पाठ 13.4माइक्रो और नैनोअध्याय 13 · माइक्रो- और नैनोफ़ैब्रिकेशन

एटॉमिक लेयर डिपॉज़िशन (ALD)

बारी-बारी से गैसें देकर हर चक्र में सतह पर एक परमाणु परत चढ़ाती है

एटॉमिक लेयर डिपॉज़िशन (ALD) में गर्म सतह पर दो गैसें बारी-बारी से आती हैं और फ़िल्म एक बार में परमाणुओं की एक परत उगती है। हर गैस केवल उसी से क्रिया कर सकती है जो पिछली गैस छोड़ गई है, इसलिए हर दौर में ठीक एक पतली परत जुड़ती है, हर उस सतह पर जहाँ गैस पहुँचती है। इससे आधुनिक चिप्स के भीतर की अति-पतली विद्युतरोधी परतें और केवल कुछ नैनोमीटर मोटी सुरक्षात्मक कोटिंग बनती हैं।

फ़ोटो: CINT, Los Alamos, Public domain, स्रोत: Wikimedia Commons

चार चित्रों में एक ALD चक्र, और खाई में एकसमान कोटिंगहर चित्र सतह का एक छोटा टुकड़ा दिखाता है; घेरे में लिखे नंबर नीचे दिए चरणों से मेल खाते हैं। नीचे का चित्र दिखाता है कि ALD क्यों अहम है: गहरी खाई के भीतर भी एकसमान फ़िल्म।

यह कैसे काम करती है

गैस A का पल्स दें। वेफ़र या पार्ट एक छोटे चैंबर में रहता है, जो कम दाब पर आमतौर पर 150–350 °C तक गर्म होता है। पहले प्रीकर्सर (जमाए जाने वाले तत्व को ले जाने वाली क्रियाशील गैस) की एक छोटी फुहार, यहाँ ट्राइमिथाइलएल्युमिनियम (TMA), सतह की हर उपलब्ध जगह से जुड़ जाती है। हर जगह भर जाने पर वह रुक जाती है: यह अभिक्रिया स्व-सीमित होती है।
पर्ज करें। नाइट्रोजन या आर्गन बची हुई गैस को बाहर बहा देती है, ताकि दोनों प्रीकर्सर खुली जगह में कभी न मिलें।
गैस B का पल्स दें। दूसरे प्रीकर्सर की फुहार, यहाँ जलवाष्प, गैस A की छोड़ी परत से क्रिया करके उसे एल्युमिनियम ऑक्साइड में बदल देती है। परत पूरी होने पर यह फिर अपने आप रुक जाती है।
फिर से पर्ज करें। उप-उत्पाद और बचा हुआ पानी बाहर निकाल दिए जाते हैं। एक चक्र पूरा हुआ, और फ़िल्म लगभग 0.1 nm मोटी हो गई: प्रति चक्र लगभग एक नैनोमीटर का दसवाँ हिस्सा।
दोहराएँ। चक्र सैकड़ों बार चलता है; आप चक्र गिनकर ही मोटाई चुन लेते हैं। 10 nm की फ़िल्म के लिए लगभग 100 चक्र चाहिए, जिनमें आमतौर पर कुछ मिनट से एक घंटा लगता है।

मुख्य तथ्य

जमाई जाने वाली सामग्री: ऑक्साइड (एल्युमिनियम ऑक्साइड, हैफ़्नियम ऑक्साइड, टाइटेनियम ऑक्साइड), नाइट्राइड (टाइटेनियम नाइट्राइड), कुछ धातुएँ; सिलिकॉन, काँच, धातुओं, पॉलिमर और पाउडर पर
आम पार्ट: चिप्स में गेट इंसुलेटर और कैपेसिटर परतें, नमी अवरोध, कोटेड पाउडर और उत्प्रेरक
पार्ट का आकार: नैनोकणों से लेकर 300 mm वेफ़र और वेफ़र या पार्ट के बैच तक
सटीकता: चक्र गिनकर मोटाई एक नैनोमीटर के अंश तक तय होती है; चौड़ाई से कई गुना गहरे छेदों के अंदर भी एकसमान
सतह की फ़िनिश: नीचे की सतह की हूबहू नकल करती है, खुरदरापन जोड़े बिना
किस बैच साइज़ के लिए उपयुक्त: एकल वेफ़र से बड़े बैच तक; चिप का बड़े पैमाने का उत्पादन
टूलिंग और मशीन की लागत: पार्ट के अनुसार कोई टूलिंग नहीं; लैब रिएक्टर लगभग $100,000 से, उत्पादन उपकरण करोड़ों डॉलर में
गति: धीमी: आमतौर पर प्रति चक्र लगभग 0.1 nm और कुछ सेकंड प्रति चक्र, इसलिए ज़्यादातर फ़िल्में लगभग 100 nm से नीचे रहती हैं

ताक़तें और सीमाएँ

खूबियाँ

मोटाई एक नैनोमीटर के अंश तक नियंत्रित
बिल्कुल एकसमान फ़िल्म, गहरे और संकरे छेदों में भी
काफ़ी कम तापमान पर घनी, बिना पिनहोल वाली फ़िल्में
जटिल 3D आकारों और पाउडर को कोट करती है

सीमाएँ

बहुत धीमी: मोटी फ़िल्में व्यावहारिक नहीं
प्रीकर्सर गैसें ज़हरीली, ज्वलनशील या महँगी हो सकती हैं
केवल कुछ सामग्रियों के लिए गैसों की उपयुक्त जोड़ी मिलती है
फ़िल्में प्रीकर्सर से अशुद्धियाँ फँसा सकती हैं

कहाँ इस्तेमाल होती है

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्सप्रोसेसर में हैफ़्नियम-ऑक्साइड गेट इंसुलेटर, मेमोरी चिप्स में कैपेसिटर परतें
डिस्प्ले और लचीला इलेक्ट्रॉनिक्सOLED स्क्रीन में नमी को बाहर रखने वाले पतले अवरोध
ऊर्जाबैटरी सामग्रियों पर सुरक्षात्मक कोटिंग, कुछ उच्च-दक्षता वाले सोलर सेल की परतें
MEMS और सेंसरछोटे गतिशील पार्ट पर विद्युतरोधी और सुरक्षात्मक कोटिंग
चिकित्सा और ऑप्टिक्सबायोकम्पैटिबल कोटिंग, एंटी-रिफ़्लेक्शन परतें

इसे कैसे पहचानें

आप इसे देख नहीं सकते। ALD फ़िल्में आमतौर पर कुछ से कुछ दहाई नैनोमीटर मोटी होती हैं, बाल से हज़ारों गुना पतली। वे आपके फ़ोन और कंप्यूटर की चिप्स के भीतर और कुछ OLED स्क्रीन की नमी-अवरोधक परत में छिपी रहती हैं।
न रंग, न बनावट। इतनी पतली फ़िल्म आमतौर पर कोई दिखने वाला निशान नहीं छोड़ती; ज़्यादा से ज़्यादा, मोटी फ़िल्में साबुन के बुलबुले की तरह सतह का रंग थोड़ा बदल सकती हैं।
सिर्फ़ माइक्रोस्कोप बताता है। इलेक्ट्रॉन-माइक्रोस्कोप के अनुप्रस्थ काट में ALD फ़िल्म बिल्कुल एकसमान मोटाई की पट्टी जैसी दिखती है, जो हर कोने और खाई का अनुसरण करती है।

तुलना करें

CVD कोटिंग11.9दोनों गैसें एक साथ देती है, इसलिए फ़िल्में कहीं तेज़ी से उगती हैं, पर गहरे छेदों में कम एकसमान।मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी13.3यह भी एक बार में एक परमाणु परत पर काम करती है, पर अति-उच्च निर्वात में किरणों के साथ और किसी क्रिस्टल को आगे बढ़ाने के लिए; यह केवल किरणों के सामने की सतहों को कोट करती है।PVD कोटिंग11.8सामग्री को सीधी रेखाओं में छिड़कती है, इसलिए छिपी दीवारों पर बहुत कम या बिल्कुल कोटिंग नहीं चढ़ती।

देखें

HYCOAT ITN · ALD चक्र की शुरुआती लोगों के लिए स्पष्ट व्याख्या

Asianometry · ALD का इतिहास और चिप निर्माता उस पर क्यों निर्भर हैं

Applied Science · घर पर बना ALD रिएक्टर और असली कोटेड नतीजा

Inrfucirvine · असली क्लीनरूम ALD उपकरण में लोडिंग और चलाने का दृश्य

असली तस्वीरें देखें

Wikipedia: Atomic layer deposition — पल्स–पर्ज चक्र और स्पेशियल ALD के योजना-चित्र
Wikimedia Commons फ़ोटो खोज

याद रखें

दो गैसें बारी-बारी आती हैं; सतह ढकते ही हर दौर अपने आप रुक जाता है।
एक चक्र लगभग एक नैनोमीटर का दसवाँ हिस्सा जोड़ता है, इसलिए मोटाई चक्र गिनकर तय होती है।
फ़िल्म हर जगह बराबर मोटी होती है, छोटे छेदों के भीतर गहराई तक भी।