Study of Thermal and Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition of AlN and Al2O3/TiO2 Films for Diverse Applications

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Perttu Sippola

Organisaatiot

Kuvaus

Atomikerroskasvatuksesta (engl. ALD) on tullut laajasti hyödynnetty ja tutkittu tekniikka hyvin konformaalisten ja tarkasti paksuussäädeltyjen ohutkalvomateriaalien valmistukseen. Johtuen näistä ALD:n ominaishyödyistä, sitä on sovellettu laajasti muun muassa muisti-, logiikka- ja aurinkokennosovelluksissa. Tämä väitöstyö esittää tutkimusta tietyistä plasma-avusteisista (engl. PEALD) ja termisistä ALD ohutkalvoista keskittyen hallittavien prosessiolosuhteiden materiaaliominaisuusvaikutuksiin. PEALD AlN ohutkalvojen (pääasiassa trimetyylialumiini (TMA) ja NH3 prosessilla) mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin ja niitä tuettiin rakenteellisilla ja koostumuksellisilla analyyseilla. Osoitettiin että korkeat kasvatuslämpötilat ja kapasitiiviset plasmajännitteet paransivat ohutkalvojen tiheyttä ja epäpuhtausmääriä, parantaen näin ollen kovuutta ja Youngin modulia. Myös, vetojännityksen suuruuden näytettiin kasvavan lämpötilan funktiona ja korkea plasmajännite johti pieneen puristavaan jännitykseen. Lisäksi, ohutkalvojen adheesio- ja tribologiaominaisuudet määritettiin mutta selkeää korrelaatiota prosessiparametreihin ei ollut. PEALD AlN:ä tutkittiin myös induktiivisesti kytketyllä plasmalähteellä (engl. ICP) ja TMA/N2:H2 prekursorikemialla, jossa fokuksena oli ohutkalvojen rakenteellinen ja koostumuksellinen käyttäytyminen tyhjiölämpökäsittelyn (400–1000 °C) johdosta. Lämpökäsittelyn todettiin aiheuttavan vedyn ulosvirtausta, pientä hapettumista ja todennäköisesti hydrolyysiä. AlN kalvot myös säilyttivät amorfisen rakenteensa ja osoittivat alentunutta paksuutta. Kolmas tutkittu AlN prosessi tehtiin ICP-lähde PEALD:lla ja AlCl3/NH3 prekursoreilla korkeissa prosessilämpötiloissa (~500 °C). Kehitetty prosessi tuotti ensisijaisesti (002)-kiteisiä, alhaisten epäpuhtausmäärien ja korkean tiheyden ohutkalvoja. Lisäksi ohutkalvojen jännityksen löydettiin olevan hallittavissa plasma-ajalla pienestä vetojännityksestä merkittävään puristusjännitykseen. Toistuvia ALD-Al2O3/TiO2 kaksoiskerroksia (alias nanolaminaatteja) tutkittiin fyysisen höyrykasvatus (engl. PVD) kovapinnoitteen kanssa kulutusta kestäviksi korroosiosuojiksi teräkselle. Ensimmäiseksi, ALD nanolaminaatin korroosiosuojaussuorituskyky parani käyttämällä paksumpia kalvoja ja plasmaesikäsittelyä, joka myös lisäsi adheesiota. Näillä hybridiohutkalvoilla saavutettiin noin satakertaa alemmat korroosiovirtatiheydet kuin pelkällä teräksellä. Seuraavassa tutkimuksessa, hybridikalvonäytteet altistettiin peräkkäisille kulutus-korroosio-ympäristöille, joiden tuloksena kalvojen korroosiosuojaus pysyi korkealla tasolla vaikka pinta-ALD nanolaminaatti oli kokonaan kulutettu pois. Voidaan päätellä ALD nanolaminaatin pinnoittavan konformaalisesti PVD pinnoitteen reiät ja rakennevirheet, jotka muuten toimisivat korroosiovirtojen pääasiallisena kanavana teräkselle.

Yksityiskohdat

Julkaisun otsikon käännösTermisesti ja plasma-avusteisesti atomikerroskasvatettujen AlN ja Al2O3/TiO2 ohutkalvojen tutkimus moninaisiin sovelluksiin
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8365-0
Sähköinen ISBN978-952-60-8366-7
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • atomikerroskasvatus, plasma-avusteinen atomikerroskasvatus, materiaaliominaisuudet

ID: 32446244