原子层沉积（ALD, Atomic Layer Deposition）详解

本文介绍了什么是原子层沉积（ALD, Atomic Layer Deposition）。

1.原理：基于分子层级的逐层沉积

ALD 是一种精确的薄膜沉积技术，其核心原理是利用化学反应的“自限性”，以原子或分子层为单位逐层生长薄膜。

具体过程包括：

前体吸附：将化学前体（Precursor）引入反应室，前体分子在衬底表面发生吸附，形成单分子层。

吹扫：用惰性气体（如氮气或氩气）将未吸附的前体和副产物清除，确保仅剩化学吸附的分子。

反应：引入第二种前体，与已吸附分子发生化学反应，生成所需的薄膜层，同时释放出气相副产物。

循环重复：每次循环仅沉积一个原子层，通过重复循环，逐渐形成所需厚度的均匀薄膜。

这种“自限性反应”确保每个循环的沉积厚度恒定，无论基材表面是平坦还是复杂的三维结构。

2. 优势分析

2.1 无针孔薄膜

特点：ALD 沉积薄膜致密，无微小孔洞，确保膜层具备优异的密封性和隔离性。

原因：由于每个周期只沉积一个原子层，沉积过程可以填补薄膜中的微小缺陷，保证膜层完整性。

应用：这种无缺陷薄膜广泛应用于高性能电子器件（如栅氧化层）、防腐涂层和气体屏障等场景。

2.2 阶梯覆盖能力

特点：ALD 在高深宽比结构中实现 100% 阶梯覆盖，无论是复杂凹槽、孔隙还是微纳结构。

原因：由于 ALD 依赖于化学吸附，每个层面都能均匀吸附前体，并逐层沉积，无厚薄不均现象。

应用：适用于半导体器件、纳米线、光学传感器等复杂三维结构的涂覆。

2.3 低温沉积

特点：适合温度敏感的基材，常见温度范围为 50-350°C。

原因：ALD 的前体吸附和化学反应是热驱动过程，但在适当温度内不需要高温，因此可避免高温对材料的破坏。

应用：对热敏基材（如柔性电子、聚合物基材）的涂覆。

3. ALD 与传统沉积技术的对比

薄膜均匀性：传统方法如 PECVD（等离子体增强化学气相沉积）或 PVD（物理气相沉积）在高深宽比结构中沉积不均匀，ALD 能在微纳米尺度结构中实现均匀沉积。

刻蚀精度：ALD 的对标工艺 ALE（原子层刻蚀）同样依赖自限性反应，具备更高的刻蚀均匀性和精度。

成本与效率：虽然 ALD 的循环沉积速度较慢，但其薄膜质量和均匀性使其成为高精度领域的首选。

4. 材料与应用

ALD 可沉积多种无机和有机材料：

金属氧化物：如 TiO₂（高折射率薄膜）、ZrO₂（电介质层）。 氮化物：如 TiN（导电屏蔽层）。 碳化物：用于高温稳定性涂层。

无机材料：

有机涂层：如聚酰胺（纳米级防腐薄膜）。

典型应用领域

半导体制造：制备栅极氧化层、导电屏蔽层、钝化层。

光学与光子学：制备抗反射涂层、高折射率镜片。

MEMS：增强微机电器件表面性能。

绿色能源：用于太阳能电池的钝化和催化剂涂层。

5. ALD 的未来趋势

与 ALE 的联动：结合原子层沉积和刻蚀技术，推动极高深宽比结构制造。

前体开发：开发更高反应活性、环保型前体，扩展可沉积材料种类。

大面积制造：研究提高 ALD 沉积速率的方案（如 Spatial ALD），实现高效量产。

通过逐层沉积和精确控制，ALD技术已成为微纳米制造的基石之一，在半导体、光学、能源等多个领域发挥着不可替代的作用。 END 转载内容仅代表作者观点 不代表中国科学院半导体所立场