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Präparation dünner Filme:Molekularstrahlepitaxie (MBE)
Fabian [email protected]
Universität Bielefeld
Seminar: Nanowissenschaften SS 20088. Mai 2008
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Überblick
1 EinführungWas ist Epitaxie/Molekularstrahlepitaxie?Anwendungsgebiete
2 ApparaturenQuellenIn-situ Analytik
3 Grundlagen des SchichtwachstumsHomoepitaktisches WachstumHeteroepitaktisches Wachstum
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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 setzen sich auf dem Substrat ab und kristallisieren zudünnen Schichten
Herstellung von Legierungen und Verbindungen durchgleichzeitiges Verdampfen aus mehreren Quellen
Substrattemperatur von 300-1000K hat groÿen Ein�uss aufdas Kristallwachstum
in-situ Beobachung 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 10−7PaUltrahochvakuum (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 ·10−210−7 3.9 ·106 3.4 ·10−4
Tabelle: aus [3]8 / 27
1 EinführungWas ist Epitaxie/Molekularstrahlepitaxie?Anwendungsgebiete
2 ApparaturenQuellenIn-situ Analytik
3 Grundlagen des SchichtwachstumsHomoepitaktisches WachstumHeteroepitaktisches Wachstum
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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 Verdampfungsraten12 / 27
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 Absorbats 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: Aus M. Henzler:
Ober�ächenphysik des Festkörpers
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 / 27
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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Quellen
M.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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