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什么是原子层沉积?

发布时间:2015-08-18 点击次数:1323次

什么是原子层沉积?

原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD),也称为原子层外延(Atomic Layer Epitaxy,ALE),。原子层沉积是在一个加热反应器中的衬底上连续引入至少两种气相前驱体物种,化学吸附的过程直至表面饱和时就自动终止,适当的过程温度阻碍了分子在表面的物理吸附

目前可以沉积的材料包括:氧化物氮化物,氟化物,金属,碳化物,复合结构,硫化物,纳米薄层等。

该产品广泛应用于:半导体、纳米材料、钠米科技、薄膜材料、薄膜沉积以及航空航天领域。

应用领域:

1. 半导体领域

晶体管栅极电介质层(高k材料),光电元件的涂层,晶体管中的扩散势垒层和互联势垒层(阻止掺杂剂的迁移),有机发光显示器的反湿涂层和薄膜电致发光(TFEL)元件,集成电路中的互连种子层,DRAM和MRAM中的电介质层,集成电路中嵌入电容器的电介质层,电磁记录头的涂层,集成电路中金属-绝缘层-金属(MIM)电容器涂层。
2. 纳米技术领域

中空纳米管,隧道势垒层,光电电池性能的提高,纳米孔道尺寸的控制,高高宽比纳米图形,微机电系统(MEMS)的反静态阻力涂层和憎水涂层的种子层,纳米晶体,ZnSe涂层,纳米结构,中空纳米碗,存储硅量子点涂层,纳米颗粒的涂层,纳米孔内部的涂层,纳米线的涂层。

上述领域并不代表原子层沉积技术的所有可能应用领域,随着科技的发展在不远的将来将会发现其越来越多的应用。根据该技术的反应原理特征,各类不同的材料都可以沉积出来。已经沉积的材料包括金属、氧化物、碳(氮、硫、硅)化物、各类半导体材料和超导材料等。

基本原理:

原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法(技术)。当前驱体达到沉积基体表面,它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。由此可知沉积反应前驱体物质能否在被沉积材料表面化学吸附是实现原子层沉积的关键。气相物质在材料的表面吸附特征可以看出,任何气相物质在材料表面都可以进行物理吸附,但是要实现在材料表面的化学吸附必须具有一定的活化能,因此能否实现原子层沉积,选择合适的反应前驱体物质是很重要的。

原子层沉积的表面反应具有自限制性(self-limiting),实际上这种自限制性特征正是原子层沉积技术的基础。不断重复这种自限制反应就形成所需要的薄膜。

原子层沉积的自限制特征 :根据沉积前驱体和基体材料的不同,原子层沉积有两种不同的自限制机制,即化学吸附自限制(CS)和顺次反应自限制(RS)过程。

化学吸附自限制沉积过程中,*种反应前驱体输入到基体材料表面并通过化学吸附(饱和吸附)保持在表面。当第二种前驱体通入反应器,起就会与已吸附于基体材料表面的*前驱体发生反应。两个前驱体之间会发生置换反应并产生相应的副产物,直到表面的*前驱体完全消耗,反应会自动停止并形成需要的原子层。因此这是一种自限制过程,而且不断重复这种反应形成薄膜。

化学吸附自限制过程不同,顺次反应自限制原子层沉积过程是通过活性前驱体物质与活性基体材料表面化学反应来驱动的。这样得到的沉积薄膜是由于前驱体与基体材料间的化学反应形成的。图a和b分别给出了这两种自限制反应过程的示意图。由图可知,化学吸附自限制过程的是由吸附前驱体1(ML2)与前驱体2(AN2)直接反应生成MA原子层(薄膜构成),主要反应可以以方程式⑴表示。对于顺次反应自限制过程首先是活化剂(AN)活化基体材料表面;然后注入的前驱体1(ML2)在活化的基体材料表面反应形成吸附中间体(AML),这可以用反应方程式⑵表示。反应⑵随着活化剂AN的反应消耗而自动终止,具有自限制性。当沉积反应前驱体2(AN2)注入反应器后,就会与上述的吸附中间体反应并生成沉积原子层。

图 A.化学吸附(CS)和B.顺次反应(RS)自限制原子层沉积过程示意图

ML2 + AN2 --- MA(film) + 2LN

AN + ML2 --- AML + NL

AML + AN2 --- MAN + NL

这里需要说明的是前躯体1能够在基体材料表面快速形成稳定的化学吸附层是化学吸附自限制原子沉积过程的必要条件。对于顺次反应自限制过程,一方面基体材料表面必须先经过表面活化,另一方面,这种沉积反应实际是半反应⑵和⑶的组合。每个半反应完成后材料表面的功能基团都会发生变化,并且一个原子层沉积完成时,材料表面要恢复到zui初的活化基团状态。这种恢复特点以及材料表面原始活性状态是区分上述两种不同的自限制反应沉积过程的主要因素。

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