什么是原子層沉積技術(shù)

原子層沉積技術(shù)（ALD）是一種一層一層原子級生長(cháng)的薄膜制備技術(shù)。理想的 ALD 生長(cháng)過(guò)程，通過(guò)選擇性交替，把不同的前驅體暴露于基片的表面，在表面化學(xué)吸附并反應形成沉積薄膜。

20 世紀 60 年代，前蘇聯(lián)的科學(xué)家對多層 ALD 涂層工藝之前的技術(shù)（與單原子層或雙原子層的氣相生長(cháng)和分析相關(guān)）進(jìn)行了研究。后來(lái)，芬蘭科學(xué)家獨立開(kāi)發(fā)出一種多循環(huán)涂層技術(shù)（1974年，由 Tuomo Suntola 教授申請專(zhuān)（zhuan）利）。在俄羅斯，它過(guò)去和現在都被稱(chēng)為分子層沉積，而在芬蘭，它被稱(chēng)為原子層外延。后來(lái)更名為更通用的術(shù)語(yǔ)“原子層沉積"，而術(shù)語(yǔ)“原子層外延"現在保留用于（高溫）外延 ALD。

Part 01.原子層沉積技術(shù)基本原理

一個(gè)完整的 ALD 生長(cháng)循環(huán)可以分為四個(gè)步驟：

1.脈沖第一種前驅體暴露于基片表面，同時(shí)在基片表面對第一種前驅體進(jìn)行化學(xué)吸附

2.惰性載氣吹走剩余的沒(méi)有反應的前驅體

3.脈沖第二種前驅體在表面進(jìn)行化學(xué)反應，得到需要的薄膜材料

4.惰性載氣吹走剩余的前驅體與反應副產(chǎn)物

 原子層沉積（ ALD ）原理圖示

涂層的層數（厚度）可以簡(jiǎn)單地通過(guò)設置連續脈沖的數量來(lái)確定。蒸氣不會(huì )在表面上凝結，因為多余的蒸氣在前驅體脈沖之間使用氮氣吹掃被排出。這意味著(zhù)每次脈沖后的涂層會(huì )自我限制為一個(gè)單層，并且允許其以原子精度涂覆復雜的形狀。如果是多孔材料，內部的涂層厚度將與其表面相同！因此，ALD 有著(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。

Part 02. 原子層沉積技術(shù)案例展示

原子層沉積通常涉及 4 個(gè)步驟的循環(huán)，根據需要重復多次以達到所需的涂層厚度。在生長(cháng)過(guò)程中，表面交替暴露于兩種互補的化學(xué)前驅體。在這種情況下，將每種前驅體單獨送入反應器中。

下文以包覆 Al2O3 為例，使用第一前驅體 Al(CH3)3（三甲基鋁，TMA）和第二前驅體 H2O 或氧等離子體進(jìn)行原子層沉積，詳細過(guò)程如下：

反應過(guò)程圖示

在每個(gè)周期中，執行以下步驟： 

01 第一前驅體 TMA 的流動(dòng)，其吸附在表面上的 OH 基團上并與其反應。通過(guò)正確選擇前驅體和參數，該反應是自限性的。

Al(CH3)3 + OH => O-Al-(CH3)2 + CH4

02使用 N2 吹掃去除剩余的 Al(CH3)3 和 CH4

03第二前驅體（水或氧氣）的流動(dòng)。H2O（熱 ALD）或氧等離子體自由基（等離子體 ALD）的反應會(huì )氧化表面并去除表面配體。這種反應也是自限性的。

O-Al-(CH3)2 + H2O => O-Al-OH(2) + (O)2-Al-CH3 + CH4

04使用 N2 吹掃去除剩余的 H2O 和 CH4，繼續步驟 1。

由于每個(gè)曝光步驟，表面位點(diǎn)飽和為一個(gè)單層。一旦表面飽和，由于前驅體化學(xué)和工藝條件，就不會(huì )發(fā)生進(jìn)一步的反應。

為了防止前驅體在表面以外的任何地方發(fā)生反應，從而導致化學(xué)氣相沉積（CVD），必須通過(guò)氮氣吹掃將各個(gè)步驟分開(kāi)。

Part 03. 原子層沉積技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

由于原子層沉積技術(shù)，與表面形成共價(jià)鍵，有時(shí)甚至滲透（聚合物），因此具有出色的附著(zhù)力，具有低缺陷密度，增強了安全性，易于操作且可擴展，無(wú)需超高真空等特點(diǎn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

厚度可控且均勻

通過(guò)控制沉積循環(huán)次數，可以實(shí)現亞納米級精度的薄膜厚度控制，具有優(yōu)異的重復性。大面積厚度均勻，甚至超過(guò)米尺寸。

涂層表面光滑

3D 共形性和 100% 階梯覆蓋：在平坦、內部多孔和顆粒周?chē)鷺悠飞闲纬删鶆蚬饣耐繉?，涂層的粗糙度非常低，并且全遵循基材的曲率。該涂層甚至可以生長(cháng)在基材上的灰塵顆粒下方，從而防止出現針孔。

ALD 涂層的臺階覆蓋性

適用多類(lèi)型材料

所有類(lèi)型的物體都可以進(jìn)行涂層：晶圓、3D 零件、薄膜卷、多孔材料，甚至是從納米到米尺寸的粉末。且適用于敏感基材的溫和沉積工藝，通常不需要等離子體。

可定制材料特性

適用于氧化物、氮化物、金屬、半導體等的標準且易于復制的配方，可以通過(guò)三明治、異質(zhì)結構、納米層壓材料、混合氧化物、梯度層和摻雜的數字控制來(lái)定制材料特性。

寬工藝窗口，且可批量生產(chǎn)

對溫度或前驅體劑量變化不敏感，易于批量擴展，可以一次性堆疊和涂覆許多基材，并具有涂層厚度均勻性。