什麽是原子層沉積技術
原子層沉積技術(ALD)是一種一層一層原子級生長的薄膜製備技術。理想的 ALD 生長過程,通過選擇性交替,把不同的前驅體暴露於基片的表麵,在表麵化學吸附並反應形成沉積薄膜。
20 世紀 60 年代,前蘇聯的科學家對多層 ALD 塗層工藝之前的技術(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。後來,芬蘭科學家獨立開發出一種多循環塗層技術(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。後來更名為更通用的術語“原子層沉積",而術語“原子層外延"現在保留用於(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.脈衝第一種前驅體暴露於基片表麵,同時在基片表麵對第一種前驅體進行化學吸附
2.惰性載氣吹走剩餘的沒有反應的前驅體
3.脈衝第二種前驅體在表麵進行化學反應,得到需要的薄膜材料
4.惰性載氣吹走剩餘的前驅體與反應副產物
原子層沉積( ALD )原理圖示
塗層的層數(厚度)可以簡單地通過設置連續脈衝的數量來確定。蒸氣不會在表麵上凝結,因為多餘的蒸氣在前驅體脈衝之間使用氮氣吹掃被排出。這意味著每次脈衝後的塗層會自我限製為一個單層,並且允許其以原子精度塗覆複雜的形狀。如果是多孔材料,內部的塗層厚度將與其表麵相同!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,根據需要重複多次以達到所需的塗層厚度。在生長過程中,表麵交替暴露於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,其吸附在表麵上的 OH 基團上並與其反應。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 吹掃去除剩餘的 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)的反應會氧化表麵並去除表麵配體。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 吹掃去除剩餘的 H2O 和 CH4,繼續步驟 1。
由於每個曝光步驟,表麵位點飽和為一個單層。一旦表麵飽和,由於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麵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
由於原子層沉積技術,與表麵形成共價鍵,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,易於操作且可擴展,無需超高真空等特點,具有以下優點:
厚度可控且均勻
通過控製沉積循環次數,可以實現亞納米級精度的薄膜厚度控製,具有優異的重複性。大麵積厚度均勻,甚至超過米尺寸。
塗層表麵光滑
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塗層,塗層的粗糙度非常低,並且遵循基材的曲率。該塗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 塗層台階覆蓋性
適用多類型材料
所有類型的物體都可以進行塗層: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。且適用於敏感基材的溫和沉積工藝,通常不需要等離子體。
可定製材料特性
適用於氧化物、氮化物、金屬、半導體等的標準且易於複製的配方,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製來定製材料特性。
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,易於批量擴展,可以一次性堆疊和塗覆許多基材,並具有塗層厚度均勻性。