Атомное послойное осаждение (ALD – Atomic Layer Deposition). Суть метода, преимущества, оборудование.

В настоящее время существует несколько вариантов нанесения сверхточных тонкопленочных покрытий:

1. Молекулярно-лучевая эпитаксия (PVD - Physical Vapour Deposition) – процесс испарения и конденсации вещества в сверхвысоком вакууме. Ограничения данного метода в первую очередь связаны с применением высоковакуумной техники, что не позволяет использовать данный метод в качестве технологического процесса.

2. Газофазное осаждение (CVD - Chemical Vapor Deposition) – процесс пиролитического разложения газообразных реагентов у поверхности подложки с образованием пленкообразующих компонентов на поверхности матрицы. Наибольшее распространение получила модификация нанесения покрытий в вакууме. Основным недостатком является применение высоких температур, тем самым ограничивается материал подложки и значительно сужается список наносимых покрытий.

3. Атомное послойное осаждение (ALD - Atomic Layer Deposition) – метод основан на химическом поглощении вещества поверхностью твёрдого тела из газовой фазы и является циклично-дискретным процессом.

Атомное послойное осаждение (АПО), является тонкопленочной технологией, которая дает возможность производства конкурентоспособной продукцией. Также Атомное послойное осаждение является мощным ресурсом для перспективных научных исследований в нанотехнологиях.

Атомное послойное осаждение применяется в основном в областях, где требуется производство очень точных, абсолютно конформных пленок толщиной 1 нм, без точечных дефектов, любой формы и геометрии. Первоначально АПО, метод химического осаждения паров (CVD), был разработан для производства нанослоевых изоляторов (AL2O 3/ TiO2) и сульфида цинка (ZnS) фосфорные пленки для тонкопленочных электролюминесцентных (TFEL) дисплеев. Крупномасштабное производство таких дисплеев началось в середине 1980-х годов, в основном благодаря АПО. Уникальные свойства покрытий, а также высокая повторяемость, были основными факторами, приведшими к успеху промышленного производства.

Атомное послойное осаждение является технологией для новых и усовершенствованных продуктов. Она позволяет создание покрытий и материалов, которые либо не могут быть экономически эффективно созданы с использованием существующих методов, либо не могут быть созданы совсем. АПО, как метод тонкопленочного покрытия, предлагает:

1. Точный контроль толщины пленки в нанометровом масштабе

2. Пленки без точечных дефектов для, пассивации поверхности

3. Защитное покрытие партий, подложек крупной площадки, и сложных 3D объектов, в том числе пористых сыпучих материалов, а также порошков

4. Высокую повторяемость и масштабируемый процесс

5. Проектирование новых функциональных материалов и структур, таких как наноламинаты.

Метод АПО основан на поверхностно-контролируемом осаждении тонких пленок. Во время нанесения покрытия, два или более химических паров или газообразных прекурсоров последовательно реагируют на поверхности подложки, создавая твердую тонкую пленку:

Большинство АПО систем нанесения покрытий используют принцип непрерывного потока бегущей волны, где инертный газ-носитель проходит через систему и прекурсоры вводятся в виде очень коротких импульсов в этот поток газа-носителя. Этот поток переносит импульсы прекурсоров в виде последовательных “волн” через реакционную камеру, затем через нагнетательный трубопровод, через систему фильтрации и, в конечном счете, через вакуумный насос.

Характеристики процесса Атомного послойного осаждения:

1. Диапазон давления: 0.1 – 10 мбар или атмосферное

2. Температура: Как правило, 50 – 500 °С.

Наиболее распространенными материалами осажденными при помощи метода АПО являются (выборка):

1. Оксиды: Al₂O₃, CaO, CuO, Er₂O₃, Ga₂O₃, HfO₂, La₂O₃, MgO, Nb₂O₅, Sc₂O₃, SiO₂, Ta₂O₅, TiO₂, V_XO_Y, Y₂O₃, Yb₂O₃, ZnO, ZrO₂, и т.д.

2. Нитриды: AlN, GaN, TaN_X, TiAlN, TiN_X, и т.д.

3. Карбиды: TaC, TiC, и т.д.

4. Металлы: Ir, Pd, Pt, Ru, и т.д.

5. Сульфиды: ZnS, SrS, и т.д.

6. Фториды: CaF₂, LaF₃, MgF₂, SrF₂, и т.д.

7. Биоматериалы: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (гидроксиапатиты)

8. Полимеры: PMDA–DAH, PMDA–ODA, и т.д.

9. Легирование, наноламинаты и смешанные структуры: Метод АПО обеспечивает возможность работы с широким спектром комбинаций материалов.

Преимуществами метода является работа при нормальном давлении и температурах, а также возможность работы с пористой поверхностью, что открывает новые возможности для использования в различных областях: от создания прецизионных покрытий до роста нанокомпозитов/нанокатализаторов.

Пример оборудования для Атомного послойного осаждения:

Beneq TFS 200

Установка TFS 200 является наиболее гибкой АПО платформой когда-либо созданной для исследований и разработок. Все детали системы реализованы с учетом обеспечения гибкости, модульности и простоты в использовании. С установкой TFS 200, свобода нанесения покрытий и разработка приложений находится полностью в руках оператора, без ограничений, связанных с системой.

Beneq TFS 500

Установка TFS 500 предназначена для использования в разнообразных приложениях по созданию тонкопленочных покрытий. Будучи первой реакторной установкой компании Beneq, зарекомендовала себя как универсальный инструмент для углубленного исследования тонкой пленки и надежной обработки партий. Установка TFS 500 является идеальным инструментом для мультипроектных производств.

Beneq TFS 600

Установка TFS 600 компании Beneq является АПО системой, предназначенной для вакуумных линий с интегрированными органическими светоизлучающими диодами (OLED) в оболочке. Это обеспечивает превосходное качество тонкопленочных АПО, в то же время обеспечивая высокую пропускную способность, надежность и соответствие требованиям производственных линий. В установке TFS 600, эти требования выполняются путем оптимизации конструкции реакционной камеры, надежной и модульной конструкции, проверенных компонентов управления и эксплуатации, а также интегрированных функций безопасности.