Charakteryzacja materiałów dla mikroelektroniki

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

CHA

1

Celem wykładu jest zapoznanie studentów z najczęściej używanymi współczesnymi technikami charakteryzacji materiałów oraz mikro- i nanostruktur. Przedstawione zostaną metody mikroskopowe, skanujące, dyfrakcyjne, spektroskopowe oraz profilowe, ich wady i zalety, zakresy zastosowań oraz zasady działania urządzeń. Podczas zajęć laboratoryjnych studenci wykorzystają w praktyce wiedzę zdobytą w trakcie wykładu, poprzez działania na specjalistycznym sprzęcie do charakteryzacji materiałów oraz mikro- i nanostruktur.

Celem wykładu jest zapoznanie studentów z najczęściej używanymi współczesnymi technikami charakteryzacji materiałów oraz mikro- i nanostruktur. Przedstawione zostaną metody mikroskopowe, skanujące, dyfrakcyjne, spektroskopowe oraz profilowe, ich wady i zalety, zakresy zastosowań oraz zasady działania urządzeń. Podczas zajęć laboratoryjnych studenci wykorzystają w praktyce wiedzę zdobytą w trakcie wykładu, poprzez działania na specjalistycznym sprzęcie do charakteryzacji materiałów oraz mikro- i nanostruktur.

Treść wykładu
Wprowadzenie (2h)

Ogólna klasyfikacja metod charakteryzacji materiałów i struktur.
Obrazowanie a techniki analityczne. Rodzaje informacji uzyskiwanych
dzięki charakteryzacji (morfologia, struktura elektronowa i
krystaliczna, skład chemiczny materiału). Podstawy fizyki zjawisk
rozpraszania. Promieniowanie rentgenowskie i jego oddziaływanie z
materią. Elektrony, neutrony i jony oraz ich oddziaływanie z materią.
Rozpraszanie sprężyste i dyfrakcja.

Techniki mikroskopowe (6h)

Obrazowanie. Powiększanie obrazu i rozdzielczość. Soczewki i ich wady:
aberracja chromatyczna, aberracja sferyczna, astygmatyzm. Mikroskopia
świetlna. Mikroskopia elektronowa - aspekty optyki elektronowej,
generowanie wiązki elektronów, oddziaływanie elektron-próbka.
Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) - obrazowanie za pośrednictwem
elektronów wtórnych i wstecznie rozproszonych, wykorzystanie kontrastu
napięciowego, kontrast magnetyczny. Transmisyjna mikroskopia
elektronowa (TEM) - dyfrakcja elektronów, kontrasty obrazów TEM
(rozproszeniowy, dyfrakcyjny, od różnej głębokości preparatu i od
defektów strukturalnych, fazowy oraz kontur ekstynkcyjny). Skaningowa
transmisyjna mikroskopia elektronowa (STEM). Inne mikroskopie, np.
jonowa.

Techniki mikroskopii bliskich oddziaływań wykorzystujące sondę
skanującą (4h)

Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM). Budowa i idea działania
mikroskopu z sondą skanującą. Tryby pracy mikroskopu STM. Oddziaływanie
ostrze-próbka. Mikroskopia sił atomowych (AFM) - budowa mikroskopu,
zasada działania, tryby pracy (kontaktowy, bezkontaktowy, przerywanego
kontaktu), modyfikacje. Inne metody wykorzystujące sondę skanującą.

Techniki dyfrakcyjne (4h)

Techniki dyfrakcyjne objętościowe: dyfrakcja promieniowania
rentgenowskiego i dyfrakcja neutronów. Wymagania, obszary zastosowań.
Dyfraktometria proszkowa. Założenia, geometria układu. Badania przy
małych kątach rozproszenia. Techniki dyfrakcyjne powierzchniowe -
wykorzystanie elektronów odbitych (odbiciowa spektrometria
wysokoenergetycznych elektronów (RHEED) i spektrometria
niskoenergetycznych elektronów (LEED)). Schematy układów, zastosowania.

Techniki spektroskopowe (4h)

Pomiary spektroskopowe - obserwacja procesów absorpcji, odbicia i
emisji. Spektroskopia fotonowa - pomiary optyczne (pomiar współczynnika
odbicia i absorpcji/transmisji), fotoluminescencja, spektroskopia
oscylacyjna Ramana i w podczerwieni, spektroskopia promieniowania
rentgenowskiego (odmiany i modyfikacje). Spektroskopia zakresu fal radiowych - spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI). Spektroskopia elektronowa - emisja promieniowania rentgenowskiego w SEM i TEM (metody wykorzystujące pomiar energii lub długości fali promieniowania), katodoluminescencja w SEM i STEM, spektroskopia strat energii elektronów.

Analiza powierzchni i profilowanie głębokościowe (4h)

Spektroskopia elektronowa powierzchni - metody rentgenowskiej
spektroskopii fotoelektronów (XPS) i spektroskopii elektronów Augera
(AES). Spektroskopie masowe - spektroskopia mas jonów wtórnych (SIMS)
oraz spektroskopia masowa wtórnych cząstek neutralnych (SNMS); badanie
powierzchni i profili głębokościowych. Rozpylanie jonowe - metody
spektroskopii rozpraszania wstecznego Rutherforda (RBS) oraz
spektroskopii promieniowania rentgenowskiego powstającego pod wpływem
bombardowania protonami (PIXE). Reflektometria neutronowa i
rentgenowska.

Wybrane techniki badania właściwości kształtowanych przez mikro- i
nanostrukturę materiału (4h)

Techniki analizy właściwości mechanicznych (wytrzymałość, ciągliwość,
odporność na pękanie, twardość i energia odkształcenia sprężystego),
elektrycznych (np. przewodność, przenikalność), magnetycznych (np.
podatność magnetyczna) i termicznych (np. temperatura, przewodność
cieplna, entalpia).

Dwa kolokwia wykładowe (2h)


Zakres laboratorium
Program zajęć laboratoryjnych obejmuje 5 trzygodzinnych ćwiczeń:
rezonansowe pomiary i analiza parametrów elektrofizycznych (jak
przewodność) ultracienkich (do 10 nm grubości) warstw metalicznych w
celu zademonstrowania zmiany charakteru badanego układu z
objętościowego na mezoskopowy, badanie powierzchni (np. topografii,
struktury, składu pierwiastkowego) ciała stałego oraz mikro- i
nanostruktur przy użyciu: mikroskopii sił atomowych (AFM), skaningowej
mikroskopii elektronowej (SEM) i mikroskopii konfokalnej oraz analiza
składu chemicznego ich powierzchni oraz objętości techniką
spektroskopii mas jonów wtórnych (SIMS).

• Pomiary przenikalności elektrycznej i przewodności cienkich
  warstw.


• Budowa, działanie mikroskopu sił atomowych, pomiary nanostruktur.


• Metody mikroskopii elektronowej - skaningowa mikroskopia
  elektronowa (SEM).


• Analiza mikrostruktur w oparciu o mikroskopię konfokalną.


• Charakteryzacja przy pomocy spektrometrii mas jonów wtórnych
  (SIMS).

1. "Nanotechnologie. Nanotechnologie krok po kroku", Praca zbiorowa pod red.: R.W. Kelsall, I.W. Hamley, M. Geoghegan, Wyd. Nauk. PWN, Warszawa, 2008.


2. "Scanning Microscopy for Nanotechnology. Techniques and
   Applications", W. Zhou, Z.-L. Wang (eds.), Springer, 2007.


3. "Nanostructures & Nanomaterials", G. Cao, Imperial College
   Press, London, 2004.


4. "Metody doświadczalne fizyki ciała stałego", A. Oleś, WNT,
   Warszawa, 1998.

W ramach przedmiotu przeprowadzone zostaną dwa kolokwia wykładowe oceniane w skali 0-30 punktów, dodatkowo w ramach prowadzonych laboratoriów studenci będą mogli uzyskać od 0 do 5 punktów za każde ćwiczenie laboratoryjne. Ostatnią częścią składową oceny jest praca domowa, która pozwoli na zdobycie od 0 do 15 punktów. Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie minimum 50% punktów z każdej z trzech ocenianych części.

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki