ALD atomikerroskasvatus

ALD (Atomic Layer Deposition) eli atomikerroskasvatus kuuluu kaasufaasipinnoitusmenetelmiin kuten CVD-pinnoitus (Chemical Vapour Deposition). ALD- menetelmällä pinnoitetaan tuote vakuumissa, johon syötetään erilaisia kaasuvirtauksia ja pinnoite muodostuu kemiallisten reaktioiden avulla. ALD muodostaa ohuita ja tiiviitä kalvoja alle 1 nanometristä useisiin mikrometreihin. Jatkokehitelmiä on mm. MLD-pinnoitus (Molecular Layer Deposition), terminen ALD, plasma ALD (PEALD) ja katalyyttinen ALD.

ALD esimerkkiosia ja tuotteita

ALD pinnoituksella saadaan mittatarkkoja pinnoitteita, jotka ovat tiiviitä, tasaisia ja soveltuvat monimutkaisille muodoille. ALD pinnoitusta käytetään yleisesti piikiekolle tai lasille, mutta myös muille alustamateriaaleille. ALD pinnoitusta hyödynnetään mm. mikroelektroniikkateollisuudessa, jossa ohutpinnoitteella saatava tiivis pinta mahdollistaa nopean, tehokkaan ja viileän toiminnan esim. tietokoneille. Muita esimerkkituotteita ovat mm. puolijohteet, MEMS- anturit, aurinkokennot, optiset pinnoitteet, korroosionesto, nanopartikkeleiden pinnoitus, huokoisten pintojen pinnoitus, elektroluminesenssi ohutkalvot ja hopeakorut.

ALD pinnoitusmenetelmänä

ALD menetelmällä voidaan pinnoittaa monimutkaisia kappaleita. Muodostuva kerrospaksuus on tarkasti määrättävissä sekä saadaan hyvä pinnan laatu. ALD menetelmässä tuote pinnoitetaan vakuumissa, johon syötetään kaasuvirran mukana pinnan aktivointikaasua, pinnoitemateriaalia kaasumuodossa ja huuhtelukaasuja. Pinnoitteen kerrospaksuus syntyy näiden kaasuvirtausten sykleistä. Yleisiä ALD pinnoitteita ovat Al₂O₃ tai TiO₂, joita käytetään esimerkiksi korroosionestoon. Muita pinnoitusmateriaaleja voi olla mm. oksideja, sulfideja, nitridejä, fluorideja ja metalleja kuten jalometallit, titaani ja kupari sekä orgaanisia materiaaleja ja hybridimateriaaleja. Heikkouksina ALD menetelmällä on mm. materiaalirajoitukset, suhteellisen hidas prosessi ja suurien valmistuserien skaalaus.

ALD suunnittelun ja valmistuksen kannalta

Yleisesti pinnoitettava kappale lämmitetään ALD prosessissa valittujen materiaalien välisten reaktioiden mukaisesti. ALD menetelmällä voidaan tehdä myös lamellimaisia rakenteita, jolloin käytetään kahta pinnoitusmateriaalia vuorotellen. Pinnoitettavan materiaalin tulee olla tiedossa ja puhdas, jotta ohutpinnoite onnistuu. Metallien erilaiset suojaöljyt, tehdasöljyt ja korroosionestoaineet voivat aiheuttaa ALD-pinnoitteen tartunta ongelmia, epätasaisuutta tai muita pinnoitteen epäonnistumiseen johtavia ongelmia.

ALD pinnoitteen ulkonäkö

ALD menetelmällä tuotetut kalvot ovat yleisesti hyvin sileitä, tasaisia ja alkuperäistä pintaa myötäileviä, mutta pinta voi myös tulla karheammaksi kiteisyyden takia. Kiteisyyteen vaikuttaa mm. materiaali, alusta, kasvatusolosuhteet, kineettiset tai termodynaamiset tekijät.

Jatkokäsittelyt ja menetelmät

ALD menetelmällä saadaan yleisesti valmis ohutpinnoite, jota ei tarvitse lämpökäsitellä korroosioneston parantamiseksi. ALD pinnasta voidaan tutkia mm. epäpuhtauksien määrää, paksuutta, tasaisuutta, tiheyttä, pinnan karheutta ja kiteisyyttä. Pinnanlaatua voidaan tarkastella esimerkiksi TEM:llä, SEM:llä, XRD:llä ja XRR:llä.

ALD:n kestävyys tai soveltuvuus eri olosuhteissa ja ympäristöissä

ALD menetelmällä saadaan tiivis pinta aikaan myös monimutkaisille materiaaleille. Pinnoitteet voidaan toteuttaa hyödyntäen monia eri pinnoitusmateriaaleja, joilla pintaan saadaan tyypilliset materiaalin ominaisuudet. Kestävyyden kannalta heikkouksina ohutpinnoitteilla on yleisesti kulutuksenkesto, työstettävyys ja hauraus (keraamipinoitteet).

Piirrosmerkinnät ja määrittely

ALD pinnoitusta tutkitaan laajasti mm. yliopistoissa ja uusien materiaalien ja yhdistelmien kehitys tuovat mahdollisuuksia ALD prosessiin. ALD pinnoite perustuu kemiallisiin reaktioihin materiaalin pinnalla ja pinnoitus on aina suunniteltava huolella valmistajan kanssa, jotta pinnoite toimii halutusti.