Atomlagsdeponering

Atomlagsdeponering (ALD, engelsk atomic layer deposition) er en spesiell kjemisk teknikk for å produsere veldig tynne filmer med høy konformitet og tykkelseskontroll. Teknikken ble oppfunnet av Tuomo Suntola i 1974, og brukes blant annet til produksjon av DRAM og prosessorer. Det kan produseres både oksider, nitrider og grunnstoffer. I tillegg har det de siste ti årene vært et økt fokus på ALD-filmer fra et organisk og et uorganisk stoff, såkalte hybridfilmer. Det forskes på om disse materialene er bio-aktive og kan brukes til cellevekst.

I ALD bygges en tynnfilm opp av to kildegasser, som i Chemical vapor deposition. Forskjellen er at mens man i CVD tilfører begge gasser samtidig, består ALD av gjentatte sykler der gassene sendes inn i reaksjonskammere i pulser, med tømming av reaksjonskammeret mellom hver puls.

Prosessen 
1) Puls av gass A
2) Tømming av reaksjonkammer
3) Puls av gass B
4) Tømming av reaksjonskammer

Dette kalles en syklus. En dose (puls) av den første gassen kommer inn i reaksjonskammeret og reagerer med atomer i overflaten av substratet det skal gros på. Dette kalles kjemisorbsjon, og det vil dannes avfallsstoffer som tømmes ut av reaksjonskammeret. Når det ikke lenger er ledige atomer å reagere med, vil det ikke lenger feste seg mer av den første gassen til substratet. Overskuddet av gass tømmes ut av reaksjonskammeret. Deretter pulses den andre gassen. Denne reagerer med molekylene fra gass A som ble kjemisorbert i overflaten, og det dannes en tynn film av det ønskede stoffet. Prosessen stopper også her når det ikke lenger er noen ledige atomer å reagere med. Derfor er hele syklusen selvbegrensende, og mindre enn ett atomlag dannes per syklus.

Som eksempel på ALD brukes gjerne groing av aluminiumoksid (Al2O3). Dette er en av de mest studerte prosessene for teknikken, og en av de mest typiske. Kildegassene er trimetyl-aluminium (Al(CH3)3) og vanndamp (H2O), selv om også andre oksygeninnholdige gasser kan brukes (O2 og O3). Hovedreaksjonen kan skrives slik:
Al(CH3)3 + H2O  Al2O3 + 3 CH4

Vi ser at metangass dannes som et biprodukt av reaksjonen. For å belyse hva som skjer enda bedre kan man dele opp reaksjonen i to delreaksjoner. Som startsubstrat kan man for eksempel bruke silisium:
1) Si-OH + Al(CH3)3  Si-O-Al(CH3)2 + CH4

2) Si-O-Al(CH3)2 + 2 H2O  Si-Al2O3 + 2 CH4

I første delreaksjon reagerer tri-metylaluminium (TMA) med en OH-gruppe i silisiumoverflaten. Et hydrogenatom går sammen med en metylgruppe og danner et metan-molekyl, mens en av bindingene i TMA-molekylet går sammen med oksygenatomet i overflaten. Når det ikke lenger er ledige OH-grupper i overflaten, stopper reaksjonene opp og ingen flere TMA-molekyler fester seg til substratet. Kammeret tømmes etter en gitt tid som er funnet etter prosesstudier.

I andre delreaksjon reagerer vannmolekyler med de resterende metylgruppene i det kjemisorberte di-metylaluminium-molekylet. Resultatet er flere metanmolekyler, som pumpes ut av kammeret, og Al2O3-grupper som er kjemisk bundet til overflaten. Reaksjonene stopper opp når det ikke lenger er metylgrupper å reagere med. Kammeret tømmes igjen. 

Vi ser at det dannes oksygenatomer i overflatelaget (Al2O3) i den andre delreaksjonen. Dette er viktig. Det betyr nemlig at prosessen kan fortsette ved å starte syklen på nytt. Dermed får man en filmtykkelse som kun er bestemt av antall ganger man repeterer firepunkts-syklusen.

Kilder
 https://plasma.oxinst.com/technology/atomic-layer-deposition
 https://beneq.com/en/technology/ald/
 https://www.picosun.com/about-us/picosun/

Se også
 Chemical vapor deposition

Materialvitenskap
Nanoteknologi