Dépôt de couches minces丨Dépôt de couches atomiques (ALD)
Principes techniques et applications

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Qu'est-ce que le dépôt par couche atomique (ALD) ?

Le dépôt par couche atomique (ALD) est une méthode de haute précision basée sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour le dépôt de vapeurs chimiques. Dépôt de couches minces compétenceTechnique de dépôt d'un matériau sous forme de film monatomique sur la surface d'un substrat, couche par couche, basée sur la phase vapeur chimique. Deux précurseurs chimiques ou plus, contenant chacun un élément différent du matériau déposé, sont introduits un à la fois sur la surface du substrat. Chaque précurseur sature la surface pour former une monocouche de matériau.

Principes du dépôt par couche atomique

Le principe de croissance ALD présente des similitudes avec le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) conventionnel, mais dans le cas de l'ALD, les précurseurs réactifs sont déposés alternativement au cours du processus de dépôt, et la chimie de la nouvelle couche du film atomique est directement associée à la couche précédente, une seule couche d'atomes étant déposée par réaction. Les caractéristiques de croissance étant autolimitées, ce procédé permet un dépôt conforme et sans trou d'épingle du film sur le substrat. C'est pourquoiUn contrôle précis de l'épaisseur du film peut être obtenu en contrôlant le nombre de cycles de dépôt.
 
Un cycle de dépôt de couche atomique peut être divisé en quatre étapes :
  1. (a) le premier gaz précurseur est introduit dans le substrat.Adsorption ou réaction chimique avec la surface du substrat ;
  2. Rincer le gaz restant avec du gaz inerte ;
  3. Introduire le deuxième gaz précurseur ;Une réaction chimique avec le premier gaz précurseur adsorbé sur la surface du substrat génère le revêtement, ou la réaction avec les produits de la réaction entre le premier précurseur et le substrat continue à générer le revêtement ;
  4. Rincer à nouveau l'excès de gaz avec du gaz inerte.
 
Sélection et classification des précurseurs
 La sélection des précurseurs joue un rôle crucial dans la qualité des revêtements pour la croissance ALD, et les précurseurs doivent satisfaire aux exigences :
  • Pression de vapeur suffisamment élevée à la température de dépôt pour assurer une couverture adéquate de la surface du matériau de substrat chargé ;
  • Bonne stabilité thermique et chimique, empêchant l'autodécomposition dans les limites de la température maximale de réaction ;
  • Réactivité élevée. Adsorption et saturation rapides à la surface du matériau, ou réaction rapide et efficace avec les groupes de surface du matériau.
  • Sous-produits non toxiques, non corrosifs et inertes. Évite d'entraver la croissance du film autolimité
  • Large éventail de sources de matériaux
Les précurseurs ALD peuvent être divisés en deux groupes principaux : inorganiques et métallo-organiques.Les précurseurs inorganiques comprennent les monomères et les halogénures, etc. Les précurseurs inorganiques comprennent des monomères et des halogénures, etc., et les composés métallo-organiques comprennent des composés tels que les alkyles métalliques, les cyclopentadiényles métalliques, les β- 2 cétones métalliques, les amides métalliques et les groupes éther métalliques.
 
 

Caractéristiques et avantages du dépôt par couche atomique

  • Très précis :En contrôlant le cycle de réaction, l'épaisseur du film de substrat peut être contrôlée facilement et précisément, et l'épaisseur du film peut être précise à l'échelle d'un atome.
  • Excellente conformabilité en 3D :L'ALD peut produire des films qui correspondent à la forme du substrat d'origine, c'est-à-dire que le film peut être déposé uniformément sur une surface qui ressemble à une surface concave. Par conséquent, le film peut être déposé uniformément sur une surface qui ressemble à une surface concave.Convient à différentes formes de substratsDes films tridimensionnels uniformes, de forme cohérente et originale, conformes, sont les avantages uniques de la technologie ALD.
  • Grande planéité :La surface est exempte de trous d'épingle et le mécanisme de croissance ascendante détermine la nature exempte de trous d'épingle du film, ce qui est précieux pour les applications de barrière et de passivation.
  • Excellente adhérence :La chimisorption du précurseur sur la surface du substrat garantit une excellente adhérence.
  • Faible bilan thermique (faible température des précipitations). Croissance de films minces à basse température (de la température ambiante à 400°C), ce qui est intéressant pour les dispositifs polymères à température limitée et les revêtements de biomatériaux.

Comparaison des avantages et des inconvénients des procédés de dépôt de couches minces

arts et artisanatdépôt par couche atomique
(ALD)		Dépôt physique en phase vapeur
(PVD)		dépôt chimique en phase vapeur
(CVD)		Dépôt chimique en phase vapeur à basse pression
(tubes de four LPCVD)
Principe de dépôtSaturation chimique de la surface
Réaction-Dépôt		Évaporation-solidificationDépôt par réaction en phase gazeuseDépôt chimique en phase vapeur à basse pression
(Type de tube de four)
processus de sédimentationcroissance stratifiéenucléationnucléationnucléation
Couverture des étapestalentueuxhabituel(d'un couple non marié) être proche(d'un couple non marié) être proche
taux de sédimentationlentementtranchant (des couteaux ou de l'esprit)tranchant (des couteaux ou de l'esprit)plus lent
température de dépôtFaible (<500°C)baisser (la tête)votre (honorifique)plus important
uniformitétalentueux
0,07 - 0,1nm		habituel
5 nm environ		de préférence
0,5 - 2nm

meilleur

Contrôle de l'épaisseurNombre de cycles de réactiontemps de dépôttemps de dépôt
pression partielle de la phase gazeuse		temps de dépôt
taux de gaz
ingrédientUniformité avec peu d'impuretésnon falsifiéSujet aux impuretésnon falsifié

Applications du dépôt par couche atomique

Alors que l'industrie des semi-conducteurs continue d'évoluer, la taille de plus en plus fine des dispositifs rend particulièrement importante la recherche ou le développement de techniques de croissance de couches minces plus avancées qui requièrent de faibles bilans thermiques, une grande précision de l'épaisseur des couches et une excellente conformabilité sur les structures tridimensionnelles (3D). Cependant, les techniques de dépôt traditionnelles, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD), ne sont plus tout à fait adaptées à cette tendance. La technologie ALD, grâce à ses paramètres de dépôt hautement contrôlables (épaisseur, composition et structure), à son excellente homogénéité et à sa conformabilité, a le potentiel pour une large gamme d'applications dans des domaines tels que la micro- et la nanoélectronique et les nanomatériaux.

  • Les principaux domaines d'application de cette technologie sont les suivants [1].
  • Diélectrique K élevé(Al2O3 , Hf O2, Zr O, Ta 2 O5, La 2 O3) : pour les couches diélectriques des portes de transistors et des condensateurs DRAM.
  • Électrode à grille métallique (Ir, Pt, Ru, Ti N).
  • Interconnexions et revêtements métalliques(Cu, WN, Ta N, WNC, Ru, Ir) : couche barrière de diffusion métallique pour les interconnexions en cuivre, les vias semi-conducteurs pour les grilles de transistors et les applications de cellules de mémoire telles que les condensateurs DRAM, couche de passivation.
  • matériau catalytique(Pt, IrCo, Ti O2, V 2 O5) : revêtements de membranes de filtration, catalyseurs (membranes en platine pour les convertisseurs catalytiques automobiles), revêtements d'échange d'ions pour les piles à combustible.
  • Nanostructures (divers matériaux): Dépôt conforme autour et à l'intérieur des nanostructures et des MEMS.
  • bio-enduits(Ti N, Zr N, Cr N, Ti Al N, Al Ti N) : matériaux biocompatibles pour les dispositifs et instruments médicaux in vivo.
  • Matériaux métalliques ALD(Ru, Pd, Ir, Pt, Rh, Co, Cu, Fe, Ni).
  • couche piézoélectrique(Zn O, Al N, Zn S).
  • conducteur d'électricité transparent(Zn O︰Al, ITO).
  • Couche de blocage des UV(Zn O, Ti O2).
  • Passivation des OLED(Al2O3 ).
  • Couche de lubrification solide(WS2).
  • cristal photonique(Zn O, Zn S︰Mn, Ti O2, Ta2 N5) : revêtements intérieurs en alumine poreuse et en opale inversée.
  • Filtres antireflets et optiques(Al2O3 , Zn S, Sn O2, Ta 2 O5) : filtres de déclenchement Fabry-Perot.
  • dispositif électroluminescent (ELD)(Sr S : Cu, Zn S : Mn, Zn S : Tb, Sr S : Ce).
  • niveau du processus(Al2O3, Zr O2) : pour les couches barrières de gravure, les couches barrières de diffusion ionique, les revêtements pour les têtes d'enregistrement électromagnétique.
  • Applications optiques(Al Ti O, Sn O2, Zn O) : pour les matériaux nano-optiques, les cellules solaires, les matériaux optiques intégrés, les couches minces optiques, les lasers et divers films diélectriques.
  • transducteurs(Sn O2, Ta 2 O5) : pour les capteurs de gaz, les capteurs de pH.
  • Couche d'inhibition de l'usure et de la corrosion (Al2O3, Zr O2, WS2)
[1] État actuel de l'application de la technologie de dépôt par couche atomique et perspectives de développement ; (2021) 10-0005-05

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