原子層堆積(ALD)

2種類のガスを交互に流し、1サイクルにつき原子1層ずつ表面をコーティングする

原子層堆積(ALD)は、熱した表面の上に2種類のガスを交互に流し、原子を1層ずつ積んで膜を育てます。それぞれのガスは、直前のガスが残したものとしか反応できません。そのため1回ごとにきっかり1層ずつ、ガスが届くあらゆる面に薄い層が加わります。現代のチップの内部にある極薄の絶縁層や、わずか数ナノメートルの保護コーティングは、この方法でつくられます。

写真：CINT, Los Alamos, Public domain, 提供： Wikimedia Commons

ALD の1サイクルを4つの図で、さらに溝の中の均一なコーティング各図は表面のごく小さな一部を示しています。丸数字は下の手順に対応しています。下の図は、ALD が重要な理由、つまり深い溝の中でも膜が均一になることを示しています。

しくみ

ガス A を送る。 ウェハーや部品を小さなチャンバーに入れ、低圧のもとで通常 150–350 °C に加熱します。最初の前駆体(堆積させたい元素を運ぶ反応性ガス)、ここではトリメチルアルミニウム(TMA)を短く吹き込むと、表面の空いている場所すべてに結合します。すべての場所が埋まると反応は止まります。これを自己制限的な反応といいます。
パージ。 窒素またはアルゴンで余ったガスを掃き出し、2種類の前駆体が空間で出会わないようにします。
ガス B を送る。 2番目の前駆体、ここでは水蒸気を短く吹き込みます。ガス A が残した層と反応して、酸化アルミニウムに変わります。これも層が完成すると自然に止まります。
もう一度パージ。 副生成物と余った水を掃き出します。これで1サイクルが終わり、膜は約 0.1 nm 厚くなります。つまり1サイクルあたり約10分の1ナノメートルです。
繰り返す。 このサイクルを何百回も繰り返します。厚さは、サイクル数を数えるだけで決まります。10 nm の膜なら約 100 サイクルが必要で、通常は数分から1時間ほどかかります。

主なポイント

堆積できる材料: 酸化物(酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン)、窒化物(窒化チタン)、一部の金属。シリコン、ガラス、金属、ポリマー、粉末の上に成膜できます
代表的な部品: チップのゲート絶縁膜やキャパシタ層、防湿バリア、コーティングした粉末や触媒
部品サイズ: ナノ粒子から 300 mm ウェハー、さらにウェハーや部品のバッチまで
精度: サイクル数を数えることで、厚さをナノメートルの何分の1という精度で設定。幅の何倍も深い穴の中でも均一
表面仕上げ: 下地の表面をそのまま写し、粗さを加えません
向いているロット数: ウェハー1枚から大きなバッチまで。チップの大量生産にも対応
金型・設備コスト: 部品専用の治具は不要。研究用リアクターはおよそ 10 万ドルから、量産用装置は数百万ドル
速度: 遅い:通常は1サイクルあたり約 0.1 nm、数秒かかるため、ほとんどの膜は約 100 nm 以下にとどまる

強みと限界

強み

厚さをナノメートルの何分の1という精度で制御できる
深くて細い穴の中でも、完全に均一な膜になる
比較的低い温度で、ピンホールのない緻密な膜ができる
複雑な3D形状や粉末にもコーティングできる

限界

非常に遅く、厚い膜は現実的でない
前駆体ガスは、有毒、可燃性、または高価なことがある
適したガスの組み合わせがある材料は限られる
膜が前駆体の不純物を取り込むことがある

使われる場所

マイクロエレクトロニクスプロセッサの酸化ハフニウムのゲート絶縁膜、メモリチップのキャパシタ層
ディスプレイとフレキシブルエレクトロニクスOLED 画面に水分が入らないようにする薄いバリア
エネルギー電池材料の保護コーティング、一部の高効率太陽電池の層
MEMS とセンサー微小な可動部品の絶縁・保護コーティング
医療と光学生体適合性コーティング、反射防止膜

見分け方

目には見えません。 ALD の膜は通常、数ナノメートルから数十ナノメートルの厚さで、髪の毛の何千分の1の薄さです。スマートフォンやパソコンのチップの中や、一部の OLED 画面の防湿バリアに隠れています。
色も質感もありません。 これほど薄い膜は、たいてい目に見える跡を残しません。せいぜい、厚めの膜がシャボン玉のように表面の色をわずかに変える程度です。
わかるのは顕微鏡だけ。 電子顕微鏡の断面では、ALD の膜は完全に均一な厚さの帯として写り、すべての角や溝に沿っています。