Präparation dünner Filme:Molekularstrahlepitaxie (MBE)

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

Universität Bielefeld

Seminar: Nanowissenschaften SS 20088. Mai 2008

1 / 27

Überblick

1 EinführungWas ist Epitaxie/Molekularstrahlepitaxie?Anwendungsgebiete

2 ApparaturenQuellenIn-situ Analytik

3 Grundlagen des SchichtwachstumsHomoepitaktisches WachstumHeteroepitaktisches Wachstum

2 / 27

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.

3 / 27

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

4 / 27

Molekularstrahlepitaxie (MBE)

Abbildung: [2] Abbildung: [4]

5 / 27

Anwendungsgebiete

Beispiele für die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten

Halbleiter-Anwendungen

Herstellung von dotierten GaAs HalbleiternOptoelektronische Bauteile: Laserdioden,Quantenkaskadenlaser

GMR/TMR-Sensoren

Quantendrähte

Quantenpunkte

6 / 27

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

7 / 27

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

9 / 27

Komponenten eines MBE-Systems

Quellen (Knudsen-Zelle, Elektronenstrahlverdampfer)

Strahlunterbrecher (Shutter)

Prozess-Umgebung (Mehrere UHV-Kammern)

In-situ Analytik (RHEED, Quarzwaage, AugerElektronenspektroskopie, Quadrupol Massenspektrometer)

10 / 27

Knudsen-Zelle

Abbildung: [1]

Erzeugung des Molekularstrahlsdurch Sublimation

Substanz be�ndet sich inhitzebeständigen Tiegeln

Thermoelemente undHitzeisolierung für hoheTemperaturkonstanz

11 / 27

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]

13 / 27

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]

14 / 27

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]

15 / 27

1 EinführungWas ist Epitaxie/Molekularstrahlepitaxie?Anwendungsgebiete

2 ApparaturenQuellenIn-situ Analytik

3 Grundlagen des SchichtwachstumsHomoepitaktisches WachstumHeteroepitaktisches Wachstum

16 / 27

Modell einer kristallinen Ober�äche

Abbildung: Schematische Darstellung der Kristallober�äche [3]

Kinetisch bevorzugte Stellen zur Resublimation:Terassenkanten, dort bevorzugt an den Kinken

17 / 27

Homoepitaktisches Wachstum

Homoepitaxie

Epitaktisches Wachstum auf einer einkristallinenOber�äche des gleichen Materials

Abbildung: Wachstumsmoden bei der Homoepitaxie [3]

18 / 27

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

19 / 27

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

20 / 27

Schichtwachstum �Frank-van der Merve�-Typ

Atome sind stärker an das Substrat als untereinander gebunden

typisch für:

viele Metalle auf MetallenHalbleiter auf Halbleiter

21 / 27

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)

22 / 27

�Stranski-Krastranov�-Typ

Abbildung: Aus M. Henzler:

Ober�ächenphysik des Festkörpers

Inselwachstum nach einigenMonolagen energetischgünstiger

typisch für: Edelgase aufGraphit, Metalle aufHalbleitern

23 / 27

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

25 / 27

Zusammenfassung

Stärken der MBE

Epitaxie - geordnetes Kristallwachstum

In-Situ Analytik - Kontrolle während des Prozesses

Schwächen der MBE

UHV - teuer und aufwendig

Langsam - geringe Wachstumsrate

26 / 27

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.

27 / 27