ALD-reaktori

ALD-reaktori on kemiallinen reaktori, jossa valmistetaan atomikerroskasvatuksen eli ALD:n (engl. atomic layer deposition) avulla ohutkalvoja. Laite ja sen perustana oleva tekniikka on kehitetty Suomessa 1970-luvun loppupuolella Tuomo Suntolan johdolla.

ALD-reaktorissa lähtöaineet tuodaan substraatin pinnalle pulsseissa vuoroittain ja niiden annetaan reagoida. Jos pinta ja kerrostettava kemikaali ovat yhteensopivat, saadaan ohutkalvo kasvamaan atomikerroksen tarkkuudella. Vaihtamalla välillä kemikaalia, voidaan tehdä myös nanolaminaattisia kalvorakenteita. Yleensä lähtöaineina käytetään hyvin reaktiivisia kemikaaleja, kuten trimetyylialumiinia ja titaanitetrakloridia, jotka reagoivat voimakkaasti veden kanssa. ALD-prosessi tehdään tyypillisesti tyhjiössä pulssittamalla kaasumaisia lähtöaineita siten, että aina välillä reaktiokammio tyhjennetään toisesta lähtöaineesta, jota jää vain pintaan atomikerroksen verran. Myös nestemäisiä ja kiinteitä aineita saadaan kaasumaiseksi lämmön ja alhaisen paineen avulla. Periaatteessa ALD-prosessi on tehtävissä myös normaalissa paineessa tai nestemäisillä lähtöaineilla.

ALD-prosessi

Kaavio ALD-prosessista. Ensimmäisessä vaiheessa yhdiste AB kiinnittyy substraatin pintaan (ylempi kuva), seuraavassa vaiheessa reaktoriin syötetty yhdiste CD reagoi AB:n kanssa. Lopussa substraatti on päällystetty kerroksella yhdistettä AD ja reaktiotuote BC poistuu reaktorista (alempi kuva).

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.

Käyttökohteita

ALD:n avulla valmistettavia ohutkalvoja voidaan käyttää puolijohdekomponenteissa, kuten tietokoneiden mikroprosessorien CMOS-kalvorakenteissa eristekalvoina tai niin sanottuina barrier-kalvoina estämään diffuusiota. Käytäjänä on myös Intel, joka kasvattaa prosessoriensa hilaoksideja 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 (nykyinen Elcoteq) 1970–1980-luvuilla. Sovelluksen käyttöä jatkaa Planar Ltd. ALD-tekniikalla voidaan pinnoittaa myös rakeisia aineita. Sen avulla voidaan tehdä myös korroosion suojauskalvoja sekä kulutuksen tai kemikaalien kestävyyttä parantavia ohutkalvoja. ALD-pinnoituksen etuna on, että se tunkeutuu hyvinkin pieniin rakoihin, eikä kalvoihin jää aukkoja.

ALD-menetelmää on perinteisesti käytetty teknologiatuotteiden, kuten puolijohdekomponenttien valmistusprosessissa, mutta sitä voidaan käyttää muissakin sovelluksissa. Esimerkki kaupallisesta ALD-sovelluksesta on Suomessa kehitetty hopeakorujen tummumista estävä pinnoite.

Lähteet

• Franssila, Sami: Introduction to microfabrication. Wiley, 2004.

Aiheesta muualla

• Helsingin yliopiston artikkeli
• Helsingin yliopiston tiedote^{[vanhentunut linkki]}
• Puolijohdeteollisuuden laitevalmistajan ASM:n ALCVD (ASM:n kauppanimi ALD:lle) periaate (Arkistoitu – Internet Archive)
• ALD-reaktorivalmistaja Beneq Oy:n 'Anti-Tarnishing' -reaktori ja kuvia ALD-reaktoreista
• ALD-reaktorivalmistaja Picosun Oy:n sivuilta löytyy tietoa prosessista ja kuvia laitteista (Arkistoitu – Internet Archive)