原子层沉积系统-产品百科

更新时间：2023-04-20 点击次数：113

　　原子层沉积系统是一种用于在物质表面逐层沉积原子或分子的设备。该系统通常使用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)等技术，可以实现精确的单层或多层薄膜沉积，可应用于纳米电子、生物医学、能源储存等领域。原子层沉积系统具有高度的自动化程度，能够对一系列工艺参数进行实时监测和控制，从而保证了沉积薄膜的质量和稳定性。

　　1.准备基板：将待沉积的基板进行表面清洁和处理，使其表面干净、平滑，并且具有一定的亲水性或亲油性，以利于原子或分子的吸附。

　　2.安装基板：将清洁后的基板放入原子层沉积系统的基板托盘中。

　　3.供气：将所需的沉积气体经过净化处理后，通过沉积反应室的供气管道输送到反应室中。

　　4.暖升：在开始沉积前，需要通过连续供气和抽真空的方式对反应室进行几次暖升，以将反应室内的空气和杂质清除，保证沉积过程的纯净性。

　　5.沉积：在保持恒定温度的情况下，将沉积气体按照预设条件逐层沉积在基板上，形成所需的薄膜结构。

　　6.清洗：沉积结束后，需要用惰性气体如氮气等将反应室内的残余气体和沉积产物清洗干净，以便下一次沉积的进行。

　　7.安全停机：将沉积反应室内的气体消耗干净，关闭设备各处气阀和电源，进行安全停机。

　　原子层沉积系统（Atomic Layer Deposition，简称ALD）是一种薄膜制备技术，它可以通过一层一层原子化薄膜的沉积，实现精确、均匀的薄膜制备。精度非常高，可以在纳米级别上控制沉积膜的厚度和成分。由于其在微电子、纳米器件等领域的广泛应用，原子层沉积系统已成为目前最为重要的表面工艺技术之一。

　　原子层沉积系统主要由多个系统部件组成，包括沉积室、前处理部分、真空泵、储膜罐、气缸、电子线束、加热装置等等。下面将对原子层沉积系统进行详细介绍。

　　基本原理

　　原子层沉积技术是一种在真空环境下进行的薄膜制备技术，它利用基底表面的化学反应，一步步地在基底表面沉积薄膜。关键在于：气相反应敏感性和表面反应选择性。

　　气相反应敏感性指的是：在沉积过程中，反应物会被吸附在基底表面，随后反应物分子被分解成离子或自由基，与基底表面的分子反应生成薄膜。只有在需要的反应地方，分子才能被分解成反应物。因此，在ALD过程中，需要严格地控制反应条件，如温度、压力和气体流速等，才能实现精确的薄膜制备。

　　表面反应选择性指的是：只有当前面的反应完成并且基底表面重新暴露时，下一层原子才能沉积在基底表面上。从而实现每一层原子沉积的精确控制，使得原子层沉积技术可以实现纳米级别的薄膜制备。

　　原子层沉积系统的组成

　　原子层沉积系统包含了很多的设备和配件，例如真空阀门、气缸、预处理部分、膜层储运罐、沉积室、真空泵等等。下面将对原子层沉积系统中的主要设备部件进行简要介绍。

　　1.真空泵

　　由于ALD过程需要在高度真空下进行，因此，真空系统是原子层沉积系统最为重要的部件。真空系统的维护和使用对保证系统的稳定运行起着至关重要的作用。

　　为了维护真空度，需要使用高效的真空泵，将沉积室中的气体排出。常用的真空泵有：机械泵、分子泵、根号泵、离子泵等。由于真空泵种类繁多，选择合适的真空泵设备要根据实际需求进行。

　　2.膜层储运罐

　　中国研究者选择衬有Ag-Au-Ag-Au-Ag五层垫层的Si/SiO2作为衬底，在体积为1800ml的反应器中真空至3x10-5 pa，然后对该诱导合适水氧化铝的基体表面通过预处理，是否刻蚀，预热等方式进行再度清理，让表面和介质之间得到充分的接触，这一过程的时间甚至可以达到几小时的时间。这一预处理过程比较繁琐，保证了反应时原子间的结构适当，后续淀积的适应性更好，一定程度上提高了反应效率。

　　在ALD过程中，基底的尺寸通常比ALD沉积室大，因此需要先将样品放在储膜罐中进行预处理，再移动到沉积室中进行沉积。储膜罐中需要一个加热器，以便样品升温至沉积温度。

　　一般来说，ALD过程中需要储膜罐具备以下特性：

　　（1）罐体应该与基底相容，不干扰薄膜的沉积；

　　（2）储膜罐应该具有高真空度和深度清洗功能，以避免膜沉积环境中的杂质和杂物对薄膜质量的影响。

　　储膜罐通常用预烧气、制冷剂和真空清洗方法实现膜层的储藏、加热、降温和清洗等操作。

　　3.沉积室

　　沉积室是原子层沉积系统的核心组件。它通常由两个或多个沉积室组成，其中一个用于沉积金属或者半导体的层，另一个用于沉积氧化物、氮化物等其他材料层。在沉积室中，需要一个加热器，将基底升温到沉积温度。并要保持所需的反应压力和气体流率。为了控制反应中的气流，沉积室还需要一个完善的气流控制系统。

　　在沉积室中，需要保证反应物分子直接反应在基底的表面上，同时避免基底的其他部分无意中反应。因此，沉积室必须保持相对稳定的高真空环境，以减少气体与非反应性物质对反应过程的影响。

　　4.加热装置

　　原子层沉积技术还需要一个能够控制沉积室温度的设备，来实现所需的沉积温度。加热装置通常由热电偶、加热器、温度控制仪、空气冷却器等等组件组成。

　　加热所需要的热能可以通过不同的方式供给：热板、炉火加热、气体预热等。这些加热手段具有不同的优点和缺点，选择合适的方式可以提高ALD薄膜制备的效率和质量。

　　5.气缸

　　在ALD过程中，需要从不同的气缸中输入特定的气体，如金属前体、氧化物前体、化学反应增催液等，控制反应条件。每个气缸都需要一套配套的阀门、泵和流量计，以确保准确地输送气体。

　　6.电子束蒸发加热器

　　除了标准的ALD设备外，还可以使用电子束蒸发加热器来实现沉积薄膜。在电子束蒸发加热过程中，利用高能量的电子束来升温和加热反应物体系，并通过等离子体反应来实现沉积，这是一种变种。由于光刻特性，他与标准ALD的细节处理非常相似，也被称为光刻式ALD。相比标准ALD，光刻式ALD具有更高的沉积速度和更少的化学反应催化剂使用，从而提高了ALD薄膜制备的效率。光刻式ALD还允许相应的柔性沉积，以适应不同形状和尺寸的基底。

　　结论

　　随着晶圆的尺寸缩小和 devices 的广泛应用，对微电子工程的需求也越来越高。原子层沉积（ALD）作为一种新兴的表面处理技术，因其高精度、均匀性、纳米级别的薄膜制备能力和精密控制等优点，已经得到了广泛的应用。原子层沉积技术可以用于纳米颗粒、纳米线、量子点等纳米结构的制备，并且在晶体管、电容、传感器、太阳能电池、LED等方面都有着广泛的应用。尽管原子层沉积技术比较复杂，但是随着制造技术的进步，未来可望有更为广泛的应用前景。