鉆石會員
已認證
原子層沉積（ALD）是一種能夠從氣相中沉積各種薄膜材料的技術。原子層沉積在新興的半導體和能源轉換技術中顯示出巨大的前景。
基于連續的自限性反應，ALD在高縱橫比結構上提供了出色的保形性，在埃級的厚度控制和可調的薄膜成分上提供了出色的保形性。憑借這些優勢，原子層沉積已成為許多工業和研究應用的強大工具。
在這篇綜述中，介紹了原子層沉積，并重點介紹了部分應用，包括Cu（In，Ga）Se2太陽能電池器件、高介電常數晶體管和固體氧化物燃料電池。選擇這些例子是為了說明受ALD影響的各種技術，ALD可以沉積的材料范圍 - 從金屬氧化物如Zn1?xSnxOy，ZrO2，Y2O3，到貴金屬如Pt，以及ALD的獨特功能如何實現新的性能水平和更深入的基本理解。
隨著器件要求向更小、空間要求更高的結構發展，ALD因其保形性以及對材料厚度和成分的控制，顯示出相對于化學氣相沉積（CVD）和各種物理氣相沉積（PVD）技術）的潛在優勢.這些理想的特性源于原子層沉積工藝的循環性、自飽和性。
原子層沉積的主要優點都來自沉積過程的順序、自飽和、氣面反應控制。首先，沉積酒精沉積薄膜的保形性通常是選擇原子層沉積而不是競爭的關鍵因素沉積技術如CVD或濺射。高縱橫比和三維結構材料的保形性是通過其自限特性實現的，該特性將表面的反應限制在不超過一層前驅體。在足夠的前驅體脈沖時間下，前驅體可以分散到深溝中，從而與整個表面完全反應。隨后的循環允許在高縱橫比結構上均勻生長，而CVD 和PVD 可能分別由于較快的表面反應和陰影效應而出現不均勻性。
原子層沉積的另一個突出優點是成分控制。使用氧化鋅錫 （ZTO） 等材料已證明可以控制成分SrTiO3等等，這些薄膜可以通過定制 ALD“超級循環”來沉積和成分控制，這些循環由多個 ALD 工藝組成。
例如，在ZTO沉積中，調整SnOx和ZnO的超循環比可以定制不同的傳導行為和光學特性的電影.在沉積SrTiO3 時，TiO2和SrCO3 的ALD 工藝以 1：1 的比例在超級循環中交替進行，在退火后產生化學計量的SrTiO3 薄膜。
雖然原子層沉積具有許多有前途的特性，但它也存在沉積速率緩慢的問題。由于脈沖和吹掃前驅體涉及的較長循環時間以及沉積的逐層性質，大多數ALD 速率約為100–300 nm/h,.然而，這個速率很大程度上取決于反應器設計和基板的縱橫比。隨著原子層沉積反應器的表面積和體積的增加，脈沖和吹掃所需的時間也會增加。高縱橫比基板還需要更長的脈沖和吹掃時間，以允許前驅體氣體分散到溝槽和其他三維特征中。為了解決這一缺點，空間原子層沉積已成為一種很有前途的技術，可以顯著提高吞吐量。空間原子層沉積的工作原理是消除傳統的脈沖/吹掃室，取而代之的是空間分辨的磁頭，該磁頭根據位置將基板暴露在特定的氣體前驅體中。
在一種設計中，當頭部在基材周圍平移時，它會改變暴露的前體，導致薄膜生長。或者，空間原子層沉積也被證明，其中基板移動過固定的前驅體噴嘴，這些噴嘴的排列方式使得通過它們，實現前驅體循環并生長薄膜。總體而言，使用空間原子層沉積技術，沉積速率約為3600 nm/h 是可能的。
微電子領域的原子層沉積：高介電常數電介質
微電子行業是最大的采用者之一原子層沉積，隨著工業界向使用高介電常數過渡介質對于微電子器件中的晶體管柵極堆棧，ALD變得越來越重要。高 k柵極氧化物需要在硅上高度均勻且無針孔，以防止漏電流通過柵極氧化物。為了解決氧化物厚度減少的挑戰，英特爾于2007 年將ALD 引入其量產線.這是他們能夠從 65 nm 節點技術發展到45 nm 節點技術而不制造出明顯更高的晶體管的關鍵原因功耗.這氧化層他們使用的由一堆層組成：一個 SiON界面層電鈍化如果表面，一種高 k HfO2 基氧化物，具有k-值在20左右，并有蓋層來匹配澆口金屬的工作功能.不久之后，半導體行業的其他主要參與者紛紛效仿，開始使用原子層沉積層沉積高介電常數的原子層沉積.
隨著器件的不斷縮小，部分原因是ALD柵極氧化物減小了等效柵極氧化物的厚度，對塊狀硅晶體的新限制迫使該行業尋找其他更激進的替代傳統晶體管概念的替代品。在他們的最新技術中，22 nm 節點，英特爾將一種稱為三門的結構引入生產，這是 Fin 的變體場效應晶體管（FinFET）結構。而不是使用傳統的平面通道。
傳統的平面MOSFET設計導致反轉的表面溝道，以及FinFET或三柵極設計，其中從三個側面被柵極氧化物覆蓋的Si翅片與周圍的柵極氧化物反轉，從而與相同柵極電壓的平面設計相比，增加了總倒置體積。
在這種三柵極設計中，從表面突出的高縱橫比翅片需要覆蓋具有很好的成分和厚度均勻性的柵極氧化物，并且沒有針孔，這是為ALD量身定制的任務。暗示ALD是未來電子發展的重要工具。
光伏中的原子層沉積：Cu（In，Ga）Se2薄膜太陽能電池中的緩沖層
原子層沉積在光伏器件中的應用非常廣泛.ALD沉積的材料用作后觸點鈍化層在有機太陽能電池作為調整電極工作功能的一種手段和染料敏化太陽能電池作為防止重組的屏障.此外，ALD 可用于創建透明導電氧化物對于上面列出的太陽能電池技術。
精確控制的能力組成ALD的三種或三種以上元素的化合物在以下方面非常有用光電材料，例如光伏因為它使一種能夠可控地改變帶隙、密度、電導率、能帶水平和形態等特性的方法。這方面的一個例子是ALD生長的Zn1?xSnxOy化合物，其中導帶水平和價帶水平是通過Kapilashrami發現的等.隨著成分從ZnO 到 SnOy 的變化而變化。
ALD生長的Zn1?xSnxOy的能帶能級是x的函數。結合使用X射線發射光譜和X射線吸收光譜。需要微調成分并進而調整導帶和價帶位置的一種應用是Cu（In，Ga）Se2（CIGS） 薄膜太陽能電池。由于CIGS是p型沉積的，因此在CIGS太陽能電池中引入不同半導體的n型層以形成電pn結，直接沉積在CIGS頂部的n型層被定義為緩沖層。由于它形成了pn結，因此該緩沖層的電性能至關重要。
從歷史上看，對CIGS緩沖層進行了廣泛的研究，但二元體系ZnO是第一個由ALD沉積的CIGS緩沖層.ZnO的性能不足，主要是由于不利的CBO導致的高復合。這導致了三元原子層沉積化合物體系的發展，如Zn（O，S）和 （Zn，Mg）O，其中可以改變ZnO的性質，從而獲得更有利的CBO。這兩種都是酒精含量分析（ALD）生長的三元化合物后來被證明是CIGS太陽能電池的優秀緩沖層候選者，每個生產器件都具有電源轉換效率超過 18%，與使用CdS 的相應參考器件相當或更好。同時，ALD生長的二元化合物In2S3表現出優異的性能，創造了轉換效率超過16%的CIGS太陽能電池.最近，對將ALD 用于CIGS 緩沖層的興趣有所增加，以改善和理解上述系統以及用于開發新材料組合的系統，例如 Zn1?xSnxOy和 ZnInS.
隨著器件變得越來越小，結構越來越復雜，對可控和保形薄膜的需求從未如此之大。ALD具有連續的自限性反應，能夠以最有效的方法之一滿足這些要求。CVD 和 PVD 等類似技術無法始終在埃級提供相同水平的均勻性、保形性和厚度控制。由于ALD的優勢，ALD工藝已經開發用于各種材料，從金屬到金屬氧化物再到復雜的三元材料，使ALD能夠被納入工業程序。
在這篇文章中，我們介紹了ALD的許多優點，如保形性、厚度控制和成分控制，以及ALD的廣泛應用。這些應用包括不同的技術，例如能源轉換行業（光伏、燃料電池）和半導體行業（高介電常數晶體管）。在CIGS太陽能電池器件中，ALD已被用于沉積Zn1?xSnxOy緩沖層的保形薄膜。
隨著這些器件的不斷發展，一個普遍的新興趨勢是從傳統的二維平面器件向高度有序的三維結構轉變，通常是為了最大化表面積和密度以提高器件效率。隨著研究人員不斷突破這些更小的復雜結構，對精確沉積技術的需求從未如此之高，這為原子層沉積在進一步的器件開發中發揮不可或缺的作用奠定了基礎。
隨著空間ALD等新技術的出現，可以加快沉積速度，以及市售的ALD反應器，隨著更多材料系統的開發，ALD在制造中的存在將繼續增加。
