Deposición de capas finas (ALD)
Principios técnicos y aplicaciones

Catálogo

¿Qué es el depósito en capas atómicas (ALD)?

La deposición de capas atómicas (ALD) es un método de alta precisión basado en la deposición química en fase vapor (CVD). Deposición de películas finas TecnologíaSe trata de una técnica para depositar materiales en forma de películas monoatómicas basada en fases químicas de vapor capa a capa sobre la superficie de un sustrato. Dos o más precursores químicos, cada uno de los cuales contiene un elemento diferente del material que se está depositando, se introducen en la superficie del sustrato de uno en uno. Cada precursor satura la superficie para formar una única capa de material.

Principio de la deposición de capas atómicas

El principio de crecimiento de la ALD es similar al de la deposición química en fase vapor (CVD) convencional, salvo que en la ALD los precursores de reacción se depositan alternativamente durante el proceso de deposición y la reacción química de la nueva capa de átomos está directamente vinculada a la capa anterior, depositándose sólo una capa de átomos en cada reacción. El hecho de tener características de crecimiento autolimitadas permite la deposición conformada y sin agujeros de alfiler de la película sobre el sustrato. Por lo tantoEl control preciso del espesor de la película puede lograrse controlando el número de ciclos de deposición.
 
Un ciclo de deposición de capas atómicas puede dividirse en cuatro etapas:
  1. La introducción del primer gas precursor en el sustrato, laAdsorción o reacción química con la superficie del sustrato;
  2. Lavado del gas restante con gas inerte;
  3. La introducción de un segundo gas precursor;Reacción química con el primer gas precursor adsorbido en la superficie del sustrato para producir el recubrimiento, o reacción continuada con los productos de la reacción entre el primer precursor y el sustrato para producir el recubrimiento;
  4. Una vez más, el exceso de gas se elimina con gas inerte.
 
Selección y clasificación de precursores
 La elección del precursor desempeña un papel crucial en la calidad del recubrimiento para el crecimiento ALD y el precursor debe cumplir:
  • Una presión de vapor suficientemente alta a la temperatura de deposición para garantizar que pueda cubrir adecuadamente la superficie del material de sustrato relleno;
  • Buena estabilidad térmica y química, evitando la autolisis dentro de los límites máximos de temperatura de la reacción;
  • Alta reactividad. Se adsorbe rápidamente y satura la superficie del material, o reacciona rápida y eficazmente con los grupos superficiales del material.
  • No tóxico, no corrosivo y con subproductos inertes Evita impedir el crecimiento autolimitado de la película
  • Amplia gama de fuentes de materiales
Los precursores ALD pueden dividirse en dos grandes grupos: inorgánicos y metal-orgánicos.Los precursores inorgánicos incluyen monómeros y haluros. Los precursores inorgánicos incluyen monómeros y haluros, mientras que los orgánicos metálicos incluyen compuestos tales como alquilo metálico, ciclopentadienilo metálico, β-2 cetonas metálicas, amidas metálicas, grupos éter metálicos, etc.
 
 

Características y ventajas de la tecnología de deposición de capas atómicas

  • Alta precisión:El grosor del sustrato puede controlarse fácilmente y con precisión controlando el ciclo de reacción, y el grosor de la película puede ser tan exacto como el grosor de un átomo.
  • Excelente conformabilidad tridimensional:ALD produce una película que se ajusta a la forma original del sustrato, es decir, la película se deposita uniformemente sobre una superficie cóncava. Por tanto,Adecuado para sustratos de diferentes formasLas películas tridimensionales uniformes, de forma y originalidad constantes, y conformables son las ventajas exclusivas de la tecnología ALD.
  • Gran planitud:La superficie libre de agujeros de alfiler y el mecanismo de crecimiento ascendente determinan la naturaleza libre de agujeros de alfiler de la película, lo que resulta valioso para aplicaciones de bloqueo y pasivación.
  • Excelente adherencia:Excelente adherencia gracias a la quimisorción del precursor en la superficie del sustrato
  • Bajo balance térmico (baja temperatura de precipitación). Crecimiento de la película a bajas temperaturas (de ambiente a 400°C), lo que resulta atractivo para dispositivos poliméricos con restricciones de temperatura y recubrimientos de biomateriales.

Comparación de ventajas e inconvenientes de los procesos de deposición de películas finas

ArtesaníaDeposición de capas atómicas
(ALD)		Deposición física de vapor
(PVD)		Deposición química en fase vapor
(CVD)		Deposición química en fase vapor a baja presión
(tubo de horno LPCVD)
Principio de deposiciónSaturación química de la superficie
Reacción-Deposición		Evaporación-ConsolidaciónReacción en fase gaseosa - deposiciónDeposición química en fase vapor a baja presión
(Estufa y Tubo)
Proceso de deposiciónCrecimiento laminarCrecimiento por nucleaciónCrecimiento por nucleaciónCrecimiento por nucleación
Cobertura de terrazasExcelenteGeneralBienBien
Tasa de deposiciónlentoRápidoRápidoMás lento
Temperatura de deposiciónBajo (<500°C)BajoAltaMás alto
HomogeneidadExcelente
0,07 - 0,1 nm		General
Alrededor de 5nm		Mejor
0,5 - 2nm

Mejor

Control del espesorNúmero de ciclos de reacciónTiempo de deposiciónTiempo de deposición
Presión parcial en fase vapor		Tiempo de deposición
Proporción de gas
IngredientesUniformidad con pocas impurezasSin adulterarFácil de contener impurezasSin adulterar

Aplicaciones de la deposición de capas atómicas

A medida que la industria de los semiconductores sigue evolucionando, el tamaño cada vez más fino de los dispositivos hace que sea especialmente importante encontrar o desarrollar técnicas más avanzadas de crecimiento de películas finas que requieran bajos presupuestos térmicos, una gran precisión en el espesor de la película y una excelente conformabilidad en estructuras tridimensionales (3D); sin embargo, las técnicas de deposición tradicionales, la deposición química en fase vapor (CVD) y la deposición física en fase vapor (PVD), ya no son totalmente compatibles con esta tendencia. La tecnología ALD tiene potencial para una amplia gama de aplicaciones en los campos de la microelectrónica, la nanoelectrónica y los nanomateriales, debido a su gran capacidad de control de los parámetros de deposición (espesor, composición y estructura) y a su excelente homogeneidad y conformalidad.

  • Los principales ámbitos de aplicación de esta tecnología son los siguientes [1].
  • Alto dieléctrico K(Al2O3, Hf O2, Zr O, Ta 2 O5, La 2 O3): para puertas de transistores y capas dieléctricas de condensadores DRAM.
  • Electrodos de rejilla metálicos (Ir, Pt, Ru, Ti N).
  • Interconexiones y revestimientos metálicos(Cu, WN, Ta N, WNC, Ru, Ir): capas metálicas de barrera de difusión para interconexiones de cobre, vías de semiconductores para rejillas de transistores y aplicaciones de células de memoria como condensadores DRAM, capas de pasivación.
  • Materiales catalíticos(Pt, IrCo, Ti O2, V 2 O5): revestimientos del interior de membranas de filtros, catalizadores (membranas de platino para catalizadores de automoción), revestimientos de intercambio iónico para pilas de combustible.
  • Nanoestructuras (diversos materiales)para la deposición conforme alrededor y dentro de nanoestructuras y MEMS.
  • Bio-revestimientos(Ti N, Zr N, Cr N, Ti Al N, Al Ti N): Materiales biocompatibles para dispositivos médicos e instrumentos en el cuerpo.
  • Materiales metálicos ALD(Ru, Pd, Ir, Pt, Rh, Co, Cu, Fe, Ni).
  • Capa piezoeléctrica(Zn O, Al N, Zn S).
  • Conductores eléctricos transparentes(Zn O: Al, ITO).
  • Capa bloqueadora de UV(Zn O, Ti O2).
  • Pasivación OLED(Al2O3 ).
  • Capa de lubricación sólida(WS2).
  • Cristales fotónicos(Zn O, Zn S: Mn, Ti O2, Ta2 N5): revestimiento interior de alúmina porosa y ópalo invertido.
  • Filtros antideslumbrantes y ópticos(Al2O3 , Zn S, Sn O2, Ta 2 O5): filtro de disparo Fabry-Perot.
  • Dispositivos electroluminiscentes(Sr S: Cu, Zn S: Mn, Zn S: Tb, Sr S: Ce).
  • Capa de procesamiento(Al2O3, Zr O2): para capas barrera de grabado, capas barrera de difusión iónica, revestimientos para cabezales de grabación electromagnética.
  • Aplicaciones ópticas(Al Ti O, Sn O2, Zn O): para materiales nanoópticos, células solares, materiales ópticos integrados, películas ópticas delgadas, láseres, diversas películas dieléctricas.
  • Sensores(Sn O2, Ta 2 O5): para sensores de gas, sensores de pH.
  • Capas inhibidoras del desgaste y la corrosión (Al2O3 , Zr O2, WS2)
[1] Estado actual y perspectivas de aplicación de la tecnología de deposición de capas atómicas; (2021) 10-0005-05

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