VIP R&D Atomlagenabscheidung als Werkzeug fu ¨r die Nanotechnologie Atomic layer deposition – a tool for nanotechnology Matthias Albert, Johann Wolfgang Bartha Vakuum in Forschung und Praxis 20 (2008) Nr. 1 7–11 Ó 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim DOI:10.1002/vipr.200800339 7 Zusammenfassung Der charakteristische selbst begrenzende Wachstumsmechanismus der Atomlagen- abscheidung (ALD) ermo ¨glicht die Kon- trolle der Schichtdicken im atomaren Be- reich und erlaubt Beschichtungen kom- plexer Oberfla ¨chen. Diese Eigenschaft macht die ALD zu einer vielversprechen- den Technik fu ¨r die zuku ¨nftige Mikro – und Nanotechnologie. Der Schlu ¨ssel fu ¨r die ALD ist die Precursorchemie. Summary The characteristic self-limiting growth me- chanism of atomic layer deposition (ALD) facilitates the control of film thickness at the atomic level and allows deposition on complex surfaces. These features make ALD to a very promising technique for fu- ture micro – and nanotechnology. The precursor chemistry is a key issue in ALD. 1 Einleitung Die Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD) wurde zum ersten Mal von T. Suntola und J. Antson [1] in Finnland unter dem Namen ALE (atomic layer epi- taxie) mit dem Ziel des Aufbringens von extrem du ¨nnen, großfla ¨chigen homogenen Schichten fu ¨r Elektrolumineszenz - Displays (TFEL) angewandt. Die ALD kann prinzi- piell der CVD (chemical vapour deposition) zugeordnet werden, mit der Ausnahme, dass in diesem Prozess keine kontinuierli- che Oberfla ¨chenreaktion erlaubt ist. Sie basiert auf Monolagen - Adsorptionspro- zessen. Die Schicht wird alternierend durch Gaspulse mindestens zweier Precursoren, die sich im Reaktionsvolumen als Gas nicht begegnen du ¨rfen, hergestellt. Die Merkmale der ALD sind: – Die Oberfla ¨chenreaktionen mu ¨ssen selbst begrenzend sein. – Der einzelne Precursor darf im Arbeits- bereich nicht mit sich selbst reagieren. Die selbst begrenzende Charakteristik der Prozessschritte ist die Grundlage eines ALD Prozesses. (Abbildung 1) – Es gibt bei der ALD zwei Mechanismen der Schichtbildung: a) Die Anlagerung an die Oberfla ¨che erfolgt u ¨ber Chemisorptionsprozesse mit nachfolgenden Austauschreaktio- nen. b) Die Anlagerung erfolgt u ¨ber chemi- sche Teilreaktionen. 2 Precursorchemie Die Schichtzusammensetzung und die er- zielten Eigenschaften bei der ALD werden fast ausschließlich durch die Wahl der Precursoren bestimmt. Eine Einflussnahme auf die Schichteigenschaften durch Ionen- beschuß, wie beim Sputtern oder der PECVD bzw. durch ein erho ¨htes thermi- sches Potential wie bei der thermischen CVD, ist nur bedingt mo ¨glich. Plasmapro- zesse werden bei der ALD vor allem zur Erzeugung von Radikalen eingesetzt, be- dingen aber in den meisten Fa ¨llen eine gerichtete Komponente in der Schichtab- scheidung, die den Hauptvorteil der ALD, die extrem gute Konformita ¨t in der Be- schichtung, verschlechtern. Die Substrat- temperatur, als eine weitere Mo ¨glichkeit der Einflussnahme, kann meist nur in einem geringen Bereich variiert werden. Ho ¨here Temperaturen als ca. 400 8C fu ¨hren bei den meisten Precursoren zur Selbst- zersetzung und damit zum CVD Prozess. Die Anforderungen an Precursoren fu ¨r den ALD Prozess sind: – sie sollten leicht verdampfbar und ther- misch stabil sein; – bevorzugt sind Flu ¨ssigkeiten und Gase; – sie mu ¨ssen chemisch an die Oberfla ¨che anbinden; – sie du ¨rfen keine Gasphasenreaktionen und keine Selbstzersetzung im Arbeits- bereich zeigen; – die Sa ¨ttigungszeiten fu ¨r die Oberfla ¨- chenadsorption soll kurz sein; – es darf keine a ¨tzende Wirkung bestehen; – sie mu ¨ssen im Substrat oder wachsenden Film unlo ¨slich sein. Die fu ¨r die ALD mo ¨glichen Kombinationen von Precursoren sind in der Literatur im U ¨ berblick dargestellt (z. B. [2] - [5]). An dieser Stelle soll nur auszugsweise darauf eingegangen werden. Prinzipiell ist es mo ¨glich Isolatoren, Halbleiter, Metalle und Abbildung 1: Sa ¨ttigungsverhalten der einzelnen Prozessschritte