Szilárd GaN

Dr. Jana Hartmann és Juliane Breitfelder (balról) az intézet félvezetőtechnológiai tisztatérében, amelyet újra felszereltek. (Kép forrása: Max Fuhrmann/TU Braunschweig) / Dr. Jana Hartmann és Juliane Breitfelder (balról) az intézet félvezetőtechnológiai tisztatérében, amelyet újra felszereltek. (Kép forrása: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Míg az egyik berendezés marat, ez a PECVD egység új félvezető rétegeket visz fel az intézet szilíciumlapjaira. (Kép forrása: Max Fuhrmann/TU Braunschweig) / While one of the devices is etching, this PECVD unit is depositing new semiconductor layers on the institute’s wafers. (Picture Credits: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Az út az új LED-technológiák felé rétegenként halad, és szó szerint égető. Ahhoz, hogy az intézetben például kék LED-eket állítsanak elő gallium-nitridből (GaN), rendkívül specializált tisztatéri berendezésekre van szükség. Két új eszközzel most további lehetőségek nyílnak a félvezetőtechnológiában, amelyek különösen a QuantumFrontiers kiválósági klasztert és a Lower Saxony KvantumVölgyet (QVLS) gazdagítják. Ez mögött több év munkája áll. Végül is mindegyik gép sajátosságokkal rendelkezik, amelyeket csak egy elektronmikroszkóp tud feltárni.

Csak az új nagyberendezések – az Oxford Plasma Pro 100 és a Plasma Pro 80 – telepítése költséges. Új gázcsatlakozások, nyomáscsökkentők, biztonságtechnika és sok más. Az eszközök árát közel egymillió euró teszi ki, amit a QuantumFrontiers klaszter, az DFG és a TU Braunschweig félvezetőtechnikai intézete finanszíroz. De mit csinálnak valójában ezek az eszközök? A kérdést legjobban Dr. Jana Hartmann teszi fel. Mint fiatal kutatócsoport-vezető koordinálja az intézet új csillagainak munkáját a tisztatérben.

Dr. Jana Hartmann: „A Plasma Pro 80 egy „Plazma Erősített Kémiai Gőzfázis-Leírás” (PECVD). Ezzel vékony félvezető rétegeket viszünk fel a waferekre, amelyek a chipek gyártási lapjai. A Plasma Pro 100, amelyet „reaktív ion marás induktívan kapcsolt plazmával” vagy röviden RIE-ICP néven használnak, az ellenkezőért felelős: célzottan anyagot mar ki klórgázakkal. Akik chipekkel dolgoznak, mindkettőre szükségük van. Ennek megfelelően gyakorlatilag minden intézeti projekt profitál az új eszközökből.“

Chipek fejlesztése egy helyen

Az intézetben korábban is volt már ICP-maró, de fluoridgázokkal. Ezek azonban nem kémiailag támadják az anyagokat, mint például a gallium-nitrid vagy az alumínium-nitrid. Pedig ezek a félvezető összetevők az LED-ek központi alapanyagai. „Eddig bizonyos értelemben tévesen ítéltük meg, hogy így tudunk nitrid anyagokkal dolgozni. Ahelyett, hogy a megfelelő kémiai összetevőket használnánk, inkább erőszakosan távolítottuk el az anyagot. Ennek eredményeként a felületek tele voltak hibákkal és egyenetlenségekkel“ – magyarázza Hartmann. „Az új szárazmaróval azonban sima felületeket és oldalakat tudunk kialakítani a wafereken, és sokkal mélyebb struktúrákat is marhatunk. Még a kemény alumínium-nitrid is formálhatóvá vált, amit UV-LED-ekhez használunk. Korábban a gallium-nitridnél ez volt a határ.“

Teljesen új az intézetben a PECVD, amely szilícium-oxid vagy szilícium-nitrid rétegeket rak fel a waferekre. Eddig a kutatók ki kellett venniük a wafereket a tisztatérből, és elküldeniük valakinek, aki ilyen bevonatoló berendezéssel rendelkezik. Ez a folyamat nemcsak idő- és munkaigényes, hanem a waferek porral és szennyeződésekkel is gyűltek. Mostantól minden a tisztatérben maradhat.

Nagy berendezések, nagy előrelépések

Az, hogy ez mit jelent egy adott projekt számára, jól szemlélteti Julian Kaßmann aktuális munkája. Doktori tanulmányait végzi, és apró, úgynevezett elosztott visszacsatolású lézereket (Distributed Feedback Laser) készít. Ezek a lézerek a jövőben ionokat olvasnak majd ki a kvantumszámítógépekből, amelyek éppen a Lower Saxony KvantumVölgyben jönnek létre. Ehhez finom szilícium-oxid rétegeket visznek fel a waferekre. De legfőképpen finom, sík struktúrákat kell mélyen belegravírozni a waferekbe. Minden egyenetlenség a lézer fényességéből veszítene. Ez a cél csak az új berendezésekkel vált elérhetővé.

Az exzellenzési klaszter QuantumFrontiers aktivitásai is profitálnak ebből. Például a kutatók mikrorészecskéket és nano-LED-eket rendeznek rácsokba, hogy gyors, strukturált világítást fejlesszenek ki különböző alkalmazásokhoz. Különösen akkor, ha a Galliumnitrid-elemeket a SMILE projektben egy CMOS-chipre kell helyezni, nagyon sűrűn elhelyezett kontaktokra van szükség. Az új szárazmaró pontosan ezt teszi lehetővé.

Az út a legjobb félvezető tisztatérhez

A nagy berendezések, mint az ICP és a PECVD, nem rendelkeznek univerzális használati útmutatóval. Bár az eszközök alapvetően elvégzik a feladatukat, a végeredmény sok tényezőtől függ (például vezeték hosszától, gázösszetételtől vagy szívás sebességétől). Ezért az intézet kutatói jelenleg egyesével üzembe helyezik az eszközöket és optimalizálják a folyamatokat. „Mivel nanométeres pontossággal kell dolgoznunk, már egy röntgendiffrakciós mikroszkópra is szükség van az eredmények ellenőrzéséhez. Ha például a bevonat szögét akarjuk mérni, akkor a mintákat FIB-vel (Fúziós Ion Fúvóka) is át kell vágni. Szerencsére ilyen magas szintű berendezésekkel rendelkezünk a LENA-ben!“ – mondja Hartmann.

Folyamatban van további beruházások terve is. Dr. Jana Hartmann: „Éppen egy új elektronsugaras párologtatót és egy kémiai-mechanikus polírozó (CMP) berendezést szerzünk be. Az első fémeket visz fel a waferekre, míg az utóbbi még a legkeményebb anyagokat, például a zafírt is meg tudja polírozni. Emellett további eszközök beszerzése is folyamatban van. A már meglévő epitaxiás és folyamattechnológiai berendezésekkel együtt az ICP és a PECVD sok új utat nyit meg a fénykibocsátó komponensek gyártásában. A tervezett kiegészítések tovább javítják az alkatrészeink minőségét, ami különösen a kvantum számítógépes lézerek esetében jelentős különbséget jelent.“