ALD-reaktori

ALD-reaktori (engl. Atomic Layer Deposition; vanhempi nimitys ALE (engl. Atomic Layer Epitaxy)) on laite, jolla tehdään atomikerroskasvatuksella ohutkalvoja. Laite on kehitetty Suomessa 1970-luvun loppupuolella Tuomo Suntolan johdolla.
ALD-reaktorissa lähtöaineet tuodaan substraatin pinnalle pulsseissa vuoroittain ja annetaan reagoida. Kun pinta ja kemikaali sopivat sillä tavalla yhteen, että pintaan sitoutuu vain yhden atomin kerros, niin saadaan ohutkalvo kasvamaan atomikerroksen tarkkuudella. Vaihtamalla välillä kemikaalia, voidaan tehdä myös nanolaminaattisia kalvorakenteita. Yleensä lähtöaineina käytetään hyvin reaktiivisia kemikaaleja, kuten TMA (trimetyylialumiini) ja titaanitetrakloridi, jotka reagoivat voimakkaasti veden kanssa. ALD-prosessi tehdään tyypillisesti vakuumissa pulssittamalla  kaasufaasissa olevia lähtöaineita siten, että aina välillä reaktiokammio tyhjennetään toisesta lähtöaineesta, jota jää vain pintaan atomikerroksen verran. Myös nestemäisiä ja kiinteitäkin aineita saadaan kaasufaasiin lämmön ja alhaisen paineen avulla. Periaatteessa ALD-prosessi on tehtävissä myös normaalissa paineessa tai nestemäisillä lähtöaineilla.

ALD-prosessi

ALD:ssä eli atomikerroskasvatuksessa reagoivat kaasut syötetään reaktoriin pulsseittain, jolloin substraatin pintaan kasvaa vajaa 1 atomikerros reagenssipulssia kohden. Ensin reaktoriin syötetään yhdistettä AB, joka reagoi substraatin pinnassa sitoutuen siihen. Tämän jälkeen reaktoriin syötetään yhdistettä CD, joka reagoi AB:n kanssa jättäen kerroksen ainetta AD substraatin pintaan. Kuvassa 1 havainnollistetaan edellä kuvattua prosessia. Prosessi tapahtuu yleensä alhaisessa paineessa ja edellisen pulssin kaasu poistetaan reaktorista ennen seuraavaa pulssia. Tätä prosessia toistetaan, kunnes kasvatettu kerros on halutun paksuinen. ALD on ääritapaus pintareaktiorajoitteisesta prosessista. Usein havaitaan, ettei yhdestä reagenssipulssista kasva täyttä atomikerrosta. Kasvunopeudet ovat muutamia nanometrejä minuutissa eli huomattavasti hitaammin verrattuna korkeamman lämpötilan LPCVD-nitridiin tai monikiteiseen piihin.
Jos kemikaaleja vaihdetaan pulssien välillä, saadaan nanolaminaatteja. Johtuen ALD:n pintareaktioluonteesta se kykenee peittämään koko pinnan erittäin tasaisella kerroksella ilman paksuusvaihteluja myös suuren korkeus-leveyssuhteen rakenteissa. Myös rakeisten pintojen päällystäminen onnistuu ongelmitta. Tyypilliset kalvon paksuudet ovat 1-500 nm.

ALD:n käyttökohteita

ALD-ohutkalvoja voidaan käyttää puolijohteissa, kuten tietokoneiden mikroprosessorien CMOS-kalvorakenteissa eristekalvoina tai ns. barrier-kalvoina estämään diffuusiota. Käytäjänä on myös Intel, joka kasvattaa prosessoriensa gate-oksideja ALD:llä.
ALD:tä käytetään myös elektroluminesenssinäyttöjen valmistuksessa sekä suuren suhteellisen permittiivisyyden eristekalvojen teossa. Elektroluminesenssinäyttöjen eriste- ja hohdekalvorakenteet voidaan tehdä kokonaan ALD-tekniikalla. Tätä sovellusta kehitti Lohja mikroelektroniikka (nyk. Elcoteq) 70...80- luvuilla. Sovelluksen käyttöä jatkaa Planar Ltd. ALD-tekniikalla voidaan pinnoittaa myös rakeisia aineita. Myös korroosion suojaus kalvoja, kulutuksen tai kemikaalien kestävyyttä parantavia ohutkalvoja voidaan tehdä. ALD-pinnoituksen etuna on, että se tunkeutuu hyvinkin pieniin rakoihin, ja kalvoihin ei jää aukkoja.
ALD-menetelmä on perinteisesti käytetty teknologiatuotteiden, kuten juuri puolijohteiden valmistusprosessina, mutta tätä pinnoitusta voidaan käyttää muissakin sovelluksissa. ALD:n etuja on kolmiulotteisten kappaleiden tasainen pinnoittaminen, jota on alettu hyödyntää 2000-luvun puolivälin jälkeen. Tällaisia uusia kaupallisia ALD-sovelluksia on Suomessa kehitetty hopeakorujen tummumisen estopinnoite.