試論ALD技術(shù)制備金屬材料的現(xiàn)狀分析以及挑戰(zhàn)

蔡蓓

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，其中在金屬材料的制備過(guò)程中，相關(guān)的技術(shù)人員經(jīng)常采用ALD技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)加工。通常情況下，ALD技術(shù)又稱之為原子沉淀技術(shù)，這是一種三維共形沉積金屬薄膜或者金屬納米結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)方式。對(duì)此，本文將重點(diǎn)針對(duì)我國(guó)金屬材料制備過(guò)程中的原子層沉積（ALD）技術(shù)的基本技術(shù)原理以及實(shí)際的加工制備特點(diǎn)進(jìn)行分析，在此研究過(guò)程中結(jié)合其實(shí)際的應(yīng)用情況對(duì)原子層沉積（ALD）技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展以及實(shí)際發(fā)展過(guò)程中所面臨的相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：ALD技術(shù)；金屬材料；制備；現(xiàn)狀分析；挑戰(zhàn)

納米科技是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)加工中新型的一種技術(shù)工藝，特別是金屬納米結(jié)構(gòu)以及三維共形沉積金屬薄膜在我國(guó)的磁存儲(chǔ)以及微電子和光電子以及催化等相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用。在我國(guó)當(dāng)前工業(yè)加工生產(chǎn)中，金屬材料的制備需要采用先進(jìn)的技術(shù)工藝，因此傳統(tǒng)的加工制造工藝已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的發(fā)展需要[1]。通常而言，金屬材料的制備需要采用平整均勻以及三維貼合性能十分優(yōu)越的金屬膜層，因此在這樣的發(fā)展背景下，原子層沉淀（ALD）技術(shù)（atomic layer deposition，ALD應(yīng)用而生。

1 金屬材料技術(shù)制備過(guò)程中ALD技術(shù)的概況分析

原子層沉積（ALD）技術(shù)的主要應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程是將前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)腔，在沉積基底中進(jìn)行表面化學(xué)吸附反應(yīng)，從而產(chǎn)生一種金屬薄膜。因此，從這一技術(shù)工藝的實(shí)際應(yīng)用原理來(lái)看，原子層沉積（ALD）技術(shù)不是一個(gè)相對(duì)連續(xù)的技術(shù)工藝實(shí)踐過(guò)程，而且通過(guò)許多的半連續(xù)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。因此，在這一具體的工藝環(huán)節(jié)中，在每一個(gè)技術(shù)工藝流程的單元模塊中，經(jīng)過(guò)四大不同的循環(huán)過(guò)程，從而制備金屬材料。具體而言，原子層沉積（ALD）技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐情況分為如下幾種[2]：

首先，需要將前驅(qū)體A蒸汽脈沖通入到反應(yīng)腔，使化學(xué)反應(yīng)在暴露的襯底表面進(jìn)行，然后將高純氬氣或者氮?dú)獾榷栊郧逑礆怏w通入反應(yīng)腔中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將不能及時(shí)進(jìn)行吸附的前驅(qū)體A蒸汽以及化學(xué)反應(yīng)之后的副產(chǎn)物帶出反應(yīng)腔外，隨之再將前驅(qū)體B蒸汽脈沖通入到反應(yīng)腔中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這一化學(xué)反應(yīng)是通過(guò)前驅(qū)體B蒸氣脈沖與前驅(qū)體A蒸氣脈沖進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，然后再將高純氬氣或者氮?dú)獾榷栊郧逑礆怏w通入反應(yīng)腔中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在此化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，將前驅(qū)體B蒸氣以及化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物帶出化學(xué)反應(yīng)腔之外，具體的技術(shù)工藝操作原理以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程圖示如下所示：

2 ALD技術(shù)制備金屬材料的現(xiàn)狀分析

從上述原子層沉積（ALD）技術(shù)基本反應(yīng)循環(huán)示意圖可以看出，每一個(gè)半連續(xù)性的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，每一個(gè)半反應(yīng)過(guò)程都是自終止的，主要包括化學(xué)反應(yīng)以及吸附及解吸附三大主要的反應(yīng)過(guò)程。因此，這一技術(shù)具有互補(bǔ)性以及自限制性等特征，其生長(zhǎng)的速度通?？梢赃_(dá)到每循環(huán)0.1nm，因此結(jié)合這一具體的特征，在采用ALD技術(shù)進(jìn)行金屬材料的制備過(guò)程中，只需要對(duì)化學(xué)反應(yīng)的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制，就可以對(duì)金屬薄膜進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)。

因此，從原子層沉積（ALD）技術(shù)的具體應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，原子層沉積（ALD）生長(zhǎng)的主要技術(shù)基礎(chǔ)就是表面自限制反應(yīng)，而ALD工作窗口一般存在于理想的ALD工藝中，在此生長(zhǎng)窗口中，ALD表面自限制反應(yīng)的生產(chǎn)速度恒定，因此其對(duì)沉淀溫度以及前軀體流量和脈沖的具體時(shí)間等工藝參數(shù)的變化要求不太敏感，因此在金屬材料的制備過(guò)程中，采用ALD技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，最終沉淀的金屬薄膜具有優(yōu)異的三維組合性與大面積的均勻性。與此同時(shí)，隨著電子芯片單元的尺寸不斷減小，器件中的深寬比會(huì)不斷增加，從而使金屬材料制備過(guò)程中的材料厚度不斷降低[3]。因此，ALD技術(shù)之所以被我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中的納米材料制備以及微電子工業(yè)等相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域高度重視，這在很大程度上與其獨(dú)特的技術(shù)工藝以及生長(zhǎng)原理具有重要的關(guān)聯(lián)性。

3 ALD技術(shù)制備金屬材料的挑戰(zhàn)分析

ALD技術(shù)在我國(guó)盡管還是一種全新的金屬材料制備技術(shù)工藝，但是逐漸經(jīng)過(guò)幾十年的不斷應(yīng)用實(shí)踐與發(fā)展，其在我國(guó)傳統(tǒng)的ALD技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，逐漸派生出了多種新的技術(shù)形式，比如等離子體增強(qiáng)ALD（plasma ebhancedatic layer deposition，PEALD）技術(shù)以及分子層沉淀技術(shù)和空間ALD技術(shù)、電化學(xué)ALD等多種新的技術(shù)形式。在這些不同的技術(shù)形式中，其中PE ALD技術(shù)得到了不同程度的重視，其在實(shí)際的生長(zhǎng)過(guò)程中主要通過(guò)等離子體取代一般的化學(xué)反應(yīng)劑，從而大大提升了金屬材料制造過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)劑的活性。在此過(guò)程中，不僅拓寬了生長(zhǎng)薄膜與前驅(qū)體化學(xué)反應(yīng)材料的具體種類，同時(shí)降低了沉積的實(shí)際溫度，大大提高了生常速度，同時(shí)也進(jìn)一步改進(jìn)了金屬材料薄膜性能[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，原子層沉積（ALD）技術(shù)沉積金屬薄膜以及納米結(jié)構(gòu)，到目前為止，已經(jīng)在我國(guó)的燃料電池以及催化和微電子、光學(xué)、氣體傳感等不同的技術(shù)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用與實(shí)踐，而且受到相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域負(fù)責(zé)人的高度關(guān)注。盡管原子層沉積（ALD）技術(shù)已經(jīng)在諸多的技術(shù)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但是與氮化物以及氧化物等材料物質(zhì)相比，其依然存在一定的不足，主要由于缺乏具有足夠活性的還原劑以及合適的前驅(qū)體，從而導(dǎo)致原子層沉積（ALD）技術(shù)的發(fā)展面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)。但是通過(guò)上述現(xiàn)狀分析不難發(fā)現(xiàn)，這一技術(shù)的出現(xiàn)挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，一些新的應(yīng)用機(jī)制以及反應(yīng)路徑依然需要進(jìn)一步完善，相信在原子層沉積（ALD）技術(shù)現(xiàn)有的發(fā)展基礎(chǔ)上，其還會(huì)取得更大的技術(shù)突破。

參考文獻(xiàn)

[1]朱琳，李愛(ài)東.原子層沉積技術(shù)制備金屬材料的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].微納電子技術(shù)，2015，02：113-122.

[2]仇洪波，劉邦武，夏洋，李惠琪，陳波，李超波，萬(wàn)軍，李勇.原子層沉積技術(shù)研究及其應(yīng)用進(jìn)展[J].微納電子技術(shù)，2012，11：701-708+731.

[3]魏呵呵，何剛，鄧彬，李文東，李太申.原子層沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，04：413-420.

[4]袁軍平，李衛(wèi)，郭文顯.原子層沉積前驅(qū)體材料的研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2010，04：77-82.