Atomikerroskasvatus mikro- ja nanoteknologiassa

Atomic layer deposition (ALD) has become a widely used thin film deposition method in fabrication of many micro- and nanodevices. In this thesis, the reasons for this are investigated by studying what ALD has enabled for the applications based on available literature. In addition to reviewing existing applications, ALD was used in selected experimental case studies to enable better performing thin films and/or new improved device designs. Based on the literature review the most important advantages that ALD offers are conformal deposition and precise thickness control combined with relatively low deposition temperatures. As the device dimensions and required film thicknesses have decreased, and the devices have turned from planar to three-dimensional, ALD has gained more momentum. However, due to the the biggest downside of ALD, slow deposition rate, ALD is selected as the depositon method only when other deposition methods fail to meet the requirements. In the first experimental case, AlN deposition was studied from less used AlCl3 precursor with aim of depositing pure and crystalline AlN thin films. The AlN deposition from AlCl3 showed promise and enabled deposition of relatively pure AlN films. However, more work is still needed in order to determine whether it is a better precursor option for the deposition than the more commonly employed AlMe3. Additionally, the possibility to control residual stress of the AlN film was observed. In the second experimental case, ALD was used to deposit heterogenous catalyst into microreactors. ALD enabled deposition of even distribution of Pt nanoparticles in microreactor walls with controllable size, which showed high activity in hydrogenation of propene.In the third experimental case, ALD Al2O3 and AlN was studied as thin free-standing membranes. The thin ALD Al2O3 membranes showed exceptional mechanical properties. Membranes of 400-µm diameter were fabricated as thin as 15 nm. The amorphous Al2O3 membranes were found more durable than polycrystalline AlN membranes. In the final experimental case, ALD was used to enable new designs for fabrication of superomniphobic surfaces. Superomniphobic surfaces that could repel all room temperature liquids were realized with the help of ALD SiO2. Role of ALD in the fabrication of the superomniphobic surfaces could increase if the dimensions of the surface features are shrunk further. This could also enable decreasing the temperature budget of the process to <120 °C.Atomikerroskasvatuksesta (ALD) on tullut laajasti käytetty ohutkalvonkasvatusmenetelmä mikro- ja nanoteknologiassa. Tämän työn kirjallisuusosassa on käyty läpi syitä, joiden johdosta ALDn suosio on kasvanut. Kokeellisessa osassa tarkastellaan ALD-kalvojen uusia sovelluskohteita, ja tutkitaan ALD-prosesseja erityisesti sovellusten vaatimusnäkökohdista käsin, tavoitteena laadukkaammat ohutkalvot ja/tai kokonaan uudenlaiset laiterakenteet. ALDn merkittävimmät edut ovat konformaalinen pinnoitus ja tarkka paksuuskontrolli yhdistettyinä mataliin kasvatuslämpötiloihin. Mikro- ja nanoteknologian komponenttien koon pienentyminen ja komponenttien muuttumien kolmiulotteisiksi on lisännyt tarvetta ALDlle. ALDn suurin heikkous, hidas kasvunopeus, kuitenkin aiheuttaa sen, että menetelmä on usein kilpailukykyinen muihin pinnoitusmenetelmiin verrattuna vain, jos nämä muut menetelmät eivät kykene täyttämään asetettuja vaatimuksia. Ensimmäisessä osatutkimuksessa selvitettiin puhtaan ja hyvän kidelaadun omaavan AlN:n kasvatusta harvemmin tutkitusta AlCl3-lähtöaineesta. AlN:n kasvatus AlCl3:sta oli lupaavaa ja sen avulla saatiin kasvatettua suhteellisen puhtaita ohutkalvoja. Lisäksi havaittiin mahdollisuus kontrolloida AlN-ohutkalvon jännityksiä. Toisessa osatutkimuksessa ALDtä käytettiin heterogeenisen katalyytin kasvattamiseen mikroreaktoreihin. ALD mahdollisti Pt-nanopartikkelien tasaisen jakautumisen mikroreaktoreiden pinnoille, ja nanopartikkelien koon kontrolloimisen. ALD-Pt-nanopartikkeleilla havaittiin olevan korkea aktiviteetti propeenin hydrauksessa propaaniksi. Kolmannessa osatutkimuksessa tutkittiin ALD Al2O3:n ja AlN:n soveltuvuutta itsekantaviksi kalvoiksi. ALD Al2O3 kalvoilla oli erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, minkä johdosta pystyttiin valmistamaan jopa vain 15 nm paksuisia ja halkaisijaltaan 400 µm olevia itsekantavia kalvoja. Nämä amorfiset Al2O3-kalvot osoittautuivat kestävyydeltään paremmiksi kuin monikiteiset AlN-kalvot. Viimeisessä osatutkimuksessa ALDtä käytettiin mahdollistamaan uudenlaisten superomnifobisten pintojen valmistaminen. Nämä superomnifobiset pinnat kykenivät hylkimään kaikkia tunnettuja nesteitä huoneenlämpötilassa. ALDn rooli näiden pintojen valmistamisessa saattaa kasvaa tulevaisuudessa, mikäli rakenteiden dimensioita pienennetään edelleen. Tämä mahdollistaisi pinnoille korkeamman painetoleranssin. ALDn käyttö mahdollistaisi myös koko prosessin maksimilämpötilan laskemisen jopa alle 120 °C:n