Depuneri de filme epitaxiale prin MBE
Cercetător: Radu Tiberiu Brătfălean
Cuvinte cheie: evaporare în vid ultraînalt, depuneri de filme subțiri, filme cristaline, epitaxie moleculară
Descriere
Depunerea de filme epitaxiale în vid ultraînalt prin tehnica MBE (Molecular Beam Epitaxy) este o tehnologie de fabricație prin care se poate crește un film, dintr-un material de interes, pe un substrat de depunere. Substratul este ales atât pentru a favoriza obținerea unei structuri monocristaline a filmului, cât și pentru a asigura aderența necesară acestuia.
Depunerea filmului se realizează prin trimiterea unui fascicul de atomi/molecule pe substrat. Acest fascicul se obține prin evaporarea termică a materialului de interes, într-un creuzet prevăzut cu încălzire electrică, asigurându-se în acest fel o direcționalitate bine definită a fasciculului pe substratul de depunere. Procesul de depunere are loc în condiții de vid ultraînalt, la presiuni de ordinul a 10-10 mbar, cu scopul de a obține o puritate deosebită a materialului în filmul depus.
Aplicații
Domenii de aplicabilitate: cercetare-dezvoltare, electronică, optoelectronică, nanotehnologii
Sisteme: materialele ce se pot depune prin această tehnică sunt metale, semiconductori, și orice alte materiale anorganice și organice în stare solidă ce prezintă o rată de evaporare suficient de mare până la temperatura maximă de încălzire de aproximativ 1450ºC
Industrii: dispozitive semiconductoare, telecomunicații, senzori, laseri
Infrastructură
Departamentul de Fizică Moleculară și Biomoleculară a Institului dispune de o instalație modernă, de epitaxie moleculară, ce a fost achiziționată în martie 2012 din Germania de la firma Omicron. Principalele caracteristici tehnice ale instalației sunt următoarele:
- Incintă de vid-ultraînalt, la un nivel de 10-10 mbar, asigurat de un sistem de pompe care include o pompă turbomoleculară, o pompă ionică și o pompă de sublimare cu titan
- Instalația este dotată cu patru celule de evaporare din care se pot evapora, simultan sau secvențial, diferite materiale prin încălzire până la temperaturi de 1450ºC
- Tun de electroni pentru monitorizarea, în timp real, a stării de cristalinitate a filmului depus
- Monitor al presiunii fasciculul atomic/molecular pentru controlul ratei de depunere a materialului pe substrat
- Balanță de cuarț pentru monitorizarea grosimii filmului depus pe substrat
- Temperatură controlabilă pentru suportul substratului de depunere, între temperatura azotului lichid, -196ºC, și 827ºC
- Tun cu ioni de argon pentru curățarea substratului înainte de depunere sau pentru tratamentul filmului depus
Avantaje
Diagnoză la fiecare etapă de fabricație. Instalația de epitaxie moleculară este cuplată la o altă instalație de vid ultraînalt ce are facilități de microscopie de scanare de tip AFM și de tip STM. Acest lucru permite atât caracterizarea topografiei substratului, cât și topografia filmelor depuse, imediat după realizarea acestora, fără ca proba să părăsească mediul de vid ultraînalt
Controlul temperaturii substratului. Acest lucru permite asigurarea temperaturii necesare substratului în timpul depunerii, și efectuarea de tratamente termice asupra probei. Aceste tratamente termice se pot realiza atât anterior depunerii, pentru degazarea și curățarea pirolitică a substratului, cât și ulterior depunerii, de exemplu în vederea obținerii unor efecte dorite de micro-/nanostructurare a filmelor depuse
Tratament cu ioni de argon. Echiparea instalației de epitaxie moleculară cu tunul de ioni de argon permite o curățare mai agresivă a substratului de depunere. Acest lucru este necesar atunci când există contaminanți care sunt puternic legați de substratul de depunere și care nu au putut fi îndepărtați prin metoda tradițională de sonicare în diverși solvenți chimici.
Costuri estimative
Prețul pentru realizarea unei depuneri de strat subțire epitaxial începe de la 500 lei și poate crește în funcție de complexitatea procesului de fabricație dorit. Factori care influențează prețul unui proces de depunere de straturi subțiri epitaxale sunt următorii:
- Costul materialului/materialelor de interes
- Complexitatea procesului de curățare și de tratament a substratului de depunere, ce are loc înaintea de depunerea filmului de interes, dacă acest lucru este necesar
- Numărul și grosimea straturilor care se doresc a fi depuse
- Temperatura la care se menține substratul de depunere în timpul depunerii − o temperatură criogenică implică costuri suplimentare
- Tratamente termice post-depunere
- Imagistica topografiei stratului/straturilor depuse, prin microscopie de forță atomică sau prin microscopie de tunelare
- Manopera, care include cheltuielile de personal și pe cele indirecte, asociate cu operațiunile de preparare a probei și de imagistică a acesteia