2711906462

Wiadomości Uniwersytfxkif.

KONFERENCJE • SYMPOZJA • ZJAZDY

IV MIĘDZYNARODOWE SYMPOZJUM ION 2002

Zdjęcie świecącej płytki porowatego krzemu wykonane w świetle lampy ksenonowej.

Fot. J. Żuk

CZY NADCHODZĄ KRZEMOWE LASERY?

W dniach 10-13 czerwca br. w Kazimierzu Dolnym nad Wisłą odbędzie się czwarte już Międzynarodowe Sympozjum ION2002. Udział w konferencji zapowiedziało około 120 osób z Polski i innych krajów, niektórych tak egzotycznych jak Katar. Organizatorem Sympozjum jest Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej, Politechnika Lubelska i Politechnika Wrocławska. Za stronę naukową Sympozjum odpowiada kierowany przeze mnie Zakład Fizyki Jonów i Implantacji Instytutu Fizyki UMCS. Zasadniczą tematyką obecnej konferencji, podobnie zresztą jak miało to miejsce w czasie trzech poprzednich, będzie implantacja jonowa - obszerna dziedzina fizyki i techniki zajmująca się oddziaływaniem wiązek jonowych z ciałem stałym i modyfikacją materiałów przy pomocy wspomnianych wiązek. Organizacja konferencji z zakresu implantacji jonowej przez UMCS nic jest przypadkowa. Jest to tradycyjna tematyka badawcza sporej liczby fizyków i inżynierów lubelskiego ośrodka naukowego, zapoczątkowana w Polsce przez śp. Profesora Włodzimierza Żuka - wybitnego specjalistę z zakresu spektrometrii mas i autora dwóch wydanych przez PWN monografii naukowych poświęconych zagadnieniom implantacji, separacji jonów i spektrometrii masowej.

Istota metody implantacji jonowej polega na wprowadzaniu do ciała stałego przyspieszonych do energii od kilku do kilkuset keV (obecnie nawet do kilkunastu McV) domieszek określonego pierwiastka o żądanej energii, gęstości, głębokości, jednorodności powierzchniowej, rozkładzie powierzchniowym, rozkładzie ładunku itp. Szybkie jony, oddziaływując z tarczami ciała stałego, prowadzą do wielu zjawisk, spośród których wymienić należy: rozpylanie materiału tarczy, emisję elektronów, reakcje chemiczne, wzbudzenie i jonizację atomów tarczy, wybicie atomów sieci krystalicznej z ich położeń równowagi, a przede wszystkim wbijanie (im-plantację) padających jonów do sieci krystalicznej tarczy. Nic zatem dziwnego, że wskutek implantacji następują ogromne zmiany własności fizykochemicznych bombardowanych ciał. W odniesieniu np. do metali będą to przede wszystkim zmiany własności trybologicznych, takich jak tarcic. twardość, wytrzymałość oraz struktura geometryczna naświetlanych powierzchni (np. chropowatość). Wszystkie wspomniane własności mają istotne znaczenie w wiciu dziedzinach nauki i techniki, m.in. w mechanice precyzyjnej, optyce, akustyce, energetyce jądrowej, a nawet w medycynie, np. przy produkcji tzw. implantów chirurgicznych. Jest zatem oczywiste, że implantacja odgrywa coraz znaczniejszą rolę w dzisiejszym świecie, koncentrując na sobie uwagę wielu środowisk, włącznie ze światem biznesu.

Niewątpliwie implantacja jonowa największe znaczenie osiągnęła jednak w mikroelektronice półprzewodników i budowanych z nich przyrządów, czujników, scalonych elementów elektronicznych oraz optoelektronicznych. Dlaczego implantacja jonowa w tej dziedzinie okazała się tak ważna? Przede wszystkim dlatego, że w wielu przypadkach umożliwiła rezygnację z dyfuzyjnych metod modyfikacji materiałów, dyfuzyjnych - a więc - termicznych. Implantacja jonowa umożliwia przeprowadzenie na ciałach stałych procesu „zimnego" i całkowicie kontrolowanego ze względu na rodzaj jonów, energię, gęstość powierzchniową i głębokość wnikania domieszek w określonej i wymaganej temperaturze. Tak więc wprowadzenie metodą implantacyjną, czyli wbijanie określonych domieszek do tarczy jest procesem „zimnym" i kontrolowanym z dużą precyzją, a więc reprodukowalnym. Nie mniej ważne jest także i to, że w trakcie implantacji liczba wbijanych jonów może być stale mierzona, a działanie to można sterować i korygować komputerowo.

Dzięki domieszkowaniu obcych jonów do półprzewodników otrzymano złącza p-n. Na bazie tych złącz rozbudowano całą współczesną elektronikę, łącznie z obwodami scalonymi, obwodami wielkiej skali integracji, mikroprocesorami i wszystkimi współczesnymi komputerami. Osiągnięcia te zawdzięczamy w znaczącej mierze - a często wyłącznic - implantacji jonowej wykorzystującej wiązki o różnych parametrach i różnych wymiarach geometrycznych.

W ostatnim okresie wiele światowych laboratoriów pracuje nad wytwarzaniem i implantacją wysoce zogniskowanych wiązek jonowych. O ile jeszcze niedawno skupiano wiązki jonowe w plamkę rzędu poszczególnych /im. to obecnie rutynowo można otrzymać zdolność rozdzielczą mniejszą od 0,1 /im (1000 A) przy gęstości powierzchniowej prądu jonów w ognisku kilkunastu A/cm*'. Nie trudno uświadomić sobie, że jest to niezwykle złożony problem techniczny ze względu na silne oddziaływanie kulombowskic w wiązce. Między innymi poinformowano, że wiązka jonów galu została zogniskowana na średnicy około 0,1 jxm przy gęstości prądu około 1.5 A/cm^; (10” jonów/cm^J sek). Linie o szerokości 0,1 /im wycinano wiązką jonową w warstwie złota o grubości 40 nm napa-rowanej na powierzchnię nanokryształu krzemu.

Znamy także wiele innych, ale równic wartościowych zastosowań implantacji wykorzystującej zogniskowane wiązki jonowe. W mikroelektronice są to przede wszystkim: wytwarzanie masek do produkcji obwodów scalonych z wykorzystaniem kontrolowanego rozpylania jonowego, obróbka mikro-obwodów elektronicznych, litografia jonowa zastępująca litografię wiązką elektronową, bezpośrednie kształtowanie domieszkowanych półprzewodników poprzez implan-tację z wyeliminowaniem innych procesów litograficznych, sterowane wiązką jonową odkładanie (deposition) materiału tarczy w procesie wytwarzania mikroobwodów układów scalonych. SIMS, skaningowy mikroskop jonowy, a także wywołana przez wiązki jonowe chemia powierzchniowa.

Nie ulega już wątpliwości, że wiodącą rolę w procesie przemiany społeczeństwa ery przemysłowej w społeczeństwo ery informacji odgrywa rozwój technologii komputerowych i telekomunikacyjnych. Dwa najbardziej chyba spektakularne jego przykłady to szybkie upowszechnienie się Internetu i telefonii komórkowej. W ostatniej dekadzie XX wieku byliśmy świadkami przyśpieszenia tego procesu, który jak powszechnie przyjmuje się, rozpoczęty został w 1947 r. wraz z wynalezieniem tranzystora. Jest bardzo prawdopodobne, że wiele innych wynalazków zadziwi nas jeszcze w przyszłości. Te jednak, które stanowią podstawę głównej techniki ery informacji - mikroelektroniki, w większości dokonały się dzięki wcześniejszym postępom fizyki. Dodajmy, że nagroda Nobla z fizyki w 2000 r. została przyznana Ż. I. Alferovowi z Rosji oraz Amerykanom: H. Kroemerowi i J. S. Kil-bemu za „stworzenie podstaw technologii informacyjnej i komunikacyjnej".

Głównym przełomem technologicznym było zastosowanie krzemu do budowy najpierw tranzystora, a potem układu scalonego. Wykorzystując ten występujący na Ziemi w obfitości pierwiastek, udaje się wyhodować metodą stworzoną przez naszego rodaka, nieżyjącego profesora Politechniki Warszawskiej Jana Czochralskiego superczyste i o prawie perfekcyjnej strukturze monokryształy o średnicach dochodzących do 30 cm. Z nich to, dzięki skomplikowanym procesom, powstają układy o wielkiej skali in

Wymienione wyżej osiągnięcia w zakresie zastosowań implantacji wysoko zogniskowanych wiązek jonowych pozwoliły na uzyskanie gęstości upakowania podstawowych elementów elektronicznych (kondensatory, oporniki, złącza p-n) do kilkudziesięciu i więcej milionów na chip (kostka bloku elektronicznego), pojemności pamięciowej na chip rzędu 256 min bitów. Prowadzone są prace nad mikroprocesorami. które będą operowały z szybkością rzędu 10 miliardów instrukcji na sekundę. Bardzo zaawansowane są także prace nad układami optoelektronicznymi bazującymi na GaAs lub AlGaAs. gdyż jak dotychczas nie udało się jeszcze zintegrować wszystkich elementów korzystając wyłącznic z technologii krzemowej. Na uwagę zasługują w tym względzie najnowsze badania opisane w notatce J. Zuka, które mogą zaowocować konstrukcją laserów opartych na krzemie.

Zupełnie oddzielną dziedzinę tworzą zastosowania wojskowe wysoce zogniskowanych wiązek jonowych. Jako przykład można tu podać prace nad potężnymi wiązkami jonowymi dla programu SDI (gwiezdne wojny), które będą zdolne niszczyć w górnych warstwach atmosfery głowice rakiet z bombami wodorowymi.

Dariusz Mączka

tegracji - mikroprocesory oraz pamięci półprzewodnikowe. Dominacja technologii krzemowej nie obejmuje jednak źródeł światła laserów, które stanowią podstawę sieci komputerowych i telekomunikacji, a w przyszłości pozwolą być może na zastąpienie elektronów fotonami w ultraszybkich komputerach. Długie lata wysiłków badaczy i zaangażowanie znacznych środków materialnych nie zmusiły krzemu do wydajnej emisji światła, która dawałaby nadzieję praktycznych zastosowań. Współczesne lasery półprzewodnikowe wytwarzane są ze związków pierwiastków trzeciej i piątej grupy układu okresowego, takich jak arsenek galu (GaAs), alumino-arsenek galu (AlGaAs) i innych. Są to materiały znacznie bardziej kosztowne niż krzem, a technologia budowy przyrządów na nich opartych nie może być zunifikowana z istniejącą w światowym przemyśle półprzewodnikowym gigantyczną bazą krzemową.

Nowy impuls do badań świecenia tego pierwiastka dało zaskakujące odkrycie przez Canhama w 1990 r. (1J silnej fotoluminescencji porowatego krzemu. Przypominający korek lub gąbkę materiał otrzymuje się metodą trawienia elektrochemicznego. Przy użyciu mikroskopii elektronowej stwierdzono obecność w porowatym Si krystalitów krzemowych o rozmiarze rzędu kilku nanometrów (1 nm=10⁹m), odizolowanych od siebie tlenkiem krzemu. Ruch elektronów w tych tzw. nanokrystalitach ulega ograniczeniu przestrzennemu, co prowadzi do kwantyzacji energii nośników

2002, numer 4