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RÉSUMÉ
Cet article présente le principe de la méthode de dépôt chimique en flux alternés, connue sous le nom d’Atomic Layer Deposition (ALD). Après avoir décrit les matériaux pouvant être élaborés par cette technique, nous discutons de son impact environnemental, de ses évolutions récentes ainsi que de ses différents champs d’application. Enfin, un descriptif pratique des étapes de mise en œuvre d’un procédé ALD est proposé.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Nathanaelle SCHNEIDER : Directrice de Recherche au CNRS, Docteur en chimie des Universités de Strasbourg et Heidelberg - Institut du Photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF), UMR 9006 CNRS, École Polytechnique – IP Paris, Chimie Paristech – PSL, Palaiseau, France
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Élisabeth BLANQUET : Directrice de Recherche au CNRS, Docteur en sciences des Matériaux de Grenoble INP - SIMaP, Université Grenoble Alpes, Grenoble INP, CNRS, Grenoble, France
INTRODUCTION
La technique de dépôt chimique en phase vapeur par flux alternés, plus communément appelée Atomic Layer Deposition (ALD), est une technique dérivée du dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ce procédé de dépôt est basé sur l’introduction séquentielle de précurseurs gazeux ou réactifs moléculaires, nommés précurseurs, afin de favoriser une croissance auto-limitante et contrôlée par la surface du substrat et de permettre de fabriquer le matériau visé monocouche par monocouche.
Dans cet article, après un bref historique, nous expliquons en détail le principe général de l’ALD. Pour cela, nous rappellons deux notions fondamentales qui lui sont liées (la technique de dépôt par voie chimique en phase gazeuse et l’adsorption), puis nous décrivons la croissance du matériau, en détaillant les différents mécanismes pouvant avoir lieu. Nous abordons aussi les classes de précurseurs adaptés à cette méthode ainsi que les types de réacteurs de dépôt utilisés. Une attention particulière est portée à l’importance des paramètres de dépôt (précurseur, température, temps de pulse et de purge, etc.) et leur influence sur les chimies de surface mises en jeu.
Dans un second temps, nous dressons l’inventaire des matériaux pouvant être déposés par cette technique, explorons son impact environnemental, ses plus récentes évolutions et ses différents champs applicatifs. Enfin, les étapes-clés de mise en œuvre d’un procédé ALD sont explicitées.
Points clés
Domaine : techniques de dépôt de couches minces
Degré de diffusion de la technologie : maturité
Technologies impliquées : dépôt par couches atomiques (ALD, Atomic Layer Deposition)
Domaines d’applications : microélectronique, photovoltaïque, stockage et conversion de l’énergie, médical, optique
Principaux acteurs français : voir cartographie GDR RAFALD
– Pôles de compétitivité : Minalogic
– Centres de compétence : CNRS, Universités, CEA
– Industriels : Air Liquide, Annealsys, CILKOA, Encapsulix, Kemstream, Microtest, OMICRON, STMicroelectronics
Autres acteurs dans le monde :
Applied Materials, ASM, Beneq Oy, Jusung Engineering Co. Ltd., Intel, Lam Research, Oxford Instruments, Samsung, Tokyo Electron Limited, Ultratech/Cambridge Nanotech and Veeco Instruments Inc.
Argonne National Lab, Colorado University, Eindhoven University, Ghent University, Hanyang University, Helsinki University, Ikerbasque, IMEC, Leibniz University, North Carolina State University, Seoul National University, Stanford University, Tyndall National Institute, VTT Technical Research Center of Finland, Yonsei University
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- Version archivée 1 de oct. 2016 par Nathanaelle SCHNEIDER, Frédérique DONSANTI
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2. Matériaux, impact environnemental et évolutions de l’ALD
2.1 Matériaux déposés par ALD
Une grande palette de matériaux est désormais accessible par ALD. Dans cette partie, nous en dressons une liste non-exhaustive : de nouveaux procédés étant sans cesse développés, cette liste est par essence obsolète. Le professeur Erwin Kessels et son équipe de recherche supervisent un recensement de la littérature, pour présenter l’ensemble des matériaux accessibles par couleur selon la nature du composé élaboré, dans la forme de la classification périodique. Les versions actualisées en 2015 et 2025 sont données sur la figure 8.
Nous pouvons noter l’évolution du nombre de matériaux accessibles et l’apparition de nouveaux composés purs (comme Cr, Re, Os, etc.), de nouveaux oxydes (ex. : Rb et Co), et des composés pour la famille des lanthanides. Ceci s’explique en grande partie par la recherche accélérée sur les précurseurs, la compréhension des mécanismes et le développement de nouvelles stratégies de dépôt.
HAUT DE PAGE
La plus grande famille des composés déposés par ALD est celle des oxydes. Dans la majorité des cas, la source d’oxygène est l’eau (H2O) et implique des réactions d’hydrolyse et de protonation du ligand. L’ozone (O3) ou O2-plasma sont aussi souvent utilisés et induisent des mécanismes réactionnels plus complexes. Enfin, d’autres exemples utilisent l’eau oxygénée (H2O2), le protoxyde d’azote (N2O), un alcool ou même un précurseur métallique possédant une source d’oxygène, tels que les composés alcoxydes ou carboxylates. Ces précurseurs ont l’avantage d’éviter des réactions d’oxydation du substrat.
L’alumine (Al2O3) est le matériau le plus étudié et le plus utilisé en ALD. Il est en général déposé à partir d’AlMe3 (TMA) et de H2O. Sa croissance étant quasi-idéale, il est considéré comme le système modèle de l’ALD. Les autres oxydes-clés sont l’oxyde d’hafnium (HfO2), de titane (TiO2)...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PARSON (G.N.), ELAM (J.W.), GEORGE (S.M.), HAUKKA (S.), HYEONGTAG (J.), KESSELS (E.W.M.M.), LESKELA (M.), POODT (P.), RITALA (M.), ROSSNAGEL (S.M.) - History of atomic layer deposition and its relationship with the American Vacuum Society. - Journal of Vacuum Science & Technology A, 31, 050818 (2013).
-
(2) - KESSELS (E.W.M.M.), DEVI (A.), PARK (J.-S.), RITALA (M.), YANGAS-GIL (A.), WIEMER (C.) - Atomic Layer Deposition. - Nature Reviews Method Primers, 5(66) (2025).
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(3) - MACCO (B.), KESSELS (E.W.M.M.) - Atomic layer deposition of conductive and semiconductive oxides. - Applied Physics Review, 9, 041313 (2022).
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(4) - ZAIDI (S.J.A.), BASIT (M.A.), PARK (T.J.) - Advances in Atomic Layer Deposition of Metal Sulfides : From a Precursors Perspective. - Chemistry of Materials, 34(16), p. 7106-7138 (2022).
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(5) - MATTINEN (M.), LESKELA (M.), RITALA (M.) - Atomic Layer Deposition of 2D Metal Dichalcogenides for Electronics, Catalysis, Energy Storage and Beyond. - Advanced Materials Interfaces, 8(6) (2021).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Gravure par couche atomique ALE.
-
Dépôt sélectif par zone – ASD.
ANNEXES
ALD Pulse
AtomicLimits
BALD Engineering
http://www.baldengineering.com/
RAFALD
Virtual Project on the History of ALD
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AVS International Conference on Atomic Layer Deposition
Conférence annuelle, sur un continent différent à chaque édition
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Euro CVD & ALD Conference
Biennale, dans une ville européenne différente à chaque fois.
SUNTOLA (T.) et ANTSON (J.) – Method for producing compound...
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