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原子层沉积的原理

发布时间:2019-07-27 05:51 来源:未知 编辑:admin

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  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。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⑴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⑵表示。反应⑵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

  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⑵和⑶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。

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