Tecniche di nanofabbricazione

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1 CorsodiFisicadeiMateriali A.A Tecnichedinanofabbricazione VitoFasano Docente:R.Rinaldi

2 TecnichediFabbricazione Differentiapprocci Top Down: Top Down usoditecnichequalioptical,x ray,uve e beam lithography per produrre nanostrutture con dimensioninanometriche. Bottom up: Bottom up uso di proprietà di self assembly di atomi o molecole su superfici nanostrutturate o chimicamenteattive.

3 TecnichediFabbricazione Top Down: Top Down Rimozione di una parte da un bloccomacrospico(altarisoluzione,largaarea).

4 TecnichediFabbricazione Bottom Up:Moleculebymoleculeassembly. Bottom Up

5 TecnichediFabbricazione Crescita: MBE(MolecularBeamEpitaxy) MOCVD(MetalOrganicChemicalVapour Deposition)

6 MolecularBeamEpitaxy UHV; SlowDepositionRate(1000nm/hour); Monitoringinsitu(RHEED); ControllodellaTemperaturadelSubstrato; Controlloaccuratodelleinterfaccie; AltaPurezzadelMateriale; Crescitasupiccolesuperfici.

7 MolecularBeamEpitaxy

9 MolecularBeamEpitaxy Processidi Deposizione Adsorbimento Diffusione Incorporazione Desorbimento M.A.Herman,H.Sitter,MolecularBeamEpitaxy,Ed.SpringerVelag L.L.Chang,R.Ludeke,EpitaxyGrowthpartA,Ed.J.W.Mattews

10 MolecularBeamEpitaxy Lacrescitadelfilm avvienein3step: Diffusione; Nucleazione; Aggregazione. J.G.Amar,Kineticsofsubmonolayerandmultilayerepitaxialgrowth, ThinSolidFilms272(1996)

12 MolecularBeamEpitaxy DisaccordoReticolare,Mismatch: M<1%isomorfa M>1%pseudomorfa,Strain b a M= a M>0StrainTensile M<0StrainCompressive Kurov,Givargizov,SovietPhys.SolidState3,1512(1962);

13 MolecularBeamEpitaxy DefinizioneStrain: p = Energiastrain: E 2 p Rottura:M>5% a p a a J.W.Mattews,A.E.Blakeslee,J.Cryst.Growth,27,1974

14 MolecularBeamEpitaxy ModalitàdiCrescita: Suunsingolopiano: Crescitalayer by layer FvdM Crescitaperisole VW Crescitalayerpiùisole SK Suunasuperficievicinale: Crescitastep propagation Crescitaconnucleazione2D

15 MolecularBeamEpitaxy Crescitasuunsingolopiano CrescitaFranck vandermerve(fvdm) la crescita di un nuovo strato inizia solo dopo la fine del precedente, l'energia superficiale del substrato è maggiore della somma dell'energia dell'interfaccia e superficiale del materialericomprente.ilricomprentebagnailsubstrato

16 MolecularBeamEpitaxy Crescitasuunsingolopiano CrescitaVollmer Weber(VW) si formano isole 3D, il materiale non bagna il substrato e la formazionediisoleèenergicamentefavorita.

17 MolecularBeamEpitaxy Crescitasuunsingolopiano CrescitaStransky Krastanov(SK) 1 fase:crescitastratoperstrato(fvdm),formazionewettinglayer; 2 fase:formazionediisole.formazionedeiqds. SelfAssemblyQDs

18 MolecularBeamEpitaxy J.Y.Tsao,FoundamentalsofMolecularBeamEpitaxy,AccademicPress

19 MolecularBeamEpitaxy Crescitasuunasuperficievicinale Terrazzemonoatomiche Cresitastep propagation Crescitaconnucleazione2D

20 MBEQWells TEMimagediun1.74nmInGaAsQWs separatada7nmalassbbarriers.

21 MBEQwells HRTEMimagedi unadoppia barrieradi AlAs/GaAs/AlAs crescitaconmbe. J.Lange,ResonanteTunnelstrukturenimSystemAlGaAS/InGaAs, Master'sthesis,UniversityofAachenRWTH,1999.

22 MOCVD MetalOrganicChemicalVapourDeposition Con la tecnica MOCVD si crescono epitassialmente semiconduttori composti con precursorimetallorganicioidruridimetallo. Esempio:InP=((CH3)3In)+PH3 Pirolisi dei componenti sulla superficie del substrato( C)

23 MOCVD Uniformitàsularghesuperfici; Altaflessibilità(parametriesorgenti); NonUHV; Elevatapurezza; Tossicitàdellesorgenti; Elevatiparametridicrescita.

24 MOCVD CrescitadiInP ((CH3)3In)+PH3=InP

25 MOCVD(Schema)

26 MOCVD PrecursoriMetallorganici AluminiumTrimethylaluminium(TMAorTMAl),Liquid GalliumTrimethylgallium(TMGorTMGa),Liquid IndiumTrimethylindium(TMIorTMIn),Solid GermaniumTetramethylgermane(TMGe),Liquid PhoshorousPhosphinePH3, GasTertiarybutylphosphine(TBP),Liquid ArsenicArsineAsH3,Gas Trimethylarsine(TMAs),Liquid AntimonyTrimethylantimony(TMSb),Liquid

27 MOCVD III Vsemiconductors AlGaAs AlGaInP GaAs GaN InSb GaInAsP GaInAs GaInN GaInP II VIsemiconductors Zincselenide(ZnSe) HgCdTe ZnO Zincsulfide(ZnS) IVSemiconductors Si Ge Strainedsilicon

28 MBE&MOCVDQWs QuantumWellsconfinamentoelettroniconella direzionez Litografiae beam Plasmaetching Danniecontaminazioni laterali Degradazionedelle proprietàottichedel campione

29 MBE&MOCVDQWs Un altro approccio è ottenere QWs crescendo epitassialmentequantumwellssuparticolarisubstrati La velocità di crescita sulle pareti laterali è più bassarispettoalfondo. Lo spessore cresciuto è maggiore al centro del solco e diminuisce gradualmente sulle paretilaterali.

30 MOCVDQWs Scanningelectron microscopeimageof thev grooveepitaxial structure GaAs/AlxGa1 xas GaAsQuantumWireLasersGrownonV GroovedSubstratesIsolatedbySelf AlignedIon Implantation C.Percival,P.A.Houston,J.Woodhead,G.Hill,J.S.Roberts,A.P.Knights

31 MOCVDQWs Opticalandcontinuous wavecharacteristicsofv groovedquantum wellwirelasersconfinedbyap njunctionarray T.G.KIM OpticalandQuantumElectronics31:1257±1266,1999.

32 MBE&MOCVDQDs Self Assemblyindottodatensioneindicaunprocesso per cui un sistema 2 D in cui siano presenti delle tensioni tende ad una condizione di minima energia realizzandounatransizionemorfologica3d. InxGa1 xas/gaas:disadattamentoreticolare=7.2%

33 MBE&MOCVDQDs Self Assemblyindottodatensioneindicaunprocesso per cui un sistema 2 D in cui siano presenti delle tensioni tende ad una condizione di minima energia realizzandounatransizionemorfologica3d. InxGa1 xas/gaas:disadattamentoreticolare=7.2%

34 MBE&MOCVDQDs Se le costanti reticolari del substrato e dello strato epitassiale differiscono fortemente, solo alcuni monolayer cristallizzano con la costante reticolare delsubstrato,superatouno spessore critico, lo sforzo interno porta alla rottura e alla formazione spontanea diqds(<30nm)distribuitiin modocasuale(crescitask)

35 MOCVDQDsArray H.Eisele,O.Flebbe,T.Kalka,F.Heinrichsdorff,A.Krost,D.Bimberg,M. Dähne Prietsch,XSTMinvestigationofthree foldstackedinasquantum dotsgrownbymocvd.

36 MBE&MOCVDQDs

37 MBE&MOCVDQDs

38 MBE&MOCVDQds QuantumDots GrowthandHREMImaging P.Werner, R.Hillebrand,G.Cirlin,andV.Talalaev MaxPlanckInstitut

39 MBE&MOCVDQDs InGaAs/GaAsQdsDensity AlexanaRoshko Temperature dependence of MBE and MOCVD grown quantum dot density characterized National Institute of Standards andtechnology

40 ProcessiTop Down Litografia Etching

41 Litografia La Litografia è il procedimento di trasferimento di unageometriadaunamascherasuunasuperficie. Parametri: Risoluzione; Allineamento; Troughput; Pulizia.

42 Etching L'attaccoèilprocessodirimozionediunaparte di strato, definita per mezzo di una maschera: il risultato, ottenuto con meccasismi di tipo fisico o chimico, è il trasferimento di una figura sullo stratoattraversol'utilizzodelresist.

43 Resist IResistsonosostanzeliquidecheregisconoavari illuminazioni(vis,uv,e beam,x ray...)discioltein solventi. Dopol'esposizionehanno2comportamenti: Negativo:nonsonorimossidopolosviluppo; Positivo:sonorimossidopolosviluppo.

44 Resist Resist negativo: contiene un agente fotosensibile che facilita la formazione fra le molecole di base, indurendolo. Resist positivo: contiene una sostanza che inibisceladissoluzionedasolventeamenochenon vengalaradiazioneasciogliereilegami. Attenzioneaiconfinidellazonailluminata. Spincoating

45 Litografia VaritipidiLitografia Fotolitografia Litografiae beam LitografiaX ray LitografiaExtremeUV

46 Fotolitografia Lemaschereperlafotolitografiadisolitosonofattedi vetroericoprimentodicromo. Larisoluzioneèlegataallalunghezzad'ondadeiUV.

47 LitografiaPositiva

51 LitografiaNegativa

55 Fotolitografia Sistemidiesposizione: l m = g Contatto Prossimità Proiezione(step and repeat) Sorgente: Mercurio(0.25micron) LasereccimeriKrF (248nm)ArF(193nm)

56 LitografiaaRaggiX Litografiaperprossimità Elevatarisoluzione(30nm) Problema:Assenzadimascheresottiliopache airaggix Uso di maschere spesse (0.5 micron) oro(opaco)ecarburisiliconici(trasparente).

57 Litografiae beam Risoluzione20nm Resist:PolimetilmetacrilatoPMMA Risoluzione limitate dalla dimensione del fascio edaglibackscatteringelectrons Tempidiesposizionelunghi

58 Litografiae beam

59 ETCHING Siusal'etchingsiaperrimuovereilresistopartidel substratosiapercrearenuovestrutture. Etching: Fisico(trasferimentodienergia,sputtering); Chimico(solventiperilmaterialedaerodere). EtchingChimico: Wetetching(attaccoinsoluzione) Dryetching(attaccodireagentiabassapressione)

60 WetEtching Processoprettamentechimico Velocitàelevata Ricettepertuttiicomposti Grandeconsumodimaterialechimico Acidofosforico(HF)perl'ossidodisilicio velocitàdi1000a/min HFcaldo( C)perilnitrurodisilicio

61 DryEtching Agentidiattaccofisiciechimicisimultanei Configurazionidireattore: Plasma Etching: diretto contatto plasma wafer cameracompatta IonBeamEtching:plasmaseparatodalwafer,gli ionisonoaccelleratisulwaferdatensioniegriglie

62 DryEtching Meccanismidiattacco: Sputter etching: ioni Argon, velocità di pochi nm/min,bassaselettività Etching con plasma ad alta pressione: specie altamente reattive che reagiscono con il wafer, altamenteselettivo Etching assistito da ioni (RIE): combinazione delleprecedenti

63 DryEtching Sputteretching Etchingalplasma ReactiveIonEtching RIE

64 Etching Caratteristichedelprocessodiattacco: Selettività:èilgradodiaccuratezzacuil'agente diattaccodistinguelamascheradalsubstrato Direzionalità: Isotropo:lavelocitàdidissoluzioneèugualeintutte ledirezioni Anisotropo: la velocità di dissoluzione è differente nellevariedirezioni

65 Etching

66 Etching

67 Etching

68 Etching Etchinganisotropo GaAs V Grooved Sisfruttal'etching selettivopercostruire nuovestrutture

69 Etching

70 Etching Fabrication of v groove gratings in InP by inductively coupledplasma etching with SiCl4/Ar KKennedy,KMGroomandRAHogg SEMICONDUCTORSCIENCEANDTECHNOLOGY 21(2006)L1 L5

71 Tecnichedinanofabbricazione AltreTecniche: NanoImprinting MetodoScanningProbe Dep Pin SelfAssembly(SAM)

72 Nano Imprinting LaNanoimprintingèunatecnicachefausodiun master per stampare e deformare un particolare substrato. Flessibileeveloce Vantaggio economico e sviluppo industriale TipologiediNanoimprinting TecnicadellaStampaacaldo TecnicabasatasugliUV

73 Nano Imprinting Stampaacaldo: Campione a temperatura maggiore della transizione vetrosa del resist (polimero termoplastico,pmma,105 C) Master(litografiae beam) Pressione e abbassamento dellatemperatura(tempo) Solidificazione e rimozione del master(tempo)

74 Nano Imprinting StampaaUV PervelocizzaresiusanogliUV Resist: materiale acrilato o epossidico che sono modificati per bassa viscosità, sensibilità agliuv,adesioneedistacco. IrraggiamentoUVe polimerizzazione MaxRisoluzione:<80nm

75 Nano Imprinting Vantaggi: Risoluzioneottenibile Facilitàdelprocesso Industrializzazione Sviluppi: stampare susubstraticurvi

76 Nano imprinting Prof.Dr.JörgF.Löffler Goldpillarswithdiametersof160nm producedbydirectnanoimprintinginasiliconmoldforoptical andmechanicalinvestigations.

77 Nano Imprinting MicroBridgeServicesLtd,ManufacturingEngineeringCentreinCardiffUniversity

78 MetodoScanningProbe GlielettroniemessidallapuntadiunScanningProbe MicroscopySPMpossonoessereusatiperesporreil resistnellostessomododellalitografiae beam STMacorrentecostante AFMnoncontatto AFMforzacostante Resist:PMMA(50 100nm) Risoluzione<50nm

79 Dip PenNanolithography Nella DPN, la punta di un AFM che viene fatta funzionare in aria è impregnata della sostanza chimica da depositare è portata a contatto con il substrato. Il menisco d'acqua consente la diffusioneediltrasportodellemolecole.

80 Dip PenNanolithography Risoluzione:5nn Materialidepositati: Polimericonduttivi, oro,dna,colori organicieanticorpi

81 Self Assembly Il Self Assembly è una tecnica che consiste nell'aggregazione di nanoparticelle colloidali nelle strutture finali. L'aggregazione può essere spontanea(entropica)odovutaavincolichimici. Il Self Assembly non è limitato al dominio molecolare o nanometrico, ma puo' essere condottoinquasituttelescale,ciò lorendereun potentemetododibottom up.

82 Self Assembly IlSelf AssemblyFisicosfruttalatendenzadisfere colloidalinanometricheadorganizzarsiinunreticolo cubico a facce centrate FFC. La forza che guida questo processo è la tendenza del sistema a raggiungere una configurazione ad energia minima (entropia) Il Self Assembly Chimico richiede l'unione di un singolo layer molecolare (SAM Self Assembled Monolayer)eilsuccessivoautoassemblaggioinuna strutturacomplessausandoriconoscimentielegami molecolari

83 Self AssemblyFisico Unesemiodiself assemblyfisicoèilcasodi sferedipoliesterein soluzionecolloidaleche possonoessere assemblateinuna strutturaesagonale3dsu unsubstratoverticale dopol'evaporazionedel solvente.

84 Self AssemblyChimico I SAM Self Assembled Monolayer si formano per immersione di un substrato in una soluzione di molecole in un solvente organico. Il gruppo funzionale di testa delle molecole è scelto in modo che si possa unire al substrato. Il film risultante è una densa organizzazione di molecole sistemata in mododaesporreilgruppofunzionaledicoda.

85 Self AssemblyChimico LaduratadelSAMèaltamente dipendetedall'efficenza dell'ancoraggiodelgruppoditesta. L'importanzadeiSAMèdovuta allafunzionalitàdelgruppodicoda (sensorichimicicomplessi, modificazionedell'attritodella superficie)

86 Tecnichedinanofabbricazione Fine