Deposición de capas atómicas

La Deposición de capas atómicas (ALD) es una técnica de deposición de películas delgadas basada en el uso secuencial de un proceso químico en fase gaseosa; es una subclase de deposición química de vapor. La mayoría de las reacciones ALD utilizan dos sustancias químicas llamadas precursores (también llamados "reactivos"). Estos precursores reaccionan con la superficie de un material uno a la vez de manera secuencial y autolimitada. Se deposita lentamente una película delgada mediante exposición repetida a precursores separados. ALD es un proceso clave en la fabricación de dispositivos semiconductores y parte del conjunto de herramientas para sintetizar nanomateriales.

Introducción

Durante la deposición de capas atómicas, una película crece sobre un sustrato exponiendo su superficie a especies gaseosas alternativas (normalmente denominadas precursores o reactivos). A diferencia de la deposición química de vapor, los precursores nunca están presentes simultáneamente en el reactor, sino que se insertan como una serie de impulsos secuenciales que no se superponen. En cada uno de estos pulsos las moléculas precursoras reaccionan con la superficie de forma autolimitada, de modo que la reacción termina una vez que se consumen todos los sitios disponibles en la superficie. En consecuencia, la cantidad máxima de material depositado en la superficie después de una única exposición a todos los precursores (el llamado ciclo ALD) está determinada por la naturaleza de la interacción precursor-superficie. Al variar el número de ciclos, es posible cultivar materiales de manera uniforme y con alta precisión en sustratos grandes y arbitrariamente complejos.

ALD es un método de deposición con gran potencial para producir películas conformables muy delgadas con control del espesor y la composición de las películas posible a nivel atómico. Una importante fuerza impulsora del reciente interés es la perspectiva vista para ALD de reducir los dispositivos microelectrónicos según la ley de Moore. ALD es un campo de investigación activo, con cientos de procesos diferentes publicados en la literatura científica, aunque algunos de ellos exhiben comportamientos que se alejan del de un proceso ALD ideal. Actualmente existen varios artículos de revisión completos que brindan un resumen de los procesos ALD publicados, incluido el trabajo de Puurunen, Miikkulainen et al., Knoops et al. y Mackus & Schneider et al.. También está disponible en línea una base de datos interactiva e impulsada por la comunidad sobre los procesos ALD que genera una descripción general actualizada en forma de una tabla periódica anotada.

La técnica hermana de la deposición de capas atómicas, la deposición de capas moleculares (MLD), utiliza precursores orgánicos para depositar polímeros. Combinando las técnicas ALD/MLD, es posible crear películas híbridas puras y altamente conformes para muchas aplicaciones.

Otra tecnología relacionada con ALD es la síntesis de infiltración secuencial (SIS, por sus siglas en inglés), que utiliza exposiciones alternas al vapor precursor para infiltrar y modificar polímeros. SIS también se conoce como infiltración en fase de vapor (VPI) e infiltración de vapor secuencial (SVI).

Historia

años 60

En la década de 1960, Stanislav Koltsov, junto con Valentin Aleskovsky y sus colegas, desarrollaron experimentalmente los principios de ALD en el Instituto Tecnológico de Leningrado (LTI) en la Unión Soviética. El objetivo era desarrollar experimentalmente las consideraciones teóricas de la "hipótesis marco" acuñado por Aleskovsky en su tesis de habilitación de 1952. Los experimentos comenzaron con reacciones de cloruro metálico y agua con sílice porosa, y pronto se extendieron a otros materiales de sustrato y películas delgadas planas. Aleskovskii y Koltsov propusieron juntos el nombre "Molecular Layering" para la nueva técnica en 1965. Los principios de la estratificación molecular se resumieron en la tesis doctoral ("tesis de profesor") de Koltsov en 1971. Las actividades de investigación de la estratificación molecular cubrieron un amplio alcance, desde lo fundamental Desde investigación química hasta investigación aplicada con catalizadores porosos, sorbentes y rellenos, microelectrónica y más.

En 1974, al iniciar el desarrollo de pantallas electroluminiscentes de película delgada (TFEL) en Instrumentarium Oy en Finlandia, Tuomo Suntola ideó ALD como una tecnología avanzada de película delgada. Suntola la llamó epitaxia de la capa atómica (ALE) basándose en el significado de "epitaxia" en idioma griego, "arreglo sobre". Los primeros experimentos se realizaron con Zn y S elementales para cultivar ZnS. ALE como medio para el crecimiento de películas delgadas fue patentado internacionalmente en más de 20 países. Se produjo un gran avance cuando Suntola y sus colaboradores cambiaron de reactores de alto vacío a reactores de gas inerte, lo que permitió el uso de reactivos compuestos como cloruros metálicos, sulfuro de hidrógeno y vapor de agua para realizar el proceso ALE. La tecnología se reveló por primera vez en la conferencia SID de 1980. El prototipo de pantalla TFEL presentado consistía en una capa de ZnS entre dos capas dieléctricas de óxido de aluminio, todas ellas fabricadas en un proceso ALE utilizando ZnCl₂ + H₂S y AlCl_3. + H₂O como reactivos. La primera prueba de concepto a gran escala de pantallas ALE-EL fueron los paneles de información de vuelo instalados en el aeropuerto de Helsinki-Vantaa en 1983. La producción de pantallas planas TFEL comenzó a mediados de la década de 1980 por Lohja Oy en la fábrica de Olarinluoma. La investigación académica sobre ALE comenzó en la Universidad Tecnológica de Tampere (donde Suntola dio conferencias sobre física electrónica) en los años 1970, y en los años 1980 en la Universidad Tecnológica de Helsinki. La fabricación de pantallas TFEL siguió siendo hasta la década de 1990 la única aplicación industrial de ALE. En 1987, Suntola inició el desarrollo de la tecnología ALE para nuevas aplicaciones como dispositivos fotovoltaicos y catalizadores heterogéneos en Microchemistry Ltd., fundada a tal efecto por la petrolera nacional finlandesa Neste Oy. En la década de 1990, el desarrollo de ALE en microquímica se dirigió a aplicaciones de semiconductores y reactores ALE adecuados para el procesamiento de obleas de silicio. En 1999, Microchemistry Ltd. y la tecnología ALD se vendieron a la holandesa ASM International, un importante proveedor de equipos de fabricación de semiconductores, y Microchemistry Ltd. se convirtió en ASM Microchemistry Oy como empresa filial finlandesa de ASM. Microchemistry Ltd/ASM Microchemistry Ltd era el único fabricante de reactores ALD comerciales en la década de 1990. A principios de la década de 2000, la experiencia en reactores ALD en Finlandia dio origen a dos nuevos fabricantes, Beneq Oy y Picosun Oy, este último fundado por Sven Lindfors, colaborador cercano de Suntola desde 1975. El número de fabricantes de reactores aumentó rápidamente y las aplicaciones de semiconductores se convirtió en el avance industrial de la tecnología ALD, ya que ALD se convirtió en una tecnología habilitadora para la continuación de la ley de Moore. En 2004, Tuomo Suntola recibió el premio europeo SEMI por el desarrollo de la tecnología ALD para aplicaciones de semiconductores y en 2018 el Premio de Tecnología del Milenio.

Los desarrolladores de ML y ALE se reunieron en la primera conferencia internacional sobre epitaxia de capas atómicas, "ALE-1" en Espoo, Finlandia, 1990. Se hizo un intento de exponer el alcance de los trabajos de estratificación molecular en un artículo de revisión científica de ALD en 2005 y más tarde en las publicaciones relacionadas con VPHA.

El nombre "deposición de capas atómicas" Al parecer, Markku Leskelä (profesor de la Universidad de Helsinki) propuso por primera vez por escrito como alternativa al ALE en analogía con la ECV en la conferencia ALE-1 celebrada en Espoo, Finlandia. Pasó aproximadamente una década antes de que el nombre obtuviera aceptación general con el inicio de la serie de conferencias internacionales sobre ALD organizadas por la American Vacuum Society.

00s

En 2000, Gurtej Singh Sandhu y Trung T. Doan de Micron Technology iniciaron el desarrollo de películas de alto κ de deposición de capas atómicas para dispositivos de memoria DRAM. Esto ayudó a impulsar la implementación rentable de memorias semiconductoras, comenzando con la DRAM de nodo de 90 nm. Intel Corporation ha informado que utiliza ALD para depositar dieléctrico de puerta de alto κ para su tecnología CMOS de 45 nm.

ALD se ha desarrollado en dos descubrimientos independientes bajo los nombres de epitaxia de capa atómica (ALE, Finlandia) y estratificación molecular (ML, Unión Soviética). Para aclarar la historia temprana, en el verano de 2013 se creó el Proyecto Virtual sobre la Historia de ALD (VPHA). Dio lugar a varias publicaciones que revisan el desarrollo histórico de ALD bajo los nombres ALE y ML.

década de 2010

En 2010, la síntesis de infiltración secuencial (SIS), reportada por primera vez por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne, se agregó a la familia de técnicas derivadas de ALD.

Mecanismos de reacción superficial

En un proceso ALD prototípico, un sustrato se expone a dos reactivos A y B de forma secuencial y sin superposición. A diferencia de otras técnicas como la deposición química de vapor (CVD), en la que el crecimiento de películas delgadas se produce en estado estacionario, en ALD cada reactivo reacciona con la superficie de forma autolimitada: las moléculas del reactivo sólo pueden reaccionar con una número finito de sitios reactivos en la superficie. Una vez que todos esos sitios se han consumido en el reactor, el crecimiento se detiene. Las moléculas de reactivo restantes se eliminan y sólo entonces se inserta el reactivo B en el reactor. Al alternar exposiciones de A y B, se deposita una película delgada. Este proceso se muestra en la figura lateral. En consecuencia, cuando se describe un proceso ALD, se hace referencia tanto a los tiempos de dosis (el tiempo que una superficie está expuesta a un precursor) como a los tiempos de purga (el tiempo que queda entre dosis para que el precursor evacue la cámara) para cada precursor. La secuencia dosis-purga-dosis-purga de un proceso ALD binario constituye un ciclo ALD. Además, en lugar de utilizar el concepto de tasa de crecimiento, los procesos ALD se describen en términos de su crecimiento por ciclo.

En ALD, se debe dejar suficiente tiempo en cada paso de reacción para que se pueda lograr una densidad de adsorción completa. Cuando esto sucede el proceso ha llegado a la saturación. Este tiempo dependerá de dos factores clave: la presión del precursor y la probabilidad de que se pegue. Por tanto, la tasa de adsorción por unidad de superficie se puede expresar como:

${\displaystyle {R_{abs}=S*F}$

Donde R es la tasa de adsorción, S es la probabilidad de adherencia y F es el flujo molar incidente. Sin embargo, una característica clave de ALD es que la S cambiará con el tiempo, a medida que más moléculas hayan reaccionado con la superficie, esta probabilidad de adherencia será menor hasta alcanzar un valor de cero una vez que se alcance la saturación.

Los detalles específicos sobre los mecanismos de reacción dependen en gran medida del proceso ALD en particular. Con cientos de procesos disponibles para depositar óxidos, metales, nitruros, sulfuros, calcogenuros y materiales fluorados, desentrañar los aspectos mecanicistas de los procesos ALD es un campo de investigación activo. A continuación se muestran algunos ejemplos representativos.

ALD térmico

La ALD térmica requiere temperaturas que oscilan entre temperatura ambiente (~20 °C) y 350 °C para el intercambio de ligandos o reacciones superficiales de tipo combustión. Ocurre a través de reacciones superficiales, lo que permite un control preciso del espesor sin importar la geometría del sustrato (sujeto a la relación de aspecto) y el diseño del reactor.

La síntesis de Al₂O₃ a partir de trimetilaluminio (TMA) y agua es uno de los ejemplos de ALD térmico más conocidos. Durante la exposición a TMA, TMA se quimiosorbe disociativamente en la superficie del sustrato y cualquier TMA restante se bombea fuera de la cámara. La quimisorción disociativa de TMA deja una superficie cubierta con AlCH₃. Luego, la superficie se expone al vapor de H₂O, que reacciona con la superficie –CH₃ formando CH₄ como subproducto de la reacción y dando como resultado una superficie de Al₂O₃ hidroxilada.

ALD plasmática

En la ALD asistida por plasma (PA-ALD), la alta reactividad de las especies del plasma permite reducir la temperatura de deposición sin comprometer la calidad de la película; Además, se puede utilizar una gama más amplia de precursores y, por tanto, se puede depositar una gama más amplia de materiales en comparación con el ALD térmico.

ALD espacial

En la ALD temporal, las dosis separadas de precursor y correactivo se separan entre sí en tiempo mediante un paso de purga. Por el contrario, en la ALD espacial (s-ALD), estos gases se entregan en diferentes ubicaciones, por lo que están separados en el espacio. En s-ALD a presión atmosférica, el precursor y el correactivo se suministran continuamente y están separados entre sí por una cortina de gas para evitar reacciones en fase gaseosa. Dicha cortina de gas normalmente consta de posiciones de inyección y escape de nitrógeno, consulte la Figura 1. A medida que los sustratos se mueven a través de las diferentes zonas de gas, se producen reacciones autolimitantes en la superficie del sustrato y se lleva a cabo el proceso ALD. Como este proceso puede acelerarse fácilmente, la tasa de deposición de ALD espacial puede ser mucho mayor que la de ALD convencional. Por ejemplo, para ALD de Al₂O₃ la tasa de deposición aumenta de 100-300 nm por hora a 60 nm por minuto.

La naturaleza en línea del ALD espacial lo hace adecuado para líneas de producción de gran volumen y producción rollo a rollo. En general, s-ALD se ha empleado para aplicar barreras de permeación de humedad, capas de pasivación en células solares de silicio y capas funcionales en baterías. La química de los procesos ALD espaciales es comparable con los procesos ALD temporales típicos, y los materiales que se han explorado incluyen óxidos metálicos inorgánicos como Al₂O₃, (Al- o Ga dopado) ZnO, SiO₂, In₂O₃, InZnO, LIPON, Zn(O,S), SnO_{x< /sub> y TiOx , pero también se pueden depositar metales PMG (Pt, Ir, Ru). Además, las moléculas orgánicas se pueden cultivar en combinación con átomos inorgánicos para permitir la deposición de capas moleculares (MLD). Se ha demostrado que la ALD espacial mejorada con plasma u ozono generalmente reduce las temperaturas de deposición requeridas.}

ALD asistido por fotografía

En esta variedad de ALD, la luz ultravioleta se utiliza para acelerar las reacciones superficiales en el sustrato. Por tanto, la temperatura de reacción se puede reducir, como en la ALD asistida por plasma. En comparación con la ALD asistida por plasma, la activación es más débil, pero suele ser más fácil de controlar ajustando la longitud de onda, la intensidad y el tiempo de iluminación.

ALD metálico

El metal de cobre ALD ha atraído mucha atención debido a la demanda de cobre como material de interconexión y la relativa facilidad con la que el cobre se puede depositar térmicamente. El cobre tiene un potencial electroquímico estándar positivo y es el metal que se reduce más fácilmente de los metales de transición de la primera fila. Por lo tanto, se han desarrollado numerosos procesos ALD, incluidos varios que utilizan gas hidrógeno como correactivo. Idealmente, la ALD de metal de cobre debe realizarse a ≤100 °C para lograr películas continuas con baja rugosidad superficial, ya que temperaturas más altas pueden provocar la aglomeración del cobre depositado.

Algunos metales pueden crecer mediante ALD mediante reacciones de eliminación de fluorosilano utilizando un haluro metálico y un precursor de silicio (por ejemplo, SiH4, Si2H6) como reactivos. Estas reacciones son muy exotérmicas debido a la formación de enlaces estables Si-F. Los metales depositados por eliminación de fluorosilano incluyen tungsteno y molibdeno. Como ejemplo, las reacciones superficiales del metal de tungsteno ALD utilizando WF₆ y Si₂H₆ como reactivos se pueden expresar como

WSiF₂H* + WF₆ → WWF₅* + SiF₃H

WF₅* + Si₂H₆ → WSiF₂H* + SiF₃H + 2 H₂

La reacción general de ALD es

WF₆ + Si₂H₆ → W + SiF₃H + 2 H₂, ≥H = –181 kcal

La tasa de crecimiento puede variar de 4 a 7 Å/ciclo dependiendo de la temperatura de deposición (177 a 325 °C) y la exposición al reactivo Si₂H₆ (~ 10⁴ a 10⁶ L), factores que pueden influir en la inserción de Si₂H₆ en enlaces Si-H y resultará en una contribución de CVD de silicio al crecimiento de ALD de tungsteno.

La ALD térmica de muchos otros metales es un desafío (o actualmente imposible) debido a sus potenciales electroquímicos muy negativos. Recientemente, la aplicación de nuevos agentes reductores fuertes ha dado lugar a los primeros informes de procesos ALD térmicos a baja temperatura para varios metales electropositivos. El cromo metálico se depositó utilizando un precursor de alcóxido de cromo y BH₃(NHMe₂). Los metales de titanio y estaño se desarrollaron a partir de sus respectivos cloruros metálicos (MCl₄, M = Ti, Sn) y un compuesto de anillo de seis miembros bis(trimetilsililo). El aluminio metálico se depositó utilizando un precursor de dihidruro de aluminio y AlCl3.

SiO2 ALD catalítico

El uso de catalizadores es de suma importancia para ofrecer métodos confiables de SiO₂ ALD. Sin catalizadores, las reacciones superficiales que conducen a la formación de SiO₂ son generalmente muy lentas y sólo ocurren a temperaturas excepcionalmente altas. Los catalizadores típicos para SiO₂ ALD incluyen bases de Lewis como NH₃ o piridina y SiO₂; La ALD también puede iniciarse cuando estas bases de Lewis se acoplan con otros precursores de silicio como el tetraetoxisilano (TEOS). Se cree que el enlace de hidrógeno se produce entre la base de Lewis y la especie de superficie SiOH* o entre el reactivo basado en H2O y la base de Lewis. El oxígeno se convierte en un nucleófilo más fuerte cuando la base de Lewis se une a enlaces de hidrógeno con las especies de superficie SiOH* porque el enlace SiO-H se debilita efectivamente. Como tal, el átomo de Si electropositivo en el reactivo SiCl₄ es más susceptible al ataque nucleofílico. De manera similar, los enlaces de hidrógeno entre una base de Lewis y un reactivo H₂O hacen que el O electronegativo en H₂O sea un nucleófilo fuerte que es capaz de atacar el Si en un SiCl existente. * especies de superficie. El uso de un catalizador de base de Lewis es más o menos un requisito para SiO₂ ALD, ya que sin un catalizador de base de Lewis, las temperaturas de reacción deben exceder los 325 °C y las presiones deben exceder los 10^{3torr. Generalmente, la temperatura más favorable para realizar SiO₂ ALD es 32 °C y una tasa de deposición común es de 1,35 angstroms por secuencia de reacción binaria. A continuación se proporcionan dos reacciones superficiales para SiO₂ ALD, una reacción general y un esquema que ilustra la catálisis de base de Lewis en SiO₂ ALD.}

Reacciones primarias en la superficie:

SiOH* + SiCl₄ → SiOSiCl₃* + HCl

SiCl* + H₂O → SiOH* + HCl

Reacción global ALD:

SiCl₄ + 2H₂O → SiO₂ + 4 HCl

Aplicaciones

Aplicaciones de microelectrónica

ALD es un proceso útil para la fabricación de microelectrónica debido a su capacidad para producir espesores precisos y superficies uniformes, además de la producción de películas de alta calidad utilizando varios materiales diferentes. En microelectrónica, ALD se estudia como una técnica potencial para depositar óxidos de compuerta de alta κ (alta permitividad), dieléctricos de condensadores de memoria de alta κ, ferroeléctricos y metales y nitruros para electrodos e interconexiones. En los óxidos de puerta de alto κ, donde el control de películas ultrafinas es esencial, es probable que ALD sólo se utilice más ampliamente en la tecnología de 45 nm. En las metalizaciones se requieren películas conformales; Actualmente se espera que ALD se utilice en la producción principal en el nodo de 65 nm. En las memorias dinámicas de acceso aleatorio (DRAM), los requisitos de conformidad son aún mayores y ALD es el único método que se puede utilizar cuando los tamaños de las características son inferiores a 100 nm. Varios productos que utilizan ALD incluyen cabezales de grabación magnéticos, pilas de compuertas MOSFET, condensadores DRAM, memorias ferroeléctricas no volátiles y muchos otros.

Óxidos de puerta

La deposición de óxidos de alto κ Al2O3, ZrO2 y HfO2 ha sido una de las áreas de ALD más ampliamente examinadas. La motivación para los óxidos de alto κ proviene del problema de la alta corriente de túnel a través del dieléctrico de compuerta SiO2 comúnmente utilizado en los MOSFET cuando se reduce a un espesor de 1,0 nm o menos. Con el óxido de alto κ, se puede fabricar un dieléctrico de puerta más grueso para la densidad de capacitancia requerida, de modo que se puede reducir la corriente de túnel a través de la estructura.

Nitruros de metales de transición

Los nitruros de metales de transición, como TiN y TaN, encuentran un uso potencial como barreras metálicas y como metales de puerta. Las barreras metálicas se utilizan para encerrar las interconexiones de cobre utilizadas en los circuitos integrados modernos para evitar la difusión de Cu hacia los materiales circundantes, como los aisladores y el sustrato de silicio, y también para evitar la contaminación de Cu por elementos que se difunden desde los aisladores al rodear cada interconexión de Cu. con una capa de barreras metálicas. Las barreras metálicas tienen exigencias estrictas: deben ser puras; denso; conductivo; conforme; delgado; Tienen buena adherencia hacia metales y aislantes. ALD puede cumplir los requisitos relativos a la técnica del proceso. El nitruro de ALD más estudiado es el TiN, que se deposita a partir de TiCl₄ y NH₃.

Películas metálicas

Las motivaciones de interés en el metal ALD son:

1. Cu interconexiones y enchufes W, o al menos Cu capas de semilla para Cu electrodeposición y semillas W para W CVD,
2. nitridos de transición-metal (por ejemplo TiN, TaN, WN) para las barreras de interconexión Cu
3. metales nobles para la memoria ferroeléctrica de acceso aleatorio (FRAM) y electrodos condensadores DRAM
4. metales de alta y baja función para MOSFETs de doble compás.

Cabezales de grabación magnéticos

Los cabezales de grabación magnéticos utilizan campos eléctricos para polarizar partículas y dejar un patrón magnetizado en un disco duro. Al₂O₃ ALD se utiliza para crear capas delgadas y uniformes de aislamiento. Al utilizar ALD, es posible controlar el espesor del aislamiento con un alto nivel de precisión. Esto permite patrones más precisos de partículas magnetizadas y, por tanto, grabaciones de mayor calidad.

Condensadores DRAM

Los condensadores DRAM son otra aplicación más de ALD. Una celda DRAM individual puede almacenar un solo bit de datos y consta de un solo transistor MOS y un condensador. Se están realizando grandes esfuerzos para reducir el tamaño del condensador, lo que efectivamente permitirá una mayor densidad de memoria. Para cambiar el tamaño del capacitor sin afectar la capacitancia, se utilizan diferentes orientaciones de celda. Algunos de estos incluyen condensadores apilados o de zanja. Con la aparición de los condensadores de trinchera, entra en juego el problema de fabricarlos, especialmente a medida que disminuye el tamaño de los semiconductores. ALD permite escalar las características de la zanja a más de 100 nm. La capacidad de depositar capas individuales de material permite un gran control sobre el material. Excepto por algunos problemas de crecimiento incompleto de la película (en gran parte debido a una cantidad insuficiente o a sustratos de baja temperatura), ALD proporciona un medio eficaz para depositar películas delgadas como dieléctricos o barreras.

Aplicaciones Fotovoltaicas

El uso de la técnica ALD en células solares se está volviendo más prominente con el tiempo. En el pasado, se ha utilizado para depositar capas de pasivación superficial en células solares de silicio cristalino (c-Si), capas amortiguadoras en células solares de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y capas de barrera en células solares sensibilizadas por colorante (DSSC). Por ejemplo, Schmidt et al demostró el uso de Al2O3 cultivado con ALD para aplicaciones de células solares. Se utilizó como capa de pasivación superficial para el desarrollo de células solares PERC (emisor pasivado y célula trasera). El uso de la técnica ALD para depositar capas de transporte de carga (CTL) también se está explorando ampliamente en células solares de perovskita. La capacidad de ALD para depositar películas conformes y de alta calidad con un control preciso del espesor puede proporcionar una gran ventaja para adaptar con precisión las interfaces entre CTL y la capa de perovskita. Además, puede resultar útil para obtener películas uniformes y sin poros en grandes áreas. Estos aspectos hacen de ALD una técnica prometedora para mejorar y estabilizar aún más el rendimiento de las células solares de perovskita.

Aplicaciones electroópticas

Acopladores de película delgada

A medida que surgen los circuitos integrados fotónicos (PIC), a menudo de manera similar a los circuitos integrados electrónicos, se necesita una amplia variedad de estructuras de dispositivos ópticos en chips. Un ejemplo es el acoplador nanofotónico que se comporta como un divisor de haz de tamaño micrométrico en la intersección de guías de ondas ópticas en el que las zanjas de alta relación de aspecto (~100 nm de ancho x 4 micrómetros de profundidad) se definen primero mediante grabado y luego se rellenan con óxido de aluminio mediante ALD. para formar interfaces de calidad óptica.

Aplicaciones biomédicas

Comprender y poder especificar las propiedades de la superficie de los dispositivos biomédicos es fundamental en la industria biomédica, especialmente en lo que respecta a los dispositivos que se implantan en el cuerpo. Un material interactúa con el entorno en su superficie, por lo que las propiedades de la superficie dirigen en gran medida las interacciones del material con su entorno. La química y la topografía de la superficie afectan la adsorción de proteínas, las interacciones celulares y la respuesta inmune.

Algunos usos actuales en aplicaciones biomédicas incluyen la creación de sensores flexibles, la modificación de membranas nanoporosas, ALD de polímero y la creación de recubrimientos biocompatibles delgados. ALD se ha utilizado para depositar películas de TiO₂ para crear sensores de guía de ondas ópticas como herramientas de diagnóstico. Además, ALD es beneficioso para crear dispositivos sensores flexibles que pueden usarse, por ejemplo, en la ropa de los atletas para detectar movimiento o frecuencia cardíaca. ALD es un posible proceso de fabricación de transistores de efecto de campo orgánicos flexibles (OFET) porque es un método de deposición a baja temperatura.

Los materiales nanoporosos están surgiendo en toda la industria biomédica en la administración de fármacos, implantes e ingeniería de tejidos. El beneficio de usar ALD para modificar las superficies de materiales nanoporosos es que, a diferencia de muchos otros métodos, la naturaleza de saturación y autolimitación de las reacciones significa que incluso las superficies e interfaces profundamente incrustadas están recubiertas con una película uniforme. El tamaño de los poros de las superficies nanoporosas puede reducirse aún más en el proceso ALD porque el recubrimiento conformado cubrirá completamente el interior de los poros. Esta reducción del tamaño de los poros puede resultar ventajosa en determinadas aplicaciones.

Como barrera de permeación para plásticos

ALD se puede utilizar como barrera de permeación para plásticos. Por ejemplo, está bien establecido como método para encapsular OLED en plástico. ALD también se puede utilizar para inocular piezas de plástico impresas en 3D para su uso en entornos de vacío mitigando la desgasificación, lo que permite herramientas personalizadas de bajo costo tanto para el procesamiento de semiconductores como para aplicaciones espaciales. ALD se puede utilizar para formar una barrera sobre plásticos en procesos rollo a rollo.

La calidad y su control

La calidad de un proceso ALD se puede monitorear utilizando varias técnicas de imágenes diferentes para garantizar que el proceso ALD se desarrolle sin problemas y produzca una capa conforme sobre una superficie. Una opción es el uso de microscopía electrónica de barrido transversal (SEM) o microscopía electrónica de transmisión (TEM). Una gran ampliación de las imágenes es pertinente para evaluar la calidad de una capa ALD. La reflectividad de rayos X (XRR) es una técnica que mide las propiedades de las películas delgadas, incluido el espesor, la densidad y la rugosidad de la superficie. Otra herramienta de evaluación de la calidad óptica es la elipsometría espectroscópica. Su aplicación entre las deposiciones de cada capa mediante ALD proporciona información sobre la tasa de crecimiento y características materiales de la película.

La aplicación de esta herramienta de análisis durante el proceso ALD, a veces denominada elipsometría espectroscópica in situ, permite un mayor control sobre la tasa de crecimiento de las películas durante el proceso ALD. Este tipo de control de calidad se produce durante el proceso ALD en lugar de evaluar las películas después como en las imágenes TEM o XRR. Además, la espectroscopia de retrodispersión de Rutherford (RBS), la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), la espectroscopia de electrones Auger (AES) y la detección de cuatro terminales se pueden utilizar para proporcionar información de control de calidad con respecto a películas delgadas depositadas por ALD.

Ventajas y limitaciones

Ventajas

ALD proporciona un método muy controlado para producir una película con un espesor atómicamente especificado. Además, el crecimiento de diferentes estructuras multicapa es sencillo. Debido a la sensibilidad y precisión del equipo, resulta muy beneficioso para quienes trabajan en el campo de la microelectrónica y la nanotecnología a la hora de producir semiconductores pequeños pero eficientes. La ALD normalmente implica el uso de temperaturas relativamente bajas y un catalizador, que se favorece termoquímicamente. La temperatura más baja es beneficiosa cuando se trabaja con sustratos blandos, como muestras orgánicas y biológicas. Algunos precursores que son térmicamente inestables aún pueden usarse siempre que su velocidad de descomposición sea relativamente lenta.

Desventajas

La alta pureza de los sustratos es muy importante y, como tal, se producirán altos costes. Aunque este costo puede no ser muy alto en relación con el costo del equipo necesario, es posible que sea necesario realizar varias pruebas antes de encontrar las condiciones que favorezcan el producto deseado. Una vez que se ha formado la capa y se completa el proceso, puede ser necesario eliminar el exceso de precursores del producto final. En algunos productos finales hay menos del 1% de impurezas presentes.

Viabilidad económica

Los instrumentos de deposición de capas atómicas pueden costar entre 200 000 y 800 000 dólares, según la calidad y eficiencia del instrumento. No existe un costo fijo por ejecutar un ciclo de estos instrumentos; el costo varía dependiendo de la calidad y pureza de los sustratos utilizados, así como de la temperatura y el tiempo de funcionamiento de la máquina. Algunos sustratos están menos disponibles que otros y requieren condiciones especiales, ya que algunos son muy sensibles al oxígeno y pueden aumentar la velocidad de descomposición. Los óxidos multicomponente y ciertos metales tradicionalmente necesarios en la industria microelectrónica generalmente no son rentables.

Tiempo de reacción

El proceso de ALD es muy lento y se sabe que es su principal limitación. Por ejemplo, Al₂O₃ se deposita a una tasa de 0.11 nm por ciclo, que puede corresponder a una tasa media de deposición de 100–300 nm por hora, dependiendo de la duración del ciclo y la velocidad de bombeo. Este problema puede ser sobrecostado mediante el uso de ALD espacial, donde el sustrato se mueve en el espacio debajo de un cabezal de ducha ALD especial, y ambos los gases precursores se separan por cortinas de gas/bearings. De esta manera, se podrían alcanzar tasas de deposición de 60 nm por minuto. ALD se utiliza normalmente para producir sustratos para la microelectrónica y la nanotecnología, por lo que no se necesitan capas atómicas gruesas. Muchos sustratos no se pueden utilizar debido a su fragilidad o impureza. Las impurezas se encuentran típicamente en el 0.1-1 at.% debido a algunos de los gases portadores son conocidos para dejar residuos y también son sensibles al oxígeno.

Limitaciones químicas

Los precursores deben ser volátiles, pero no sujetos a descomposición, ya que la mayoría de los precursores son muy sensibles al oxígeno/aire, lo que provoca una limitación en los sustratos que pueden usarse. Algunos sustratos biológicos son muy sensibles al calor y pueden tener velocidades de descomposición rápidas que no se ven favorecidas y producen mayores niveles de impurezas. Hay una multitud de materiales de sustrato de película delgada disponibles, pero los sustratos importantes necesarios para su uso en microelectrónica pueden ser difíciles de obtener y muy costosos.