原子层沉积（ALD）
用交替的气体，每个循环镀上一层原子
原子层沉积（ALD）让两种气体轮流流过受热的表面，一次长出一层原子厚的薄膜。每种气体只能与前一种留下的物质反应，因此每一轮恰好增加一层薄膜，并且覆盖它能到达的每一个表面。它用来制造现代芯片内部的超薄绝缘层，以及只有几纳米厚的保护涂层。
工作原理
通入气体 A。 晶圆或零件置于小腔室中，在低压下加热到通常 150–350 °C。短促地通入第一种前驱体（携带待沉积元素的反应性气体），这里是三甲基铝（TMA），它会与表面上每一个可用位点结合。所有位点被占满后，反应就停止：这种反应是自限性的。
吹扫。 氮气或氩气把剩余气体扫出，让两种前驱体在腔室空间里永不相遇。
通入气体 B。 短促地通入第二种前驱体，这里是水蒸气，它与气体 A 留下的那一层反应，把它变成氧化铝。这一层完成后，反应同样自行停止。
再次吹扫。 副产物和剩余的水被扫出。一个循环完成，薄膜约增厚 0.1 nm：每个循环大约十分之一纳米。
重复。 循环要运行数百次；只要数循环次数，就能选定厚度。10 nm 的薄膜大约需要 100 个循环，通常用时几分钟到一小时。
关键数据
- 可沉积的材料
- 氧化物（氧化铝、氧化铪、氧化钛）、氮化物（氮化钛）、部分金属；基底可为硅、玻璃、金属、聚合物和粉末
- 典型零件
- 芯片中的栅极绝缘层和电容层、防潮阻隔层、包覆粉末和催化剂
- 零件尺寸
- 从纳米颗粒到 300 mm 晶圆，以及成批的晶圆或零件
- 精度
- 通过数循环次数，把厚度控制到纳米的零头；即使在深度比宽度大许多倍的孔内也很均匀
- 表面质量
- 完全复制底下的表面，不增加粗糙度
- 适合的批量
- 从单片晶圆到大批量；大批量芯片生产
- 模具与设备成本
- 无需专用模具；实验室反应器约 10 万美元起，生产设备则要数百万美元
- 速度
- 慢：通常每个循环约 0.1 nm，每个循环几秒，因此大多数薄膜厚度不超过约 100 nm
优点与局限
优点
- 厚度可控制到纳米的零头
- 薄膜完全均匀，即使在深而窄的孔内也是如此
- 在较低温度下就能得到致密、无针孔的薄膜
- 可镀复杂的三维形状和粉末
局限
- 非常慢：厚膜不切实际
- 前驱体气体可能有毒、易燃或昂贵
- 只有部分材料有合适的一对气体
- 薄膜可能夹带来自前驱体的杂质
应用领域
- 微电子处理器中的氧化铪栅极绝缘层、存储芯片中的电容层
- 显示器与柔性电子阻挡水汽进入 OLED 屏幕的薄阻隔层
- 能源电池材料上的保护涂层、某些高效太阳能电池中的功能层
- MEMS 与传感器微小活动部件上的绝缘和保护涂层
- 医疗与光学生物相容涂层、减反射层
如何识别
- 你看不见它。 ALD 薄膜通常只有几纳米到几十纳米厚，比头发细几千倍。它们藏在手机和电脑的芯片里，以及某些 OLED 屏幕的防潮层中。
- 没有颜色，没有质感。 这么薄的膜通常不留任何可见痕迹；顶多是较厚的膜会让表面颜色略有变化，像肥皂泡那样。
- 只有显微镜看得出来。 在电子显微镜的截面图上，ALD 薄膜是一条厚度完全均匀的带，紧贴每个拐角和沟槽。
对比
观看
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Inrfucirvine · 洁净室里真实的 ALD 设备装料和运行
查看实拍照片
- 维基百科：原子层沉积 — 脉冲–吹扫循环和空间 ALD 的示意图
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 两种气体轮流通入；表面一被覆盖，每一轮就自行停止。
- 一个循环约增加十分之一纳米，因此厚度由循环次数决定。
- 薄膜处处厚度相同，即使在微小孔洞的深处也是如此。
