Lektion 13.4Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

Atomlagenabscheidung (ALD)

Beschichtet eine Oberfläche mit wechselnden Gasen, pro Zyklus eine Atomlage

Die Atomlagenabscheidung (ALD) lässt einen Film Atomlage für Atomlage wachsen, indem zwei Gase abwechselnd über eine erhitzte Oberfläche strömen. Jedes Gas kann nur mit dem reagieren, was das vorherige zurückgelassen hat, sodass jede Runde genau eine dünne Schicht hinzufügt, auf jeder Fläche, die es erreicht. So entstehen die hauchdünnen Isolierschichten in modernen Chips und Schutzschichten von nur wenigen Nanometern Dicke.

Foto: CINT, Los Alamos, Public domain, via Wikimedia Commons

Ein ALD-Zyklus in vier Bildern, dazu eine gleichmäßige Beschichtung in einem GrabenJedes Bild zeigt ein winziges Stück der Oberfläche; die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten. Die untere Zeichnung zeigt, warum ALD wichtig ist: ein gleichmäßiger Film in einem tiefen Graben.

So funktioniert es

Gas A pulsen. Der Wafer oder das Teil liegt in einer kleinen Kammer, die bei niedrigem Druck auf meist 150–350 °C geheizt wird. Ein kurzer Stoß des ersten Präkursors (ein reaktives Gas, das das abzuscheidende Element mitbringt), hier Trimethylaluminium (TMA), bindet an jeder freien Stelle der Oberfläche. Sind alle Stellen besetzt, hört es auf: Die Reaktion ist selbstlimitierend.
Spülen. Stickstoff oder Argon spült das restliche Gas aus, damit sich die beiden Präkursoren nie im freien Raum treffen.
Gas B pulsen. Ein Stoß des zweiten Präkursors, hier Wasserdampf, reagiert mit der von Gas A hinterlassenen Schicht und wandelt sie in Aluminiumoxid um. Auch hier stoppt die Reaktion von selbst, sobald die Schicht vollständig ist.
Erneut spülen. Die Nebenprodukte und das restliche Wasser werden ausgespült. Ein Zyklus ist fertig, und der Film ist etwa 0,1 nm dicker: grob ein Zehntel Nanometer pro Zyklus.
Wiederholen. Der Zyklus läuft hunderte Male; die Dicke wählen Sie einfach über die Zahl der Zyklen. Ein 10-nm-Film braucht grob 100 Zyklen, was meist einige Minuten bis eine Stunde dauert.

Wichtige Fakten

Abgeschiedene Werkstoffe: Oxide (Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Titanoxid), Nitride (Titannitrid), einige Metalle; auf Silizium, Glas, Metallen, Polymeren und Pulvern
Typische Teile: Gate-Isolatoren und Kondensatorschichten in Chips, Feuchtesperren, beschichtete Pulver und Katalysatoren
Bauteilgröße: Von Nanopartikeln bis zu 300-mm-Wafern und Chargen von Wafern oder Teilen
Präzision: Dicke auf einen Bruchteil eines Nanometers über die Zahl der Zyklen eingestellt; gleichmäßig auch in Löchern, die um ein Vielfaches tiefer als breit sind
Oberfläche: Kopiert die Oberfläche darunter exakt, ohne Rauheit hinzuzufügen
Geeignete Losgröße: Einzelne Wafer bis zu großen Chargen; Chipfertigung in hohen Stückzahlen
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein bauteilspezifisches Werkzeug; Laborreaktoren ab etwa 100.000 Dollar, Produktionsanlagen im Millionenbereich
Geschwindigkeit: Langsam: meist etwa 0,1 nm pro Zyklus und einige Sekunden pro Zyklus, sodass die meisten Filme unter etwa 100 nm bleiben

Stärken und Grenzen

Stärken

Dicke auf einen Bruchteil eines Nanometers geregelt
Vollkommen gleichmäßiger Film, selbst in tiefen, engen Löchern
Dichte, porenfreie Filme bei recht niedriger Temperatur
Beschichtet komplexe 3D-Formen und Pulver

Grenzen

Sehr langsam: dicke Filme sind unpraktisch
Präkursorgase können giftig, brennbar oder teuer sein
Nur manche Werkstoffe haben ein passendes Gaspaar
Filme können Verunreinigungen aus den Präkursoren einschließen

Wo es eingesetzt wird

MikroelektronikGate-Isolatoren aus Hafniumoxid in Prozessoren, Kondensatorschichten in Speicherchips
Displays und flexible ElektronikDünne Barrieren, die Feuchtigkeit aus OLED-Bildschirmen fernhalten
EnergieSchutzschichten auf Batteriematerialien, Schichten in manchen hocheffizienten Solarzellen
MEMS und SensorenIsolierende und schützende Beschichtungen auf winzigen beweglichen Teilen
Medizin und OptikBiokompatible Beschichtungen, Antireflexschichten

So erkennen Sie es

Man sieht sie nicht. ALD-Filme sind meist wenige bis einige zehn Nanometer dick, tausendmal dünner als ein Haar. Sie stecken in den Chips Ihres Handys und Computers und in der Feuchtesperre mancher OLED-Bildschirme.
Keine Farbe, keine Textur. Ein so dünner Film hinterlässt meist keine sichtbare Spur; höchstens können dickere Filme die Farbe einer Oberfläche leicht verschieben, wie bei einer Seifenblase.
Nur ein Mikroskop verrät es. Im Querschnitt unter dem Elektronenmikroskop zeigt sich ein ALD-Film als Band von vollkommen gleichmäßiger Dicke, das jeder Ecke und jedem Graben folgt.

Im Vergleich mit

CVD-Beschichtung11.9leitet beide Gase gleichzeitig zu, sodass Filme viel schneller, aber in tiefen Löchern ungleichmäßiger wachsen.Molekularstrahlepitaxie13.3arbeitet ebenfalls Atomlage für Atomlage, aber mit Strahlen im Ultrahochvakuum und um einen Kristall fortzusetzen; sie beschichtet nur Flächen, die den Strahlen zugewandt sind.PVD-Beschichtung11.8sprüht Material in geraden Linien, sodass verdeckte Wände wenig oder gar keine Beschichtung erhalten.

Ansehen

HYCOAT ITN · Eine klare Erklärung des ALD-Zyklus für Einsteiger

Asianometry · Die Geschichte der ALD und warum Chiphersteller auf sie angewiesen sind

Applied Science · Ein selbstgebauter ALD-Reaktor und ein echtes beschichtetes Ergebnis

Inrfucirvine · Eine echte ALD-Anlage im Reinraum beim Beladen und Betrieb

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Atomlagenabscheidung — Schemata des Puls-Spül-Zyklus und der räumlichen ALD
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Zwei Gase kommen abwechselnd dran; jede Runde stoppt von selbst, sobald die Oberfläche bedeckt ist.
Ein Zyklus fügt etwa ein Zehntel Nanometer hinzu, die Dicke ergibt sich also aus der Zahl der Zyklen.
Der Film ist überall gleich dick, selbst tief in winzigen Löchern.