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
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.
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.