原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD),又称为原子层外延,是将两种或两种以上气化的前驱体以脉冲的形式交替送入到反应腔,在基底表面进行化学吸附或化学反应形成薄膜的一种薄膜制备方法。

ALD技术的原理：

通过ALD制备薄膜首先要具有相对应的气源,将含有不同材料的气源经过反应腔交替喷向基底,与CVD相类似,利用气源间的相互吸附并进行相关的化学反应,制成相应的薄膜;再通过高纯氮气对生成的薄膜进行吹扫,使反应后剩下多余的残留物和气体排出反应腔室,防止对薄膜造成影响。

ALD制备薄膜具有自限制性,从理论上来说,ALD的一个沉积周期后会形成一个单层薄膜,但ALD并非连续的沉积过程,而是经过很多个沉积周期构成的多层结构。

原子层沉积的过程中,一个生长循环可分为四个步骤:

①第一种前躯体通过脉冲被载气带入到反应腔体中,在基体表面上进行饱和化学吸附并发生反应,生成该前驱体的一层单原子层;

②由惰性载气净化反应腔,清除未反应的前驱体和反应的副产物;

③第二种前驱体通入腔体中并与表面分子发生反应,形成新的原子层,同时生成相应的副产物;

④再次通入惰性气体,将未反应的前驱体及副产物清扫干净。

ALD技术的特点

ALD的最大特点是表面化学吸附的自限制特性,这使得它在薄膜制备方面有很多的优点:

①精确的膜厚控制(由沉积的循环次数决定);

②无需精确控制每次反应的反应物通量;

③薄膜生长可以在低温下进行;

④大面积沉积及批量生产能力;

⑤致密,连续,均匀且无孔洞缺陷的薄膜;

⑥前驱体是饱和化学吸附,保证生成大面积均匀性的薄膜。

ALD的缺点主要有两个方面:一是成膜初期生长速率的不稳定性,二是对单基片来说较低的沉积速率。前者需要对成膜过渡区进行分析,并采用相应的方法进行修正;后者则可以通过优化,减小每个反应周期的时间和进行多基片批处理的方式进行弥补。

ALD技术的应用ALD由于其沉积参数的高度可控性、优异的沉积均匀性和一致性,使得其在微纳电子、纳米催化剂、生物医药等领域具有广泛的应用潜力。

①微电子领域微电子行业的过去及将来发展仍将是提升ALD生产及研发的驱动力。

②纳米催化剂利用ALD的技术特点和优势,可设计合成新型高效纳米催化剂,并精确地调控催化剂的表界面结构。

③光学工业 ALD技术是生产光学系统中所需薄膜的极富吸引力的有效方法。

④半导体微纳器件 ALD技术所具有的均匀性好、保形性高、自限制性良好等独特优势,在半导体微纳集成器件中广泛应用。

⑤微纳生物医药器件 ALD技术较低的沉积温度使得高分子聚合物材料、有机材料和其他对温度敏感的材料能够在生物医学领域得到广泛的应用,为微纳生物电子设备、植入式医疗设备、药物输送设备、生物分离设备等的发展和应用提供了有力的支撑。