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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(jiǎn)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

完美的 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，并且完全遵循基材的曲率。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 涂層的完美臺(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，并具有完美的涂層厚度均勻性。

關(guān)于 Forge Nano 

Forge Nano 專注于粉末原子層沉積技術(shù)（PALD)，憑借其專有的 Atomic Armor? 技術(shù)，能夠使產(chǎn)品開發(fā)人員設(shè)計(jì)任何材料直至單個(gè)原子。Atomic Armor? 工藝生產(chǎn)的卓越表面涂層使合作伙伴能夠釋放材料的最佳性能，實(shí)現(xiàn)延長壽命、提高安全性、降低成本和優(yōu)化產(chǎn)品的功能。其科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與廣泛的商業(yè)合作伙伴合作開發(fā)定制解決方案，能夠滿足任何規(guī)模的任何需求，包括從小規(guī)模研發(fā)和實(shí)驗(yàn)室級(jí)別到工業(yè)規(guī)模、大批量生產(chǎn)。