Atomlageravsättning - Atomic layer deposition
Atomic layer deposition ( ALD ) är en tunnfilmsdeponeringsteknik baserad på sekventiell användning av en kemisk process i gasfas ; det är en underklass av kemisk ångavsättning . Majoriteten av ALD -reaktionerna använder två kemikalier som kallas prekursorer (även kallade "reaktanter"). Dessa prekursorer reagerar med ytan på ett material ett i taget på ett sekventiellt, självbegränsande sätt. En tunn film deponeras långsamt genom upprepad exponering för separata prekursorer. ALD är en nyckelprocess vid tillverkning av halvledarenheter och en del av uppsättningen verktyg för syntetisering av nanomaterial .
Introduktion
Under avlagring av atomskikt odlas en film på ett substrat genom att dess yta utsätts för alternativa gasformiga arter (vanligen kallade prekursorer eller reaktanter). Till skillnad från kemisk ångavsättning finns föregångarna aldrig närvarande samtidigt i reaktorn, utan de införs som en serie sekventiella, icke-överlappande pulser. I var och en av dessa pulser reagerar prekursormolekylerna med ytan på ett självbegränsande sätt, så att reaktionen avslutas när alla de reaktiva platserna på ytan är förbrukade. Följaktligen bestäms den maximala mängden material som avsätts på ytan efter en enda exponering för alla prekursorerna (en så kallad ALD-cykel) av arten av prekursor-ytinteraktionen. Genom att variera antalet cykler är det möjligt att odla material enhetligt och med hög precision på godtyckligt komplexa och stora underlag.
ALD anses vara en deponeringsmetod med stor potential för att producera mycket tunna, konforma filmer med kontroll av tjockleken och sammansättningen av filmerna som är möjliga på atomnivå. En viktig drivkraft för det senaste intresset är den framtidsutsikter som ALD ser för att minska mikroelektroniska enheter enligt Moores lag . ALD är ett aktivt forskningsfält, med hundratals olika processer publicerade i den vetenskapliga litteraturen, även om vissa av dem uppvisar beteenden som avviker från en idealisk ALD -process. För närvarande finns det flera omfattande granskningsrapporter som ger en sammanfattning av de publicerade ALD -processerna, inklusive arbetet från Puurunen, Miikkulainen et al. , Knoops et al. och Mackus & Schneider et al. . En interaktiv, gemenskapsdriven databas med ALD-processer är också tillgänglig online som genererar en uppdaterad översikt i form av ett kommenterat periodiskt system.
Systertekniken för atomskiktsavsättning, molekylär skiktavsättning (MLD) används när organiska prekursorer önskas användas. Genom att kombinera ALD/MLD -teknikerna är det möjligt att göra mycket konforma och rena hybridfilmer för många tillämpningar.
Historia
60 -talet
På 1960 -talet utvecklade Stanislav Koltsov tillsammans med Valentin Aleskovsky och kollegor experimentellt principerna för ALD vid Leningrad Technological Institute (LTI) i Sovjetunionen . Syftet var att experimentellt bygga vidare på de teoretiska övervägandena kring "ramhypotesen" som Aleskovsky myntade i sin 1952 -habiliteringsavhandling . Experimenten började med metallkloridreaktioner och vatten med porös kiseldioxid, som snart sträckte sig till andra substratmaterial och plana tunna filmer. Aleskovskii och Koltsov föreslog tillsammans namnet "Molecular Layering" för den nya tekniken 1965. Principerna för Molecular Layering sammanfattades i doktorsavhandlingen ("professors avhandling") i Koltsov 1971. Forskningsverksamhet inom molekylär skikt täckte ett brett omfång, från grundläggande kemiforskning till tillämpad forskning med porösa katalysatorer, sorbenter och fyllmedel till mikroelektronik och vidare.
År 1974, när man började utveckla tunnfilmselektroluminescerande displayer (TFEL) på Instrumentarium Oy i Finland, utvecklade Tuomo Suntola ALD som en avancerad tunnfilmsteknik. Suntola kallade det atomlagret epitaxy (ALE) baserat på betydelsen av "epitaxy" på grekiska, "arrangemang på". De första experimenten gjordes med elementära Zn och S för att odla ZnS. ALE som ett medel för tillväxt av tunna filmer patenterades internationellt i mer än 20 länder. Ett genombrott inträffade när Suntola och medarbetare bytte från högvakuumreaktorer till inertgasreaktorer som möjliggjorde användning av sammansatta reaktanter som metallklorider, vätesulfid och vattenånga för att utföra ALE-processen. Tekniken avslöjades första gången på SID -konferensen 1980. Prototypen TFEL displayen presenterade bestod av ett ZnS-skikt mellan två aluminiumoxid dielektriska skikt, alla gjorda i en ALE-process med användning av ZnCb 2 + H 2 S och AlCl 3 + H 2 O som reaktanter. Det första storskaliga proof-of-concept av ALE-EL-displayer var flyginformationsbrädorna som installerades på Helsingfors-Vanda flygplats 1983. TFEL-plattskärmstillverkning startade i mitten av 1980-talet av Lohja Oy i Olarinluoma-fabriken. Akademisk forskning om ALE startade vid Tammerfors tekniska universitet (där Suntola höll föreläsningar om elektronfysik) på 1970 -talet och 1980 -talet vid Helsingfors tekniska universitet . TFEL display tillverkning förblev fram till 1990 -talet den enda industriella tillämpningen av ALE. År 1987 startade Suntola utvecklingen av ALE -tekniken för nya applikationer som fotovoltaiska enheter och heterogena katalysatorer i Microchemistry Ltd., som grundades för det ändamålet av det finska nationella oljebolaget Neste Oy. På 1990 -talet var ALE -utvecklingen inom mikrokemi inriktad på halvledartillämpningar och ALE -reaktorer som är lämpliga för kiselplatta. 1999 såldes Microchemistry Ltd. och ALD -tekniken till holländska ASM International , en stor leverantör av halvledartillverkningsutrustning och Microchemistry Ltd. blev ASM Microchemistry Oy som ASM: s finska dotterföretag. Microchemistry Ltd/ASM Microchemistry Ltd var den enda tillverkaren av kommersiella ALD-reaktorer på 1990-talet. I början av 2000 -talet utlöste expertisen på ALD -reaktorer i Finland två nya tillverkare, Beneq Oy och Picosun Oy, den senare startade av Sven Lindfors, Suntolas nära kollega sedan 1975. Antalet reaktortillverkare ökade snabbt och halvledartillämpningar blev det industriella genombrottet av ALD -tekniken, eftersom ALD blev en möjliggörande teknik för att fortsätta Moores lag . År 2004 fick Tuomo Suntola det europeiska SEMI -priset för utvecklingen av ALD -tekniken för halvledarapplikationer och 2018 Millennium Technology Prize .
Utvecklarna av ML och ALE träffades vid den första internationella konferensen om epitaxy i atomskiktet, "ALE-1" i Esbo, Finland, 1990. Ett försök att avslöja omfattningen av molekylära skiktverk gjordes i en vetenskaplig ALD-granskningsartikel 2005 och senare i VPHA-relaterade publikationer.
Namnet "atomlageravlagring" föreslogs tydligen för första gången skriftligt som ett alternativ till ALE i analogi med CVD av Markku Leskelä (professor vid Helsingfors universitet ) vid ALE-1-konferensen, Esbo, Finland. Det tog ungefär ett decennium, innan namnet fick allmän acceptans med början på den internationella konferensserien om ALD av American Vacuum Society .
00 -talet
År 2000 initierade Gurtej Singh Sandhu och Trung T. Doan från Micron Technology utvecklingen av högk - filmer för atomlager för DRAM- minnesenheter. Detta hjälpte till att driva kostnadseffektiv implementering av halvledarminne , från och med 90 nm nod DRAM. Intel Corporation har rapporterat att använda ALD för att deponera hög-κ gate dielektrikum för sin 45 nm CMOS-teknik .
ALD har utvecklats i två oberoende upptäckter under namnen atomlager epitaxy (ALE, Finland) och molekylär lager (ML, Sovjetunionen). För att förtydliga den tidiga historien har Virtual Project on the History of ALD (VPHA) inrättats sommaren 2013. Det resulterade i flera publikationer som granskade den historiska utvecklingen av ALD under namnen ALE och ML.
Ytreaktionsmekanismer
I en prototypisk ALD-process exponeras ett substrat för två reaktanter A och B på ett sekventiellt, icke-överlappande sätt. I motsats till andra tekniker som kemisk ångavsättning (CVD), där tunnfilmstillväxt fortgår på ett steady-state-sätt, reagerar varje reaktant i ALD med ytan på ett självbegränsat sätt: reaktantmolekylerna kan reagera endast med en begränsat antal reaktiva platser på ytan. När alla dessa platser har förbrukats i reaktorn stoppas tillväxten. De återstående reaktantmolekylerna spolas bort och först därefter förs reaktant B in i reaktorn. Genom växlande exponeringar av A och B, deponeras en tunn film. Denna process visas i sidofiguren. Följaktligen, när man beskriver en ALD -process hänvisar man till både doseringstider (den tid en yta exponeras för en föregångare) och utrensningstider (tiden som återstår mellan doserna för föregångaren att evakuera kammaren) för varje prekursor. Dos-rens-dos-rensningssekvensen för en binär ALD-process utgör en ALD-cykel. I stället för att använda begreppet tillväxthastighet beskrivs ALD -processer också i termer av deras tillväxt per cykel.
I ALD måste tillräckligt med tid tillåtas i varje reaktionssteg så att en fullständig adsorptionsdensitet kan uppnås. När detta händer har processen nått mättnad. Denna tid beror på två nyckelfaktorer: föregångartrycket och klibbningssannolikheten. Därför kan adsorptionshastigheten per ytenhet uttryckas som:
Där R är adsorptionshastigheten, S är stickningssannolikheten och F är det infallande molära flödet. En viktig egenskap hos ALD är dock att S kommer att förändras med tiden, eftersom fler molekyler har reagerat med ytan kommer denna klibbiga sannolikhet att bli mindre tills den når ett värde på noll när mättnad har uppnåtts.
De specifika detaljerna om reaktionsmekanismerna är starkt beroende av den specifika ALD -processen. Med hundratals processer tillgängliga för deponering av oxid, metaller, nitrider, sulfider, kalkogenider och fluoridmaterial är avvecklingen av de mekanistiska aspekterna av ALD -processer ett aktivt forskningsområde. Några representativa exempel visas nedan.
Termisk ALD
Termisk ALD kräver relativt höga temperaturer (vanligtvis 150–350 ° C). Det sker genom ytreaktioner, vilket möjliggör exakt tjocklekskontroll oavsett substratets geometri och reaktordesign.
Syntes av Al 2 O 3 från trimetylaluminium (TMA) och vatten är en av de bästa kända termiska ALD exempel. Under TMA -exponeringen kemisorberar TMA dissociativt på substratytan och eventuell kvarvarande TMA pumpas ut ur kammaren. Den dissociativ kemisorption av TMA lämnar en yta täckt med ALCH 3 . Ytan exponeras sedan till H 2 O ånga, som reagerar med ytan -CH 3 bildar CH 4 som en reaktionsbiprodukt och erhållna på en hydroxylerad Al 2 O 3 yta.
Plasma ALD
I plasma-assisterad ALD (PA-ALD) möjliggör den höga reaktiviteten hos plasmasorterna att minska avsättningstemperaturen utan att äventyra filmkvaliteten; också kan ett bredare utbud av prekursorer användas och därmed kan ett större materialutrymme deponeras jämfört med termisk ALD.
Fotoassisterad ALD
I denna ALD -sort används UV -ljus för att påskynda ytreaktioner på substratet. Därför kan reaktionstemperaturen sänkas, som i plasma-assisterad ALD. Jämfört med plasmaassisterad ALD är aktiveringen svagare, men är ofta lättare att kontrollera genom att justera våglängden, intensiteten och tidpunkten för belysningen.
Metall ALD
Koppar metall ALD har väckt stor uppmärksamhet på grund av efterfrågan på koppar som ett sammankopplat material och den relativa lätthet som koppar kan deponeras termiskt. Koppar har en positiv standard elektrokemisk potential och är den lättast reducerade metallen i övergångsmetallerna på första raden. Således har många ALD -processer utvecklats, inklusive flera som använder vätgas som coreaktant. Helst bör kopparmetall ALD utföras vid ≤100 ° C för att uppnå kontinuerliga filmer med låg ytråhet, eftersom högre temperaturer kan resultera i agglomerering av deponerat koppar.
Vissa metaller kan odlas genom ALD via fluorsilan elimineringsreaktioner med användning av en metallhalogenid och en kisel prekursor (t.ex. SiH 4 , Si 2 H 6 ) som reaktanter. Dessa reaktioner är mycket exoterma på grund av bildandet av stabila Si -F -bindningar. Metaller som avsätts genom eliminering av fluorsilan inkluderar volfram och molybden. Som ett exempel kan ytreaktionerna för volframmetall ALD med WF 6 och Si 2 H 6 som reaktanter uttryckas som
- WSiF 2 H * + WF 6 → WWF 5 * + SiF 3 H
- WF 5 * + Si 2 H 6 → WSiF 2 H * + SiF 3 H + 2 H 2
Den totala ALD -reaktionen är
- WF 6 + Si 2 H 6 → W + SiF 3 H + 2 H 2 , ∆H = –181 kcal
Tillväxthastigheten kan variera från 4 till 7 Å / cykel beroende på beläggningstemperatur (177 till 325 ° C) och Si 2 H 6 reaktant exponering (-10 4 för att 10 6 L), faktorer som kan påverka Si 2 H 6 inser i Si -H -bindningar och resultera i ett kisel -CVD -bidrag till volfram -ALD -tillväxten.
Den termiska ALD för många andra metaller är utmanande (eller för närvarande omöjlig) på grund av deras mycket negativa elektrokemiska potentialer. Nyligen har tillämpningen av nya starka reduktionsmedel lett till de första rapporterna om lågtemperatur termiska ALD-processer för flera elektropositiva metaller. Krommetall avsattes med användning av ett krom alkoxid -prekursor och BH 3 (NHMe 2 ). Titan och tenn metaller odlades från sina respektive metallklorider (MCI 4 , M = Ti, Sn) och en bis ( trimetylsilyl ) sex-ledad ringförening. Aluminiummetall avsattes med användning av en aluminium dihydrid prekursorn och AlCl 3 .
Katalytisk SiOa två ALD
Användningen av katalysatorer är av största vikt i att leverera tillförlitliga metoder för SiO 2 ALD. Utan katalysatorer , ytreaktioner som leder till bildning av SiO 2 är i allmänhet mycket långsamma och endast ske vid exceptionellt höga temperaturer. Typiska katalysatorer för SiO 2 ALD inkluderar Lewis-baser såsom NH 3 eller pyridin och SiO 2 ; ALD kan också initieras när dessa Lewis -baser är kopplade till andra kiselprekursorer såsom tetraetoxisilan (TEOS). Vätebindning tros ske mellan Lewis-basen och SiOH * ytan arter eller mellan H 2 O baserade reaktant och Lewis-basen. Syre blir en starkare nukleofil när Lewis-basen vätebindar sig till SiOH* -ytan eftersom SiO-H-bindningen effektivt försvagas. Som sådan, den elektropositiva Si-atom i SiCl 4 är reaktant mer mottagliga för nukleofil attack. På liknande sätt, vätebindning mellan en Lewis-bas och en H 2 O reaktant göra den elektronegativa O i H 2 O en stark nukleofil som kan angripa Si i ett befintligt SiCl * yta arter. Användning av en Lewis-bas-katalysator är mer eller mindre ett krav för SiO 2 ALD, som utan en Lewis-bas-katalysator, måste reaktionstemperaturen överskrider 325 ° C och tryck måste överstiga 10 3 torr. I allmänhet, den mest gynnsamma temperaturen för att utföra SiO 2 är ALD vid 32 ° C och en gemensam avsättningshastigheten är 1,35 ångström per binär reaktionssekvens. Två ytreaktioner för SiO 2 ALD, en total reaktion, och en schematisk illustrerande Lewis-bas katalys i SiO 2 ALD tillhandahålls nedan.
- Primära reaktioner vid ytan:
- SiOH * + SiCl 4 → SiOSiCl 3 * + HCl
- SiCl * + H 2 O → SiOH * + HCl
- Övergripande ALD -reaktion:
- SiCl 4 + 2H 2 O → SiO 2 + 4 HCl
| Typ av ALD | Temperaturvariation | Livskraftiga föregångare | Reaktanter | Ansökningar |
|---|---|---|---|---|
| Katalytisk ALD | > 32 ° C med Lewis -baskatalysator | Metalloxider (dvs. TiO 2 , ZrO 2 , SnO2 2 ) | (Metall) Cl 4 , H 2 O | Höga k-dielektriska lager, skyddande lager, antireflekterande lager etc. |
| Al 2 O 3 ALD | 30–300 ° C | Al 2 O 3 , metalloxider | (Metall) Cl 4 , H 2 O, Ti (OiPr) 4 , (metall) (Et) 2 | Dielektriska lager, isolerande lager, etc., solcellens ytpassiveringar |
| Metall ALD med termisk kemi | 175–400 ° C | Metallfluorider, organometaller, katalytiska metaller | M (C 5 H 5 ) 2 , (CH 3 C 5 H 4 ) M (CH 3 ) 3 , Cu (thd) 2 , Pd (hfac) 2 , Ni (acac) 2 , H 2 | Ledande vägar, katalytiska ytor, MOS -enheter |
| ALD på polymerer | 25–100 ° C | Vanliga polymerer (polyeten, PMMA, PP, PS, PVC, PVA, etc.) | Al (CH 3 ) 3 , H 2 O, M (CH 3 ) 3 | Polymer ytfunktionalisering, skapande av kompositer, diffusionsbarriärer etc. |
| ALD på partiklar | 25–100 ° C för polymerpartiklar, 100–400 ° C för metall/legeringspartiklar | BN, ZrO 2 , CNT, polymerpartiklar | Olika gaser: Reaktorer med fluidiserad bädd används för att tillåta beläggning av enskilda partiklar | Avsättning av skyddande och isolerande beläggningar, modifiering av optiska och mekaniska egenskaper, bildning av sammansatta strukturer, ledande medier |
| Plasma- eller radikalförstärkt ALD för ALD-material med ett element | 20–800 ° C | Rena metaller (dvs. Ta, Ti, Si, Ge, Ru, Pt), metallnitrider (dvs. TiN, TaN, etc.) | Organometallics, MH 2 Cl 2 , tertbutylimidotris (dietylamido) tantal (TBTDET), bis (ethylcyclopentadienyl) rutenium), NH 3 | DRAM -strukturer, MOSFET- och halvledarenheter, kondensatorer |
| Plasmaförbättrad ALD av metalloxider och nitrider | 20–300 ° C | Al 2 O 3 , SiO 2 , ZnO x , InO x , HfO 2 , SiN x , TaN x | Liknar termisk ALD |
Ansökningar
Mikroelektronikapplikationer
ALD är en användbar process för tillverkning av mikroelektronik på grund av dess förmåga att producera exakta tjocklekar och enhetliga ytor utöver filmproduktion av hög kvalitet med olika olika material. Inom mikroelektronik studeras ALD som en potentiell teknik för att deponera hög-κ (hög permittivitet ) grindoxider, hög-κ minneskondensator dielektrik, ferroelektrisk och metaller och nitrider för elektroder och sammankopplingar . I höghastighetsoxider, där kontrollen av ultratunna filmer är väsentlig, kommer ALD sannolikt bara att komma till större användning vid 45 nm-tekniken. Vid metalliseringar krävs konforma filmer; för närvarande förväntas det att ALD kommer att användas i den vanliga produktionen vid noden på 65 nm. I dynamiska slumpmässiga åtkomstminnen (DRAM) är överensstämmelsekraven ännu högre och ALD är den enda metoden som kan användas när funktionsstorlekar blir mindre än 100 nm. Flera produkter som använder ALD inkluderar magnetiska inspelningshuvuden , MOSFET -grindstaplar, DRAM -kondensatorer, icke flyktiga ferroelektriska minnen och många andra.
Portoxider
Avsättning av de höga-κ oxider Al 2 O 3 , ZrO 2 , och HfO 2 har varit en av de mest allmänt undersökta områden av ALD. Motiveringen för hög-κ oxider kommer från problemet med hög tunnelström genom det vanliga SiO 2- gate-dielektrikumet i MOSFETs när det nedskalas till en tjocklek av 1,0 nm och lägre. Med hög-κ-oxiden kan ett tjockare gate-dielektrikum göras för den erforderliga kapacitansdensiteten, så att tunnlingsströmmen kan reduceras genom strukturen.
Övergångsmetallnitrider
Övergångsmetall nitrider , såsom TiN och TaN , finna potentiell användning både som metallbarriärer och såsom grind metaller . Metallspärrar används för att omsluta kopparanslutningarna som används i moderna integrerade kretsar för att undvika diffusion av Cu i omgivande material, såsom isolatorer och kiselsubstrat, och också för att förhindra Cu -kontaminering av element som sprids från isolatorerna genom att omge varje Cu -anslutning med ett lager av metallbarriärer. Metallspärren har strikta krav: de ska vara rena; tät; ledande; överensstämmande; tunn; har god vidhäftning mot metaller och isolatorer. Kraven för processteknik kan uppfyllas av ALD. Den mest studerade ALD nitrid är TiN som avsattes från TiCl 4 och NH 3 .
Metallfilmer
Motiveringar för ett intresse för metall ALD är:
- Cu -anslutningar och W -pluggar, eller åtminstone Cu -fröskikt för Cu -elektrodeponering och W -frön för W CVD,
- övergångsmetallnitrider (t.ex. TiN, TaN, WN) för Cu-sammankopplingsbarriärer
- ädelmetaller för ferroelektriska random accessminne (FRAM) och DRAM -kondensatorelektroder
- hög- och låg arbetsfunktion metaller för dual-gate MOSFET .
Magnetiska inspelningshuvuden
Magnetiska inspelningshuvuden använder elektriska fält för att polarisera partiklar och lämnar ett magnetiserat mönster på en hårddisk. Al 2 O 3 ALD används för att skapa enhetliga, tunna lager av isolering. Genom att använda ALD är det möjligt att styra isoleringstjockleken till en hög noggrannhet. Detta möjliggör mer exakta mönster av magnetiserade partiklar och därmed inspelningar av högre kvalitet.
DRAM -kondensatorer
DRAM -kondensatorer är ännu en tillämpning av ALD. En enskild DRAM -cell kan lagra en enda bit data och består av en enda MOS -transistor och en kondensator . Stora ansträngningar görs för att minska kondensatorns storlek vilket effektivt möjliggör större minnestäthet. För att ändra kondensatorstorleken utan att påverka kapacitansen används olika cellorienteringar. Några av dessa inkluderar staplade eller grävkondensatorer. Med framväxten av skyttegravskondensatorer spelar problemet med att tillverka dessa kondensatorer in, särskilt när storleken på halvledare minskar. ALD gör att skalfunktioner kan skalas till över 100 nm. Möjligheten att avsätta enstaka lager av material möjliggör stor kontroll över materialet. Med undantag för vissa frågor om ofullständig filmtillväxt (till stor del på grund av otillräcklig mängd eller lågtemperaturunderlag), ger ALD ett effektivt sätt att avsätta tunna filmer som dielektrik eller barriärer.
Biomedicinska tillämpningar
Att förstå och kunna specificera ytegenskaperna på biomedicinska enheter är avgörande i den biomedicinska industrin, särskilt när det gäller enheter som är implanterade i kroppen. Ett material interagerar med miljön på dess yta, så ytegenskaperna styr i hög grad materialets interaktioner med sin omgivning. Ytkemi och ytopografi påverkar proteinadsorption , cellulära interaktioner och immunsvaret .
Vissa nuvarande användningsområden i biomedicinska tillämpningar inkluderar att skapa flexibla sensorer, modifiera nanoporösa membran, polymer ALD och skapa tunna biokompatibla beläggningar. ALD har använts för att deponera TiO 2 -filmer för att skapa optiska vågledarsensorer som diagnostiska verktyg. ALD är också fördelaktigt för att skapa flexibla avkänningsanordningar som till exempel kan användas i idrottares kläder för att upptäcka rörelse eller puls. ALD är en möjlig tillverkningsprocess för flexibla organiska fälteffekttransistorer (OFET) eftersom det är en avloppsmetod med låg temperatur.
Nanoporösa material växer fram i hela den biomedicinska industrin inom läkemedelsleverans, implantat och vävnadsteknik. Fördelen med att använda ALD för att modifiera ytorna på nanoporösa material är att till skillnad från många andra metoder innebär reaktionernas mättnad och självbegränsande karaktär att även djupt inbäddade ytor och gränssnitt är belagda med en enhetlig film. Nanoporösa ytor kan reducera sin porstorlek ytterligare i ALD -processen eftersom den överensstämmande beläggningen helt täcker porernas insida. Denna minskning av porstorleken kan vara fördelaktig i vissa tillämpningar.
Som en genomträngningsbarriär för plast
ALD kan användas som en genomträngningsbarriär för plast. Till exempel är det väl etablerat som en metod för inkapsling av OLED på plast. ALD kan också användas för att inokulera 3D -tryckta plastdelar för användning i vakuummiljöer genom att minska avgasning, vilket möjliggör anpassade lågkostnadsverktyg för både halvledarbearbetning och rymdapplikationer. ALD kan användas för att bilda en barriär för plast i rull -till -rull -processer.
Kvalitet och dess kontroll
Kvaliteten på en ALD -process kan övervakas med hjälp av flera olika bildtekniker för att säkerställa att ALD -processen sker smidigt och producerar ett konformt lager över en yta. Ett alternativ är användning av tvärsnittsskanningselektronmikroskopi (SEM) eller transmissionselektronmikroskopi (TEM). Hög förstoring av bilder är relevant för att bedöma kvaliteten på ett ALD -lager. Röntgen reflektivitet (XRR) är en teknik som mäter tunnfilmegenskaper inklusive tjocklek, densitet, och ytråhet. Ett annat verktyg för utvärdering av optisk kvalitet är spektroskopisk ellipsometri . Dess tillämpning mellan deponeringarna av varje lager av ALD ger information om filmens tillväxttakt och materialegenskaper.
Att tillämpa detta analysverktyg under ALD -processen, ibland kallad in situ spektroskopisk ellipsometri , möjliggör större kontroll över tillväxthastigheten för filmerna under ALD -processen. Denna typ av kvalitetskontroll sker under ALD -processen snarare än att bedöma filmerna efteråt som vid TEM -avbildning, eller XRR. Dessutom kan Rutherford backscattering spectroscopy (RBS), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), Auger electron spectroscopy (AES) och fyrterminalavkänning användas för att tillhandahålla information om kvalitetskontroll med avseende på tunna filmer som deponeras av ALD.
Fördelar och begränsningar
Fördelar
ALD tillhandahåller en mycket kontrollerad metod för att producera en film till en atomiskt specificerad tjocklek. Tillväxten av olika flerskiktsstrukturer är också okomplicerad. På grund av utrustningens känslighet och precision är det mycket fördelaktigt för dem inom mikroelektronik och nanoteknik att producera små, men effektiva halvledare. ALD innebär vanligtvis användning av relativt låga temperaturer och en katalysator, vilket är termokemiskt gynnat. Den lägre temperaturen är fördelaktig vid arbete med mjuka underlag, såsom organiska och biologiska prover. Vissa prekursorer som är termiskt instabila kan fortfarande användas så länge deras sönderdelningshastighet är relativt långsam.
Nackdelar
Hög renhet av substraten är mycket viktig, och som sådan kommer höga kostnader att medföra. Även om denna kostnad kanske inte är mycket i förhållande till kostnaden för den utrustning som behövs, kan man behöva köra flera försök innan man hittar förhållanden som gynnar deras önskade produkt. När lagret har gjorts och processen är klar kan det finnas ett krav om att behöva ta bort överflödiga prekursorer från slutprodukten. I vissa slutprodukter finns det mindre än 1% av föroreningarna.
Ekonomisk livskraft
Atomlageravlagringsinstrument kan variera allt från $ 200 000 till $ 800 000 baserat på instrumentets kvalitet och effektivitet. Det finns ingen bestämd kostnad för att köra en cykel av dessa instrument; kostnaden varierar beroende på kvaliteten och renheten hos de använda substraten, samt temperaturen och tiden för maskindriften. Vissa substrat är mindre tillgängliga än andra och kräver speciella förhållanden, eftersom vissa är mycket känsliga för syre och sedan kan öka nedbrytningshastigheten. Multikomponentoxider och vissa metaller som traditionellt behövs inom mikroelektronikindustrin är i allmänhet inte kostnadseffektiva.
Reaktionstid
ALD -processen är mycket långsam och detta är känt för att vara dess stora begränsning. Till exempel, Al 2 O 3 är avsatt med en hastighet av 0,11 nm per cykel, vilket kan motsvara en genomsnittlig avsättningshastighet av 100-300 nm per timme, beroende på cykeltiden och pumphastighet. Detta problem kan överskridas genom att använda Spatial ALD, där substratet förflyttas i rymden under ett speciellt ALD -duschhuvud, och båda föregångargaserna separeras med gasridåer/lager. På detta sätt kunde avsättningshastigheter på 60 nm per minut nås. ALD används vanligtvis för att producera substrat för mikroelektronik och nanoteknik, och därför behövs inga tjocka atomlager. Många substrat kan inte användas på grund av deras bräcklighet eller orenhet. Föroreningar finns vanligtvis på 0,1–1 vid.% På grund av att några av bärargaserna är kända för att lämna rester och är också känsliga för syre.
Kemiska begränsningar
Prekursorer måste vara flyktiga, men inte utsatta för sönderdelning, eftersom de flesta prekursorer är mycket känsliga för syre/luft, vilket orsakar en begränsning av de substrat som kan användas. Vissa biologiska substrat är mycket känsliga för värme och kan ha snabba sönderdelningshastigheter som inte gynnas och ger större orenhetsnivåer. Det finns en mängd tunnfilmsunderlagsmaterial tillgängliga, men de viktiga substrat som behövs för användning inom mikroelektronik kan vara svåra att få tag på och kan vara mycket dyra.