< Terug naar vorige pagina

Project

Ontwikkeling en karakterisatie van nano- en micro-referentiestructuren voor 3D chemische analyse

De industrie evolueert gestaag naar complexe 3D-architecturen en gebruikt steeds geavanceerdere materialen en heterogene systemen, met zowel organische als anorganische stoffen. De prestaties van dergelijke complexe 3D-systemen worden uiteraard mee bepaald door de elementaire 3D-distributies, bijv. distributie van doteringsmiddelen, of chemische samenstellingen op nanometerschaal. 3D-metrologie moet daarom een nauwkeurige elementaire en chemische meetoplossing aanreiken met een ruimtelijke 3D-resolutie (zowel lateraal als in de diepte), tot aan de nanometerschaal in overeenstemming met de behoeften van de industrie (bijv. tot subnanometerschaal voor de halfgeleidermarkt). In deze context behoren looptijd-spectrometrie van secundaire ionenmassa (ToFSIMS), röntgenfluorescentie met inval onder een schuine hoek (GIXRF) en atoomsonde-tomografie (APT) tot de potentiële methoden om dergelijke ruimtelijke 3D-resolutie tot stand te brengen. Ondanks de recente verbeteringen om van ToFSIMS en GIXRF betrouwbare 3D-meettechnieken te maken, is de metrologie van dergelijke analysen nog niet goed geëvalueerd. Dit komt voornamelijk door de afwezigheid van 3D-referentiematerialen en kalibratiestandaarden. Anderzijds is APT een inherent driedimensionale techniek die elementaire identificatie en kwantificatie met resolutie dicht bij het atomische niveau mogelijk maakt. Net zoals de eerder genoemde technieken, wordt ook de metrologische beoordeling van APT-analyse belemmerd door de afwezigheid van geschikte referentiematerialen.

In dit project hebben wij verscheidene goed gekenmerkte organische-anorganische 3D-microstructuren ontwikkeld als potentieel referentiemateriaal (RM) voor 3D ToFSIMS. Om de 3D-nanostructuren te vergelijken met de kenmerkende dimensies onder 20 nm als een testsysteem voor GIXRF-analyse, hebben wij de zelfopbouw van diblokcopolymeren (DBC's) gebruikt als het lithografiemasker. Wij hebben ook de patroonoverdracht op sub-20 schaal in het Si-substraat in detail bestudeerd.

Om een potentieel referentiemateriaal voor APT te ontwikkelen, hebben wij de verschillende aspecten van APT-analyse in detail bestudeerd inclusief ionbanen, gezichtsveld (FOV) en kalibratie van de verschillende reconstructieparameters. Het FOV voor zowel halfronde als met UV-laser geïnduceerde asymmetrische puntvorm werd in detail bestudeerd. Daarnaast hebben wij een nieuw ontwerp voor een APT-monster voorgesteld, dat het FOV maximaliseert en het mogelijk maakt om het volledige monstervolume te onderzoeken in APT (beeldvorming met volledige punt). Wij hebben de uitvoerbaarheid van beeldvorming met volledige punt zowel numeriek (eindige-elementenanalyse) als experimenteel aangetoond. Hiervoor werd een proces van monstervoorbereiding ontwikkeld op basis van standaardlithografie en etstechnieken, waarmee meerdere APT-monsters kunnen worden voorbereid op herhaalbare wijze en met minimale variaties van punt tot punt voor wat de puntstraal en schachthoek betreft. De ontwikkelde beeldvormingsfunctie met volledige punt kan de weg vrijmaken voor de beoordeling van de onzekerheid voor alle reconstructieparameters en zou kunnen leiden tot een meer betrouwbare 3D-gegevensreconstructie in APT met de kwantificeerbare onzekerheden. In afwezigheid van het gecertificeerde referentiemateriaal voor APT hebben wij een goed gekenmerkt (d.w.z. traceerbaar) B-gedoteerd SiGe-referentiesysteem (d.w.z. stuk wafer) ontwikkeld. Op basis van deze referentie werden de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van APT-analyse met betrekking tot Ge- en B-kwantificatie over het monstervolume geëvalueerd met behulp van UV- en groene lasers en in verschillende experimentele omstandigheden (elektrisch veld). 

Tevens werd de uitvoerbaarheid van APT-analyse van een organisch-anorganisch systeem op basis van een nanocomposiet van polyaniline (Pani) en poreus silicium (PSi) in detail geëvalueerd. We hebben aangetoond dat dergelijk complex systeem geanalyseerd kan worden met APT, waarbij de 3D-distributie van de samenstelling (laterale en diepte-distributie) werd geïdentificeerd volgens de distributie van monoatomische ionen. De resterende uitdagingen voor dergelijke analyse werden behandeld en een mogelijke oplossing werd voorgesteld.

Datum:8 feb 2017 →  8 jul 2019
Trefwoorden:Material Characteriazation
Disciplines:Nucleaire fysica, Toegepaste wiskunde, Elementaire deeltjesfysica en hoge-energie fysica, Kwantumfysica, Onderwijskunde, Klassieke fysica, Andere fysica, Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica
Project type:PhD project