原子层沉积培训PPT
原子层沉积-Beneq
倍耐克 – 卓越的薄膜设备和技术供应商原子层沉积(ALD)是一种适合于研制最新的和前沿性的产品的薄膜制备技术。
原子层沉积(ALD)也是一种用于高级纳米技术研究的有效方法。
典型的原子层沉积(ALD)应用是在各种尺寸和形状的基底上沉积高精度、无针孔、高保形的纳米薄膜。
针对目前的市场需要， 倍耐克公司通过提供开创性应用技术和可接受的购置成本的原子层沉积设备为企业的快速发展提供了必要的条件。
介绍原子层沉积(ALD)可归类于一种化学气相沉积技术。
在该技术开发的初期，它被用于生产纳米叠加结构的绝缘体(Al 2O 3/TiO 2)和薄膜电致发光显示器（TFEL）的硫化锌(ZnS)发光膜。
得益于原子层沉积(ALD)技术的发展，这种显示器在80年代中期开始大规模的生产。
原子层沉积技术特有的属性和工艺的高可重复性是这种显示器能够成功工业化生产的关键因素。
原子层沉积(ALD)是一种成熟的技术，如其在半导体等工业的广泛应用。
事实上，ALD在众所周知的摩尔定律的实现过程中扮演了非常重要的角色。
同时原子层沉积(ALD)技术还引发了许多前所未有的新的应用领域的发展。
今天原子层沉积(ALD)技术已经应用到了各种各样的工业领域，其中包括光伏、光学、化学、水气阻挡层、有机印刷电子、珠宝保护和医疗行业-- 更多的工业领域正处于不断发展中。
原子层沉积(ALD)可以说是纳米技术以及其他材料和薄膜研究的关键组成部分。
原子层沉积(ALD)技术曾被认为是比较慢的、适合具有高附加值的薄膜制备技术；不适用于制备厚的薄膜，如几个微米厚的薄膜，至少不是一种低成本的方法。
实际情况完全相反，原子层沉积(ALD)技术对制备较厚的薄膜没有真正的困难，而且总的生产成本也不高。
大批量，自动化的工艺流程和可靠的，易操作的设备是成功的工业应用的关键。
Beneq的原子层沉积设备是建立在25年苛刻的24/7工业条件下连续生产的经验基础之上的，就像前面提到的TFEL显示器制造。
原子层沉积的原理
原子层沉积的原理小伙伴们！今天咱们来唠唠原子层沉积这个超酷的东西。
原子层沉积啊，就像是给原子们安排一场超级有秩序的排队游戏。
想象一下，原子们就像一群调皮的小豆子，不过在原子层沉积这个神奇的过程里，它们可就得乖乖听话啦。
从最基础的来说呢，原子层沉积是一种特殊的薄膜制备技术。
它的特别之处就在于，每次只沉积一层原子哦。
对，你没听错，就一层！这就好比盖房子，不是一下子把所有砖头都堆上去，而是一块一块非常精准地往上垒。
那怎么做到每次只弄一层原子呢？这就涉及到一些超级有趣的化学反应啦。
我们得有两种或者多种前驱体气体。
这些前驱体气体就像是带着原子小豆子们的小火车。
比如说，一种前驱体气体带着一种原子，另一种前驱体气体带着另一种原子。
当第一种前驱体气体进入到反应腔室的时候，它就会吸附在基底的表面。
这个基底呢，就像是小原子们要站上去的小舞台。
这些原子就像小吸盘一样，紧紧地吸附在基底上，整整齐齐地排好队。
不过这个时候，它们的排列还不是最终的样子呢。
然后呢，把多余的第一种前驱体气体给清理掉，就像把那些没有找到位置的小原子火车给开走一样。
接下来，第二种前驱体气体就闪亮登场啦。
第二种前驱体气体里的原子和已经吸附在基底上的原子就会发生反应，这样就形成了一层非常薄的薄膜。
这一层薄膜就像是给基底穿上了一件超级薄的小衣服，而且这件小衣服的厚度那可是精确到原子级别的哦。
这个过程可以不断地重复，一层又一层地往上加。
就像我们给小舞台上的演员不断地加服装道具一样。
每一层原子的沉积都是这么精确、这么有秩序。
这就使得用原子层沉积做出来的薄膜啊，质量超级高。
它的厚度均匀性特别好，就像我们擀面皮一样，擀得平平整整的。
而且薄膜的成分和结构也能够被非常精准地控制。
原子层沉积还有一个很棒的地方呢。
它可以在各种形状复杂的基底上进行薄膜沉积。
不管是那种弯弯绕绕的小零件，还是表面坑坑洼洼的东西，原子层沉积都能像一个超级细心的小工匠一样，把原子一层一层地铺上去。
原子层沉积法的原理和应用
原子层沉积法的应用
原子层沉积法在电子器件中的应用
微电子器件制造：用于制造 微电子器件如集成电路、传 感器等
纳米材料制备：用于制备纳 米线、纳米管等纳米材料
薄膜沉积：用于制造半导体 器件、太阳能电池等
光学器件制造：用于制造光 学器件如光栅、光波导等
生物医学应用：用于制造生 物医学器件如生物传感器、
原子层沉积法的挑战与展望
原子层沉积法面临的挑战
成本高：设备昂 贵维护成本高
技术难度大：需 要精确控制反应 条件对操作人员 要求高
应用范围有限： 目前主要应用于 半导体、太阳能 电池等领域在其 他领域的应用尚 待开发
环境污染：生产 过程中会产生有 害气体和废水需 要采取环保措施
原子层沉积法的未来发展方向
提高催化剂的活性和稳定 性
改善催化剂的表面结构和 形态
控制催化剂的组成和分布
提高催化剂的抗中毒能力
原子层沉积法在其他领域的应用
半导体领域：用于制造半导体器件如晶体管、集成电路等 太阳能电池领域：用于制造太阳能电池提高光电转换效率 生物医学领域：用于制造生物医学器件如生物传感器、生物芯片等 纳米材料领域：用于制造纳米材料如纳米颗粒、纳米线等 环境保护领域：用于处理环境污染物如重金属离子、有机污染物等
生物芯片等
环境科学应用：用于环境科 学领域的研究如大气污染监
测、水质监测等
原子层沉积法在光学器件中的应用
光学薄膜：用于制造光学薄膜提高光学性能 光学器件：用于制造光学器件如透镜、棱镜等 光学传感器：用于制造光学传感器如光敏二极管、光敏电阻等 光学通信：用于制造光学通信器件如光纤、光缆等
原子层沉积法在催化领域的应用
应用：广泛应用于半导体、 太阳能电池、LED等领或物理吸附在基底表面形成一层原子或分子薄膜 特点：逐层沉积精确控制厚度和成分 应用：半导体、太阳能电池、纳米材料等领域 优点：提高薄膜性能降低成本提高生产效率
原子层沉积技术
Si,Ge,SiO2,某些金属、金属硅化物、多组份氧化物超导体、 铁电材料和硫化物等
✓ 某些沉积过程偏离 ”理想ALD沉积生长”
存在孵化时间,非真正自限生长艺
原子层沉积技术的特点
各种薄膜沉积方法比较
方法 均匀性 密度 台阶覆盖 界面质量 原料的数目 低温沉积 沉积速率 工业适用性
原子层沉积的前驱体、材料及过程
原子层沉积的前驱体、材料及过程
不同类型前驱体的选择决定所生长薄膜的特性例 如: 薄膜 ZrO2 的生长
Ref. J. Niinistöet al. Adv. Eng. Mater. 2009
原子层沉积的前驱体、材料及过程
先驱体所需具备的性质
✓ 在沉积温度内自身不分解 ✓ 先驱体必须与基片表面基团产生吸附或者反应 ✓ 与其他先驱体有足够的反应活性，如水 ✓ 不对基片或者生长的薄膜产生刻蚀 ✓ 价格可接受 ✓ 安全及最好无毒性
原子层沉积技术的应用
磁头和TFEL显示器工业中ALD技术的应用
ALD制备Al2O3技术”拯救”了磁头工业； TFEL显示器行业是ALD技术发明的诱因,目前仍在生产中广泛
使用。
原子层沉积技术的应用
光学工业
ALD技术是生产光学 系统中所需薄膜的极 富吸引力的有效方法；
ALD技术在光学领域 的应用研发目前在持 续增长,有可能会最终 实现大规模生产,如纳 米或微米级的透镜阵 列；
目前存在的ALD技术的商业应用领域
微电子领域
1974, Finland, Suntola.
磁头领域
TFEL显示器
部件的功能和保护涂层
光学器件
原子层沉积技术的应用
微电子微电子领域
ALD+MOCVD介绍xPPT
6
3.1 CS-ALD (化学饱和吸附+交换反应)
CS-ALD，即Chemisorption-saturated ALD。在CS-ALD过 程中，首先在基片表面进行化学吸附的自饱和过程，然后 进行交换反应。
以PbS原子层薄膜形成为例，两种前驱体分子式分别表示 为PbBr2和H2S，生长周期可分为四步：
M
M
M
L
LL
LL
L
N A
N A
N A
L
L
L
N
N
N
A
A
A
L M LM
LM
这为沉积平坦均匀的原子层
薄膜创造了条件。
N
N
A
A
N
N
N A N
L N
L N
L N
N
N
N
A
A
A
LM
L M LM
A
A MA
A
A
M AM
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3.3 互补性
不论是CS-ALD，还是RS-ALD，我们可将ALD工艺过程中 的一个反应周期分为两个阶段：
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3.ALD工作过程
ALD开始是作为CVD的一个变体，但基于CVD的ALD方法 仅限于有限的材料体系，而且要求超高真空等苛刻的工作 条件，所以实现比较困难。
目前，采用化学反应分子前驱体的ALD己成为研究的主流 在CVD过程中，两种前驱体是同时进入反应室，而ALD不
同于CVD之处在于，它依靠两个独立的挥发性前驱体，以 气体脉冲的形式在不同时间段内先后与基片表面进行化学 吸收和化学反应，并在两个脉冲间隔往反应室内通入惰性 气体，对反应室进行净化。
APD培训资料
ALD技术可以制备高效催化剂、吸附剂等薄膜材 料，适用于环境治理、能源催化等领域。
02
APD基本原理
APD的制造原理
1 2
制造流程
APD的制造流程包括进料、熔化、成型、退火 和切边等步骤。
关键环节
熔化、成型和退火是APD制造的关键环节，需 要精确控制温度、时间和成分。
3
影响因素
APD的性能受到制造过程中温度、时间、成分 和工艺等因素的影响。
、生物医学等领域。 • Fujitsu Optical Components(FOC):日本Fujitsu Optical Components公司是全球领先的APD供应商之一
，其产品主要应用于通信、工业等领域。
APD市场发展前景
1
APD市场发展前景广阔，未来几年将保持快速 增长态势。
2
未来几年，随着5G、物联网、人工智能等新兴 技术的不断发展，APD市场将迎来新的发展机 遇。
检测仪器
APD的检测需要使用专业的检测仪器，如硬度计、光谱仪和耐压测试仪等。
03
APD器件及应用
APD器件的结构及特性
结构
APD器件由光学部分、电容器和检测器组成，其中光学部分 包括光敏面和反射镜，电容器包括信号电极、反射镜电极和 偏压电极。
特性
APD器件具有高灵敏度、低噪声、宽光谱响应范围、低交叉 灵敏度、可单光子检测等特性。
智能化
智能化是APD技术的未来发展趋势之一，通过引入物联网、大数据、人工智能等技术手段 ，实现APD设备的智能化管理和应用。
APD技术的挑战与机遇
挑战
APD技术的发展仍面临一些挑战，如固态电解质和不可燃电解质等前沿技术的成 熟度和产业化程度尚不够完善，APD设备的制造成本较高，以及应用领域仍需拓 展等。
原子层沉积——Atomic Layer Deposition
Sequential introduction of precursors
ALD CVD
Synchronous introduction of precursors
Better step coverage
Existing shadowing effects
PPT DESIGN
4.1 Coatings on high aspect ratio structures
Increased choice of precursors and materials
Good control of stoichiometry and composition
operating pressure, power, exposure time, biasing voltage
Increased growth rate
a. Radical-enhanced ALD
N. Leick, J. Vac. Sci. Technol. A 29, 021016 (2011) PPT DESIGN
4.4 Plasma-Assisted ALD Configurations
Assisting an ALD process by means of a plasma step:
Schematic illustration of the ALD and CVD process for the synthesis of CNT arrays
Schematic representation of Al2O3 ALD coating on monodispersed NPs.
Kai Zhou, et al., Nanoscale Res Lett, 5:1555-1560(2010) PPT DESIGN Xin Wang, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces,3: 4180-4184 (2011)
原子层沉积
7 Start Science Ltd. Confidential
ALD技术的优势示意图
Start Science Ltd. Confidential
1.3 各种薄膜沉积方法比较：
方法 厚度的均匀性 ALD 好 MBE 较好 CVD 好 Sputter 好 Evapor 较好 PLD 较好
薄膜密度
台阶覆盖 界面质量 原料的数目 低温沉积
好
好 好 不好 好
好
不好 好 好 好
好
多变 多变 不好 多变
好
不好 不好 好 好
不好
不好 好 较好 好
好
不好 多变 不好 好
沉积速率 工业适用性
不好 好
不好 较好
好 好
好 好
好 好
好 不好
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Start Science Ltd. Confidential
15 Start Science Ltd. Confidential
Start Science Ltd. Confidential
2.2 光电材料及器件 2.2.1 防反射应用
防反射包覆在光学产业中相当重要。他常常由高低反射层构成，如 SiO2-ZrO2或SiO2-TiO2 。 过去应用蒸发技术沉积包覆层，但是包覆层的准确厚度直接影响到了防 反射能力，通常包覆厚度在10-15％。膜的厚度在100nm时，包覆厚度到 15nm，这极大的降低了防反射能力。另外，普通蒸发技术要把基体放置于 比蒸发源高的多的位置。 与此相比，ALD技术能在复杂的基体表面达到较高的一致性，有效的提 高了防反射能力并且降低了成本。 而且，ALD技术能在基体的两个面上同时进行包覆。
19 Start Science Ltd. Confidential
原子层沉积系统介绍
原子层沉积系统介绍一、什么是原子层沉积系统原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）是一种薄膜生长技术，它以单个层的厚度为单位，通过交替地引入气态前体分子和气态反应剂在材料表面逐层沉积。
原子层沉积系统（ALD system）指的是用于实施原子层沉积工艺的一系列装置和设备。
二、原子层沉积系统的核心部件原子层沉积系统包括以下核心部件：1. 反应室反应室是原子层沉积系统的核心部件之一，用于容纳材料样品和用于生长薄膜的气体。
反应室通常采用真空环境，以确保反应室内的气体与样品表面发生反应，而不与外界环境发生干扰。
2. 前体分子输送系统前体分子输送系统用于传递以原子层沉积所需的前体分子。
这些前体分子通常以液态或固态形式存储，并通过加热或者气体柱塞等方式进行蒸发或者挥发。
前体分子输送系统必须能够精确地控制前体分子的量，以保证薄膜生长的一致性和可重复性。
3. 反应剂输送系统反应剂输送系统用于传递与前体分子反应的反应剂，以促进薄膜的生长。
反应剂通常是气态的，并且在与前体分子接触时会发生化学反应，使得薄膜生长。
4. 真空系统真空系统用于在反应室中维持恰当的压力和气氛。
通过排除外部气体，真空系统可以提供干净的反应环境，避免与杂质反应。
真空系统通常由气泵、吸附剂和阀门等组成。
5. 控制系统控制系统用于监测和控制原子层沉积系统中各个部件的操作。
它可以实时监测压力、温度、流量等参数，并自动调节前体分子和反应剂的供给，确保薄膜生长的准确性和稳定性。
三、原子层沉积系统的工作原理原子层沉积系统的工作原理基于气相分子间的表面反应，其主要步骤包括：1. 吸附前体分子被引入反应室，并与样品表面发生吸附作用。
吸附程度取决于前体分子与样品表面的亲和力。
2. 易位反应反应室中入口的反应剂分子与已经吸附在样品表面的前体分子进行反应，产生新的产物。
3. 副产物清除副产物或未反应的前体分子会与反应剂一起被排出反应室，以确保下一个周期开始时的表面完全干净。
原子层沉积技术
原子层厚度精度的薄膜 ✓ 对尘埃相对不敏感,薄膜可在尘埃颗粒下生长 ✓ 可广泛适用子各种形状的基底 ✓ 不需要控制反应流量的均一性。
A
原子层沉积技术的特点
原子层沉积技术发展需要解决的问题
✓ 和溅射,蒸发相比,ALD沉积的速率较低
100nm/h的常见沉积速率
✓ 某些沉积过程,前驱体会引入杂质
杂质含量~0.1at.%
原子层沉积周期
一般的沉积速率是1 埃/Cycle, 有时基片表面没有形成单分子层大 都是因为前驱体化合物基团的阴影效应； 通过控制周期数达到 精确控制薄膜生长的厚度， 通常薄膜厚度从几个纳米到几个微 米。
A
原子层沉积技术的特点
原子层沉积技术的优势
✓ 精确的膜厚控制 : 由沉积的循环次数决定 ✓ 无需精确控制每次反应的反应物通量 ✓ 超级的薄膜均匀性及同质性 ✓ 大面积沉积及批量生产能力 ✓ 致密, 连续, 均匀且无孔洞缺陷的薄膜 ✓ 高的可重复性及简单直接的扩产工艺 ✓ 原子级的成分控制
原子层沉积技术 Atomic layer deposition
LOGO
A
主要内容
原子层沉积简介 原子层沉积的基本原则 原子层沉积技术的特点 原子层沉积的前驱体、材料及过程
A
原子层沉积简介
原子层沉积技术原理及其应用
原子层沉积技术原理及其应用原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）是一种基于化学气相沉积（CVD）的高精度薄膜沉积技术。
它通过将物质材料以单原子膜的形式一层一层的沉积在衬底表面，实现了对薄膜厚度的精确控制。
原子层沉积的原理是，将两种或更多种前体化学品分别包含被沉积材料的不同元素，一次一种地分别引入到衬底表面。
每个前体使表面饱和，形成单层材料。
在沉积过程中，反应前驱体是交替沉积的，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，每次反应只沉积一层原子。
这种自限制生长的特点使得薄膜能够共形且无针孔地沉积到衬底上。
原子层沉积的一个周期可以分为四个步骤：1）向基底通入第一种前驱气体，与基体表面发生吸附或化学反应；2）用惰性气体冲洗剩余气体；3）通入第二种前驱气体，与吸附在基体表面的第一种前驱气体发生化学反应生成涂层，或与第一前驱体和基体反应的生成物继续反应生成涂层；4）再次用惰性气体将多余的气体冲走。
前驱体的选择对ALD生长的涂层质量有着至关重要的作用，需要满足的条件包括：在沉积温度下具有足够高的蒸气压，保证其能够充分覆盖填充基底材料表面；良好的热稳定性和化学稳定性，防止在反应最高温度限度内发生自分解；高反应活性，能迅速在材料表面进行吸附并达到饱和，或与材料表面基团快速有效反应；无毒、无腐蚀性，且副产物呈惰性，避免阻碍自限制薄膜生长。
原子层沉积技术具有以下特点与优势：1. 极好的三维保形性：ALD可以生成与原来基底形状一致的薄膜，即薄膜可以均匀地沉积在类似凹面的表面上。
因此，适用于不同形状的基底。
2. 均匀的三维薄膜、形状和原来一致、保形性，是ALD技术的独特优势。
3. 高平整性：表面无针孔，自下而上的生长机制决定了薄膜的无针孔性质，这对于阻挡和钝化应用是有价值的。
4. 极好的附着性：前驱体与基底表面的化学吸附保证了极好的附着性。
5. 低热预算（淀积温度低）：可在低温（室温至400℃）下进行薄膜生长，这对温度有限制的聚合物器件和生物材料涂层非常有吸引力。
原子层沉积培训ppt课件
• 优点：缺陷少、均一、厚度可控、可形成无定形包覆，可
厌氧反应。
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金属栅电极（metal gate）
• 除了晶体管栅极介电层，Intel的新一代处理器金属栅电极 同样将应用ALD方法。
• 这种方法是用金属取代半导体多晶硅电极栅以消除层间损 耗，优化功能，防止与高k电介质栅的反应。
• 优点：有晶体管栅极介电层的所有优点，另外他对金属栅 电极更少的破坏，金属膜光滑，并且用ALD沉积的金属氮 化物有更多的应用。
Cross section of Si foam with a pore size of 50nm, shown a coating of Al2O3extending 100um into the holes. Film shows capability of coating into 2000:1 aspect ratio features.
8.关机
（1）将反应腔温度和管道温度设为室温
（2）确认反应腔已抽真空
（3）点击“Shutdown”关机
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（4）关闭主机开关和机械泵
关闭主机开关
2.关闭氮气（液氮）和气体阀
点击机械泵控制手柄上的“STOP”
关闭气体阀（Ar,高纯氮）
关闭氮气（液氮）和气体阀
3.关闭ALD泵和ALD主机电闸
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ALD操作流程
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ALD技术的优势示意图
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各种薄膜沉积方法比较：
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ALD应用
• 原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可 控性（厚度，成份和结构），优异的沉积 均匀性和一致性使得其在微纳电子和纳米 材料等领域具有广泛的应用潜力。
• 而且随着科技的发展在不远的将来将会发 现其越来越多的应用。根据该技术的反应 原理特征，各类不同的材料都可以沉积出 来。已经沉积的材料包括金属、氧化物、 碳（氮、硫、硅）化物、各类半导体材料 和超导材料等
原子层沉积法的原理
原子层沉积法的原理
嘿，朋友们！今天咱就来好好唠唠原子层沉积法的原理。
你想啊，原子层沉积法就像是一个超级细心的建筑师！它一层一层地堆积材料，打造出极其精密的结构。
比如说在制造芯片的时候，那可真是精细活儿呀，原子层沉积法就能精确地把原子一个一个地放好，就像给芯片穿上了一件量身定制的完美外衣！
它的原理其实并不复杂，简单来说呢，就是两种反应物交替地与基底表面发生反应，每次只沉积一层原子。
这就好像是跳舞一样，两种反应物轮流上前，精确地完成自己的动作，一步都不能错！比如说一种反应物先来，“啪”地粘在基底上，然后另一种反应物紧接着过来，和它完美结合。
再打个比方吧，原子层沉积法就像是在搭积木，一块一块地往上垒，每一块都放得恰到好处。
哎呀，那真是太神奇了！想象一下，如果没有这种精确的方法，我们能制造出那么厉害的高科技产品吗？
假设你要做一个超级薄、超级平整的薄膜，原子层沉积法就能大显身手啦！它能保证每层都那么薄、那么均匀，比你精心擀的饺子皮还均匀呢！咱
就是说，它咋这么厉害呢？它就像是一个技艺高超的大师，把一切都掌控得死死的。
咱不得不感叹，科技的力量真是强大啊！原子层沉积法就是这样一个让人惊叹的技术，它让我们的生活变得更加丰富多彩，让那些以前觉得不可能的事情都变成了现实。
它就是科技世界里的一颗璀璨明星！结论就是：原子层沉积法真的太牛了！。
原子层沉积理论1
原子层沉积为前驱体气体扩散、吸附和反应的耦合过程，沉积工艺中前驱体暴露时间、气压、温度以及高深宽比结构尺寸等参数设置直接影响被沉积薄膜厚度和台阶覆盖性，通过原子层沉积过程模型分析，可确定工艺优化方向。
（1）基于菲克定律的原子层沉积前驱体扩散模型假设气相前驱体分子是高纯气体，理想情况下，假设气体浓度保持恒定，则为稳态扩散，则根据菲克第一定律，其扩散通量表示为：d ()dz z J Dρ=（1.1）定义为单位时间垂直通过扩散方向Z 的单位面积的物质的流量，其中J 为扩散通量，D 为扩散系数（负值，表示扩散由高浓度自发向低浓度转化），ρ为扩散物质的质量浓度，Z 为扩散方向。
ρ与z 为线性关系，随着z 的增加ρ增加，即浓度梯度增加，斜率为正。
而扩散的方向正好从高浓度向低浓度进行，于是在前加负号。
由公式可知，扩散物质的质量浓度随着扩散方向的变化函数，对于高深宽比结构，则表示随着扩散深度的增加，扩散浓度不断变化。
但实际情况下，气体扩散过程是非稳态过程，即气体浓度与时间也存在依赖关系，表示为ρ(t ,z )，数学上，这个扩散由菲克第二定律描述，即在距离z 处，浓度随时间的变化率等于扩散通量随距离的变化，这是一个典型的偏微分方程。
2222d (,)d()dt dzd (,)d d (,)dz dt dz d (,)d (,)dt dz d (,)d (,)dt dz t z J t z Dt z t z t z Dt z t z Dρρρρρρρ=⇒=⇒=⇒=（）（1.2）（2）一阶不可逆朗格缪尔行为原子层沉积工艺为单分子层沉积，因此，在两种前驱体发生化学反应之前，首先是发生气体与固体表面的吸附，根据朗格缪尔单分子层吸附理论， 11(g)k ad k G SG -+（1.3）G (g)、S 、k 1、和k -1分别代表气体、固体表面、吸附率和解吸率，吸附与脱附是动态平衡过程，当k 1大于k -1时表现为吸附，随着吸附量增加，表面上未被气体分子吸附的地方越来越少，吸附率下降，反之，当固体表面被气体分子覆盖程度逐渐增大，分子解吸率提高，最后达到动态平衡过程，即k 1=k -1。
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光电材料及器件
• 防反射应用 • 防反射包覆在光学产业中相当重要。他常常由高低反射层构成，如 SiO2-ZrO2或SiO2-TiO2。 • 过去应用蒸发技术沉积包覆层，但是包覆层的准确厚度直接影响到了 防反射能力，通常包覆厚度在10-15％。膜的厚度在100nm时，包覆厚 度到15nm，这极大的降低了防反射能力。另外，普通蒸发技术要把基 体放置于比蒸发源高的多的位置。
金属的连接
• 大规模集成电路需要更薄更精密的相互连接的金属。使相互连接的铜和钨都 要沉积到复杂的结构中。 • 应用如：Cu, W, Ru等。 互连线势垒层 • 金属铜扩散到大规模电路的硅、二氧化硅以及相连接的金属中需要较小的扩 散势垒，由于大部分结构是在狭窄而且较深的通道中，所以沉积方法非常重 要。 • ALD技术很好地解决了这种问题，他能使特殊的金属、金属氮化物在低温、厚 度可控的条件下完成沉积。 • 应用如：WN, TaN, Co.等。
1.启用Load Lock
启用Load Lock
2. 编写和调用RECIPE
（1）页面1设置
温度设置
工艺管道 流量设置
调用RECIPE
（2）页面2设置
设置反应 次数和反应源
（3）页面3设置
设置各个气路管道的反应源名称和温度
（4）页面4设置
设置各个气路管道的载气流量和状态
（5）页面5设置
固态源时需设置管道状态为Master
Deposit界面观察Vent后气压变化
• • • • 等到Diff pressure sp为15hPa后，点Actions 界面内(1)点cancel终止充气。 开反应腔Chamber LID点OPEN(将反应腔的上盖打开，准备接受样品) 回到Loadlock界面Handyman中可以看到三个绿灯是亮的） 点Load wafer,闸板阀打开，将传送杆手动拉到最左端，这时在主室可以看到样品已经传 送至反应腔正下方，然后点Pick wafer,将样品放置到反应腔的托盘上。再把传送杆拉到 原始位置，之后关闭闸板阀。
MEMS微机电系统
1 保护膜 2 憎水涂层 3 反刻蚀涂层
ALD应用实例
+
=
Al2O3grown with H2O/TMA Al2O3grown with beer/TMA
用啤酒和水沉积的Al2O3
CMOS High-k Dielectrics
Semiconductor Memory
Gate dielectrics non-Si devices
ZnS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器。 由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低的沉积速度，直至上世纪80 年代中后期该技术并没有取得实质性的突破。 但是到了20世纪90年代中期，人们对这一技术的兴趣在不断加强，这主 要是由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断 降低，而器件中的高宽比不断增加，这样所使用材料的厚度降低至几个 纳米数量级。因此原子层沉积技术的优势就体现出来，如单原子层逐次 沉积，沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等就体现出来，而沉积速度 慢的问题就不重要了。
半导体及纳米电子学应用
• 晶体管栅极介电层（high-k） • 晶体管栅极介电层是ALD的一个重要应用领域。 • Intel处理器就是应用了ALD方法制备的高k的HfO2晶体管栅极介电层。 而对于32nm以下技术节点来讲，材料的挥发性，输运方式以及纯度等 问题更变得至关重要。Intel和IBM已经同时宣布使用铪基材料作为栅 极高k绝缘介质，加速CMOS制造工艺的革命。 • 优点：缺陷少、均一、厚度可控、可形成无定形包覆，可厌氧反应。 • 应用如：GaAs/AlGaAs等异质结构、晶体管、电子管、HfO2、ZrO2、 Al2O3、LaAlO、GdS.开启ALD泵和ALD主机电闸 2.检查循环冷却水是否正常
3.开启氮气（液氮）和气体阀
进水阀门 出水阀门
开启气体阀（Ar,高纯氮）
开启氮气（液氮）阀门
压缩空气阀状态为开
登陆界面
加热温度
主腔室真空
样品台温度
进样室真空
主腔室管道气路
载气：高纯氮气
气态源气路
固态源气路
载气：高纯氮气
气态源气路
•
•
4.这时一定要将源瓶打开（阀门开两圈即可）
5.Temperature Stabilization 5min 看源瓶内是否有剩余
• •
Actions 页-(2)检测每个源的蒸发量，看脉冲阀每次的量是否均匀 换瓶前手动开关阀门，直到每次的蒸发量脉冲稳定为止。
三. 卸载（Unload）
1.关闭源瓶，按Venting按钮给主腔室充气至1个大气压（气压稳定后1min，可以开阀） 2.点OPEN LID 开反应腔盖，将传送杆手动拉到最右端取样
关闭真空阀门
取完样品后将LOADLOCK腔抽真空
7.清洗管道 注意：清洗管道前一定要再确认一下源瓶处在关闭状态！ 否者清洗时会将源瓶内的源带出，堵塞管道，更换管道将花费几万元
清洗前先抽真空
选择要清洗的管道 开始清洗， 至少10分钟以上
8.关机
（1）将反应腔温度和管道温度设为室温
（2）确认反应腔已抽真空
3.放置样品
(1)首先Vent工艺氮气进入LoadLock，打开进样室盖子后将样品放在托盘上。给主腔室充气 至一个大气压。点击CHANBER LID栏上的“OPEN”，将反应内腔升起。
给LoadLock充气
给主腔室充气
(2)手动给LoadLock腔充气，当主腔室（已充气）和LoadLock之间的压强差小于10hPa时， 开始传递样品。按如下顺序进样：
原子层沉积系统 (Atom Layered Deposition) 品牌 / 型号: PICOSUN / SUNALE™ R-200 关键参数： 1.前驱体： 固态，气态，臭氧，等离子体 具有六根独立源管线，最大加载十二个前驱体源 2.基片尺寸与类型：最大8英寸基片、三维物件和多孔基底。 3.工艺温度：可达到500℃ 4.载气类型：高纯氮气
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最后去Actions界面点CLOSE关闭反应腔。
点Actions界面的Evacuate Reactor抽主腔室的真空，直到观察IMspace至10hPa左右。
二．工艺操作
1.在MANUAL-（2）页内手动加热 • TE2 设置反应温度
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TE1 max 设定加热电阻温度（比反应温度高150°C）
在工艺开始前一定要开源瓶！工艺结束后一定要关闭源瓶！
点击“START”
检查反应腔是否关上
打开反应腔
这几个步骤自动进行 完成后会变成绿色
点击“Unload” 后自动反应腔充气
关闭源瓶 检查温度是否稳定到设置温度
温度稳定时间倒计时
实际工艺时间
6.取样品
点击“UNLOAD WAFER”按钮 确认传送杆的位置 开启真空阀门 将传送杆伸入到反应腔 将样品放置到反应腔支架 将传送杆抽回 确认传送杆在初始位置
（3）在MANUAL 菜单的（2）页面内设置工艺温度 TE2为样品台的设置温度 TE1max.为加热温度（一般比TE2高150℃） 注意：此处所设置的温度要与RECIPE中的温度设置一致，否则将执行RECIPE 的设置温度 设置工艺温度
设置固态 源瓶温度
反应腔的升温温度较慢，一般在1个小时以上
5.工艺过程
（3）点击“Shutdown”关机
（4）关闭主机开关和机械泵
关闭主机开关 2.关闭氮气（液氮）和气体阀
关闭气体阀（Ar,高纯氮）
点击机械泵控制手柄上的“STOP”
关闭氮气（液氮）和气体阀
3.关闭ALD泵和ALD主机电闸
ALD操作流程 一．进样流程
• 首先Vent工艺氮气打开进样室的盖子，将样品放置在托盘上，抽进样室真空，再充氮气 至一个大气压。 • 再充主腔室氮气至1个大气压， 在Actions界面(1)中vent reactor中点Start,开始充气，进
金属栅电极（metal gate）
• 除了晶体管栅极介电层，Intel的新一代处理器金属栅电极 同样将应用ALD方法。 • 这种方法是用金属取代半导体多晶硅电极栅以消除层间损
耗，优化功能，防止与高k电介质栅的反应。
• 优点：有晶体管栅极介电层的所有优点，另外他对金属栅 电极更少的破坏，金属膜光滑，并且用ALD沉积的金属氮 化物有更多的应用。 • 应用如：Ru, WN,Pt, RuO, TaN, TiN, HfN等
到Deposit 页面看到左上方六个方框全绿时点START，(此时设备旁报警灯为绿色（之前 为黄色）
2．点击LID 关反应腔室的盖子， • • • Soft Pumpdown. V2开（抽速慢） Main Pumpdown. V1开（抽速快） 3.Heating状态灯为亮，反应腔开始升温，直到预设温度。
ALD Lift-off Technology
Applications: High Aspect Ratio
Cross section of Si foam with a pore size of 50nm, shown a coating of Al2O3extending 100um into the holes. Film shows capability of coating into 2000:1 aspect ratio features. Bulk SiO2 with no Al End of Al2O3 layer Al2O3 coated foam With very little Si
原子层沉积培训
赵华波 公共技术平台 2014-8-29
培训类容
ALD技术原理介绍 ALD的特点及应用 ALD的工艺流程
前言
单原子层沉积（atomic layer deposition，ALD），起初称为原子层外延