Урок 13.4Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Атомно-слоевое осаждение (ALD)

Покрывает поверхность по одному атомному слою за цикл с помощью чередующихся газов

Атомно-слоевое осаждение (ALD) выращивает плёнку по одному слою атомов: два газа по очереди проходят над нагретой поверхностью. Каждый газ может реагировать только с тем, что оставил предыдущий, поэтому каждый цикл добавляет ровно один тонкий слой на всех поверхностях, до которых он добирается. Так делают сверхтонкие изолирующие слои внутри современных микросхем и защитные покрытия толщиной всего в несколько нанометров.

Фото: CINT, Los Alamos, Public domain, через Wikimedia Commons

Один цикл ALD в четырёх панелях и ровное покрытие в канавкеКаждая панель показывает крошечный участок поверхности; цифры в кружках соответствуют шагам ниже. Нижний рисунок показывает, почему ALD важно: ровная плёнка внутри глубокой канавки.

Как это работает

Импульс газа A. Пластина или деталь находится в небольшой камере, нагретой обычно до 150–350 °C, при низком давлении. Короткий импульс первого прекурсора (реакционного газа, который несёт осаждаемый элемент), здесь триметилалюминия (ТМА), связывается с каждым доступным местом на поверхности. Когда все места заняты, реакция останавливается: она самоограничивающаяся.
Продувка. Азот или аргон выметает остатки газа, чтобы два прекурсора никогда не встречались в свободном объёме.
Импульс газа B. Импульс второго прекурсора, здесь водяного пара, реагирует со слоем, оставшимся от газа A, и превращает его в оксид алюминия. И снова реакция останавливается сама, когда слой готов.
Снова продувка. Побочные продукты и остатки воды удаляются. Цикл завершён, и плёнка стала толще примерно на 0,1 нм: около одной десятой нанометра за цикл.
Повторить. Цикл выполняется сотни раз; толщину вы выбираете, просто считая циклы. Плёнке в 10 нм нужно примерно 100 циклов, обычно это занимает от нескольких минут до часа.

Ключевые факты

Осаждаемые материалы: Оксиды (оксид алюминия, оксид гафния, оксид титана), нитриды (нитрид титана), некоторые металлы; на кремнии, стекле, металлах, полимерах и порошках
Типичные детали: Подзатворные диэлектрики и слои конденсаторов в микросхемах, влагозащитные барьеры, покрытые порошки и катализаторы
Размер детали: От наночастиц до 300-мм пластин и партий пластин или деталей
Точность: Толщина задаётся с точностью до доли нанометра подсчётом циклов; ровная даже внутри отверстий, во много раз более глубоких, чем широких
Качество поверхности: Точно повторяет поверхность под собой, не добавляя шероховатости
Подходящая партия: От отдельных пластин до больших партий; крупносерийное производство микросхем
Стоимость оснастки и оборудования: Оснастка под конкретную деталь не нужна; лабораторные реакторы примерно от 100 000 долларов, производственные установки — миллионы
Скорость: Медленно: обычно около 0,1 нм за цикл и несколько секунд на цикл, поэтому большинство плёнок остаются тоньше примерно 100 нм

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Толщина контролируется с точностью до доли нанометра
Идеально ровная плёнка, даже в глубоких узких отверстиях
Плотные плёнки без микроотверстий при довольно низкой температуре
Покрывает сложные трёхмерные формы и порошки

Ограничения

Очень медленно: толстые плёнки нецелесообразны
Газы-прекурсоры могут быть токсичными, горючими или дорогими
Подходящая пара газов есть только у некоторых материалов
Плёнки могут захватывать примеси из прекурсоров

Где применяется

МикроэлектроникаПодзатворные диэлектрики из оксида гафния в процессорах, слои конденсаторов в микросхемах памяти
Дисплеи и гибкая электроникаТонкие барьеры, не пропускающие влагу в экраны OLED
ЭнергетикаЗащитные покрытия материалов аккумуляторов, слои в некоторых высокоэффективных солнечных элементах
МЭМС и датчикиИзолирующие и защитные покрытия на крошечных движущихся деталях
Медицина и оптикаБиосовместимые покрытия, просветляющие слои

Как узнать процесс

Его не видно. Плёнки ALD обычно имеют толщину от нескольких до нескольких десятков нанометров — в тысячи раз тоньше волоса. Они прячутся внутри микросхем вашего телефона и компьютера и во влагозащитном барьере некоторых экранов OLED.
Ни цвета, ни фактуры. Такая тонкая плёнка обычно не оставляет видимых следов; самое большее, более толстые плёнки могут слегка менять цвет поверхности, как мыльный пузырь.
Только микроскоп покажет. На срезе в электронном микроскопе плёнка ALD выглядит как полоса идеально ровной толщины, повторяющая каждый угол и каждую канавку.

Сравните с

CVD-покрытие11.9подаёт оба газа одновременно, поэтому плёнка растёт намного быстрее, но менее равномерно в глубоких отверстиях.Молекулярно-лучевая эпитаксия13.3тоже работает по одному атомному слою, но пучками в сверхвысоком вакууме и для продолжения кристалла; покрывает только поверхности, обращённые к пучкам.PVD-покрытие11.8распыляет материал по прямым линиям, поэтому скрытые стенки получают мало покрытия или не получают вовсе.

Смотрите

HYCOAT ITN · Понятное объяснение цикла ALD для начинающих

Asianometry · История ALD и почему производители микросхем от него зависят

Applied Science · Самодельный реактор ALD и настоящий результат покрытия

Inrfucirvine · Настоящая установка ALD в чистой комнате: загрузка и запуск

Смотреть реальные фото

Википедия: атомно-слоевое осаждение — схемы цикла «импульс — продувка» и пространственного ALD
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Два газа работают по очереди; каждый останавливается сам, когда поверхность покрыта.
Один цикл добавляет около одной десятой нанометра, поэтому толщину задают подсчётом циклов.
Плёнка везде одинаковой толщины, даже глубоко внутри крошечных отверстий.