Атомно-слоевое осаждение – основной инструмент пленочной нанотехнологии

УДК 66-963

Атомно-слоевое осаждение – основной инструмент пленочной нанотехнологии.

Аннотация

Рассматриваются особенности изобретенного в СССР метода атомно-слоевого осаждения (Atomic layer deposition – ALD), как альтернативного способа получения диэлектрических, полупроводниковых и металлических пленок, роль которого возрастает по мере миниатюризации и усложнения приборных структур.

Анализируется механизм и кинетика процесса в сравнении с традиционными методами химического (CVD) и вакуумного физического (PVD) осаждения.

Приводятся преимущества, следующие из разделения процесса во времени на две составные части – хемосорбцию и химическую реакцию, главным из которых является резкое снижение температуры и вследствие этого – новое качество материала.

Приводится перечень исследованных на сегодняшний день объектов применения.

 Виды и назначение пленочных структур.

Одно из простейших назначений пленок состоит в придании поверхности материала новых, неприсущих ей свойств, таких как коррозионная устойчивость, электропроводность, адсорбционная и каталитическая способность, гидрофобность, твердость, цвет и т.д. Их толщина обычно не является критичной и строго однородной по площади, однако ряд применений требует ее снижения до наноразмерной. Это относится, в частности, к покрытиям высокопористых материалов типа силикагеля оксидами, обладающими каталитическими свойствами или металлических порошков – пленкой драгоценных металлов.

В немногих случаях осажденная пленка используется для модификации свойств самой основы – подложки. Примером служат гетерирующие и пассивирующие слои.

В таких важных областях техники, как микро- и оптоэлектроника все чаще используются многослойные структуры, в отдельных зонах которых и особенно в интерфейсах, разыгрываются процессы настолько необычные и разнообразные, что поле деятельности физиков-конструкторов приборов представляется безграничным. Требуются лишь технологии, обеспечивающие точность и воспроизводиомсть состава и толщины, которые в силу их особой сложности относятся к разряду высоких. Их основными отличительными свойствами являются:

• строгое управление скоростью роста, обеспечивающее воспроизводимость толщины в диапазоне от десятков до сотен нм с минимальным ее разбросом как по площади пластин, так и в партии, и от партии к партии;
• минимальный уровень вносимых загрязнений;
• контроль постоянства  заданной кристаллической структуры – монокристаллической, поликристаллической, аморфной и допустимого уровня нарушения однородности.

Два базовых метода, в принципе удовлетворяющие этим требованиям – химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition – CVD) и физическое осаждение (Physical vapor deposition –PVD) были развиты еще в первой половине ХХ века и применялись фрагментарно в различных отраслях техники, но нигде они не были основой технологии, как это имеет место в микроэлектронике, солнечной энергетике, микромеханических системах (МЭМС), сенсороэлектронике*. В связи с их развитием в технологиях CVD и PVD был сделан огромный рывок, обогативший развитие не только в этих новых областях техники, но и традиционных, таких как теплотехника, газодинамика, химическая кинетика.

Множеству разновидностей CVD и PVD посвящены тысячи публикаций, обобщенне в ряде недавно вышедших монографий [1,2].

Недостатки традиционных технологий.

По мере снижения проектных норм и усложнения функций стали проявляться ограничения и недостатки, присущие классическим методам получения пленок – CVD и PVD.

1. Поскольку в физико-химическом и газодинамическом отношении оба способа являются сложными и многофакторными, управление скоростью роста оказывается недостаточно эффективным, и воспроизводимость главного геометрического параметра – толщины как от процесса к процессу, так и внутри партии, и по пластине остаются в лучшем случае на уровне 2–3% (обычно 5–10%). Этот показатель ухудшается при переходе к наноразмерам из-за возрастающего вклада переходных явлений.