strona główna     -     konkurs     -     archiwum fahrenheita     -     stopka redakcyjna     -     napisz do nas
 
Adam Cebula
strona 23

O tym, po co komuś nic

 

Poprzednim razem bardzo pobieżnie opisałem, jak się otrzymuje wysoką próżnię. Jest to pierwszy krok do tego, by wykonać jakieś pomiary. Co i jak się mierzy w próżni? Tym razem spróbuję trochę bliżej wyjaśnić, po co komu tyle zabawy z otrzymaniem doskonałego niczego.

 

W próżni wiele procesów przebiega zupełnie inaczej niż przyzwyczailiśmy się do tego na co dzień. Na przykład, na co można wpaść samemu, stopione metale, nawet w bardzo wysokich temperaturach zachowują czyste powierzchnie, nie utleniają się. Trochę mniej oczywistym zjawiskiem jest ich parowanie. Rezultatem są warstwy metalu, które osadzają się dosłownie na wszystkim, co znajduje się wewnątrz aparatury. Zjawisko to stosuje się do naparowywania warstw, na przykład aluminium na szkło w celu uzyskania pięknego zwierciadła. Co prawda, uzyskanie tą metodą praktycznego lustra jest nieco skomplikowane, bo gdy wsadzić zwyczajnie kawałek szkła do aparatury, to po wyjęciu go szybko metal odpadnie w postaci ślicznych błyszczących listków, ale jest to wstęp do zapoznanie się z jedną z najważniejszych technologii we współczesnym świecie. Można jeszcze przekonać się o innej, ciekawej własności par metalu w próżni: rozchodzą się one po liniach niemal idealnie prostych, tak jak promienie widzialnego światła. Wynika to z tego, że o ile mamy w aparaturze zachowaną przyzwoitą próżnię, około 1/1000000 słupka rtęci, to średnia droga swobodna odparowanej cząsteczki jest rzędu dziesiątek metrów. Można więc strumień par dość precyzyjnie kierować w określone miejsce, nie ryzykując zasmarowania całej aparatury.

 

Zapewne wszyscy wiedzą, że tak się wytwarza układy scalone. Nie jest to do końca prawda, to tylko część procesu, ale za to bardzo ważna. Tak wytworzymy ścieżki pomiędzy elementami, odpowiedniki drutów, którymi lutowano elementy w radiu. Tak też można wytwarzać warstwy izolacyjne.

 

Naparowywanie w próżni umożliwia uzyskiwanie bardzo cienkich warstw o kontrolowanym składzie. Ta jedna cecha umożliwiła wykonywanie układów scalonych. Jak cienkich? Na przykład warstwa dwutlenku krzemu pomiędzy elektrodą stanowiącą bramkę tranzystora polowego, a półprzewodnikiem ma grubość ok. 0.1 mikrometra. To naprawdę bardzo mało, to długości najkrótszej fali światła, jaką człowiek jest w stanie zobaczyć, światła o barwie fioletowej.

 

Ot, pewien szczegół. Jeśli mamy komputer, mamy w nim BIOS. Co to jest, z punktu widzenia informatyka, zapewne jest mniej lub bardziej jasne. Jak jednak ten kawałek komputera działa? Nie działałby, gdyby nie perfekcyjne opanowanie techniki naparowywania. Jak wiemy w BIOS-ie zapisana jest informacja o ustawieniach komputera. Jest ona przechowywana w maleńkich wyspach metalu całkowicie zanurzonych w izolacji wykonanej z bardzo czystego dwutlenku krzemu. Ta substancja jest znakomitym izolatorem, pod warunkiem właśnie zachowania czystości. Owe wysepki stanowią bramki tranzystorów, dzięki temu można sprawdzić, jaki na nich jest ładunek. Wpływa on lub jest usuwany z metalowej wysepki za pomocą elektrody, która jest tylko zbliżona do kropeczki metalu. Dzieje się to dzięki zjawisku tunelowania elektronów. Zachodzi ono w zauważalny sposób tylko na bardzo małych odległościach. I tu właśnie zastosowanie technologii naparowywania: dzięki niej potrafimy uzyskać nadzwyczaj cienkie warstwy materiałów. To dzięki temu, że odkryliśmy właśnie tę metodę potrafimy wykonywać nadzwyczaj precyzyjne przekładańce izolator-metal.

 

Problemem jest natomiast przekonanie się o tym, że osiągnęliśmy grubość, o którą nam chodziło. Jak pamiętamy, do produkcji tranzystorów wymagamy grubości warstw znacznie mniej niż 1/1000 milimetra, czyli mikrometra. Skontrolowanie grubości do około 0.4 mikrometra jest możliwe za pomocą tak zwanego mikroskopu interferencyjnego. Jednak w naukowych zastosowaniach posługujemy się pokryciami o grubości określanej na ułamki promienia atomu. Oczywiście nie jest możliwe ,,rozsmarowanie'' atomów, lecz chodzi tu o średnią ilość substancji, jaką byśmy uzyskali, gdyby atomy były podzielne. Takie ułamkowe pokrycia są zazwyczaj tak zwanymi warstwami wysepkowymi, bo naparowywana substancja tworzy bardzo małe kropelki, ,,wysepki'' na podłożu. Jednak o tym szczegółowiej może innym razem, bo jest to cała dziedzina wiedzy.

 

Patentem na mierzenie bardzo małych grubości jest zastosowanie ,,wagi kwarcowej'', ale wykonanej z rezonatora kwarcowego. To cała historia. Kryształ kwarcu pod wpływem pola elektrycznego ulega odkształceniu: kurczy się, rozciąga lub wygina. Poddany odkształceniu drga ze swą własną częstotliwością. Dzięki temu można zbudować generator drgań elektrycznych, których częstotliwość jest stabilizowana takim rezonatorem. Trzeba od razu wyjaśnić, że amplituda tych drgań jest bardzo mała, nie zobaczymy żadnego ruchu. Natomiast częstotliwość zależy od bardzo wielu czynników, między innymi od masy kryształu. No i tu jest pomysł: gdy na taką płytkę naparujemy nieco jakiejś substancji, zmieni się częstotliwość. Drgania możemy mierzyć z bardzo wielką dokładnością. W praktyce okazało się, że można tą metodą zważyć niezwykle małe masy. Taką wagę można wyskalować w grubości warstwy. Kwarc wystawiamy na działanie par substancji o podobnym stężeniu, jakie działa na podłoże, na które parujemy. No i gotowe. Będzie działało do momentu, do którego na skutek naparowania za grubej ilości substancji generator przestanie wytwarzać drgania. Wtedy trzeba niestety zapowietrzyć aparaturę, rozkręcić, wymienić kryształ.

 

Jak poprzednio napisałem, w epoce półprzewodników niezwykle ważne są badania zachowania się powierzchni różnych materiałów. Zjawiska, jakie tam zachodzą, mają decydujące znaczenie dla tego, jak działają nasze tranzystory, które, niezależnie od konstrukcji, pracują dzięki oddziaływaniu zachodzącemu na granicach pomiędzy materiałami. Badanie powierzchni nie jest proste, bowiem chodzi nam ,,tym razem'' o ,,prawdziwą'' powierzchnię. Gdy spoglądamy, powiedzmy, na aluminiowy drut, to nie widzimy, że jest pokryty grubą warstwą tlenków. Na metalach szlachetnych ,,siedzi'' zazwyczaj cała tablica Mendelejewa, choć jest to o wiele cieńsza warstwa niż w poprzednim przypadku. Mamy dość dobre metody oczyszczania próbek, które umieściliśmy w wysokiej próżni: zwykłe zagrzanie do temperatury kilkuset stopni, bombardowanie powierzchni jonami, jednak jak się w takich warunkach przekonać, że ostatnie kilka warstw atomów, piekielnie mała ilość, to nie jest czasem coś całkiem innego, niż mieliśmy intencję badać? Jak sprawdzić, czy próbki nie oblepił jakiś inny pierwiastek, który fruwa sobie w aparaturze? Takie problemy są dość częste. Mogą stać się przyczyną poważnych pomyłek: może się okazać, że wyniki, jakie są owocem wielu miesięcy ciężkiej pracy, nadają się tylko do kosza, albo w najlepszym razie świadczą o czymś zupełnie innym, niż miał intencję autor. Jak już poprzednio pisałem, podstawowy pomiar pracy wyjścia, czyli w grubym przybliżeniu siły, jakiej trzeba użyć, by wyrwać elektron z materiału, może dać całkowicie inny wynik pod wpływem tak zwanego ułamkowego pokrycia, czyli tak małej ilości obcej substancji, że nie utworzy ona na powierzchni nawet pojedynczej warstwy atomów.

 

Te właśnie zjawiska są przedmiotem ciągłych dociekań. Badacze starają się najpierw uzyskać powierzchnię o kontrolowanym składzie (lepiej powiedzieć stanie), następnie usadzić na niej konkretną, nieprzypadkową substancję i sprawdzić, jak się zmieniają własności całego układu.

 

Jedną z metod takich badań jest spektroskopia elektronowa. Metoda dla osób mających cokolwiek wspólnego z fizyką jest prosta. Próbkę pobudza się strumieniem elektronów, które uderzają w jej powierzchnię. To wywołuje emisję elektronów z powierzchni. Dobierając warunki, możemy kontrolować, z jak głębokich warstw one pochodzą. Niektóre mają charakterystyczną energię, możemy w uproszczeniu powiedzieć, że znajdziemy wśród wyskakujących w przestrzeń cząsteczek całe partie o bardzo podobnej (z pominięciem kierunku) prędkości. Wynika to oczywiście z budowy atomu. Tak, jak pierwiastki emitują określone barwy światła (tak zwane linie widmowe), tak i podobne zjawisko zachodzi dla elektronów. Namierzając energie tych elektronów, jesteśmy w stanie stwierdzić, o jaki pierwiastek chodzi.

 

Właściwie wszystkie przyrządy, które mają w nazwie ,,spektroskop'' i nie analizują światła, działają na zasadzie analizy rzutu ukośnego. Z węża do polewania trawników, gdy trzymamy wylot pod tym samym kątem, to oczywiście, gdy w rurach jest większe ciśnienie, woda leci dalej, gdy mniejsze, bliżej. Z elektronami problem jest w tym, że praktycznie nie działa na nie siła ciężkości. Trzeba dodać coś, co ją zastąpi. Zazwyczaj jest to pole elektryczne skierowane poprzecznie do toru ruchu, lub pole magnetyczne. Ponieważ elektronów nie widzimy (gdybyśmy nie widzieli wody, do stwierdzenia, gdzie upada jej strumień można zastosować kota) musimy mieć jeszcze jakiś detektor. No i to już prawie cały spektroskop energii elektronów.

 

W praktyce nie jest to takie proste: z próbki wylatuje bardzo niewiele cząsteczek, nie możemy za bardzo poszaleć z mocą wzbudzającej wiązki, bo zagrzejemy badany materiał. Wylatują one pod wszystkimi możliwymi kątami. Tymczasem w najprostszej konstrukcji wycinamy wąziutki strumyczek. Otrzymamy więc mikrusi sygnał. Na szczęście potrafimy już rejestrować pojedyncze elektrony. Zmorą eksperymentatorów są zakłócające pola magnetyczne produkowane najczęściej przez znajdujące się w najbliższej okolicy elektryczne urządzenia. Wreszcie pomiary wymagają coraz to lepszej dokładności. Na skutek tego buduje się coraz dziwniejsze w kształtach urządzenia. Jedna z najpopularniejszych to spektroskopy z cylindrycznymi lub kulistymi elektrodami odchylającymi. Zwłaszcza te ostatnie efektownie prezentują się w laboratoriach.

 

Osobie z zewnątrz może się to wszystko wydawać typową ,,sztuką dla sztuki''. Tak jednak wygląda na dziś ,,pierwsza linia'' badań materiałów. To także bezpośrednie zaplecze dla nanotechnologii, z którą dziś wiąże się tyle nadziei. Jeśli w przyszłości spodziewamy się jeszcze szybszych mikroprocesorów, jeszcze pojemniejszych dysków twardych, płyt DVD (oczywiście nie w standardzie DVD), na których zmieści się wiele filmów, to właśnie taka aparatura daje szansę na urzeczywistnienie marzeń.

 

Najprostsza aparatura do naparowywania cienkich warstw o kontrolowanej grubości. Źródło par możemy wykonać z kawałka drutu z materiału o wysokiej temperaturze topnienia, który owiniemy substancją, jaką chcemy nanieść na podłoże: np. kawałkiem złota. Drut rozgrzewamy, przepuszczając przez niego prąd. Obok siebie umieszczamy podłoże i kryształ kwarcu, za pomocą którego zmierzymy grubość naparowanej warstwy. Na zewnątrz naczynia próżniowego umieszczamy część elektroniczną generatora, którego częstotliwość ustala rezonator. Częstotliwość mierzymy cyfrowym falomierzem (częstościomierzem).

 

Uproszczona konstrukcja tranzystora polowego. Aby zadziałał, niezbędna jest warstwa dwutlenku krzemu o grubości ok. 0.1 mikrometra.

 

Schemat najprostszego spektroskopu. Elektrony pobudzane wiązką wylatują z próbki we wszystkie strony. Szczelina 1 wybiera wąski strumień, który wpada do obszaru, w którym elektrony są odchylane. Do detektora dolecą tylko te, które mają ściśle określoną prędkość. Kolorem zielonym oznaczono tor elektronu ,,za szybkiego'', czerwonym ,,za wolnego''.

Zasada działania analizatora siatkowego. Próbka jest umieszczona pod kopułą wykonaną z siatki. Strumień pobudzających elektronów wpada przez metalową rurkę umieszczoną centralnie. Elektrony wybite rozbiegają się z próbki we wszystkie strony. Kopuła z siatki jest naładowana ujemnie i hamuje je. Część o mniejszej prędkości jest zawracana do próbki, elektrony, które mają energię większą od pewnej progowej, przelatują przez siatkę i docierają do zewnętrznej elektrody. Mierząc prąd płynący przez nią i zmieniając napięcie hamujące na siatce, możemy wykryć moment, gdy zaczyna ono ,,wycinać'' frakcję elektronów o jednej energii (prędkości), bowiem w tym momencie ten prąd zaczyna gwałtownie maleć. Zaletą analizatora siatkowego jest to, że wyłapuje niemal wszystkie elektrony wylatujące z próbki.

 

Fragment aparatury z widocznym poprzez okno tak zwanym analizatorem siatkowym. Widoczna szara czasza pełni rolę anody oraz ekranu, na którym można obserwować rozkład natężenia wylatujących z próbki elektronów.
Widok na aparaturę z większej odległości. Jak widać, sam układ pomiarowy otoczony jest stojakami z zasilaczami i modułami kontrolno-sterującymi.
Drobny szczegół techniczny. Tak zwana pompa turbomolekularna. Jeszcze kilka lat temu przedmiot westchnień i marzeń polskich fizyków. Pompa mechaniczna pracująca w układach wysokiej próżni. Jej zaletą jest i wydajność, i skuteczność. Stosowane powszechnie pompy jonowe na przykład niechętnie pompują gazy szlachetne, pompy dyfuzyjne rozpraszają po aparaturze składniki oleju. Pompa turbomolekularna nie ma wad, poza wysoką ceną.
Proza życia? W kunsztownie wykonanym uchwycie tkwi sobie zlewka z mieszaniną wody i lodu. Tak się wytwarza wzorzec zera dla termopar. Choć wymyślono wiele eleganckich sposobów, bez wody i lodu, stare sposoby wydają się ciągle najbardziej przekonujące.
Widok z bliska na ekran analizatora energii.
Nowa, ,,bardzo zachodnia'' aparatura. W centrum komora, w której umieszczamy próbkę. Nad nią widać sporych rozmiarów mieszkowy manipulator o bardzo dużym skoku i dokładności pozycjonowania.
Ta sama aparatura z przeciwnej strony. W stojaku znajduje się wielkich rozmiarów pompa jonowo-magnetyczna.
Trzecie ujęcie. Na pierwszym planie półkula ze stali nierdzewnej zawierająca analizator energii elektronów. Składa się z dwu wycinków sfer o wspólnym środku, pomiędzy którymi (na skutek odpowiedniego potencjału owych sfer) biegną elektrony.
Rzut oka na inną aparaturę. Zielonym paskiem został obwiedziony tak zwany spektrometr masowy. Urządzenie pozwala identyfikować fruwające swobodnie po aparaturze atomy. Dzięki niemu może sprawdzić skład resztek gazów po odpompowaniu do wysokiej próżni. Można także sprawdzić, co wylatuje z próbki, gdy się ją podgrzeje. Urządzenie w działaniu jest bardzo podobne do spektrometrów elektronowych.
Wyjęty z aparatury tak zwany siatkowy analizator energii. Działa nieco inaczej niż poprzednie.
Widok na siatkę analizatora siatkowego.


Koniec




Spis treści
451 Fahrenheita
Literatura
Konkurs
Bookiet
Recenzje
Komiks
Stopka
A.Mason
Paweł Laudański
Andrzej Pilipiuk
W.Świdziniewski
Adam Cebula
Tomasz Pacyński
Rafał Ostuda
EuGeniusz Dębski
Tomasz Pacyński
Adam Cebula
Maja Kossakowska
Rafał Kosik
Grzegorz Buchwald
K. i K. Urbańskie
Ondřej Neff
Michal Jedinák
KRÓTKIE SPODENKI
nonFelix
Adowity
 

Poprzednia 23 Następna