Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Study of surface effects induced by Quasi-atomic layer etching

Danielsson, Oscar LU (2024) PHYM01 20241
Solid State Physics
Department of Physics
Abstract
Atomic Layer Etching (ALE) is a self-limiting cyclic dry etching process used in nanofabrication that allows for material etching on the atomic scale in a layer-by-layer regime. In practical applications, such as using commercially available reactive ion etching (RIE) tools, the ion energy in the plasma exceeds the sputtering threshold (typically 20 to 40 eV for Si), leading to a Quasi-ALE (Q-ALE) regime. In this regime, the process steps are not self-limiting, but they are still highly accurate and result in lower damage than RIE. Direct measurements of the ion energy in Q-ALE are thus instrumental in studies of the etching process and the effects of surface damage. In this project, we are trying to achieve damage-free Q-ALE etching that... (More)
Atomic Layer Etching (ALE) is a self-limiting cyclic dry etching process used in nanofabrication that allows for material etching on the atomic scale in a layer-by-layer regime. In practical applications, such as using commercially available reactive ion etching (RIE) tools, the ion energy in the plasma exceeds the sputtering threshold (typically 20 to 40 eV for Si), leading to a Quasi-ALE (Q-ALE) regime. In this regime, the process steps are not self-limiting, but they are still highly accurate and result in lower damage than RIE. Direct measurements of the ion energy in Q-ALE are thus instrumental in studies of the etching process and the effects of surface damage. In this project, we are trying to achieve damage-free Q-ALE etching that will improve surface roughness by analysing the behaviour of the Si etching process. A damage-free Q-ALE process should be avoided from all sorts of imperfections and altering of the physical, optical, and electronic properties of the material. The project used a commercial Inductively Coupled Plasma RIE tool from Plasma-Therm LLC, USA. The tool operates in a Cl2-molecular activation regime using Ar RF plasma to desorb the etch reaction products in the etch step. Unpatterned silicon-on-insulator (SOI) 10x10 mm2 samples with a 50 nm thick top Si layer were used for the etching experiments and characterised by spectroscopic ellipsometry and atomic force microscopy (AFM). The experiments were operated in a 25-cycle mode, which was sufficient to measure the Si thickness difference by ellipsometry using a 4-layer optical model. A retarding field energy analyser (RFEA) from Impedance LLC, Ireland, was installed to measure the Ar+ ion energy distribution function (IEDF) and ion flux at different Q-ALE conditions, such as RF-power and pressure, to understand the behaviour inside of the RIE to achieve damage-free Q-ALE etching. The etched SOI samples' surface composition, surface damage, and surface roughness were characterised by AFM, SEM, and EDS.
We present the actual data of Ar+ IEDF and the ion flux at the sample level in the commercial RIE tool operating in a Q-ALE mode. To reach a low ion energy regime, we used a DC bias setpoint in the range of 10-120 V bias voltage, which corresponds respectively to the ion energy of 50 to 147 eV on the surface of the substrate inside of the RIE, according to the IEDF peak shifts measurements by RFEA. In the same ion energy range, the ion flux was measured to be approximately 3x10^13– 2x10^14 cm^22s, which fits well with the published data of molecular dynamic simulations (MD) of similar processes under the same condition. Etch per cycle (EPC) was measured in both sputtering (no Cl2) and ALE-regime at different bias set points (RF-power). The results show that a clear EPC plateau for the ALE regime was observed at biases of 20-40 V, corresponding to a peak IEDF Ar+ ion energy of 50-70 eV. The AFM and high-resolution SEM data demonstrated a decreased surface roughness of etched Si in the plateau region, typically for ALE, indicating low surface damage. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Föreställ dig att du försöker skala ett äpple, men i stället för att använda dig utav en kniv för att skala äpplet använder du dig utav ett mer effektivare verktyg, för att undvika att skala bort fruktköttet. För att skala äpplet så tunt som möjligt skulle du behöva ta bort skalet ett litet lager i taget, gärna så tunt som möjlig, så tunt som till fristående atomlager. Detta liknar vad forskare gör med ”Atomic layer etching” inom nanoteknik. ”Atomic layer etching” är en mycket exakt metod för att avlägsna material lager för lager, ner till atomnivån. Det är som att skala ett äpple, men i detta fall består varje lager av atomer. Denna precision är avgörande för att tillverka små enheter som datorkretsar, där varje atom spelar roll när vi... (More)
Föreställ dig att du försöker skala ett äpple, men i stället för att använda dig utav en kniv för att skala äpplet använder du dig utav ett mer effektivare verktyg, för att undvika att skala bort fruktköttet. För att skala äpplet så tunt som möjligt skulle du behöva ta bort skalet ett litet lager i taget, gärna så tunt som möjlig, så tunt som till fristående atomlager. Detta liknar vad forskare gör med ”Atomic layer etching” inom nanoteknik. ”Atomic layer etching” är en mycket exakt metod för att avlägsna material lager för lager, ner till atomnivån. Det är som att skala ett äpple, men i detta fall består varje lager av atomer. Denna precision är avgörande för att tillverka små enheter som datorkretsar, där varje atom spelar roll när vi kommer ner till nanometerprecision. Men att uppnå denna nivå av precision är inte helt enkelt. Traditionella maskiner tar oftast bort mer material än önskat eftersom systemen som använts inte är gjorda för borttagning av enskilda atomlager och tillför alldeles för mycket energi än vad som behövs och skadar ytan på materialet. Tänk dig att försöka skala ett äpple försiktigt med en motorsåg i stället för en kniv – du kommer förmodligen att ta bort mer än bara skalet, men samtidigt kommer det gå mycket snabbare att ta bort skalet. Det är här ”Quasi-Atomic layer etching” kommer in. Det är en modifierad version av ”Atomic layer etching” som försöker hitta en balans: det är inte perfekt exakt, men mycket bättre än traditionella metoder och orsakar mindre skada.
I detta projekt arbetar vi för att göra ”Atomic layer etching” ännu bättre. Genom att använda klassiska halvledarmaterial som kisel arbetar vi för att ta bort atomlager med minimal skada för att förbättra ytkvaliteten. Kisel är ett nyckelmaterial i elektronik, så att göra dess yta så slät som möjligt är viktigt för att tillverka bättre och snabbare enheter. Efter ”Atomic layer etching” undersökte vi kiselns ytor med avancerade tekniker som atomkraftmikroskop och svepelektronmikroskop Dessa metoder användes för att se och mäta hur släta ytorna var och kontrollera eventuella skador.

Genom att förfina dessa tekniker hoppas vi på att fullända ”Atomic layer etching”, vilket gör det till en mer pålitlig och mindre skadlig metod för tillverkning utav halvledare komponenter. Detta är som att hitta det perfekta sättet att skala det där äpplet med en precisionskniv i stället för en motorsåg, vilket säkerställer en jämn och felfri yta varje gång. I huvudsak banar detta arbete väg för att skapa mindre, effektivare och kraftfullare elektroniska enheter som är nödvändiga i vårt dagliga liv, från smartphones till datorer. Genom att bemästra konsten att ta bort material, atom för atom, skjuter forskare fram gränserna för vad som är möjligt inom teknologin. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Danielsson, Oscar LU
supervisor
organization
course
PHYM01 20241
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
Swedish
id
9168449
date added to LUP
2024-06-28 07:45:15
date last changed
2024-07-03 09:37:55
@misc{9168449,
  abstract     = {{Atomic Layer Etching (ALE) is a self-limiting cyclic dry etching process used in nanofabrication that allows for material etching on the atomic scale in a layer-by-layer regime. In practical applications, such as using commercially available reactive ion etching (RIE) tools, the ion energy in the plasma exceeds the sputtering threshold (typically 20 to 40 eV for Si), leading to a Quasi-ALE (Q-ALE) regime. In this regime, the process steps are not self-limiting, but they are still highly accurate and result in lower damage than RIE. Direct measurements of the ion energy in Q-ALE are thus instrumental in studies of the etching process and the effects of surface damage. In this project, we are trying to achieve damage-free Q-ALE etching that will improve surface roughness by analysing the behaviour of the Si etching process. A damage-free Q-ALE process should be avoided from all sorts of imperfections and altering of the physical, optical, and electronic properties of the material. The project used a commercial Inductively Coupled Plasma RIE tool from Plasma-Therm LLC, USA. The tool operates in a Cl2-molecular activation regime using Ar RF plasma to desorb the etch reaction products in the etch step. Unpatterned silicon-on-insulator (SOI) 10x10 mm2 samples with a 50 nm thick top Si layer were used for the etching experiments and characterised by spectroscopic ellipsometry and atomic force microscopy (AFM). The experiments were operated in a 25-cycle mode, which was sufficient to measure the Si thickness difference by ellipsometry using a 4-layer optical model. A retarding field energy analyser (RFEA) from Impedance LLC, Ireland, was installed to measure the Ar+ ion energy distribution function (IEDF) and ion flux at different Q-ALE conditions, such as RF-power and pressure, to understand the behaviour inside of the RIE to achieve damage-free Q-ALE etching. The etched SOI samples' surface composition, surface damage, and surface roughness were characterised by AFM, SEM, and EDS.
We present the actual data of Ar+ IEDF and the ion flux at the sample level in the commercial RIE tool operating in a Q-ALE mode. To reach a low ion energy regime, we used a DC bias setpoint in the range of 10-120 V bias voltage, which corresponds respectively to the ion energy of 50 to 147 eV on the surface of the substrate inside of the RIE, according to the IEDF peak shifts measurements by RFEA. In the same ion energy range, the ion flux was measured to be approximately 3x10^13– 2x10^14 cm^22s, which fits well with the published data of molecular dynamic simulations (MD) of similar processes under the same condition. Etch per cycle (EPC) was measured in both sputtering (no Cl2) and ALE-regime at different bias set points (RF-power). The results show that a clear EPC plateau for the ALE regime was observed at biases of 20-40 V, corresponding to a peak IEDF Ar+ ion energy of 50-70 eV. The AFM and high-resolution SEM data demonstrated a decreased surface roughness of etched Si in the plateau region, typically for ALE, indicating low surface damage.}},
  author       = {{Danielsson, Oscar}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Study of surface effects induced by Quasi-atomic layer etching}},
  year         = {{2024}},
}