Onderzoekers ontwikkelen een nieuw afzettingsproces voor atoomlagen

Een nieuwe manier om dunne lagen atomen als een coating op een substraatmateriaal af te zetten bij bijna kamertemperatuur, is uitgevonden aan de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH), een onderdeel van het University of Alabama System.

Dr. Moonhyung Jang, postdoctoraal onderzoeksmedewerker van de UAH, kreeg het idee om een ​​ultrasone vernevelingstechnologie te gebruiken om chemicaliën te verdampen die worden gebruikt bij atomaire laagafzetting (ALD) tijdens het winkelen voor een luchtbevochtiger voor thuis.

Dr. Jang werkt in het laboratorium van Dr. Yu Lei, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie. Het paar heeft een artikel over hun uitvinding gepubliceerd dat is geselecteerd als keuze van de redacteur in de Journal of Vacuum Science & Technology A.

“ALD is een driedimensionale dunnefilmafzettingstechniek die een belangrijke rol speelt bij de fabricage van micro-elektronica, bij het produceren van items zoals centrale verwerkingseenheden, geheugen en harde schijven”, zegt Dr. Lei.

Bij elke ALD-cyclus wordt een laag enkele atomen diep afgezet. Een ALD-proces herhaalt de afzettingscyclus honderden of duizenden keren. De uniformiteit van de dunne films berust op een zelfbeperkende oppervlaktereactie tussen de chemische precursordamp en de substraten.

“ALD biedt uitzonderlijke controle over nanometerkenmerken terwijl de materialen gelijkmatig op grote siliciumwafels worden gedeponeerd voor productie in grote hoeveelheden”, zegt Dr. Lei. “Het is een sleuteltechniek om krachtige en kleine slimme apparaten te produceren.”

Terwijl hij online op zoek was naar een veilige en gebruiksvriendelijke luchtbevochtiger voor thuis, merkte Dr. Jang op dat luchtbevochtigers op de markt ofwel directe verwarming bij hoge temperatuur of ultrasone verstuiver-trillingen bij kamertemperatuur gebruiken om de watermist te genereren.

“Moon realiseerde zich plotseling dat dit laatste een veilige en eenvoudige manier zou kunnen zijn om dampen te genereren voor reactieve chemicaliën die thermisch onstabiel zijn”, zegt Dr. Lei.

“De volgende dag kwam Moon om het idee te bespreken en we ontwierpen de experimenten om het concept in ons onderzoekslaboratorium te bewijzen. Het hele proces duurde bijna een jaar. Maar het geweldige idee kwam als een flits naar Moon.”

ALD-processen zijn meestal afhankelijk van verwarmde gasfase-moleculen die worden verdampt uit hun vaste of vloeibare vorm, vergelijkbaar met kamerbevochtigers die warmte gebruiken om water te verdampen. Maar in dat ALD-proces zijn sommige chemische voorlopers niet stabiel en kunnen ze ontleden voordat ze een voldoende dampspanning voor ALD bereiken.

“In het verleden werden veel reactieve chemicaliën niet geschikt geacht voor ALD vanwege hun lage dampspanning en omdat ze thermisch onstabiel zijn”, zegt Dr. Lei. “Ons onderzoek wees uit dat de ultrasone verstuivertechniek het verdampen van de reactieve chemicaliën bij kamertemperatuur mogelijk maakte.”

De echografie-uitvinding van de UAH-wetenschappers maakt het mogelijk om een ​​breed scala aan reactieve chemicaliën te gebruiken die thermisch onstabiel zijn en niet geschikt voor directe verwarming.

“Ultrasone verneveling, zoals ontwikkeld door onze onderzoeksgroep, levert precursors voor lage dampdruk omdat de verdamping van precursors werd bewerkstelligd door ultrasoon trillen van de module”, zegt Dr. Lei.

“Net als de luchtbevochtiger voor huishoudelijk gebruik genereert ultrasone verneveling een nevel die bestaat uit verzadigde damp en druppeltjes van microformaat”, zegt hij. “De druppeltjes van microformaat verdampen continu wanneer de nevel door een draaggas op de substraten wordt afgegeven.”

Het proces maakt gebruik van een piëzo-elektrische ultrasone transducer die in een vloeibare chemische precursor is geplaatst. Eenmaal gestart, begint de transducer een paar honderdduizend keer per seconde te trillen en een nevel van de chemische precursor te genereren. De kleine vloeistofdruppeltjes in de nevel worden snel verdampt in het gasverdeelstuk onder vacuüm en milde warmtebehandeling, waardoor een gelijkmatige laag van het afzettingsmateriaal achterblijft.

“Door gebruik te maken van de ultrasone verneveling bij kamertemperatuur zoals gerapporteerd door ons manuscript, kunnen nieuwe ALD-processen worden ontwikkeld met gebruikmaking van lage vluchtigheid en onstabiele voorlopers”, zegt Dr. Lei. “Het opent een nieuw venster voor veel ALD-processen.”

In hun paper demonstreren de UAH-onderzoekers proof of concept door titaniumoxide ALD te vergelijken met respectievelijk thermisch verdampte en kamertemperatuur ultrasone verstoven chemische precursors.

“De TiO₂ dunne filmkwaliteit is vergelijkbaar ”, zegt dr. Lei.