UAH

Als er beobachtete, wie ein Luftbefeuchter für zu Hause funktioniert, kam Dr. Moonhyung Jang auf die Idee, mithilfe einer Ultraschallzerstäubungstechnologie die bei der Atomlagenabscheidung verwendeten Chemikalien zu verdampfen, und arbeitete mit Dr. Lei zusammen, um das Gerät zu entwickeln und zu testen.

An der University of Alabama in Huntsville (UAH), einem Teil des University of Alabama Systems, wurde eine neue Methode erfunden, um dünne Atomschichten als Beschichtung auf einem Substratmaterial bei nahezu Raumtemperatur abzuscheiden.

Dr. Moonhyung Jang, Postdoktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der UAH, kam beim Kauf eines Luftbefeuchters für zu Hause auf die Idee, mithilfe einer Ultraschallzerstäubungstechnologie Chemikalien zu verdampfen, die bei der Atomlagenabscheidung (ALD) verwendet werden.

Die Erfindung wurde im UAH-Labor von Dr. Yu Lei entwickelt und getestet, der sagt, dass sie ein neues Fenster für viele ALD-Prozesse öffnen wird.

Dr. Jang arbeitet im Labor von Dr. Yu Lei, einem außerordentlichen Professor am Fachbereich Chemieingenieurwesen. Das Paar hat einen Artikel über ihre Erfindung veröffentlicht, der im Journal of Vacuum Science & Technology A als Redakteur ausgewählt wurde.

„ALD ist eine dreidimensionale Dünnschichtabscheidungstechnik, die eine wichtige Rolle in der Mikroelektronikfertigung spielt, bei der Herstellung von Gegenständen wie Zentraleinheiten, Speicher und Festplatten“, sagt Dr. Lei.

Bei jedem ALD-Zyklus wird eine Schicht mit einer Tiefe von einigen Atomen abgeschieden. Ein ALD-Prozess wiederholt den Abscheidungszyklus hunderte oder tausende Male. Die Gleichmäßigkeit der dünnen Filme beruht auf einer selbstlimitierenden Oberflächenreaktion zwischen dem chemischen Vorläuferdampf und den Substraten.

„ALD bietet eine außergewöhnliche Kontrolle über Nanometermerkmale und trägt gleichzeitig Materialien gleichmäßig auf großen Siliziumwafern für die Massenfertigung auf“, sagt Dr. Lei. „Es ist eine Schlüsseltechnik zur Herstellung leistungsstarker und kleiner intelligenter Geräte.“

Als Dr. Jang im Internet nach einem sicheren und benutzerfreundlichen Luftbefeuchter für den Heimgebrauch suchte, stellte er fest, dass die auf dem Markt erhältlichen Luftbefeuchter entweder direkte Erhitzung bei hohen Temperaturen oder Ultraschallzerstäubervibrationen bei Raumtemperatur nutzen, um den Wassernebel zu erzeugen.

„Moon erkannte plötzlich, dass Letzteres eine sichere und einfache Möglichkeit sein könnte, Dämpfe für reaktive Chemikalien zu erzeugen, die thermisch instabil sind“, sagt Dr. Lei.

„Am nächsten Tag kam Moon, um die Idee zu besprechen, und wir entwarfen die Experimente, um das Konzept in unserem Forschungslabor zu beweisen. Der gesamte Prozess dauerte fast ein Jahr. Aber die großartige Idee kam Moon wie ein Blitz.“

ALD-Prozesse basieren typischerweise auf erhitzten Gasphasenmolekülen, die aus ihrer festen oder flüssigen Form verdampft werden, ähnlich wie Raumbefeuchter, die Wärme nutzen, um Wasser zu verdampfen. Allerdings sind in diesem ALD-Prozess einige chemische Vorläufer nicht stabil und können sich zersetzen, bevor sie einen für ALD ausreichenden Dampfdruck erreichen.

„In der Vergangenheit galten viele reaktive Chemikalien aufgrund ihres niedrigen Dampfdrucks und ihrer thermischen Instabilität als nicht für ALD geeignet“, sagt Dr. Lei. „Unsere Forschung ergab, dass die Ultraschallzerstäubertechnik die Verdampfung der reaktiven Chemikalien bereits bei Raumtemperatur ermöglicht.“

Die Ultraschall-Erfindung der UAH-Wissenschaftler ermöglicht den Einsatz einer breiten Palette reaktiver Chemikalien, die thermisch instabil und nicht für die direkte Erhitzung geeignet sind.

„Die von unserer Forschungsgruppe entwickelte Ultraschallzerstäubung liefert Vorläufer mit niedrigem Dampfdruck, da die Verdampfung der Vorläufer durch Ultraschallvibration des Moduls erfolgte“, sagt Dr. Lei.

„Wie der Luftbefeuchter im Haushalt erzeugt die Ultraschallzerstäubung einen Nebel, der aus gesättigtem Dampf und Tröpfchen in Mikrogröße besteht“, sagt er. „Die Tröpfchen in Mikrogröße verdampfen kontinuierlich, wenn der Nebel durch ein Trägergas auf die Substrate abgegeben wird.“

Der Prozess verwendet einen piezoelektrischen Ultraschallwandler, der in einem flüssigen chemischen Vorläufer platziert ist. Nach dem Start beginnt der Wandler einige hunderttausend Mal pro Sekunde zu vibrieren und erzeugt einen Nebel des chemischen Vorläufers. Die kleinen Flüssigkeitströpfchen im Nebel werden im Gasverteiler unter Vakuum und milder Wärmebehandlung schnell verdampft und hinterlassen eine gleichmäßige Schicht des Abscheidungsmaterials.

„Mithilfe der in unserem Manuskript beschriebenen Ultraschallzerstäubung bei Raumtemperatur könnten neue ALD-Prozesse mit wenig flüchtigen und instabilen Vorläufern entwickelt werden“, sagt Dr. Lei. „Es wird ein neues Fenster für viele ALD-Prozesse öffnen.“

In ihrer Arbeit demonstrieren die UAH-Forscher den Proof of Concept, indem sie Titanoxid-ALD mit thermisch verdampften bzw. bei Raumtemperatur mit Ultraschall zerstäubten chemischen Vorläufern vergleichen.

„Die Qualität der TiO2-Dünnschicht ist vergleichbar“, sagt Dr. Lei.

Die Forschung wurde vom Verteidigungsministerium, der National Science Foundation und dem Established Program to Stimulate Competitive Research der NASA gefördert. Die Erfinder beantragen ein Patent beim Office for Technology Commercialization der UAH.

Dr. Yu Lei256.824.6527 [email protected]

Jim Steele256.824.2772 [email protected]