Protonenstrahlschreiben dreidimensionaler Mikrostrukturen in Halbleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Hans Christian Hofsäss; Dr. Ulrich Vetter
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268244270

Die Herstellung kleinster dreidimensionaler Strukturen im Mikrometer- und Submikrometer-bereich in Halbleitern ist ein rasant wachsender Hochtechnologiebereich. Diese Strukturen kombinieren dabei meist mechanische und elektrische Eigenschaften des zugrunde liegenden Halbleitersubstrates zu sogenannten Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS). Prominente Anwendungen solcher Systeme sind Beschleunigungssensoren, Hochfrequenzfilter, Mikrofone und in neuerer Zeit zunehmend sogenannte Energy Harvester, also Bauteile, die z.B. bereits vorhandene mechanische oder elektromagnetische Energie meist in elektrischer Form ernten und für den Betrieb von Kleingeräten zur Verfügung stellen. Zur Herstellung dieser MEMS-Systeme werden typischerweise konventionelle Lithographieprozesse eingesetzt. In den letzten Jahren wurden diese Prozesse um das sogenannte Protonenstrahlschreiben (engl. Proton Beam Writing, kurz: PBW) erweitert, das zu den Methoden der direkten maskenlosen Schreibprozessen zählt. Dies bedeutet, dass der Prozess aus Bestrahlung und Strukturentwicklung alleine besteht und keine Masken benötigt. Beim PBW wird ein hochenergetischer Protonenstrahl direkt auf das zu strukturierende Substrat fokussiert, wodurch eine im Mikrometerbereich lokale Modifikation physikalischer Eigenschaften des Substrates möglich ist, im Fall modernster PBW-Apparaturen sogar bis hinunter in den Nanometerbereich. Neben konventionellen Fotolacken, die auf diese Weise belichtet werden können, ist dies jedoch auch direkt mit Halbleitern möglich. Der zugrunde liegende Prozess besteht dabei in der Bildung von Defekten, die sich wiederum auf den späteren Ätzprozess auswirken. Ein Beispiel ist die Reduktion der elektrochemischen Ätzrate durch Erzeugung von Defekten in Halbleitersubstraten, wodurch sich nachweislich dreidimensionale, auch frei tragende, Strukturen erzeugen lassen. Die Herstellung von 3D MEMS Strukturen mit Hilfe von fokussierten hochenergetischen Protonenstrahlen erfordert ein fundiertes Verständnis der Auswirkungen der Bestrahlung des Substrates auf dessen lokale elektronische und strukturelle Eigenschaften und damit auf den nachfolgenden elektrochemischen Ätzprozess. Insbesondere ist es wünschenswert den Ätzprozess als solchen quantitativ modellieren zu können um eine genaue Voraussage der herstellbaren Strukturen zu treffen. Im Rahmen dieses Projektes sollen deshalb grundlegende Experimente zur lokalen Defekterzeugung in Halbleitern durch PBW, kombiniert mit Finite-Elemente-Simulationen des nachfolgenden Ätzprozesses durchgeführt werden. Weiterhin soll die bestehende Ionenstrahlapparatur für die 3D Strukturierung optimiert werden. Die Auswahl der Substrate umfasst die in Vorexperimenten verwendeten Halbleiter GaAs und InP, sowie Silizium als Standardsystem, sowie den zunehmend wichtigen Verbindungshalbleiter AlGaN.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen