Radical Enhanced Atomic Layer Deposition of Metals and Oxides

Atomic Layer Deposition (ALD) is a chemical, gas-phase thin film deposition method. It is known for its ability for accurate and precise thickness control, and uniform and conformal film growth. One area where ALD has not yet excelled is film deposition at low temperatures. Also deposition of metals, besides the noble metals, has proven to be quite challenging. To alleviate these limitations, more aggressive reactants are required. One such group of reactants are radicals, which may be formed by dissociating gases. Dissociation is most conveniently done with a plasma source. For example, dissociating molecular oxygen or hydrogen, oxygen or hydrogen radicals are generated. The use of radicals in ALD may surmount some of the above limitations: oxide film deposition at low temperatures may become feasible if oxygen radicals are used as they are highly reactive. Also, as hydrogen radicals are very effective reducing agents, they may be used to deposit metals. In this work, a plasma source was incorporated in an existing ALD reactor for radical generation, and the reactor was used to study five different Radical Enhanced ALD processes. The modifications to the existing reactor and the different possibilities during the modification process are discussed. The studied materials include two metals, copper and silver, and three oxides, aluminium oxide, titanium dioxide and tantalum oxide. The materials were characterized and their properties were compared to other variations of the same process, utilizing the same metal precursor, to understand what kind of effect the non-metal precursor has on the film properties and growth characteristics. Both metals were deposited successfully, and silver for the first time by ALD. The films had low resistivity and grew conformally in the ALD mode, demonstrating that the REALD of metals is true ALD. The oxide films had exceptionally high growth rates, and aluminium oxide grew at room temperature with low cycle times and resulted in good quality films. Both aluminium oxide and titanium dioxide were deposited on natural fibres without damaging the fibre. Tantalum oxide was also deposited successfully, with good electrical properties, but at slightly higher temperature than the other two oxides, due to the evaporation temperature required by the metal precursor. Overall, the ability of REALD to deposit metallic and oxide films with high quality at low temperatures was demonstrated.

Atomikerroskasvatus on kemiallinen, kaasufaasissa toimva ohutkalvojen valmistusmenetelmä. Atomikerroskasvatuksessa ohutkalvon valmistus perustuu kahden yhdisteen väliseen hallittuun reaktioon. Eräänä atomikerroskasvatuksen rajoitteena on ohutkalvojen valmistaminen matalissa lämpötiloissa sekä epäjalojen metallien valmistus. Tässä väitöstyössä on tutkittu radikaalien käyttöä atomikerroskasvatuksessa edellä mainittujen rajoitusten poistamiseksi. Radikaalit ovat hyvin reaktiivisia jo matalissakin lämpötiloissa. Tämän lisäksi vetyradikaalit ovat hyviä pelkistimiä, eli niitä voidaan käyttää metallien valmistuksessa. Radikaaleja voidaan tuottaa kaasuista plasmapurkauksen avulla. Plasmapurkaus pilkkoo käytetyn kaasun, jolloin syntyy tälle kaasulle ominaisia radikaaleja. Esimerkiksi vetykaasusta syntyy vetyradikaaleja ja hapesta happiradikaaleja. Näitä voidaan käyttää metallien ja oksidien valmistamiseen. Radikaalien käyttöä atomikerroskasvatuksessa on rajoittanut siihen sopivien laitteistojen vähyys. Väitöstyössä muokattiin jo olemassa olevaa atomikerroskasvatuslaitteistoa lisäämällä siihen radikaalilähde. Laitteistoa käytettiin tämän jälkeen viiden eri materiaalin valmistamiseen. Näistä kaksi oli metalleja, ja kolme oksideja. Kutakin valmistusprosessia verrattiin vastaaviin prosesseihin, joissa samaa yhdistettä on valmistettu ilman radikaaleja. Näin voitiin tutkia miten radikaalien käyttö vaikuttaa valmistettavan ohutkalvon ominaisuuksiin. Väitöstyössä saadut tulokset ovat hyvin lupaavia: metallien ja oksidien valmistus onnistui hyvin. Materiaalien ominaisuudet olivat hyvät, lähes poikkeuksetta parempia kuin aiemmin kirjallisuudessa esitetyt tulokset. Kunkin ohutkalvomateriaalin kasvu täytti myös kaikki sille asetetut tieteelliset kriteerit. Työn tuloksia voidaan pitää rohkaisevina: radikaalien käyttö atomikerroskasvatuksessa mahdollisti tuttujen materiaalien valmistuksen matalissa lämpötiloissa sekä atomikerroskasvatukselle uusien materiaalien valmistamisen.