Atomic Layer Deposition ( ALD) är en tunnfilmsavsättningsteknik som är baserad på sekventiella kemiska reaktioner mellan ånga och fast material och har egenskapen att den är självbegränsande. De flesta ASO-reaktioner använder två kemiska föreningar , vanligtvis kallade prekursorer . Sådana prekursorer reagerar växelvis med ytan. Som ett resultat av den upprepade påverkan av prekursorer växer en tunn film.
ALD-processen är en sådan självreglerande process (mängden avsatt material i varje reaktionscykel är konstant), där successiva kemiska reaktioner sker, som ett resultat av vilka en enhetlig tunn film av material avsätts på ett substrat av olika material . ALD-processen liknar den kemiska ångavsättningsprocessen , i ALD-processen separeras dessutom de kemiska reaktionerna i flera separata reaktioner där prekursormaterialen reagerar med substratytan sekventiellt. Som ett resultat av ytreaktionernas självbegränsande egenskaper gör ALD-tunnfilmstillväxtprocessen det möjligt att kontrollera avsättningen på atomnivå. Genom att hålla prekursorerna åtskilda under deponeringsprocessen är det möjligt att uppnå processkontroll på nivån ~0,1 Å (10 picometer ) per cykel. Separationen av prekursorer utförs genom pulser av en reningsgas (vanligen kväve eller argon) efter varje prekursorpuls för att avlägsna prekursorrester från reaktorn och förhindra "falska" kemiska reaktioner på substratet.
ALD-processen beskrevs först under namnet "Molecular layering" i början av 1960-talet av professor S. I. Koltsov från Leningrad Technological Institute. Lensoviet . Dessa ASO-experiment utfördes under vetenskaplig ledning av V. B. Aleskovskii . Konceptet med ASO-processen föreslogs först av V. B. Aleskovskiy i hans doktorsavhandling publicerad 1952 [1] [2] [3] . ALD-processen utvecklades och implementerades över hela världen under namnet Atomic layer epitaxy (ALE) i slutet av 1970-talet [4] .
ALD-processen har utvecklats genom behovet av dielektriska och självlysande filmer av hög kvalitet som ska avsättas på substrat med stor yta för användning i elektroluminescerande platta skärmar med tunn film . Intresset för ASO har gradvis ökat sedan mitten av 1990-talet, med fokus på kiselbaserad mikroelektronik . ALD anses vara den avsättningsmetod som har störst potential för att erhålla ultratunna enhetliga filmer med förmågan att kontrollera deras tjocklek och sammansättning på atomnivå. Den främsta drivkraften under de senaste åren är möjligheten att använda ASO för ytterligare miniatyrisering av mikroelektroniska enheter. ALD kan användas för att avsätta flera typer av tunna filmer, inklusive olika oxider (till exempel Al 2 O 3 , TiO 2 , SnO 2 , ZnO, HfO 2 ), metallnitrider (till exempel TiN, TaN, WN, NbN) metaller (t.ex. Ru, Ir, Pt) och metallsulfider (t.ex. ZnS).
ALD är en teknik som använder principen om molekylär insamling av material från gasfasen. Tillväxten av materialskikt i ALD består av följande karakteristiska fyra stadier, som upprepas cykliskt:
Det är denna sekvens av pulserande inlopp och avlägsnande av arbetsgaser som är huvudskillnaden mellan ALD-teknik och CVD . I CVD-tekniken befinner sig reaktionsgaserna i arbetskammaren samtidigt under en betydande tid (tiotals minuter).
Kemiska reaktioner i ASO sker inom ett visst temperaturområde, kallat driftstemperaturfönstret, och är vanligtvis 200–400 °C. Arbetstrycket som används i ALD är 0,1÷10 kPa .
Mängden material som tillsätts för varje reaktionscykel till ytan kallas tillväxt per cykel. För att odla ett materiallager upprepas reaktionscyklerna så många gånger som behövs för att erhålla den önskade filmtjockleken. I en cykel, som kan vara från 0,5 s till flera sekunder, avsätts en film med en tjocklek på 0,1 till 3 Å . Före starten av ALD-processen stabiliseras substratets yta till det initiala kända tillståndet, som regel, genom värmebehandling. Som ett resultat av självbegränsningen av reaktioner är ALD en ytkontrollerad process, på vilken processparametrarna, förutom sammansättningen av prekursorer, substratets material och morfologi och temperatur, praktiskt taget inte har någon effekt. Dessutom, som ett resultat av ytsjälvbegränsning, har filmerna som odlas i ALD-processen en extremt enhetlig sammansättning och tjocklek. Dessa tunna filmer kan användas i kombination med filmer framställda med andra vanliga metoder.