Lección 13.4Micro y nanoCapítulo 13 · Micro y nanofabricación

Deposición de capas atómicas (ALD)

Recubre una superficie con una capa atómica por ciclo mediante gases alternos

La deposición de capas atómicas (ALD) hace crecer una película capa a capa de átomos dejando que dos gases se turnen sobre una superficie caliente. Cada gas solo puede reaccionar con lo que dejó el anterior, así que cada ronda añade exactamente una capa fina, en todas las superficies a las que llega. Fabrica las capas aislantes ultrafinas del interior de los chips modernos y recubrimientos protectores de solo unos pocos nanómetros de espesor.

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

Un ciclo ALD en cuatro paneles, y un recubrimiento uniforme en una zanjaCada panel muestra un trocito diminuto de la superficie; los números en círculo corresponden a los pasos de abajo. El dibujo inferior muestra por qué importa la ALD: una película uniforme dentro de una zanja profunda.

Cómo funciona

Pulso de gas A. La oblea o pieza está en una pequeña cámara, calentada normalmente a 150–350 °C y a baja presión. Una breve ráfaga del primer precursor (un gas reactivo que lleva el elemento a depositar), aquí trimetilaluminio (TMA), se enlaza con cada punto disponible de la superficie. Cuando todos los puntos están ocupados, se detiene: la reacción es autolimitada.
Purga. Nitrógeno o argón barre el gas sobrante, de modo que los dos precursores nunca se encuentran en el espacio abierto.
Pulso de gas B. Una ráfaga del segundo precursor, aquí vapor de agua, reacciona con la capa que dejó el gas A y la convierte en óxido de aluminio. De nuevo se detiene solo cuando la capa está completa.
Purga otra vez. Se barren los subproductos y el agua sobrante. Un ciclo está hecho, y la película es unos 0,1 nm más gruesa: aproximadamente una décima de nanómetro por ciclo.
Repite. El ciclo se ejecuta cientos de veces; el espesor se elige simplemente contando ciclos. Una película de 10 nm necesita unos 100 ciclos, que suelen llevar de varios minutos a una hora.

Datos clave

Materiales depositados: Óxidos (óxido de aluminio, óxido de hafnio, óxido de titanio), nitruros (nitruro de titanio), algunos metales; sobre silicio, vidrio, metales, polímeros y polvos
Piezas típicas: Aislantes de puerta y capas de condensadores en chips, barreras contra la humedad, polvos recubiertos y catalizadores
Tamaño de pieza: Desde nanopartículas hasta obleas de 300 mm y lotes de obleas o piezas
Precisión: Espesor fijado a una fracción de nanómetro contando ciclos; uniforme incluso dentro de agujeros muchas veces más profundos que anchos
Acabado superficial: Copia exactamente la superficie de debajo, sin añadir rugosidad
Tamaño de lote adecuado: Desde obleas sueltas hasta lotes grandes; producción de chips en gran volumen
Coste de utillaje y máquina: Sin utillaje específico de la pieza; reactores de laboratorio desde unos 100.000 dólares, equipos de producción de millones
Velocidad: Lenta: normalmente unos 0,1 nm por ciclo y unos segundos por ciclo, así que la mayoría de las películas se quedan por debajo de unos 100 nm

Ventajas y límites

Ventajas

Espesor controlado a una fracción de nanómetro
Película perfectamente uniforme, incluso en agujeros profundos y estrechos
Películas densas y sin poros a temperatura bastante baja
Recubre formas 3D complejas y polvos

Límites

Muy lenta: las películas gruesas son poco prácticas
Los gases precursores pueden ser tóxicos, inflamables o caros
Solo algunos materiales tienen una pareja de gases adecuada
Las películas pueden atrapar impurezas de los precursores

Dónde se usa

MicroelectrónicaAislantes de puerta de óxido de hafnio en procesadores, capas de condensador en chips de memoria
Pantallas y electrónica flexibleBarreras finas que impiden la entrada de humedad en las pantallas OLED
EnergíaRecubrimientos protectores en materiales de baterías, capas en algunas células solares de alta eficiencia
MEMS y sensoresRecubrimientos aislantes y protectores en piezas móviles diminutas
Medicina y ópticaRecubrimientos biocompatibles, capas antirreflejo

Cómo reconocerlo

No se ve. Las películas ALD suelen tener de unos pocos a unas decenas de nanómetros de espesor, miles de veces más finas que un cabello. Se esconden dentro de los chips de tu móvil y de tu ordenador y en la barrera contra la humedad de algunas pantallas OLED.
Sin color, sin textura. Una película tan fina normalmente no deja rastro visible; como mucho, las más gruesas pueden cambiar un poco el color de una superficie, como una pompa de jabón.
Solo lo delata un microscopio. En un corte transversal con microscopio electrónico, una película ALD aparece como una banda de espesor perfectamente uniforme que sigue cada esquina y cada zanja.

Compáralo con

Recubrimiento CVD11.9aporta ambos gases a la vez, así que hace crecer las películas mucho más rápido pero menos uniformes en agujeros profundos.Epitaxia de haces moleculares13.3también trabaja una capa atómica cada vez, pero con haces en ultra alto vacío y para continuar un cristal; solo recubre las superficies que miran a los haces.Recubrimiento PVD11.8proyecta el material en línea recta, así que las paredes ocultas reciben poco o ningún recubrimiento.

Míralo

HYCOAT ITN · Una explicación clara del ciclo ALD para principiantes

Asianometry · La historia de la ALD y por qué los fabricantes de chips dependen de ella

Applied Science · Un reactor ALD casero y un resultado real recubierto

Inrfucirvine · Un equipo ALD real de sala blanca mientras se carga y se pone en marcha

Ver fotos reales

Wikipedia: Deposición de capas atómicas — esquemas del ciclo de pulso y purga y de la ALD espacial
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Dos gases se turnan; cada turno se detiene solo cuando la superficie está cubierta.
Un ciclo añade una décima de nanómetro aproximadamente, así que el espesor se fija contando ciclos.
La película tiene el mismo espesor en todas partes, incluso en el fondo de agujeros diminutos.