原子层沉积技术研究及其应用进展

原子层沉积(ALD)技术是制备复杂纳米结构材料以及材料表面改性的关键技术,该技术已得到了国内外学术界的大量研究。简单介绍了ALD技术、沉积过程、该技术的优点以及该技术可以沉积的薄膜材料,重点论述了ALD技术的应用进展,主要包括半导体方面(如IC互连技术、电容器、太阳电池晶体硅表面钝化)以及纳米结构材料方面(如催化剂与燃料电池、光催化、太阳电池、分离膜)。最后,指出了目前ALD在材料制备和生产工艺方面所面临的挑战,并对其未来发展进行了展望。     

原子层沉积技术制备金属材料的进展与挑战

原子层沉积(ALD)技术是一种三维共形沉积金属薄膜或金属纳米结构的有效手段。简要介绍了ALD技术的基本原理和特点,着重阐述和比较了ALD生长贵金属、过渡金属和活泼金属的不同工艺条件、化学过程和反应生长机理,如贵金属的燃烧反应与成核孕育期、过渡金属铜互连的前驱体与表面平整性以及活泼金属的能量辅助沉积,探讨了前驱体、成核等对金属沉积和质量的重要影响,说明了原位监控手段在生长中的作用。最后简述了ALD沉积金属面临的瓶颈,由于一些重要金属前驱体的匮乏,新的反应路径和生长机理亟待发现,并展望了其未来发展和应用前景。     

原子层沉积制备ZnO薄膜研究进展

随着半导体技术的发展,ZnO作为第三代半导体材料,具有禁带宽度大、载流子漂移饱和速度高和介电常数小等优点,更适合制作蓝光和紫外光的发光器件。与传统的薄膜制备技术相比,原子层沉积技术(ALD)在膜生长方面具有生长温度低、厚度高度可控、保形性好和均匀性高等优点,逐渐成为制备ZnO薄膜的主流方法。综述了ALD制备ZnO薄膜的反应机制、生长机制和掺杂方面的研究进展,针对当前ZnO薄膜p型掺杂的难点,指出了V族元素中的大半径原子(磷和砷等)掺杂有可能成为制备高质量、可重复和稳定的p型ZnO的潜力研究点,最后总结和展望了ALD制备ZnO薄膜的应用前景和研究趋势。     

等离子体增强原子层沉积制备压电AlN薄膜

采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术在单晶硅衬底上成功制备了具有(002)晶面择优取向的氮化铝(AlN)晶态薄膜,为设计新型压电功能器件提供了思路.利用椭圆偏振光谱仪(SE)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)对.样品的生长速率、表面形貌、晶体结构、薄膜成分进行了表征和分析.结果 表明,在250℃沉积温度下,以N2H2和Ar的混合气体的等离子体作为共反应物,在相同工艺条件下仅增加前驱体三甲基铝(TMA)脉冲注入之后的氮气吹扫时间(tp1),制备的AlN薄膜的(002)晶面择优取向趋于显著,说明tp1的增加可以促进Al和N原子的有序排列,并促进(002)晶面择优取向形成.实验中,tp1为30 s且循环次数为1150时,PEALD制备的AlN薄膜表面平整光滑,均方根表面粗糙度为0.885 nm,(002)晶面衍射峰最明显,薄膜中氧原子数分数为11.04％,氧原子在AlN薄膜中形成氧缺陷并形成一种稳定的基于八面体配位铝的新型氧缺陷相,XPS结果证明了N-O-Al键的形成.     

原子层沉积技术生长单质钨薄膜

采用热型原子层沉积(ALD)技术在单晶硅基底上成功制备了单质钨薄膜。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、掠入射X射线衍射仪(GIXRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、四探针测试仪对样品的生长速率、晶体结构、薄膜成分以及电阻率进行了表征和分析。结果表明,热型原子层沉积技术生长单质钨薄膜的温度窗口为200～250℃,生长的薄膜呈多晶态,由较小粒径的颗粒组成,具有(210)晶面择优取向。XPS测试表明薄膜中W 4f_7/2、W 4f_5/2及W 5p_3/2的特征峰分别位于31.5～31.6、33.5～33.7及36.9～37.1 eV结合能位置处,主要含有W、C、O等元素。生长的单质钨薄膜为β相钨,电阻率为1.6×10^-4～3.0×10^-4Ω·cm。     

前驱体通气时间对原子层沉积氧化锌薄膜的影响

建立了反应腔室模型,模拟分析了原子层沉积(ALD)过程中前驱体质量分数随其通气时间的变化趋势.采用ALD法制备了ZnO薄膜,采用原子力显微镜(AFM)与扫描电子显微镜(SEM)对薄膜进行了表征,研究了不同二乙基锌通气时间下ZnO薄膜的表面形貌和厚度均匀性.模拟结果表明,前驱体通气时间越长,前驱体在整个反应腔室内的分布越...     

原子层沉积制备氮化钛薄膜及其表征北大核心

宽禁带半导体TiN作为扩散阻挡层以及场效应管的门电极在集成电路中发挥重要作用。通过原子层沉积（atomic layer deposition,ALD）技术沉积不同循环次数TiN薄膜,采用四探针测试仪、台阶仪、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）对薄膜进行了表征,确定了薄膜电阻率、生长速率、表面粗糙度与工艺条件的依赖关系。实验结果表明,ALD可实现膜厚精确控制、大面积均匀性优异、电阻率较小的薄膜制造,沉积薄膜的最小粗糙度为0．101nm,电阻率为5μΩ·cm,薄膜稳定生长速率为0．025nm／cycle。     

原子层沉积技术发展现状

复杂的非平面结构基板形貌对传统的薄膜沉积技术产生了极大的挑战,不同类型的集成电路器件需要不同的生产技术,同时也对薄膜材料提出了不同的要求。为了突破现有材料的性能限制就要求开发具有更高性能的材料。原子层沉积(ALD)是一种可足以应对这些挑战的独特技术,它所沉积的薄膜具有极佳的均匀性、台阶覆盖率和(对薄膜图形的)保形性。介绍了原子层沉积技术原理、新一代逻辑组件所面临的课题、原子气相沉积技术AVD及原子层沉积设备现状。     

3D MIM电容器原子层沉积可控生长及电学性能

为提高电容器的比电容,设计了基于三维(3D)结构的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器.采用原子层沉积(ALD)技术制备电容器功能薄膜层,通过建立3D结构原子层沉积理论模型,拟舍得到了原子层沉积过程中薄膜覆盖率与3D结构之间的依赖关系.基于该模型优化了工艺参数,制备了不同介质层厚度的电容器,并对器件进行了C-V和I-V特性测试,得到电容器击穿场强和介电常数均值分别为6.68 MV/cm和7.95.同时,制备的3D MIM电容器的比电容达到212.5 fF/μm2,相比常规平面电容器,其电容密度提高了一个数量级.且该电容器击穿场强和介电常数与薄膜厚度之间具有良好的线性关系,表明理论模型合理,实现了基于3D结构的原子层沉积薄膜可控生长.     

原子层沉积超薄氮化铝薄膜的椭圆偏振光谱法表征

采用原子层沉积(ALD)工艺在硅衬底上生长了35 nm以下不同厚度的超薄氮化铝(AlN)晶态薄膜。利用椭圆偏振光谱法在波长275~900 nm内测量并拟合薄膜的厚度及折射率和消光系数等光学参数。利用原子力显微镜(AFM)表征AlN晶粒尺寸随生长循环次数的变化,计算得到薄膜表面粗糙度并用于辅助椭偏模型拟合。针对ALD工艺特点建立合适的椭偏模型,可获得AlN超薄膜的生长速率为0.0535 nm/cycle,AlN超薄膜的折射率随着生长循环次数的增加而增大,并逐渐趋于稳定,薄膜厚度为6.88 nm时,其折射率为1.6535,薄膜厚度为33.01 nm时,其折射率为1.8731。该模型为超薄介质薄膜提供了稳定、可靠的椭圆偏振光谱法表征。     

原子层淀积技术应用于太阳电池的研究进展

原子层淀积(ALD)是一种先进的纳米级薄膜生长技术,在微电子和光电子领域有着广泛的应用前景,尤其在提高太阳电池的光电转换效率方面正发挥越来越大的作用,很可能成为下一代太阳电池工艺中的重要方法。文章综述了近年来ALD技术在太阳电池领域的应用研究进展,详细介绍了ALD技术应用在不同类型太阳电池的最新研究成果和存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

Atomic and Molecular Layer Deposition of Hybrid Mo–Thiolate Thin Films with Enhanced Catalytic Activity

A synthetic route toward hybrid MoS₂‐based materials that combines the 2D bonding of MoS₂ with 3D networking of aliphatic carbon chains is devised, leading to a film with enhanced electrocatalytic activity. The hybrid inorganic–organic thin films are synthesized by combining atomic layer deposition (ALD) with molecular layer deposition (MLD) using the precursors molybdenum hexacarbonyl and 1,2‐ethanedithiol and characterized by in situ Fourier transform infrared spectroscopy, and the resultant material properties are probed by X‐ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, and grazing incidence X‐ray diffraction. The process exhibits a growth rate of 1.3 Å per cycle, with an ALD/MLD temperature window of 155–175 °C. The hybrid films are moderately stable for about a week in ambient conditions, smooth (σ_RMS ≈ 5 Å for films 60 Å thick) and uniform, with densities ranging from 2.2–2.5 g cm^?3. The material is both optically transparent and catalytically active for the hydrogen evolution reaction (HER), with an overpotential (294 mV at ?10 mA cm^?2) superior to that of planar MoS₂. The enhancement in catalytic activity is attributed to the incorporation of organic chains into MoS₂, which induces a morphological change during electrochemical testing that increases surface area and yields high activity HER catalysts without the need for deliberate nanostructuring.     

Low‐Temperature Growth of SiO2 Films by Plasma‐Enhanced Atomic Layer Deposition

Silicon dioxide (SiO₂) films prepared by plasma‐enhanced atomic‐layer deposition were successfully grown at temperatures of 100 to 250 °C, showing self‐limiting characteristics. The growth rate decreases with an increasing deposition temperature. The relative dielectric constants of SiO₂ films are ranged from 4.5 to 7.7 with the decrease of growth temperature. A SiO₂ film grown at 250 °C exhibits a much lower leakage current than that grown at 100°C due to its high film density and the fact that it contains deeper electron traps.     

单原子层沉积原理及其应用

传统的薄膜材料制造方法已不能满足未来元器件和集成电路制造的要求,原子层沉积技术由于具有精确的厚度控制、沉积厚度均匀性和一致性等特点,已成为解决微电子制造相关超薄膜材料制造问题的主要解决方法之一,也将成为新的纳米材料和纳米结构的制造方法之一。综述了原子层沉积技术的原理、技术设备要求和应用。     

Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition of Amorphous Ga2O3 for Solar-Blind Photodetection

Wide-bandgap gallium oxide(Ga₂O₃) is one of the most promising semiconductor materials for solar-blind(200 nm to 280 nm) photodetection. In its amorphous form, amorphous gallium oxide(a-Ga₂O₃) maintains its intrinsic optoelectronic properties while can be prepared at a low growth temperature, thus it is compatible with Si integrated circuits(ICs) technology. Herein, the a-Ga₂O₃ film is directly deposited on pre-fabricated Au inter...     

硫化锌薄膜的原子层沉积生长及表征

为满足硫化锌(ZnS)薄膜在光学薄膜领域进一步应用的要求,基于原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)技术在130℃温度下以二乙基锌(DEZ)和硫化氢(H2S)为反应源,在砷化镓(GaAs)衬底表面沉积了ZnS薄膜。用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)分析了样品的表面形貌和膜界面特性,用X射线衍射仪(X-ray Diffraction, XRD)分析了薄膜的结构特性,并通过X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)分析了薄膜的化学成分。研究了厚度对薄膜结构和形貌的影响。结果表明,得到的ZnS薄膜为多晶结构,薄膜的厚度随循环数线性增加,速率为1.45 ?/cycle。对在75℃温度下烘烤48 h后的薄膜进行了XPS分析,得出的Zn/S比为1.07:1,表明烘烤除去了薄膜中残存的H2S。以较短生长时间得到的较薄的薄膜具有更好的表面平整度和更致密的结构。     

热原子层沉积技术制备TiAlCN薄膜的特性

在Si和SiO2基底上,采用热原子层沉积技术,以四(二甲基氨基)钛(Ti(N (CH3)2)4)和三甲基铝(Al (CH3)3)为前驱体,制备TiAlCN薄膜.测试结果表明,随着基底温度的升高,膜层的沉积速率升高,电阻率降低,光学带隙由3.45 eV降低到2.00 eV,并在基底温度为300和350℃时出现了双吸收边;基底温度为350℃时,Al (CH3)3分解,使Al进入膜层与TiN和TiC形成TiAlN和TiAlC;膜层中TiN和TiC的形成,可以有效抑制膜层的自然氧化;基底温度为250和300℃时,薄膜为无定型结构,当基底温度为350℃时,有TiN晶体产生;膜层的表面粗糙度随着基底温度的升高先降低后升高,表面粗糙度的升高可能是因为在基底温度为350℃时前驱体材料的分解,使C-H键进入膜层所导致的.     

用PECVD制备掺氟氧化硅低介电常数薄膜

用ＰＥＣＶＤ淀积了低介电常数的掺氟氧化硅介质薄膜,ＳｉＦ４的流量达到６０ｓｃｃｍ时,薄膜的相对介电常数可以降低到３．２。对试样的ＦＴＩＲ分析表明,薄膜中大部分的氟以Ｓｉ－Ｆ键形式存在。Ｃ－Ｖ特性测试表明,薄膜介电常数随氟含量的增加而减小,但薄膜的吸水性随氟含量的增加而变大。并进一步讨论了介电常数和薄膜稳定性与薄膜中氟原子含量之间的内在联系。