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Tecniche di nanofabbricazione
Corso di Fisica dei MaterialiA.A. 20082009
Docente: R. Rinaldi Vito Fasano
Tecniche di Fabbricazione
TopDownTopDown: uso di tecniche quali optical, Xray, UV e ebeam lithography per produrre nanostrutture con dimensioni nanometriche.
BottomupBottomup: uso di proprietà di selfassembly di atomi o molecole su superfici nanostrutturate o chimicamente attive.
Differenti approcci
Tecniche di Fabbricazione
TopDownTopDown: Rimozione di una parte da un blocco macrospico (alta risoluzione, larga area).
Tecniche di Fabbricazione
BottomUpBottomUp: Molecule by molecule assembly.
Tecniche di Fabbricazione
Crescita:
MBE (Molecular Beam Epitaxy) MOCVD (MetalOrganic Chemical Vapour
Deposition)
Molecular Beam Epitaxy
UHV; Slow Deposition Rate (1000 nm / hour); Monitoring in situ (RHEED); Controllo della Temperatura del Substrato; Controllo accurato delle interfaccie; Alta Purezza del Materiale; Crescita su piccole superfici.
Molecular Beam Epitaxy
Molecular Beam Epitaxy
Molecular Beam Epitaxy
Processi di Deposizione
Adsorbimento Diffusione Incorporazione Desorbimento
M.A. Herman, H. Sitter, Molecular Beam Epitaxy, Ed. Springer Velag
L.L. Chang, R. Ludeke, Epitaxy Growth part A, Ed. J.W. Mattews
Molecular Beam Epitaxy
La crescita del film avviene in 3 step:
Diffusione; Nucleazione; Aggregazione.
J.G. Amar, Kinetics of submonolayer and multilayer epitaxial growth, Thin Solid Films 272 (1996) 208222
Molecular Beam Epitaxy
Molecular Beam Epitaxy Disaccordo Reticolare, Mismatch:
M<1% isomorfa M>1% pseudomorfa, Strain
M>0 Strain Tensile M<0 Strain Compressive
Kurov, Givargizov, Soviet Phys. Solid State 3, 1512 (1962);
M=b−a
a
Molecular Beam Epitaxy
Definizione Strain :
Energia strain: Rottura: M>5%
J. W. Mattews, A. E. Blakeslee, J. Cryst. Growth, 27, 1974
p=a p−a
a
E∝ p2
Molecular Beam Epitaxy
Modalità di Crescita:
Su un singolo piano: Crescita layerbylayer FvdM Crescita per isole – VW Crescita layer più isole – SK
Su una superficie vicinale:Su una superficie vicinale: Crescita steppropagation Crescita con nucleazione 2D
Molecular Beam EpitaxyCrescita su un singolo piano
Crescita Franck – van der Merve (FvdM)la crescita di un nuovo strato inizia solo dopo la fine del precedente, l'energia superficiale del substrato è maggiore della somma dell'energia dell'interfaccia e superficiale del materiale ricomprente. Il ricomprente bagna il substrato
Molecular Beam EpitaxyCrescita su un singolo piano
Crescita Vollmer – Weber (VW)si formano isole 3D, il materiale non bagna il substrato e la formazione di isole è energicamente favorita.
Molecular Beam EpitaxyCrescita su un singolo piano
Crescita Stransky – Krastanov (SK)1° fase: Crescita strato per strato (FvdM), formazione wetting layer;
2° fase: Formazione di isole. Formazione dei Qds.
Self Assembly QDs
Molecular Beam Epitaxy
J.Y.Tsao, Foundamentals of Molecular Beam Epitaxy, Accademic Press
Molecular Beam EpitaxyCrescita su una superficie vicinale
Terrazze monoatomiche
Cresita steppropagation Crescita con nucleazione 2D
MBE QWells
TEM image di un 1.74nm InGaAs QWs separata da 7nm AlAsSb barriers.
MBE Qwells
HRTEM image di una doppia barriera di
AlAs/GaAs/AlAs crescita con MBE.
J. Lange, Resonante Tunnelstrukturen im System AlGaAS/InGaAs, Master's thesis, University of Aachen RWTH, 1999.
MOCVD
MetalOrganic Chemical Vapour Deposition Con la tecnica MOCVD si crescono
epitassialmente semiconduttori composti con precursori metallorganici o idruri di metallo.
Esempio: InP = ((CH3)3In) + PH3
Pirolisi dei componenti sulla superficie del substrato (500700°C)
MOCVD
Uniformità su larghe superfici; Alta flessibilità (parametri e sorgenti); Non UHV; Elevata purezza; Tossicità delle sorgenti; Elevati parametri di crescita.
MOCVD
Crescita di InP
((CH3)3In)+PH3=InP
MOCVD (Schema)
MOCVD
Precursori Metallorganici Aluminium Trimethylaluminium (TMA or TMAl), Liquid
Gallium Trimethylgallium (TMG or TMGa), Liquid
Indium Trimethylindium (TMI or TMIn), Solid
Germanium Tetramethylgermane (TMGe), Liquid
Phoshorous Phosphine PH3,
Gas Tertiarybutylphosphine (TBP), Liquid
Arsenic Arsine AsH3, Gas
Trimethyl arsine (TMAs), Liquid
Antimony Trimethyl antimony (TMSb), Liquid
MOCVD
IIIV semiconductors AlGaAs
AlGaInP
GaAs
GaN
InSb
GaInAsP
GaInAs
GaInN
GaInP
●IIVI semiconductors●Zinc selenide (ZnSe)
●HgCdTe
●ZnO
●Zinc sulfide (ZnS)
●IV Semiconductors●Si
●Ge
●Strained silicon
MBE & MOCVD QWs
Quantum Wells confinamento elettronico nella direzione z
Litografia ebeamPlasma etching
Danni e contaminazionilaterali
Degradazione delle proprietà ottiche del campione
MBE & MOCVD QWs
Un altro approccio è ottenere QWs crescendo epitassialmente quantum wells su particolari substrati
La velocità di crescita sulle pareti laterali è più bassa rispetto al fondo.Lo spessore cresciuto è maggiore al centro del solco e diminuisce gradualmente sulle pareti laterali.
MOCVD QWs
Scanning electron microscope image of the vgroove epitaxial
structure
GaAs Quantum Wire Lasers Grown on VGrooved Substrates Isolated by SelfAligned Ion Implantation C. Percival, P. A. Houston, J. Woodhead, G. Hill, J. S. Roberts, A. P. Knights
GaAs/AlxGa1xAs
MOCVD QWs
Optical and continuouswave characteristics of Vgrooved quantum well wire lasers confined by a pn junction array T.G. KIM Optical and Quantum Electronics 31: 1257±1266, 1999.
MBE & MOCVD QDsSelfAssembly indotto da tensione indica un processo per cui un sistema 2D in cui siano presenti delle tensioni tende ad una condizione di minima energia realizzando una transizione morfologica 3D.
InxGa1xAs / GaAs : Disadattamento reticolare= 7.2%
MBE & MOCVD QDsSelfAssembly indotto da tensione indica un processo per cui un sistema 2D in cui siano presenti delle tensioni tende ad una condizione di minima energia realizzando una transizione morfologica 3D.
InxGa1xAs / GaAs : Disadattamento reticolare= 7.2%
MBE & MOCVD QDsSe le costanti reticolari del substrato e dello strato epitassiale differiscono fortemente, solo alcuni monolayer cristallizzano con la costante reticolare del substrato, superato uno spessore critico, lo sforzo interno porta alla rottura e alla formazione spontanea di Qds (<30nm) distribuiti in modo casuale (crescita SK)
MOCVD QDs Array
H. Eisele, O. Flebbe, T. Kalka, F. Heinrichsdorff, A. Krost, D. Bimberg, M. DähnePrietsch, XSTM investigation of threefold stacked InAs quantum dots grown by MOCVD.
MBE & MOCVD QDs
MBE & MOCVD QDs
MBE & MOCVD Qds
Quantum Dots Growth and HREM Imaging P. Werner, R. Hillebrand, G. Cirlin, and V. Talalaev – Max Planck Institut
MBE & MOCVD QDs
InGaAs/GaAs Qds Density
Alexana Roshko Temperature dependence of MBE and MOCVD grown quantum dot density characterized National Institute of Standards and Technology
Processi TopDown
LitografiaEtching
Litografia
La Litografia è il procedimento di trasferimento di una geometria da una maschera su una superficie.
Parametri:
Risoluzione; Allineamento;
Troughput; Pulizia.
Etching
L' attacco è il processo di rimozione di una parte di strato, definita per mezzo di una maschera: il risultato, ottenuto con meccasismi di tipo fisico o chimico, è il trasferimento di una figura sullo strato attraverso l'utilizzo del Resist.
Resist
I Resist sono sostanze liquide che regiscono a vari illuminazioni (VIS, UV, ebeam, Xray ...) disciolte in solventi.
Dopo l'esposizione hanno 2 comportamenti:
Negativo: non sono rimossi dopo lo sviluppo; Positivo: sono rimossi dopo lo sviluppo.
Resist
Resist negativo: contiene un agente fotosensibile che facilita la formazione fra le molecole di base, indurendolo.
Resist positivo: contiene una sostanza che inibisce la dissoluzione da solvente a meno che non venga la radiazione a sciogliere i legami.
Attenzione ai confini della zona illuminata.
Spin coating
Litografia
Vari tipi di Litografia
Fotolitografia Litografia ebeam Litografia Xray Litografia Extreme UV
Fotolitografia
Le maschere per la fotolitografia di solito sono fatte di vetro e ricoprimento di cromo.
La risoluzione è legata alla lunghezza d'onda dei UV.
Litografia Positiva
Litografia Positiva
Litografia Positiva
Litografia Positiva
Litografia Negativa
Litografia Negativa
Litografia Negativa
Litografia Negativa
Fotolitografia
Sistemi di esposizione: Contatto Prossimità Proiezione (stepandrepeat)
Sorgente: Mercurio (0.25 micron) Laser eccimeri KrF
(248nm) ArF (193 nm)
lm=g
Litografia a Raggi X
Litografia per prossimità Elevata risoluzione (30 nm) Problema: Assenza di maschere sottili opache
ai raggi X Uso di maschere spesse (0.5 micron)
oro (opaco) e carburi siliconici (trasparente).
Litografia ebeam
Risoluzione 20 nm Resist: Polimetilmetacrilato PMMA Risoluzione limitate dalla dimensione del fascio
e dagli backscattering electrons Tempi di esposizione lunghi
Litografia ebeam
ETCHING
Si usa l'etching sia per rimuovere il resist o parti del substrato sia per creare nuove strutture.
Etching: Fisico (trasferimento di energia, sputtering); Chimico (solventi per il materiale da erodere).
Etching Chimico: Wet etching (attacco in soluzione) Dry etching (attacco di reagenti a bassa pressione)
Wet Etching
Processo prettamente chimico Velocità elevata Ricette per tutti i composti Grande consumo di materiale chimico Acido fosforico (HF) per l'ossido di silicio
velocità di 1000A/min HF caldo (140200°C) per il nitruro di silicio
Dry Etching
Agenti di attacco fisici e chimici simultanei
Configurazioni di reattore: Plasma Etching: diretto contatto plasmawafer
camera compatta Ion Beam Etching: plasma separato dal wafer, gli
ioni sono accellerati sul wafer da tensioni e griglie
Dry Etching
Meccanismi di attacco: Sputter etching: ioni Argon, velocità di pochi
nm/min, bassa selettività Etching con plasma ad alta pressione: specie
altamente reattive che reagiscono con il wafer, altamente selettivo
Etching assistito da ioni (RIE): combinazione delle precedenti
Dry Etching
Sputter etching
Etching al plasma
Reactive Ion Etching
RIE
Etching
Caratteristiche del processo di attacco:
Selettività: è il grado di accuratezza cui l'agente di attacco distingue la maschera dal substrato
Direzionalità: Isotropo: la velocità di dissoluzione è uguale in tutte
le direzioni Anisotropo: la velocità di dissoluzione è differente
nelle varie direzioni
Etching
Etching
Etching
Etching
Etching anisotropo GaAs VGrooved Si sfrutta l'etching
selettivo per costruire nuove strutture
Etching
Etching
Fabrication of vgroove gratings in InP by inductively coupled plasma etching with SiCl4/Ar K Kennedy, K M Groom and R A Hogg SEMICONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY 21 (2006) L1–L5
Tecniche di nanofabbricazione
Altre Tecniche:
Nano Imprinting Metodo Scanning Probe
DepPin Self Assembly (SAM)
NanoImprinting
La Nanoimprinting è una tecnica che fa uso di un master per ”stampare” e deformare un particolare substrato.
Flessibile e veloce Vantaggio economico e sviluppo industriale
Tipologie di Nanoimprinting Tecnica della Stampa a caldo Tecnica basata sugli UV
NanoImprintingStampa a caldo:
Campione a temperatura maggiore della transizione vetrosa del resist (polimero termoplastico, PMMA, 105°C)
Master (litografia ebeam) Pressione e abbassamento
della temperatura (tempo) Solidificazione e rimozione del
master (tempo)
NanoImprinting
Stampa a UV Per velocizzare si usano gli UV Resist: materiale acrilato o
epossidico che sono modificati per bassa viscosità, sensibilità agli UV, adesione e distacco.
Irraggiamento UV e polimerizzazione
Max Risoluzione : < 80 nm
NanoImprinting
Vantaggi: Risoluzione ottenibile Facilità del processo Industrializzazione
Sviluppi: ”stampare” su substrati curvi
Nanoimprinting
Prof. Dr. Jörg F. Löffler Gold pillars with diameters of 160 nm produced by direct nanoimprinting in a silicon mold for optical and mechanical investigations.
NanoImprinting
MicroBridge Services Ltd , Manufacturing Engineering Centre in Cardiff University
Metodo Scanning Probe
Gli elettroni emessi dalla punta di un Scanning Probe Microscopy SPM possono essere usati per esporre il resist nello stesso modo della litografia ebeam
STM a corrente costanteAFM non contattoAFM forza costante
Resist: PMMA (50100 nm)
Risoluzione < 50 nm
DipPen Nanolithography
Nella DPN, la punta di un AFM che viene fatta funzionare in aria è impregnata della sostanza chimica da depositare è portata a contatto con il substrato. Il menisco d'acqua consente la diffusione ed il trasporto delle molecole.
DipPen Nanolithography
Risoluzione: 5 nn
Materiali depositati: Polimeri conduttivi, oro, DNA, colori organici e anticorpi
SelfAssembly
Il SelfAssembly è una tecnica che consiste nell'aggregazione di nanoparticelle colloidali nelle strutture finali. L'aggregazione può essere spontanea (entropica) o dovuta a vincoli chimici.
Il SelfAssembly non è limitato al dominio molecolare o nanometrico, ma puo' essere condotto in quasi tutte le scale, ciò lo rendere un potente metodo di bottomup.
SelfAssembly
Il SelfAssembly Fisico sfrutta la tendenza di sfere colloidali nanometriche ad organizzarsi in un reticolo cubico a facce centrate FFC. La forza che guida questo processo è la tendenza del sistema a raggiungere una configurazione ad energia minima (entropia)
Il SelfAssembly Chimico richiede l'unione di un singolo layer molecolare (SAM Self Assembled Monolayer) e il successivo autoassemblaggio in una struttura complessa usando riconoscimenti e legami molecolari
SelfAssembly Fisico
Un esemio di self assembly fisico è il caso di
sfere di poliestere in soluzione colloidale che
possono essere assemblate in una
struttura esagonale 3D su un substrato verticale
dopo l'evaporazione del solvente.
SelfAssembly ChimicoI SAM Self Assembled Monolayer si formano per immersione di un substrato in una soluzione di molecole in un solvente organico. Il gruppo funzionale di testa delle molecole è scelto in modo che si possa unire al substrato. Il film risultante è una densa organizzazione di molecole sistemata in modo da esporre il gruppo funzionale di coda.
SelfAssembly Chimico
La durata del SAM è altamente dipendete dall'efficenza
dell'ancoraggio del gruppo di testa.
L'importanza dei SAM è dovuta alla funzionalità del gruppo di coda
(sensori chimici complessi, modificazione dell'attrito della
superficie)
Tecniche di nanofabbricazione
Fine