Proton beam writing of three-dimensional semiconductor microstructures

• Applicants: Professor Dr. Hans Christian Hofsäss; Dr. Ulrich Vetter
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2015 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 268244270

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Protonenstrahlschreiben (PBW) ist ein Prozess zur Produktion von Mikro- bis Nanometer großen 3D Strukturen. Dabei wird ein Ausgangsmaterial (typischerweise organische oder anorganische Halbleiter) durch einen Protonen-Mikrostrahl (einen Strahl mit einen Durchmesser von höchstens einigen dutzend Mikrometern) bestrahlt um gezielt, lokal (in Bereichen von einigen Mikrometern bis hinunter zu einigen Nanometern) Strahlungsdefekte zu erzeugen. In einem zweiten Prozessschritt wird dann das Material defekt-selektiv geätzt, so dass je nach Material entweder der bestrahlte oder der unbestrahlte Bereich stehen bleibt. So können freistehende 3D Strukturen erzeugt werden, wie sie in Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) Verwendung finden. Im Rahmen dieses Projektes wurden die Beschleunigeranlagen der Universität Göttingen optimiert und damit deren Zuverlässigkeit bei der Produktion von 3D Strukturen erhöht. Durch neu entwicklte Ansteuersoftware und einen komplett neuen Innenaufbau der Mikrostrahlkammer, in dem die Bestrahlung von Proben statt findet, konnte die Bedienung und Reproduzierbarkeit von Bestrahlungsverhältnissen erheblich gesteigert. Durch Verbesserungen in der Ätzzelle konnten verbesserte Ätzbedinungen gefunden werden, unter denen eine schnellere Produktion von 3D Strukturen in p-GaAs möglich sind. Es konnten auch mehrere Untersuchungen des Ätzvorgangs von bestrahltem Material durchgeführt werden, mit denen das theoretische Verständnis dieses Vorgangs verbessert werden konnte. Weiterhin ist es möglich geworden den Bestrahlungs- und Ätz-Vorgang zu simulieren und vorherzusagen. Im Rahmen dieses Projektes ist es auch gelungen, zwei neue anorganische Halbleiter für das Protonenstrahlschreiben untersucht werden. Dabei handelt es sich um Alq3 und MEH-PPV. Die Forschung wird weitergeführt und es stehen mehrere Publikationen zu den verschiedenen Teilaspekten, also den Veränderungen am Beschleuniger, der Ansteuerstoftware, dem Simulationsprozess und der Elektrochemie an. Es konnten im Nachhinein mit Hilfe von DFT- und Post-Hartree-Fock-Simulationen wertvolle Erkenntisse zur Elektrochemie gewonnen werden.

Publications

• DPG Frühjahrtagung Berlin, 2015; Drift diffusion model for proton beam writing in p-GaAs
  Alrik Stegmaier, Tristan Koppe, Charlotte Rothfuchs, Ulrich Vetter, und Hans Hofsäss
  
• DPG Frühjahrtagung Berlin, 2015; Resolution limits of ohmic simulations for proton beam writing in p-GaAs
  Alrik Stegmaier, Tristan Koppe, Charlotte Rothfuchs, Ulrich Vetter, und Hans Hofsäss
  
• DPG Frühjahrtagung Regensburg, 2016; Electrochemical etching of proton irradiated p-GaAs
  Alrik Stegmaier, Ulrich Vetter, und Hans Hofsäss
  
• ICEM-Tagung Singapur, 2016; Modelling and Experimental Studies of Proton Beam Writing in p-GaAs
  Alrik Stegmaier, Ulrich Vetter, und Hans Hofsäss
  
• DPG Frühjahrtagung Dresden, 2017; Electrochemical etching of GaAs, InP and InSb after ion irradiation
  Alrik Stegmaier, Ulrich Vetter, and Hans Hofsäss
  
• DPG Frühjahrtagung Dresden, 2017; Proton Beam Writing in Alq3
  Clemens Beckmann, Alrik Stegmaier, Ulrich Vetter, und Hans Hofsäss
  
• DPG Frühjahrtagung Dresden, 2017; Source, accelerator and micro-beam line upgrade of the Göttingen proton beam writing facility at MaRPel
  Alrik Stegmaier, Hans Hofsäss, Stefan Nießner, Clemens Beckmann, and Ulrich Vetter
  
• Quadrupole lens alignment with improved STIM and secondary electron imaging for Proton Beam Writing; Nucl. Instr. Meth. B 404 (2017) 74-80
  S. Quershi, P.S. Raman, A. Stegmaier, J.A. van Kan