Lição 13.4Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Deposição de camada atômica (ALD)

Reveste uma superfície uma camada atômica por ciclo, com gases alternados

A deposição de camada atômica (ALD) faz crescer um filme uma camada de átomos por vez, deixando dois gases se alternarem sobre uma superfície aquecida. Cada gás só reage com o que o anterior deixou, então cada rodada acrescenta exatamente uma camada fina, em toda superfície que ele alcança. Ela produz as camadas isolantes ultrafinas dentro dos chips modernos e revestimentos protetores com apenas alguns nanômetros de espessura.

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

Um ciclo de ALD em quatro quadros, mais um revestimento uniforme em uma trincheiraCada quadro mostra um pedacinho da superfície; os números circulados correspondem às etapas abaixo. O desenho de baixo mostra por que a ALD importa: um filme uniforme dentro de uma trincheira profunda.

Como funciona

Pulso do gás A. O wafer ou a peça fica em uma pequena câmara, aquecida normalmente a 150–350 °C sob baixa pressão. Uma breve injeção do primeiro precursor (um gás reativo que carrega o elemento a depositar), aqui o trimetilalumínio (TMA), liga-se a todos os pontos disponíveis da superfície. Quando todos os pontos estão ocupados, ele para: a reação é autolimitada.
Purga. Nitrogênio ou argônio varre o gás que sobrou, para que os dois precursores nunca se encontrem no espaço aberto.
Pulso do gás B. Uma injeção do segundo precursor, aqui vapor de água, reage com a camada deixada pelo gás A e a transforma em óxido de alumínio. De novo, ele para sozinho quando a camada está completa.
Purga de novo. Os subprodutos e a água que sobrou são varridos. Um ciclo está completo, e o filme ficou cerca de 0,1 nm mais espesso: aproximadamente um décimo de nanômetro por ciclo.
Repita. O ciclo roda centenas de vezes; você escolhe a espessura simplesmente contando ciclos. Um filme de 10 nm precisa de cerca de 100 ciclos, normalmente levando de alguns minutos a uma hora.

Dados-chave

Materiais depositados: Óxidos (óxido de alumínio, óxido de háfnio, óxido de titânio), nitretos (nitreto de titânio), alguns metais; sobre silício, vidro, metais, polímeros e pós
Peças típicas: Isolantes de porta e camadas de capacitores em chips, barreiras contra umidade, pós revestidos e catalisadores
Tamanho da peça: De nanopartículas a wafers de 300 mm e lotes de wafers ou peças
Precisão: Espessura definida em uma fração de nanômetro contando ciclos; uniforme até dentro de furos muitas vezes mais profundos que largos
Acabamento superficial: Copia exatamente a superfície de baixo, sem acrescentar rugosidade
Tamanho de lote adequado: De wafers individuais a grandes lotes; produção de chips em alto volume
Custo de ferramental e máquinas: Sem ferramental específico para a peça; reatores de laboratório a partir de cerca de US$ 100.000, equipamentos de produção na casa dos milhões
Velocidade: Lenta: normalmente cerca de 0,1 nm por ciclo e alguns segundos por ciclo, então a maioria dos filmes fica abaixo de cerca de 100 nm

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Espessura controlada até uma fração de nanômetro
Filme perfeitamente uniforme, mesmo em furos profundos e estreitos
Filmes densos e sem poros a temperatura relativamente baixa
Reveste formas 3D complexas e pós

Limites

Muito lenta: filmes espessos são inviáveis
Os gases precursores podem ser tóxicos, inflamáveis ou caros
Só alguns materiais têm um par de gases adequado
Os filmes podem reter impurezas dos precursores

Onde é usado

MicroeletrônicaIsolantes de porta de óxido de háfnio em processadores, camadas de capacitores em chips de memória
Telas e eletrônicos flexíveisBarreiras finas que impedem a entrada de umidade em telas OLED
EnergiaRevestimentos protetores em materiais de baterias, camadas em algumas células solares de alta eficiência
MEMS e sensoresRevestimentos isolantes e protetores em minúsculas peças móveis
Medicina e ópticaRevestimentos biocompatíveis, camadas antirreflexo

Como reconhecê-lo

Você não consegue ver. Os filmes de ALD normalmente têm de alguns a algumas dezenas de nanômetros de espessura, milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo. Eles ficam escondidos nos chips do seu celular e do seu computador e na barreira contra umidade de algumas telas OLED.
Sem cor, sem textura. Um filme tão fino normalmente não deixa vestígio visível; no máximo, filmes mais espessos podem mudar um pouco a cor de uma superfície, como uma bolha de sabão.
Só o microscópio mostra. Em uma seção transversal de microscópio eletrônico, um filme de ALD aparece como uma faixa de espessura perfeitamente uniforme que segue cada canto e cada trincheira.

Compare com

Revestimento CVD11.9injeta os dois gases ao mesmo tempo, então cresce filmes muito mais rápido, mas de forma menos uniforme em furos profundos.Epitaxia por feixe molecular13.3também trabalha uma camada atômica por vez, mas com feixes em ultra-alto vácuo e para dar continuidade a um cristal; só reveste superfícies voltadas para os feixes.Revestimento PVD11.8projeta material em linha reta, então paredes escondidas recebem pouco ou nenhum revestimento.

Assista

HYCOAT ITN · Uma explicação clara para iniciantes sobre o ciclo da ALD

Asianometry · A história da ALD e por que os fabricantes de chips dependem dela

Applied Science · Um reator de ALD feito em casa e um resultado real revestido

Inrfucirvine · Um equipamento de ALD real de sala limpa sendo carregado e operado

Veja fotos reais

Wikipedia: Deposição de camada atômica — esquemas do ciclo de pulso e purga e da ALD espacial
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

Dois gases se alternam; cada vez para sozinho quando a superfície está coberta.
Um ciclo acrescenta cerca de um décimo de nanômetro, então a espessura é definida contando ciclos.
O filme tem a mesma espessura em todo lugar, mesmo no fundo de furos minúsculos.