一文了解原子層沉積（ALD）技術的原理與特點

什么是原子層沉積技術

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

20 世紀 60 年代，前蘇聯的科學家對多層 ALD 涂層工藝之前的技術（與單原子層或雙原子層的氣相生長和分析相關）進行了研究。后來，芬蘭科學家獨立開發出一種多循環涂層技術（1974年，由 Tuomo Suntola 教授申請專zhuan利）。在俄羅斯，它過去和現在都被稱為分子層沉積，而在芬蘭，它被稱為原子層外延。后來更名為更通用的術語“原子層沉積"，而術語“原子層外延"現在保留用于（高溫）外延 ALD。

Part 01.原子層沉積技術基本原理

一個完整的 ALD 生長循環可以分為四個步驟：

1.脈沖第一種前驅體暴露于基片表面，同時在基片表面對第一種前驅體進行化學吸附

2.惰性載氣吹走剩余的沒有反應的前驅體

3.脈沖第二種前驅體在表面進行化學反應，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物

 原子層沉積（ ALD ）原理圖示

涂層的層數（厚度）可以簡單地通過設置連續脈沖的數量來確定。蒸氣不會在表面上凝結，因為多余的蒸氣在前驅體脈沖之間使用氮氣吹掃被排出。這意味著每次脈沖后的涂層會自我限制為一個單層，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 有著越來越廣泛的應用。

Part 02. 原子層沉積技術案例展示

原子層沉積通常涉及 4 個步驟的循環，根據需要重復多次以達到所需的涂層厚度。在生長過程中，表面交替暴露于兩種互補的化學前驅體。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 或氧等離子體進行原子層沉積，詳細過程如下：

反應過程圖示

在每個周期中，執行以下步驟： 

01 第一前驅體 TMA 的流動，其吸附在表面上的 OH 基團上并與其反應。通過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。H2O（熱 ALD）或氧等離子體自由基（等離子體 ALD）的反應會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。

由于每個曝光步驟，表面位點飽和為一個單層。一旦表面飽和，由于前驅體化學和工藝條件，就不會發生進一步的反應。

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

Part 03. 原子層沉積技術的優點

由于原子層沉積技術，與表面形成共價鍵，有時甚至滲透（聚合物），因此具有出色的附著力，具有低缺陷密度，增強了安全性，易于操作且可擴展，無需超高真空等特點，具有以下優點：

厚度可控且均勻

通過控制沉積循環次數，可以實現亞納米級精度的薄膜厚度控制，具有優異的重復性。大面積厚度均勻，甚至超過米尺寸。

涂層表面光滑

3D 共形性和 100% 階梯覆蓋：在平坦、內部多孔和顆粒周圍樣品上形成均勻光滑的涂層，涂層的粗糙度非常低，并且遵循基材的曲率。該涂層甚至可以生長在基材上的灰塵顆粒下方，從而防止出現針孔。

ALD 涂層臺階覆蓋性

適用多類型材料

所有類型的物體都可以進行涂層：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，可以通過三明治、異質結構、納米層壓材料、混合氧化物、梯度層和摻雜的數字控制來定制材料特性。

寬工藝窗口，且可批量生產

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。