excellent flatness. In contrast to, for example, the FIB process, a large number of nanostructures formed on a single substrate can be processed simultaneously at a uniform etching rate throughout the substrate, enabling industrial mass production. The method and apparatus of the present invention are also highly flexible. Sample preparation can be performed by any known manufacturing method and can be applied to most materials used in micro and nanoelectronics. Also, the ion type can be freely selected as long as the definitions in the claims are followed.

LYHYT PIIRUSTUSTEN KUVAUSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

o Oheiset kuvat, jotka on sisällytetty mukaano The following pictures are included

(M(M

^ lisäymmärryksen antamiseksi keksinnöstä ja jotka muo- ° 30 dostavat osan tätä selitystä, selittävät yhdessä kuva- 00 ° uksen kanssa keksinnön periaatteita.In order to provide a further understanding of the invention, which form part of this specification, together with the description, explain the principles of the invention.

κ Kuva 1 esittää kaaviomaista kuviota esilläκ Figure 1 shows a schematic diagram of the subject

CLCL

o, olevan keksinnön mukaisesta ionisuihkuetsauslaitteis- [y tosta.o of the ion-jet etching apparatus according to the invention.

o o 35 Kuva 2 edustaa esimerkkiä esillä olevan kek- o ^ sinnön mukaisella menetelmällä prosessoiduista nanora- kenteista.Figure 2 represents an example of nanostructures processed by the method of the present invention.

1111

Kuvat 3a ja 3b ovat AFM-kuvia (atomivoimamik-roskooppi, Atomic Force Microscope) eräästä nanoraken-teesta ennen ja jälkeen esillä olevan keksinnön mukaisen etsausprosessin.Figures 3a and 3b are AFM (Atomic Force Microscope) images of a nanostructure before and after the etching process of the present invention.

55

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUSDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Tässä viitataan yksityiskohtaisesti esillä olevaan keksintöön liittyviin toteutusmuotoihin ja esimerkkeihin, jotka on esitetty oheisissa kuvissa.Reference will be made in detail to the embodiments and examples of the present invention which are set forth in the accompanying drawings.

10 Kuvan 1 ionisuihkuetsauslaitteistoon 1 kuuluu tyhjökammio 2 yhdistettynä tyhjöpumppuun 3, etsauksessa tarvittavan ionisuihkun 5 tuottava ionipyssy 4 ja näytteenkäsittelylaite 6, johon kuuluu näytteenpidin 7. Ionipyssy 4 ja näytteenkäsittelylaite on järjestet-15 ty sellaiseen kokoonpanoon, että ionisuihku tavoittaa näytteenpitimelle 7 sijoitetun alustan 8 noin 40 asteen vinossa kulmassa ai suhteessa alustan normaaliin N. Laitteistoon kuuluu edullisesti myös välineet tämän kulman säätämiseksi. Näytteenkäsittelylaitteessa on 20 myös välineet näytteenpitimen pyörittämiseksi alustan pintaan nähden kohtisuorassa olevan akselin N ympäri ja, sen seurauksena, näytteen pyörittämiseksi atsi-muuttikulman ympäri. Suihkun poikkeutusjärjestelmä 9 on liitetty ionipyssyyn suihkun poikkeuttamiseksi koh-25 tisuorassa suunnassa suihkun akseliin nähden etsaus-alueen laajentamiseksi. Laitteisto käsittää myös va-rauksenneutraloijan 10 kiinnitettynä tyhjökammioon o näytteenpitimen läheisyyteen elektronien 11 lähettämi en seksi kohti näytettä varautuneista ioneista johtuvan o ^ 30 näytteeseen kerääntyneen varauksen neutraloimiseksi.The ion-jet etching apparatus 1 of FIG. at an inclined angle α1 to the normal N. of the substrate. Preferably, the apparatus also includes means for adjusting this angle. The sample processing device 20 also has means for rotating the sample holder about an axis N perpendicular to the surface of the substrate and, consequently, for rotating the sample about an aze angle. The jet deflection system 9 is connected to an ion gun to deflect the jet in a direction perpendicular to the jet axis to expand the etching area. The apparatus also comprises a charge neutralizer 10 attached to the vacuum chamber o in the vicinity of the sample holder to send electrons 11 towards the sample to neutralize the charge accumulated in the sample due to the charged ions.

° Laitteisto käsittää luonnollisesti myös tavanomaiset x £ ohjausvälineet, jotka eivät ole erityisiä tälle kek- σ> sinnölle eikä niitä siten ole esitetty kuvassa. Esi- ^ merkiksi näytteenkäsittelylaitteeseen voi olla yhdis-Of course, the apparatus also includes conventional x £ control means, which are not specific to this invention and are thus not shown in the figure. For example, the sample processing device may have a combined

CDCD

o 35 tettynä virtamittari ionivirran mittaamista varten, ^ joka ionivirta voidaan laskea (integroida) uudelleen 12 ioniannokseksi. Koko laitteistoa ohjataan edullisesti tietokoneella.35 a current meter for measuring ion current, which can be recalculated (integrated) into 12 doses of ion. The entire hardware is preferably controlled by a computer.

Kuvassa 2 näkyy pala alustaa 8, jolle on muodostettu sarja nanolankoja 12. Langan poikkileikkauk-5 sen korkeus h on suurempi tai samaa luokkaa kuin leveys w. Tämä yhdessä asianmukaisesti valittujen proses-simuuttujien kanssa varmistaa, että poikkileikkauksen muoto säilyy olennaisesti muuttumattomana etsauspro-sessiin aikana. Mittakaavaan liittyen on tärkeää huo-10 mata, että havainnollistamistarkoituksessa lankojen pituus on paljon pienempi, kuin se todellisuudessa on. Alusta 8 on tehty edullisesti vähintään osittain johtavasta materiaalista nanolankojen yhdistämiseksi sähköisesti alustan kautta näytteenpitimeen. Maadoittami-15 nen estää varausta kerääntymästä nanorakenteisiin, mikä muuten saattaisi tapahtua pommittavien ionien varauksesta johtuen.Figure 2 shows a piece of substrate 8 formed on a series of nanowires 12. The wire cross-section has a height h greater than or equal to the width w. This, together with properly selected process variables, ensures that the shape of the cross-section remains substantially unchanged during the etching process. As far as scale is concerned, it is important to note that for illustration purposes the length of the yarns is much smaller than they actually are. The substrate 8 is preferably made of at least partially conductive material for electrically connecting the nanowires through the substrate to the sample holder. Grounding prevents the charge from accumulating in the nanostructures, which could otherwise occur due to the charge of the bombs ions.

AFM-kuvat 3a ja 3b esittävät alumiinista tehtyä nanolankaa ennen ja jälkeen esillä olevan keksin-20 non mukaisella menetelmässä etsauksen. Kuvista voidaan nähdä, että mittojen pienenemisen lisäksi myös nano-langan pinnan tasaisuus paranee suuresti. Itse asiassa kokeet ovat osoittaneet, että esillä olevalla keksinnöllä voidaan saavuttaa jopa noin 1 nm karheus.The AFM figures 3a and 3b show an ethanol filament made of aluminum before and after the process of the present invention. It can be seen from the pictures that not only the dimensions but also the surface uniformity of the nano wire is greatly improved. In fact, experiments have shown that the present invention can achieve roughness up to about 1 nm.

25 On alan ammattilaiselle ilmeistä, että tek niikan kehittyessä keksinnön perusidea voidaan toteuttaa eri tavoin. Keksintöä ja sen toteutusmuotoja ei ^ siten rajoiteta yllä kuvattuihin esimerkkeihin; senIt will be obvious to one skilled in the art that as technology advances, the basic idea of the invention can be implemented in various ways. The invention and its embodiments are thus not limited to the examples described above; its

Oo

sijaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puit- cp 30 teissä.instead, they may vary within the scope of the claims.

00 o00 o

XX

cccc

CLCL

CDCD

Oo

COC/O

Oo

o C\lo C \ l

Claims (14)

1. Jonsträleetsningsförfarande för processe-ring av tredimensionella nanostrukturer under 100 nm, 5. vilket en förtillverkad nanostruktur (12), som bil-dats pä ett substrat (8), etsas tredimensionellt genom att bombardera nanostrukturen under vakuumförhällanden med en sträle (5) av joner med lägenergetisk medel-massa i sned inf allsvinkel (ai) i relation till sub-10 stratet och om möjligt samtidigt rotera nanostrukturen i relation till substratet runt den lodräta axeln (N), kännetecknat av att jonens energi per massa ligger i omrädet 0,0025 - 0,0225 keV/amu; och 15. jonsträlens (5) infallsvinkel (ai) i för- hällande tili substratet (8) ligger i omrädet 30 - 50 grader, f öreträdesvis ca 40 grader.1. Ion beam etching process for processing three-dimensional nanostructures below 100 nm, 5. which a pre-fabricated nanostructure (12), imaged on a substrate (8), is etched three-dimensionally by bombarding the nanostructure under vacuum conditions with a jet (5) of ions with an intermediate angle energy mass at an angle of incidence (ai) relative to the substrate and, if possible, simultaneously rotate the nanostructure relative to the substrate around the vertical axis (N), characterized in that the ionic energy per mass is in the range 0 0025 - 0.0225 keV / amu; and 15. The angle of incidence (ai) of the ion beam (5) relative to the substrate (8) is in the range of 30 - 50 degrees, preferably about 40 degrees. 2. Jonsträleetsningsförfarande enligt patent-20 krav 1, kännetecknat av att formförhällan- det hos var och en del av den f örtillverkade nanostrukturen uppfyller kravet —>1, i vilket h och w w är strukturens höjd respektive bredd.2. Ion wood etching method according to claim 1, characterized in that the shape ratio of each part of the manufactured nanostructure satisfies the requirement -> 1, in which h and w w are the height and width of the structure respectively. 3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, 25 kännetecknat av att jonernas energi per massa ligger i omrädet 0,0100 - 0,0150 keV/amu, före- ΤΓ trädesvis ca 0,0125 keV/amu. oProcess according to Claim 1 or 2, characterized in that the energy of the ions per mass is in the range 0.0100 - 0.0150 keV / amu, preferably about 0.0125 keV / amu. O ^ 4. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1 sj- -3, kännetecknat av att jonsträlens (5) o 30 strömstyrka ligger i omrädet 10 - 20 μΑ/cm .Method according to any of Claims 1 to 3, characterized in that the current strength of the ion beam (5) is in the range 10 - 20 µΑ / cm. 05 J strälen (5) som kolliderar med nanostrukturen (12) o g uppgär tili ca 10 mm eller mer för att säkerställa ett w 35 tillräckligt omfattande processeringsomräde. 17The beam (5) which collides with the nanostructure (12) and supports up to about 10 mm or more to ensure a sufficiently wide processing area. 17 5. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1 CL -4, kännetecknat av att diametern hos jon-Method according to any of claims 1 CL -4, characterized in that the diameter of 6. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1 -5, kännetecknat av att jonsträlen (5) av-länkas i förhällande tili substratet (8) i en rikt-ning, som är lodrät i relation till strälens axel (5) 5 för utvidgande av processeringsomrädet och för för-bättring av homogeniteten av jonflödets styrka i processeringsomrädet .Method according to any one of claims 1-5, characterized in that the ion beam (5) is deflected in relation to the substrate (8) in a direction which is vertical in relation to the axis (5) of the beam for expanding the processing area. and to improve the homogeneity of the ion flow strength in the processing area. 7. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1 6, kännetecknat av att nanostrukturen 10 (12) är elektriskt jordad vid en metallisk, jordad provhällare för ett prov med förenande, bonderade me-tallträdar för att förhindra anhopning av laddningen vid nanostrukturen som beror pä laddade joner i den bombarderande strälen (5). 15Method according to any one of claims 16, characterized in that the nanostructure 10 (12) is electrically grounded at a metallic, grounded sample holder for a test with compound, bonded metal trees to prevent accumulation of the charge at the nanostructure due to charged ions. in the bombarding beam (5). 15 8. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1 -7, kännetecknat av att substratet (8) är ett halvledar- eller metallmaterial för att förhindra anhopning av laddningen som beror pä laddade joner i den bombarderande strälen (5). 20Method according to any of claims 1 to 7, characterized in that the substrate (8) is a semiconductor or metal material for preventing the accumulation of the charge due to charged ions in the bombarding beam (5). 20 9. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1 -8, kännetecknat av att det i närheten av nanostrukturen (12) bringas ett moln extraelektroner (11) med en laddningsneutraliserare för neutralisering av nanostrukturens (12) laddning, som beror pä laddade 25 joner i den bombarderande strälen (5).Method according to any one of claims 1-8, characterized in that in the vicinity of the nanostructure (12), a cloud of extra electrons (11) is provided with a charge neutralizer to neutralize the charge of the nanostructure (12) due to charged 25 ions in the bombardment. the beam (5). 10. Jonsträleetsningsanläggning (1) för tre- dimensionell etsning av pä ett substrat (8) bildade, ^ förtillverkade nanostrukturer (12) med en storlek un co der 100 nm med en jonsträle, vilken anläggning omfat-o 30 tar en vakuumkammare (2), en provbehandlingsanordning o (6) fästad vid vakuumkammaren, en tili provbehand- x lingsanordningen hörande provhällare (7) för fästning CL av nanostrukturen vid den, och en jonstralekälla (4) CD anordnad för att sända en sträle (5) av joner med lä-§ 35 genergetisk medelmassa mot provhällaren i sned infancy svinkel (ai) i förhällande tili det pä provhällaren anordnade substratet, i vilken anläggning provbehand- 18 lingsanordningen (6) kan rotera provhällaren (7) i relation till det pä provhällaren anordnade substratet runt den lodräta axeln (N) , kännetecknad av att 5. jonsträlekällan (4) kan sända joner, vilka har en energi per massa i omrädet 0,0025 - 0,0225 keV/amu; och jonsträlens infallsvinkel (oh) i förhäl-lande till det pä provhällaren (7) anordnade substra- 10 tet (8) ligger i omrädet 30 - 50 grader, företrädesvis ca 40 grader.An ion beam etching plant (1) for three-dimensional etching of a substrate (8) formed, manufactured nanostructures (12) having a size of less than 100 nm with an ion beam, comprising a vacuum chamber (2). , a sample processing device o (6) attached to the vacuum chamber, a sample holder (7) associated with the sample processing device for attaching CL of the nanostructure to it, and an ion beam source (4) CD arranged to transmit a jet (5) of ions 35 generic mean mass against the sample holder at oblique infancy angle (ai) relative to the substrate disposed on the sample holder, in which plant the sample processing device (6) can rotate the sample holder (7) relative to the substrate disposed on the sample holder the shaft (N), characterized in that the 5. ion beam source (4) can transmit ions having an energy per mass in the range of 0.0025 - 0.0225 keV / amu; and the angle of incidence (oh) of the ion beam relative to the substrate (8) disposed on the sample holder (7) is in the range of 30 to 50 degrees, preferably about 40 degrees. 11. Anläggning (1) enligt patentkrav 10, kännetecknad av att j onsträlekällan (4) kan producera en strömstyrka hos jonsträlen (5) som ligger 15. omrädet 10 - 20 μΑ/cm2.Plant (1) according to claim 10, characterized in that the ion beam source (4) can produce a current of the ion beam (5) which is in the range 10 - 20 μΑ / cm 2. 12. Anläggning (1) enligt patentkrav 11 eller 10, kännetecknad av att j onsträlekällan (4) kan producera en jonsträle (5), vars diameter uppgär till ätminstone 10 mm vid provhällaren för att säker- 20 ställa ett tillräckligt omfattande processeringsom-räde.Plant (1) according to claim 11 or 10, characterized in that the ion beam source (4) can produce an ion beam (5) whose diameter is at least 10 mm at the sample holder to ensure a sufficiently wide processing area. 13. Anläggning (1) enligt nägot av patentkra-ven 10 - 12, kännetecknad av att anläggning-en (1) omfattar medel (9) för avlänkning av jonsträlen 25 (5) i förhällande tili provhällaren i en vinkel, som är lodrätt tili strälens axel (5) för utvidgande av processeringsomrädet och för förbättring av homogeni- teten av jonflödets styrka i processeringsomrädet. o (MSystem (1) according to any of claims 10 - 12, characterized in that the system (1) comprises means (9) for deflecting the ion beam 25 (5) relative to the sample holder at an angle which is vertical to the axis (5) of the beam for expanding the processing area and for improving the homogeneity of the ionic flow strength in the processing area. if 14. Anläggning (1) enligt nagot av patentkra- o 30 ven 10 - 13, kännetecknad av att anläggning- i g en (1) omfattar en laddningsneutraliserare (10) för x bringande av ett moln extraelektroner (11) för neutra- cr lisering av nanostrukturens (12) laddning, som beror 2 pä laddade joner i jonsträlen (5), som bombarderats i § 35 närheten av provhällaren (7). o o CVJSystem (1) according to any of claims 10 - 13, characterized in that system (1) comprises a charge neutralizer (10) for x providing a cloud of extra electrons (11) for neutralization of charge of the nanostructure (12), which is due to 2 of charged ions in the ion beam (5), which is bombarded in § 35 in the vicinity of the sample holder (7). o o CVJ
FI20060719A 2006-08-09 2006-08-09 Ion beam etching method and plant FI122010B (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20060719A FI122010B (en) 2006-08-09 2006-08-09 Ion beam etching method and plant
PCT/FI2007/050440 WO2008017733A1 (en) 2006-08-09 2007-08-09 Ion beam etching method and ion beam etching apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20060719A FI122010B (en) 2006-08-09 2006-08-09 Ion beam etching method and plant
FI20060719 2006-08-09

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20060719A0 FI20060719A0 (en) 2006-08-09
FI20060719A FI20060719A (en) 2008-02-10
FI122010B true FI122010B (en) 2011-07-15

Family

ID=36950625

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20060719A FI122010B (en) 2006-08-09 2006-08-09 Ion beam etching method and plant

Country Status (2)

Country Link
FI (1) FI122010B (en)
WO (1) WO2008017733A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2585010C1 (en) * 2014-12-12 2016-05-27 Антон Борисович Архипов Plant for double-sided finishing surface of intraocular lenses
EP3809447A1 (en) * 2019-10-18 2021-04-21 FEI Company Method for large-area 3d analysis of samples using glancing incidence fib milling

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5856332A (en) * 1981-09-30 1983-04-04 Hitachi Ltd Correction of defect in mask and device thereof
US5599749A (en) * 1994-10-21 1997-02-04 Yamaha Corporation Manufacture of micro electron emitter
RU2173003C2 (en) * 1999-11-25 2001-08-27 Септре Электроникс Лимитед Method for producing silicon nanostructure, lattice of silicon quantum conducting tunnels, and devices built around them

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008017733A1 (en) 2008-02-14
FI20060719A (en) 2008-02-10
FI20060719A0 (en) 2006-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3816484B2 (en) Dry etching method
EP1918963B1 (en) Charged particle beam processing using a cluster source
Pratontep et al. Size-selected cluster beam source based on radio frequency magnetron plasma sputtering and gas condensation
Aumayr et al. Potential sputtering
JP5600371B2 (en) Sputtering coating of protective layer for charged particle beam processing
US20090071818A1 (en) Film deposition apparatus and method of film deposition
US8889245B2 (en) Three-dimensional nanostructures and method for fabricating the same
Hofsäss et al. Surfactant sputtering
Ocola et al. High-resolution direct-write patterning using focused ion beams
Ritter et al. Pit formation on poly (methyl methacrylate) due to ablation induced by individual slow highly charged ion impact
KR100445105B1 (en) Ultra surface smoothing device of ito thin film and method thereof using gas cluster ion beam
JP2016509263A (en) Defect reduction in substrate processing methods
El-Said et al. Pyramidal pits created by single highly charged ions in BaF 2 single crystals
FI122010B (en) Ion beam etching method and plant
Xu et al. Etching of glass, silicon, and silicon dioxide using negative ionic liquid ion sources
Delcorte Organic surfaces excited by low-energy ions: atomic collisions, molecular desorption and buckminsterfullerenes
EP2263248B1 (en) Gas field ion source with coated tip
JP2003522710A (en) Diamond surface treatment method and corresponding diamond surface
Skopinski et al. Velocity distributions of particles sputtered from supported two-dimensional MoS 2 during highly charged ion irradiation
Allen et al. Transport of multiply and highly charged ions through nanoscale apertures in silicon nitride membranes
JP4006531B2 (en) Surface treatment method and surface treatment apparatus using ion beam
Takaoka et al. Micro-patterning of Si (100) surfaces by ethanol cluster ion beams
Ichiki Study on size effect of cluster ion beam irradiation
Ichiki et al. The effects of cluster size on sputtering and surface smoothing of PMMA with gas cluster ion beams
Seki et al. Surface processing with high-energy gas cluster ion beams

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: ARUTYUNOV

Free format text: ARUTYUNOV

FG Patent granted

Ref document number: 122010

Country of ref document: FI

MM Patent lapsed