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一文了解原子層沉積(ALD)技術(shù)的原理與特點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間: 2024-02-27  點(diǎn)擊次數(shù): 1709次

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(jí)生長的薄膜制備技術(shù)。理想的 ALD 生長過程,通過選擇性交替,把不同的前驅(qū)體暴露于基片的表面,在表面化學(xué)吸附并反應(yīng)形成沉積薄膜。

 

20 世紀(jì) 60 年代,前蘇聯(lián)的科學(xué)家對(duì)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和分析相關(guān))進(jìn)行了研究。后來,芬蘭科學(xué)家獨(dú)立開發(fā)出一種多循環(huán)涂層技術(shù)(1974年,由 Tuomo Suntola 教授申請(qǐng)專zhuan利)。在俄羅斯,它過去和現(xiàn)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(shù)語“原子層沉積",而術(shù)語“原子層外延"現(xiàn)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 生長循環(huán)可以分為四個(gè)步驟:

 

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

2.惰性載氣吹走剩余的沒有反應(yīng)的前驅(qū)體

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

4.惰性載氣吹走剩余的前驅(qū)體與反應(yīng)副產(chǎn)物

 

 原子層沉積( ALD )原理圖示

 

涂層的層數(shù)(厚度)可以簡單地通過設(shè)置連續(xù)脈沖的數(shù)量來確定。蒸氣不會(huì)在表面上凝結(jié),因?yàn)槎嘤嗟恼魵庠谇膀?qū)體脈沖之間使用氮?dú)獯祾弑慌懦?。這意味著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(fù)雜的形狀。如果是多孔材料,內(nèi)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(yīng)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(jù)需要重復(fù)多次以達(dá)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(bǔ)的化學(xué)前驅(qū)體。在這種情況下,將每種前驅(qū)體單獨(dú)送入反應(yīng)器中。

 

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

 

反應(yīng)過程圖示

 

在每個(gè)周期中,執(zhí)行以下步驟: 

 

01 第一前驅(qū)體 TMA 的流動(dòng),其吸附在表面上的 OH 基團(tuán)上并與其反應(yīng)。通過正確選擇前驅(qū)體和參數(shù),該反應(yīng)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(qū)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(yīng)會(huì)氧化表面并去除表面配體。這種反應(yīng)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(xù)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(qū)體化學(xué)和工藝條件,就不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)。

 

為了防止前驅(qū)體在表面以外的任何地方發(fā)生反應(yīng),從而導(dǎo)致化學(xué)氣相沉積(CVD),必須通過氮?dú)獯祾邔⒏鱾€(gè)步驟分開。

 

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力,具有低缺陷密度,增強(qiáng)了安全性,易于操作且可擴(kuò)展,無需超高真空等特點(diǎn),具有以下優(yōu)點(diǎn):

 

厚度可控且均勻

通過控制沉積循環(huán)次數(shù),可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)精度的薄膜厚度控制,具有優(yōu)異的重復(fù)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(nèi)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(xiàn)針孔。

 

ALD 涂層臺(tái)階覆蓋性

 

適用多類型材料

所有類型的物體都可以進(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(dǎo)體等的標(biāo)準(zhǔn)且易于復(fù)制的配方,可以通過三明治、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、納米層壓材料、混合氧化物、梯度層和摻雜的數(shù)字控制來定制材料特性。

 

寬工藝窗口,且可批量生產(chǎn)

對(duì)溫度或前驅(qū)體劑量變化不敏感,易于批量擴(kuò)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。




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