ALD-покрытия TiO2, TiN, Al2O3, AlN: какое покрытие для какой задачи

TiO2 (диоксид титана)

Высокий коэффициент преломления (n ≈ 2.6), хорошая прозрачность в видимом спектре и фотокаталитическая активность делают TiO2 удобным материалом для оптики. Наносится он при умеренных температурах — 200–300 °C, — что расширяет список подложек, с которыми можно работать.

Применяют его в просветляющих покрытиях, фотокаталитических поверхностях для очистки воды, а благодаря биосовместимости — и на медицинских имплантатах. Есть и обратная сторона: покрытие относительно мягкое и легко царапается при механическом воздействии.

TiN (нитрид титана)

Совсем другой профиль: твёрдость 8–9 по Мооса, золотистый оттенок, приличная электропроводность и температура плавления почти 2950 °C. Это покрытие для режущего инструмента, электродов в электрохимических приложениях и — благодаря цвету — декоративных задач.

Плата за твёрдость и стойкость к износу — температура осаждения: 400–500 °C. Для чувствительных подложек это может оказаться слишком горячо.

Al2O3 (оксид алюминия, корунд)

Твёрдость на уровне 9 по Мооса, химическая инертность, температура плавления 2072 °C и хорошие изоляционные свойства — Al2O3, пожалуй, самый универсальный вариант из четырёх. Он совместим с большинством подложек, поэтому применяется и как механическая защита, и как барьерный слой в микроэлектронике, и на имплантатах.

Осаждается при тех же умеренных 200–300 °C, что и TiO2, но чтобы набрать нужную толщину, требуется больший объём газового потока.

AlN (нитрид алюминия)

AlN сочетает высокую теплопроводность (порядка 200 Вт/(м·К)), твёрдость, электроизоляционные свойства и широкую прямую запрещённую зону (6.0 эВ) — комбинацию, которая на других материалах почти не встречается. Отсюда и область применения: теплоотводящие покрытия в электронике, полупроводниковые структуры, теплопроводящие клеи для микросхем.

Требования жёстче, чем у соседей по списку: температура осаждения 400–600 °C, и при долгом хранении материал чувствителен к влаге.

Выбор материала по применению

Для оптики подойдут TiO2 (просветляющие слои) и Al2O3 (защита). Для механической защиты — TiN за твёрдость и Al2O3 за универсальность. В электронике на первый план выходит AlN с его теплопроводностью и Al2O3 в роли барьера. В медицине — Al2O3 благодаря биосовместимости и TiO2 за фотокаталитические свойства.

Сочетание материалов

Материалы часто комбинируют в многослойных структурах: например, Al2O3 работает барьерным слоем внизу, а TiN сверху — как износостойкий финиш. Так каждый материал делает то, что у него получается лучше остальных, а слабые стороны компенсируются соседним слоем.

Толщина покрытия

Для большинства задач достаточно 10–100 нм. Механическим защитным слоям иногда требуется больше — 100–500 нм. Поскольку ALD работает циклами, толщину контролируют просто их количеством: нужно больше — добавляют циклы.

Стоимость услуги

Цена зависит от материала, толщины и размера образца. Ориентировочно: TiO2 и Al2O3 — 50–500 руб за см² при толщине 50 нм; TiN и AlN — 100–1000 руб за см² при той же толщине. Минимальный заказ — обычно 1–5 образцов.

Подготовка подложки

Перед нанесением подложку нужно очистить и высушить. Органику смывают спиртом или ацетоном, остатки воды убирают нагреванием в вакууме при 60–150 °C. Пропустить этот шаг — значит рисковать адгезией готового покрытия.

Послеобработка

Некоторые покрытия раскрывают свои свойства только после отжига. TiO2, например, становится более кристаллическим и фотокаталитически активным после прогрева при 500 °C — без этого шага материал просто не даст заявленного эффекта.

Испытания покрытий

Толщину измеряют профилометром — с точностью до нанометра. Оптические свойства, пропускание и отражение, проверяет спектрофотометр. Износостойкость и коэффициент трения — задача трибометра. А чтобы увидеть морфологию поверхности вплотную, используют атомно-силовую микроскопию.

Типичные проблемы

На крупных образцах толщина покрытия может заметно отличаться от края к центру — здесь всё решает правильная конфигурация реактора. Некоторые материалы осаждаются в аморфном виде и кристаллизуются только после отжига. А если подложка подобрана неудачно или пропущен адгезионный слой, покрытие может просто отслоиться.

Итог

Материал покрытия определяет, каким получится готовое устройство — и здесь нет универсального ответа «бери вот это». TiO2 и Al2O3 закрывают большинство задач благодаря своей универсальности, TiN и AlN — более узкоспециализированные варианты для требовательных применений. Итоговый результат складывается из трёх решений: материал, толщина и послеобработка, — и каждое из них стоит продумывать под конкретную задачу, а не по умолчанию.