nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Transkript

1 Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci

2 Přednášky pro TU v Liberci Studijní program:nanotechnologie Studijní obor: Fyzikální inženýrství (organizuje prof. J. Šedlbauer, FPP TU v Liberci) Příprava Polovodičových Nanomateriálů (PPN) (koordinuje prof. E. Hulicius, FZÚ AV ČR, v.v.i.) Čtyřhodinové bloky. Letní semestr 2012/13 (to jest od února 2013 do června 2013). Zkouška test s ústním vysvětlením.

3 Sylabus dvouhodinové semestrální přednášky " Příprava polovodičových nanostruktur"pro obor magisterského studia "Fyzikální inženýrství" zaměření "Fyzika nanostruktur" 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.

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

5 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

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

7 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

8 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)

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

10 Nová aparatura EBL e_line 1 Raith, BRD 1 - laserově-interferometricky řízený stolek (4 pojezd, 2nm přesnost) - průměr rozlišení el. SEM: svazku: 2nm 1,5nm (20keV), (20keV), resp. resp. 4 nm 3 (1keV) nm (1keV) - nejmenší šířka exponované exponovaný čáry motiv při EBL: při EBL: 2015 nm nm - přesnost: napojování: 20 nm, soukrytu: 40 nm Možnost vlastní přípravy dílčích masek pro fotolitografii

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

12

13

14

15

16

17

18

19

20 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)

21 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

22 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.

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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)

29 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

30 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.

31 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

32

33 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

34 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.

35 Víceúčelový vakuový systém Auto 500

36 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)

37 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

38 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)

39

40

41

42

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

44

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

46

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

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

49 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

50

51

52

53

54

55

56

57

58 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

59 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.

60 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

61

62 Děkuji za pozornost

63

64

65

66 Děkuji za pozornost