原子层沉积
原子层沉积(Atomic layer 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。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。
前言：
单原子层沉积（atomic layer deposition，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 [5-6]。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。
原子层沉积原理
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并形成沉积膜的一种方法（技术）。当前躯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。气相物质在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。不断重复这种自限制反应就形成所需要的薄膜。
原子层沉积的自限制特征 ：根据沉积前驱体和基体材料的不同，原子层沉积有两种不同的自限制机制，即化学吸附自限制（CS）和顺次反应自限制（RS）过程。
化学吸附自限制沉积过程中，第一种反应前驱体输入到基体材料表面并通过化学吸附（饱和吸附）保持在表面。当第二种前驱体通入反应器，起就会与已吸附于基体材料表面的第一前驱体发生反应。两个前驱体之间会发生置换反应并产生相应的副产物，直到表面的第一前驱体完全消耗，反应会自动停止并形成需要的原子层。因此这是一种自限制过程，而且不断重复这种反应形成薄膜。
与化学吸附自限制过程不同，顺次反应自限制原子层沉积过程是通过活性前驱体物质与活性基体材料表面化学反应来驱动的。这样得到的沉积薄膜是由于前驱体与基体材料间的化学反应形成的。图a和b分别给出了这两种自限制反应过程的示意图。由图可知，化学吸附自限制过程的是由吸附前驱体1（ML2）与前驱体2（AN2）直接反应生成MA原子层（薄膜构成），主要反应可以以方程式（1）表示。对于顺次反应自限制过程首先是活化剂（AN）活化基体材料表面；然后注入的前驱体1（ML2）在活化的基体材料表面反应形成吸附中间体（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。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。
原子层沉积技术沉积出的相关薄膜材料
材料类别 沉积材料
II-VI化合物 ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnS1-xSex, CaS, SrS, BaS, SrS1-xSex, CdS, CdTe, MnTe, HgTe, Hg1-xCdxTe, Cd1-xMnxTe
II-VI基TFEL磷光材料 ZnS:M (M=Mn, Tb, Tm), CaS:M (M=Eu, Ce, Tb, Pb), SrS:M (M=Ce, Tb, Pb, Mn, Cu)
III-V化合物 GaAs, AlAs, AlP, InP, GaP, InAs, AlxGa1-xAs, GaxIn1-xAs, GaxIn1-xP
氮（碳）化物 半导体/介电材料 AlN, GaN, InN, SiNx
导体 TiN(C), TaN(C), Ta3N5, NbN(C), MoN(C)
氧化物 介电层 Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Nb2O5, Y2O3, MgO, CeO2, SiO2, La2O3, SrTiO3, BaTiO3
透明导体/半导体 In2O3, In2O3:Sn, In2O3:F, In2O3:Zr, SnO2, SnO2:Sb, ZnO, ZnO:Al, Ga2O3, NiO, CoOx
超导材料 YB2Cu3O7-x
其他三元材料 LaCoO3, LaNiO3
氟化物 CaF, SrF, ZnF
单质材料 Si, Ge, Cu, Mo,Pt,W,Co,Fe,Ni,Ru
其他 La2S3, PbS, In2S3, CuGaS2, SiC
原子层沉积设备：
美国Cambridge NanoTech公司主要从事原子层沉积设备的研发和制造，该公司生产的设备是世界研究型ALD设备中的首选产品，我们的客户目前已经超过１００家，遍及世界各国顶级研究机构。国内用户包括北京大学和中科院物理所等著名大学和研究机构。
该公司的创始人来自哈佛大学的Roy Gordon教授小组，具有丰富的ＡＬＤ相关经验；开发出的产品非常具有针对性和实用性，是现今最成熟的ALD产品。Cambridge Nanotech制造设备的同时也进行ALD材料生长的科学研究。可以提供Al2O3, HfO2, La2O3, Pt, Ru, SiO2, TiO2, WN, ZnO, ZrO2等众多材料具体沉积配方、参数，为客户提供全方位的支持。作为代理商的仕嘉科技（北京）有限公司专业的本土工程师能够提供最方便快捷的售前、售中、售后服务，免除客户的后顾之忧。主要产品型号有：Savannah系列、FiJi系列和Phoenix系列。
Savannah系列为热沉积ALD产品，包括：Savannah 100型、Savannah 200型、Savannah 202型。主要特点是：均匀性好、价格便宜、尺寸小、操作方便、节约前驱体。主要技术指标：
基片尺寸：4英寸、8英寸；
加热温度：RT—450℃（可选配更高）；
均匀性： < 1%；
前驱体数：6路；
兼容性： 可兼容100级超净室；