Кіріспе

Атомдық қабатты шоғырландыру (АЛД) – газ фазасындағы химиялық процестің тізбектеп қолданылуына негізделген жұқа қабатты шоғырландыру әдісі; ол химиялық бу шоғырландырудың бір түрі. АЛД реакцияларының көпшілігі прекурсорлар деп аталатын екі химиялық затты пайдаланады (оларды "реагенттер" деп те атайды). Бұл прекурсорлар материалдың бетімен біртіндеп, өзін-өзі шектейтін тәртіппен әрекеттеседі. Жұқа қабаттар бөлек прекурсорларға қайталап әсер ету арқылы баяу шоғырландырылады. АЛД – жартылай өткізгіш құрылғыларын жасаудағы маңызды процесс және наноматериалдарды синтездеуге арналған құралдар жиынтығының бір бөлігі.

Кіріспе

Атомдық қабаттар жинақталуы (ALD) кезінде, субстратқа оның бетін кезектесетін газ тәрізді заттарға (әдетте прекурсорлар немесе реагенттер деп аталады) ұсыну арқылы қабықша өсіріледі. Химиялық бу фазасынан айырмашылығы, прекурсорлар реакторда бір уақытта болудың орнына, бірінен соң бірі келмейтін, жеке импульстар түрінде енгізіледі. Әр импульста прекурсор молекулалары бетпен өзін-өзі шектейтін реакцияға түседі, яғни беттегі барлық қолжетімді орындар толыққаннан кейін реакция тоқтатылады. Осылайша, барлық прекурсорларға бір рет әсер еткеннен кейін (ALD циклі деп аталады) бетке жабысатын материалдың максималды мөлшері прекурсор мен бет арасындағы өзара әрекеттесу сипатымен анықталады. Циклдар санын өзгерту арқылы, кез келген күрделі және үлкен субстраттарда материалдарды біркелкі және жоғары дәлдікпен өсіруге болады. ALD – қалыңдығы мен құрамын атомдық деңгейде бақылауға мүмкіндік беретін, өте жұқа және конформды қабықшаларды жасауға зор мүмкіндіктері бар жинақтау әдісі. Жақындағы қызығушылықтың басты себебі – Мур заңына сәйкес микроэлектрондық құрылғыларды кішірейтуде ALD-нің болашағы. ALD – ғылыми әдебиетте жүздеген процестер жарияланған, белсенді зерттеу саласы, бірақ олардың кейбіреулері идеалды ALD процесінен өзгеше мінез-құлық көрсетеді. Miikkulainen және басқалар, сондай-ақ Mackus & Schneider және басқалар. ALD процестерінің интерактивті, қоғамдық қолдауға негізделген деректер базасы онлайн режимінде қолжетімді. Мақсаты – Алесковскийдің 1952 жылғы хабилитациялық диссертациясында ұсынылған «негізгі гипотезаның» теориялық ережелерін тәжірибелік тұрғыдан дамыту. 1974 жылы, Финляндиядағы Instrumentarium Oy компаниясында жұқа пленкалы электролюминесцентті дисплейлерді (TFEL) әзірлеуді бастаған кезде, Туомо Сунтола ALD-ді жетілдірілген жұқа пленкалық технология ретінде ойлап тапты. Сунтола оны «эпитаксия» сөзінің грек тіліндегі «үстіне орналастыру» мағынасына сәйкес, атомдық қабат эпитаксиі (ALE) деп атады. Бұл технология алғаш рет 1980 жылғы SID конференциясында жарияланды. ML және ALE әзірлеушілері 1990 жылы Финляндияның Эспоо қаласында өткен «ALE 1» – атомдық қабат эпитаксиі жөніндегі 1-ші халықаралық конференцияда кездесті. «Атомдық қабаттар жинақталуы» атауы алғаш рет ХВД-ға ұқсастығы бойынша, ALE-ге балама ретінде, Эспоо, Финляндияда өткен ALE 1 конференциясында Маркку Лескеля (Хельсинки университетінің профессоры) жазбаша түрде ұсынған. Бұл атау Америкалық вакуумдық қоғамның ALD бойынша халықаралық конференциялар сериясы басталғаннан кейін, шамамен он жылдан соң ғана кеңінен қабылдана бастады.

00-ші жылдар

2000 жылы Micron Technology компаниясының Гуртедж Сингх Санду және Трунг Т. Доан DRAM жад құрылғылары үшін жоғары κ диэлектрлік қабаттарды атомдық қабаттап шоғырландыру (ALD) әдісімен жасауды бастады. Бұл 90 нм технологиялық нормамен DRAM-нан басталатын жартылай өткізгіш жадты тиімді жүзеге асыруға көмектесті. Intel Corporation компаниясы 45 нм CMOS технологиясы үшін жоғары κ қақпалық диэлектрикті сақтау үшін ALD қолданғанын хабарлады. ALD екі тәуелсіз зерттеуде әзірленді: атомдық қабат эпитаксиясы (ALE, Финляндия) және молекулалық қабаттану (ML, КСРО). Нәтижесінде ALE және ML аттарымен ALD-нің тарихи дамуын қарастыратын бірнеше жарияланымдар шықты. ALD процесінде әрбір реакция кезеңінде толық адсорбция тығыздығына жету үшін жеткілікті уақыт берілуі керек. Бұл кезде процесс қанығуға жетеді. Бұл уақыт екі негізгі факторға байланысты: прекурсордың қысымы және жабысу ықтималдығы. Сондықтан, бірлік бет ауданына шаққандағы адсорбция жылдамдығы келесідей өрнектеледі: мұнда R – адсорбция жылдамдығы, S – жабысу ықтималдығы, ал F – түсетін молярлық ағын. Алайда, ALD-нің маңызды ерекшелігі – S уақыт өте келе өзгереді, өйткені бетпен әрекеттесетін молекулалардың саны артқан сайын, қанығуға жеткенде бұл ықтималдық азайып, нөлге жуықтайды. Реакция механизмдерінің нақты егжей-тегжейі нақты ALD процесіне байланысты. Оксид, металл, нитрид, сульфид, халькогенид және фторид материалдарын жабуға арналған жүздеген процестер бар, ал кейбір мысалдар төменде көрсетілген.

Микроэлектрониканың қолдануы

АЛД микроэлектрониканы өндіру үшін тиімді процесс болып табылады, себебі ол әртүрлі материалдарды пайдалана отырып, жоғары сапалы пленкалар жасаумен қатар, нақты қалыңдық пен біркелкі беттерді жасауға мүмкіндік береді. Микроэлектроникада АЛД жоғары κ (жоғары диэлектрлік тұрақтылық) қақпа оксидтерін, жоғары κ жад конденсаторларының диэлектриктерін, ферроэлектриктерді, электродтар мен байланыстар үшін металдар мен нитридтерді сақтауға арналған перспективті техника ретінде зерттеледі. Жоғары κ қақпа оксидтерінде, мұнда ультражіңішке пленкаларды бақылау маңызды, АЛД 45 нм технологиясында ғана кеңінен қолданысқа енуі мүмкін. Металдануда конформды пленкалар қажет; қазіргі уақытта АЛД 65 нм технологиялық тораптағы негізгі өндірісте қолданылатыны күтілуде. Динамикалық жадқа кіру тізбектерінде (DRAM) конформдылық талаптары одан да жоғары, және мүмкіндік өлшемдері 100 нм-ден кіші болған кезде АЛД – қолданылатын жалғыз әдіс. АЛД қолданылатын өнімдердің қатарына магниттік жазу бастары, MOSFET қақпа жиынтықтары, DRAM конденсаторлары, ұшпайтын ферроэлектрлік жадтар және тағы да басқалары жатады.

Гейт оксидтері

Al2O3, ZrO2 және HfO2 жоғары диэлектрлік тұрақтысы бар оксидтердің ALD әдісімен жабынуы, ALD-нің ең көп зерттелген салаларының бірі болып табылады. Жоғары диэлектрлік тұрақтысы бар оксидтерді пайдалануға түрткіс болған мәселе – MOSFET-тердегі кеңінен қолданылатын SiO2 қақпалық диэлектригінің 1,0 нм және одан да төмен қалыңдыққа дейін азайтылуы кезінде туындайтын жоғары туннельдік ток. Жоғары диэлектрлік тұрақтысы бар оксидтердің арқасында, қажетті сыйымдылық тығыздығын қамтамасыз ету үшін қалың қақпалық диэлектрик жасау мүмкін болады, соның салдарынан құрылым арқылы туннельдік ток азаяды.

Көшпелі металдар нитридтері

TiN және TaN сияқты өтпелі металл нитридтері металл тосқауылдары ретінде де, қақпа металлдары ретінде де қолданылу мүмкіндігін ұсынады. Металл тосқауылдары заманауи интегралдық схемаларда қолданылатын мыс интерконекстерін қоршау үшін пайдаланылады, бұл Cu-дың айналасындағы материалдарға, мысалы, изоляторлар мен кремнийлік негізге таралуына жол бермейді, сондай-ақ, изоляторлардан таралған элементтермен Cu-дың ластануын болдырмау үшін әрбір мыс интерконексін металл тосқауылдарының қабатымен қоршау арқылы қамтамасыз етіледі. Металл тосқауылдарына қатаң талаптар қойылады: олар таза, тығыз, тоқ өткізгіш, конформды, жұқа болуы керек және металдар мен изоляторларға жақсы жабысу қабілетіне ие болуы керек. Процестік техникаға қатысты талаптарды ALD (атомдық қабаттау) орындай алады. Ең көп зерттелген ALD нитриді – TiN, ол TiCl4 және NH3 қолданылып жатқызылады.

Магниттік жазу бастары

Магниттік жазу бастары электр өрістерін пайдаланып бөлшектерді поляризациялайды және қатты дискіде магниттелген бейне қалдырады. АlO ALD біркелкі, жұқа оқшаулау қабаттарын жасау үшін қолданылады. ALD қолдану арқылы оқшаулау қалыңдығын жоғары дәлдікпен бақылауға болады. Бұл магниттелген бөлшектердің дәлдігін арттырып, осылайша жоғары сапалы жазуға мүмкіндік береді.

DRAM конденсаторлары

DRAM конденсаторлары – ALD-нің тағы бір қолданылуы. Жеке DRAM жасушасы бір бит дерек сақтай алады және бір MOS транзисторы мен конденсатордан тұрады. Конденсатордың өлшемін кішірейтуге көп күш жұмсалып жатыр, бұл жадтың тығыздығын арттыруға мүмкіндік береді. Конденсатордың өлшемін сыйымдылығына әсер етпей өзгерту үшін әртүрлі жасуша бағдары қолданылады. Олардың кейбіреулеріне үйілген немесе траншеялық конденсаторлар жатады. Траншеялық конденсаторлар пайда болғаннан бері, осы конденсаторларды жасау мәселесі туындады, әсіресе жартылай өткізгіштердің өлшемі кішірейгенде. ALD траншеялық элементтерді 100 нм-ден асып түсетін өлшемге дейін өзгертуге мүмкіндік береді. Материалды бір қабаттап жабу мүмкіндігі материалды бақылауды қамтамасыз етеді. Пленканың толық өспеуіне қатысты кейбір мәселелер болмаса да (көбінесе жеткіліксіз мөлшерде немесе төмен температуралы субстраттардан туындайды), ALD диэлектриктер немесе тосқауылдар сияқты жұқа пленкаларды жабудың тиімді әдісін ұсынады.

Фотоэлектрлік қолдану

Күн элементтерінде АЛД (атомдық қабатты шоғырландыру) техникасын қолдану уақыт өте келе маңыздырақ болып келеді. Бұрын, ол кристалды кремний (c Si) күн элементтерінде беттік пассивтеу қабаттарын, мыс-индий-галлий-селенид (CIGS) күн элементтерінде буферлік қабаттарды және бояуға сезімтал күн элементтерінде (DSSC) тосқауыл қабаттарын жасайтын қолданылды. Мысалы, Шмидт және әріптестері күн элементтерінде АЛД арқылы өсірілген Al2O3-тің қолданылуын көрсетті. Ол PERC (пассивтендірілген эмитер және артқы жасуша) күн элементтерін жасау үшін беттік пассивтеу қабаты ретінде пайдаланылды. Перовскит күн элементтері үшін заряд тасымалдау қабаттарын (CTL) жасайтын АЛД техникасын қолдану да кеңінен зерттелді. АЛД-нің қалыңдығын дәл бақылап, жоғары сапалы және конформды пленкаларды жасау мүмкіндігі CTL және перовскит қабаты арасындағы интерфейстерді нақты реттеуде үлкен артықшылық береді. Бұдан басқа, ол үлкен аумақтарда біркелкі және тесіксіз пленкалар алуға көмектеседі. Осы ерекшеліктер АЛД-ны перовскит күн элементтерінің өнімділігін одан әрі жақсарту және тұрақтандыру үшін перспективті техникаға айналдырады.

Ұсақ пленкалы жалғаушылар

Фотондық интегралдық схемалар (PIC) пайда болған сайын, көбінесе электрондық интегралдық схемаларға ұқсас тұрде, чиптегі оптикалық құрылғылардың кең ауқымы қажет болады. Мысалы, нанофотондық қосқыш – бұл оптикалық толқын жетектерінің қиылысында микрометрлік өлшемдегі сәуле бөлгіш ретінде жұмыс істейтін құрылғы. Онда жоғары қатынастағы траншеялар (~100 нм ені x 4 микрометр тереңдігі) алдымен гравировкалау арқылы жасалады, содан кейін ALD әдісімен алюминий оксидімен толтырылып, оптикалық сапалы интерфейстер құрылады.

Биомедициналық қолдану

Биомедициналық құрылғылардың беттік қасиеттерін түсіну және анықтау биомедициналық өнеркәсіпте, әсіресе организмге имплантацияланатын құрылғыларға қатысты өте маңызды. Материал оның бетіндегі өзара әрекеттесу арқылы қоршаған ортамен байланысады, сондықтан беттік қасиеттері материалдың қоршаған ортамен өзара әрекеттесуін бағыттайды. Беттік химия және топография ақуыздың адсорбциясына, жасушалық өзара әрекеттесуге және иммундық жауапқа әсер етеді. Биомедициналық қолданыстардағы қазіргі қолданыстарға икемді сенсорларды жасау, нанопорозды мембраналарды модификациялау, полимерлік ALD және жұқа биоүйлесімді жабындар жасау кіреді. ALD диагностикалық құрал ретінде оптикалық толқын жетекші сенсорларын жасау үшін TiO пленкаларын жағу үшін қолданылған. Сонымен қатар, ALD қозғалысты немесе жүрек соғу жиілігін анықтау үшін, мысалы, спортшылардың киімдерінде қолдануға болатын икемді сенсорлық құрылғыларды жасауда тиімді. ALD – икемді органикалық өрістік эффектті транзисторларды (OFET) өндірудің мүмкін болатын әдістерінің бірі, себебі ол төмен температурада шоғырландыру әдісі болып табылады. Нанопорозды материалдар биомедициналық өнеркәсіпте дәрі жеткізу, имплантаттар және тіндік инженерия салаларында кеңінен қолданылуда. Нанопорозды материалдардың бетін модификациялау үшін ALD қолданудың артықшылығы, көптеген басқа әдістерден айырмашылығы, реакциялардың қанығу және өзін-өзі шектеу қасиеттерінің арқасында тіпті терең орналасқан беттер мен интерфейстер де біркелкі пленкамен жабылады.

Пластмассаның өтуіне кедергі ретінде

ALD пластикалық материалдар үшін өткізгіштік кедергісі ретінде қолданылуы мүмкін. Мысалы, ол пластик үстінде OLED-терді қаптау әдісі ретінде жақсы бекітілген. ALD сондай-ақ 3D басылған пластикалық бөлшектерді вакуумдық ортада қолдану үшін газ шығаруды азайту арқылы пайдалануға болады, бұл жартылай өткізгіштерді өңдеу және ғарыш саласында қолданылатын төмен құнмен жасалған құралдарды жасауға мүмкіндік береді. ALD пластик бетіне кедергілі қабат түсіру үшін үздіксіз процесте қолданылуы мүмкін.

Сапа және оны бақылау

ALD процесінің сапасы ALD процесінің тегіс жүріп, бетте конформды қабат түзілетінін қамтамасыз ету үшін бірнеше бейнелеу әдістерімен бақыланады. Бір мүмкіндік – көлденең қималы сканерлеу электронды микроскопиясын (SEM) немесе трансляциялық электронды микроскопияны (TEM) қолдану. ALD қабатының сапасын бағалау үшін бейнелердің жоғары ұлғайтуы маңызды. Рентгендік сәулелердің рефлектометриясы (XRR) – қалыңдық, тығыздық және беттік тегіссіздік сияқты жұқа пленканың қасиеттерін өлшейтін әдіс. Оптикалық сапаны бағалаудың тағы бір құралы – спектроскопиялық эллипсометрия. Оны ALD арқылы әр қабаттың салынуы арасында қолдану пленканың өсу жылдамдығы және материалдық сипаттамалары туралы ақпарат береді. Бұл талдау құралын ALD процесінде қолдану, кейде оны in situ спектроскопиялық эллипсометрия деп атайды, ALD процесінде пленкалардың өсу жылдамдығын жақсырақ бақылауға мүмкіндік береді. Бұл сапаны бақылау түрі TEM бейнелеуі немесе XRR сияқты пленкаларды кейін бағалаудың орнына ALD процесінің өзінде жүзеге асырылады. Сонымен қатар, Разерфордтың кері шашырауы спектроскопиясы (RBS), рентгендік фотоэлектрондық спектроскопиясы (XPS), Аугер электрондық спектроскопиясы (AES) және төрт терминалдық зондтау ALD арқылы салынған жұқа пленкалардың сапасын бақылау үшін қолданылуы мүмкін.

Экономикалық тиімділік

Атомдық қабаттап шоғырландыру құралдарының бағасы құралдың сапасы мен тиімділігіне қарай 200 000 доллардан 800 000 долларға дейін өзгереді. Мұндай құралдардың бір циклын іске қосудың белгілі бір құны жоқ; құны қолданылатын негіздердің сапасы мен тазалығына, сондай-ақ машинаның температурасы мен жұмыс істеу уақытына байланысты ауытқиды. Кейбір негіздер басқаларына қарағанда сирек кездеседі және ерекше жағдайларды талап етеді, себебі олардың кейбіреулері оттегіге өте сезімтал және бұл ыдырау жылдамдығын арттыруы мүмкін. Көп компонентті оксидтер және микроэлектроника саласында дәстүрлі түрде қажет болатын кейбір металдар көбінесе экономикалық тұрғыдан тиімді емес.

Реакция уақыты

АЛД процесі өте баяу, және бұл оның басты кемшілігі екені белгілі. Мысалы, Al2O3 бір циклда 0,11 нм қабаттаса түзіледі.