原子层沉积法的原理和应用 ppt课件
原子层沉积技术课件PPT
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
原子层沉积的前驱体、材料及过程
反应的表面饱和性及 “ ALD window ”
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 S磁对i,头于Ge和 某,ST些iOF材2E,L某料显些,目示金前器属缺工、乏业金有中属效A硅L的D化沉技物积术、工的多艺应组用份氧化物超导体、铁电材料和硫化物等 用。 包部背括件景混 的 ：配功AL络能D合和最保物初护前是驱涂由体层芬如兰:科醇学盐家及提环出戊并二用烯于基多金晶属荧有光机材化料合Z物nS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器。
原子层沉积的基本原则
原子层沉积通过在反应区独自引进具有高反应活性的前驱体， 这些前驱体各含所沉积薄膜的元素， 这种方式使不受控制的 气相反应得以避免。——均匀、 规整， 可控。 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。
前驱体:两种或者两种以上，各含所需沉积薄膜的元素， 交替吸附在基片表面，每次只有一种前驱体，彼此独立。 和溅射,蒸发相比,ALD沉积的速率较低 原子层沉积通过在反应区独自引进具有高反应活性的前驱体， 这些前驱体各含所沉积薄膜的元素， 这种方式使不受控制的气相反应得 以避免。
固有的沉积均匀性,易子缩放,可直接按比例放大 原子层沉积的前驱体、材料及过程
微电子领域 不需要控制反应流量的均一性。
部件的功能和保护涂层
原子层沉积原理
原子层沉积原理原子层沉积（Atomiclayer deposition)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。
原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。
原子层沉积但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。
单原子层沉积（atomic layerdeposition，ALD），又称原子层沉积或原子层外延（atomic layer epitaxy），最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料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值几个纳米数量级。
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。
以下主要讨论原子层沉积原理和化学，原子层沉积与其他相关技术的比较，原子层沉积设备，原子层沉积的应用和原子层沉积技术的发展。
原理原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法（技术）。
当前驱体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。
在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。
由此可知沉积反应前驱体物质能否在被沉积材料表面化学吸附是实现原子层沉积的关键。
原子层沉积基体材料的表面吸附特征可以看出，任何气相物质在材料表面都可以进行物理吸附，但是要实现在材料表面的化学吸附必须具有一定的活化能，因此能否实现原子层沉积，选择合适的反应前驱体物质是很重要的。
原子层沉积的表面反应具有自限制性（self-limiting），实际上这种自限制性特征正是原子层沉积技术的基础。
原子层沉积法的原理和应用
原子层沉积法的原理和应用原子层沉积法 (Atomic Layer Deposition, ALD) 是一种表面化学反应技术，可用于在纳米尺度下控制材料的沉积和生长。
该技术的原理是以分子层为单位对待，通过依次将预定数量的原子或分子沉积到待处理物表面上形成一层完整的原子层。
ALD技术的应用非常广泛，包括微电子、纳米电子、纳米器件、光电子器件、能源储存和转换器件等领域。
原子层沉积法的原理基于准分子吸附和表面反应。
该过程通过两种或多种前体物质的交替供给，通过吸附和反应在基体上一层一层地沉积，形成精确控制的薄膜，具有高质量和强大的薄膜控制能力。
该技术的关键是前体分子的热解和表面反应，热解可将前体分子分解为无机或有机反应性种子，而表面反应可使种子与基体表面上的活性基团反应，从而沉积出薄膜。
ALD的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1.微电子领域：ALD技术可以制备高质量的薄膜，用于晶体管栅极绝缘层、源漏极等器件结构。
此外，ALD还可用于制备超大规模集成电路(ULSI)的线路隔离、超薄栅氧化物和晶体管栅氧化物。
2.纳米器件和纳米电子：ALD技术可用于制备纳米尺度的电子器件和器件层，如纳米线、纳米点和二维材料等。
该技术可以控制沉积的原子或分子数量，从而实现纳米尺度的器件和电子元件。
3.光电子器件：ALD技术可用于制备太阳能电池、光电二极管、高频电化学传感器、光电转换薄膜和光学镀膜等光电子器件。
通过ALD能够将薄膜的光学、电学和磁学特性调控到所需的性能范围。
4.能源储存和转换器件：ALD技术可用于制备锂离子电池电极材料、超级电容器电极材料和燃料电池膜电极等能源储存和转换器件。
该技术可以调控材料的晶体结构和表面化学组成，从而改善器件的性能和稳定性。
5.生物医学：ALD技术可用于制备生物传感器、细胞培养基质和药物输送系统等生物医学应用。
通过ALD可实现对生物材料的表面改性，增加生物相容性和生物活性。
总之，原子层沉积法是一种重要的表面化学反应技术，可实现对材料的精确控制和定量分析。
原子层沉积
©中间体（AML），这可以用反应方程式（2）表示。
反应（2）随着活化剂AN的反应消耗而自动终止，具有自限制性。
当沉积反应前驱体2（AN2）注入反应器后，就会与上述的吸附中间体反应并生成沉积原子层。
图 A.化学吸附（CS）和B.顺次反应（RS）自限制原子层沉积过程示意图 ML2 + AN2 --- MA(film) + 2LN (1) AN + ML2 --- AML + NL (2) AML + AN2 --- MAN + NL (3) 这里需要说明的是前躯体1能够在基体材料表面快速形成稳定的化学吸附层是化学吸附自限制原子沉积过程的必要条件。
对于顺次反应自限制过程，一方面基体材料表面必须先经过表面活化，另一方面，这种沉积反应实际是半反应（2）和（3）的组合。
每个半反应完成后材料表面的功能基团都会发生变化，并且一个原子层沉积完成时，材料表面要恢复到最初的活化基团状态。
这种恢复特点以及材料表面原始活性状态是区分上述两种不同的自限制反应沉积过程的主要因素。
原子层沉积技术的应用 原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控型（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。
就目前已发表的相关论文和报告可预知，该技术可能应用的主要领域包括： 1）晶体管栅极介电层（high-k）和金属栅电极（metal gate） 2）微电子机械系统（MEMS） 3）光电子材料和器件 4）集成电路互连线扩散阻挡层 5）平板显示器（有机光发射二极管材料，OLED） 6）互连线势垒层 7）互连线铜电镀沉积籽晶层（Seed layer） 8） DRAM、MRAM介电层 9）嵌入式电容 10）电磁记录磁头 11）各类薄膜（<100nm） 上述领域并不代表原子层沉积技术的所有可能应用领域，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。
原子层沉积——专题
但是分子氢惰性很高需要很高的沉积温度，因此PE-ALD。。。
对氮化物来说，需要氮源和还原剂已达到清洗表面反应的目的，在 很多情况下一种化合物如NH3即作为氮源又作为还原剂，如ALD沉 积TiN,W2N薄膜
对硫族化合物薄膜来说，可以用S、Se和Te作为先驱体，另一金属 源可选择挥发性且反应活性较高的金属。 如（ZnS）
抗腐蚀涂层以提高部件的机械性能，如MEMS的膜润 滑剂、摩擦膜，高度的表面规整性也使复杂部件的涂 层成为可能，包括内部的管道和洞穴。
“原子层沉积”专题汇报
Atomic Layer Deposition
概要
引言及背景 原子层沉积的基本模式 原子层沉积的优势 原子层沉积的先驱体、材料及过程 原子层沉积的应用
1.引言及背景
原子层沉积（ALD：atomic layer deposition): 是一种基于有序、 表面自饱和反应的化学气相沉积薄膜的方法。
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4.1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
4.2 非金属先驱体
分为两类
氧化类非金属先驱体
还原类非金属先驱体：沉积金属元素薄膜，H也许是最常用的还原剂
原子层沉积概述
原子层沉积概述
整体来看，原子层沉积（ALD）是一种薄膜沉积技术。
大致分这几个部分来说吧。
首先是它的基本原理。
原子层沉积是基于顺序的、自限制的表面反应。
就好比搭积木，一层一层地往上垒。
它是通过将两种或多种气相前驱体脉冲交替地引入反应室，让它们分别与基底表面的活性位点反应，这样每次反应就只沉积一个原子层或者几个原子层，经过多次循环就能获得厚度精确的薄膜。
比如说，要沉积氧化铝薄膜，可以让三甲基铝和水作为前驱体，轮流进入反应腔室来发生反应。
核心内容里，ALD有很显著的优势。
它能精确地控制膜的厚度，这在很多高科技领域非常重要。
比如说在半导体制造中，芯片里一些极微小的电路结构要求覆盖层厚度非常精准。
而且它可以在复杂形状的基底上均匀镀膜，像有许多小孔洞或者高深宽比结构的物体，用其他镀膜方法可能就会有覆盖不均的情况，但ALD就能够较好地完成镀膜。
另一个主要的方面就是原子层沉积技术适用的材料非常多。
除了前面提到的氧化铝，还有氧化铪、氮化钛等等各种各样的材料都能够用它来沉积。
不过它也有自己的问题。
主要是它的沉积速率相对较慢。
因为是一层一层的，就像慢条斯理地盖房子一样，如果需要快速沉积比较厚的膜，这
就变成一个很大的劣势了。
从设备角度说，原子层沉积设备相对复杂而且成本比较高。
但是随着科技不断发展，人们也在想办法提高它的沉积速率以及降低成本。
主要的脉络来看，理解原子层沉积可以从这几个方向，原理、优势、适用材料还有它面临的问题。
把这些搞清楚了，就能对原子层沉积技术有个相对全面的认识了。
ald工艺原理和应用
ald工艺原理和应用
"Ald" 是 Atomic Layer Deposition（原子层沉积）的缩写，是一种薄膜生长技术，其原理和应用在纳米技术领域中具有重要意义。
Ald工艺原理：
1.原子层控制： Ald 是一种原子层控制的薄膜沉积技术，它通过在基底表面逐层沉积薄膜材料的方法，实现对薄膜的精确控制。
2.气相前体： Ald 过程中使用的气相前体是一种化学气体，通过气相前体的定量供应，可以在基底表面沉积一层单一原子层的薄膜。
3.逐层反应：Ald是通过交替的气相前体供应和表面反应步骤实现的。
在每个步骤中，气相前体以一种可控的方式吸附到基底表面，然后通过表面反应形成薄膜的一层。
4.表面饱和： Ald 过程中，每一层的沉积在表面的饱和状态下进行，确保只有一个原子层被沉积。
5.高精度和均匀性：由于 Ald 过程是逐层进行的，因此可以实现高精度和均匀性的薄膜沉积，使其在纳米尺度上具有出色的控制能力。
Ald的应用：
1.纳米电子器件： Ald 被广泛用于制备纳米电子器件的关键层，如金属、氧化物或氮化物的薄膜。
2.纳米光学薄膜： Ald 可用于制备纳米光学元件，如抗反射膜、光学滤波器等。
3.能源存储： Ald 被应用于能源存储领域，制备电池和超级电容器的电极材料。
4.传感器： Ald 可用于制备高灵敏度和高选择性的传感器薄膜，
用于气体、化学物质或生物分子的检测。
5.表面修饰： Ald 被用于表面修饰，改善材料的表面性质，如润湿性、生物相容性等。
总体而言，Ald 是一种关键的纳米技术工艺，通过逐层控制原子尺度的薄膜生长，为制备纳米材料和器件提供了高度精密的方法。
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。
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3. Comparison of ALD and CVD
Schematic pressure profile during the ALD and CVD process
SPePunTg-DMEoSLIeGe Net al., ChemPhysChem, 12, 791-798(2011)
3. Comparison of ALD and CVD
4.2 Coatings on nanoparticles
ALD Cycles → Bowl Thickness PPT DESIGN
PS Spheres → Bowl Size
4.3 Combination of CNT and super-black coatings
PPT DESIGN
4.3 Combination of CNT and super-black coatings
Deposition at reduced substrate temperatures Increased choice of precursors and materials Good control of stoichiometry and composition
operating pressure, power, exposure time, biasing voltage
原子层沉积法的原理和应用
Synthetic Chemistry of Materials
Aห้องสมุดไป่ตู้omic Layer Deposition (ALD)
杨 超、包 峰、方 聪、蒋博瀚、马 红石 李勇辉、王 谦、徐 晨、于 浩、 赵灿灿
—Shanghai Institute of Ceramics
PPT DESIGN
2. Classical models: ALD of Al2O3
The surface chemistry during Al2O3 ALD
(a) AlOH* + Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2*+CH4 (b) AlCH3* + H2O AlOH*+CH4
The overall reaction for Al2O3 ALD
2Al(CH3)3+ 3H2O
PPT DESIGN
Al2O3+3CH4 ∆H=376 kcal
1. Introduction to ALD
Atomic layer deposition （ALD） — atomic level control of film deposition
1 Atomic level control
4.1 Coatings on high aspect ratio structures
1 Coating on step-like sructures
1 2
2 Coating on multi-pore structures
MP. KPnTauDt,EetSaIlG. MNicroelectron Eng, 107, 80-83 (2013)
XiPnPWTanDg,EeSt aIGl.,NACS Appl. Mater. Interfaces,3: 4180-4184 (2011)
4.4 Merits of Plasma-Assisted ALD
❖Merits
Improved material properties
film density, impurity content, electronic properties
Increased growth rate
NP. PLeTicDkE, JS. IVGaNc. Sci. Technol. A 29, 021016 (2011)
4.4 Plasma-Assisted ALD Configurations
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)
Atomic level control
I can’t
Sequential introduction of
precursors
ALD CVD
Synchronous introduction of
precursors
Better step coverage
PPT DESIGN
Existing shadowing effects
4.2 Coatings on nanoparticles
PS spheres self assembled ALD of TiCl4 and H2O Ion milling Etching PS hemispheres Annealing
XPuPDTonDgEWSaInGgNet al., Nano letters Vol.4,No.11 (2004)
2 Self-limiting
Characters
3 Conformal deposition 4 Pinhole-free films
PPT DESIGN
5 High repeatability and expansibility 6 Substrate（Large and high aspect ratio）
Outline
PPT DESIGN
Outline
1.Introduction to ALD 2.Classical models: ALD of Al2O3 3.ALD and CVD 4.Applications of ALD
(1)Coatings on high aspect ratio structures (2)Coatings on Nanoparticles (3)Combination of CNT (4)Plasma ALD 5. Expectations and challenge in ALD