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   原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)技術,亦稱原子層外延(atomic layer epitaxy,ALE)技術,是一種基于有序、表面自飽和反應的化學氣相薄膜沉積技術。原子層沉積技術起源于上世紀六七十年代,由前蘇聯科學家Aleskovskii和Koltsov首次報道,隨后,基于電致發光薄膜平板顯示器對高質量ZnS: Mn薄膜材料的需求,由芬蘭Suntalo博士發展并完善。然而,受限于其復雜的表面化學過程等因素,原子層沉積技術在最開始并沒有取得較大發展,直到上世紀九十年代,隨著半導體工業的興起,對各種元器件尺寸,集成度等方面的要求越來越高,原子層沉積技術才迎來發展的黃金階段。進入21世紀,隨著適應各種制備需求的商品化ALD儀器的研制成功,無論在基礎研究還是實際應用方面,原子層沉積技術都受到人們越來越多的關注。

   所謂的原子層沉積技術,是指通過將氣相前驅體交替脈沖通入反應室并在沉積基體表面發生氣固相化學吸附反應形成薄膜的一種方法。如圖1所示,原子層沉積過程由A、B兩個半反應分四個基元步驟進行:1)前驅體A脈沖吸附反應;2)惰氣吹掃多余的反應物及副產物;3)前驅體B脈沖吸附反應;4)惰氣吹掃多余的反應物及副產物,然后依次循環從而實現薄膜在襯底表面逐層生長。

   基于原子層沉積的原理,利用原子層沉積制備高質量薄膜材料,三大要素必不可少:1)前驅體需滿足良好的揮發性、足夠的反應活性以及一定熱穩定性,前驅體不能對薄膜或襯底具有腐蝕或溶解作用(圖2 A);2)前驅體脈沖時間需保證單層飽和吸附(圖2 A);3)沉積溫度應保持在ALD窗口內,以避免因前驅體冷凝或熱分解等引發CVD生長從而使得薄膜不均勻(圖2 B)。

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圖1.原子層沉積技術工作原理

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圖2.原子層沉積技術前驅體要求

   圖3和表1對比了原子層沉積技術和其他薄膜制備技術。與傳統的薄膜制備技術相比,原子層沉積技術優勢明顯。傳統的溶液化學方法以及濺射或蒸鍍等物理方法(PVD)由于缺乏表面控制性或存在濺射陰影區,不適于在三維復雜結構襯底表面進行沉積制膜。化學氣相沉積(CVD)方法需對前驅體擴散以及反應室溫度均勻性嚴格控制,難以滿足薄膜均勻性和薄厚精確控制的要求。相比之下,原子層沉積技術基于表面自限制、自飽和吸附反應,具有表面控制性,所制備薄膜具有優異的三維共形性、大面積的均勻性等特點,適應于復雜高深寬比襯底表面沉積制膜,同時還能保證精確的亞單層膜厚控制。因此,原子層沉積技術在微電子、能源、信息等領域應用廣泛。

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圖3. 原子層沉積技術與其他制膜技術對比

            

沉積技術前驅體均勻性沉積速率厚度
ALD
高反應活性;在襯底表面分別反應;在沉積溫度下不能分解;過量前驅體可接受由表面化學飽和吸附、自限制生長機制決定;表面控制

(每分鐘幾納米)

依賴于反應循環次數
CVD反應活性低;在襯底表面同時反應;在沉積溫度下分解;前驅體的量需仔細控制由反應室設計、氣流和溫度均勻性決定;工藝參數控制

 高

(每分鐘幾微米)

精確的工藝控制

表1. ALD技術與CVD技術對比

ALD應用案例

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