Funkční materiály pomocí depozice atomových vrstev

ALD nástroj pulzem plynů prekurzorů nanáší film jednu vrstvu po druhé na substrát. První prekurzor se zavede do reakční komory a působením plynu vytvoří první jednolitou vrstvu (monovrstvu) na povrchu substrátu. Poté se do komory zavede druhý prekurzor, ten reaguje s prvním prekurzorem za vzniku další monovrstvy filmu na povrchu substrátu.

Na povrchu substrátu tak probíhají dva základní mechanismy: proces chemického nasycení povrchu a sekvenční povrchové chemické reakce.

Jednotlivé prekurzory reagují s povrchem materiálu, jeden po druhém postupným, samořídicím způsobem. Tím, že během celého procesu povlakování jsou prekurzory odděleny, regulace tloušťky atomové vrstvy filmu může dosáhnout přesnosti na úrovni atomového/molekulárního rozsahu každé vrstvy.

Opakovaným vystavením jednotlivých prekurzorů je film pomalu deponován. Tento proces probíhá v komoře ve vakuu za typických provozních podmínek: rozsah tlaku od 0,1 mbar do atmosférického tlaku, teplotní rozsah od 50 do 350 °C.

Jednotlivé plynové povrchové reakce s oběma prekurzory se označují jako „poloviční reakce“. Během první poloviční reakce je jeden prekurzor (například trimethylaluminium, Al(CH3)3, obr. 1) pulzován do vakuové komory během určitého časového rozsahu, aby na povrchu zanechal jednolitou vrstvu. Následně je komora čištěna inertním přepravním plynem N2, aby se odstranil prekurzor, který nestihl reagovat, a vedlejší produkty reakce. Pak následuje pulzování druhého prekurzoru (voda, H2O) a čištění. To vede k vytvoření jedné vrstvy požadovaného materiálu (oxid hlinitý, AI2O3). Tento proces je cyklický, dokud se nedosáhne odpovídající tloušťky filmu.

Široká škála materiálů může být deponována pomocí technologie ALD. Pro tvorbu anorganických povlaků uveďme příkladem oxidy kovů (Al2O3), nitridy (TiN), karbidy, sulfidy, fluoridy, fosforečnany a kovy (Pt). Substráty mohou být také potaženy multivrstvami různých materiálů. Mezi organické povlaky patří např. polyamid. Dále je možné vytvářet hybridní organicko-anorganické povlaky nebo infiltraci nanočástic.

Na rozdíl od chemické depozice z plynné fáze (CVD) a fyzikální depozice z plynné fáze (PVD) je depozice atomových vrstev (ALD) založená na nasycených povrchových reakcích. V tomto případě mechanismus nasycení znamená, že tloušťka filmu je přímo úměrná počtu provedených reakčních cyklů, a nikoli koncentraci reaktantu nebo době růstu jako v případě CVD a PVD. To znamená, že s ALD jsou tenké filmy vytvářeny způsobem jedné vrstvy za druhou, což umožňuje subnanometrovou regulaci tloušťky, dobrou rovnoměrnost a vynikající stupeň pokrytí ve srovnání s CVD a PVD.

Další výhodou ALD je to, že vrstva může být vytvořena při nižších teplotách substrátu ve srovnání s CVD. Vzhledem k tomu, že absorpce prekurzoru na povrch je hlavně tepelně řízena, existuje tzv. ALD teplotní mezera, ve které proces ALD probíhá. Na pokračování ALD procesu je zapotřebí minimální teplota substrátu, avšak pokud je teplota příliš vysoká, dojde k nechtěnému rozkladu reaktantu.

Kromě toho se ALD povlaky vyznačují vynikající přilnavostí a nízkým napětím v důsledku chemického zakotvení prekurzoru do vznikajícího povrchu.

Výsledkem jsou dokonalé filmy bez pórozity, a to i na velmi velkých plochách. Proces je velmi spolehlivý, lze jej snadno opakovat, digitálně ovládat apod.

Substráty se po depozici vyznačují stoprocentním stupněm krytí, dokonce při vysokém poměru stran, jako 60:1, stoprocentně rovnoměrně lze povlakovat dna a bočnice průchodů a drážek nebo ostré rohy. Rovnoměrné povlaky vznikají i na plochách uvnitř porézních vzorků. Proces je vhodný také pro náročné nebo citlivé substráty, nízká teplota depozice umožňuje lepší kompatibilitu termálního rozptylu. Lze vytvářet velmi tenké filmy, jako 0,5–1 Å (jedna atomová tloušťka) častěji pak 10–50 Å. Vzhledem k požadavkům tenkého filmu je také nízká spotřeba použitých plynů.

Vzhledem k výše uvedeným charakteristikám nachází ALD využití v přípravě vysoce kvalitních tenkých filmů, a to zejména, když je potřebný vynikající stupeň krytí a/nebo nízké teploty zpracování.

Tyto výhody ALD oproti jiným procesům depozice tenkých filmů jsou běžně aplikovány zejména v elektronickém průmyslu polovodičů na přípravu vynikajících dielektrických vrstev. ALD se využívá v průmyslu k výrobě polovodičů High-K dielektrických materiálů.

Vzhledem k pokroku v oblasti návrhu technologie a vývoji prostředků se význam ALD rychle rozšiřuje pro výrobu inovativních materiálů v nanoměřítku. Potenciální využití pro ALD je velmi multidisciplinární. Má nově vznikající potenciál v oblasti fotovoltaických článků, flexibilní elektroniky, zlepšení vlastností skla, papíru a textilu, dekorativních nátěrů, nové generace tranzistorů, senzorů a vyspělé technologie energetických surovin. Inovace, které přinášejí nanotechnologie, přivedly tuto technologii také do oblasti biověd, kde se hned několik aplikací ukázalo jako vhodní kandidáti pro tuto aplikaci.

Je vidět, že kromě již implementovaných řešení v elektronickém průmyslu vznikají další oblasti použití, např. osvětlení (OLED obalení), energie (obalení solárních fotovoltaických článků) nebo optika (ultrareflexní, protireflexní povlaky nebo povlaky proti poškrábání).

Kromě toho se první využití objevují také v energetice (baterie, elektrody), biotechnologii, senzorech, hutnictví a dalších odvětvích.

CTECH je společnost poskytující řešení pro tenkovrstvé povlaky pomocí depozice atomové vrstvy (ALD). V rámci VaV projektů se společnost věnuje vývoji nových povlakových postupů, zlepšování stávajících ALD procesů, poprodejní podpoře a poradenství v oblasti procesech tenkovrstvých povlaků. V oblasti povlakování se společnost zaměřuje na design, výrobu, montáž, testování a dodávky technologie povlakování.

Aby toto všechno byla společnost schopna zaštítit, disponuje odpovídajícím týmem a strategickými partnery. Příkladem uveďme výzkumné centrum CIC nanoGUNE ve Španělsku, zaměřené na nanovědy a nanotechnologie. Vědci a odborní technici v ALD přicházejí z výzkumné skupiny Nanomateriály pod vedením profesora Mata Kneze. Kanceláře a plně vybavené laboratoře společnosti CTECHnano jsou uvnitř zařízení CIC nanoGUNE.

Dalším partnerem je společnost AVS, která navrhuje a vyrábí sofistikovaná zařízení pro vědecké aplikace. Cadinox je průmyslová společnost zabývající se výrobou mechanických dílů s orientací na přidanou hodnotou. Oba přispívají k CTECHnano s lidmi podílejícími se na obecných aspektech elektromechanického navrhování, výroby dílů a montážního nářadí ve svých zařízeních. Mají hluboké znalosti technologií spojených s ALD.

CTECHnano

David Talavera

ctechnano@ctechnano.com

www.ctechnano.com