Ionenstrahlgestützte Strukturierung und Glättung
Ionenstrahlgestützte Abtragstechnologien sind essentiell, um ultrapräzisstrukturierte sowie ultraglatte Oberflächen auf technologisch relevanten Materialien (optische Gläser und Glaskeramiken, Oxide, Halbleiter, Metalle, Polymere, Schichtsysteme) zu realisieren. Diese Prozesse gewinnen in der Optikentwicklung und -fertigung rasant an Bedeutung, wobei die Genauigkeitsanforderungen (Form, Tiefengenauigkeit, Rauheit) mittlerweile z. T. deutlich unter einem Nanometer liegen. Diesen Entwicklungen Rechnung tragend, werden im Schwerpunkt die Grundlagen von reaktiven und inerten Ionenstrahlätzprozessen untersucht. Parallel dazu wird eine technologische Umsetzung der Ergebnisse und deren Übertragung in anwendungsbereite Verfahren und Produkte für Forschungsinstitutionen und Unternehmen der Wirtschaft verfolgt. Dazu ist es erforderlich, am IOM entwickelte Werkzeuge wie Breitstrahlionenquellen und Verfahren zur Prozesssimulation weiterzuentwickeln und an neue Erfordernisse anzupassen.
Expertise
- Grundlagen und Anwendung von (reaktiven) Ionenstrahlätzprozessen zur Herstellung von Nano- und Mikrostrukturen
- Mechanismen and Exploration von ionenstrahl-induzierten Selbstorganisationprozessen
- Ionenstrahl-gestützte Glättung und Planarisierung von Oberflächen
- Transfer von Forschungsergebnissen und Technologieschritten
Highlights
Large area smoothing of surfaces by ion bombardment: fundamentals and applications
F. Frost, R. Fechner, B. Ziberi, J. Völlner, D. Flamm, A. Schindler
J. Phys. Condens. Matter 21 (2009) 224026
https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/22/224026
Ion beam erosion can be used as a process for achieving surface smoothing at microscopic length scales and for the preparation of ultrasmooth surfaces, as an alternative to nanostructuring of various surfaces via self-organization. This requires that in the evolution of the surface topography different relaxation mechanisms dominate over the roughening,and smoothing of initially rough surfaces can occur. This contribution focuses on the basic mechanisms as well as potential applications of surface smoothing using low energy ion beams.Ion beam planarization of diamond turned surfaces with various roughness profiles
Y. Li, H. Takino, F. Frost
Opt. Express 25 (2017) 7828-7838
https://doi.org/10.1364/OE.25.007828The effectiveness of ion beam planarization (IBP) to reduce surface roughness of diamond turned NiP surfaces was investigated. It is found that the combined process of spray-coating and ion-beam planarization can effectively reduce the surface roughness of diamond turned NiP. The final surface roughness after ion beam planarization is 30%~40% of the original roughness, irrespective of spatial wavelength and depth of turning marks. Extending planarization time does not alter surface quality after photoresist is etched away. These results show that the IBP is applicable to roughness minimization of diamond turned surfaces.
Realization of depth reference samples with surfaces amplitudes between 0.1 nm and 5 nm
A. Finzel, G. Dornberg, S. Görsch, M. Mitzschke, J. Bauer, F. Frost
EPJ Web. Conf. EOS Optical Technologies 215 (2019) 03004
https://doi.org/10.1051/epjconf/201921503004A new approach for the realization of depth reference samples is presented. By a combination of photolithography, reactive ion beam etching, surface planarization with photoresists and a subsequent coating with non-transparent materials, defined sinusoidal surface profiles are generated which can be used as depth references for the comparison and calibration of different surface profile measurements. The smallest realized surface amplitudes are in the range of less than 0.1 nm.
Terrace morphology on fused silica surfaces by Ar+ ion bombardment with Mo co-deposition
D. Chen, G. Yang, J. Li, D. Hirsch, Y. Liu, F. Frost, Y. Hong
Appl. Phys. Lett. 113 (2018 ) 033102
https://doi.org/10.1063/1.5039565
The morphology evolution of self-organized nanopatterns induced during Ar+ ion bombardment (IB) with Mo co-deposition on fused silica (SiO2) surfaces at different incidence angles and fluences was investigated by using atomic force microscopy and transmission electron microscopy. For pure IB at incidence angles from 30° to 70°, SiO2 surfaces evolve from being flat, via ripples, to direction-transversed ripples. In contrast, at the same ion fluence and incidence angles, the simultaneous Mo co-deposition leads to significant terraced structures with significantly enhanced roughness and wavelength. Our observations show that the concurrent Mo co-deposition during IB can reduce the critical incidence angle and the fluence level of terrace formation. Owing to the guidance of the IB-induced morphology, at incidence angles where a well-ordered ripple-mode can be generated, well-ordered terrace morphology is more likely to be formed.Reactive ion beam etching of highly dispersive, high-efficiency transmission gratings for the VIS range
A. Finzel, F. Koch, G. Dornberg, D. Lehr, F. Frost, T. Glaser
Opt. Eng. 58 (2019) 092614
https://doi.org/10.1117/1.OE.58.9.092614Reflection losses due to refractive index mismatch limit the obtainable diffraction efficiencies for transmission gratings in the highly dispersive regime, i.e., with period to wavelength ratios smaller than 0.7. The design and fabrication of such gratings with high-diffraction efficiencies (≥94%, Littrow configuration) will be discussed with an emphasis on process strategies to control the profiles in the reactive ion beam etching step. Experimental results from the manufacturing of monolithic fused silica pulse compression gratings with 3000 L∕mm optimized for a center wavelength of 519 nm will be presented. The influence of different etching parameters such as etch gas mixture, ion incidence angle, and acceleration voltage of the ion source on profile depth, side-wall angle, duty cycle, and ultimately diffraction efficiencies will be discussed.
Projekte
EU-Projekt "10ÅCe - 10 Ångstrom CMOS exploration"
Laufzeit: 2024 - 2027
Das Ziel dieses EU-Projektes ist es, Lösungen für die 10Å-CMOS-Chiptechnologie zu erforschen und zu realisieren. Das Projekt-Konsortium deckt die gesamte Wertschöpfungskette für die Herstellung der CMOS-Chips im 10 Ångstrom Technologieknoten ab, also vom Chipdesign über die Lithographie bis hin zur Prozesstechnik und schließlich der Chipmesstechnik. Wesentliche Teile der Hardware-, Software- und Verarbeitungstechnologie werden entwickelt, um die Grenzen des Halbleiterdesigns und der Halbleiterherstellung zu erweitern, um den neuen 10 Ångstrom Technologieknoten zu ermöglichen und das Mooresche Gesetz am Leben zu erhalten.
Link EU: https://cordis.europa.eu/project/id/101139972BMBF "Monolithische Binär- und Blaze-Gitter auf Silizium und Oxiden (MOBBS)"
Laufzeit: 01/24 - 12/25
In dem vom BMBF und dem Netzwerk GRAVOmer geförderten Verbundprojekt wollen Forschende des IOM-Forschungsbereiches „Reaktive Ionenstrahl-gestützte Strukturierung und Glättung“ gemeinsam mit der Carl ZEISS Jena GmbH und der scia Systems GmbH neuartige ionenstrahlbasierte Fertigungsverfahren etablieren, mit denen geneigte Oberflächenprofile (Blaze-Profile) für diffraktive optische Elemente (DOE) realisiert werden, die mit bisherigen Technologien nicht zugänglich sind. Hierzu soll eine neue Ionenstrahlätztechnologie zur Herstellung monolithischer, geblazter Silizium-Beugungsgitter für Beamline-Anwendungen im VUV-, EUV- und Röntgenbereich auf Basis lithographischer Strukturdefinition entwickelt werden. Insbesondere können im Erfolgsfall enorme Leistungssteigerungen durch schärfer definierte Blaze-Flanken, insbesondere vor dem Hintergrund stetig abnehmender Blaze-Winkel, realisiert werden.
Link
LinkNSF-DFG-Projekt AD-ION "Herstellung eindimensionaler Metalloxid-Heterostrukturen auf der Grundlage von Ionen-Oberflächen-Wechselwirkungen – Innovation im Fertigungsprozess"
In diesem von der NST und DFG geförderten Kooperationsprojekt wird ein neuer Ansatz zur additiven 3D-Fertigung komplexer nanoskaliger Materialien mittels ionengestützter Abscheidung unter streifenden Teilcheneinfall untersucht. Die Innovation im Fertigungsprozess beruht auf der Verwendung einer Assist-Ionenquelle, welche in einer Prozesseinheit durch drei sequenziell ablaufende Teilschritte zur Herstellung von qualitativ hochwertigen, homogenen und geordneten Nanomaterialien und deren Heterostrukturen benutzt werden kann. Die Teilschritte beinhalten dabei (i) die ionenstrahlgestützte Vorstrukturierung eines Substrates durch Ionenstrahlerosion, (ii) die Kontrolle von Phasenbestand und Stöchiometrie bei der Fertigung durch ionengestützte Reaktivverfahren, und (iii) die ionengestützte Endbearbeitung der Geometrie des Werkstoffes durch Ionenstrahlpolieren.
Der Fokus der wissenschaftlichen Untersuchungen liegt auf der Herstellung von Metalloxiden, insbesondere ZrO2-MoO3-x-Heterostrukturen, die anderen additiven 3D-Verfahren nicht zugänglich, aber für Anwendungen in der Sensorik, Photonik, Quantentechnologie, Medizin- und Umwelttechnik von großer Bedeutung sind.
Maßgebend für den Erfolg des Projektes ist die Zusammenarbeit mit komplementärer Expertise in Nanofabrikation, Ionentrahltechnik und Prozessanalyse zwischen Dr. Eva Schubert, Professorin an der University of Nebraska-Lincoln und Dr. Frank Frost, Gruppenleiter Ionenstrahlstrukturierung und -glättung am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. (IOM) Leipzig. Die hochauflösende STEM-Bildgebung in Kombination mit der EDX-Elementaranalyse wird von Dr. René Feder, Teamleiter Hybride Systeme, vom IOM-Unterauftragnehmer Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen in Halle/Saale durchgeführt.
EU-Projekt „IT 2 - IC Technology for the 2 nm Node”
In diesem industriegeführten ECEL-Projekt bringen insgesamt 32 Partner ihre Kompetenzen ein. Gesamtziel des IT2-Projekts ist die Erforschung, Entwicklung und Demonstration von Technologieoptionen zur Realisierung der 2 nm-CMOS-Logik-Technologie. Die Aktivitäten umfassen Lithographie, Prozess- und Modulexploration und Messtechnik. Das IOM entwickelt mit seinen Partnern einen optimierten Ionenstrahlprozess, einschließlich der notwendigen Werkzeuge für die hochpräzise Herstellung von strukturierten EUV-Optiken mit deutlich höherer Effizienz und zusätzlicher Unterdrückung unerwünschter Wellenlängenbereiche.
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