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Estabilidad térmica y transporte de masa en nanopelículas

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Estabilidad térmica y transporte de masa en nanopelículas. Alberto Herrera-Gomez Laboratorio de Procesamiento y Caracterización de Nanopelículas CINVESTAV-Unidad Querétaro. Problemas de interés. (SEMATECH). Caracterización de nanopelículas conformes Capas que la constituyen Espesores

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Presentation Transcript
slide1

Estabilidad térmica y transporte de masa en nanopelículas

Alberto Herrera-Gomez

Laboratorio de Procesamiento y Caracterización de Nanopelículas

CINVESTAV-Unidad Querétaro

slide4

Problemas de interés

(SEMATECH)

  • Caracterización de nanopelículas conformes
  • Capas que la constituyen
  • Espesores
  • Composiciones

TiNO

24 Å

Al2O3

29 Å

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

As-As

4 Å

0.3 ML Ga+3

In0.65Ga0.35As

O. Ceballos-Sanchez, A. Sanchez-Martinez, Milton O. Vasquez-Lepe, P. Lysaght, N. Goel, J. Huang, P. Kirsch, A. Rockett, T. Duong, R. Arroyave, and A. Herrera-Gomez. “Mass transport and thermal stability of TiN/Al2O3 and TiN/HfO2 nanofilms on InGaAs.” Submitted to PRL (2011).

slide5

Problemas de interés

(HITACHI)

  • Caracterización de nanopelículas conformes
  • Capas que la constituyen
  • Espesores
  • Composiciones

C (H-sp3)

5 Å

C (sp2)

23 Å

Si C

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

10 Å

Si substrate

Rap. Comm., Surface and Interface Analysis. 39, p.904 (2007).

Analytical Sci., 26, p. 267-272 (2010).

slide6

Problemas de interés

Caracterización de capas interfaz

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

HfO2

Si substrate

slide7

Composition?

Thicknesses?

Abrupt-Interface

or

Interface-Layer?

Problemas de interés

Caracterización de capas interfaz

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

HfO2

Interface layer

P.G. Mani-Gonzalez, M.O. Vazquez-Lepe, and A. Herrera-Gomez. “Atomic intermixing in ALD-grown hafnia on Si and SiO2/Si.” To be submitted to JAP (2011).

Si substrate

slide8

Problemas de interés

Difusión

TaN

1 ML

La2O3

Hf O2

RTA

(1000°C 10s)

8 Å

Si O1.7 N0.3

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

15 Å

Si substrate

(TEXAS INSTRUMENTS)

slide9

Problemas de interés

Difusión

TaN

TaN

1 ML

1 ML

La2O3

La2O3

Hf O2

Hf O2

RTA

(1000°C 10s)

8 Å

8 Å

Si O1.7 N0.3

Si O1.7 N0.3

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

15 Å

15 Å

Si substrate

Si substrate

slide10

Problemas de interés

Difusión

TaN

TaN

1 ML

Hf O2

La2O3

La

La

Hf O2

RTA

(1000°C 10s)

La

La

8 Å

? Å

La

La

Si O1.7 N0.3

Si O? N?

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

15 Å

? Å

Si substrate

Si substrate

slide11

Problemas de interés

Difusión

TaN

TaN

1 ML

Hf O2

La2O3

Hf O2

RTA

(1000°C 10s)

8 Å

? Å

Si O? N?

La

Si O1.7 N0.3

La

La

La

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

15 Å

? Å

La

La

Si substrate

Si substrate

slide12

Problemas de interés

Difusión

TaN

TaN

1 ML

Hf O2

La2O3

Hf O2

RTA

(1000°C 10s)

8 Å

? Å

La2O3

Si O1.7 N0.3

Si O? N?

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

15 Å

? Å

Si substrate

Si substrate

slide13

Problemas de interés

Difusión

TaN

TaN

1 ML

Hf O2

La2O3

Hf O2

RTA

(1000°C 10s)

8 Å

? Å

La2O3

Si O1.7 N0.3

Si O? N?

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

15 Å

? Å

Si substrate

Si substrate

J. Appl. Phys. 106, p. 053506 (2009).

slide14

HfO2

SiO2

Si substrate

Problemas de interés

Difusión

(SEMATECH)

cap

RTA

(1000°C 10s)

N

N

10 Å

N

N

N

?

N

N

10 Å

N

N

N

N

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

slide15

HfON

SiON

Si substrate

Problemas de interés

Difusión

(SEMATECH)

cap

cap

HfO2

RTA

(1000°C 10s)

N

N

10 Å

N

N

N

SiON

N

N

N

N

N

N

10 Å

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

Si substrate

J. Appl. Phys. 104, p. 103520 (2008).

previous studies of thermal stability

SiO2

Poly Si

Poly Si

TiN

TaN

La cap

La2O3

HfO2

Hf-Silicate

Si substrate

Si substrate

Previous Studies of Thermal Stability

Log La/Hf Concentration

Log Si/Ti Ion counts

Both La2O3 and La-Silicate were used in experiments

Fig. 9: Backside SIMS showing no La penetration into the Si substrate after high T (1000°C) process

IBM Sample

Our Sample

1IBM VLSI 2006, V. Narayanan et. al.

diffusion of ta la or hf into si bulk backside secondary ion mass spectroscopy all samples

Si-bulk

Poly Si

TaN

Hf-based

La2O3

Diffusion of Ta, La, or Hf into Si bulkBackside Secondary Ion Mass Spectroscopy: All Samples

No diffusion of La, Hf, nor Ta, from any of the samples into the substrate.

Anneal recipe: 1000ºC in N2 for 5 seconds.

Poly Si

Si substrate

Magnetic Mass Spec.

Uses O2+

HV = 9kV

Raster size = 180 um

Lens = 150 um

Data collected at:

North Carolina State – F. Stevie

slide19

Sample 1

100%

Ta

La

Hf

isoSi

O

N

Vertical magnification

x18

80%

400K

- Unannealed

- Annealed

60%

300K

Composition

Surface O

O

200K

40%

Ta

Si

O

N

100K

20%

Hf

La

128ch

234.59KeV

384ch

373.86KeV

512ch

445.00KeV

1ch

165.00KeV

256ch

304.73KeV

24

48

72

96

120

Depth [Å]

slide20

Técnica de Caracterización: ARXPS

Por qué ARXPS

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

slide23

Photoemission from core levels

K

Vacuum Level

VB

hv

EB

3s

2p1/2, 2p3/2

2s

1s

slide24

Photoemission from core levels

K

Vacuum Level

VB

hv

EB

3s

2p1/2, 2p3/2

2s

1s

slide25

Photoemission from core levels

K

Vacuum Level

VB

hv

EB

3s

2p1/2, 2p3/2

2s

1s

Survey spectrum for C films

C 1s

C Auger

Si 2p

slide26

Photoemission from core levels

K

Vacuum Level

VB

hv

EB

3s

2p1/2, 2p3/2

2s

1s

Survey spectrum for C films

C 1s

C Auger

Si 2p

Survey spectrum for

HfSiNO films

O 1s

Hf 4f

O Auger

N 1s

slide27

5.9

4.9

3.9

2.9

1.9

0.9

-0.1

109

107

105

103

101

99

97

95

ARXPS experiment

ARXPS experiment

Técnica de Caracterización: ARXPS

Principios de ARXPS

Electron Energy

Analyzer

Si 2p

Si-Bulk

X-Ray Source

1nm SiO2

Si(001)

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

Intensity (c.p.s.)

Sample

25 to 75°

SiO2

Binding energy (eV)

slide28

lower dependence on angle

Peak Area

Peak Area

Take-Off Angle

Take-Off Angle

atom closer to the surface

atom buried deep

slide29

Técnica de Caracterización: ARXPS

Principios de ARXPS

Si 2p

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

532.5eV

531.3eV

slide30

Técnica de Caracterización: ARXPS

Principios de ARXPS

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

Dependencia angular de la intensidad de los picos XPS

slide31

Técnica de Caracterización: ARXPS

Principios de ARXPS

Spurious carbon(0.5ML)

8.4 Å

Hf O1.9

Si O1.7 N0.5

15.3 Å

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

Si substrate

slide33

Técnica de Caracterización: ARXPS

Si 2p

2p3/2

2p1/2

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

  • Espectrómetro hemisférico de siete canales
  • Fuente monocromática
  • Al mismo tiempo
  • Alta estadística
  • Alta resolución
slide35

Técnica de Caracterización: ARXPS

Desarrollo de metrología

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

AAligner®: Software de adquisición de datos propietario

slide36

Técnica de Caracterización: ARXPS

Desarrollo de metrología

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

XPSGeometry®: Software de análisis propietario

slide37

Técnica de Caracterización: ARXPS

Desarrollo de metrología

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

AAnalyzer®: Software de análisis propietario

slide38

Técnica de Caracterización: ARXPS

Desarrollo de metrología

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

Actualización y corrección de estándares de la ASTM e ISO

slide40

Procesamiento de Nanopelículas

Atomic Layer Deposition

HfO2

Si

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

slide41

Procesamiento de Nanopelículas

Sputtering (necesidad)

Procesamiento y caracterización de nanopelículas

  • Presión base en el rango de 10-8 Torr (con precámara)
  • Necesario para depósito de TiN o TaN sin óxidos
  • TaN y TiN usados como el metal en MOS y como capa protectora
slide43

Recursos Humanos y Líneas de Investigación

CINVESTAV-Unidad Querétaro: 21 prof., 7 nivel III SNI,13 nivel II, y 1-I,

  • Francisco Espinoza
    • Nanopartículas por Aleado Mecánico (molino de bolas)
    • Películas multicapas (superredes) crecidas por sputtering (hard coatings)
    • Microsonda (Electron Probe for Micro Analysis)
    • AFM (propiedades mecánicas y ferroeléctricas)
  • Gabriel Luna
    • Bionanocompositos
    • Nanopartículas de plata y oro estabilizados en matrices de biopolímeros
  • Alejandro Manzano
    • Nanotubos en matrices poliméricas
  • Juan Muñoz
    • Nanoindentación
  • Francisco Pérez
    • Nanotubos de carbono por CVD sin dopar y dopados
    • Membranas poliméricas dopadas con nanotubos de carbono para celdas de combustible de alta temperatura
  • Rafael Ramírez
    • Nanopelículas para electrónica flexible
    • Nanoestructuras en zeolitas
    • Catálisis
  • Aldo Romero
    • Modelado de propiedades físicas y químicas de nanoestructuras (métodos semiempíricos, dinámica molecular, DFT)

Nanociencia y la Nanotecnologia en Cinvestav-Qro

slide44

Infraestructura y Equipo

  • Laboratorios
  • Equipo de caracterización
    • Microsonda JXA-8530F HyperProbe EPMA
    • AFM-SPM Nanoscope IV-Dimension 3100
    • Nanoindentador (Ubi1 Hysitron, Ibis Fischer-Cripps)
    • XRD (Rigaku Utilma IV, Rigaku D/Max 2000)
    • XPS (Thermo-Fisher-Intercovamex)
    • Zetasizer de Malvern (partículas 0.8 nm a 6 micras)
    • Nanosizer de Colloidal Dynamics (partículas 20 nm a 10 )
  • Equipo de procesamiento
    • Molino de bolas (Spex 8000, Pulverisette 6 Fritsch, …)
    • ALD
    • Magnetron Sputtering (DC, pulsed DC, RF)
    • Sol-Gel
    • CVD (National Instruments)

Nanociencia y la Nanotecnologia en Cinvestav-Qro

slide45

Posgrados

  • Maestría en Ciencias, Especialidad en Materiales
    • actuales 40
    • graduados 70
  • Doctorado en Ciencias, Especialidad en Materiales
    • actuales 60
    • graduados 56

Nanociencia y la Nanotecnologia en Cinvestav-Qro

slide47

Colaboraciones Actuales

  • SEMATECH (Patrick Lysaght & Paul Kirsch)
    • A robust metrology approach based on ARXPS for the characterization of nanofilms
  • HITACHI-GST (Eric Sun & Eric Flint)
    • The Structure of Carbon Films from High Resolution ARXPS
  • Applied Materials (Giusepinna Conti & Yuri Uritsky)
    • Issues affecting the performance of the Theta-Probe
  • Texas A&M University (Raymundo Arroyave, Rusty Harris)
    • Indium diffusion through dielectric nanofilms
  • INAOE (Joel Molina)
    • Correlación entre la estructura de nanopelículas de óxido de hafnio con sus propiedades funcionales
  • CIMAV (Servando Aguirre & Francisco Espinosa)
    • Método discreto y contínuo para la caracterización del espesor de nanopelículas
  • IPN (Alicia Rodríguez)
    • Modificación al background tipo Shirley en el análisis de datos de XPS

Colaboraciones

slide48

Colaboraciones Deseadas

  • All-electron first principle calculation
  • EELS

C (H-sp3)

5 Å

C (sp2)

23 Å

Colaboraciones

Si C

10 Å

Si substrate

slide49

Colaboraciones Deseadas

  • Exportar la metodología ARXPS propia (Grenoble)

Colaboraciones

slide51

Necesidades de equipo

Sputtering (necesidad)

Necesidades

  • Presión base en el rango de 10-8 Torr (con precámara)
  • Necesario para depósito de TiN o TaN sin óxidos
  • TaN y TiN usados como el metal en MOS y como capa protectora
slide52

Necesidades de fondos de operación

Financiamiento para viaje de estudiantes a Granoble

Necesidades

laboratorio de procesamiento y caracterizaci n de nanopel culas
Laboratorio de Procesamiento y Caracterización de Nanopelículas

http://qro.cinvestav.mx/~aherrera/web/lab.htm