Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Fizikai Szemle 2003/2. 54.o.
Gyulai József
MTA KFKI, MFA
Simonyi professzorral személyesen csak a 70-es évek közepén találkoztam, az ionimplantációs kutatások iránti érdeklődése révén. Jómagam, egy sikeres amerikai ösztöndíjat követően, 1970-ben a szegedi MTA Lumineszcencia és Félvezető Tanszéki Csoportból kerültem a KFKI-ba, az akkor, jó érzékkel indított ionimplantációs célprogram félvezető-kutatásainak megindítására. Néhány évvel később a teljes program vezetője lettem.
Simonyi professzor érdeklődése nagyon is érthető volt, hiszen a munka jelentős része az általa tervezett és épített eszközök modern utódain folyt, amelyeket az általa kinevelt mérnök- és műszaki gárda hozott létre. A jelen írásban elsősorban ezekre az eredményekre szeretnék kitérni.
Kutatócsoportként a legismertebb eredményeinket 1974-től értük el, amikor megindult a National Science Foundation évtizedekig tartó finanszírozása, amelynek segítségével lehetővé vált az együttműködés a KFKI-ban általam, illetve a korábbi fogadóm, James W. Mayer professzor (Caltech, USA) vezette csoportok között. Ez a máig is ható kapcsolat segített bennünket a "forró" tudományos kérdések közelébe.
Közülünk talán Csepregi László doktoranduszom végezte a legeredményesebb munkát. 1974 nyara kiemelkedően szerencsés időszak volt. Akkor vontam kétségbe a szakmában elterjedt gyakorlat, az egyre növekvő hőmérsékleten végzett "izokron" hőkezelés ekvivalenciáját az egy hőmérsékleten végzett hosszabb hőkezeléssel. Kiderült, az is, hogy az implantációt óhatatlanul kísérő rácskárosodás hőkezelődésében a kristály orientációjának alapvető szerepe van (1. ábra).
E munka folytatására vállalkozott az első kiutazó cserekutatónk, Csepregi László, aki a következő két évben rendkívüli szorgalommal és hozzáértéssel dolgozott a témán.
Így jutottunk el ahhoz az eredményünkhöz, amelyet a világ félvezetőipara az integrált áramkörök gyártásában mindmáig használ, az előamorfizálás ("preamorphization", "double implantantion", "perfect doping") eljárás kidolgozasához (2. ábra). Ez az implantáció két inherens gondjára is megoldást ad. Először, a kristálycsatornákba jutó implantált ionok véletlenszerűen nagyobb és nem, vagy nehezen kvantifikálható mélységekbe hatolhatnak, továbbá a magas hőmérsékletű kezelések során az adalékatomok nemkívánatos módon diffundálnak. Eljárásunk lényege, hogy a kristályt, az integrált áramkörök esetében a szilíciumot először "saját" vagy kémiailag rokon, azaz Si- vagy Ge-ionokkal amorffá roncsoljuk, majd ebbe a rétegbe, amelyben már nincsenek csatornák, juttatjuk be egy második implantációval a kívánt adalék-ionokat (bór, foszfor, arzén stb.). Ezután egyetlen, viszonylag alacsony hőmérsékletű hőkezelés elegendő a kristály rendeződéséhez és, egyidejűleg, az adalékatomok is elfoglalják rácsbeli helyüket, ami szükséges az elektromos "aktivitásukhoz". Az eljárás tehát mindössze
1. ábra. A különböző orientációjú sziliciumba implantált arzén okozta rácskárosodás hőkezeléssel való visszanövesztése (szilárdfázisú epitaxia) és ennek függése az alapkristály orientációjától. A mérés csatornahatással kombinált Rutherford visszaszórással (RBS) készült és az
1,1 MeV energiánál látható csúcsok nagysága jelzi az 1000 °C, 30 perces kezelés után megmaradó, a vizsgáló He-ionokra "átlátszatlan" atomhalmaz mennyiséget [1].
egy többletlépéssel az implantáció mindkét említett problémáját megoldja. Jó huszonöt év után, valamikor 2008. táján várható, hogy - a méretek további csökkenése miatt - az eljárás az akkori csúcsáramkörök előállításában feleslegessé válik.
2. ábra. Az előamorfizálás bemutatása: a felső ábrán sávozott terület a Si-ionokkal első lépésben amorfizált réteg, amelybe (jobbról) implantáljuk az adalékot (itt foszfort). Az alsó, csatornahatással kombinált RBS-ábrán a 475°C-on, növekvő időtartammal végzett hőkezelések kristályrendező hatását mutatja - a kristály He-ionokra mutatott "átlátszóságának" növekedése bemutatásával [2] - az SCI alapreferenciaként tartja számon ezt a cikket.
A két csoportnak száz körüli közös publikációja van. Az elismerten fontos eredmények elérésében a Simonyi-hagyománynak nagy jelentősége volt: az biztosított a KFKI-ban olyan infrastruktúrát, amellyel partnerként vehettünk részt - itthon végzett munkával.
Az ionimplantáció technikáját nehezen fogadta el a világ ipara, mára azonban éppen hogy "klasszikus" eljárássá nőtte ki magát. Az ionimplantációt - a sok mellékhatása miatt - Churchillnek a demokráciáról mondott aforizmájához lehet hasonlítani, miszerint: "A demokrácia a rossz rendszerek között még mindig a legjobb." A sok gondja ellenére sincs jobb megoldás az implantációs adalékolásnál: az Intel következő generációs processzorának gyártásában is 23-szor (!) fordul elő implantációs lépés, mire a processzor elkészül.
Az "inditó" generációból Csepregi L., Kótai E., Keresztes P., Lohner T., Manuaba A., Mezei G., Révész P. nevét, a "későbbiekből" Battistig G., Fried M., Khanh N.Q., Szilágyi E., Pászti F., Vizkelethy Gy. nevét kell megemlítenem. Ma már széles hazai kör foglalkozik ionimplantációs, vagy azt is igénylő kutatásokkal - fizikusok, kémikusok egyaránt. Az amerikai együttműködő kollegák száma jóval száz feletti (mára legtöbben a szakma kiemelkedően elismert művelőivé "nőtték ki" magukat, például W.-K. Chu, C.A. Evans, S.S. Lau, T.S. Sigmon, E.F. Kennedy, R. Pashley,...). Közülük, cserepartnerként, sokan töltöttek hosszabb-rövidebb időt a laboratóriumainkban. Igy - J.W. Mayer rövidebb látogatásai mellett C.A. Evans (az Evans & Associates anyagvizsgáló cég megalapítója), S.M. Matteson, E.F. Kennedy stb.
Néhány további metodikai és egyéb eredményt ismertetek, amelyet a KFKI gyorsítói segítségével az én környezetembe tartozó kutatói gárda ért el.
Az RBS alkalmassá tétele kémiai összetétel-vizsgálatra volt az első személyes eredményem még 1969-ben [3]. Ezt követte a csoportunk sok, itthon elért eredménye, úgy mint a megnövelt mélységérzékenység [4], az IBA-szimulációk [5-6]. Barátaim, munkatársaim több szimulációs programot írtak és nekik köszönhető egy sereg esetben az egzakt kiértékelés lehetővé tétele.
Az ellipszometria felé való kanyar is - Lohner Tivadar kezdeményezésére - a legjobb időben történt. Ez ugyanis egy olyan optikai módszer, amely abszolút "steril" és, szemben szinte minden, az integrált áramköri követelményeket kielégítő mérési, minősítési eljárással, nem roncsolja a szeletet, rétegeket, így alkalmas a gyártás közbeni ellenőrzésre. Ennek köszönhető, hogy a módszer virágkorát éli. Ebben jelentős többletet adott a mi csoportunk azáltal, hogy megmutatta, hogy az implantáció okozta törésmutató-változás lehetővé teszi, hogy ezen rétegeket ellipszometriával minősítsük [7].
Az előamorfizálás ötlete sok, további ötletet adott. Legjelentősebb talán a sugárzásálló integrált áramkörök alapanyagának, a zafírra növesztett szilícium (Silicon on Sapphire, SOS) minőségének implantációs megjavítása [8], amely eljárást szintén évtizedekig használta például a Hughes cég. Hasonló példa az "ionos varrás" is [9]. Olyan gondolat vezetett bennünket, hogy a nagy képernyőkben, kijelzőkben használt, az üvegen kényszerűen rossz minőségű vékonyréteg tranzisztorokat úgy javítsuk meg, hogy mikron-vastag, egykristályos szilíciummembránokat ionokkal "varrunk fel" az üvegre. Ez hozzájárult ahhoz a trendhez, ami mára a "Silicon on Anything", "szilícium mindenen" való létrehozása felé vitte a "nagyokat".
Mi célzott alapkutatásokat végzünk. Egy szegény ország intézménye számára az egyetlen lehetőség a "résstratégia". Ez azt jelenti, hogy megpróbál olyan dolgokat kitalálni, amelyek mellett vagy elmentek a nagyok, vagy valamilyen oknál fogva nem fordítottak rá időt és energiát. Az egyik fontos "rés", amelyben ma haladunk, a szilícium-karbid, amely a magashőmérsékleti, illetve a teljesítmény-elektronika alapja, például egy F16-os repülőgépen legalább 20 elektronikai rendszer van, amely ezt az anyagot használja.
Az implantáció terén nekünk sikerült például először az ionsugarak által okozott kaszkád képét - a kimozdított atomok pásztázó szondás mérésével láthatóvá tenni (3. ábra).
Ma sok erőfeszítésünk a nanotechnológiába való bekapcsolódást célozza. Globális keretbe foglalva: hiszem, hogy az energia-stratégia is elvezet a nanovilághoz. Hiszek ugyanis abban, hogy a megújuló és az atomenergia, illetőleg a gyártástechnológiák ujragondolkodása elvezet egy működő világhoz, amelyben az emberiség reciklizálható és minél kevesebb fajlagos energia-felhasználással termel és fogyaszt. Ehhez a nanovilág koncepciója feltétlenül fontos.
Máris több olyan technikánk van, amelyek el tudnak e felé vezetni. A felszerelésünk korszerűsége úgy-ahogy megfelel, és valójában csak néhány speciális eszközzel kellene bővítenünk felszereltségünket, de a rés-stratégia ebben is segít. A KFKI Campus jelentős fejlődés előtt áll: folyamatban van a KFKI-RMKI-n egy molekulasugaras epitaxiás rendszer és egy - főleg analitikai célokra alkalmas - ionfókuszáló rendszer telepítése. Mi pedig az OM műszerpályázatán nyert pénzből egy preparatív célú, azaz rétegleválasztással kombinált fókuszált ionmaró berendezést veszünk, amelyikkel egy csúcsminőségű pásztázó elektronmikroszkóp épül össze. A három gáz bevezetésével szubmikronos fémes vagy dielektrikum rétegeket tudunk leválasztani.
Szeretnénk mi is az interdiszciplinák felé kanyarodni, hiszen kémiára, biológiára feltétlenül szükségünk van, a felveendő fiatalok tekintetében is.
Hogy vitt el bennünket az ionimplantáció a nanocsövekig? Dubnában nyertünk gépidőt és észrevettük, ha grafitot sugárzunk be, akkor valamilyen furcsa szőrszerű képződmények is keletkeznek a becsapódások helyén. Kiderült, hogy nanocsöveket "gyártottunk" egy teljesen űj módszerrel, amelynek a fizika szempontjából az az érdekessége, hogy a pikoszekundum időskálán 10
hosszú nanocsövek nőttek, amely körülbelül hangsebességgel való növekedés! Mára más és új módszerrel növesztjük a csöveket, de kapunk anyagot a szegedi és belga kollégáktól.
Két dolgot tudtunk elsőként a világon megvalósítani. A nanocsövek olyan molekulák, amelyekben a szénatomok egy hengerpaláston foglalnak helyet és ezek néhány nanométer méretű anyagok. Ha az ember azt meg tudja csinálni, hogy a 6-os gyűrű helyére 5-ös gyűrűt vagy 7-es gyűrűt épít be, akkor létre tudtunk hozni egy Y elágazást, amiről "számítástechnikai" gondolatai támadnak. Ezt a beillesztést úgy vittük véghez; hogy olyan szabályos spirálokat állítottunk elő, mint amilyen egy izzólámpa izzószála, de mindezt egyetlen atom vastagságú spirál (4. ábra)formájában.
Foglalkozunk fotonikus kristályokkal, amelyekről kiderült, hogy ezek a szerkezetek interferenciával bizonyos fénysugarakat nem engednek át. Ez adja például egyes állatok (lepkék) csodálatos szivárvány színeit.
Foglalkozunk "nanohagymákkal", ahol hagymaszerű nanoszerkezetek vannak.
Természetesen a nanovilág még csak most indul. Ezzel kapcsolatosan nagyon komoly kétségeim vannak. Elsősorban a "termék" szóval jellemzett minőségi követelmények biztosítása terén. Ha ugyanis a nanotechnológia az élővilág "termelő" eljárásainak modellezésén alapul (biomimetika), akkor - abból kiindulva, hogy már egy mai processzor bevizsgálása is csak az árat erősen befolyásoló biztonsággal lehetséges - egy még sokkalta komplexebb nanorendszernél ez a kérdés komoly gond. Az élővilágban van erre megoldás: az evolúció trükkje. Ez három részből áll:
Meghaladja fantáziámat, hogyan fogjuk a gyárainkban a gyorsított "evolúciót" megvalósítani...
Csurgay Árpád előadásában ismertette a Moore-törvényt, amely kimondja: évente 1,8-szer annyi eszközt tudunk egy chipen elhelyezni, mint az előző évben. Ez egyértelműen látszik, hogy körülbelül 2016-ig működik az általa is kivetített, kettős kapus tranzisztortechnikával. Tulajdonképpen van húsz évünk, hogy a nanotechnológiát és egyéb következő generációs elképzeléseket kimunkáljuk és olyan ipari, mérnöki gyakorlattá tegyük, amelyik felváltja a jelenlegi, abbahagyandó irányvonalat.
Hiszek abban, hogy a szilícium optikai emissziójára való kísérletek nem hiábavalók. Az Intelnél és IBM-nél olyan kísérletek indulnak, amelyek a szilícium optikai emisszióra való rábírására irányul. Ez a következő generációs komputereknél azt tenné lehetővé, hogy a vezetékezést, amely a legnagyobb hődisszipáló tényező, lehetne optikai hírközléssel a chipen helyettesíteni.
Szeretném hinni, hogy ebből az előadásból is kitűnt, hogy az előttünk járó nagy generáció milyen sikeres pályára állította a hazai tudományt.
Irodalom
,) elastic scattering - Proc. Int. Conf. Ion Beam Analysis, O. Meyer, F. Käppeler, G. Linker (szerk.) Elsevier, 1975, 303__________________________________
Elhangzott a Gábor Dénes Főiskola Simonyi Károly emlékülésen, 2002. október 18-an. Az előadás megjelent az Informatika folyóirat 6/1 (2003) számában is.