Układy cienkowarstwowe cz. II Czym są i do czego mogą się nam przydać? Rodzaje mechanizmów wzrostu cienkich warstw Sposoby wytwarzania i modyfikacja cienkich warstw półprzewodnikowych czyli... Jak zrobić mikroprocesor? Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 1
Reakcje chemiczne na powierzchni A + B C + D Reakcja zachodzi pomiędzy dwoma zaadsorbowanymi składnikami Proces Langmuira - Hinshelwooda Reakcja zachodzi pomiędzy składnikiem zaadsorbowanym na powierzchni i składnikiem znajdującym się w fazie gazowej Proces Eley a Rideal a CO CO (ads) O 2 2 O (ads) CO(ads) + O(ads) CO 2 Coś pomiędzy KATALIZA O 2 2 O (ads) O(ads) + CO CO 2 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 2
Tworzenie cienkich warstw Na powierzchni osadzamy dodatkowe cząstki Depozycja chemicznych par metalotlenkowych Metaloxide Chemical Vapor Deposition MOCVD Tworzenie cienkich warstw ze złożonych materiałów półprzewodnikowych Osadzane cząstki Epitaksja z wiązki molekularnej Molecular Beam Epitaxy MBE Tworzenie cienkich warstw z półprzewodników i izolatorów Podłoże Gaz transportujący H 2 Podłoże Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 3
MOCVD 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 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 4
Przykład MOCVD Wytwarzanie warstwy CdTe (CH 3 ) 2 Cd + (C 2 H 5 ) 2 Te + 2 H 2 CdTe + 2 CH 4 + 2C 2 H 6 Ala jak to przebiega? Proponowany cykl (proces Langmuir-Hinshelwood) 1) 2) 3) 4) (CH 3) 2Cd (CH3) 2Cd(ads) (C2H5) 2Te (C2H 5) 2Te(ads) (CH ) Cd(ads) + 1/ 2H (CH (CH 3 3 2 )Cd(ads) + 1/ 2H Cd(ads) + (C 2 H 5 ) 2 2 2 Te(ads) + H 2 3 )Cd(ads) + CH Cd(ads) + CH 4 CdTe(ads) + 2C 4 2 H 6 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 5
Epitaksja z wiązki molekularnej Wzrost epitaksjalny wzrost przy, którym nanoszona warstwa odtwarza strukturę podłoża Osadzane 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 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 6
Heteroepitakcja 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" 7
Fizyczny model epitakcji Przylot E ads Odparowanie Dyfuzja powierzchniowa E dyf E des E nukl Pułapkowanie na defektach Nukleacja Interdyfuzja Efektywność procesu ~ exp( E x /k B T), gdzie x ads, dyf, des, nukl. Pułapkowanie na krawędziach Uproszczony potencjał oddziaływania atomu z kryształem w pobliżu uskoku Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 8
Rodzaje wzrostu cienkich warstw Warstwa po warstwie Frank-Van der Merwe Występuje głównie dla homoepitaksji Wzrost pośredni Stranski-Krastanov Wzrost wyspowy Volmer-Weber Rodzaj wzrostu zależy od stopnia zwilżania poszczególnych składników Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 9
Jak stwierdzić czy wzrost następuje warstwa po warstwie? Zmiana natężenia wiązki centralnej w REED Otwarcie komórki Ga Zamknięcie komórki Ga Natężenie Czas ( s ) Maksima występują, gdy powstaje pełna warstwa Liczba osadzonych warstw Czas Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 10
Układ MBE Układy: 1. Naparowywania 2. Kontroli grubości i jakości warstwy Komórka efuzyjna (wytwarza pary danego materiału) Próżnia ~ 10-9 Pa Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 11
Jak mierzyć grubość warstwy? Spektrometria RHEED Spektrometria Auger a Waga kwarcowa Elipsometria Spektrometria Auger a Ekspozycja Cu w monowarstwach Depozycja Cu na podłożu Mo(100) Mierzymy spadek sygnału podłoża w funkcji czasy depozycji warstwy 1 warstwa Osłabienie sygnału ~ stopnia pokrycia (liniowe) Punkty załamania wskazują na powstanie pełnej warstwy Bo... Przejście z 1 na 2 warstwy Osłabienie ~ exp(-d/λ) (nieliniowe) Amplituda Auger a ( j.u. ) Czas depozycji ( s ) Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 12
Waga kwarcowa Płytka kwarcowa Generator wymuszający Warstwa 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 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 13
Np. Półprzewodniki Krzem German GaAs Elektronika Wytwarzanie: wzrost kryształów Pasmo przewodnictwa Przerwa wzbroniona E g Pasmo walencyjne Optoelektronika Szerokość przerwy wzbronionej ~ energia fotonów E g = 1.9 dla λ = 653 nm Np. GaAs AlGaAs CdTe Wytwarzanie: MBE lub MOCVD Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 14
Przewodność półprzewodników Si Gęstość elektronów w Si w T=300K ~10 16 m -3 W 1 m 3 znajduje się ~ 5 x 10 28 atomów Si Co zrobić, aby zwiększyć liczbę elektronów o 6 rzędów? Dodać domieszkę, która uwolni 1 elektron (domieszka pięciowartosciowa) Ile potrzebujemy takich domieszek? 10 16 m -3 10 6 = 10 22 domieszek m -3 1 atom domieszki na 5 10 6 atomów Si Spektrometria masowa!!! Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 15
Modyfikacja własności elektrycznych półprzewodnika Domieszkowanie Si, Ge Domieszki pięciowartościowe Domieszki trójwartościowe Pasmo przewodzenia Poziom donorowy Poziom akceptorowy Pasmo walencyjne Półprzewodnik typu n Półprzewodnik typu p Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 16
Złącze p-n Pasmo przewodnictwa Pasmo walencyjne Nie przewodzi Przewodzi Zewnętrzne napięcie Jak utworzyć dużo takich złączy? Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 17
Metody modyfikacji cienkich warstw Modyfikacja kształtu: litografia fotonowa litografia jonowa litografia elektronowa + trawienie chemiczne Modyfikacja struktury elektronowej: Domieszkowanie: dyfuzja implantacja jonowa Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 18
Techniki litograficzne Wzorzec Soczewka Wafelek Si 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 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 19
Litografia optyczna a litografia jonowa i elektronowa Litografia optyczna Szybka Minimalna wielość ograniczona przez λ Obecnie 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 Jak przenieść wzór maski na wafelek? Warstwy rezystywne + trawienie Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 20
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 O n C 18 H 37 SiCl 3 (C 18 H 37 SiO x ) n (OTS) (ODS) (2.5 mm in C 16 H 34 :CCl 4 ) O Si O O O Si Si O O O O Si O O Si O O Si O Si O O O Si O Si O Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 21
Wpływ wiązki elektronowej na warstwę OTS Przed C-H przed Wiązka e - lub fotonów po 2700 2800 2900 3000 3100 Po C-O C=O Uszkodzony rejon ma inną strukturę chemiczną (jest silniej lub słabiej związany) COO - po 130 0 140 0 150 0 160 0 170 0 180 0 190 0 200 0 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 22
Trawienie chemiczne Trawienie służy do usunięcia zmodyfikowanej (litografia dodatnia) lub niezmodyfikowanej warstwy rezystywnej (litografia ujemna). Metoda mokra Uszkodzona warstwa jest rozpuszczana Litografia dodatnia Metoda sucha OTS na SiO 2 /Si. Ścieżki głębokie na 25 nm Roztwór trawiący: NH 4 F:HF:H 2 O + KOH Usunięcie warstwy następuje przez oddziaływanie plazmą Litografia ujemna ODT na GaAs. Wzór o wysokości 60 nm Trawiono plazmą: Cl 2 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 23
Problemy Grubość warstwy rezystywnej Wiązka litograficzna Wiązka litograficzna PMMA (m ~10 4 ) SiO 2 /Si Gruba warstwa 0.1µm SiO 2 /Si Cienka warstwa d~2.5 nm ~0.1µm ~5nm SiO 2 /Si SiO 2 /Si Może warstwy SAM? Szerokie ścieżki Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 24
Domieszkowanie przez dyfuzję Materiał półprzewodnikowy jest wygrzewany w atmosferze zawierającej domieszki, które chcemy wdyfundować do wnętrza. Metoda jest mało precyzyjna i obecnie już nie używana Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 25
Implantacja jonowa Profil liczby jonów zdeponowanych na głębokości z Domieszkowanie bezpośrednie B B B + + + B + Domieszkowany krys ztał Domieszkowanie wtórna Zaadsorbowana warstwa Podczas bombardowania stopniowo zwiększmy energię deponowanych jonów z E 1 do E n Domieszkowany krys ztał Kontrolujemy energię wiązki i czas implantowania (proste technologicznie) Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 26
Cały cykl produkcyjny Scientific American Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 27
... i efekt końcowy Wnętrze hali, gdzie wytwarzane są procesory Athlon (fabryka w Dreźnie) Płytka krzemowa zawierająca procesory Athlon Chip, 2 2001 Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 28
Tranzystor polowy MOSFET Szerokość kanału pomiędzy drenem (D) a źródłem (S) zależy od napięcia na bramce (G) Przełącznik cyfrowy Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 29
Wytwarzanie układów MEMS Mesoscopic Mechanical Systems maska maska Etapy tworzenia MEMS: a. przygotowanie układu wielowarstwowego b. wytrawienie maski c. wytrawienie nieosłoniętych elementów d. usunięcie maski Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 30
Przykłady MEMS Łożysko Mikromanipulator Płytka na zawiasach Mikrosilnik Sterowane lustra Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 31
Dokąd zmierzasz mikroelektroniko? Zmniejszenie wymiarów Litografia elektronowa Litografia promieniami X Nanotechnologie Wytwarzanie urządzeń z pojedynczych atomów Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 32
Litografia falą stojącą Appl. Surf.Sci. 141 (1999) 210 Atomy Deponowane linie Linie z Cr Fala stojąca Kropki z Cr Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 33
Co za tydzień? Nanostruktury i nanotechnologie Układy mezoskopowe Nanostruktury (druty i kropki kwantowe) Efekty kwantowe w nanostrukturach Przykłady nanostruktur w elektronice i optoelektronice Nanotechnologie Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 34
Sposoby tworzenia warstwy GaAs Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 35