Selective-Area Atomic Layer Deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a method to deposit thin films from gaseous precursors to the substrate layer-by-layer so that the film thickness can be tailored with atomic layer accuracy. Film tailoring is even further emphasized with selective-area ALD which enables the film growth to be controlled also on the substrate surface. Selective-area ALD allows the decrease of a process steps in preparing thin film devices. This can be of a great technological importance when the ALD films become into wider use in different applications. Selective-area ALD can be achieved by passivation or activation of a surface. In this work ALD growth was prevented by octadecyltrimethoxysilane, octadecyltrichlorosilane and 1-dodecanethiol SAMs, and by PMMA (polymethyl methacrylate) and PVP (poly(vinyl pyrrolidone) polymer films. SAMs were prepared from vapor phase and by microcontact printing, and polymer films were spin coated. Microcontact printing created patterned SAMs at once. The SAMs prepared from vapor phase and the polymer mask layers were patterned by UV lithography or lift-off process so that after preparation of a continuous mask layer selected areas of them were removed. On these areas the ALD film was deposited selectively. SAMs and polymer films prevented the growth in several ALD processes such as iridium, ruthenium, platinum, TiO2 and polyimide so that the ALD films did grow only on areas without SAM or polymer mask layer. PMMA and PVP films also protected the surface against Al2O3 and ZrO2 growth. Activation of the surface for ALD of ruthenium was achieved by preparing a RuOX layer by microcontact printing. At low temperatures the RuCp2-O2 process nucleated only on this oxidative activation layer but not on bare silicon.

Atomikerroskasvutus (atomic layer deposition, ALD) on menetelmä, jolla kasvatetaan ohutkalvoja kaasumaisista lähtöaineista kiinteälle pinnalle atomikerros kerrallaan, jolloin kalvon paksuus voidaan määritellä atomikerroksen tarkkuudella. Selektiivisellä ALD:llä kalvon kasvua voidaan kontrolloida myös pinnan suuntaisesti, jolloin kalvo voidaan kasvattaa ainoastaan halutuille alueille. Tämä vähentää välivaiheita ohutkalvolaitteiden valmistuksessa ja tulevaisuudessa selektiivisellä ALD:llä voi olla suuri merkitys kun ALD-kalvot tulevat laajempaan käyttöön erilaisissa sovelluksissa. Tässä työssä on kasvatettu selektiivisesti useita metalleja, metallioksideita ja polyimidiä passivoimalla pinta halutuilta alueilta. Passivointiin käytettiin joko SAM:eja (self-assembled monolayer, itsejärjestäytyvä monokerros) tai polymeerikalvoja. Kaasufaasista pii-pinnalle valmistettu oktadekyylitrimetoksisilaani-SAM ja kuparipinnalle valmistettu 1-dodekaanitioli-SAM estivät iridiumin kasvun ja tioli-SAM esti myös polyimidin kasvun. Mikrokontaktipainamisella valmistettu oktadekyylitrikloorisilaani-SAM esti sekä iridiumin että TiO2:n kasvun. Myös PMMA- (polymetyylimetakrylaatti) ja PVP- (polyvinyylipyrrolidoni) kalvoja käytettiin joko passivoimaan pinta ALD-kasvua vastaan tai suojaamaan pinta niin ettei kalvo kasvanut polymeerikalvon alla olevalle pinnalle. PMMA ja PVP estivät iridiumin, ruteenin ja platinan kasvun. PMMA esti lisäksi TiO2:n kasvun. Molemmat polymeerit suojasivat pinnan Al2O3- ja ZrO2-kasvulta. Kaikissa ALD-prosesseissa kalvo kasvoi alueille, joista SAM tai polymeerikalvo oli poistettu. Uusi lähestymistapa selektiiviseen ALD:hen on pinnan aktivointi, jolloin kalvo kasvatetaan ainoastaan alueille, joille ALD kasvu on tehty mahdolliseksi. Tässä työssä pii-pintaan valmistettiin RuOX-kalvo mikrokontaktipainamisella. Alhaisessa lämpötilassa ruteeni (RuCp2:sta ja O2:sta) kasvoi ainoastaan aktivoiduille alueille ja aktivoimattomat pii-alueet jäivät ilman ruteenia.