Abteilungsbericht 1998 der Abteilung Festkörperphysik der Universität Ulm
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Das Konzept des Reinraums
Die Ausstattung
YBCO-Nanobrücke
Dissertationen & Diplomarbeiten
Publikationen
II.B. Experimentelle Möglichkeiten im Reinraum
Der Reinraum der Naturwissenschaftlichen Fakultät wird derzeit von fünf Abteilungen gemeinsam genutzt. Die Abteilung Festkörperphysik betreut den Reinraum federführend: Prof. P. Ziemann als Sprecher der Nutzer, Dr. A. Plettl als technischer Leiter. Die Arbeits-möglichkeiten der Abteilung werden so entscheidend erweitert. Regelmäßige Vorlesungen für Interessierte und Schulungen der Nutzer an den Großgeräten und zum reinraumgerechten Verhalten garantieren einen erfolgreichen Betrieb.
Der Reinraum belegt im Erdgeschoß des Gebäudekreuzes O 27 einen ganzen Flügel; im direkt darunter liegenden Kellergeschoß ist die zugehörige Technik untergebracht, also Lüftungsanlagen mit Heizung/Kühlung und Luftbefeuchtung, Anlagen zur Erzeugung von 18 MW -Wasser, Kühlwasser, Druckluft, Vakuum und eine Abwasser-Neutralisationsanlage. Die Gesamtfläche beträgt mehr als 700 m2. Eine Versorgung mit flüssigem Stickstoff per Leitung ist vorhanden. Gängige Gase einschließlich N2-Gas werden im Vorraum in ein Leitungsnetz eingespeist; seltene Gase werden allerdings in Kleinflaschen, meist in die Grauräume, eingebracht, ebenso Heliumkannen auf speziellen Transportplattformen.
Die eigentliche Reinraumfläche beträgt rund 250 m2. Davon sind ca. 12,5 m2 in Reinheits-Klasse 1 unter siebzehn Naß- oder Trocken-Flow-Boxen. Weitere 166 m2 sind Weißbereiche besser als Klasse 100 und umfassen acht abgeschlossene Laborräume. Diese Räume werden i. A. nicht gruppenweise, sondern aus Kostengründen gemeinsam sach-orientiert genutzt.
In einer losen Aufzählung werden im Folgenden wichtige Geräte
vorgestellt und abschließend als Strukturierungsbeispiel eine YBaCuO-Nanobrücke
gezeigt.
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Optisch Lithograpie: Sie ist in einem besonders reinen und schwingungsarmen Raum untergebracht (< Klasse 100, < 1mm). Unter einer Klasse 1 Flowbox steht ein Maskaligner (Süß MJB 3 UV 400) mit einer nominellen Höchstauflösung von 0,6 mm. Eine Lackschleuder (Convac), Öfen, eine Heizplatte und ein temperaturstabilisiertes Bad für Lack und Entwickler, sowie Reinigungsbäder und ein Ultraschallbad sind in einer Klasse 1 Naßbankzeile plaziert. Zwei Mikroskope stehen außerdem zu Meß- und Dokumentationszwecken bereit.
Elektronenstrahl-Lithographie: Sie basiert auf einem Rasterelektronenmikroskop der Firma JEOL (Typ 6300) und einer kommerziellen Schreibergänzung (Raith, Typ Proxy Writer). Die erzielbare Auflösung ist abhängig vom zu strukturierenden Materialsystem und kann kleiner 50 nm erreichen. Am Ende des Abschnitts dazu mehr. Das Gerät und eine Reinbank zur Probenmontage sind in einem separaten Laborraum untergebracht. Es gilt innerhalb der gesamten Lithographiebereichs eine verschärfte Kleiderordnung .
Schichtpräparation: Es stehen der Arbeitsgruppe zur Herstellung dünner Schichten im Reinraum eine Metall-MBE und eine Oxidsputteranlage (siehe Abschnitt I.D), sowie, mit anderen Nutzern gemeinsam betrieben, eine HV-Aufdampfanlage (mit drei thermischen Verdampfernquellen und einem 6 kW-Elektronenstrahlverdampfer mit vier Tiegeln) und eine Metall-Sputteranlage zur Verfügung.
Öfen: Neben diversen Laboröfen kann ein Rohrofen
mitbenutzt werden. Kleine Proben können wahlweise in oxidierender, reduzierender
oder inerter Gasatmosphäre bis 1200°C getempert oder chemisch verändert werden.
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Naß- und Trockenätzen: Ein kommerzieller isotroper HF-Planar-Plasmaätzer (Plasma-Electronic P 300) und in Kürze eine eigenständige Sputter- und Polierkammer mit einer 1 keV-Argonionenkanone (Balzers) dienen zum Trockenätzen und zur Entfernung des Lackes. Zum Naßätzen besteht an mehreren Chemie-Flow-Boxen Gelegenheit, ein Flußsäure-Ätzplatz wurde aus Sicherheitsgründen speziell abgetrennt eingerichtet.
Charakterisierungsmöglichkeiten: Zur Ausstattung gehören zwei hochwertige Mikroskope: Zum ersten ein Auflichtmikroskop mit den gängigen Kontrastverfahren einschließlich Echtzeit-Konfokalmodul, 2D-Meßtisch und digitaler Bilderfassung (Reichert TIC-Polycon, Auflösung bei 3000 facher Vergrößerung ca. 80 nm, Meßtisch mit 150 mm-Meßwegen bei 1 m m Auflösung). Zum zweiten ein Durchlicht- und Auflichtstereomikroskop (Zeiss) mit Polarisationseinrichtung und digitaler Bilderfassung. Neu hinzugekommen ist ein UHV-STM (RHK mit Inchworm-Controller).
Probenkontaktierung: Elektrische Kontakte können mit Hilfe eines Golddraht-Ballbonders (Hybond 522A) hergestellt werden.
Ein Beispiel: YBCO-Nanobrücke
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Zum Abschluß sei ein Ergebnis unserer aktuellen Strukturierungsarbeiten gezeigt: Nanobrücken aus YBaCuO auf SrTiO3 mit Breiten von 60 – 200 nm. Die Herstellung kann seit kurzem komplett im Reinraum durchgeführt werden. Die Reinigung des Substrats, das Sputtern der YBaCuO-Schicht, die Charakterisierung als Vorschritte. Dann die Prozeßschritte der Elektronenstrahl-Lithographie (Reinigen, Belacken, Härten, Schreiben, Entwickeln, Nachhärten, Naßätzen mit verdünnter Phosporsäure, Reinigen, Trocknen, Charakterisieren). Danach die Prozeduren der optischen Lithographie zur Erzeugung der Mikrobrücke mit den Anschlußflächen zur späteren elektrischen Kontaktierung. Schließlich das Dampfen oder Sputtern der Kontaktflächen mit Silber oder Gold. Die folgenden Bilder zeigen die Herstellungsschritte (schematisch) sowie DIC-Mikroskop- und REM-Aufnahmen einer Mikro- und der zugehörigen Nanobrücke.
Dissertationen & Diplomarbeiten:
"Schwachstellen in epitaktischen YBa2Cu3O7-d Dünnschichten infolge mittelenergetischer Ionen- und Elektronbenbestrahlung", J. Häring, Dissertation Universität Ulm (1997).
"Transporteigenschaften artifizieller Schwachstellen in nanostrukturierten YBCO-Filmen", F.-M. Kamm, Dissertation Universität Ulm seit 1997.
"Nanostrukturierung von Hochtemperatur-Supraleiter-Filmen mittels Raster-Sonden Mikroskopie und Elektronenstrahl-Lithographie", F.-M. Kamm, Diplomarbeit Universität Ulm (1997).
"Superconducting YBa2Cu3O7-d Nanobridges Prepared by a self-limiting wet Chemical Etching Process", F.-M. Kamm, A. Plettl and P. Ziemann, accepted (Supercond. Sci. Technol.)
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