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。
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