Einführung Apparaturen Grundlagen des Schichtwachstums

Präparation dünner Filme:Molekularstrahlepitaxie (MBE)

Fabian Schmid-Michelsfschmid-michels@uni-bielefeld.de

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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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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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 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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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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Die D2-Kombi: Sputter+MBE-Anlage

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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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