Atomic Layer Deposition (ALD) – технология получения сверхтонких нанопленок для полупроводниковых, оптических и других устройств с помощью послойного атомного осаждения. О ней мы и поговорим в нашем сегодняшнем материале. 

Метод

Суть ALD заключается в реализации в неравновесных условиях химических реакций на поверхности твердого тела между подводимыми извне реагентами и поверхностными функциональными группами (ФГ) подложки.

Ранее мы рассматривали CVD- и PVD-методы нанесения покрытий, в частности магнетронное распыление, термическое испарение; их общей особенностью является то, что контроль осаждения плёнок осуществляется за счет источников/прекурсоров, например, мишеней для распыления, подаваемых в реактор газообразных реагентов.

Принципиальная особенность ALD –  поверхностно-контролируемый метод. При этом контролируется и источник осаждаемого материала. 

Актуальность для электроники

Особая актуальность разработок по атомного-слоевому осаждению (ALD) в России обусловлена необходимостью организации догоняющего отечественного производства современной компонентной базы микроэлектроники (транзисторов, интегральных микросхем, новых элементов памяти и др.). При минимизации структурных элементов и усложнении рельефа архитектур одна их ключевых ролей отводится газофазным процессам, основанным на тонких химических реакциях, в частности атомного-слоевому осаждению (ALD). При этом, реализация метода требует соответствующей ресурсной базы – высокочистых соединений (прекурсоров), из которых получаются целевые тонкопленочные системы.

В частности, при разработке элементов памяти активно рассматривают оксиды тантала, лантана, магния и некоторые смешанные системы, однако, прекурсоры необходимого качества для них труднодоступны ввиду импортного производства. Так, оксиды тантала и магния являются перспективным материалами для устройств резистивной памяти, а оксид лантана – как улучшающий допант для дальнейшего уменьшения проектных норм микропроцессоров и для новой сегнетоэлектрической памяти. Так как все эти материалы применяются либо для очень низких проектных норм (ниже 14 нм), либо же их состав напрямую влияет на функционирование ячейки памяти, то существенными становятся требования к чистоте исходных металлорганических прекурсоров, используемых для осаждения пленок.

Важно подчеркнуть, что кроме высокого уровня чистоты для микроэлектронной техники, специфика процессов ALD налагает определенные требования к химическим и термическим свойствам соединений (летучесть, стабильность, реакционная способность). Поэтому разработки прекурсоров требуют комплексного подхода, включающего препаративно-синтетический, аналитический и термохимический аспекты, а также тестирование в процессах осаждения. При проведении скрининга эффективных соединений применяют методы квантовой химии, но результаты подобных расчетов зачастую дают противоречивую информацию, что требует надежных экспериментальных наработок. 

В маркетинговом исследовании Atomic Layer Deposition Market Size, Share, and Trends 2025 to 2034 ожидается рост рынка оборудования для полупроводникового производства с 3,18 до 9,88 млрд долл. с 2025 по 2034 г. с огромным темпом CAGR 13,42% за рассматриваемый период. Рост мирового рынка атомно-слоевого осаждения происходит в геометрической прогрессии благодаря увеличению использования компактного или миниатюрного оборудования и устройств. В 2024 г. сегмент полупроводников лидировал на мировом рынке атомно-слоевого осаждения с внушительной долей выручки около 41% и, как ожидается, сохранит своё доминирующее положение в течение всего прогнозируемого периода до 2035 года. Это связано с широким и растущим использованием полупроводников в электронике, транзисторах и интегральных схемах. Полупроводники эффективно управляют потоком электроэнергии и имеют широкое применение благодаря своей низкой стоимости, надёжности, миниатюрным размерам и энергоэффективности.

Главными игроками мирового рынка оборудования для атомно-слоевого осаждения на июнь 2025 г. являлись Lam Research Corporation, Applied Materials, Inc., Tokyo Electron Ltd., ASM International, Veeco Instruments, Inc., Denton Vacuum, LLC., Picosun Group, ALD NanoSolutions, Inc., Beneq Oy, Kurt J. Lesker Company, Canon Anvela Corporation.

В данной статье нас интересует только патентный аспект.

Патентный аспект

На портале Google.Patents поиск по запросу Atomic Layer Deposition показывает более 100 000 документов. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:

• полупроводниковые приборы H01L — 70%

• покрытия C23C — 57%

• электронные запоминающие устройства H10B — 18%

• газоразрядные и вакуумные электронные приборы и газоразрядные осветительные лампы H01J — 10%

Видно, что первенствовали полупроводниковые приборы H01L с долей в мировых патентах 70%.

Лидерами в мировом патентовании выступили следующие компании:

1. Micron Technology, Inc. — 8%;

2. Sandisk Technologies Llc — 5%;

3. Applied Materials, Inc. — 5%;

4. Asm Ip Holding B.V. — 4%.

Специальный поиск по запросу (Atomic Layer Deposition) (H01L) Google.Patents выдал на июнь 2025 года 88828 документов. Динамика по годам представлена на рис. 1.

Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему (Atomic Layer Deposition) (H01L) в 1992-2025 гг.

Источник: интерпретация автора данных Google.Patents 29.05.2025

Видно, что последние 20 лет темпы патентования изобретений в полупроводниковых устройствах носят мягко-экспоненциальный характер (данные за 2025 г. еще не учтены полностью). Лидерами патентования по количества патентов являются:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. — 15%;

2. Micron Technology, Inc. — 4%;

3. Samsung Electronics Co., Ltd. — 3%;

4. International Business Machines Corporation — 2%;

5. Nanya Technology Corporation — 2%;

6. Applied Materials, Inc. — 2%.

Как видно, лидирует знаменитая производственная компания из Тайваня. Примеры патентов:

US10516100B2 Silicon oxynitride based encapsulation layer for magnetic tunnel junctions

US11456211B2 Method of forming interconnect structure

А что в России? 

В базе ФИПС в рефератах на изобретения РФ по запросу Атомно-слоевое осаждение 67 патентов на изобретения, динамика публикации которых представлена на рисунке 2.

Рисунок 2: Динамика российского патентования изобретений на тему атомно-слоевого осаждения в 2011-2025 гг.

Источник: ФИПС 10.05.2025

Видно, что в 2011-2025 гг. открытое патентования шло рваным образом.

Мы проанализировали действующие патенты (их 30), из которых по полупроводниковым устройствам только 5 ед., перечислим их все:

• №2601771 (2016) Светоизлучающая матрица микродисплея на органических светодиодах и способ ее изготовления. ООО "Технологии органической и печатной электроники" (Москва). Она включает слой тонкопленочной герметизации AlxOy, нанесенный методом атомно-слоевого осаждения.

• №2633894 (2017) Способ плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения изолирующих диэлектрических покрытий на гетероструктурах нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов. АО "НПП "Пульсар", Москва. Поверхность гетероструктуры проходит предварительную обработку в индуктивно связанной плазме водорода низкого давления при пониженной вкладываемой в разряд мощности в зоне, удаленной от источника плазмы.

• №2747132 (2021) Способ изготовления нитридного светоизлучающего диода. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук. Наносят атомно-слоевым осаждением слой толщиной 5-15 нм прозрачного химически стойкого материала, в качестве которого могут выступать SiO2, или Аl2O3. Изобретение позволяет получить светоизлучающие диоды с увеличенным сроком эксплуатации за счет уменьшения деградации контакта со временем. 

• №2792707 (2023) Способ изготовления матричного фотоприемного устройства. АО "НПО "Орион" (Москва). Формируют защитную диэлектрическую пленку толщиной 10 нм методом атомно-слоевого осаждения.

• №2808961 (2023) Способ получения алюминий-молибденовых оксидных нанопленок методом безводного атомно-слоевого осаждения. ООО "Инжиниринговый центр "Цифровые платформы" (Волжский). Изобретение заключается в двухэтапном процессе, где на первом этапе производится подготовка поверхности к осаждению путем нанесения оксида алюминия с использованием триметилалюминия и воды методом атомно-слоевого осаждения с целью создания большого количества гидроксильных групп на поверхности и обеспечения высокой адгезионной прочности алюминий-молибденовой оксидной нанопленки к подложке. 

В базе ФИПС четыре патента РФ на полезные модели по нашей теме, действующих всего два:

• №171207 (2017) Элемент рентгеновской оптики на основе бериллия с защитным покрытием. Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта. Поверхность выполнена с защитным слоем из оксида алюминия толщиной из диапазона 10-200 нм, нанесенным методом атомно-слоевого осаждения.

• №202461 (2021) Мемристивный синапс. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина). Для достижения адаптивного изменения уровня сопротивления элемента - мемристивного синапса используется слой оксида титана в фазе анатаза, толщиной от 20 до 60 нм, который формируется методом атомно-слоевого осаждения.

Баз данных нет.

Имеется 7 программ для ЭВМ (довольно свежих, 2020-2024 гг.). Приведем примеры:

• №2020661251 Программный комплекс для моделирования процессов осаждения тонких защитных покрытий на подложки сложной пространственной конфигурации методом атомно-слоевого осаждения. ООО «Таркус» (Москва). Входными данными являются температура напыления, тип и параметры нагреваемых химикатов, а также геометрия поверхности для напыления; выходными - стехиометрический состав и толщина осаждаемого защитного покрытия, а также его однородность по поверхности подложки. 

• №2022664767 Программный комплекс ПАК «КТ-Контроллер». ООО НПО "КвинтТех" (Зеленоград). Обеспечивает управление установкой атомно-слоевого осаждения. Функциональные возможности: управление узлами установки; создание, редактирование, удаление алгоритмов работы установки АСО (управление рецептами); исполнение алгоритмов (рецептов). Тип ЭВМ: модуль процессорный Салют-ЭЛ24ПМ на базе процессора 1892ВМ14Я. ОС: GNU/Linux на базе Buildroot.

• №2022683063 Программа для управления установкой атомно-слоевого осаждения. ООО "Микродатчик" (Зеленоград). Обеспечивает управление вакуумной и газовой системой, нагревом, регулирование плазменного и ультрафиолетового стимулирования.

• НИОКТР

  На портале «Наука и инновации» по теме атомно-слоевого осаждения учтено 359 документов, в том числе 13 ед. по электронике, 17 ед. касаются полупроводников. 

  Так, фундаментальные проблемы формирования многослойных активных структур на основе контактов металлов и полупроводниковс углеродными нанотрубками и тонкими пленками High - K диэлектриков изучены в 2022-2024 гг. за 23,3 млн руб. от Минобрнауки РФ в Институте Нанотехнологий Микроэлектроники РАН. Разработана технология синтеза тонкой пленки нитрида титана методом атомно-слоевого осаждения на пластины монокристаллического кремния (100) n-типа.

  На 2025-2027 гг. открыто финансирование НИР «Структурные, оптические и электрофизические свойства наноразмерных МДП гетероструктур на основе кремния для квантовых информатики и сенсорики, энергонезависимой и нейроморфной памяти» для Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского Отделения Российской Академии Наук в объёме 59,4 млн руб. от Минобрнауки РФ. 

  МФТИ выполняет в 2024-2026 гг. за грант 21 млн руб. от Российского научного фонда НИР «Применение туннельно-тонких диэлектриков для инжиниринга контактов металл/MoS₂ в полевых транзисторах с 2D полупроводниковым каналом». Дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) (MoS₂, WS₂, WSe₂) – относятся к классу Ван-дер-Ваальсовых материалов, которые относительно легко могут быть получены в форме монослоев толщиной ~0,7 нм обладая при этом значимой шириной запрещенной зоны ~1,6-1,8 эВ. Эти двумерные полупроводники стабильны химически и характеризуется атомарно гладкой поверхностью. В последние годы серьезные успехи достигнуты в эпитаксиальном росте монослойных MoS₂ плёнок электронного качества с подвижностью носителей ~ 40-50 см²/В∙с на подложках больших площадей. Такие величины подвижности как минимум на порядок превосходят подвижность в кремнии сравнимой толщины.
  

  Заключение

  Патентный анализ показал, что последние 20 лет данный метод активно и настойчиво развивается ведущими мировыми компаниями в области электроники и фотоники, а также других общепромышленных направлений.

  Патентная ситуация в РФ слабая. Однако впечатляет экспоненциальный рост финансирования НИОКТР этого метода: если в 2015 г. гранты составляли порядка 3 млн руб., то в 2025 – более 150 млн руб. Особо щедрые вливания в области атомно-слоевого осаждения получает Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского Отделения Российской Академии Наук. Можно ожидать, что это приведёт к ряду существенных изобретений. 

  Очевидно, что для обеспечения технологического суверенитета в электронике необходимо ускоренными темпами развивать отечественные разработки в данном направлении, которые на середину 2025 года крайне ограничены. В соответствии с приоритетным вектором, определенным реальным сектором экономики, фокус пионерских НИР в этой области был сосредоточен на «ключевых» металлах для микроэлектроники, т.е. синтезе и исследовании высокочистых прекурсоров для осаждения слоев оксидов Hf, Zr, Ti и металлов Ru, Co, Cu. Это создало научный задел, но недостаточно в аспектах стратегического планирования и развития новых областей микроэлектроники. Расширение библиотеки летучих соединений, включая новые металлы и лиганды, с одной стороны, расширит возможности организации газофазных процессов атомно-слоевого осаждения и может открыть путь к получению ключевых материалов с лучшими функциональными характеристиками.

  О сервисе Онлайн Патент

  Онлайн Патент — цифровая система №1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech-решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн-Патент и получите доступ к следующим услугам: 

  • Онлайн-регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;

  • Подача заявки на внесение в реестр отечественного ПО;

  • Поиск по программам

  • Регистрация программы в Роспатенте

  • Опции ускоренного оформления услуг;

  • Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;

  • Мониторинги новых заявок по критериям;

  • Онлайн-поддержку специалистов.