Uusien piipohjaisten materiaalien virheiden karakterisointi
Professori Juha Sinkkonen, Elektronifysiikan laboratorio, Teknillinen korkeakoulu, PL 3000, 02015 Tkk
Projekti on viiden yliopistolaboratorion yhteishanke. Projektiin osallistuvat laboratoriot ovat Teknillisen korkeakoulun Elektronifysiikan sekä Fysiikan laboratoriot, Helsingin yliopiston Fysikaalisen kemian laboratorio, Turun yliopiston Elektroniikan ja tietotekniikan laboratorio sekä Tampereen teknillisen korkeakoulun Elektronimikroskopian laboratorio. Kolmevuotinen projekti alkoi 1.7.1999 ja päättyy 30.6.2002.
Virheiden karakterisointiprojekti on rajattu niin, että se on relevantti Suomen puolijohdeteollisuudelle, vahvistaa alan meneillään olevaa tutkimustoimintaa ja ottaa huomioon uudet suuntaukset piin materiaaliteknologiassa. Yksityiskohtaisemmin esiteltynä tutkimuskohteet ovat:
Rekombinaatiokeskukset epi- ja SOI -kiekoissa
Tarkoituksena on kehittää uusi rekombinaation elinajan mittausmenetelmä, joka sopii ohuiden puolijohdekerrosten (epi- ja SOI -kiekkojen) laadun tarkkailuun. Menetelmä perustuu elinaikaskannerin käyttöön. Virhekeskusten tunnistaminen tehdään DLTS:llä.
Rakenteelliset virheet MEMS (mikrosysteemi; MicroElectroMechanical Systems) -kiekoissa
MEMS -prosessoinnissa käytettävissä epi- ja SOI-kiekoissa olevat rakenteelliset virheet (pistevirheet, dislokaatiot, vakanssit, rajapintavirheet) vaikuttavat piin etsautumiseen sekä piin mekaanisiin ominaisuuksiin. Virheitä karakterisoidaan useilla eri menetelmillä, jotka ovat käytettävissä projektiin osallistuvissa laboratorioissa. Tärkeimpiä näistä mittausmenetelmistä ovat PAS, TEM ja AFM.
Virheet, jotka liittyvät valon emissioon piistä
Tutkitaan valon emissiota erilaisista nanorakenteisista Si -näytteistä (Si/SiO2-, Si/SiON-, ja SiGe/SiO2 -superhilat, huokoinen pii). Tutkimuksen tarkoituksena on oppia ymmärtämään emissiomekanismeja ja kehittää keinoja ilmiön vahvistamiseen. Erityisesti selvitetään hapen, typen ja vedyn vaikutusta. Valoa emittoivia mikro-ontelokomponentteja valmistetaan emissiospektrin kaventamiseksi ja intensiteetin lisäämiseksi. Näytteet karakterisoidaan perusteellisesti useilla menetelmillä mukaan lukien sähköiset ja optiset mittaukset sekä PL-, EL-, Raman-, FTIR-, PAS, EELS -spektroskopia, TEM -analyysit ja AFM -mittaukset.
Tutkimusryhmät
Elektronifysiikan laboratorio / Teknillinen korkeakoulu, prof. Juha Sinkkonen
(http://www.hut.fi/Yksikot/Elfys/)
Elektronifysiikan laboratorion tutkimusala on puolijohdeteknologia. Mikroelektroniikkakeskuksen varustama täydellinen piin prosessointilaitteisto on laboratorion henkilökunnan käytettävissä. Lisäksi laboratoriolla on omassa käytössään erikoislaitteita kuten MBD-laitteisto, elinaikaskanneri ja DLTS. Elektronifysiikan laboratorion tehtävänä tässä projektissa on (1) kehittää elinaikamittauksia epi- ja SOI -kiekoille, (2) tehdä DLTS -analyysejä näille kiekoille ja (3) valmistaa nanorakenteisia valoa emittoivia Si/SiO2-, Si/SiON- ja huokoisesta piistä koostuvia näytteitä, joita karakterisoidaan muissa laboratorioissa. Lisäksi (4) valmistetaan LED (Light Emitting Diode; valodiodi) -komponentteja, joissa on optinen mikro-ontelo.
Fysiikan laboratorio/ Teknillinen korkeakoulu
(http://www.fyslab.hut.fi/laboratory/), TkT Kimmo Saarinen
Fysiikan laboratoriossa toimii kokeellinen ryhmä, jonka erikoisalana on puolijohteiden virheiden tutkiminen positroniannihilaatiospektroskopialla (PAS). Nykyaikaisen positronispektroskopialaitteiston lisäksi laboratoriossa on käytettävissä pintatutkimuslaitteita, kuten fotoemissiospektroskopia- (XPS), elektronidiffraktio- (LEED) ja atomivoimamikroskopialaitteisto (AFM). Fysiikan laboratorion tehtävänä tässä projektissa on (1) karakterisoida Si/SiO2 ja Si/SiON näytteitä PAS tekniikalla ja saada siten kokeellista tietoa valon emission mahdollistavista atomirakenteista, ja (2) karakterisoida vakanssivirheitä epi- ja SOI-kiekoissa.
Fysikaalisen kemian laboratorio/ Helsingin yliopisto, prof. Markku Räsänen
(http://www.hut.fi/Units/PhysicalChemistry)
Fysikaalisen kemian laboratoriosta projektiin osallistuu kiinteän olomuodon spektroskopian ja fotokemian ryhmä. Ryhmä tutkii muiden projektilaboratorioiden valmistamia amorfisia, nano- ja monikiteisiä piipohjaisia näytteitä käyttäen hyväksi optisia ja spektroskopisia menetelmiä. Mittauksissa hyödynnetään Raman-, FTIR- ja fotoluminesenssispektroskopiaa. Käytettävissä on säädettävä laserlähde, jonka aikaresoluutio on nanosekuntien luokkaa.
Elektroniikan ja tietotekniikan laboratorio/Turun yliopisto, FT Risto Punkkinen
(http://www.physics.utu.fi/ett/)
Laboratoriossa on käytettävissä itse tehty monikammioprosessori, jossa on CVD-, epitaksiaalikasvatus-, plasmaetsaus- ja sputterointimahdollisuudet sekä optinen litografialaitteisto. Näillä voidaan valmistaa erilaisia ohutkalvoja, esimerkiksi Si/SiO2-nanorakenteita. Lisäksi laboratoriossa on seuraavat karakterisointimahdollisuudet: kapasitanssi-jännite mittaus, optinen spektroskopia (0,2 (m - 1,8 (m) ja ellipsometria. Laboratorion tehtävänä tutkimushankkeessa on (1) valmistaa erilaisia nanorakenteita esimerkiksi hyvin ohuita Si/SiO2-superhiloja, (2) mitata valoa emittoivien superhilojen luminesenssispektrejä näkyvän valon alueella ja infrapuna-alueella, (3) karakterisoida superhilarakenteiden sähköisiä ominaisuuksia, (4) suunnitella uusia superhiloihin perustuvia komponenttirakenteita, (5) tutkia SOI -komponentteja ja (6) tarkastella SiGe-heterorakenteiden ohutkalvoteknologialle tarjoamia mahdollisuuksia.
Elektronimikroskopian laboratorio/ Tampereen teknillinen korkeakoulu, prof. Toivo Lepistö
(http://www.tut.fi/units/ms/elm/cem.htm)
Laboratoriossa karakterisoidaan materiaalien mikrorakenteita käyttäen elektronimikroskopiaa. Projektissa tutkimuksen kohteena ovat valoa emittoiva huokoinen pii, Si/SiO2-monikerrosrakenteet sekä SOI ja MEMS -kiekkojen mikrorakenteiden virheet. Tutkimusmenetelminä sovelletaan transmissioelektronimikroskopiaa (TEM) ja elektronin energiahäviöspektroskopiaa (EELS).