Atomic Layer Deposition原子层沉积技术

Posted 2021-06-11 吴建明

Atomic Layer Deposition原子层沉积技术

原子层沉积技术（Atomic Layer Deposition）是一种原子尺度的薄膜制备技术。可以沉积均匀一致，厚度可控、成分可调的超薄薄膜。随着纳米技术和半导体微电子技术的发展，器件和材料的尺寸要求不断地降低，同时器件结构中的宽深比不断增加，要求所使用材料的厚度降低至十几纳米到几个纳米数量级。原子层沉积技术逐渐成为了相关制造领域不可替代的技术。其优势决定了具有巨大的发展潜力和更加广阔的应用空间。

原子层沉积技术（ALD）是一种一层一层原子级生长的薄膜制备技术。理想的ALD生长过程，通过选择性交替，把不同的前驱体暴露于基片的表面，在表面化学吸附并反应而形成沉积薄膜。与传统的化学气相沉积技术CVD相比，ALD技术要求严格地执行交替脉冲前驱体，避免气相反应的过程。一个完整的ALD生长循环可以分为四个步骤：

 

1.脉冲第一种前驱体暴露于基片表面，同时在基片表面对第一种前驱体进行化学吸附

2.惰性载气吹走剩余的没有反应的前驱体

3.脉冲第二种前驱体在表面进行化学反应，得到需要的薄膜材料

4.惰性载气吹走剩余的前驱体与反应副产物

使用者可通过设定循环次数或时间，实现原子级尺度厚度可控的薄膜沉积

技术优势。

相对于传统的沉积工艺，ALD技术具有以下明显的优势：
• 前驱体是饱和化学吸附，不需要控制反应物流量的均一性
• 沉积参数的高度可控，可实现生成大面积均匀性的薄膜
• 通过控制反应周期数，可简单精确地以原子层厚度精度，控制薄膜沉积的厚度
• 可广泛适用于各种形状的基底
• 优异的台阶覆盖性，可生成极好的三维保形性化学计量薄膜，
• 优异的均匀性和一致性，可生成密集无针孔状的薄膜
• 可沉积宽深比达2000:1的结构，对纳米孔材料进行沉积
• 可容易进行掺杂和界面修正
• 可以沉积多组份纳米薄膜和混合氧化物
• 薄膜生长可在低温（室温到400℃）下进行
• 固有的沉积均匀性和小的源尺寸，易于缩放，可直接按比例放大
• 对环境要求包括灰尘不敏感
• 使用与维护成本低

原子层沉积（ALD）包括三种主要沉积模式：

连续模式^TM （Flow ^TM ）、停流模式^TM （StopFlow ^TM ）、压力调谐模式^TM （PreTune ^TM）

原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控性（厚度；成份和结构），优异的沉积均匀性和一致性，使得其在微纳电子学和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力。就目前已发表的相关论文和报告显示，该技术未来的主要应用领域包括：

晶体管栅极介电层

传统的蒸镀、溅射、化学气相沉积技术会产生孔隙和表面层缺陷，而原子层沉积技术能有效的保证厚度的均匀性，重现性好，应力低，化学计量准确，低缺陷密度的非晶结构。除了普通的氧化物外，还可以用来制备高迁移率的异质结构GaAs/AlGaAs，有机晶体管，纳米管等。

Intel早在45nm级处理器，应用了ALD方法制备的高k-HfO2晶体管栅极介电层。而Intel最新量产的 32nm级处理器，对于材料的挥发性，输运方式以及纯度等问题更变得更至关重要，ALD技术的优势和重要性已经更加明显了。目前Intel和IBM已经同 时宣布使用铪基材料作为栅极高k绝缘介质，加速CMOS制造工艺的革命。

优点：缺陷少、均一、厚度可控、可形成无定形包覆，可厌氧反应。

应用如：GaAs/AlGaAs等异质结构、晶体管、电子管、HfO2、ZrO2、Al2O3、LaAlO3、GdScO3 等。

LabNano PE^TM系列是专门为科学研究与工业开发领域的用户而开发的具有等离子体增强; 离子束辅助沉积功能的原子层沉积系统。相关附件可容易互换，配备多种材料的标准沉积工艺配方，使用及维护成本低。

独特的腔体和气路设计专利技术的喷淋式等离子体和前驱体气体进口以及独特的穹顶型扩散腔和纺锤形真空腔，让等离子体和前驱体在反应腔内更加均匀扩散。

原子层沉积专用远程等离子源原子层沉积专用的ICP远程等离子体源相对于电容式等离子源具有更高密度的自由基，更温和的离子能量。消除了等离子体对基片表面薄膜的刻蚀作用，提高了成膜质量与沉积效率。等离子体产生腔采用高纯（>99%）氧化铝，可兼容氟化物在内的多种气体；铝制等离子体扩散腔防止腔壁杂质在等离子作用下的析出。

 

高度集成和灵活性该系统适用于固态、液态、气态前驱体源。提供4路到6路前驱体源管路供用户选择。提供3到5路等离子体配置，配备质量流量计(MFC)，H₂,O₂, Ar, N₂, NH₃等气体可选。采用分子泵使本底真空可以快速达到高真空。基片反应温度最高达600℃，或更高（选配）；8英寸的样品尺寸同时兼容小尺寸样品可满足绝大多数客户的科研要求。

独有的技术优势：独有的单面沉积技术。

单面沉积模式^TM （ SinglePro ^TM ）专利技术：

 

基本技术参数

 

 

 

LabNano^TM系列是专门为科学研究与工业开发领域的用户而设计的灵活精巧、高度集成的原子层沉积系统。完全符合CE标准。操作界面直观简单，初学者容易熟练掌握，配备多种材料的标准沉积工艺配方，使用及维护成本低。

高度集成和灵活性:  该系列适用于固态、液态、气态前驱体源。提供2路到6路前驱体源管路供用户选择。兼容臭氧发生器、气氛手套箱、大尺寸多片样品沉积附件等多种选配件。

精确控制与多种沉积模式: 用户可通过设定循环次数和时间来实现原子级尺度厚度可控的薄膜沉积。包括三种沉积模式：连续模式^TM（Flow^TM）、停流模式^TM（StopFlow^TM）、压力调谐模式^TM（PreTune^TM）。可实现高速沉积、对微孔内壁、超高宽深比结构等复杂异型3D结构的沉积。消除CVD效应和前驱体反流对沉积过程的影响。实现在材料物质改性等领域的重要应用。

多种标准沉积工艺配方:我们为客户提供多种材料的标准沉积工艺配方，包括在不同条件、不同沉积速率下的工艺配方以满足用户的需求。

完美的易操作性: 操作界面直观简单, 操作者很容易熟练掌握。所有参数（前驱体源温度、管路温度、腔体温度、载气流量，脉冲时间等）均在计算机操作界面中设定修改，整个沉积过程及状态参数均实时显示。所有薄膜沉积模式及工艺配方均可以实现自动存储调用。包含多重安全保护机制，如过压保护及出现异常自动关闭ALD阀门防止前驱体泄漏等。

稳定可靠与低使用维护成本:DualO^TM氮气保护的双O-Ring高温密封系统，有效隔绝其他气体渗漏。最紧凑的全部加热的管路设计和大面积小体积的腔体结构，结合特殊的尾气处理装置，把前驱体源的浪费减少到最低，既有效地节约了前驱体的使用量，同时又避免了在管路中的残留反应和对真空泵的污染所造成的损失。

独有的技术优势：氮气保护的双O-Ring高温密封系统，提高膜层质量。

基本技术参数 

 

原子层沉积技术现可以沉积的主要材料包括：