E. Hulicius: 12NT (Polovodičové) nanotechnologie, FJFI, Cukrovarnická 10, zasedačka v budově A, 2014, pondělí 15:30/45 18:50 (4 hod.): 22.9., 29.9.

Transkript

1 nanotechnologie E. Hulicius: 12NT (Polovodičové) nanotechnologie, FJFI, Cukrovarnická 10, zasedačka v budově A, 2014, pondělí 15:30/45 18:50 (4 hod.): 22.9., 29.9., a exkurse, viz F. Novotný: Kvant. tečky : a a pak někdy na FJFI. Exkurse 4 hoď.: od 15:30/45 do laboratoří MOVPE, MBE a dalších ve FZÚ AV ČR, v.v.i. v Cukrovarnické 10, Praha 6: Polovodičové epitaxní technologie MBE a MOVPE, prof. E. Hulicius + dr. V. Novák, Elektronová-a foto-litografie -dr. V. Jurka, Nanocharakterizace, AFM a STM - dr. A. Fejfar, Nanodiamanty, příprava vlastnosti, aplikace - dr. A. Kromka. Volno: , část listopadu a prosinec. ZK: před-termíny v prosinci od 15:45; či ve FZÚ.

2 CHARAKTERIZACE A DIAGNOSTIKA EPITAXNÍHO RŮSTU A NANOSTRUKTUR

3 Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. 6. In-situ (při růstu) charakterizace a diagnostika. Vysvětlení základních principů měřících metod. Parametry vlastnosti a důvody omezující různé metody. 7. Ex-situ charakterizace a diagnostika vrstev a struktur. Vysvětlení základních principů měřících metod. Ukázky výsledků.

4 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur 6.1. In situ obecné Měření vakua Měření teploty Hmotnostní spektroskopie Absorpční spektroskopie Ramanův rozptyl Laserem indukovaná fluorescence 6.2. In situ povrchové analýzy Difrakční techniky Optické metody Sondové rastrovací metody 6.3. Ex situ Optické metody Elektrické (transportní) RTG difrakce Mikroskopie

5 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur 6.2. In situ povrchové analýzy Difrakční techniky LEED - Difrakce nízkoenergetických elektronů RHEED - Difrakce vysokoenergetických elektronů odrazem GIXS (Grazing Incidence X-ray scattering) Optické metody Reflektance Polarizovaného světla Anizotropická spektroskopie Elipsometrie Polarizovaná spektroskopie Povrchová fotoabsorpce Reflektometrie Rozptyl Laserového světla Ramanův Sondové rastrovací metody AFM STM

6 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur 7.3. Ex situ Optické metody Elektrické (transportní) RTG difrakce Mikroskopie Elektronové SEM TEM Nanoskopické HRTEM X-STM X-AFM

7 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur In-situ - myšleno při růstu v epitaxním (či jiném) reaktoru Při epitaxním růstu bychom rádi znali jaké atomy (molekuly) a v jakém množství se vyskytují v okolí substrátu. Další důležitá informace pro modelování či výpočty je znalost dějů na jeho povrchu.

8 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Vrůstové komoře měříme vakuum (tlak) nebo čistotu nosného plynu (i jeho průtok); teploty substrátu i vypařovaných látek (lokálně i plošně je to netriviální úkol!); na měření typu a koncentrace látek přítomných v růstové komoře používáme hmotnostní spektroskopii. Pro technologii vakuovou MBE je to poměrně snadné a také se může přímo měřit tok molekul z Knudsenovy cely.

9 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Měření zbytkového vakua (tlaku) v růstové komoře: Teplota termočlánku (1 rotačka 10 ( ) ) Piraniho měrka Pt vlákno se žhaví, ohřeje se podle toho jaké je vakuum Penningův měrka Ionty v mg poli oscilují, ionizují zbytkový plyn jehož vodivost se měří Ionizační měrka zbytkový plyn se ionizuje přímo topeným drátkem ( až do torr)

10

11 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Pro MOVPE je použití hmotnostní spektroskopie trochu složitější - musí se podstatně snížit tlak.

12 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur O tom jaké látky se vyskytují v okolí povrchu substrátu můžeme zjistit i pomocí měření absorpční spektroskopie (v UV či viditelné oblasti).

13 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Mnohem lepší prostorové rozlišení na povrchu substrátu, ale s horší citlivostí, nám dává měření Ramanova rozptylu.

14 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Jedna z nejcitlivějších detekčních technik je laserem indukovaná fluorescence. Je možné detekovat i jen 10-8 atomů Si v cm -3.

15

16 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Měření toku (transportu) molekul k povrchu jsou přímá vložení hmotového spektroskopu přímo do toku molekul, nebo měřením rychlosti částic a částeček pomocí Dopplerova efektu.

17 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur In situ povrchové analýzy Difrakční techniky Pro vakuové růstové techniky lze použít: LEED Difrakce nízkoenergetických ( ev) elektronů (Low Energy Electron Diffraction). RHEED Difrakce vysokoenergetických (5 50 kev) elektronů odrazem (Reflection High Energy Electron Diffraction). Metoda číslo jedna pro MBE!

18

19 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur I pro nevakuové růstové techniky lze použít: GIXS Plochý RTG rozptyl(grazing Incidence X-ray scattering) Používá se na studium strukturní analýzy povrchu při MOVPE růstu. Je to studijní metoda, je potřeba silný zdroj rentgenového záření (synchrotron apod.).

20

21 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Optické metody Umožňují monitorování a řízení růstu i pro nevakuové CVD techniky. I když fotony jsou mnohem větší než elektrony a nemohou vidět jednotlivé atomy či molekuly na povrchu, povrchové dvourozměrné krystalografické útvary a jejich změny při růstu, už vidět jsou.

22

23 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Reflektance Obr E R. Polarizovaného světla Obr E a 13. R. Anizotropická spektroskopie, RAS (Reflektanční Anisotropická Spectroskopie) detekuje povrchovou rekonstrukci Obr E a 15. Elipsometrie, SE (Spectr. Ellipsometry) hůř vidí růst jednotlivých monovrstev, funguje však i pro isotropní povrchy a hlavně dobře vidí růst a rozliší i rychlosti růstu. Obr E a 23. E a 26.

24

25

26 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Reflektance Obr E R. Polarizovaného světla Obr E a 13. R. Anizotropická spektroskopie, RAS (Reflektanční Anisotropická Spectroskopie) detekuje povrchovou rekonstrukci Obr E a 15. Elipsometrie, SE (Spectr. Ellipsometry) hůř vidí růst jednotlivých monovrstev, funguje však i pro isotropní povrchy a hlavně dobře vidí růst a rozliší i rychosti růstu. Obr E a 23. E a 26.

27

28 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Reflektance Obr E R. Polarizovaného světla Obr E a 13. Anizotropická spektroskopie, RAS (Refl. Anisotr. Spectr.) detekuje povrchovou rekonstrukci Obr E a 15. Elipsometrie, SE (Spectr. Ellipsometry) hůř vidí růst jednotlivých monovrstev, funguje však i pro isotropní povrchy a hlavně dobře vidí růst a rozliší i rychosti růstu. Obr E a 23. E a 26.

29

30

31 Re{dr/r} 0, C 0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 0,0000-0,0005-0,0010-0,0015-0,0020-0,0025-0,0030-0,0035 GaAs 2x4 GaAs c4x4 GaAs 4x2 GaAs 1x6 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 E [ev]

32 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur naše výsledky na RASu (Reflektanční Anisotropická Spectroskopie)

33 Zdroj a detekce záření Optická dráha, vstupní okno Vrstvy a růstový substrát

34 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Detailnější schéma aparatury a procesu:

35

36 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Na následujících grafech jsou dva typy záznamů výsledků Reflektanční Anisotropické Spectroskopie: 1. Na barevných obrázcích je na ose y čas růstu struktury (od začátku 0 až do konce, což je asi 5000 s), na ose x je vlnová délka odráženého světla. Ve falešných barvách jsou znázorněny změny odrazivosti v průběhu růstu. (Na jednom obr. je i průběh teploty.) 2. Pro dvě zvolené barvy (nejvhodnější jsou v našem případu 2,65 ev a 4,2eV), je časový záznam (na ose x) průběhu odrazivosti. Téměř každá změna růstu (materiál, teplota, rychlost, přerušení, prekursory, ) je jasně vidět a umožňuje nám hodnotit i řídit růst vrstev a struktury.

37

38

39

40

41

42 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Další mimořádně užitečná schopnost Reflektanční Anisotropické Spectroskopie je zviditelnění růstových monovrstvových oscilací :

43

44 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Polarizovaná spektroskopie, PRS (Polarized Refl. Spectr.) a Povrchová fotoabsorpce, SPA (Surface PhotoAbsorption) jsou v podstatě totéž, světlo dopadá na povrch pod úhlem asi 30 kdy je odrazivost malá a i malé změny povrchu vyvolají velké změny odraženého světla. Obr E a 28.

45 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Reflektometrie má v podstatě stejné uspořádání jako RAS, je velmi citlivá na měření optických tlouštěk (srovnatelných s vlnovou délkou světla) optimalizace VCSEL laserových struktur. Hlavně se používá pro přesná měření teploty, díky silné závislosti dielektrické funkce.

46 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Rozptyl Rozptyl laserového světla umožňuje měřit povrchové nehomogenity. Obr E a 31.

47 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Ramanův rozptyl (Ramanova spektroskopie) vypovídá nejen o povrchu, ale i o vlastnostech materiálu složení, vazby, vibrační módy,... Je to velmi silná badatelská metoda. Obr E a 34.

48 Ramanův rozptyl (Ramanova spektroskopie) vypovídá nejen o povrchu, ale i o vlastnostech materiálu složení, vazby, vibrační módy,... Je to velmi silná badatelská metoda.

49 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Sondové rastrovací metody Tyto metody se dají používat i přímo při růstu. Je to však velmi komplikované vibrace, kontaminace technologické aparatury, hrubé ovlivňování růstu,... Převládá jejich používání mimo růstovou komoru a také pro příčné techniky (cross, X-...), kdy se vzorek zlomí a pozorujeme příčný profil struktury to již zcela mimo aparaturu. AFM Mikroskopie meziatomárních sil, (Atomic Force Microscopy) Je vhodná i pro nevodivé vzorky. Nepožadujeme-li atomární rozlišení, je to relativně malá aparatura (ceny od 2 do 10 MKč) STM Rastrovací tunelová mikroskopie, (Scanning Tunneling Microscopy) Je zapotřebí vzorky alespoň trochu vodivé. Dává atomární rozlišení, ceny podle vybavení od 0,5 do 20 MKč) Obr E a 2.

50 Zdroj:

51 STM Rastrovací tunelová mikroskopie, (Scanning Tunneling Microscopy) Je zapotřebí vzorky alespoň trochu vodivé. Dává atomární rozlišení, ceny podle vybavení od 0,5 do 20 MKč) Obr E a 2.

52

53 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Jsou ještě: Generace druhé harmonické SGH (Second Harmonic Generation) - dvoufotonový nelineární proces a Infračervená reflektanční absorpční spektroskopie IRRAS (Infrared Reflection Absorption Spectroscopy), ty však mají v praxi malý význam.

54 7. Ex-situ charakterizace a diagnostika vrstev a struktur. Vysvětlení základních principů měřících metod. Ukázky výsledků. Klasická standardní měření jsou předmětem mnoha jiných přednášek, zde uvedu jen příklady našich měření a ukázky z monografie Kubínek, Vůjtek, Mašláň: Mikroskopie skenující sondou.

55 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Ex situ (i když řadu měření lze dělat aniž vzorek opustí růstovou komoru, nebo ultravakuum) Optické metody Kromě všech optických uvedených v In-situ to jsou fotoluminiscence a elektroluminiscence a jejich varianty. Elektrické (transportní) Nejrůznější měření odporu, vodivosti, kapacity, dále voltampérové charakteristiky, Hallův efekt. RTG difrakce Nyní trochu na ústupu kvůli sondové nanoskopii a TEM, stále ale velmi významná a přesná, často kalibrační metoda (i pro TEM).

56 Dosažená vlnová délka FL InAs/InGaAs QD

57 FL InAs/GaAs QD překrytých InGaAs I PL (arb.u.) E PL (ev) 1508B bez ternaru 1524B 13%In I* B 23%In 1526B 6%In I*35 InGaAs 23% In InAs GaAs Základní stav: 0.86 ev 1.44 m 1. excitovaný stav: 0.93 ev 1.3 m

58 Photoluminescence PL intensity [a.u.] x QD with capping layer Energy [ev] SL thickness: Ac1 2 nm Ac2 3.7 nm Ac3 5 nm Ac4 7.5 nm Ac5 10 nm Ac6 15 nm PL intensity [a.u.] x QD without capping layer A1 2 nm A2 3.7 nm A3 5 nm A4 7.5 nm A5 10 nm A6 15 nm Energy [ev] Maximum PL [ev] Maximum of PL [ev] on SL thickness 0,99 Ac4 A5 A6 0,98 Ac1 Ac5 0,97 A4 Ac6 0,96 0,95 Ac2 Ac3 0,94 0, SL thickness [nm] Energy difference E 1 [mev] Ac2 Ac3 PL intensity [a.u.] 6 E ,8 0,9 1,0 1,1 Emission energy [ev] Ac SL thickness [nm]

59 Srovnání laserů s ternární a supermřížkovou (nebo MQW) aktivní oblastí Ternární InGaAs QW laser InAs/GaAs laser se supermřížkou Optical Power [a.u.] Intensity EL I ex =2 A I ex =2.25 A I ex =2.5 A I ex =3 A T=300 K Emission Energy [ev] T 0 = 109 K Current Density [A/cm 2 ] laser A 25 o C 40 o C 50 o C 60 o C 70 o C 80 o C 85 o C Optical Power [ W] Intensity PL EL I ex =0.46A T=300K Emission Energy [ev] T 0 = 126 K Current Density [A/cm 2 ] laser B 25 C 35 C 45 C 55 C 65 C 75 C 85 C

60 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Mikroskopie Elektronové - SEM a TEM (HRTEM) Sondové - STM (X-STM) a AFM (X-AFM) Nanoskopické (s atomárním rozlišením) z nich jsou: TEM a HRTEM, STM a X-STM AFM a X-AFM

61 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Řádkovací elektronová mikroskopie SEM (Scanning Electron Microscopy) je nesmírně užitečná metoda pro studium polovodičových struktur a heterostruktur. Umožňuje zviditelnit druh materiálu, jeho složeni (RTG mikroanalýza), typ a koncentraci nositelů (elektromotorická síla, napěťový kontrast), polohu a strmost P-N přechodu. Má velkou hloubku ostrosti, obrovský rozsah zvětšení ( ). S nanorozměry však má potíže. Obr laserová struktura s profily koncentrací a P-N přechodem

62

63

64 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Transmisní elektronová mikroskopie TEM (Transmission Electron Microscopy) je asi první metoda, která umožnila zviditelnit atomy. Velmi náročná příprava vzorků -ztenčeni na nm. Vidíme integrálně průřez (což je dobře i špatně). Odkaz na bránu TEM a naše Obr Vávra z posterů 3x

65 Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) JEM 2010 (JEOL) Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) je zobrazovací technikou využívající průchodu urychlených elektronů vzorkem a jeho zobrazení na fluorescenčním stínítku nebo záznamu na film nebo speciální CCD kameru. Podle zvoleného urychlovacího napětí je možné měřit velikosti nanočástic do 0,1 nm. Aplikace: stanovení velikosti a distribuce částic, morfologie nanočástic, chemického složení, krystalické struktury. Rozlišovací mez nm Urychlovací napětí: kv Zvětšení: 50 1,

66 Zdroj:

67 3 QD TEM 7 QD 7 QW

68 Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Mikroskopie meziatomárních sil AFM (Atomic Force Microscopy) Je vhodná i pro nevodivé vzorky. Nepožadujeme-li atomární rozlišení, je to relativně malá aparatura (ceny od 2 do 10 MKč) Rastrovací tunelová mikroskopie STM (Scanning Tunneling Microscopy) Je zapotřebí vzorky alespoň trochu vodivé. Dává atomární rozlišení, ceny podle vybavení od 0,5 do 20 MKč) Obr Brána str 1 obr 3 a 4, str 1 obr 5 a 6 a celkový pohled naše OP obr a manipulace 3 str

69 Zdroj:

70

71 Atomic manipulation The finest possible tool for device assembly is provided by scanning probe microscopes. The invention of their first representative, the scanning tunneling microscope (STM) invented by G. Binnig and H. Rohrer in 1981 [G. Binnig, H. Rohrer, In touch with atoms, Reviews of Modern Physics 71 (1999) S324] gave us a tool capable of imaging and manipulating single atoms. Eye-catching images assembled by moving atoms by the STM tip appeared soon after and caught the imagination of a wide public. The smallest advertisement assembled atom-by-atom by the tip of scanning tunneling microscope.

72 Since the seminal discovery of the STM, the field of nanotechnology has expanded into many directions: a large number of probe microscopes was developed which use various interaction between the sharp scanning tip and a specimen: atomic force microscopy (AFM), electric field microscopy (EFM), magnetic force (MFM), near-field scanning optical microscopy (NSOM) etc. Advanced probe designs use local heating, additional gate electrodes, sensitization by attached biological molecules [R. Wiesendanger, Contributions of Scanning Probe microscopy and spectroscopy to the investigation and fabrication of nanometer-scale structures, J. Vac. Sci. Technol. B 12 (1994) 515]. Multiple probes and/or probe arrays are investigated: arrays of probes in so called millipede or nanodrive project [P. Vettiger, G. Binnig, The Nanodrive Project, Scientific American, January 2003, 47] are used to store and read information with much higher density than the present hard drives [, possibly reaching the atomic scale memory [R. Bennewitz, J.N. Crain, A. Kirakosian, J.-L. Lin, J. L. McChesney, D.Y. Petrovykh, F. J. Himpsel, Atomic scale memory at a silicon surface, Nanotechnolgy 13 (2002) 499]. Special molecules are designed and synthesized which could be used as building blocks for constructing functional nanostructures. An example may be lander molecule named because of its similarity to the lander modules used in space exploration [F. Rosei et al., Organic molecules acting as templates on Metal Surfaces, Science 296, 328 (2002).].

73 Few examples below may illustrate the vast potential of this approach. Assembly of the atomic quantum corrals enable direct observation of the standing waves of the electron density on the surface of the metals, in other words, the smallest resonators.

74 Probe with an additional electrode next to the tunneling tip of the STM can be used as a gate for the nanometer sized field effect study of metallic nanoclusters. [L. Gurevich, L. Canali, L.P. Kouwenhoven, Scanning gate spectroscopy on nanoclusters, Applied Physics Letters 76 (2000) 384]. The STM tip was used to perform stepby-step the Ullmann chemical reaction of C 12 H 10 synthesis from C 6 H 5 I, normally carried out on a copper catalysts [Hla et al, Inducing All Steps of a Chemical Reaction with the Scanning Tunnelling Microscope Tip: Towards Single Molecule Engineering, Physical Review Letters 85 (2000) 2777.].

75 AFM picture of InAs/GaAs QDs

76 AFM QDs 1 QD 1.6 ML 4 QD 1.43 ML 7 QD 1.3 ML 11 QD

77 InAs QD formation waiting time after-growth waiting time AFM picture of InAs/GaAs QRs

78 GaAs: buffer 230 nm AlGaAs-n typ 570 nm AlGaAs 400 nm GaAs 150 nm GaAs 150 nm AlGa As 320 nm AlGaAs-p typ 570 nm GaAs 700 nm GaAs:Te substrate SPSLS 12x (InAs / GaAs)

79 M50_ori.par + 2D + 3D

80 M51_ori.par + 2D + 3D

81 M23_ori.par + namalovaný tvar hrotu + profil

82 M23_ori.par + namalovaný tvar hrotu + profil

83 Děkuji za pozornost

84 Rentgenová prášková difrakce (XRD) XRD-7 (Seifert) Analýzou difraktovaného rtg záření (Cu K můžeme stanovit některé strukturní charakteristiky. Vzniklý difraktogram svým geometrickým rozložením difrakčních maxim a minim přímo souvisí s prostorovým uspořádáním hmotných částic. Jelikož každá chemická látka má své specifické uspořádání částic, má i svůj specifický difrakční záznam a lze ji dle něj identifikovat. 400 XRD je nenahraditelná při identifikaci polymorfních modifikací oxidů železa a Využívá se ke kvalitativní a kvantitativní analýze a jejím užitím lze navíc získat informaci o velikosti zkoumaných částic I (cps) ( o )

85 SQUID MPMS XL-7 (Quantum Design) Měření hysterezních smyček magnetických materiálů (nanočástic) Teplotní závislosti magnetizace

86 Mikroskopie skenující sondou (SPM) NTEGRA Aura (NT-MDT) Scanning Probe Microscope (SPM) je univerzální přístroj pro 3D analýzy povrchu a jeho vlastností v mikro a nanometrové škále. V závislosti na použitém režimu může mapovat topografii (AFM), tření (LFM), magnetické vlastnosti (MFM) apod. Použití pro měření distribuce částic, morfologii částic, drsnost povrchu a měření magnetických vlastností nanočástic Režimy: kontaktní a nekontaktní AFM, MFM, LFM, PFM, EFM, SCM, F- d spektroskopie Rozsah skenování:100 µm 100 µm 10 µm (skenování hrotem), 10 µm 10 µm 4 µm (skenování vzorkem)

87 Mikroskopie atomárních sil (AFM) Explorer AFM (ThermoMicroscopes) AFM Fe 2 O 3 práš ášek z berlínsk nské modři BET

88 Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) JEM 2010 (JEOL) Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) je zobrazovací technikou využívající průchodu urychlených elektronů vzorkem a jeho zobrazení na fluorescenčním stínítku nebo záznamu na film nebo speciální CCD kameru. Podle zvoleného urychlovacího napětí je možné měřit velikosti nanočástic do 0,1 nm. Aplikace: stanovení velikosti a distribuce částic, morfologie nanočástic, chemického složení, krystalické struktury. Rozlišovací mez nm Urychlovací napětí: kv Zvětšení: 50 1,

89 Mikroskopie skenující sondou SPM Scanning Probe Microscopy 1981 STM Skenovací tunelovací mikroskopie 1986 Nobelova cena Gerd Binnig Heinrich Rohrer konstrukce STM (Scanning Tunneling Microscope) 1986 AFM (Atomic Force Microscopy) Mikroskopie atomárn rních sil 1987 do současnosti další klony využívaj vající princip přesnp polohování a těsnt sného přiblp iblížení sondy k povrchu esného

90 Charakteristika metod SPM SPM přístroje pracují v oblasti blízkého pole dosažení rozlišení pod tzv. difrakční mezí, (u SM srovnatelné s vlnovou délkou), ovšem za cenu získání pouze lokální informace o vzorku. Postupné měření ve více bodech skenování sondou nad vzorkem pro charakterizaci celého povrchu vzorku. Metody poskytují trojrozměrný obraz vpřímém prostoru, narozdíl např. od difrakčních technik nebo elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením. Techniky SPM tedy vhodně překrývají rozsahy dosažitelné pomocí optické a elektronové mikroskopie využití k vzájemným kombinacím. Technika SPM nemusí být pouze zobrazovací - lze ji použít i k modifikaci povrchů až na atomární škále. (Lze provádět litografické zpracování, mechanické odstraňování, manipulace s molekulami i jednotlivými atomy).

91 Vývojové fáze metod SPM Synge - teoretický návrh optického zobrazení ostrým skleněným hrotem těsně nad povrchem (Znovuobjevení předchozího teoretického principu skenování O'Keefe 1956) Ash - Experimentální ověření rozlišení pod vlnovou mezí s mikrovlnami o λ=3 cm, rozlišení 150 μm Young - Sestrojení Topografineru, přístroje, který mapuje topografii vodivých vzorků srozlišením 3nm vertikálně a 400 nm horizontálně

92 Vývojové fáze metod SPM První úspěšná realizace tunelování Binnigem a Rohrerem v roce v laboratořích IBM - přístroj pracuje ve vakuu, vibrace jsou tlumeny magnetickou levitací, použití zpětné vazby a piezokeramických pohybových členů 1982 Realizace kapacitní mikroskopie a následně rozvoj mnoha dalších klonů, např. AFM První pozorování poškození vzorku vlivem interakce s hrotem a následné využití k modifikaci povrchů (nanolitografie) sestavení loga IBM z atomů xenonu na niklu

93 Vývojové fáze metod SPM Demonstrace kvantových vlastností vznikem stojatých vln v kruhové bariéře sestavené z atomů železa na mědi 2000 Řízení chemických reakcí jednotlivých molekul, bouřlivý rozvoj aplikací nejen v oblasti základního, ale i aplikovaného výzkumu.

94 Rozvoj metod SPM v 1.desetiletí Tunelovací 1981 Binnig, Rohrer Optická blízkého pole 1982 Pohl Kapacitní Matey, Blanctepelná Williams, Wickramasinghe Atomárních sil 1986 Binnig, Rohrer Přitažlivých sil Martin, Williams, Wickramasinghe Magnetických sil Martin, Wickramasinghe Třecích sil Mate, McClelland, Chiang Elektrostatických sil Martin, Abraham, Wickramasinghene Elastická tunelovací spektroskopie Smith, Kirk, Quate Laserem řízený STM Arnold, Krieger, Walther Emise balistických elektronů Kaiser Inverzní fotoemisní 1988 Coombs, Gimzewski, Reihl, Sass, Schlittler Akustická blízkého pole 1989 Takata, Hasegawa, Hosaka, Hosoki, Komoda Šumová Moller, Esslinger, Koslowskispinová Manassen, Hamers, Iontová 1989 Hansma, Drake, Marti, Gould, Prater Elektrochemická 1989 Husser, Craston, Bard Absorpční 1989 Weaver, Wickramasinghe Fotonová absorpční 1989 Wickramasinghe, Weaver, Williams Chemického potenciálu 1990 Williams, Wickramasinghe Fotonapěťová 1990 Hamers, Markert

95 Princip mikroskopických ch technik využívaj vajících ch skenující sondu umístění mechanické sondy do do blízkosti povrchu vzorku řízení pohybu ve ve směru x y, y, z signálem zpětné vazby piezoelektricky (rozlišení m) m) 10 m)

96 Skenovací tunelovací mikroskopie - STM Podmínka: ostrý vodivý hrot a vodivý vzorek Pravděpodobnost průchodu energetickou d bariérou rou (tunelování) 2 Tunelovací proud obraz povrchu je dán d n rozložen 0 P e I a. U. e 2m U 1. 2 b x. d E dx ením m vlnové funkce atomů Režim konstantní výšky rychlejší vhodný pro hladké povrchy Režim konstantního proudu časově náročnější měření Si (111),10x10 nm přesnější pro členité povrchy

97 Mikroskopie atomárn rních sil (AFM) mapování atomárn rních sil odpudivé síly elektrostatické přitažlivé síly Van der Waalsovy graf závislosti z celkové síly na hrot kontaktní režim F 10-7 N režim konstantní síly d 1 nm tuhé vzorky nekontaktní režim F W N, d 100 nm, raménko kmitá s f r 200 khz měkké,, pružné (biologické) ) vzorky poklepový režim

98 Polohovací zařízen zení skener skener zajišťuje přesnou p pozici vzhledem k povrchu vzorku piezoelektrická keramika PbZrO 3, PbTiO 3 trojnožka 100 x 100 m, z 10 m trubička 2 x 2 m, z 0,8 m režim skenování: počet řádků až 1000 počet bodů až 1000 zkreslení skeneru chyby skenování: hystereze nejdnoznačnost nost při p i rozpínání a smršťování skeneru nelinearita prodloužení není lineární funkcí přiloženého napětí tečení ení (creep) postupné prodlužování ování skeneru stárnutí změna vlastností piezoelektrické keramiky

99 Kontaktní režim AFM feed back loop laser controller electronics kontaktní režim F 10-7 N režim konstantní síly d 1 nm zejména vhodné pro tuhé vzorky scanner detector electronics split photodiode detector cantilever and tip sample typický hrot Schéma detekce v kontaktním režimu Figure 1 : Principle and technology of atomi v kontaktním force microscopesrežimu (schema Digital Instruments)

100 Schéma detekce v bezkontaktním a poklepovém režimu nekontaktní režim poklepový režim F W N, d 100 nm, raménko kmitá s f r khz měkké,, pružné (biologické) ) vzorky Feedback Loop Maintains Constant Oscillation Amplitude Laser NanoScope IIIa Controller Electronics Frequency Synthesizer typický hrot s poloměrem 5 až 10 nm Detector Electronics X,Y Scanner Measures RMS of amplitude signal Z Split Photodiode Detector Cantilever & T ip Sample

101 Rozlišovací mez AFM daná štíhlostí hrotu štíhlost hrotu 1 : 3 speciáln lní hroty 1 : 10 (schopnost zobrazit ostré hrany a hluboké zářezy) 0,2 2 m 10 m monokrystal Si hrot Si 3 N 4 r 5 nm nanotrubičky WS 2 leptaný hrot

102 Mikroskopie magnetické síly (MFM Magnetic Force Microscopy) Systém pracuje v NK režimu rezonanční frekvenci raménka ovlivňuje změna magnetického pole (magnetická síla) vzorku 1. informace o topografii 2. informace o magnetických vlastnostech povrchu. MFM mapování domén v magnetických materiálech změna magnetického pole zviditelněná v MFM (magnetické domény v oblasti 8 x 8 m) MFM obraz harddisku v oblasti 30x30µm

103 Skenovací kapacitní mikroskopie (SCM Scanning Capacitance Microscopy) Skenovací kapacitní mikroskopie (SCM) zobrazuje prostorové změny elektrické kapacity. Princip: Raménko s hrotem pracuje v NK režimu (režim konstantní výšky) speciální obvod sleduje elektrickou kapacitu mezi hrotem a vzorkem. Použití: SCM může sledovat změny obrazu: v závislosti na tloušťce dielektrického materiálu na polovodičových substrátech SCM může být použit při vizualizaci podpovrchových nosičů náboje Topografický a kapacitní obraz správně a mapovaní příměsí (legovacích látek) špatně srovnané fotomasky v průběhu viontově implantovaných polovodičích. procesu implantace legovací látky.

104 Mikroskopie bočních sil (LFM Lateral Force Microscopy) Princip LFM vyhodnocení příčného ohybu (krutu) raménka LFM je vhodný pro: zobrazení nehomogenit povrchu (změna koeficientu tření), získání obrazu povrchů tvořených stupňovitými nerovnostmi (hranami). K laterálnímu ohybu raménka dochází ze dvou příčin: změnou tření změnou náklonu raménka.

105 Mikroskopie modulovaných sil (FMM Force Modulation Microscopy) (FMM) používá modulační techniku v dotykovém režimu s konstantní silou. Vzorek vibruje se stálou amplitudou a frekvencí nad mezní frekvencí zpětné vazby a se stejnou frekvencí bude kmitat i hrot, který je s ním v kontaktu. Amplituda kmitů raménka závisí na elastických vlastnostech vzorku vmístě doteku. Měření je možno provádět současně s AFM, jejíž obraz se získává z napětí na piezokeramice Kontaktní AFM FMM obraz kompozit uhlík/polymer (5x5 µm)

106 Mikroskopie detekce fázových posunů (PDM Phase Detection Microscopy) Mikroskopie detekce fáze (PDM) fázové zobrazení ve spojení s obvyklými režimy (NK, P-K AFM, MFM). Změna fáze může být měřena i v průběhu režimu FMM. Detekce fázového posunu vyhodnocení fázového zpoždění mezi signálem budícím oscilaci raménka a výstupním signálem vyvolaným ve vzorku oscilujícím raménkem Příklad použití: Pořizování informací o materiálových vlastnostech vzorků, jejichž topografie se snadněji měří v NK AFM než kontaktním AFM způsobem. PDM poskytuje doplňkovou informaci k topografii povrchu). Porovnání AFM topografie s PDM Teflonový povrch potažený silikonovým mazadlem (Obrazové pole 9 x 9 m)

107 Mikroskopie elektrostatických sil (EFM Electrostatic Force Microscopy) Princip: EFM mapuje oblasti (domény) s různou polaritou a hustotou elektrického náboje na povrchu vzorku (obdoba MFM). Velikost výchylky raménka s hrotem je úměrná hustotě náboje. Může být měřena standardním detekčním systémem užívajícím laserový svazek. Použití: Mapování elektrostatického pole elektronických obvodů při zapnutí a vypnutí přístrojů ( napěťová mikrosonda pro testování aktivních mikroprocesorových čipů v submikronových mezích). Ferroelektrický materiál (topografický kontrast vlevo) s implantovaným povrchovým nábojem (+2,5 V), (EFM obraz nabité plochy vpravo) Oblast 5 x 5 m

108 Další příbuzné metody s AFM Mikroskopie disipativních sil (DFM) mapuje výkon, který nosník ztrácí interakcí se vzorkem. Disipace vzniká následkem hystereze v adhezi mezi vzorkem a hrotem (projevují se i jiné principy). Výhodou metody je možnost mapovat rozložení hustoty fononů vzorku podél povrchu (v přiblížení obraz závisí jen na vlastnostech vzorku, nikoliv hrotu, což je jistá analogie k STM). Mikroskopie ultrazvukových sil (UFM) využívá ultrazvukové excitace vzorku, především pro mapování materiálových vlastností. Klasická mikroskopie využívá lineární režim detekce, v němž je sledována amplituda a fáze pohybu nosníku. V UFM je použit nelineární režim. Při ultrazvukovém kmitání je modulována vzdálenost hrot vzorek mezi maximální a minimální hodnotou, které jsou určeny amplitudou buzení a nastavením síly (setpoint). Pro velké amplitudy se projeví nelinearita, středovaná síla obsahuje přídavnou sílu (vlivem ultrazvuku) a tím přídavné ohnutí nosníku lze provádět mikroskopii.

109 Skenovací teplotní mikroskopie (SThM Scanning Thermal Microscopy) SThM umožňuje současné snímání tepelné vodivosti a topografie povrchu vzorku Princip: U SThM přístroje je místo hrotu sonda s odporovým prvkem. Řídící jednotka řídí vytváření map teploty nebo tepelné vodivosti. Ke konstrukci raménka SThM se používá Wollastonova drátu (slitiny dvou různých kovů), který představuje tepelně závislý odporový prvek. Vlastním odporovým teplotním čidlem je na konci umístěný prvek zplatiny (příp. ze slitiny platiny s 10% obsahem rhodia). Výhoda této konstrukce je, že může být použita pro oba módy tepelného zobrazení (teplota a tepelná vodivost). SThM snímek fotorezistu

110 Mikrotermální analýza (µta Micro Thermal Analysis) Mikrotermální analýze (µta) - submikronové mapování teploty povrchu (lokální kalorimetrická měření). Princip: Wollastonův drát působí jako aktivní tepelný zdroj (odpor sondy je úměrný její teplotě). Změny proudu vyžadované k udržení sondy na konstantní teplotě vedou ke vzniku teplotních map (a obráceně, změny elektrického odporu sondy při konstantním proudu vedou rovněž ke generaci teplotních map). současně vzniká: obraz zahrnující informaci o tepelné difúzi obraz podpovrchových změn materiálového složení. použití: pro kalorimetrické měření mikro-diferenciální termální analýza (µdta). Je možné sledovat roztažnost, tloušťku vrstvy, teplotu fázových přechodů, změny tvrdosti, procesy tání, tuhnutí, měknutí apod., vlastnosti polymerů na úrovni doménových struktur a jejich rozhraní.

111 Skenovací optická mikroskopie v blízkém poli (NSOM Near Field Scanning Optical Microscopy) NSOM je skenovací optická mikroskopická technika, která zobrazuje pod difrakčním limitem ( okolo 300 nm). Princip: na vzorek dopadá světlo procházející přes jednomódové optické vlákno (několik desítek nm v průměru) pokovené hliníkem (zabránění světelných ztrát). Provádí se detekce evanescentních vln Způsoby detekce světla Polystyrénové kuličky 500 nm V režimu NSOM a SM NSOM obraz srdečního svalu (10 x 10 m)

112 Vodivostní AFM (Conductive AFM) Princip : Měření změn vodivosti povrchu. Hrot musí být z vodivého materiálu. Současně je na hrot přivedeno stejnosměrné napětí a vzorek je uzemněn. Proud procházející hrotem na vzorek měří vestavěný předzesilovač ve skeneru. Princip vodivostního AFM

113 Závěr

114 Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. 8. Podpůrné techniky: a) Elektronová litografie b) Napařování a naprašování Vysvětlení základních principů metody. Parametry vlastnosti zařízení ve FZÚ.

115 Laboratoř pro elektronovou nanolitografii Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.

116 Laboratoř fotolitografie (od r ) Prostředí : 3-stupňová filtrace vzduchu, recirkulační okruh DI vody Fotolitografie: zpracování fotorezistu, mokré leptací procesy, optická zařízení e w Suché leptání (PE), depozice některých vrstev Individuální operace

117 KAN Nové jevy a materiály pro nanoelektroniku Struktury pro spintroniku a kvantové jevy v nanoelektronice vytvořené elektronovou litografií

118 Podmínka pro instalaci EBL: Splnit požadavky: Výrobce EBL Vybudovat adekvátní pracoviště stabilita teploty vzduchu (± 0,5 C) antivibrační uložení (< 0,5 16 Hz) potlačení akust. šumu (< Hz) potlačení magnet.rušení (< Hz) specifikace instalací a parametrů médií Uživatelů čisté prostory => vzduchotechnika příprava a rozvod DEMI-vody plynové hospodářství (N 2, technické plyny) technologické zázemí (vakuum, vzduch, chlazení) organizace práce

119 Způsob instalace EBL ve FZÚ v. v. i. - Cukrovarnická E Čisté prostory: 10 m 2 nejčistší část : tř. 100 (zóny: EBL, rezisty) 42 m 2 třída 1000 (sál: expozice/sesazování) 22 m 2 třída (sál: mokré a suché leptání)

120 Měření parametrů pracoviště l výběr r umíst stění nanolitografu proměření lokality (TESCAN) doporučení, upřesnění řešení l vyhodnocení postaveného pracoviště proměření parametrů (RAITH) pracoviště způsobilé k instalaci nanolitografu l zprovoznění pracoviště povolení zkušebního provozu kolaudace E

121 Nová aparatura EBL e_line 1 Raith, BRD 1 --laserově-interferometricky řízený stolek (4 pojezd, 2nm přesnost) - průměr - rozlišení el. svazku: SEM: 1,5nm 2nm (20keV), resp. 4 3 nm nm (1keV) - nejmenší - šířka exponované exponovanýčáry motiv při při EBL: EBL: nm --přesnost: napojování: 20 nm, soukrytu: nm nm Možnost vlastní přípravy dílčích masek pro fotolitografii

122 Kvalifikační testy nanolitografu l test u výrobcev za účasti pracovníků FZÚ v. v. i. (Dortmund) dosaženy specifikované parametry l po instalaci ve FZÚ v nové laboratoři testy pracovníků výrobce (Cukrovarnická) instalace a oživení nanolitografu úspěšné

123

124

125

126

127

128

129

130

131 Kontakty pro elektrická měření polovodičů Transportní vlastnosti polovodičů obvykle studujeme pomocí přenosu náboje mezi vzorkem a vnějšími obvody; rozhraním je elektrický kontakt. Potřebujeme kvalitní (definované, reprodukovatelné) kovové kontakty. Schottkyho bariéra (usměrnění, oblast prostorového náboje) Ohmický kontakt (zanedbatelný úbytek potenciálu, bez injekce) Metody vytváření kontaktů: napařování, naprašování, CVD, pájení, elektrolytické nanášení, (+ žíhání pro ohmické kontakty)

132 Izolační vrstvy ve studiu elektronového transportu Kapacitní (C-V, DLTS ) měření MIS struktur na vzorcích, kde nelze připravit kvalitní Schottkyho bariéru Podélný transport v dvojrozměrných systémech a tenkých vrstvách polní jev MISFET struktury na nových materiálech a strukturách aplikace polního jevu pro studium hustoty stavů Modifikace povrchových stavů a studium jejich stability - diamant, hydrogenovaný diamant

133 Koncepce aparatury Základní metodiky přípravy: rezistivní napařování napařování pomocí elektronového svazku RF naprašování + čištění substrátu v jediném vakuovém systému umožňujícím in-situ kombinaci jednotlivých procesů a maximální kontrolu parametrů depozice.

134 Proč víceúčelový vakuový systém? Výhody (rezistivního) napařování: jednoduché definování tvaru kontaktu (masky) kombinace různých materiálů (vícevrstvé ohmické kontakty) základní technologie, relativně levná, operativní Výhody napařování pomocí elektronového svazku: depozice kovů s vysokou teplotou tání (Mo, Ta, Nb, ) vysoká rychlost depozice + přesnější řízení rychlosti chlazení kelímku minimalizuje kontaminaci

135 Proč víceúčelový vakuový systém? Výhody naprašování: přesné řízení tloušťky vrstev velké plochy vrstev s homogenní tloušťkou depozice sloučenin při zachování stechiometrie depozice izolátorů (RF naprašování) hradlové vrstvy, optické aplikace, piezoelektrické vrstvy depozice amorfních a polykrystalických vrstev reaktivní naprašování (target+plyn) např. SiN x substrát lze zapojit jako target odprašování povrchu substrátu čištění

136 Proč víceúčelový vakuový systém? Výhody kombinace naprašování, napařování a čištění in-situ společné prvky (vakuový systém, měření tloušťek, řízení teploty substrátu, ) snižují náklady depozice speciálních sekvencí materiálů definovaná příprava MIS struktur in-situ čištění (leptání) odstranění nežádoucích povrchových (oxidových) vrstev zlepšení kvality kontaktů

137 Vliv in-situ leptání na měrný odpor ohmických kontaktů Ti/Pt na n-inp W. C. Dautremont-Smith et al, J.Vac. Sci. Technol. B 2 (1984) 620

138 Využití víceúčelového vakuového systému Příprava ohmických kontaktů, Schottkyho bariér a MIS struktur pro charakterizaci polovodičů III-V (MOVPE, E.Hulicius) Optimalizace kontaktů pro III-V struktury se širokým zakázaným pásem -(Al)GaN (M. Leys, Leuven) Příprava Schottkyho bariér pro studium defektů v 3D a 2D polovodičích metodami transientní spektroskopie (MAV, CNR) Optimalizace kontaktů pro detektory ionizujícího záření, včetně 2D struktur s laterálním sběrem

139 Využití víceúčelového vakuového systému Příprava hradlových struktur pro studium povrchové vodivosti hydrogenovaného diamantu (L. Ley, Erlangen) Vývoj a příprava nízkoodporových kontaktů pro diamantové struktury a nanodiamant (M. Nesládek, M. Vaněček) Vývoj ohmických kontaktů pro materiály (diamant, ZnO, ) s jednodimenzionálními subsystémy (nanorods) (D. Gruen, ANL, R. Mosca, MASPEC)

140 Využití víceúčelového vakuového systému Optimalizace kontaktů a jejich žíhání pro 2D struktury s vysokou pohyblivostí a pro materiály pro spinotroniku (MBE, V. Novák) Kooperace se vznikající laboratoří nanolitografie (Z. Výborný) komplementární vybavení

141 Využití víceúčelového vakuového systému => Modulární vakuový systém, použitelný pro různé depoziční techniky a experimenty je nezbytným zázemím studia elektronového transportu Odpovídající plně funkční víceúčelový vakuový systém v rámci sekce Cukrovarnická neexistuje.

142 Víceúčelový vakuový systém Auto 500 (výrobce BOC Edwards) Modulární systém, adaptovatelný na různé techniky a experimenty 1. Vakuový systém: turbomolekulární vývěva 550 l/s rotační vývěva LN 2 vymrazovačka olejové filtry mezní tlak: 7x10-7 mbar čas dosažení pracovního tlaku 10-6 mbar: ~60 min ochrana proti výpadku napájení nerezová vakuová komora s předním vstupem automatizovaný inteligentní systém ventilů

143

144 Víceúčelový vakuový systém Auto Zdroj vypařování: odporový ohřev, otočný (4 pozice) pro nanášení různých materiálů bez přerušení vakua automatické zavírání clon 3. Zařízení pro naprašování: RF magnetron (3 ), zdroj 600 W předpětí substrátů leptání(čištění) substrátů řízení průtoku plynu 4. Držák substrátů rotační (20-60 ot/min), zlepšuje homogenitu vrstev

145 Víceúčelový vakuový systém Auto Optický ohřev substrátu (křemenná lampa) a měření jeho teploty 6. Měření a řízení tloušťky nanášených vrstev změna frekvence křemenného krystalu, databáze materiálů vazba na clony 7. Součástí dodávky je uvedení systému do provozu, otestování a zaškolení obsluhy.

146 Víceúčelový vakuový systém Auto 500

147 Víceúčelový vakuový systém Auto Vakuová komora nerezová s předním vstupem ø 500 mm, výška 500 mm osazena průchodkami pro přídavná zařízení a speciální experimenty (např. elektrická měření v definované atmosféře) vizuální kontrola depozičního procesu okénka + periskop 3. Držák substrátů rotační (20-60 ot/min) zlepšuje homogenitu vrstev elektricky izolovaný (leptání, naprašování)

148 Víceúčelový vakuový systém Auto Zdroj vypařování pomocí el. svazku kompaktní, vodou chlazený Cu kelímek, 1 cm 3 5,5 kv, 3kW 4. Resistivní zdroj vypařování otočný (4 pozice) pro nanášení různých materiálů bez přerušení vakua automatické zavírání clon 5. Zařízení pro naprašování RF magnetron (3 ), zdroj 600 W předpětí substrátů leptání(čištění) substrátů pomocí odprašování řízení průtoku plynu

149 Víceúčelový vakuový systém Auto Optický ohřev substrátu (křemenná lampa 500 W) a měření jeho teploty 7. Měření a řízení tloušťky nanášených vrstev změna frekvence křemenného krystalu, databáze materiálů flexibilní držák krystalu vodou chlazený vazba na clony Součástí dodávky je uvedení systému do provozu, otestování a zaškolení obsluhy. Cena naší modifikace = 7 MKč ( holá 500ka = 5 MKč, 306ka = 2MKč; minimálně vybavená 600ka = 10 MKč)

150

151

152

153

154 Slévání kontaktů (ohmických) Odstranění bariér Slévání ve vakuu Slévání ve vodíku (či jiných plynech) Řízení časováho průběhu teploty (výška teploty; délky ohřevu, teplotního puzu,...

155

156 Realizace přívodů (ohmických) Zajištění elektrických kontaktů, teplotního odvodu Pájení Termokomprese Ultrazvuk Další Otázky životnosti a spolehlivosti!

157

158 Příprava dielektrických (nano) vrstev Podklad pro litografii Funkční materiály pro součástkové struktury Naprašování Napařování Plasmový výboj Jiné metody

159 Introduction Thin films Why do we need to control the growth at nanometer scale? Thin films deposition methods Substrates: nature, preparation Thin films characterizations

160 Dielectrics LaAlO3, SrTiO3 Ferroelectrics BaTiO3, PbTiO3 Pyroelectrics LiNbO3 Ferromagnets SrRuO3, La0.7Sr0.3MnO3 Conductors SrRuO3, LaNiO3 Magnetoresistive La0.7Sr0.3MnO3 Semiconductors Nb-doped SrTiO3 Superconductors YBa2Cu3O7, (La,Sr)2CuO4

161

162

163

164

165

166

167

168

169 1960: T.H. Maiman constructed the first optical maser using a rod of ruby as the lasing medium 1962: Breech and Cross used ruby laser to vaporize and excite atoms from a solid surface 1965: Smith and Turner used a ruby laser to deposit thin films -> very beginning of PLD technique development However, the deposited films were still inferior to those obtained by other techniques such as chemical vapor deposition and molecular beam epitaxy. Early 1980 s: a few research groups (mainly in the former USSR) achieved remarkable results on manufacturing of thin film structures utilizing laser technology. 1987: Dijkkamp and Venkatesan prepared thin films of YBa2Cu3O7 by PLD In the 1990 s: development of new laser technology, such as lasers with high repetition rate and short pulse durations, made PLD a very competitive tool for the growth of thinfilms with complex stoichiometry. Pulsed laser deposition

170 PVD process whereby atoms in a solid target material are ejected into the gas phase due to bombardment of the material by energetic ions. Sputtered atoms ejected into the gas phase are not in their thermodynamic equilibrium state, and tend to deposit on all surfaces in the vacuum chamber. --> A substrate (such as a wafer) placed in the chamber will be coated with a thin film. Sputtering usually uses an argon plasma.

171 Standard physical sputtering is driven by momentum exchange between the ions and atoms in the material, due to collisions (Behrisch 1981, Sigmund 1987). Analogy with atomic billiards: the ion (cue ball) strikes a large cluster of closepacked atoms (billiard balls). Energy of impinging ions: < 10 ev: elastic backscatting of the ions 10 à 1000 ev: sputtering of the target > 1000eV: ions implantation The number of atoms ejected from the surface per incident particle is called the sputter yield and is an important measure of the efficiency of the sputtering process. Sputter yield depends on: - the energy of the incident ions (>> 10 ev), which depends on target gun s bias voltage Ar gas pressure - the masses of the ions and of target atoms - the binding energy of atoms in the solid

172

173 Děkuji za pozornost

174

175

176

177 Děkuji za pozornost