Bachelor's Thesis

Charge neutralization of the substrate surface during direct ion beam deposition

Final Thesis 2.4 MB

Author of thesis: Ing. Lukáš Kejík, Ph.D.

Acad. year: 2012/2013

Supervisor: Ing. Stanislav Voborný, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D.

Abstract:

Bachelor's thesis deals with possibilities of substrate neutralisation during ion beam deposition. There were designed and tested three sample holders with integrated neutralization filament. Depositions of gallium nitride were done on samples with all configurations, then analyzed by XPS. In this thesis the suitability of all configuration was evaluated and discussed.

Keywords:

Substrate neutralization, sample holder, ion beam deposition, gallium nitride, X-ray spectroscopy, sapphire.

Date of defence

19.06.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3901-3)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Stanislav Voborný, Ph.D.

V rámci bakalářské práce se student zabýval možnostmi neutralizace nevodivých substrátů v komplexní aparatuře využívané na Ústavu fyzikálního inženýrství ke studiu povrchů a tenkých vrstev. Iontově-svazkové metody používané v laboratoři pro přípravu ultratenkých GaN  vrstev způsobují nabíjení substrátů. Pokud nemůže být náboj z povrchu vzorku odváděn, rostoucí náboj brání dalším iontům v dopadu na substrát a na povrchu se tak vytváří kovová vrstva Ga s velmi malým obsahem GaN vazeb. Cílem práce bylo vyzkoušet několik odlišných technických řešení paletek používaných v laboratoři jako držáky vzorků ve vakuových komorách tak, aby sloužily zároveň jako zdroj elektronů, neutralizující náboj hromaděný na nevodivých substrátech.  Jedná se o levnou alternativu k v současnosti používaným elektronovým neutralizačním zdrojům „Flood gun“. Byly testovány celkem tři konfigurace paletek, změřeny jejich parametry a jejich funkce byla následně ověřena při depozici gallium-nitridových vrstev na sklo. Dosažené výsledky ukázaly některé problémy zejména s nehomogenitou vytvářených vrstev, nespolehlivostí kontaktů manipulátoru, nanášením depozitů na izolační keramiky a další, které jsou v práci detailně popsány. Z výsledků depozice GaN vrstev na sklo je však zřejmé, že k neutralizaci kladného povrchového náboje do značné míry docházelo a XPS analýza prokázala zvýšený obsah GaN vazeb. Neutralizace byla zároveň s úspěchem použita při analýze v XPS komoře, kde vyrážené fotoelektrony z nevodivých substrátů rovněž způsobují kladné nabíjení povrchu vrstvy. Při práci si student počínal svědomitě, provedl samostatně technický návrh všech paletek a také je otestoval. Práci by bylo vhodné doplnit porovnáním výsledků depozice provedené bez a s neutralizací a dále depozicí vrstev na reálné nevodivé substráty (safír, SiC), které v době dokončování práce nebyly v dostatečném množství  k dispozici. Práce byla rovněž ovlivněna opakovanou závadou na manipulátoru, která brzdila a také omezila závěrečné experimenty. Přes tyto technické problémy se podařilo splnit všechny body zadání a v případě paletky pro přímý ohřev sestavit a ověřit dvě varianty technického řešení – s ohřevem pomocí PBN tělíska a přímým ohřevem pomocí křemíkové podložky. Z těchto důvodů práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D.

Cílem této práce bylo dosáhnout možnosti přípravy GaN vrstev na nevodivých materiálech. Teoretická část práce se zabývá využitím iontových svazků při depozici GaN a možnostmi neutralizace nevodivých substrátů. Další část diskutuje provedený návrh elektronové neutralizace u tří stávajících druhů paletek. Z textu jednoznačně nevyplývá, zda stávající paletky bylo třeba zásadním způsobem překonstruovat nebo byly doplněny jen o neutralizační wolframové vlákno. V této části jsou popsány experimenty, kde byl měřen emisní proud a teplota substrátů v závislosti na různých parametrech. V kapitole 3.3.3 je uvedeno, že byly provedeny simulace neutralizace v programu SIMION, ale nejsou zde uvedeny grafické výsledky, jako tomu je u převzaté simulace v programu EOD. Poslední část práce pojednává o provedených depozicích GaN s upravenými paletkami a jsou zde diskutovány výhody a nevýhody jednotlivých paletek a jejich vliv na depozici. Popis principů metody XPS zde uvedených by bylo vhodnější umístit do teoretické části práce. Přes výše uvedené nedostatky je práce zpracována pečlivě bez závažnějších nedostatků a proto tuto práci hodnotím stupněm A.

Připomínky k textu:
V první části práce je opakovaně nevhodně uveden odkaz na literaturu za tečkou na konci věty.
Na str. 9 je věta: „Směr toku částic opouštějících povrch galia v různých směrech závisí … na kosinu úhlu …“, která nedává smysl.
Na straně 12 je použito nevhodné slovo „ve waferech“.
Str. 29. – ve zkratce CPS „C“ neznačí „collisions“, ale „counts“.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Na obr 3.8 je uvedena závislost teploty PBN tělesa na velikosti proudu jím procházejícím. V textu je uvedeno, že od určité hodnoty proudu je možné považovat závislost za téměř lineární. Co způsobuje nelinearitu této závislosti?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová