(Coating)ATOMIC LAYER DEPOSITION, AN ENABLING COATING TECHNOLOGY FOR THE NANOTECHNOLOGY FUTURE

Karen Buechler, Steven George, Alan Weimer, and P. Michael Masterson

ALD NanoSolutions, Inc.

 

서론 

 

거의 모든 기존 산업에서 재료 문제가 존재합니다. 이러한 문제에는 열 관리, 확산 저항 특성, 화학 반응 특성, 표면 특성 불일치, 구조적 무결성 및 전기적 특성이 포함됩니다. 이런 문제를 해결하기 위한 재료가 발견되면서 기존 재료의 조합이 이상적인 솔루션인 경우가 많다. 대부분 경우 제2의 물질의 초박막 층으로  캡슐화된 미세 입자가 문제 해결에 필요진다.  표면 특성이 주변 환경과 바람직하게 상호 작용하도록 수정될 때  입자는 벌크 특성을 유지합니다

 

최근에는 화학증기증착물(CVD)에 의한 박막에 의한 기판 코팅에 대한 연구가 주를 이뤘다. ALD 처리 방법은 CVD와 유사하지만 증착 프로세스에 대한 원자 수준 제어가 가능합니다. ALD 동안 이러한 제어는 순차적으로 반응물질을 도입함으로써 달성됩니다. 반대로 CVD 중에는 두 반응물이 동시에 존재합니다. 따라서 CVD 반응이 지속적으로 발생하며 필름 두께를 자동으로 제어할 수 없습니다. CVD 막 두께는 반응 물질 노출 시간, 반응 물질의 압력 및 반응 온도에 따라서만 결정됩니다. 이러한 모든 매개변수를 매우 주의 깊게 제어해야 정확한 두께를 제어할 수 있습니다.

 

비록 입자와 기판이 CVD에 의해 코팅되었지만 CVD의 제한은 다음과 같이 명확히 정의되어야 합니다.
• CVD는 표면 화학을 사용하여 막 두께를 고유하게 제어할 수 없음
• CVD는 반응 시간, 반응 물질 노출 및 반응 온도를 극도로 세심하게 제어해야만 제한된 제어 수준에 도달할 수 있습니다.
• CVD가 순응적으로 증착되는 것이 아니라 반응물 플럭스에 의해 증착이 결정됨 
• CVD 중에 반응 물질이 가스 단계에서 반응할 수 있으며, 결과적으로 입자가 표면에 증착되어 미세하고 부적합한 막이 생성될 수 있습니다.

 

반대로, ALD 방법을 사용하면 CVD의 한계를 극복할 수 있습니다.
• ALD는 표면 화학을 사용하여 피막 두께를 고유하게 제어합니다.
• ALD는 자기 제한적인 표면 반응으로 인해 두께 제어를 제공합니다. 필름 두께는 순차 반응 횟수에 따라 결정됩니다.
• 반응물질 노출이 사용 가능한 모든 표면적에 충분히 도달하면  ALD 균일 증착 
• ALD 중에는 반응물질이 기체상에서 반응하지 않으므로 입자 증착에 문제가 없다.

 

ALD의 기술 설명

원자층 증착(ALD)은 필름을 만들기 위해 기체상 반응물이 있다는 점에서 화학증기증착(CVD)과 유사합니다. 하지만, 여기서부터 유사점이 끝납니다.
화학 증기 증착은 두 반응물을 한 번에 표면을 노출시키는 반면, ALD는 한 번에 하나의 반응물만 표면을 노출시킵니다. ALD에서는 CVD 반응을 두 표면 반작용으로 나눕니다. 반응을 두 단계로 나누면 표면이 새 원자층으로 완전히 코팅될 때까지 각 반응물이 순차적으로 반응합니다.

 

그림 1에 표시된 프로세스는 A 반응물질이 입자 위의 기능적 표면 그룹과 반응하는 것으로 시작됩니다. 모든 표면 부위가 반응하면 더 이상 반응이 일어나지 않습니다. 그 반응은 자기 제한적입니다. 이제 새 기능 그룹이 배치되고 표면이 새 그룹과 반응하는 B 반응 물질에 노출됩니다. 다시 말하지만, 반응은 자기 제한적이며 모든 부위가 원래의 표면 종으로 전환되면 반응이 멈춥니다. 이때 원하는 막 두께에 도달할 때까지 프로세스를 순차적으로 반복할 수 있습니다. 각 단층(전체 AB 주기 1회)은 1옹스트롬(0.1나노미터) 정도의 막 두께를 생성합니다. 성장률은 특정 ALD 시스템에 따라 달라집니다. ALD의 주요 측면은 표면이 A 반응 가스 및 B 반응 가스 모두에 동시에 노출되는 것을 방지하는 것입니다. 노출 사이에 불활성 가스가 흘러 프로세스에서 남아 있는 A 또는 B 반응물질을 쓸어내립니다. 동시에 노출되면 바람직하지 않은 CVD가 발생하여 표면 반응 및 필름 성장을 덜 제어할 수 있습니다. ALD 가공을 통해 제어된 두께의 균일하고 컨포멀한 코팅이 형성됩니다. 표면이 AB 시약의 시퀀스에 노출되는 횟수를 제어하여 코팅 두께를 단일 분자 층 두께까지 조절할 수 있습니다. 또한 반응을 두 단계로 구분하여 필름에 남아 있는 부산물의 능력을 감소시킵니다. 처리 변수를 적절하게 제어하면 다음 층의 필름이 부산물을 가두기 전에 가스 부산물을 제거할 수 있습니다. 입자를 코팅하는 물리적 메커니즘이 없으며 공정이 "시선에 따라 달라지는" 것도 아닙니다. 따라서 ALD를 사용하여 다공성 입자의 모공을 코팅할 수 있습니다. 이러한 방식으로 ALD는 기존의 방법으로는 불가능한 제어된 특성을 가진 코팅을 만들 수 있습니다.