Metrologia właściwości termicznych mikro- i nanostruktur prowadzona metodami skaningowej mikroskopii termicznej bliskiego pola
Odkąd w latach 80. XX wieku zbudowano pierwszy mikroskop bliskich oddziaływań, powstało wiele metod bliskich oddziaływań służących do badań rozmaitych właściwości świata w nanoskali. Pośród nich – m.in. metod mechanicznych, elektrycznych, chemicznych czy magnetycznych – swoje miejsce znalazła skaningowa mikroskopia termiczna, pozwalająca na jednoczesne obrazowanie topografii powierzchni oraz jej temperatury bądź przewodności cieplnej. Należy przy tym podkreślić, że ogólnie mikroskopia bliskich oddziaływań pozwala na w pełni trójwymiarowe odwzorowanie kształtu powierzchni z dokładnością nanometrów – informacja o temperaturze bądź właściwościach cieplnych jest niezwykle cennym dodatkiem. Eksperymenty takie mogą być prowadzone z rozdzielczością przestrzenną rzędu kilkudziesięciu nanometrów, co umożliwia badanie struktur o rozmiarach np. pojedynczych tranzystorów. Współcześnie skaningowa mikroskopia termiczna znajduje więc zastosowanie nie tylko w badaniach podstawowych, ale również m.in. w diagnostyce układów mikro- i nanoelektronicznych.
Rosnące zainteresowanie metodą SThM i związany z tym wzrost liczby ośrodków zajmujących się tego typu pomiarami doprowadziły w ostatnich latach do tego, że konieczne jest coraz częściej porównywanie wyników uzyskiwanych w rozsianych po całym świecie laboratoriach badawczych. Problemem jest jednak brak wzorców, które mogłyby służyć do poprawnej metrologicznie kalibracji mikroskopów SThM. Zazwyczaj w każdym z ośrodków używany jest własny układ kalibracyjny, co nie zapewnia spójności pomiarowej i nie pozwala na wiarygodne porównania – w szczególności wyników pomiarów temperatury bezwzględnej. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że zahamowany został rozwój metod pomiarowych właściwości cieplnych metodami mikroskopii bliskich oddziaływań, głównie ze względu na to, że trudno jest ocenić, czy nowe rozwiązania są lepsze od już istniejących. Podobnie, brak standardowych procedur kalibracyjnych dla SThM uniemożliwia zastosowanie tej metody diagnostycznej na dużą skalę w badaniach na użytek przemysłu mikroelektronicznego i nanotechnologicznego. Z tego względu zająłem się zagadnieniami związanymi z opracowaniem metod eksperymentalnych, które mogą w przyszłości umożliwić wykorzystanie skaningowej mikroskopii termicznej jako narzędzia
metrologicznego.
Do najważniejszych osiągnięć będących efektem moich prac należą:
- zastosowanie w skaningowej mikroskopii termicznej zoptymalizowanych nanosond termorezystancyjnych, opracowanych w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie, także z moim udziałem;
- uruchomienie w Zakładzie Metrologii Mikro- i Nanostruktur WEMiF PWr skaningowego mikroskopu termicznego współpracującego z wspomnianymi powyżej nanosondami ITE/PWr oraz wykorzystującego do pomiarów zmodyfikowany mostek Wheatstone’a wraz ze specjalizowanymi układami pomocniczymi;
- wykonanie kalibracji nanosondy termorezystancyjnej według procedury pozwalającej na uzyskanie spójności pomiarowej z międzynarodowymi wzorcami, tj. Międzynarodową Skalą Temperatury z roku 1990 (MST-90);
- opracowanie i zastosowanie eksperymentalne metody cieplnego odwzorowania nanoostrza SThM (współpraca z dr. Grzegorzem Jóźwiakiem, WEMiF PWr);
- analiza rozpływu ciepła w mikrokołkach miedzianych (ang. through-silicon vias, TSV), strukturach stosowanych głównie do przesyłania informacji na wskroś podłoża krzemowego w tzw. „piętrowych” albo „trójwymiarowych” układach scalonych (ang. stacked integrated circuits albo 3D ICs).
Wyniki eksperymentów kalibracyjnych sond SThM zostały opublikowane w czasopiśmie Sensors and Actuators A: Physical Sensors – praca ta jest pierwszym na świecie doniesieniem o próbach kalibracji takich sond w odniesieniu do MST-90. W pracy dotyczącej cieplnego odwzorowania ostrza (ang. tip thermal mapping, TThM), opublikowanej w czasopiśmie Ultramicroscopy, jako pierwsi pokazaliśmy, że wpływ kształtu ostrza pomiarowego na uzyskiwane obrazy temperatury czy też przewodności cieplnej można eksperymentalnie zbadać i konkretne ostrze pod tym względem scharakteryzować; pozwala to następnie minimalizować wpływ używanej sondy na wyniki pomiarów. Natomiast badania właściwości cieplnych struktur TSV za pomocą SThM (pierwsze tego typu na świecie), których wyniki zostały przedstawione w czasopiśmie Micron, pokazują ścieżkę, która pozwala na ulepszenie modeli rozpływu ciepła we współczesnych układach scalonych – należy podkreślić, że wraz ze zwiększaniem mocy obliczeniowej układów rośnie ich zapotrzebowanie na energię i tym samym konieczne jest coraz lepsze opracowywanie systemów chłodzenia, jak również odpowiednie rozmieszczanie potencjalnych źródeł ciepła już na etapie projektowania układu scalonego.
W ramach badań opisanych w rozprawie opracowałem metody metrologiczne do zastosowania w skaningowej mikroskopii termicznej, w szczególności metodę kalibracji stwarzającą podwaliny pod uzyskanie w przyszłości spójności pomiarowej metod SThM z międzynarodową skalą temperatury. Opracowane metody zostały następnie wykorzystane m.in. do charakteryzacji właściwości cieplnych mikrokołków miedzianych (TSV), mikrostruktur stosowanych obecnie w najbardziej zaawansowanych układach scalonych.
Badania przedstawione w rozprawie realizowałem w ścisłej współpracy z zespołami z Instytutu Technologii Elektronowej w Warszawie, AMD Saxony LLC & Co. KG w Dreźnie (obecnie Globalfoundries), Instytutu Badań Nieniszczących Fraunhofera w Dreźnie oraz Kolegium Nauki i Inżynierii Uniwersytetu Stanu Nowy Jork w Albany. Doświadczenie, które wraz ze współpracownikami uzyskałem podczas eksperymentów, zostało wykorzystane m.in. w projekcie UE STREP NANOHEAT „Wielopłaszczyznowa platforma do charakteryzacji i diagnostyki zintegrowanych systemów »dalej niż Moore/poza CMOS«”, realizowanym w 7. Programie Ramowym, który jest m.in. kontynuacją prac nad specjalizowanymi nanosondami SThM.