Pelajaran 13.4Mikro & nanoBab 13 · Mikro- dan nanofabrikasi

Atomic layer deposition (ALD)

Melapisi permukaan satu lapisan atom per siklus dengan gas bergantian

Atomic layer deposition (ALD) menumbuhkan lapisan film satu lapis atom demi satu lapis dengan membiarkan dua gas bergiliran di atas permukaan yang dipanaskan. Setiap gas hanya bisa bereaksi dengan sisa gas sebelumnya, sehingga setiap putaran menambah tepat satu lapisan tipis, di setiap permukaan yang terjangkau. Teknik ini membuat lapisan isolasi ultratipis di dalam chip modern dan pelapis pelindung setebal hanya beberapa nanometer.

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

Satu siklus ALD dalam empat panel, plus lapisan merata di dalam paritSetiap panel menunjukkan sepotong kecil permukaan; angka dalam lingkaran sesuai dengan langkah-langkah di bawah. Gambar bawah menunjukkan mengapa ALD penting: film merata di dalam parit yang dalam.

Cara kerjanya

Pulsa gas A. Wafer atau komponen berada dalam ruang kecil, dipanaskan biasanya pada 150–350 °C di bawah tekanan rendah. Semburan singkat prekursor pertama (gas reaktif yang membawa unsur yang akan diendapkan), di sini trimetilaluminium (TMA), berikatan dengan setiap titik yang tersedia di permukaan. Begitu semua titik terisi, reaksi berhenti: reaksinya membatasi diri sendiri (self-limiting).
Purge. Nitrogen atau argon menyapu sisa gas, sehingga kedua prekursor tidak pernah bertemu di ruang terbuka.
Pulsa gas B. Semburan prekursor kedua, di sini uap air, bereaksi dengan lapisan yang ditinggalkan gas A dan mengubahnya menjadi aluminium oksida. Lagi-lagi reaksi berhenti sendiri saat lapisan lengkap.
Purge lagi. Produk sampingan dan sisa air disapu keluar. Satu siklus selesai, dan film menjadi sekitar 0,1 nm lebih tebal: kira-kira sepersepuluh nanometer per siklus.
Ulangi. Siklus berjalan ratusan kali; Anda menentukan ketebalan cukup dengan menghitung siklus. Film 10 nm membutuhkan sekitar 100 siklus, biasanya memakan waktu beberapa menit hingga satu jam.

Fakta kunci

Material yang diendapkan: Oksida (aluminium oksida, hafnium oksida, titanium oksida), nitrida (titanium nitrida), beberapa logam; pada silikon, kaca, logam, polimer, dan serbuk
Komponen khas: Isolator gate dan lapisan kapasitor di dalam chip, penghalang kelembapan, serbuk dan katalis berlapis
Ukuran komponen: Dari nanopartikel hingga wafer 300 mm dan batch wafer atau komponen
Presisi: Ketebalan diatur hingga sepecahan nanometer dengan menghitung siklus; merata bahkan di dalam lubang yang kedalamannya berkali-kali lipat lebarnya
Hasil permukaan: Menyalin permukaan di bawahnya dengan tepat, tanpa menambah kekasaran
Ukuran batch yang cocok: Dari wafer tunggal hingga batch besar; produksi chip volume tinggi
Biaya perkakas dan mesin: Tanpa perkakas khusus komponen; reaktor laboratorium mulai sekitar $100.000, alat produksi jutaan dolar
Kecepatan: Lambat: biasanya sekitar 0,1 nm per siklus dan beberapa detik per siklus, sehingga sebagian besar film tetap di bawah sekitar 100 nm

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Ketebalan terkendali hingga sepecahan nanometer
Film yang sempurna merata, bahkan di lubang yang dalam dan sempit
Film padat tanpa lubang jarum (pinhole) pada suhu yang cukup rendah
Melapisi bentuk 3D yang rumit dan serbuk

Batasan

Sangat lambat: film tebal tidak praktis
Gas prekursor bisa beracun, mudah terbakar, atau mahal
Hanya beberapa material yang punya pasangan gas yang sesuai
Film bisa memerangkap pengotor dari prekursor

Di mana dipakai

MikroelektronikaIsolator gate hafnium oksida di prosesor, lapisan kapasitor di chip memori
Layar dan elektronik fleksibelPenghalang tipis yang menahan kelembapan keluar dari layar OLED
EnergiPelapis pelindung pada material baterai, lapisan di beberapa sel surya berefisiensi tinggi
MEMS dan sensorPelapis isolasi dan pelindung pada komponen bergerak yang sangat kecil
Medis dan optikPelapis biokompatibel, lapisan antirefleksi

Cara mengenalinya

Anda tidak bisa melihatnya. Film ALD biasanya setebal beberapa hingga beberapa puluh nanometer, ribuan kali lebih tipis daripada sehelai rambut. Film ini tersembunyi di dalam chip ponsel dan komputer Anda serta di penghalang kelembapan beberapa layar OLED.
Tanpa warna, tanpa tekstur. Film setipis ini biasanya tidak meninggalkan jejak yang terlihat; paling-paling, film yang lebih tebal bisa sedikit menggeser warna permukaan, seperti gelembung sabun.
Hanya mikroskop yang bisa memastikan. Pada penampang mikroskop elektron, film ALD tampak sebagai pita dengan ketebalan yang sangat merata yang mengikuti setiap sudut dan parit.

Bandingkan dengan

Pelapisan CVD11.9mengalirkan kedua gas sekaligus, sehingga film tumbuh jauh lebih cepat tetapi kurang merata di lubang yang dalam.Molecular beam epitaxy13.3juga bekerja satu lapisan atom pada satu waktu, tetapi dengan berkas dalam vakum ultratinggi dan untuk melanjutkan kristal; hanya melapisi permukaan yang menghadap berkas.Pelapisan PVD11.8menyemprotkan material dalam garis lurus, sehingga dinding tersembunyi hanya terlapisi sedikit atau tidak sama sekali.

Tonton

HYCOAT ITN · Penjelasan jelas untuk pemula tentang siklus ALD

Asianometry · Sejarah ALD dan mengapa produsen chip bergantung padanya

Applied Science · Reaktor ALD rakitan sendiri dan hasil pelapisan nyata

Inrfucirvine · Alat ALD ruang bersih (cleanroom) sungguhan sedang dimuat dan dijalankan

Lihat foto asli

Wikipedia: Atomic layer deposition — skema siklus pulsa–purge dan ALD spasial
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Dua gas bergiliran; setiap giliran berhenti sendiri begitu permukaan tertutup.
Satu siklus menambah sekitar sepersepuluh nanometer, sehingga ketebalan diatur dengan menghitung siklus.
Film memiliki ketebalan yang sama di mana-mana, bahkan jauh di dalam lubang kecil.