Leçon 13.4Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

Dépôt par couches atomiques (ALD)

Revêt une surface d'une couche atomique par cycle avec des gaz en alternance

Le dépôt par couches atomiques (ALD) fait croître un film une couche d'atomes à la fois, en faisant passer deux gaz à tour de rôle sur une surface chauffée. Chaque gaz ne peut réagir qu'avec ce que le précédent a laissé, donc chaque cycle ajoute exactement une fine couche, sur toutes les surfaces qu'il atteint. Il produit les couches isolantes ultra-minces à l'intérieur des puces modernes et des revêtements protecteurs de quelques nanomètres seulement.

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

Un cycle d'ALD en quatre vignettes, plus un revêtement régulier dans une tranchéeChaque vignette montre un minuscule morceau de la surface ; les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous. Le dessin du bas montre pourquoi l'ALD compte : un film régulier au fond d'une tranchée profonde.

Comment ça marche

Injecter le gaz A. La plaquette ou la pièce se trouve dans une petite chambre, chauffée typiquement à 150–350 °C sous basse pression. Une courte bouffée du premier précurseur (un gaz réactif qui apporte l'élément à déposer), ici le triméthylaluminium (TMA), se fixe sur chaque site disponible de la surface. Quand tous les sites sont pris, la réaction s'arrête : elle est autolimitée.
Purge. De l'azote ou de l'argon balaie le gaz restant, de sorte que les deux précurseurs ne se rencontrent jamais dans l'espace libre.
Injecter le gaz B. Une bouffée du second précurseur, ici de la vapeur d'eau, réagit avec la couche laissée par le gaz A et la transforme en oxyde d'aluminium. Là encore, elle s'arrête d'elle-même quand la couche est complète.
Purger à nouveau. Les sous-produits et l'eau restante sont évacués. Un cycle est terminé, et le film est plus épais d'environ 0,1 nm : à peu près un dixième de nanomètre par cycle.
Répéter. Le cycle se répète des centaines de fois ; on choisit l'épaisseur simplement en comptant les cycles. Un film de 10 nm demande environ 100 cycles, ce qui prend en général de quelques minutes à une heure.

Chiffres clés

Matériaux déposés: Oxydes (oxyde d'aluminium, oxyde d'hafnium, oxyde de titane), nitrures (nitrure de titane), quelques métaux ; sur le silicium, le verre, les métaux, les polymères et les poudres
Pièces typiques: Isolants de grille et couches de condensateurs dans les puces, barrières contre l'humidité, poudres revêtues et catalyseurs
Taille de pièce: Des nanoparticules aux plaquettes de 300 mm, et aux lots de plaquettes ou de pièces
Précision: Épaisseur réglée à une fraction de nanomètre en comptant les cycles ; régulière même dans des trous plusieurs fois plus profonds que larges
État de surface: Reproduit exactement la surface dessous, sans ajouter de rugosité
Taille de série adaptée: De la plaquette unique aux grands lots ; production de puces en grand volume
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage propre à la pièce ; réacteurs de laboratoire à partir d'environ 100 000 $, machines de production à plusieurs millions
Vitesse: Lent : typiquement environ 0,1 nm par cycle et quelques secondes par cycle, donc la plupart des films restent sous environ 100 nm

Atouts et limites

Atouts

Épaisseur contrôlée à une fraction de nanomètre
Film parfaitement régulier, même dans des trous profonds et étroits
Films denses et sans piqûres à température assez basse
Revêt des formes 3D complexes et des poudres

Limites

Très lent : les films épais sont peu réalistes
Les gaz précurseurs peuvent être toxiques, inflammables ou coûteux
Seuls certains matériaux ont une paire de gaz adaptée
Les films peuvent piéger des impuretés venant des précurseurs

Où on l'utilise

MicroélectroniqueIsolants de grille en oxyde d'hafnium dans les processeurs, couches de condensateurs dans les puces mémoire
Écrans et électronique soupleFines barrières qui empêchent l'humidité d'entrer dans les écrans OLED
ÉnergieRevêtements protecteurs sur des matériaux de batteries, couches dans certaines cellules solaires à haut rendement
MEMS et capteursRevêtements isolants et protecteurs sur de minuscules pièces mobiles
Médical et optiqueRevêtements biocompatibles, couches antireflet

Comment le reconnaître

On ne le voit pas. Les films d'ALD font typiquement de quelques à quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur, des milliers de fois moins qu'un cheveu. Ils se cachent dans les puces de votre téléphone et de votre ordinateur et dans la barrière anti-humidité de certains écrans OLED.
Ni couleur, ni texture. Un film aussi mince ne laisse en général aucune trace visible ; au plus, les films plus épais peuvent changer légèrement la couleur d'une surface, comme une bulle de savon.
Seul un microscope le révèle. Sur une coupe au microscope électronique, un film d'ALD apparaît comme une bande d'épaisseur parfaitement régulière qui suit chaque angle et chaque tranchée.

À comparer avec

Revêtement CVD11.9amène les deux gaz en même temps, donc il fait croître des films bien plus vite mais moins régulièrement dans les trous profonds.Épitaxie par jets moléculaires13.3travaille aussi une couche atomique à la fois, mais avec des jets sous ultra-vide et pour prolonger un cristal ; elle ne revêt que les surfaces tournées vers les jets.Revêtement PVD11.8projette la matière en lignes droites, donc les parois cachées reçoivent peu ou pas de revêtement.

À regarder

HYCOAT ITN · Une explication claire du cycle d'ALD pour débutants

Asianometry · L'histoire de l'ALD et pourquoi les fabricants de puces en dépendent

Applied Science · Un réacteur d'ALD fait maison et un vrai résultat revêtu

Inrfucirvine · Une vraie machine d'ALD en salle blanche, chargée puis lancée

Voir de vraies photos

Wikipédia : Dépôt par couches atomiques — schémas du cycle impulsion–purge et de l'ALD spatiale
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Deux gaz passent à tour de rôle ; chaque passage s'arrête de lui-même une fois la surface couverte.
Un cycle ajoute environ un dixième de nanomètre, donc l'épaisseur se règle en comptant les cycles.
Le film a la même épaisseur partout, même au fond de minuscules trous.