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Einführung Apparaturen Grundlagen des Schichtwachstums
Präparation dünner Filme:Molekularstrahlepitaxie (MBE)
Fabian [email protected]
Universität Bielefeld
Seminar: Nanowissenschaften SS 20088. Mai 2008
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Einführung Apparaturen Grundlagen des Schichtwachstums
Überblick
1 EinführungWas ist Epitaxie/Molekularstrahlepitaxie?Anwendungsgebiete
2 ApparaturenQuellenIn-situ Analytik
3 Grundlagen des SchichtwachstumsHomoepitaktisches WachstumHeteroepitaktisches Wachstum
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Einführung Apparaturen Grundlagen des Schichtwachstums
Was ist Epitaxie?
Als Epitaxie wird ein geordnetes Kristallwachstum auf einerTrägerschicht bezeichnet.
Unterschiedliche Epitaxie-Verfahren
die �klassische� Molekularstrahlepitaxie (MBE)
und ihre zahlreichen Modi�kationen:
Gas Source MBE
Modulated-Beams MBE
Focused Ion Beam Implanter MBE
etc.
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Molekularstrahlepitaxie (MBE)
Elemente werden verdampft und bilden im Vakuum einenMolekularstrahl
Atome/Moleküle setzen sich auf dem Substrat ab undkristallisieren zu dünnen Schichten
Herstellung von Legierungen und Verbindungen durchgleichzeitiges Verdampfen aus mehreren Quellen
Substrattemperatur von 300-1000K hat groÿen Ein�uss aufdas Kristallwachstum
in-situ Beobachtung mit RHEED, Massenspektrometer, AESund Quarzwaage für Schichtdicke und Zusammensetzung
⇒ Vielseitige Technik um dünne Schichten verschiedensterBescha�enheit herzustellen
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Molekularstrahlepitaxie (MBE)
Abbildung: [2] Abbildung: [4]
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Anwendungsgebiete
Beispiele für die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten
Halbleiter-Anwendungen
Herstellung von dotierten GaAs HalbleiternOptoelektronische Bauteile: Laserdioden,Quantenkaskadenlaser
GMR/TMR-Sensoren
Quantendrähte
Quantenpunkte
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Vakuum-Bedingungen
Vakuum ist Voraussetzung für Bildung homogener ungestörterMolekularstrahlen
Mittlere freie Weglänge L:
L =1√
2πnd2=
k√2π· T
pd2
Groÿe freie Weglänge ⇒ wenig Stöÿe der Atome untereinanderoder mit dem Restgas ⇒ geringe Ablenkung des Strahls
Einteilung
Hoch-Vakuum (HV): 1.3 10−1Pa bis 1.3 10−7Pa
Ultrahochvakuum (UHV): p < 1.3 10−7Pa
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Restgasverunreinigung
Restgasatome sind unerwünscht, da sie in die Schichten alsVerunreinigungen eingebaut werden⇒ Qualität epitaktischer Schichten hängt emp�ndlich von denVakuumbedingungen ab
Ungefähre Anzahl n der in die Schichten eingebauten Restgasatomedes Elements i :
ni = pi
√NA
2πkBMiT
Druck [Pa] Mittl. fr. Weglänge L [cm] Monolayer / s
10−1 3.9 340
10−3 390 3.4
10−5 3.9 ·104 3.4 ·10−2
10−7 3.9 ·106 3.4 ·10−4
Tabelle: aus [3]8 / 28
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1 EinführungWas ist Epitaxie/Molekularstrahlepitaxie?Anwendungsgebiete
2 ApparaturenQuellenIn-situ Analytik
3 Grundlagen des SchichtwachstumsHomoepitaktisches WachstumHeteroepitaktisches Wachstum
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Einführung Apparaturen Grundlagen des Schichtwachstums
Komponenten eines MBE-Systems
Quellen (Knudsen-Zelle, Elektronenstrahlverdampfer)
Strahlunterbrecher (Shutter)
Prozess-Umgebung (Mehrere UHV-Kammern)
In-situ Analytik (RHEED, Quarzwaage, AugerElektronenspektroskopie, Quadrupol Massenspektrometer)
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Knudsen-Zelle
Abbildung: [1]
Erzeugung des Molekularstrahlsdurch Sublimation
Substanz be�ndet sich inhitzebeständigen Tiegeln
Thermoelemente undHitzeisolierung für hoheTemperaturkonstanz
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Elektronenstrahlverdamfer
Abbildung: aus [1]
Ein Elektronenstrahl wird magnetisch auf dasVerdampfermaterial gelenkt
Die kin. Energie der Elektronen wird in Wärme umgesetzt, dasMaterial verdamft
Durch Temperaturen bis 3000◦C hohe Verdampfungsraten
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RHEED (re�ection high energy electron di�raction)
Elektronen (5-40keV) tre�en in einem Winkel von ≈ 2◦ auf dieOber�äche des Substrats
Die Elektronen haben eine geringe Eindringtiefe von wenigenAtomlagen und werden re�ektiert oder gebeugt
Abbildung: aus [1]
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RHEED: Intensitätsauswertung
nur für Schichtwachstum
periodische Oszillation derIntensität, die mit demLagenwachstum korreliert
Intensitätsmaximum beiabgeschlossener Monolage,Minimum bei gröÿterUnordnung
nicht ideales Wachstum(ansteigende Rauhigkeit)führt zum Abfall derAmplituden Abbildung: aus [1]
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Quarzwaage
Ein Schwingquarz wird neben dem Substrat platziertBei Ablagerung von Material verändert sich die EigenfrequenzAnfängliche Frequenz von ≈ 6 MHz nimmt kontinuierlich abBei Frequenzmessung auf 1 Hz genau kann die Schichtdicke imSubmonolagenbereich gemessen werden
Abbildung: aus [6]
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1 EinführungWas ist Epitaxie/Molekularstrahlepitaxie?Anwendungsgebiete
2 ApparaturenQuellenIn-situ Analytik
3 Grundlagen des SchichtwachstumsHomoepitaktisches WachstumHeteroepitaktisches Wachstum
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Modell einer kristallinen Ober�äche
Abbildung: Schematische Darstellung der Kristallober�äche [3]
Kinetisch bevorzugte Stellen zur Resublimation:Terassenkanten, dort bevorzugt an den Kinken
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Homoepitaktisches Wachstum
Homoepitaxie
Epitaktisches Wachstum auf einer einkristallinenOber�äche des gleichen Materials
Abbildung: Wachstumsmoden bei der Homoepitaxie [3]
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Heteroepitaktisches Wachstum
Heteroepitaxie
Epitaktisches Wachstum auf einer einkristallinenOber�äche eines anderen Materials
a) Schichtwachstum �Frank-van der Merve�-Typb) Inselwachstum �Volmer-Weber�-Typc) Schicht+Insel-Wachstum �Stranski-Krastanov�-Typ
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Heteroepitaktisches Wachstum - Parameter
Wichtige Materialgröÿen
Ober�ächenspannung γ
Ober�ächenenergie
Gitterparameter
Beweglichkeit der Atome auf der Ober�äche (starkTemperaturabhängig)
Wenn nur die Ober�ächenspannungen energetisch wichtig sind:
Schichtwachstum für γlayer + γsubstrat/layer < γsubstrat
Inselwachstum für γlayer + γsubstrat/layer > γsubstrat
Stranski-Krastanov als Grenzfall
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Schichtwachstum �Frank-van der Merve�-Typ
Atome sind stärker an das Substrat als untereinander gebunden
typisch für:
viele Metalle auf MetallenHalbleiter auf Halbleiter
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Inselwachstum �Volmer-Weber�-Typ
Atome/Moleküle des Adsorbats sind stärker untereinandergebunden als an das Substrattypisch für: Metalle auf Isolatoren (z.B. Metalle auf Graphit,MgO)
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�Stranski-Krastranov�-Typ
Abbildung: Silberinseln auf (111)Silizium
Inselwachstum nach einigenMonolagen energetischgünstiger
typisch für: Edelgase aufGraphit, Metalle aufHalbleitern
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Spannungsrelaxation
Grund für den Umschlag von Schicht- zu Inselwachstum:Unterschiedliche GitterparameterZuerst Anpassung auf Kosten von zusätzlicherVerzerrungsenergieBei wachsender Schichtdicke wird diese zu groÿ, es kommtzum Inselwachstum
Abbildung: aus [3]24 / 28
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Spannungsrelaxation
Beim weiteren Wachstum lagern sich die Inseln zusammen,vorherige Spannungsrelaxation nicht mehr möglich
⇒ Ausbildung von Anpassungsversetzungen
Abbildung: SiGe Schichten. Ge hat gröÿeren Gitterparameter als Si,Ge-Filme sind auf dem Si-Substrat tetragonal verzerrt. Verspannungendurch Einbau von Versetzungen abgebaut, kubische Kristallstrukturwieder hergestellt
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Zusammenfassung
Stärken der MBE
Epitaxie - geordnetes Kristallwachstum
In-Situ Analytik - Kontrolle während des Prozesses
Schwächen der MBE
UHV - teuer und aufwendig
Langsam - geringe Wachstumsrate
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Einführung Apparaturen Grundlagen des Schichtwachstums
QuellenM.A. Herman, H. SitterMolecular Beam EpitaxySpringer, 2. Au�., 1996
Wilhelm Raith (Hrsg.), Herbert C. FreyhardtBergmann, Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6: FestkörperDe Gruyter, Berlin, 1992
P. Erhardt40. Ferienschule Magnetische Schichtsysteme in Forschung und AnwendungForschungszentrum Jülich, 1999
H. Ibach, H. LüthFestkörperphysik: Einführung in die GrundlagenSpringer, Berlin, 2. Au�. 1988
S. ThienhausMikrostruktur und Phasenbildung hochorientierter TiNiCu- und NiMnAl-Formgedächtnisschichten, hergestellt mittelsMolekularstrahl-Epitaxie http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online/math_nat_fak/2005/thienhaus_sigurd/Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 2005.
S. HeinzeWachstum von Filmenhttp://www.agschatz.physik.uni-konstanz.de/ag/lehre/seminar2006/vortraege/filmwachstum.pdf
Seminarvortrag, Universität Konstanz, 2006/2007.
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