Teoreettinen monimittakaavamallinnus Al2O3 ja ZnO ohutkalvojen atomikerroskasvatuksesta

Timo Weckman

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Nanotekniikan, erityisesti pienelektroniikan, nopea kehitys ja alati kutistuvat komponentit ovat asettaneet kovia vaatimuksia laitekomponenttien valmistusmenetelmille. Monet mikroskooppiset laitteet, esimerkiksi transistorit, valmistetaan kasvattamalla päällekäin erilaisia materiaali-kerrostumia, ohutkalvoja. Atomikerroskasvatus, ALD, on noussut tärkeäksi ohutkalvojen kasvatusprosessiksi 2000-luvulla. Atomikerroskasvatus on perujaan suomalainen prosessi, jossa kaasumaisia itseäänrajoittavia reagenssipulsseja vuorottemalla saadaan kasvatettua yhtenäinen ja sileä ohutkalvo, jonka paksuutta voidaan säädellä atomin tarkkuudella.  Laskennallinen mallintaminen tärkeä osa nykyajan kemian tutkimusta. Tutkimusta voidaan tehdä teoreettisesti - ilman empiirisiä parametreja - soveltamalla kvanttimekaniikkaa. Kvantti-mekaniikalla päästään käsiksi molekyylien elektronirakenteeseen ja voidaan tutkia molekyylien sitoutumista, vuorovaikutusta sekä erilaisia reaktiomekanismeja. Tässä työssä on tutkittu laskennallisesti alumiini- ja sinkkioksidiohutkalvojen kasvatusta ALD:llä. Molemmilla oksideilla on lukuisia teollisia sovelluskohteita, mm. transistoreissa ja aurinkokennoissa. Alumiinioksidia kasvatetaan yleisesti trimetyylialumiini-vesi-prosessilla. Prosessin pintakemiaa tutkittiin realistisella veden peittämällä pintamallilla ja trimetyylialumiinin havaittiin reagoivan nopeasti pinnalla monometyylialumiiniksi. Monometyylialumiinin arvioitiin reagoivan alumiiniksi vasta korkeissa lämpötiloissa. Veden todettiin voivan reagoida dimetyylialumiinin kanssa reaktori-olosuhteissa. Monometyylialumiinin eliminointi on sen sijaan mutkikkaampi ja vaatii yhtäaikaa useamman vesimolekyylin. Sinkkioksidia kasvatetaan vastaavasti dietyylisinkki-vesi-prosessilla. Dietyylisinkin reagoi pinnalla nopeasti monoetyylisinkiksi, mutta monoetyylisinkin eliminoiti on kohtalaisen hidas prosessi. Reaktiomekanismien pohjalta rakennettiin kaksi etyylin peittämää pintarakennetta, jotka vastasivat pinnan saturoitumista matalassa ja korkeassa lämpötilassa. Näitä etyylin peittämiä pintoja hyödynnettiin vesipulssin reaktiomekanismeja tutkimiseen. Sinkkioksidin kasvulle saatiin näin rakennettua koko ALD kierroksen kattava reaktiomekanismiverkosto.  Sinkkioksidiohutkalvon kasvua mallinnettiin makroskooppisessa mittakaavassa kineettisen Monte Carlo -mallin avulla. Kineettinen malli mahdollistaa helpon vertailun kokeellisten mittausten kanssa. Teoreettisista reaktiolaskuista rakennettu kineettinen malli kykeni ennustamaan ohutkalvon kasvun lämpötila-riippuvuuden tarkasti. Myös mallista laskettu kierroskasvu vastaa hyvin kokeellisia tuloksia.
Julkaisun otsikon käännösTeoreettinen monimittakaavamallinnus Al2O3 ja ZnO ohutkalvojen atomikerroskasvatuksesta
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Laasonen, Kari, Valvoja
  • Laasonen, Kari, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8149-6
Sähköinen ISBN978-952-60-8150-2
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • atomikerroskasvatus
  • tiheysfunktionaaliteoria
  • kineettinen Monte Carlo

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Teoreettinen monimittakaavamallinnus Al2O3 ja ZnO ohutkalvojen atomikerroskasvatuksesta'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

  • Laitteet

  • Siteeraa tätä