eng
В статье изложены ключевые особенности технологии атомно-слоевого осаждения и некоторых ее практических применений.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.58.4.40.45
DOI:10.22184/1993-8578.2015.58.4.40.45
Теги: atomic layer deposition coating thin-film technology атомно-слоевое осаждение нанесение покрытий тонкопленочная технология
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, мы, как правило, видим их на переднем крае научно-исследовательских разработок. Тем не менее в некоторых случаях они уже переросли стадию НИОКР и прочно заняли позиции в промышленном производстве. В качестве примера рассмотрим технологию атомно-слоевого осаждения (АСО, в англоязычной литературе – ALD, Atomic Layer Deposition) – метод получения сверхтонких пленок последовательным осаждением реагентов из газовой фазы в циклическом процессе.
Технология АСО была запатентована в 1974 году в Финляндии доктором Туомо Сунтола и с тех пор прошла огромный путь. Сегодня множество компаний производят оборудование, реализующее принципы АСО, но лидерство принадлежит Picosun, в которой д-р Т.Сунтола является идейным вдохновителем и членом совета директоров. Ведущие позиции позволяет удерживать огромный опыт коллектива по разработке оборудования АСО и постоянные усилия в совершенствовании технологии. Компания Picosun – пример того, что научные изыскания могут и должны приводить к успеху, когда в практическом применении их результатов заинтересовано множество отраслей и предприятия по всему миру. В России интересы компании Picosun представляет ООО "Евроинтех" (www.eurointech.ru).
Основы технологии
В основе технологии АСО лежит изящная идея, согласно которой атомы или молекулы определенного типа (тип A) реагируют на поверхности объектов с атомами (молекулами) предыдущего слоя (тип B), равномерно покрывая всю поверхность изделий однородным слоем толщиной порядка ангстрема. После этого избыток частиц типа A и продукты реакции удаляются из камеры. Молекулы следующего слоя (тип B) реагируют только с молекулами типа A и также адсорбируются на поверхности одним слоем. Далее цикл повторяется многократно для достижения требуемой толщины.
Другие методы осаждения тонких пленок (PVD и CVD) не обладают подобной точностью контроля роста. Кроме того, общим недостатком методов физического осаждения (PVD), будь то магнетронное напыление, электронно-лучевое или термического испарение, является трудность, а в ряде случаев – практическая невозможность получения однородного покрытия на структурах сложной формы. Поток частиц от источника к подложке в этих методах имеет линейную направленность, а угол падения относительно нормали поверхности в объектах сложной формы меняется очень значительно, поэтому некоторые участки оказываются "затененными". Примером таких сложных поверхностей являются микроэлектромеханические системы (МЭМС). Именно для их производства технология АСО стала одной из ключевых, поскольку позволяет наносить однородное покрытие на стенки микроканавок со сверхвысоким аспектным отношением (включая ступеньки), в сквозных отверстиях и т.д.
Температура при проведении АСО зависит от наносимого материала, и для наиболее часто применяемых на практике процессов лежит в диапазоне от 200 до 400°С. Тем не менее с использованием плазменной стимуляции во многих случаях удается добиться снижения температуры до значений, близких к комнатным, что особенно важно для изделий, критически чувствительных к нагреву.
Итак, метод АСО имеет следующие преимущества:
•прецизионный контроль толщины;
•превосходная конформность и однородность;
•отсутствие микропор и дефектов;
•превосходная воспроизводимость результата как от пластины к пластине, так и между кассетами с пластинами;
•относительно низкие температуры процессов.
Обратной стороной неоспоримых достоинств является низкая скорость осаждения. Как следствие, в прикладных применениях толщина получаемых пленок редко превышает 50 нм. Именно в силу данного ограничения мы относим метод АСО к нанотехнологиям.
Перечень материалов, которые могут быть получены методом АСО, достаточно широк: диэлектрики (оксиды, нитриды и т.д.), полупроводники (типы А2B6, A3B5) и металлы, включая медь, палладий и рутений.
Применения
На сегодняшний день существует огромное множество применений технологии АСО в самых различных отраслях. Поскольку формат данной статьи не позволяет остановиться детально на каждом, мы вкратце отметим наиболее типичные.
Микро- и наноэлектроника традиционно являются областью внедрения самых передовых технологий, включая АСО. Постоянно растущие требования к уменьшению толщины изолирующих, токопроводящих и иных функциональных слоев, с одной стороны, и к улучшению их характеристик с другой, открыли широчайшие перспективы для применения АСО в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. В качестве типичного примера можно привести современные МОП-устройства, где предъявляются высокие требования к электродам затворов и подзатворным диэлектрикам. АСО также активно используется в производстве лазерных диодов, транзисторов с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ), DRAM и т.д.
Особо хотелось бы обратить внимание на производство трехмерных интегральных схем, где необходима металлизация сквозных отверстий в кремниевой пластине: метод АСО, имеющий непревзойденные возможности по нанесению однородных пленок на 3D-структуры, оказался в этом случае незаменим.
В МЭМС среди различных функциональных слоев (изолирующих, токопроводящих, оптических, затравочных, пассивирующих травление и т.д.) хотелось бы выделить покрытия, которые уменьшают трение подвижных частей и, как следствие, снижают фрикционный износ. Получение высококачественного покрытия методом АСО особенно важно, поскольку даже небольшой износ деталей критически влияет на характеристики и работоспособность имеющих миниатюрные размеры МЭМС.
Одним из активно развивающихся направлений в электронике является создание органических светодиодов (OLED) на основе полимерных материалов, которые считаются наиболее перспективными для следующих поколений дисплеев, включая изготовленные на гибкой основе. Необходимость защиты OLED, которые чрезвычайно чувствительны к окислению, от воздействия влаги и кислорода делает АСО востребованным в данной области, поскольку этот метод не образует микропоры и микротрещины.
Создание защитных слоев также важно для печатной электроники – активно развивающегося в последнее время направления, где структуры создаются на гибком пленочном носителе, в отличие от более привычной нам твердотельной "кремниевой" электроники. Поэтому компании, производящие оборудование для АСО, в частности, Picosun, уделяют особое внимание созданию установок, работающих с рулонными материалами (R2R – Roll-to-roll).
Полученные с помощью АСО биосовместимые покрытия находят применение в медицине, например, при изготовлении имплантатов, и в будущем их роль будет расти.
Одним из наиболее перспективных направлений развития пассивной элементной базы являются "супер-конденсаторы" (ultra-capacitors), обладающие увеличенной емкостью при минимальных внешних размерах. Эти устройства с внутренней пористой структурой, обкладками и диэлектрическим слоем между ними изготавливаются по технологии АСО.
АСО широко используется при создании антикоррозионных, антифрикционных, а также декоративных покрытий для различных механических деталей. Защитные пленки, препятствующие потускнению, востребованы в ювелирной промышленности и при производстве монет. Нанесение наноразмерной пленки на режущие кромки способствует защите инструмента от износа.
Актуальная научная задача – получение тонких пленок на наночастицах и нанотрубках, производство графена и другие перспективные направления.
Общая мировая тенденция такова: после того, как технология АСО успешно проходит тестовые испытания в исследовательских центрах, начинается ее внедрение на промышленных предприятиях. Например, за прошедшие два года кластерное оборудование было приобретено крупнейшими производителями в Тайване и США. В настоящее время в России уже накоплен достаточно богатый опыт по отработке технологических процессов на установках АСО исследовательского типа, и отмечается постоянный рост интереса к данной технологии со стороны крупных промышленных предприятий, в первую очередь – лидеров электронной промышленности России.
Ведущие мировые производители оборудования для нанесения пленок по технологии АСО, в том числе компания Picosun, стремятся к тому, чтобы результат, полученный на лабораторных установках, можно было воспроизвести в производственных условиях. Число новых применений АСО постоянно растет, причем в большинстве случаев они относятся к наиболее перспективным направлениям микроэлектронных, информационных, био- и нанотехнологий. Меняя нашу жизнь, сама технология АСО постоянно совершенствуется в соответствии с новыми требованиями.
Выражаем благодарность Алексею Веселову из компании Picosun Oy за научное редактирование статьи
1.Harland Cari F., Delrio Frank W., Miller David C., George Steven M., Bright Victor M., Ebel Jack L., Strawser Richard E., Cortez Rebecca, Leedy Kevin D. Sensors and actuators A, Physical (Sens. actuators, A Phys.). 2007. Vol. 135. № 1. Р. 262–272.
Технология АСО была запатентована в 1974 году в Финляндии доктором Туомо Сунтола и с тех пор прошла огромный путь. Сегодня множество компаний производят оборудование, реализующее принципы АСО, но лидерство принадлежит Picosun, в которой д-р Т.Сунтола является идейным вдохновителем и членом совета директоров. Ведущие позиции позволяет удерживать огромный опыт коллектива по разработке оборудования АСО и постоянные усилия в совершенствовании технологии. Компания Picosun – пример того, что научные изыскания могут и должны приводить к успеху, когда в практическом применении их результатов заинтересовано множество отраслей и предприятия по всему миру. В России интересы компании Picosun представляет ООО "Евроинтех" (www.eurointech.ru).
Основы технологии
В основе технологии АСО лежит изящная идея, согласно которой атомы или молекулы определенного типа (тип A) реагируют на поверхности объектов с атомами (молекулами) предыдущего слоя (тип B), равномерно покрывая всю поверхность изделий однородным слоем толщиной порядка ангстрема. После этого избыток частиц типа A и продукты реакции удаляются из камеры. Молекулы следующего слоя (тип B) реагируют только с молекулами типа A и также адсорбируются на поверхности одним слоем. Далее цикл повторяется многократно для достижения требуемой толщины.
Другие методы осаждения тонких пленок (PVD и CVD) не обладают подобной точностью контроля роста. Кроме того, общим недостатком методов физического осаждения (PVD), будь то магнетронное напыление, электронно-лучевое или термического испарение, является трудность, а в ряде случаев – практическая невозможность получения однородного покрытия на структурах сложной формы. Поток частиц от источника к подложке в этих методах имеет линейную направленность, а угол падения относительно нормали поверхности в объектах сложной формы меняется очень значительно, поэтому некоторые участки оказываются "затененными". Примером таких сложных поверхностей являются микроэлектромеханические системы (МЭМС). Именно для их производства технология АСО стала одной из ключевых, поскольку позволяет наносить однородное покрытие на стенки микроканавок со сверхвысоким аспектным отношением (включая ступеньки), в сквозных отверстиях и т.д.
Температура при проведении АСО зависит от наносимого материала, и для наиболее часто применяемых на практике процессов лежит в диапазоне от 200 до 400°С. Тем не менее с использованием плазменной стимуляции во многих случаях удается добиться снижения температуры до значений, близких к комнатным, что особенно важно для изделий, критически чувствительных к нагреву.
Итак, метод АСО имеет следующие преимущества:
•прецизионный контроль толщины;
•превосходная конформность и однородность;
•отсутствие микропор и дефектов;
•превосходная воспроизводимость результата как от пластины к пластине, так и между кассетами с пластинами;
•относительно низкие температуры процессов.
Обратной стороной неоспоримых достоинств является низкая скорость осаждения. Как следствие, в прикладных применениях толщина получаемых пленок редко превышает 50 нм. Именно в силу данного ограничения мы относим метод АСО к нанотехнологиям.
Перечень материалов, которые могут быть получены методом АСО, достаточно широк: диэлектрики (оксиды, нитриды и т.д.), полупроводники (типы А2B6, A3B5) и металлы, включая медь, палладий и рутений.
Применения
На сегодняшний день существует огромное множество применений технологии АСО в самых различных отраслях. Поскольку формат данной статьи не позволяет остановиться детально на каждом, мы вкратце отметим наиболее типичные.
Микро- и наноэлектроника традиционно являются областью внедрения самых передовых технологий, включая АСО. Постоянно растущие требования к уменьшению толщины изолирующих, токопроводящих и иных функциональных слоев, с одной стороны, и к улучшению их характеристик с другой, открыли широчайшие перспективы для применения АСО в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. В качестве типичного примера можно привести современные МОП-устройства, где предъявляются высокие требования к электродам затворов и подзатворным диэлектрикам. АСО также активно используется в производстве лазерных диодов, транзисторов с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ), DRAM и т.д.
Особо хотелось бы обратить внимание на производство трехмерных интегральных схем, где необходима металлизация сквозных отверстий в кремниевой пластине: метод АСО, имеющий непревзойденные возможности по нанесению однородных пленок на 3D-структуры, оказался в этом случае незаменим.
В МЭМС среди различных функциональных слоев (изолирующих, токопроводящих, оптических, затравочных, пассивирующих травление и т.д.) хотелось бы выделить покрытия, которые уменьшают трение подвижных частей и, как следствие, снижают фрикционный износ. Получение высококачественного покрытия методом АСО особенно важно, поскольку даже небольшой износ деталей критически влияет на характеристики и работоспособность имеющих миниатюрные размеры МЭМС.
Одним из активно развивающихся направлений в электронике является создание органических светодиодов (OLED) на основе полимерных материалов, которые считаются наиболее перспективными для следующих поколений дисплеев, включая изготовленные на гибкой основе. Необходимость защиты OLED, которые чрезвычайно чувствительны к окислению, от воздействия влаги и кислорода делает АСО востребованным в данной области, поскольку этот метод не образует микропоры и микротрещины.
Создание защитных слоев также важно для печатной электроники – активно развивающегося в последнее время направления, где структуры создаются на гибком пленочном носителе, в отличие от более привычной нам твердотельной "кремниевой" электроники. Поэтому компании, производящие оборудование для АСО, в частности, Picosun, уделяют особое внимание созданию установок, работающих с рулонными материалами (R2R – Roll-to-roll).
Полученные с помощью АСО биосовместимые покрытия находят применение в медицине, например, при изготовлении имплантатов, и в будущем их роль будет расти.
Одним из наиболее перспективных направлений развития пассивной элементной базы являются "супер-конденсаторы" (ultra-capacitors), обладающие увеличенной емкостью при минимальных внешних размерах. Эти устройства с внутренней пористой структурой, обкладками и диэлектрическим слоем между ними изготавливаются по технологии АСО.
АСО широко используется при создании антикоррозионных, антифрикционных, а также декоративных покрытий для различных механических деталей. Защитные пленки, препятствующие потускнению, востребованы в ювелирной промышленности и при производстве монет. Нанесение наноразмерной пленки на режущие кромки способствует защите инструмента от износа.
Актуальная научная задача – получение тонких пленок на наночастицах и нанотрубках, производство графена и другие перспективные направления.
Общая мировая тенденция такова: после того, как технология АСО успешно проходит тестовые испытания в исследовательских центрах, начинается ее внедрение на промышленных предприятиях. Например, за прошедшие два года кластерное оборудование было приобретено крупнейшими производителями в Тайване и США. В настоящее время в России уже накоплен достаточно богатый опыт по отработке технологических процессов на установках АСО исследовательского типа, и отмечается постоянный рост интереса к данной технологии со стороны крупных промышленных предприятий, в первую очередь – лидеров электронной промышленности России.
Ведущие мировые производители оборудования для нанесения пленок по технологии АСО, в том числе компания Picosun, стремятся к тому, чтобы результат, полученный на лабораторных установках, можно было воспроизвести в производственных условиях. Число новых применений АСО постоянно растет, причем в большинстве случаев они относятся к наиболее перспективным направлениям микроэлектронных, информационных, био- и нанотехнологий. Меняя нашу жизнь, сама технология АСО постоянно совершенствуется в соответствии с новыми требованиями.
Выражаем благодарность Алексею Веселову из компании Picosun Oy за научное редактирование статьи
1.Harland Cari F., Delrio Frank W., Miller David C., George Steven M., Bright Victor M., Ebel Jack L., Strawser Richard E., Cortez Rebecca, Leedy Kevin D. Sensors and actuators A, Physical (Sens. actuators, A Phys.). 2007. Vol. 135. № 1. Р. 262–272.
Отзывы читателей
