Model-based Analysis and Design of Atomic Layer Deposition Processes

Abstract: Popular Abstract in Swedish Tunna skikt av olika material har en framträdande roll inom både vetenskap och teknik idag. Det bakomliggande intresset för denna typ av ytbeläggningar är främst möjligheten att kombinera egenskaper hos de tunna filmerna med övriga egenskaper från det underliggande materialet för att därigenom erhålla förbättrade kemiska, mekaniska eller elektriska egenskaper. Därutöver kan helt nya fenomen uppstå när tjockleken skalas ner, vilket tillämpas inom elektronikindustrin. Idag finns ytbeläggningar av olika slag i nästan all materialteknologi och exempel på tillämpningsområden är: solceller, mikroelektronik, batterier, bränsleceller, sensorer, optik, datalagring, telekommunikation, och många fler. I takt med att skiktmaterialen blir tunnare och tunnare kommer de kemiska framställningsmetoderna i förgrunden. Denna utveckling har medfört att en mängd olika metoder har framtagits för att på ett effektivt sätt framställa de tunna skikten. Dessa metoder har också fördelen att jämna skikt med samma egenskaper kan framställas på ytor med mer komplicerad geometrisk form, däribland på insidan av tunna kapillärer, som endast är ett tiotals nanometer i diameter. Av särskilt intresse är de metoder som utnyttjar gaser som utgångsmaterial och som vid en kemisk reaktion ger fasta material. Dessa metoder innebär sålunda att en reaktionsgas leds in i en reaktor och på eller i närheten av den yta som ska ytbeläggas sker den kemiska reaktionen som slutligen resulterar i den fasta beläggningen. Utnyttjande av kemin för att framställa ytbeläggningar ger möjligheter att på ett ytterst finstämt sätt styra deponeringsprocessen med skikttjocklekar ner till enskilda atomlager. Faktum kvarstår dock att den fundamentala bakomliggande transporten av reaktionsgas till den yta som skall ges en ytbeläggning är ännu inte fullständigt kartlagd för dessa processer. Utvecklingen inom detta område hämmas också av bristande kunskap kring de kemiska reaktioner som sker på ytan och hur detta kopplar till den struktur/egenskaper materialen får. Denna avhandling beskriver teoretiska och experimentella studier av en beläggningsteknik för tunna filmer kallad ``Atomic Layer Deposition'' (ALD), vilket kan översättas med atomlagerdeponering. Själva beläggningstekniken ALD baseras på att högreaktiva tillväxtspecier tillförs sekventiellt med täta intervall till reaktionskammaren under vakuumförhållanden. Genom att åtskilja tillförseln av tillväxtspecier undviks oönskade gasfasreaktioner och under dessa förhållanden adsorberas bara ett monolager av reaktionsgasen. När ett monolager finns på ytan fortskrider en kemisk reaktion mellan detta monolager och den reaktionsgas som tillförs i nästkommande puls. På detta sätt är det möjligt att bygga upp ett material monolager för monolager genom att periodiskt alternera och upprepa tillförseln av reaktionsgas. Det primära syftet med avhandlingen har varit att studera och karakterisera den komplexa interaktionen mellan gasdynamiken som uppstår under tillförseln av tillväxtspecier och deras reaktionsvägar på tillväxtytan. Dessa fenomen har beskrivits matematiskt för att fysikaliskt modellera ALD reaktorn. För att förbättra modellens predektiva förmåga har de reaktionskinetiska parametrarna, som bestämmer tillväxthastigheten, skattats genom att anpassa modellen till en serie experiment. Den experimentellt verifierade modellen användes därefter för att simulera hur förhållandena i reaktorn påverkar filmtillväxten. Ett viktigt resultat av detta är möjligheten att optimera pulskaraktäristiken och styrsignalerna till deponeringsprocessen för att maximera tillväxthastigheten, minimera materialåtgången samt säkerställa att kvalitetskraven för materialegenskaperna uppfylls. Härigenom står det klart att matematisk modellering i kombination med numeriska optimeringsalgoritmer utgör ett kraftfullt verktyg för analys och desig av ALD processer. Den utvecklade modellbaserade metodiken som presenteras i denna avhandling är av stort intresse för materialindustrin där resurs- och produktionseffektiviteten till stor del driver teknikutvecklingen. Energibesparingar, materialhushållning samt behovet av mer effektiva och flexibla materialframställningsprocesser för både befintliga och kommande användningsområden är exempel på drivkrafter. I perspektivet processutveckling står simuleringsteknik för ett betydelsefullt hjälpmedel vid övergången till större produktionsenheter och volymer samt för att studera effekter av ändrade produktionsförutsättningar. Härigenom är det övergripande målet med denna avhandling att simuleringsramverk för beräkning, styrning och kontroll av materialegenskaper och framställningsprocesser blir tillgängligt för alla tillverkare.