原子层沉积

浏览数：4,700 发布于：2021-03-09

原子层沉积概念

原子层沉积（Atomic layer deposition，简称ALD）通过前驱体A与基体表面的饱和化学吸附和反应生成第一层原子层，然后通过吹扫排除剩余前驱体A，之后通入前驱体B再次饱和化学吸附到基体表面并与前驱体A发生化学反应生成另一层预沉积物质，其副产品与多余前驱体B通过吹扫排出。此过程依次循环反复获得沉积薄膜，并通过反应循环次数精确控制膜厚。

以Al₂O₃制备原理进行说明

（ALD）原子层沉积技术能够以原子层与层的形式进行薄膜生长。以水和三甲基铝（TMA）前驱体沉积Al₂O₃阐述ALD原理。

使用水和TMA沉积Al₂O₃的化学机理如图1中的5个步骤所示。

步骤1：将样品放置暴露于空气、氧气或者臭氧中（图1A）。

步骤2：通入TMA前驱体；TMA将于表面的OH基团反应。TMA不会与自身发生反应，并且在表面生成单一层。（图1B，1C）

步骤3：通过抽真空或者N2冲洗的方式去除未反应的TMA分子。

步骤4：通入水蒸气到反应装置。移除CH3基团，建立Al-O-Al结构，并与Al-OH。生成CH4（甲烷）气态副产物。（图1E，1F）

步骤5：通过抽真空或者N2冲洗的方式去除未反应的H₂O和CH4分子（图1G）。

步骤1至5为一个周期。在特定温度条件下，每个周期最多能够生成1.1Å的Al₂O₃，即100个周期能够生成11nm的Al₂O₃。

原子层沉积ALD的应用包括：

1)     High-K介电材料 (Al2O3, HfO2, ZrO2, PrAlO, Ta2O5, La2O3)；

2)     导电门电极 (Ir, Pt, Ru, TiN)；

3)     金属互联结构 (Cu, WN, TaN,Ru, Ir)；

4)     催化材料 (Pt, Ir, Co, TiO2, V2O5)；

5)     纳米结构 (All ALD Material)；

6)     生物医学涂层 (TiN, ZrN, TiAlN, AlTiN)；

7)     ALD金属 (Ru, Pd, Ir, Pt, Rh, Co, Cu, Fe, Ni)；

8)     压电层 (ZnO, AlN, ZnS)；

9)     透明电学导体 (ZnO:Al, ITO);

10)    紫外阻挡层 (ZnO, TiO2);

11)    OLED钝化层 (Al2O3);

12)    光子晶体 (ZnO, ZnS:Mn, TiO2, Ta3N5);

13)    防反射滤光片 (Al2O3, ZnS, SnO2, Ta2O5)；

14)    电致发光器件 (SrS:Cu, ZnS:Mn, ZnS:Tb, SrS:Ce);

15)    工艺层如蚀刻栅栏、离子扩散栅栏等 (Al2O3, ZrO2);

16)    光学应用如太阳能电池、激光器、光学涂层、纳米光子等 (AlTiO, SnO2, ZnO);

17)    传感器 (SnO2, Ta2O5);

18)    磨损润滑剂、腐蚀阻挡层 (Al2O3, ZrO2, WS2)；

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