什么是原子層沉積？

原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD），也稱為原子層外延（Atomic Layer Epitaxy，ALE），。原子層沉積是在一個加熱反應器中的襯底上連續引入至少兩種氣相前驅體物種，化學吸附的過程直至表面飽和時就自動終止，適當的過程溫度阻礙了分子在表面的物理吸附。

目前可以沉積的材料包括：氧化物，氮化物，氟化物，金屬，碳化物，復合結構，硫化物，納米薄層等。

該產品廣泛應用于：半導體、納米材料、鈉米科技、薄膜材料、薄膜沉積以及航空航天領域。

應用領域：

1. 半導體領域

晶體管柵極電介質層（高k材料），光電元件的涂層，晶體管中的擴散勢壘層和互聯勢壘層（阻止摻雜劑的遷移），有機發光顯示器的反濕涂層和薄膜電致發光（TFEL）元件，集成電路中的互連種子層，DRAM和MRAM中的電介質層，集成電路中嵌入電容器的電介質層，電磁記錄頭的涂層，集成電路中金屬-絕緣層-金屬（MIM）電容器涂層。
2. 納米技術領域

中空納米管，隧道勢壘層，光電電池性能的提高，納米孔道尺寸的控制，高高寬比納米圖形，微機電系統（MEMS）的反靜態阻力涂層和憎水涂層的種子層，納米晶體，ZnSe涂層，納米結構，中空納米碗，存儲硅量子點涂層，納米顆粒的涂層，納米孔內部的涂層，納米線的涂層。

上述領域并不代表原子層沉積技術的所有可能應用領域，隨著科技的發展在不遠的將來將會發現其越來越多的應用。根據該技術的反應原理特征，各類不同的材料都可以沉積出來。已經沉積的材料包括金屬、氧化物、碳（氮、硫、硅）化物、各類半導體材料和超導材料等。

基本原理：

原子層沉積是通過將氣相前驅體脈沖交替地通入反應器并在沉積基體上化學吸附并反應而形成沉積膜的一種方法（技術）。當前驅體達到沉積基體表面，它們會在其表面化學吸附并發生表面反應。在前驅體脈沖之間需要用惰性氣體對原子層沉積反應器進行清洗。由此可知沉積反應前驅體物質能否在被沉積材料表面化學吸附是實現原子層沉積的關鍵。氣相物質在材料的表面吸附特征可以看出，任何氣相物質在材料表面都可以進行物理吸附，但是要實現在材料表面的化學吸附必須具有一定的活化能，因此能否實現原子層沉積，選擇合適的反應前驅體物質是很重要的。

原子層沉積的表面反應具有自限制性（self-limiting），實際上這種自限制性特征正是原子層沉積技術的基礎。不斷重復這種自限制反應就形成所需要的薄膜。

原子層沉積的自限制特征 ：根據沉積前驅體和基體材料的不同，原子層沉積有兩種不同的自限制機制，即化學吸附自限制（CS）和順次反應自限制（RS）過程。

化學吸附自限制沉積過程中，*種反應前驅體輸入到基體材料表面并通過化學吸附（飽和吸附）保持在表面。當第二種前驅體通入反應器，起就會與已吸附于基體材料表面的*前驅體發生反應。兩個前驅體之間會發生置換反應并產生相應的副產物，直到表面的*前驅體*消耗，反應會自動停止并形成需要的原子層。因此這是一種自限制過程，而且不斷重復這種反應形成薄膜。

與化學吸附自限制過程不同，順次反應自限制原子層沉積過程是通過活性前驅體物質與活性基體材料表面化學反應來驅動的。這樣得到的沉積薄膜是由于前驅體與基體材料間的化學反應形成的。圖a和b分別給出了這兩種自限制反應過程的示意圖。由圖可知，化學吸附自限制過程的是由吸附前驅體1（ML2）與前驅體2（AN2）直接反應生成MA原子層（薄膜構成），主要反應可以以方程式⑴表示。對于順次反應自限制過程首先是活化劑（AN）活化基體材料表面；然后注入的前驅體1（ML2）在活化的基體材料表面反應形成吸附中間體（AML），這可以用反應方程式⑵表示。反應⑵隨著活化劑AN的反應消耗而自動終止，具有自限制性。當沉積反應前驅體2（AN2）注入反應器后，就會與上述的吸附中間體反應并生成沉積原子層。

圖 A.化學吸附（CS）和B.順次反應（RS）自限制原子層沉積過程示意圖

ML2 + AN2 --- MA(film) + 2LN ⑴

AN + ML2 --- AML + NL ⑵

AML + AN2 --- MAN + NL ⑶

這里需要說明的是前軀體1能夠在基體材料表面快速形成穩定的化學吸附層是化學吸附自限制原子沉積過程的必要條件。對于順次反應自限制過程，一方面基體材料表面必須先經過表面活化，另一方面，這種沉積反應實際是半反應⑵和⑶的組合。每個半反應完成后材料表面的功能基團都會發生變化，并且一個原子層沉積完成時，材料表面要恢復到zui初的活化基團狀態。這種恢復特點以及材料表面原始活性狀態是區分上述兩種不同的自限制反應沉積過程的主要因素。