Nukleierung und Wachstum während der Atomlagenabscheidung

Atomlagenabscheidung (ALD) ist eine chemische Gasphasenabscheidungstechnik. Mithilfe zweier binärer Reaktionen wird ein Materialfilm von wenigen Atomlagen Dicke auf ein Substrat beliebiger Komplexität abgeschieden. ALD erlaubt die Abscheidung eines breiten Spektrums anorganischer Materialien auf unterschiedlichen Substraten. Sie ist der wichtigste Treiber in der Halbleiterindustrie, findet jedoch auch in verschiedenen anderen Bereichen Anwendung. Die Herstellung von komplexen 3D-Konstrukten ist mit ALD jedoch nicht möglich, da ein Substrat benötigt wird. Zweiphotonen-Polymerisation (2PP) ist ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Bauteilen im Mikro- und Nanometerbereich. Dabei härten fokussierte Laserpulse ein Harz aus. Bei der Bewegung des Fokuspunktes im Harz entsteht eine 3D-Polymerlinie. Konstrukte bis 1 cm Größe und Auflösungen von 65 nm werden erreicht. Die Anwendungsbereiche von 2PP sind Nanophotonik, mikromechanische Systeme und Gewebezüchtung. Bisher können jedoch nur Polymere effizient verarbeitet werden. Für einige Anwendungen, bei denen die 3D-Fähigkeiten und die Auflösung nützlich wären, braucht man aber die Materialeigenschaften von Metallen. Die Kombination dieser beiden Techniken vereinigt die jeweiligen Vorteile. Bauteile mit komplexen Geometrien werden mithilfe der 2PP produziert, auf denen Material mit den gewünschten Eigenschaften mittels ALD abgeschieden wird. ALD auf Polymersubstraten ist jedoch schwierig. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind bis heute noch nicht vollständig untersucht. Um Bedingungen für eine gleichmäßige Materialabscheidung auf Polymersubstraten zu bestimmen, ohne die Geometrie des Substrates zu beeinflussen, wird im vorgeschlagenen 15-monatigen Projekt, die Nukleierung in den ersten ALD-Zyklen untersucht. Analysen der Abteilung "Nanoscale Prototyping Laboratory" an der Universität Stanford haben gezeigt, dass diese erste ALD-Phase essentiell für die Qualität und Leistung der ALD-Schichten ist. Mithilfe nur in Stanford verfügbarer in situ Charakterisierungsmethoden sollen drei Faktoren untersucht werden, die die Qualität von ALD-Filmen beeinflussen, nämllich Prozesstemperatur, Substratgeometrie und Substratzusammensetzung. Hierzu werden zuerst Halbleitermaterialien auf flachen, 2PP prozessierbaren Polymersubstraten abgeschieden, das Wachstum untersucht und durch Einstellung der ALD Parameter eingestellt. Anschließend wird die Abscheidung auf komplexen, 2PP strukturierten Oberflächen untersucht, um den Einfluss der Geometrie zu bestimmen. Die Untersuchung dieser Grundlagenaspekte zeigt neue Wege auf, ALD und 2PP erfolgreich zu kombinieren. Die Resultate werden dazu beitragen, neue Forschungsfelder zu etablieren und/oder bestehende zu optimieren.

Die Kombination von Atomlagenabscheidung (ALD) und Zweiphotonenlithographie (2PP) ermöglicht es, die Vorteile beider Technologies zu kombinieren. Komplex geformte Polymere werden mithilfe von 2PP produziert und dann mittels ALD beschichtet. So kann man beliebige Strukturen mit sehr unterschiedlichen Materialeigenschaften herstellen. Polymere mit ALD zu beschichten ist jedoch schwierig. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bis heute noch nicht vollständig untersucht.Die Beschichtung mit alkalinen Erdmetallen ist durch ihre besonderen optischen und elektrischen Eigenschaften besonders zukunftsträchtig. Insbesondere Bariumtitanat (BTO) hat viele Anwendungsmöglichkeiten von Solarzellen bis zu dynamischen Random Access Memory Bausteinen. Die Abscheidung dieses Materials auf 3D-Druck Bauteilen könnte neue Möglichkeiten eröffnen, Prototypen für optische und elektronische Bauteile herzustellen. Die Mikrofabrikation von BTO ist jedoch kostspielig und schwierig. Ein neues Verfahren für die Abscheidung von BTO unter 200C wurde entwickelt. Komplex geformte Substrate mit Aspektverhältnissen von ~1:4 können gleichmäßig beschichtet werden. Das Verfahren wird in naher Zukunft kommerzialisiert und erlaubt die Herstellung von neuartigen Dünnschichtkondensatoren, Solarzellen und mikroelektronischen und mechanischen Bauteilen.Durch Nanoeffekte unterscheiden sich dünne Schichten stark vom Vollmaterial. Mithilfe eines eigens entwickelten Analyseinstruments, konnten diese Nanoeffekte während der Entstehung einer dünnen Schicht mit Synchrotonstrahlung untersucht und verstanden werden. Ein Zusammenhang zwischen elektrischen Eigenschaften dünner BTO Schichten und ihrer Struktur wurde hergestellt. Das Verständnis der initialen Wachstumsphase einer ALD Schicht auf einem bestimmten Substrat wurde vertieft. Die Erkenntnisse dieser Studien erlaubten es, Prozessparameter gewünschten Eigenschaften zuzuordnen und organische Oberflächen wie Graphen für die ALD zu funktionalisieren.