Vrijstaande 'thin films' worden gebruikt in een aantal verschillende toepassingen, zoals diverse micro-elektromechanische systemen en dunne vrijstaande membranen om transparante vensters te maken voor elektronen, röntgenstralen en extreem ultraviolet. In zijn doctoraatsproject heeft Dr. Airat Shafikov de mechanische breuk van dergelijke vrijstaande dunne films bestudeerd en nieuwe technieken ontwikkeld om hun breukeigenschappen te karakteriseren. Voor dit werk is hij cum laude gepromoveerd.
Toepassing
De motivatie voor dit project kwam voort uit een van de meest fascinerende voorbeelden van vrijstaande 'thin film'-toepassingen: het EUV-vlies. Dit is een groot membraan dat EUV-lithografiemaskers beschermt tegen vervuiling. Het vlies moet transparant zijn voor EUV-licht. Daarom moet deze extreem dun zijn, meestal rond de 20 nm. Zo'n hoge verhouding tussen grootte en dikte maakt EUV-vliezen kwetsbaar.
In zijn PhD-project richtte Shafikov zich op een van de mogelijke materialen voor het maken van vliezen - metaalsiliciden. Met verschillende experimentele technieken en modellering onderzocht hij het verband tussen de samenstelling, de structuur op nanoschaal en de mechanische eigenschappen van deze siliciden. Hij bepaalde de beste synthese van deze silicide thin film en bood uiteindelijk verbeterde mechanische prestaties voor toekomstige vliezen. Hij ontdekte dat door de metaal-siliciumverhouding en de gemiddelde korrelgrootte te controleren, de breuksterkte te verbeteren is terwijl de interne spanning wordt verminderd. Hierdoor kunnen de onderzoekers thin films maken die minder snel breken.
Figuur 1: Een EUV-vlies (ASML)
Figuur 2. Hogesnelheidsopname van breuk van het miniatuur metaalsilicide vlies.
Breuktesten
Naast een beter begrip van de mechanische eigenschappen boekte Shafikov ook vooruitgang in de methodologie van breuktesten van deze vrijstaande thin films. Het bestuderen van breuken van deze thin films op nanoschaal is een inherente uitdaging, omdat de monsters vanwege hun kleine omvang en breekbaarheid zeer zorgvuldig moeten worden behandeld, uitgelijnd en belast. In dit project ontwikkelde hij een eenvoudige en robuuste techniek waarmee het proces van scheurgroei in vrijstaande thin films rechtstreeks kan worden geobserveerd en bestudeerd.
Thin-filmteststructuren worden geprepareerd op een siliciumchip en mechanisch belast door de chip te buigen. Door de hele test op de chip uit te voeren, hoeven de microscopische teststructuren niet te worden gehanteerd en kunnen vele structuren op één enkele testwafer worden gemaakt. Dit biedt ofwel veel betere statistieken, ofwel vele varianten in teststructuur in één keer.
Figuur 3. On-chip dunne film teststructuren.
Erkenning en succes
"Om te illustreren hoe impactvol het werk van Airat is geweest, merken we op dat naast vier peer-reviewed papers, zijn werk aan vliezen ook heeft geleid tot één patentaanvraag in samenwerking met ASML", zegt zijn promotor Prof. Dr. Ir. Jos Benschop. Zijn on-chip teststructuren hebben geleid tot samenwerking met groepen in België (Leuven, Antwerpen) die ze zullen gebruiken om de mechanische eigenschappen van een veel bredere familie van materialen te begrijpen. En zijn ultradunne membranen worden nu ook gebruikt in andere projecten binnen de XUV-optiekgroep, bijvoorbeeld in XFEL (Hamburg) en TEM (Saclay) experimenten, waar zij dienen als steunvensters.
Meer informatie
Dr. Airat Shafikov verdedigde op 16 september met succes zijn proefschrift. Hij is cum laude afgestudeerd. Zijn proefschrift, getiteld 'Fracture Behavior and Characterization of Free-standing Metal Silicide Thin Films', kan online worden gelezen.
Deze succesvolle promotie betekent het einde van een tienjarige opdracht van Prof. Dr. Ir. Jos Benschop als "NNV hoogleraar Industriële Natuurkunde" aan de Universiteit Twente. Volgens Benschop is dit werk een uitstekend voorbeeld van hoe real-life uitdagingen van de industrie (zoals EUV-vliezen) natuurkunde van wereldklasse vereisen, waarbij nieuwe experimentele methoden worden gecombineerd met modellering, zoals Shafikov heeft aangetoond in de XUV Optics groep aan de Universiteit Twente.
