Fizyka powierzchni od kuchni Jak uzyskać i zmierzyć próżnię? Jak otrzymać czystą powierzchnię? Układy cienkowarstwowe Czym są i do czego mogą się nam przydać? Rodzaje mechanizmów wzrostu cienkich warstw Sposoby wytwarzania i modyfikacja cienkich warstw półprzewodnikowych Aparatura próżniowa Układ pompowy Komora badawcza Komora załadowcza (wprowadzanie próbek bez zapowietrzania komory) Zawory Detektory i spektrometry (LEED, RHEED, AES, UPS, TDS, XPS, QMS, SIMS, ISS) Schemat układu badawczego ZDF UJ czyli... Jak zrobić mikroprocesor? Pompy rotacyjne Pompy turbomolekularne Mechanizm pompowania: Nadawanie cząsteczkom gazu kierunkowego momentu ruchu, przez szybko wirującą powierzchnię - kierunkowe sprężanie gazu Wygląd łopatek wirnika Wlot Wlot Wylot Wylot Próżnia początkowa 10 5 Pa Próżnia końcowa ~ 0.1 Pa Używana jako pompa wstępna Cząstki padające od strony wlotu Próżnia końcowa 10-8 Pa (musi współpracować z pompą rotacyjną) Kierunek obrotu Kierunek obrotu Cząstki padające od strony wylotu Zalety: - łatwa w użyciu - pompuje od ciśnienia atmosferycznego - pompuje wszystkie gazy Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 1
Pompy jonowe i sorpcyjne Pompy kriogeniczne Materiał pompujący: tytan, tantal (metale aktywne chemicznie) - + + - + + Zalety: - łatwa w eksploatacji -duża prędkość pompowania - czysta pompa Mechanizm pompowania: dysocjacja cząstek i adsorpcja na ściankach anody (pompa jonowa) zamurowywanie cząsteczek gazu atomami tytanu (pompa jonowa i sublimacyjna) Świeża warstwa tytanu: Rozpylanie pompy jonowe Parowanie z rozgrzanej powierzchni pompy sublimacyjne Próżnia początkowa ~10 0 Pa Próżnia końcowa: < 10-8 Pa Wady: -słabo pompuje gazy szlachetne -słabo pompuje CH 4 Sprężarka helowa Dysza Węgiel aktywny T 4 K Chłodzony palec Próżnia końcowa: 10-10 Pa Mechanizm pompowania: adsorpcja na zimnej powierzchni (4 K) Mechanizm chłodzenia: wykorzystuje zjawisko Joula-Thompsona (rozprężanie adiabatyczne helu) Zalety: - pompuje wszystkie gazy z wyjątkiem helu -duża prędkość pompowania - bardzo czysta pompa -umożliwia osiągnięcie najniższych ciśnień Wady: - kosztowna -drga Pomiar ciśnienia Próżniomierze jonizacyjne (10-1 10-10 Pa) Uproszczony schemat głowicy próżniomierza Anoda (siatka) - Kolektor jonów Katoda Zależność I k od ciśnienia p Gaz w komorze jest jonizowany w zderzeniach z elektronami wytworzonymi przez gorącą katodę i przyspieszonymi w polu elektrycznym pomiędzy katodą a siatką (U~100 V). Wytworzone dodatnie jony gazu są przyciągane do kolektora. W układzie jest mierzony prąd kolektora jonów I kj. W pewnym zakresie ciśnień p, I kj =S I A p, gdzie I a jest prądem anodowym, a S współczynnikiem czułości głowicy. + - I kj =S I A p Cykl pompowy 1. Pompą rotacyjną odpompować poniżej 1 Pa 2. Pompą turbomolekularną odpompować poniżej 10-4 Pa 3. Wygrzanie komory ~140 o Cprzez 1-2 dni przy pracującej pompie turbomolekularnej (desorpcja gazu ze ścianek komory) 4. dciąć połączenie do pompy turbomolekularnej a otworzyć dostęp do pompy jonowej lub kriogenicznej (10-9 10-10 Pa). Pompowanie do ciśnienia 10-9 Pa trwa zwykle 7-10 dni Czas pompowania możemy skrócić, gdy zapowietrzymy komorę azotem Azot przykleja się do ścianek i blokuje dostęp tlenowi i wodzie. Energia wiązania azotu do powierzchni stali nierdzewnej jest mniejsza niż energia wiązania tlenu, a więc łatwiej go usunąć. Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 2
Jak uzyskać czystą powierzchnię? Usuwanie węgla z powierzchni metoda chemiczna Liczba cykli > 5 Rozpylanie jonowe 0.5 kev Ar, ślizgowo Usunięcie najsilniej związanych zanieczyszczeń Zniszczenie powierzchni C silnie wiąże się z powierzchnią Wygrzanie tarczy w obecności 2 C+ 2 C 2 Na powierzchni pozostaje tlen C 2 jest słabiej związany z powierzchnią niż C Wygrzanie w wysokiej temperaturze Wygładzenie powierzchni (dyfuzja) Usunięcie słabiej związanych cząstek (desorpcja termiczna) Segregacja zanieczyszczeń do powierzchni W każdym kolejnym cyklu uzyskujemy mniej zanieczyszczeń w warstwie powierzchniowej Usuwanie tlenu Wygrzanie w obecności H 2 2 H 2 + 2 2 H 2 Podgrzać tarczę do T>100 o C woda odparuje Reakcje chemiczne na powierzchni A + B C + D Tworzenie cienkich warstw Na powierzchni osadzamy dodatkowe cząstki Reakcja zachodzi pomiędzy dwoma zaadsorbowanymi składnikami Proces Langmuira - Hinshelwooda C C (ads) 2 2 (ads) C(ads) + (ads) C 2 Coś pomiędzy KATALIZA Reakcja zachodzi pomiędzy składnikiem zaadsorbowanym na powierzchni i składnikiem znajdującym się w fazie gazowej Proces Eley a Rideal a 2 2 (ads) (ads) + C C 2 Depozycja chemicznych par metalotlenkowych Metaloxide Chemical Vapor Deposition MCVD Tworzenie cienkich warstw ze złożonych materiałów półprzewodnikowych Podłoże sadzane cząstki Gaz transportujący H 2 Epitaksja z wiązki molekularnej Molecular Beam Epitaxy MBE Tworzenie cienkich warstw z półprzewodników i izolatorów Podłoże Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 3
MCVD Transport materiału na powierzchnię zachodzi poprzez hydrodynamiczny napływ organometalicznych molekuł. Rolę gazu transportującego pełni H 2. Proces zachodzi pod ciśnieniem atmosferycznym. Fizykochemia procesów chemicznych zachodzących na powierzchni jest wciąż nieznana Brak technik pomiarowych pracujących przy takich ciśnieniach Nanoszenie zachodzi w niskich temperaturach i bez próżni Doskonale Zastosowania przemysłowe Nie wszystko można tą metodą osadzić 1) 2) 3) 4) Przykład MCVD Wytwarzanie warstwy CdTe (CH 3 ) 2 Cd + (C 2 H 5 ) 2 Te + 2 H 2 CdTe + 2 CH 4 + 2C 2 H 6 3 2 3 Ala jak to przebiega? Proponowany cykl (proces Langmuir-Hinshelwood) (CH3) 2Cd (CH3) 2Cd(ads) (C2H5) 2Te (C2H5) 2Te(ads) (CH ) Cd(ads) + 1/ 2H (CH )Cd(ads) + CH (CH )Cd(ads) + 1/ 2H Cd(ads) + CH 2 5 2 2 2 Cd(ads) + (C H ) Te(ads) + H CdTe(ads) + 2C H 2 3 4 4 2 6 Epitaksja z wiązki molekularnej Wzrost epitaksjalny wzrost przy, którym nanoszona warstwa odtwarza strukturę podłoża Heteroepitakcja sadzane cząstki są naparowywane na podłoże Epitaksja Homoepitakcja Heteroepitakcja Nanoszony materiał ma tą samą stałą sieciową co podłoże Nanoszony materiał ma inną stałą sieciową niż podłoże Jeżeli niedopasowanie stałych sieciowych jest < 5 % to jest możliwy wzrost epitaksjalny warstwy o pewnej grubości d. Później powstają dyslokacje Jeżeli niedopasowanie stałych sieciowych jest > 5 %, to już na styku warstw powstają dyslokacje. Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 4
Układy cienkowarstwowe Fizyczny model epitakcji Rodzaje wzrostu cienkich warstw Przylot Dyfuzja dparowanie powierzchniowa Eads Edes Edyf Enukl Pułapkowanie na defektach Nukleacja Warstwa po warstwie Frank-Van der Merwe Występuje głównie dla homoepitaksji Interdyfuzja Wzrost pośredni Stranski-Krastanov Efektywność procesu ~ exp( Ex/kBT), gdzie x ads, dyf, des, nukl. Wzrost wyspowy Volmer-Weber Pułapkowanie na krawędziach Rodzaj wzrostu zależy od stopnia zwilżania poszczególnych składników Uproszczony potencjał oddziaływania atomu z kryształem w pobliżu uskoku Jak stwierdzić czy wzrost następuje warstwa po warstwie? Układ MBE Zmiana natężenia wiązki centralnej w REED 1. Naparowywania 2. Kontroli grubości i jakości warstwy Zamknięcie komórki Ga Natężenie twarcie komórki Ga Układy: Komórka efuzyjna (wytwarza pary danego materiału) Czas ( s ) Maksima występują, gdy powstaje pełna warstwa Liczba osadzonych warstw Czas Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 Próżnia ~ 10-9 Pa 5
Jak mierzyć grubość warstwy? Spektrometria RHEED Spektrometria Auger a Depozycja Cu na podłożu Mo(100) Mierzymy spadek sygnału podłoża w funkcji czasy depozycji warstwy 1 warstwa słabienie sygnału ~ stopnia pokrycia (liniowe) Punkty załamania wskazują na powstanie pełnej warstwy Bo... Spektrometria Auger a Przejście z 1 na 2 warstwy słabienie ~ exp(-d/λ) (nieliniowe) Amplituda Auger a ( j.u. ) Waga kwarcowa Ekspozycja Cu w monowarstwach Elipsometria Płytka kwarcowa Warstwa Waga kwarcowa Generator wymuszający Generator częstości radiowej ν ο ~6MHz ν 0 częstość drgań własnych płytki ν 0 (masa,temperatura) = α(t) masa Dla NaCl α(23 o C) = 1 Å/Hz Czas depozycji ( s ) Elipsometria Półprzewodniki Elektronika Pasmo przewodnictwa laser He-Ne polaryzator E s in E p in E p out Warstwa metalu na E s out analizator Np. Krzem German GaAs Wytwarzanie: wzrost kryształów Przerwa wzbroniona E g Pasmo walencyjne Zmiana stanu polaryzacji out p in E tan Ψ exp(i ) = E E E out s in mierzymy Ψ i Grubość warstwy/pokrycie ptoelektronika Szerokość przerwy wzbronionej ~ energia fotonów E g = 1.9 dla λ = 653 nm Np. GaAs AlGaAs CdTe Wytwarzanie: MBE lub MCVD Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 6
Przewodność półprzewodników Gęstość elektronów w w T=300K ~10 16 m -3 W 1 m 3 znajduje się ~ 5 x 10 28 atomów Co zrobić, aby zwiększyć liczbę elektronów o 6 rzędów? Dodać domieszkę, która uwolni 1 elektron (domieszka pięciowartosciowa) Modyfikacja własności elektrycznych półprzewodnika Domieszkowanie, Ge Domieszki pięciowartościowe Domieszki trójwartościowe Pasmo przewodzenia Ile potrzebujemy takich domieszek? Poziom donorowy Poziom akceptorowy 10 16 m -3 10 6 = 10 22 domieszek m -3 Pasmo walencyjne 1 atom domieszki na 5 10 6 atomów Spektrometria masowa!!! Półprzewodnik typu n Półprzewodnik typu p Złącze p-n Metody modyfikacji cienkich warstw Pasmo przewodnictwa Modyfikacja kształtu: litografia fotonowa Pasmo walencyjne litografia jonowa litografia elektronowa + trawienie chemiczne Zewnętrzne napięcie Nie przewodzi Przewodzi Modyfikacja struktury elektronowej: Domieszkowanie: dyfuzja implantacja jonowa Jak utworzyć dużo takich złączy? Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 7
Techniki litograficzne Litografia optyczna a litografia jonowa i elektronowa Wzorzec Soczewka Wafelek Litografia optyczna Szybka Minimalna wielość ograniczona przez λ becnie λ =243 nm Badania nad λ =193 nm Praca w pomieszczeniu bezpyłowym!!! Litografia elektronowa Wolna Minimalna wielość przez efekty kwantowe Służy do wytwarzania wzorców i prototypowych układów Praca w próżni Litografia optyczna (potrzebny jest wzorzec) Zdolność rozdzielcza ~ λ/2 Dziś λ = 153 nm Litografia elektronowa i jonowa (wzorzec jest w komputerze) Zdolność rozdzielcza ~ szerokość wiązki Jak przenieść wzór maski na wafelek? Warstwy rezystywne + trawienie Warstwy rezystywne Zadaniem warstwy rezystywnej jest osłonięcie materiału podłoża przed działaniem czynników trawiących. Dlatego warstwa rezystywna powinna być: gęsta, pozbawiona defektów i stabilna Przykład H 2 n C 18 H 37 Cl 3 (C 18 H 37 x ) n (TS) (DS) (2.5 mm in C 16 H 34 :CCl 4 ) Wpływ wiązki elektronowej na warstwę TS C-H Przed przed Wiązka e - lub fotonów po 2700 2800 2900 3000 3100 Po C- C= Uszkodzony rejon ma inną strukturę chemiczną (jest silniej lub słabiej związany) C - po 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 8
Trawienie chemiczne Trawienie służy do usunięcia zmodyfikowanej (litografia dodatnia) lub niezmodyfikowanej warstwy rezystywnej (litografia ujemna). Metoda mokra Problemy Grubość warstwy rezystywnej Wiązka litograficzna Wiązka litograficzna Uszkodzona warstwa jest rozpuszczana Litografia dodatnia PMMA (m ~10 4 ) 2 / Gruba warstwa 0.1µm 2 / Cienka warstwa d~2.5 nm Metoda sucha TS na 2 /. Ścieżki głębokie na 25 nm Roztwór trawiący: NH 4 F:HF:H 2 + KH ~0.1µm 2 / ~5nm 2 / Może warstwy SAM? Usunięcie warstwy następuje przez oddziaływanie plazmą Litografia ujemna DT na GaAs. Wzór o wysokości 60 nm Trawiono plazmą: Cl 2 Szerokie ścieżki Domieszkowanie przez dyfuzję Materiał półprzewodnikowy jest wygrzewany w atmosferze zawierającej domieszki, które chcemy wdyfundować do wnętrza. Profil liczby jonów zdeponowanych na głębokości z Implantacja jonowa Domieszkowanie bezpośrednie B + B + B + B + Domieszkowany kryształ Metoda jest mało precyzyjna i obecnie już nie używana Domieszkowanie wtórna Zaadsorbowana warstwa Podczas bombardowania stopniowo zwiększmy energię deponowanych jonów z E 1 do E n Domieszkowany kryształ Kontrolujemy energię wiązki i czas implantowania (proste technologicznie) Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 9
Układy cienkowarstwowe Cały etap produkcji... i efekt końcowy Scientific American Wnętrze hali, gdzie wytwarzane są procesory Athlon (fabryka w Dreźnie) Płytka krzemowa zawierająca procesory Athlon Chip, 2 2001 Wytwarzanie układów MEMS Mesoscopic Mechanical Systems Przykłady MEMS Łożysko maska Mikromanipulator Płytka na zawiasach Mikrosilnik maska Etapy tworzenia MEMS: a. b. c. d. Sterowane lustra przygotowanie układu wielowarstwowego wytrawienie maski wytrawienie nieosłoniętych elementów usunięcie maski Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 10
Układy cienkowarstwowe Dokąd zmierzasz mikroelektroniko? Litografia falą stojącą Appl. Surf.Sci. 141 (1999) 210 Zmniejszenie wymiarów Atomy Litografia elektronowa Litografia promieniami X Nanotechnologie Wytwarzanie urządzeń z pojedynczych atomów Deponowane linie Linie z Cr Fala stojąca Kropki z Cr Co za tydzień? Struktura elektronowa powierzchni i efekty kwantowe w nanostrukturach Struktura elektronowa powierzchni Sposoby badania pasm elektronowych - technika UPS Układy mezoskopowe Efekty kwantowe w nanostrukturach (druty i kropki kwantowe) Nanotechnologie Komunikacja kwantowa i komputery kwantowe Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków 2001 11