薄膜沉积丨原子层沉积（ALD）
技术原理及应用

目录

什么是原子层沉积（ALD）？

原子层沉积 (Atomic Layer Deposition, ALD)是一种基于化学气相沉积 (CVD) 的高精度 薄膜沉积 技术，是将物质材料以单原子膜的形式基于化学气相一层一层的沉积在衬底表面的技术。将两种或更多种前体化学品分别包含被沉积材料的不同元素，一次一种地分别引入到衬底表面。每个前体使表面饱和，形成单层材料。

原子层沉积原理

ALD 生长原理与传统化学气象沉积（CVD）有相似之处，不过ALD在沉积过程中，反应前驱体是交替沉积，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，每次反应只沉积一层原子。拥有自限制生长特点，可使薄膜共形且无针孔的沉积到衬底上。因此可以通过控制沉积周期的次数进而实现薄膜厚度的精确控制。
 
一个原子层沉积周期可分为四个步骤：
  1. 向基底通入第一种前驱气体，与基体表面发生吸附或化学反应；
  2. 用惰性气体冲洗剩余气体；
  3. 通入第二种前驱气体；与吸附在基体表面的第一种前驱气体发生化学反应生成涂层，或与第一前驱体和基体反应的生成物继续反应生成涂层；
  4. 再次用惰性气体将多余的气体冲走。
 
前驱体选择及分类
 前驱体的选择对 ALD 生长的涂层质量有着至关重要的作用，前驱体需要满足：
  • 在沉积温度下具有足够高的蒸气压，保证其能够充分覆盖填充基底材料表面；
  • 良好的热稳定性和化学稳定性，防止在反应最高温度限度内发生自分解；
  • 高反应活性。能迅速在材料表面进行吸附并达到饱和，或与材料表面基团快速有效反应
  • 无毒、无腐蚀性，且副产物呈惰性。避免阻碍自限制薄膜生长
  • 材料来源广泛
ALD 前驱体主要可以分为两大类：无机物和金属有机物。其中无机物前驱体包括单质和卤化物等，金属有机物包括金属烷基，金属环戊二烯基，金属 β- 2 酮，金属酰胺、金属醚基等化合物。
 
 

原子层沉积技术特征与优势

  • 高精确性：通过控制反应周期可简单精确控制基底薄膜厚度，薄膜的厚度精度可以达到一个原子的厚度 。
  • 极好的三维保形性：ALD可以生成与原来基底形状一致的薄膜，即薄膜可以均匀地沉积在类似凹面的表面上 。 因此，适用于不同形状的基底； 均匀的三维薄膜 、形状和原来一致，保形性，是 ALD 技术的独特优势 。
  • 高平整性：表面无针孔，自下而上的生长机制决定了薄膜的无针孔性质 ，这对于阻挡和钝化应用是有价值的 。
  • 极好的附着性：前驱体与基底表面的化学吸附保证了极好的附着性
  • 低热预算（淀积温度低）: 可在低温（室温至400℃）下进行薄膜生长，这对温度有限制的聚合物器件和生物材料涂层非常有吸引力

薄膜沉积工艺优劣对比

工艺原子层沉积
(ALD)		物理气相沉积
(PVD)		化学气相沉积
(CVD)		低压化学气相沉积
（LPCVD炉管）
沉积原理化学表面饱和
反应-沉积		蒸发-凝固气相反应-沉积低压化学气相沉积
（炉管式）
沉积过程层状生长形核长大形核长大形核长大
台阶覆盖率优秀一般好好
沉积速率慢快快较慢
沉积温度低(＜500℃)低高更高
均匀性优秀
0.07 – 0.1nm		一般
5nm左右		较好
0.5 – 2nm

更好

厚度控制反应循环次数沉积时间沉积时间
气相分压		沉积时间
气体比
成分均匀杂质少无杂质易含杂质无杂质

原子层沉积应用

随着半导体产业的不断发展，器件的尺寸愈发细微使得寻找或开发更为先进的薄膜生长技术尤为重要，这些器件需要低热预算、薄膜厚度精度高和在三维 (3D) 结构上的出色保形性，然而，传统的沉积技术，化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)已经不能完全适应这一发展趋势。ALD技术由于其沉积参数的高度可控性(厚度、成份和结构)、优异的均匀性和保形性，使其在微纳电子和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力。

  • 该技术应用的主要领域包括以下方面 [1]:
  • 高K介电质(Al2O3 ，Hf O2，Zr O，Ta 2 O5，La 2 O3):用于晶体管栅极与DRAM电容器介电层;
  • 金属栅电极(Ir，Pt，Ru，Ti N);
  • 金属互连与衬板(Cu，WN，Ta N，WNC，Ru，Ir):用于铜互连线的金属扩散阻挡层，晶体管栅的半导体通孔，和存储单元应用，如DRAM电容器，钝化层;
  • 催化材料(Pt，IrCo，Ti O2，V 2 O5):用于过滤膜内的涂层，催化剂(用于汽车催化转化器的铂膜)，燃料电池用离子交换涂层;
  • 纳米结构(各种材料):用于纳米结构和MEMS周围和里面的保形沉积;
  • 生物涂料(Ti N，Zr N，Cr N，Ti Al N，Al Ti N):用于体内的医疗设备及仪器的生物相容性材料;
  • ALD金属材料(Ru，Pd，Ir，Pt，Rh，Co，Cu，Fe，Ni);
  • 压电层(Zn O，Al N，Zn S);
  • 透明电导体(Zn O︰Al，ITO);
  • 紫外线阻挡层(Zn O，Ti O2);
  • OLED钝化(Al2O3 );
  • 固体润滑层(WS2);
  • 光子晶体(Zn O，Zn S︰Mn，Ti O2，Ta2 N5):多孔氧化铝和反向蛋白石的内涂层;
  • 防眩和光学过滤器(Al2O3 ，Zn S，Sn O2，Ta 2 O5):法布里—珀罗触发器滤光片;
  • 电致发光器件(Sr S︰Cu，Zn S︰Mn，Zn S︰Tb，Sr S︰Ce);
  • 加工层(Al2O3 ，Zr O2):用于蚀刻势垒层，离子扩散势垒层，电磁记录磁头的涂层;
  • 光学应用(Al Ti O，Sn O2，Zn O):用于纳米光学材料，太阳能电池，集成光学材料，光学薄膜，激光，各种介电质制膜;
  • 传感器(Sn O2，Ta 2 O5):用于气体传感器，pH值传感器;
  • 磨损和腐蚀抑制层(Al2O3 ，Zr O2，WS2)
[1] 原子层沉积技术的应用现状及发展前景；(2021)10—0005—05

我们提供 原子层沉积 / 微纳米加工 服务, 欢迎留言咨询。

相关产品

相关阅读

更多相关...