Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process

ABSTRACTAtomic layer deposition (ALD), a chemical vapor deposition technique based on sequential self-terminating gas–solid reactions, has for about four decades been applied for manufacturing conformal inorganic material layers with thickness down to the nanometer range. Despite the numerous successful applications of material growth by ALD, many physicochemical processes that control ALD growth are not yet sufficiently understood. To increase understanding of ALD processes, overviews are needed not only of the existing ALD processes and their applications, but also of the knowledge of the surface chemistry of specific ALD processes. This work aims to start the overviews on specific ALD processes by reviewing the experimental information available on the surface chemistry of the trimethylaluminum/water process. This process is generally known as a rather ideal ALD process, and plenty of information is available on its surface chemistry. This in-depth summary of the surface chemistry of one representative ALD process aims also to provide a view on the current status of understanding the surface chemistry of ALD, in general. The review starts by describing the basic characteristics of ALD, discussing the history of ALD—including the question who made the first ALD experiments—and giving an overview of the two-reactant ALD processes investigated to date. Second, the basic concepts related to the surface chemistry of ALD are described from a generic viewpoint applicable to all ALD processes based on compound reactants. This description includes physicochemical requirements for self-terminating reactions, reaction kinetics, typical chemisorption mechanisms, factors causing saturation, reasons for growth of less than a monolayer per cycle, effect of the temperature and number of cycles on the growth per cycle (GPC), and the growth mode. A comparison is made of three models available for estimating the sterically allowed value of GPC in ALD. Third, the experimental information on the surface chemistry in the trimethylaluminum/water ALD process are reviewed using the concepts developed in the second part of this review. The results are reviewed critically, with an aim to combine the information obtained in different types of investigations, such as growth experiments on flat substrates and reaction chemistry investigation on high-surface-area materials. Although the surface chemistry of the trimethylaluminum/water ALD process is rather well understood, systematic investigations of the reaction kinetics and the growth mode on different substrates are still missing. The last part of the review is devoted to discussing issues which may hamper surface chemistry investigations of ALD, such as problematic historical assumptions, nonstandard terminology, and the effect of experimental conditions on the surface chemistry of ALD. I hope that this review can help the newcomer get acquainted with the exciting and challenging field of surface chemistry of ALD and can serve as a useful guide for the specialist towards the fifth decade of ALD research.

شیمی سطح لایه اتمی: مطالعه موردی برای فرآیند تری متیل آلومینیوم / آب

لایه نشانی (ALD یک روش رسوب بخار شیمیایی بر پایه واکنش‌های گاز - جامد خود خاتمه دهنده متوالی است که حدود چهار دهه است که برای تولید لایه‌های مواد غیر آلی همدیس با ضخامت تا محدوده نانومتر به کار می‌رود. با وجود کاربردهای موفق متعدد رشد مواد توسط ALD، بسیاری از فرآیندهای فیزیکوشیمیایی که رشد ALD را کنترل می‌کنند هنوز به اندازه کافی درک نشده اند. برای افزایش درک فرآیندهای ALD، نه تنها به دیدگاه‌های کلی فرآیندهای ALD موجود و کاربردهای آن‌ها، بلکه به دانش شیمی سطحی فرایندهای ALD خاص نیز نیاز است. هدف از این کار، آغاز دیدگاه‌های کلی در مورد فرایندهای خاص ALD با بررسی اطلاعات تجربی موجود در شیمی سطح فرآیند تری متیل آلومینیوم / آب است. این فرآیند عموما به عنوان یک فرآیند ALD نسبتا ایده‌آل شناخته می‌شود و اطلاعات زیادی در شیمی سطحی آن در دسترس است. این خلاصه عمیق از شیمی سطحی یک فرآیند ALD نماینده، همچنین در نظر دارد نگاهی به وضعیت فعلی درک شیمی سطحی ALD، به طور کلی، ارایه دهد. این بررسی با توصیف ویژگی‌های اصلی ALD، بحث در مورد تاریخچه ALD - شامل این سوال که چه کسی اولین آزمایش ALD را انجام داد - آغاز می‌شود و مروری بر فرآیندهای ALD دو واکنش دهنده بررسی شده تا به امروز ارایه می‌دهد. دوم، مفاهیم اصلی مربوط به شیمی سطحی ALD از دیدگاه کلی قابل کاربرد برای تمام فرآیندهای ALD براساس واکنش دهنده‌های ترکیبی توصیف می‌شوند. این توصیف شامل الزامات فیزیکوشیمیایی برای واکنش‌های خاتمه دادن به خود، سینتیک واکنش، مکانیزم‌های جذب شیمیایی معمول، عوامل ایجاد اشباع، دلایل رشد کم‌تر از یک تک لایه در هر چرخه، تاثیر دما و تعداد چرخه‌ها روی رشد در هر چرخه (GPC)، و حالت رشد است. یک مقایسه از سه مدل موجود برای تخمین مقدار مجاز فضایی GPC در ALD ساخته شده‌است. سوم، اطلاعات تجربی در شیمی سطح در فرآیند تری متیل آلومینیوم / آب ALD با استفاده از مفاهیم توسعه‌یافته در بخش دوم این بررسی مرور می‌شوند. این نتایج با هدف ترکیب اطلاعات به‌دست‌آمده در انواع مختلف تحقیقات، مانند آزمایش‌ها رشد بر روی بس‌ترهای صاف و بررسی شیمی واکنش بر روی مواد با سطح بالا، به طور انتقادی مرور می‌شوند. اگرچه شیمی سطح فرآیند تری متیل آلومینیوم / آب ALD به خوبی درک شده‌است، اما تحقیقات سیستماتیک سینتیک واکنش و حالت رشد در سوبستراهای مختلف هنوز وجود ندارد. آخرین بخش بررسی به بحث در مورد مسایلی که ممکن است مانع تحقیقات شیمی سطحی ALD شوند، مانند فرضیات تاریخی مشکل‌ساز، اصطلاحات غیر استاندارد و تاثیر شرایط تجربی بر شیمی سطحی ALD، اختصاص دارد. امیدوارم این بررسی بتواند به تازه‌وارد کمک کند تا با زمینه هیجان‌انگیز و چالش برانگیز شیمی سطحی ALD آشنا شود و به عنوان یک راهنمای مفید برای متخصص در دهه پنجم تحقیق ALD عمل کند.

ترجمه شده با