原子層沉積（ALD, Atomic Layer Deposition）詳解

本文介紹了什么是原子層沉積（ALD, Atomic Layer Deposition）。

1.原理：基于分子層級(jí)的逐層沉積

ALD 是一種精確的薄膜沉積技術(shù)，其核心原理是利用化學(xué)反應(yīng)的“自限性”，以原子或分子層為單位逐層生長(zhǎng)薄膜。

具體過(guò)程包括：

前體吸附：將化學(xué)前體（Precursor）引入反應(yīng)室，前體分子在襯底表面發(fā)生吸附，形成單分子層。

吹掃：用惰性氣體（如氮?dú)饣驓鍤猓⑽次降那绑w和副產(chǎn)物清除，確保僅?；瘜W(xué)吸附的分子。

反應(yīng)：引入第二種前體，與已吸附分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成所需的薄膜層，同時(shí)釋放出氣相副產(chǎn)物。

循環(huán)重復(fù)：每次循環(huán)僅沉積一個(gè)原子層，通過(guò)重復(fù)循環(huán)，逐漸形成所需厚度的均勻薄膜。

這種“自限性反應(yīng)”確保每個(gè)循環(huán)的沉積厚度恒定，無(wú)論基材表面是平坦還是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

2. 優(yōu)勢(shì)分析

2.1 無(wú)針孔薄膜

特點(diǎn)：ALD 沉積薄膜致密，無(wú)微小孔洞，確保膜層具備優(yōu)異的密封性和隔離性。

原因：由于每個(gè)周期只沉積一個(gè)原子層，沉積過(guò)程可以填補(bǔ)薄膜中的微小缺陷，保證膜層完整性。

應(yīng)用：這種無(wú)缺陷薄膜廣泛應(yīng)用于高性能電子器件（如柵氧化層）、防腐涂層和氣體屏障等場(chǎng)景。

2.2 階梯覆蓋能力

特點(diǎn)：ALD 在高深寬比結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn) 100% 階梯覆蓋，無(wú)論是復(fù)雜凹槽、孔隙還是微納結(jié)構(gòu)。

原因：由于 ALD 依賴于化學(xué)吸附，每個(gè)層面都能均勻吸附前體，并逐層沉積，無(wú)厚薄不均現(xiàn)象。

應(yīng)用：適用于半導(dǎo)體器件、納米線、光學(xué)傳感器等復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的涂覆。

2.3 低溫沉積

特點(diǎn)：適合溫度敏感的基材，常見(jiàn)溫度范圍為 50-350°C。

原因：ALD 的前體吸附和化學(xué)反應(yīng)是熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程，但在適當(dāng)溫度內(nèi)不需要高溫，因此可避免高溫對(duì)材料的破壞。

應(yīng)用：對(duì)熱敏基材（如柔性電子、聚合物基材）的涂覆。

3. ALD 與傳統(tǒng)沉積技術(shù)的對(duì)比

薄膜均勻性：傳統(tǒng)方法如 PECVD（等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）或 PVD（物理氣相沉積）在高深寬比結(jié)構(gòu)中沉積不均勻，ALD 能在微納米尺度結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)均勻沉積。

刻蝕精度：ALD 的對(duì)標(biāo)工藝 ALE（原子層刻蝕）同樣依賴自限性反應(yīng)，具備更高的刻蝕均勻性和精度。

成本與效率：雖然 ALD 的循環(huán)沉積速度較慢，但其薄膜質(zhì)量和均勻性使其成為高精度領(lǐng)域的首選。

4. 材料與應(yīng)用

ALD 可沉積多種無(wú)機(jī)和有機(jī)材料：

金屬氧化物：如 TiO?（高折射率薄膜）、ZrO?（電介質(zhì)層）。 氮化物：如 TiN（導(dǎo)電屏蔽層）。 碳化物：用于高溫穩(wěn)定性涂層。

無(wú)機(jī)材料：

有機(jī)涂層：如聚酰胺（納米級(jí)防腐薄膜）。

典型應(yīng)用領(lǐng)域

半導(dǎo)體制造：制備柵極氧化層、導(dǎo)電屏蔽層、鈍化層。

光學(xué)與光子學(xué)：制備抗反射涂層、高折射率鏡片。

MEMS：增強(qiáng)微機(jī)電器件表面性能。

綠色能源：用于太陽(yáng)能電池的鈍化和催化劑涂層。

5. ALD 的未來(lái)趨勢(shì)

與 ALE 的聯(lián)動(dòng)：結(jié)合原子層沉積和刻蝕技術(shù)，推動(dòng)極高深寬比結(jié)構(gòu)制造。

前體開(kāi)發(fā)：開(kāi)發(fā)更高反應(yīng)活性、環(huán)保型前體，擴(kuò)展可沉積材料種類。

大面積制造：研究提高 ALD 沉積速率的方案（如 Spatial ALD），實(shí)現(xiàn)高效量產(chǎn)。

通過(guò)逐層沉積和精確控制，ALD技術(shù)已成為微納米制造的基石之一，在半導(dǎo)體、光學(xué)、能源等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。 END 轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn) 不代表中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所立場(chǎng)