Ne išimtis yra ir Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC). Viena iš jame vykdomų veiklų – tai puslaidininkinių lazerių kūrimas ir jų praktinio taikymo tyrimai.
Jei nežinojote, lazerių būna įvairių tipų: kieto kūno, dujiniai, ir kitokie, kurie taikomi skirtingose srityse. O čia pristatysime, kaip gaminami puslaidininkiniai lazeriai. Tai – lazeriai, kuriami puslaidininkinių kristalų pagrindu. Kur jie konkrečiai pritaikomi? Visai šalia jūsų: jų yra CD, DVD grotuvuose, žaidimų konsolėse, kai kuriose kompiuterio pelėse... Būna net puslaidininkinių lazerių žaisti su katėmis!
O štai FTMC Fizikinių technologijų skyriaus komanda moksliniams tyrimams gamina miniatiūrinius lazerinius šviesos šaltinius – sudėtingos sandaros puslaidininkinius prietaisus, skirtus sukurti stiprų infraraudonųjų (šilumos) spindulių pluoštą.
Būtent iš tokių prietaisų išspinduliuojamas lazerio šviesos spindulys. Puslaidininkiniame lazeryje paleidus elektros srovę, jame pradeda rastis šviesos pliūpsniai – fotonai, kurie puslaidininkinio kristalo sluoksnyje laksto pirmyn atgal. Kai fotonų prisikaupia gausybė, jie ima veržtis lauk, ir šitaip lazeris spinduliuoja. Panašiai kaip iš perpildyto tvenkinio vanduo plūsteli per užtvanką – tik tai ne viską griaunantis srautas, bet kryptingas ir elektros srove valdomas spindulys nuo nenutrūkstamo švytėjimo iki trumpų blyksnių.
Tam, kad puslaidininkinis lazeris tinkamai veiktų, jis prieš tai įstatomas į korpusą – „kietą apvalkalą“, kuris nuo aplinkos apsaugo puslaidininkį ir jį sutvirtina. Savotiškai „įpakuoja“ – todėl anglų k. korpusas vadinamas package – pakuotė.
Štai kaip tai atrodo. Puslaidininkiniai lazeriai – tai tie mažyčiai 1–5 milimetrų stačiakampiai su dar mažesniais, plikai akiai nematomais ir mikrometrais matuojamais dariniais, suformuotais iš specialiai užaugintų puslaidininkių sluoksnių. Nuotraukoje jie sumontuoti ant TO-56 tipo korpuso bazės ir paruošti matavimams.
Iš šono atrodo taip paprasta, ar ne? Tačiau tokiam prietaisėliui pagaminti reikia šešių žmonių, savo srities profesionalų, komandos, kuri dirbtų apie savaitę, bei... 300 kvadratinių metrų laboratorijų, pilnų modernios įrangos. Dėl ypatingų sąlygų jos vadinamos švaros patalpomis, arba švaros kambariais (angl. Cleanrooms).
Kadangi puslaidininkinis lazeris yra mikrometrų dydžio (palyginimui – žmogaus plauko storis yra apie 50 mikrometrų) įrenginys, tai švara tampa ypač svarbi: menkiausia dulkė, nusileidusi ant lazerio konstrukcijos, prilygtų plytai, numestai ant išmaniojo telefono. Tad, norint nesugadinti būsimo lazerio, būtina stengtis išvengti nešvarumų, kurių šiaip nepastebėtume.
Todėl švaros kambariai – tai sudėtingas įrenginys su įmantriomis filtravimo, oro srautų formavimo ir klimato palaikymo priemonėmis. Tačiau to nepakanka. Ir įeinančiųjų vidun apranga privalo būti atitinkama, uždengianti praktiškai visą kūną – kad netaptume dulkių, plaukų ar kitokių nereikalingų dalykų šaltiniais. Išmanusis telefonas irgi gali tokiu būti – tad jį reikia įdėti į plastmasinę įmautę.
Ar šitaip apsirengus neilgai trukus tampa karšta? O taip.
„Įprastai lauke būna apie milijoną dulkių kubiniame metre. O ISO 5 standarto švariojoje patalpoje, kur darome litografiją, dulkių kubiniame metre yra keli šimtai“, – sako dr. Marius Treideris, Fizikinių technologijų skyriaus mokslo darbuotojas. Jis dirba šiose laboratorijose ir žino kiekvieną jų užkaborį.
Kartu su Mariumi nusileidžiame į FTMC požeminį aukštą. Užmeskime akį, kaip atrodo lazerio gamybos procesas.
Mikroskopinis sumuštinis
Prieš užeidami į švaros patalpas, FTMC darbuotojai ant lentos uždeda magnetą – kad kitiems praneštų, jog viduje kažkas yra. Šis žingsnis svarbus tiek dėl saugumo, (nes greitai galima patikrinti, ar tose patalpose yra kolegų), tiek praktine prasme: paskutinis išeinantysis darbo dienos pabaigoje mato, ar gali energijos taupymo sumetimais išjungti ne tik visas šviesas, bet ir saugiai įjungti sistemos budėjimo režimą, kai visi saugiai išėję iš patalpų.
Nors puslaidininkinis lazeris plika akimi žiūrint yra lygus, iš tiesų jis sudarytas iš daugybės skirtingų medžiagų sluoksnių, kurie sudaro specialų sudėtingą „statinį“ iš puslaidininkinių medžiagų. Kiekvienas juose esantis sluoksnis, duobutė ar „stulpelis“ lemia, kokio ilgumo šviesos impulsus šaus būsimasis lazeris – ir kiek kokybiškai jis švies.
Bet apie viską – nuo pradžių.
Puslaidininkinio lazerio kūrimas prasideda FTMC Optoelektronikos skyriuje, kurio mokslininkai augina specialiai pritaikytus sluoksnius ir jų kombinacijas ant didelio puslaidininkinio padėklo. Iš jų vėliau Fizikinių technologijų skyriuje formuojami puslaidininkiniai lazeriai. Bendradarbiavimas tarp auginančiųjų sluoksnius ir formuojančiųjų prietaisus labai svarbus, nes gaunamų lazerių savybėms turi įtakos abiejų grupių darbas.
Kaip pavyzdį paimkime lazeriams vieną dažniausiai naudojamų kristalų – galio arsenidą. Jis taps prietaiso pagrindu. Kristalo plokštelė dedama į molekulinių pluoštelių epitaksijos įrenginį, arba MBE (angl. Molecullar Beam Epitaxy). Yra ir kitoks, mažiau oficialus MBE iššifravimas – Million Bucks Equipment (milijono dolerių įranga). Kaip galite suprasti, tai nėra pigus malonumas.
Kas jame vyksta? Kosminio vakuumo kameroje ant galio arsenido plokštelės užgarinamos molekulės, sluoksnis po sluoksnio formuojant (užauginant) aukštos kokybės įvairių kitų kristalų plėveles. Tokio „sumuštinio“ sluoksnių gali būti nuo vieno iki kelių, keliolikos arba keliasdešimt – tik turėk kantrybės ir tikėkis, kad įrenginiui bus gera diena.
Kaip FTMC tinklalaidėje juokauja su MBE dirbantis FTMC inovacijų vadybininkas Karolis Stašys, tai aparatas, kuris tiesiog nekenčia žmonių – tartum nujaučia, kada baigiasi svarbių darbų atlikimo terminai ir... sugenda. Bet, jei viskas gerai, MBE galiausiai pagamina tolesniam procesui reikalingą „įmantrų arba paprastą sumuštinį ant storos riekės“, kuris plikai akiai neatrodo kuo nors patrauklus. Pavyzdžiui, kaip toks pilkas padėkliukas:
„Mūsų komandos užduotis – iš to padėkliuko, ant kurio yra užaugintas specialusis darinys, pagaminti daiktą, kuris šviestų. Ir šviestų taip, kad būtų tinkamas įdėti į praktiniam panaudojimui skirtą prietaisą, pavyzdžiui, degių arba sprogių dujų matuoklį“, – sako M. Treideris.
Kaip matote, puslaidininkinis sluoksniuotas darinys įprastai auginamas ant apvalaus padėklo ketvirčio. Paruoštas jis iš MBE laboratorijos trumpam keliauja į FTMC antrąjį aukštą, kur vyksta skaldymas – nuo padėklo atlaužiamas mažesnis, stačiakampio formos, gabaliukas (likusioji dalis pravers kitų puslaidininkinių prietaisų gamybai).
Dabar vėl grįžkime į švaros patalpas, nes prasideda kita proceso dalis – valymas. Atlaužus kristalinį gabaliuką, į orą pakyla ir ant padėklo nusėda įvairių smulkių dalelių, kurias būtina pašalinti.
„Tam naudojame visą puokštę cheminių tirpiklių. Įmerki padėklą į vieną, kuris nuima organiką, tada nuplauni jonizuotu vandeniu, paskui dedi į kitą tirpiklį, kuris nuvalo susikaupusius metalo jonus... Dulkių kaupiasi visur, net jei daiktas buvo uždarytoje dėžutėje. Aplink mus, ore, skraido kas tik nori: ir organinės molekulės, ir kietosios dulkės, – pasakoja Marius. – Valymas yra vienas iš žingsnių, apie kuriuos moksliniuose straipsniuose detaliai nerašoma. Tačiau jis yra toks svarbus, kad esu buvęs konferencijose, kurių visa atskira sesija būna apie valymą.“
Šis darbas vyksta švaros patalpoje, kurioje pilna griaužiančių, ėsdinančių, mirtinai nuodingų įkvėpti ir kitaip pavojingų chemikalų. Kai kurie jų, pavyzdžiui, vandenilio fluorido rūgštis (HF) gali net pragraužti audinius iki kaulo! „Pats esu vieną lašą netyčia užsilašinęs, ir to užteko“, – prisimena fizikas. Todėl itin reikšminga ne tik dirbančių technologų kompetencija, bet taip pat, kad švaros patalpose sąlygas užtikrinanti sistema būtų profesionaliai prižiūrima ir tvarkoma kvalifikuotų inžinierių.
Kai kristalo padėklas apvalytas nuo priemaišų, mokslininkai jį neša į gretimą laboratoriją, kur bus atliekamas elektronikos gamyboje labai svarbus procesas, vadinamas optine litografija (arba mikrolitografija). Jos pagalba ant paviršiaus sukuriamos gaminamo puslaidininkinio prietaiso konstrukcijos – „piešiniai“ – kartu su apsauginiais dangalais, skirtais nuo ėsdinimo apsaugoti pasirinktas padėklo dalis.
Tai, kas vyksta šioje patalpoje, kiek primena fotolaboratoriją. Tad visur joje yra blanki gelsva šviesa:
Iš pradžių padėklas padengiamas šviesai jautria skysta organine medžiaga – fotorezistu. Priklausomai nuo to, ar testuojamas naujas prietaiso dizainas, ar kartojamas senas, padėklas pasirinktinai dedamas į lazerinės litografijos įrenginį arba sutapatinimo įrenginį. Jame tiesiai į padėklą spinduliuojama ultravioletinė šviesa per chromo kaukėje atidarytas sritis sutapatinimo įrenginyje – arba naudojant lazerinės litografijos įrenginio lazerį. Po to padėklas ryškinimui dedamas į specialų ryškalą.
Kas nutinka? Fotorezistas būna dviejų tipų: teigiamas arba neigiamas. Jei kristalinis padėklas padengtas teigiamu, tose vietose, kurios buvo apšviestos, išryškinus padengto fotorezisto nebeliks. Na, o neigiamo fotorezisto atveju, įvyks atvirkščias scenarijus: po ryškinimo liks tos fotorezisto vietos, kurios buvo apšviestos.
Kam reikalingos likusios fotorezisto neapsaugotos zonos? Per jas pagal poreikį yra vykdomi kiti procesai – ėsdinimas, dengimas metalais ir kt.
Dabar – vėl į chemijos švarųjį kambarį, kur padėklas įmerkiamas į rūgštį. Tai vadinama šlapiu ėsdinimu: chemikalai nieko negali padaryti fotorezistu apsaugotam kristalinės struktūros paviršiui, tačiau neapsaugotas zonas išgraužia.
Šitaip padaromos duobelės, kurių vėlgi plika akimi neįmanoma pamatyti. Kad įsivaizduotume: „gilia“ duobe laikoma tokia, kuri siekia 5 mikrometrus. 1 mikrometras yra tūkstantoji milimetro dalis.
Duobelės čia reikšmingos, nes tarp jų susidaro tam tikro ilgio ir pločio „kalnelis“, angliškai vadinamas ridge – ketera.
„Mes kuriame puslaidininkių kristalų lazerius, kurie šviečia per darinio kraštą, išilgai sluoksnių. Angliškai tai vadinasi Edge-emitting semiconductor lasers. Kad jis veiktų, turi būti suformuojamas tam tikras „kalnelis“. Jo viduryje yra aktyvi lazerinė sritis, kurios galuose suformuojami veidrodžiai skeliant puslaidininkinį kristalą ir per juos išspinduliuojami šviesos impulsai“, – pasakoja M. Treideris.
Žiūrint iš viršaus (ir, žinoma, vaizdą priartinus mikroskopu) matytume pailgus „kalnelius“ su išėsdintais grioveliais aplink. Kažkas panašaus į pailgą šokolado plytelę. O štai žemiau esančioje nuotraukoje matome, kaip, žiūrint iš krašto, dažniausiai atrodo „kalneliai“ po pirmo litografijos žingsnio ir ėsdinimo.
Tačiau neapsiribojama vienu litografijos žingsniu ir ėsdinimu. Iki veikiančio prietaiso sukūrimo tokių etapų yra gerokai daugiau. Kai sukuriamos „kalvelės“, kitas žingsnis – paviršių padengti dielektriku, t. y. medžiaga, kuri nelaidi elektros srovei (kad paskui elektra tekėtų tik į konkrečią puslaidininkinio prietaiso vietą, elektriniam kontaktui). Dielektriku gali būti silicio nitridas arba silicio oksidas. Ir tik atlikus antrąjį litografijos žingsnį, galima to dielektrinio sluoksnio reikiamose „atidaryti angas“ – tam, kad jose būtų suformuotas metalinis kontaktas.
Ir čia vėl tampa svarbus valymas – nes dėl netinkamai ar nepilnai nuvalytų paviršių po pirmo žingsnio, antrasis gali nepavykti. Atitinkamai prietaiso nenuvalius po antrojo žingsnio, nepavyks trečiasis, ir t. t.
Viskas tuo nesibaigia: tolesnis kritiškai reikšmingas etapas, viena po kitos atliekant kitas litografijas ir darbus, yra litografijos piešinių sutapatinimas. Tai – procesas, kurio metu naujai norimas litografijos metodu suformuoti piešinys yra orientuojamas ankstesnių litografijos ir technologinių procesų metu suformuotų konstrukcijų atžvilgiu. Kadangi suformuotos konstrukcijos dažnai būna kelių mikrometrų dydžio, tai pasiutusiai sudėtinga sudėti kelis piešinius vieną ant kito, nes tikslumas privalo siekti iki pusės mikrometro (darkart: mikrometras yra tūkstantoji milimetro dalis!).
„Tarp atliekančiųjų litografiją yra lyg ir varžytuvės: kas sugeba daryti prietaisus, naudodamas daugiau sutapatinimo žingsnių, tas kietesnis, – šypsosi Marius. – Viename simpoziume teko stebėti, su kokiu susižavėjimu dalyviai reagavo į vieno žmogaus pranešimą apie prietaisą, kurį formuojant reikėjo atlikti, jei gerai pamenu, 21 tokį žingsnį.“
Metas eiti į kitą švaros kambarį, kuriame yra elektronų spindulio garinimo įrenginys, preciziškai valdomas FTMC Optoelektronikos skyriaus mokslininko dr. Andriaus Bičiūno. Ant bandinio su atidarytomis skylėmis dielektrike yra užgarinamas viršutinis kontaktas – dažniausiai specialiai pagal turimą puslaidininkį parinkta metalų seka. Štai tokioje patalpoje viskas vyks:
Aparatas į auksą, titaną arba nikelį spinduliuoja labai stiprų elektronų srautą, nuo karščio metalas ima lydytis ir garuoja. Garai kyla į viršų, patenka ant „žemyn galva“ įstatyto padėklo, ir jo paviršiuje susiformuoja metalo sluoksnis.
Kai puslaidininkinio lazerio viršus šitaip padengiamas, reikia suploninti jo apačią, padėklo pagrindą. Kodėl? Tam, kad pagerėtų veikiančio puslaidininkinio lazerio šilumos nuvedimas į korpusą; veikiantis lazeris smarkokai kaista, ir toji šiluma turi būti nuvedama į korpusą, kuris dažniausiai aušinamas.
„Tam naudojamas specialus poliravimo įrenginys, su atitinkamų mikrometrinių matmenų milteliais. Padėklas yra įklijuojamas laikiklyje, specialia danga apsaugant puslaidininkinio lazerio paviršius, ir ploninamas sukamaisiais judesiais: apatinė bandinio pusė trinama į milteliais padengtą stiklą. Po poliravimo padėklą vėl reikia chemiškai nuvalyti, o paskui – užgarinti jau apatinį kontaktą. Galiausiai lazerių serijos ruošinys tinkamas kitam etapui – skaldymui“, – sako FTMC tyrėjas.
Nuotraukoje žemiau – jau paruoštas skaldymui padėklas žiūrint iš viršaus. Pats puslaidininkinis lazeris yra nuotraukos dešinėje, gerai matomi geltonos spalvos suformuoti kontaktai.
Iš vieno tokio padėkliuko galima gauti iki dešimties atrankai ir galutiniam gamybos etapui skirtų puslaidininkinių lazerių. Pamenate juosteles – „kalnelių“ viršūnes? Jas reikia „perkirpti“ – skelti, kad turėtume jų lygius kraštus. Pasak M. Treiderio, jie atliks veidrodžių funkciją: „Jeigu yra geras kristalas, galima tiksliai pataikyti, kad jis skiltų per tarpus tarp kristalinių plokštumų. Ir tada gausis lygus veidrodinis paviršius.“
Nuskėlus lazerius, juos būtina vėl nuvalyti – o tada jau montuoti korpuse tarp lazerio kontaktinių aikštelių ir korpuso kontaktų išvadų (dar vadinamų „kojelėmis“) privirinti aukso vielutes.
Viskas! Maždaug po savaitės kruopštaus darbo ir kantraus laukimo, puslaidininkinis lazeris paruoštas. Jau galima jį testuoti, jungti į elektroninių prietaisų schemas ir kitaip stebėti, kaip jis šviečia.
O prie visų procesų plušėjusi komanda jau gali pasidžiaugti dar viena nauja nedidele žinių ir gebėjimų porcija. Kiekviena jų mokslininkams padeda vis labiau tobulinti procesus ir jų metu suformuojamų prietaisų savybes – bei imtis vis sudėtingesnių uždavinių.
Nuotraukoje iš kairės į dešinę – minėtus darbus atliekanti FTMC Fizikinių technologijų skyriaus komanda: dr. Mindaugas Kamarauskas, dr. Viktorija Nargelienė, Karina Pokaliuk, Algimantas Lukša ir Juozas Uzėla:
O čia – dr. Marius Treideris, kuris aprodė FTMC švaros patalpas ir mums viską papasakojo:
Taigi, kai ateityje išgirsite apie lietuvių tyrėjų pasiekimus, susijusius su puslaidininkiniais lazeriais, prisiminkite, kad viskas šiame moksle prasideda nuo smulkių dalykų.
Labai smulkių.
