Nanoscience presentatie Erik Langereis op Open dag JCU
1. Stapelen met atomen!
- precisie op de nanometer -
dr.ir. Erik Langereis
Open dag Junior College Utrecht
- 30 Maart 2010 -
2. Mijn achtergrond
1 / 21
• 1992 – 1997: VWO
• 1997 – 2003: Studie Technische Natuurkunde
• 2004 – 2008: Promotieonderzoek
Nanoscience
• 2008 – 2010: Wetenschappelijk onderzoeker
• Maart 2010: Docent Natuurkunde aan de UU
Departement Natuur- en Sterrenkunde
Junior College Utrecht
3. Wat is Nanoscience?
2 / 21
In deze presentatie ligt de nadruk op:
Gecontroleerde groei van atomaire lagen:
controle over dikte en materiaaleigenschappen
• Waarom is dat nodig?
- Snellere computers, betere zonnecellen, slimmere auto’s, etc
• Hoe doe je dat?
- Methode: atomaire laagdepositie (ALD)
• Hoe weet je dat het werkt?
- Meten = Weten: extreem gevoelige diagnostieken
4. Toepassing van atomaire lagen
3 / 21
Optische, mechanische, elektrische en chemische eigenschappen van dunne lagen
Computers Zonnecellen Flexibele displays
5. Toepassing van atomaire lagen
4 / 21
Optische, mechanische, elektrische en chemische eigenschappen van dunne lagen
Computers Zonnecellen Flexibele displays
Miniaturisatie van componenten op de microchip
De Wet van Moore: “Meer functionaliteit op een kleiner oppervlakte”
1950 1970 2005 2010
Typische afmeting elektrische componenten:
centimeter millimeter micrometer nanometer
6. Kleiner én meer functionaliteit
5 / 21
De transistor schakelaar als voorbeeld
Isolator Schakel electrode
Electrode Electrode
Probleem door miniaturisatie
Kleiner dimensies van de transistor en steeds hogere eisen
verklein dikte van SiO2 isolator lekstromen!!
Gate
Bestaande transistor:
Source Drain “foto” gemaakt met
electronenmicroscoop
Insulator
Channel
SiO2 isolator = ~1.2 nm 4 atoomlagen!!
7. Kleiner én meer functionaliteit
6 / 21
De transistor schakelaar als voorbeeld
Gate
Source Drain
Isolator
Channel
Oplossing
Gebruik materialen met hoge dielektrische constante k!
Verbeterde transistor met “iets dikkere” isolatorlaag
SiO2: k = 3.9
Al2O3: k = 9
HfO2: k = 25
SrTiO3: k > 300
Controle van laagdikte en eigenschappen op het atomaire niveau
8. Kleiner én meer functionaliteit
7 / 21
Het computergeheugen als voorbeeld
Meer opslagcapaciteit door gebruik van 3D structuren:
Groot oppervlakte en materialen met hoge k waarde
Probleem
Bestaande groeimethodes
“laaggroei is evenredig met deeltjesflux”
Extreme conformaliteit vereist!
Oplossing Depositiemethode met extreem conformele groei
9. Atomaire laagdepositie (ALD)
8 / 21
Groeimethode met controle van materiaaleigenschappen
op het atomaire niveau én extreem conformele groei
Verschillende methoden om “muurtje te metselen met atomen”
chemisch opdampen: fysisch opdampen: atomaire laagdepositie:
>500 nm/min 5-10 nm/min <1 nm/min
afhankelijk van deeltjesflux onafhankelijk van deeltjesflux
conformaliteit!!
10. Principe van ALD
9 / 21
Gebruik van specifieke oppervlaktereacties
“groei gelimiteerd door oppervlaktefunctionaliteit”
Precursor A Precursor B
Zelfgelimiteerde oppervlaktereacties: Demonstratie
het hagelslag experiment
11. Principe van ALD: chemische reacties
10 / 21
Gebruik van specifieke oppervlaktereacties
“groei gelimiteerd door oppervlaktefunctionaliteit”
illustratie van ALD Al2O3
1 monolaag per cyclus
Al(CH3)3 H2O
12. Principe van ALD: conformaliteit
11 / 21
Gebruik van specifieke oppervlaktereacties
“groei gelimiteerd door oppervlaktefunctionaliteit”
80 nm Al2O3 conformeel in diepe structuur!
Conformaliteit te danken aan de zelfgelimiteerde oppervlaktechemie
14. ALD toepassingen:
Ultradunne lagen – conformele groei – goede kwaliteit 13 / 21
Al2O3/Ta2O5: röntgen spiegel TiO2/ZnS:Mn/TiO2 and TiO2: 3D structuren
Szeghalmi et al., Appl. Phys. Lett. 94, 133111 (2009) King et al., Adv. Mater. 17, 1010 (2005)
100 nm
20 nm Al2O3: beschermingslaag op organische display (OLED)
No film a-SiNx:H film ALD Al2O3 film
Langereis et al., Appl. Phys. Lett. 89, 081915 (2006)
Groner et al., Appl. Phys. Lett. 88, 051907 (2006)
Garcia et al., Appl. Phys. Lett. 89, 031915 (2006).
15. Meten aan nanometer dikke lagen
14 / 21
• Zeer gevoelige diagnostieken nodig:
• Electronenmicroscopen laagdikte
• Verstrooiingstechnieken atomaire samenstelling
• Optische methoden: spectroscopische ellipsometrie
interactie van licht met materiaal
Wikipedia.org
Interferentie door interne reflectie Dispersie in optische constanten
Informatie over atomaire laagdikte Inzicht in materiaaleigenschappen
16. Extreme controle over laagdikte
15 / 21
350
Laagdikte Al2O3 (Å) 300
250 Raar!?
200
150
100
50
0
0 50 100 150 200 250 300
Aantal ALD cycli
Groei per ALD cyclus: 1 Å = 0.1 nm!!
17. Zelfgelimiteerde oppervlaktereacties
16 / 21
2.0 2.0
Groei
in situ SE wordt onafhankelijk van in situ SE
dosering!
Groei per ALD cyclus (Å)
Groei per ALD cyclus (Å)
1.5 1.5
1.0 1.0
0.5 2s O2 plasma 0.5 8 TMA doses
o
o T = 200 C
T = 200 C
0.0 0.0
0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4
Dosering precursor (s) Dosering reactant (s)
18. Optische constanten
17 / 21
12
20 12
60
10 n 10
50 Transparant:
Extinctiecoëfficient k
k Al2O3
Brekingsindex n
8
0 Optische constanten: 8
40
n
6
-10 Brekingsindex: n 30
6 Halfgeleider:
TiO2
4
-20
n Extinctiecoëfficient: k 20
4
k
2
-30 10
2 Metallisch:
k
TiN
0
-40 0
750 nm zichtbaar licht 400 nm
Golflengte (nm)
Optische constanten geven inzicht in materiaaleigenschappen!
19. Optische constanten
18 / 21
12 12
10 10 Transparant:
Extinctiecoëfficient k
k Al2O3
Brekingsindex n
8 8
n
6 6 Halfgeleider:
TiO2
4
n 4
2 2 Metallisch:
k
TiN
0 0
750 nm zichtbaar licht 400 nm
Golflengte (nm)
Optische constanten geven inzicht in materiaaleigenschappen!
20. Optische constanten
19 / 21
12 12
10 10 Transparant:
Extinctiecoëfficient k
k Al2O3
Brekingsindex n
8 8
n
6 6 Halfgeleider:
TiO2
4 4
2 2 Metallisch:
TiN
0 0
750 nm zichtbaar licht 400 nm
Golflengte (nm)
Optische constanten geven inzicht in materiaaleigenschappen!
21. Optische constanten
20 / 21
12
20 60
12
10 n 50
10 Transparant:
Extinctiecoëfficient k
k Al2O3
Brekingsindex n
8
0 40
8
n
6
-10 30
6 Halfgeleider:
TiO2
4
-20
n 20
4
k
2
-30 10
2 Metallisch:
k
TiN
0
-40 0
750 nm zichtbaar licht 400 nm
Golflengte (nm)
Optische constanten geven inzicht in materiaaleigenschappen!
22. Nanoscience!!
21 / 21
Onderdeel:
Gecontroleerde groei van nanometer lagen
• Waarom is dat nodig?
- Snellere computers, efficiëntere zonnecellen, slimmere auto’s
• Hoe doe je dat?
- Groeimethode: atomaire laagdepositie (ALD)
• Hoe weet je dat het werkt?
- Meten = Weten: extreem gevoelige diagnostieken
1950 1970 2005 2010 2020
?