什么是原子層沉積？

原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD），也稱為原子層外延（Atomic Layer Epitaxy，ALE），。原子層沉積是在一個(gè)加熱反應(yīng)器中的襯底上連續(xù)引入至少兩種氣相前驅(qū)體物種，化學(xué)吸附的過程直至表面飽和時(shí)就自動(dòng)終止，適當(dāng)?shù)倪^程溫度阻礙了分子在表面的物理吸附。

目前可以沉積的材料包括：氧化物，氮化物，氟化物，金屬，碳化物，復(fù)合結(jié)構(gòu)，硫化物，納米薄層等。

該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于：半導(dǎo)體、納米材料、鈉米科技、薄膜材料、薄膜沉積以及航空航天領(lǐng)域。

應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 半導(dǎo)體領(lǐng)域

晶體管柵極電介質(zhì)層（高k材料），光電元件的涂層，晶體管中的擴(kuò)散勢壘層和互聯(lián)勢壘層（阻止摻雜劑的遷移），有機(jī)發(fā)光顯示器的反濕涂層和薄膜電致發(fā)光（TFEL）元件，集成電路中的互連種子層，DRAM和MRAM中的電介質(zhì)層，集成電路中嵌入電容器的電介質(zhì)層，電磁記錄頭的涂層，集成電路中金屬-絕緣層-金屬（MIM）電容器涂層。
2. 納米技術(shù)領(lǐng)域

中空納米管，隧道勢壘層，光電電池性能的提高，納米孔道尺寸的控制，高高寬比納米圖形，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的反靜態(tài)阻力涂層和憎水涂層的種子層，納米晶體，ZnSe涂層，納米結(jié)構(gòu)，中空納米碗，存儲(chǔ)硅量子點(diǎn)涂層，納米顆粒的涂層，納米孔內(nèi)部的涂層，納米線的涂層。

上述領(lǐng)域并不代表原子層沉積技術(shù)的所有可能應(yīng)用領(lǐng)域，隨著科技的發(fā)展在不遠(yuǎn)的將來將會(huì)發(fā)現(xiàn)其越來越多的應(yīng)用。根據(jù)該技術(shù)的反應(yīng)原理特征，各類不同的材料都可以沉積出來。已經(jīng)沉積的材料包括金屬、氧化物、碳（氮、硫、硅）化物、各類半導(dǎo)體材料和超導(dǎo)材料等。

基本原理：

原子層沉積是通過將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)器并在沉積基體上化學(xué)吸附并反應(yīng)而形成沉積膜的一種方法（技術(shù)）。當(dāng)前驅(qū)體達(dá)到沉積基體表面，它們會(huì)在其表面化學(xué)吸附并發(fā)生表面反應(yīng)。在前驅(qū)體脈沖之間需要用惰性氣體對(duì)原子層沉積反應(yīng)器進(jìn)行清洗。由此可知沉積反應(yīng)前驅(qū)體物質(zhì)能否在被沉積材料表面化學(xué)吸附是實(shí)現(xiàn)原子層沉積的關(guān)鍵。氣相物質(zhì)在材料的表面吸附特征可以看出，任何氣相物質(zhì)在材料表面都可以進(jìn)行物理吸附，但是要實(shí)現(xiàn)在材料表面的化學(xué)吸附必須具有一定的活化能，因此能否實(shí)現(xiàn)原子層沉積，選擇合適的反應(yīng)前驅(qū)體物質(zhì)是很重要的。

原子層沉積的表面反應(yīng)具有自限制性（self-limiting），實(shí)際上這種自限制性特征正是原子層沉積技術(shù)的基礎(chǔ)。不斷重復(fù)這種自限制反應(yīng)就形成所需要的薄膜。

原子層沉積的自限制特征 ：根據(jù)沉積前驅(qū)體和基體材料的不同，原子層沉積有兩種不同的自限制機(jī)制，即化學(xué)吸附自限制（CS）和順次反應(yīng)自限制（RS）過程。

化學(xué)吸附自限制沉積過程中，*種反應(yīng)前驅(qū)體輸入到基體材料表面并通過化學(xué)吸附（飽和吸附）保持在表面。當(dāng)?shù)诙N前驅(qū)體通入反應(yīng)器，起就會(huì)與已吸附于基體材料表面的*前驅(qū)體發(fā)生反應(yīng)。兩個(gè)前驅(qū)體之間會(huì)發(fā)生置換反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的副產(chǎn)物，直到表面的*前驅(qū)體*消耗，反應(yīng)會(huì)自動(dòng)停止并形成需要的原子層。因此這是一種自限制過程，而且不斷重復(fù)這種反應(yīng)形成薄膜。

與化學(xué)吸附自限制過程不同，順次反應(yīng)自限制原子層沉積過程是通過活性前驅(qū)體物質(zhì)與活性基體材料表面化學(xué)反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)的。這樣得到的沉積薄膜是由于前驅(qū)體與基體材料間的化學(xué)反應(yīng)形成的。圖a和b分別給出了這兩種自限制反應(yīng)過程的示意圖。由圖可知，化學(xué)吸附自限制過程的是由吸附前驅(qū)體1（ML2）與前驅(qū)體2（AN2）直接反應(yīng)生成MA原子層（薄膜構(gòu)成），主要反應(yīng)可以以方程式⑴表示。對(duì)于順次反應(yīng)自限制過程首先是活化劑（AN）活化基體材料表面；然后注入的前驅(qū)體1（ML2）在活化的基體材料表面反應(yīng)形成吸附中間體（AML），這可以用反應(yīng)方程式⑵表示。反應(yīng)⑵隨著活化劑AN的反應(yīng)消耗而自動(dòng)終止，具有自限制性。當(dāng)沉積反應(yīng)前驅(qū)體2（AN2）注入反應(yīng)器后，就會(huì)與上述的吸附中間體反應(yīng)并生成沉積原子層。

圖 A.化學(xué)吸附（CS）和B.順次反應(yīng)（RS）自限制原子層沉積過程示意圖

ML2 + AN2 --- MA(film) + 2LN ⑴

AN + ML2 --- AML + NL ⑵

AML + AN2 --- MAN + NL ⑶

這里需要說明的是前軀體1能夠在基體材料表面快速形成穩(wěn)定的化學(xué)吸附層是化學(xué)吸附自限制原子沉積過程的必要條件。對(duì)于順次反應(yīng)自限制過程，一方面基體材料表面必須先經(jīng)過表面活化，另一方面，這種沉積反應(yīng)實(shí)際是半反應(yīng)⑵和⑶的組合。每個(gè)半反應(yīng)完成后材料表面的功能基團(tuán)都會(huì)發(fā)生變化，并且一個(gè)原子層沉積完成時(shí)，材料表面要恢復(fù)到zui初的活化基團(tuán)狀態(tài)。這種恢復(fù)特點(diǎn)以及材料表面原始活性狀態(tài)是區(qū)分上述兩種不同的自限制反應(yīng)沉積過程的主要因素。