Pattern formation on Si surfaces by low-energy ion beam erosion

Abstract

Self-organization by low-energy ion beam erosion provides an alternative route for the fabrication of nanostructures on different materials in only one step. This study focuses on the experimental analysis of erosion of Si surfaces using a broad-beam ion source, exploring the underlying mechanisms of pattern formation. The correlation of the topography evolution with different erosion parameters was studied; namely, ion beam incidence angle, ion energy, fluence, as well as other specific parameters of the broad-beam ion source were analyzed. At near normal incidence nanopatterns were formed only when Fe atoms were simultaneously incorporated during ion erosion, otherwise, the surface remained smooth. For the given experimental setup, the Fe flux can be regulated by the ion beam parameters. Among the nanopatterns formed, ripples with wavelength ~ 40 nm — 70 nm and amplitude up to ~ 10 nm are of special interest due to their high regularity. Although the physical mechanisms behind the topography evolution are not completely understood, a complex interplay between Fe incorporation, curvature dependent sputtering and different relaxation mechanisms seems to be responsible for the pattern formation. At higher incidence angles, on the other hand, it is evident that angle dependent sputtering dominates the topography evolution and larger structures evolved. It is shown that the topography can be tuned, up to certain degree, choosing the appropriate parameters.

Selbstorganisationprozesse bei der niederenergetischen Ionenstrahlerosion sind ein interessanter alternativer Ansatz für die Herstellung von Nanostrukturen mit geringem technologischem Aufwand. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf dem experimentellen Verständnis der Musterbilding auf Si-Oberflächen bei der Erosion unter Verwendung von Breitstrahlionenquellen. Iinsbesondere wurde die Korrelation zwischen den entstehenden Oberflächentopographien und den verschiedenen relevanten Erosionsparametern (z. B. Einfallswinkel der Ionen, Ionenenergie, Fluenz) analysiert. Für kleine Einfallswinkel (zur Oberflächennormalen) können nur mit simultanem Einbau von Eisen Muster entstehen, andernfalls bleiben die Oberflächen glatt. Der Fe-Fluss wird durch verschiedene Quellenparamter kontrolliert. Bei den entstehenden Mustern sind vor allem hoch-geordnete Ripple-Strukturen mit Perioden zwischen 40 und 70 nm und Amplituden von ca. 10 nm von speziellem Interesse. Obwohl noch nicht endgültig aufgeklärt, geht man davon aus, dass die Musterbildung durch das komplexe Wechselspiel zwischen Eiseneinbau, dem krümmungsabhängigen Zerstäubungsprozess sowie verschiedenen Relaxationsprozessen verursacht wird. Für größere Ioneneinfallswinkel konnte gezeigt werden, dass der Mechanismus des gradienten-abhängigen Zerstäubens die Entwicklung der Oberflächentopographie maßgeblich bestimmt. Insgesamt ist es möglich, dass durch die geeignete Parameterwahl ein Vielzahl von Oberflächentopographien zu realisieren.