Atomlagenabscheidung

Die Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) ist ein stark verändertes CVD-Verfahren zur Abscheidung von dünnen Schichten.

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Geschichte

Entwickelt wurde ALD bereits Ende der 1970er, damals noch unter dem Namen Atomlagenepitaxie (atomic layer epitaxy, ALE) ^[1]. Damals wurde nach einer Methode gesucht, um hochwertige Schichten auf großflächigen Substraten beispielsweise für Dünnfilmelektrolumineszenz-Displays (TFEL) herzustellen.

In den 1980er Jahren führte die Aussicht, ALD auch für Epitaxialhalbleitern zu nutzen, zu großen Investitionen in diesem Bereich. Wegen der chemischen Unverträglichkeit von Alkylverbindungen der Gruppe III und Hydriden der Gruppe V brachte die ALD aber keine echten Vorteile gegenüber der Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE).

Erst Mitte der 1990er Jahre fand ALD wieder stärkere Beachtung als eine aussichtsreiche Fertigungstechnik in der siliciumbasierten Mikroelektronik. Hauptgrund dafür ist die fortschreitende Strukturverkleinerung und höhere Ansprüche an die Aspektverhältnisse bei integrierten Schaltkreisen. Damit verbunden ist die Suche nach neuen Materialien und Abscheidungstechniken wie ALD.

Prinzip

Die Atomlagenabscheidung ist ein verändertes CVD-Verfahren, bei dem die Reaktanten in eine Vakuumkammer geleitet werden. Im Unterschied dazu findet das Schichtwachstum bei der ALD in einer zyklischen Weise statt.

Ein Wachstumszyklus umfasst normalerweise vier Schritte:

1. Einwirkung der ersten Vorstufe
2. Spülen der Reaktionskammer,
3. Einwirkung der zweiten Vorstufe
4. Zweites Spülen der Reaktionskammer

Dieser Zyklus wird so oft wiederholt bis die gewünschte Filmdicke erreicht ist. Je nach Verfahren und Reaktor dauert ein Zyklus zwischen 0,5 und einigen Sekunden, wobei pro Zyklus 0,1–3 Å an Filmmaterial erzeugt werden.

Im Idealfall verläuft jeder Einwirkungschritt vollständig, d. h., die Vorstufenmoleküle (Precursor) chemisorbieren oder reagieren mit den Oberflächengruppen bis die Oberfläche vollständig belegt ist. Danach findet keine weitere Adsorption statt. Das Schichtwachstum ist unter diesen Reaktionsbedingungen selbstkontrollierend, d. h., die Menge des in jedem Reaktionszyklus abgeschiedenen Schichtmaterials ist konstant.

Daraus ergeben sich mehrere Vorteile für die ALD:

• Die Schichtdicke hängt nur von der Zahl der Reaktionszyklen ab, was eine exakte und einfache Steuerung ermöglicht.
• Niedrigere Anforderungen an die Homogenität des Vorstufenflusses als bei der CVD, daher eignet sich die ALD für die Beschichtung großer Flächen.
• Die separate Dosierung der Vorstufen verhindert Gasphasenreaktionen und ermöglicht den Einsatz hochreaktiver Vorstufen.
• Durch die feste Dosierung bleibt jedem Reaktionsschritt genügend Zeit zur Vervollständigung, dies ermöglicht hochreine Schichten auch bei relativ niedrigen Temperaturen.

Quellen

1. ↑ T. Suntola, J. Antson, U.S. Patent 4,058,430, 1977.