W dniach 1-3 lipca 2025 r. w Poznaniu odbyło się jubileuszowe XXV Spotkanie Ogólnopolskiego Klubu Demonstratorów Fizyki. Gospodarzem spotkania był Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu oraz Wydział Inżynierii Materiałowej i Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej.
W czasie tego spotkania Laboratorium Litografii Nanotechu reprezentowane było przez Nataszę Gajdę oraz Karola Nogajewskiego.
Tytuł: Co łączy Białą Damę z plagami egipskimi? O nieoczekiwanych skutkach mariażu złota z aluminium.
Opis prezentacji:
Zapewne każdy z Państwa słyszał o Białej Damie. Ta najbardziej znana w Polsce zamieszkuje po sąsiedzku, w zamku w Kórniku. Niewątpliwie znane jest Państwu także pojęcie plag egipskich. A czy spotkaliście się Państwo kiedykolwiek z białą plagą? Albo fioletową? To prawdziwe zmory elektroników, które niczym majaczące w ciemności duchy potrafią podnieść im niebezpiecznie ciśnienie i bez najmniejszych skrupułów zniweczyć wielogodzinną pracę nad układami scalonymi. A wszystko za sprawą przyprawionego żarem mezaliansu szlachetnego złota z pospolitym aluminium. W trakcie prezentacji przybliżymy Państwu nieoczekiwane właściwości fizyczne owoców takiego związku, tak różne od tego, czym charakteryzują się ich protoplaści.
W czasie prezentacji omawiane były związki intermetaliczne AuAl₂ oraz Au₅Al₂. Pierwszy z nich nazywany jest potocznie fioletową plagą, a drugi białą. Nazwy te pochodzą od niekorzystnego wpływu, jaki związki te mogą wywierać na połączenia w urządzeniach elektronicznych, w których aluminium i złoto są powszechnie stosowane. Dwa, które omawialiśmy, pojawiają się najczęściej, a ze względu na swoje właściwości, tzn. dużą oporność właściwą oraz kruchość, nie tylko pogarszają parametry elektryczne połączeń, ale także osłabiają je pod względem mechanicznym.
Rekwizyty, które wykorzystaliśmy w czasie naszego pokazu, przygotowaliśmy na dwucalowych podłożach szafirowych. Nakładaliśmy na nie warstwy metaliczne celując w grubości w przedziale 50 – 150 nanometrów.
W czasie przygotowania tych rekwizytów wykorzystaliśmy szereg urządzeń dostępnych w laboratoriach Nanotech, takich jak:
- wirówka i płyta grzewcza, służące do pokrywania podłoży fotoczułymi rezystami
- układ do bezmaskowej fotolitografii POLOS µPrinter
- układ do trawienia plazmowego Oxford Instruments Plasmalab System 100 ICP-RIE
- naparowywarka ze źródłem elektronowym i argonowym działem jonowym Plasmionique EBH600
- suszarka próżniowa Vacuum Drying Oven VT 6025
- niskoszumowy mikroskop AFM Bruker Dimension Icon z kontrolerem najnowszej generacji Nanoscope VI
- spektrofotometr UV-VIS
- układ igłowy z analizatorem parametrów Agilent B1500A.
Na slajdzie pokazane zostało, jak wyglądają struktury krystaliczne wybranych stopów złota i aluminium. Poddawane badaniom od lat 60-tych XX w. materiały te wciąż znajdują się w kręgu zainteresowań naukowców.
Spośród wymienionych tutaj stopów złota i aluminium skoncentrowaliśmy się na dwóch: AuAl2 oraz Au5Al2. Pierwszy z nich z uwagi na swój kolor i właściwości elektryczne nazywany jest potocznie fioletową plagą, a drugi białą.
Określenie tych stopów jako plagi pochodzi od niekorzystnego wpływu, jaki związki te mogą wywierać na urządzenia elektroniczne, w których aluminium i złoto są powszechnie stosowane.
Na zdjęciu przedstawiony został miniaturowy układ scalony podłączony do podstawki szeregiem złotych przewodów. Wykonuje się je za pomocą urządzenia nazywanego bonderem w sposób przypominający operowanie maszyną do szycia z tą podstawową różnicą, że rolę igły pełnią w takim procesie: ciśnienie statyczne, drgania ultradźwiękowe oraz podwyższona temperatura.
Często spotykanym przypadkiem jest podłączanie drutu złotego do aluminiowego pola kontaktowego lub na odwrót. Taki wybór materiałów i warunki panujące w trakcie wykonywania połączenia sprzyjają powstawaniu w strefie granicznej różnych związków intermetalicznych złota i aluminium.
Dwa wybrane przez nas pojawiają się najczęściej, a ze względu na swoje właściwości, tzn. dużą oporność właściwą oraz kruchość, nie tylko pogarszają parametry elektryczne złącza, ale także osłabiają je pod względem mechanicznym.
Należy jednak pamiętać, że proces ten jest w ogólności bardzo złożony, a jak pokazują badania rentgenowskie i analizy mikroskopowe przekrojów złączy, na jego końcowy rezultat wpływa szereg czynników, w tym temperatura i czas wygrzewania.
Przygotowując pokaz, podjęliśmy się zadania wytworzenia białej i fioletowej plagi w taki sposób, aby nie towarzyszyły im inne stopy. Zaczęliśmy od zaprojektowania maski fotolitograficznej, poprzez którą chcieliśmy w kolejnym kroku nałożyć odpowiednie metale.
Białe pola były docelowo odsłonięte. Dwa z nich zaplanowaliśmy do wyznaczenia oporności właściwej techniką van der Pauw’a, a wężyk o długości ponad 22 cm i szerokości nieco ponad 1,5 milimetra przewidzieliśmy do pomiarów elektrycznych w czasie naszego pokazu.
Musieliśmy także odpowiednio dobrać grubości warstw aluminium i złota. W tym celu posłużyliśmy się pokazaną na slajdzie formułą. We wzorze tym dużymi literami M oznaczone są masy molowe złota i aluminium, a literami ρ gęstości tych dwóch metali.
Osoby spostrzegawcze lub potrafiące szybko liczyć zauważą, że zaznaczony ramką stosunek wynosi w przybliżeniu jeden.
Rekwizyty, które wykorzystywaliśmy w czasie naszego pokazu, przygotowaliśmy na dwucalowych, nieprzewodzących podłożach szafirowych. Nakładaliśmy na nie warstwy metaliczne celując w grubości z przedziału 50 – 150 nanometrów.
Pierwszym etapem procesu litograficznego było rozwirowanie na podłożach szafirowych warstw dwóch żywic.
Zadanie żywicy z dolnej warstwy polegało na ułatwieniu pozbycia się metalu z tych obszarów, które docelowo nie miały być nim pokryte. Górna żywica pełniła natomiast funkcję obrazującą, tzn. po naświetleniu promieniowaniem o długości fali z zakresu 430-470 nm i wywołaniu, przybierała wygląd taki, jak zaprojektowany przez nas rysunek.
W następnym kroku pokryte wywołanymi żywicami podłoża poddawaliśmy krótkiemu czyszczeniu plazmą tlenową. Miało to na celu usunięcie z odsłoniętych obszarów pozostałości substancji organicznych, które mogłyby utrudnić adhezję złota bądź aluminium.
Kolejny etap stanowiło naparowanie próżniowe warstw metalicznych o odpowiednich grubościach. Na podłożach, na których chcieliśmy uzyskać białą i fioletową plagę, najpierw osadzaliśmy aluminium, a następnie złoto, bez przerywania próżni pomiędzy tymi procesami. W ten sposób zabezpieczaliśmy warstwę aluminium przed utlenieniem.
Ostatnim krokiem w przypadku rekwizytów z samym złotem i samym aluminium był tzw. proces lift-off, czyli rozpuszczenie żywic połączone ze spłukaniem znajdujących się na nich metali.
Podłoża z plagami na koniec czekało jeszcze kilkunastogodzinne wypiekanie w suszarce próżniowej rozgrzanej do temperatury 175ºC i odpompowanej do ciśnienia ok. 70 mbarów.
Nowym układem technologicznym, który wykorzystaliśmy w trakcie przygotowania rekwizytów do naszego pokazu, była naparowywarka cienkich warstw metalicznych. Sercem tego urządzenia jest źródło elektronowe. W jego wnętrzu znajduje się karuzela z sześcioma kieszeniami, w których możemy umieścić tygle z materiałami do naparowania. Źródłem elektronów w tym urządzeniu jest filament, który wyglądem przypomina spiralne włókno klasycznej żarówki. Emituje on elektrony w wyniku przepuszczenia przez niego prądu zmiennego o dużym natężeniu.
Tak powstała wiązka elektronów jest następnie przyspieszana w silnym polu elektrycznym, zakrzywiana o 270° w polu magnetycznym i trafia na powierzchnię tygla wypełnionego materiałem do naparowania.
Proces naparowania przeprowadzaliśmy w warunkach wysokiej próżni, a grubość osadzanych na podłożu warstw kontrolowaliśmy za pomocą skrupulatnie wykalibrowanej mikrowagi kwarcowej.
Po naparowaniu wszystkich warstw metalicznych, a także wygrzaniu stopów złota i aluminium, w pierwszej kolejności przeprowadziliśmy pomiary grubości tych warstw za pomocą mikroskopu sił atomowych. W ten sposób mogliśmy wyznaczyć nie tylko grubości warstw i sprawdzić, jak mają się one do założonych, ale również zobaczyć, jak wyglądają powierzchnie tych warstw.
Wyniki tych pomiarów przedstawione są na trójwymiarowych mapach. Zestawienie nominalnych grubości poszczególnych warstw oraz wartości zmierzonych znajduje się w tabeli. Różne zakresy na skalach pionowych poszczególnych map znajdują również swoje odzwierciedlenie w niepewności grubości podanej w ostatniej kolumnie tabeli.
W pierwszej kolejności wykonaliśmy rekwizyty ze złotem i z aluminium, celując w 50 nm. Następnie zmierzyliśmy grubości otrzymanych warstw.
W przypadku stopów najpierw naparowaliśmy aluminium. Wiedzieliśmy już, że powinniśmy otrzymać warstwę o grubości 42 nm. Następnie, bez wyjmowania podłoży z komory urządzenia, naparowaliśmy złoto. Grubości warstw złota dla białej i fioletowej plagi dobraliśmy w odpowiedniej proporcji do 42 nm aluminium.
W celu dokładnego wyznaczenia oporności właściwej uzyskanych materiałów posłużyliśmy się techniką pomiarów z rozdzielonymi kontaktami prądowymi i napięciowymi w realizacji zaproponowanej przez Leo van der Pauw’a.
Dla cienkich warstw o powierzchni w kształcie kwadratu polega ona na przepuszczeniu prądu o znanym natężeniu pomiędzy dwoma sąsiadującymi ze sobą narożnikami takiej warstwy i pomiarze różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy dwoma pozostałymi narożnikami. Takiego wyboru narożników można dokonać na cztery sposoby, a prąd przepuszczać w dwóch kierunkach. Daje to łącznie 8 kombinacji i tyle razy należy wykonać ten eksperyment.
Na podstawie tak otrzymanych wyników przeliczonych na rezystancje można następnie wyznaczyć oporność właściwą badanego materiału, korzystając z pokazanej na slajdzie formuły, w której h oznacza grubość warstwy.
Do przeprowadzenia tego rodzaju pomiarów wykorzystaliśmy dostępny w naszych laboratoriach technologicznych układ igłowy podłączony do analizatora parametrów elektrycznych.
Ponieważ nie mogliśmy przywieźć go ze sobą na spotkanie, podczas pokazu postanowiliśmy przeprowadzić prostszy eksperyment, do którego potrzebne nam były widoczne na każdym rekwizycie wężyki, do których za pomocą pasty srebrnej podłączyliśmy miedziane paski, a także zwykły multimetr.
Pomijając wkład pochodzący od kontaktów elektrycznych, opór idealnego wężyka możemy wyznaczyć ze wzoru. W czasie pokazu sprawdziliśmy, czy wyniki pomiarów oporu wykonane multimetrem przynajmniej jakościowo zgadzały się z przewidywaniami opartymi na dokładniejszych badaniach.
Wyniki pomiarów wykonanych multimetrem były w satysfakcjonującym stopniu zgodne z rezultatami dokładniejszych badań, przeprowadzonych w bardziej zaawansowany sposób. Pokazaliśmy więc, że faktycznie biała i fioletowa plaga charakteryzują się wyraźnie większymi opornościami właściwymi niż złoto i aluminium.