原子沉積系統的反應原理分析

　　原子沉積系統是通過將氣相前驅體脈沖交替地通入反應器并在沉積基體上化學吸附并反應而形成沉積膜的一種方法(技術)。當前驅體達到沉積基體表面，它們會在其表面化學吸附并發生表面反應。在前驅體脈沖之間需要用惰性氣體對原子層沉積反應器進行清洗。由此可知沉積反應前驅體物質能否在被沉積材料表面化學吸附是實現原子層沉積的關鍵。氣相物質在基體材料的表面吸附特征可以看出，任何氣相物質在材料表面都可以進行物理吸附，但是要實現在材料表面的化學吸附必須具有一定的活化能，因此能否實現原子層沉積，選擇合適的反應前驅體物質是很重要的。
 

　　原子沉積系統的表面反應具有自限制性(self-limiting)，實際上這種自限制性特征正是原子層沉積技術的基礎。不斷重復這種自限制反應就形成所需要的薄膜。
 

　　原子層沉積的自限制特征 ：根據沉積前驅體和基體材料的不同，原子層沉積有兩種不同的自限制機制，即化學吸附自限制(CS)和順次反應自限制(RS)過程。
 

　　化學吸附自限制沉積過程中，一種反應前驅體輸入到基體材料表面并通過化學吸附(飽和吸附)保持在表面。當二種前驅體通入反應器，起就會與已吸附于基體材料表面的前驅體發生反應。兩個前驅體之間會發生置換反應并產生相應的副產物，直到表面的前驅體*消耗，反應會自動停止并形成需要的原子層。因此這是一種自限制過程，而且不斷重復這種反應形成薄膜。
 

　　與化學吸附自限制過程不同，順次反應自限制原子層沉積過程是通過活性前驅體物質與活性基體材料表面化學反應來驅動的。這樣得到的沉積薄膜是由于前驅體與基體材料間的化學反應形成的。圖a和b分別給出了這兩種自限制反應過程的示意圖。由圖可知，化學吸附自限制過程的是由吸附前驅體1(ML2)與前驅體2(AN2)直接反應生成MA原子層(薄膜構成)，主要反應可以以方程式⑴表示。對于順次反應自限制過程首先是活化劑(AN)活化基體材料表面；然后注入的前驅體1(ML2)在活化的基體材料表面反應形成吸附中間體(AML)，這可以用反應方程式⑵表示。反應⑵隨著活化劑AN的反應消耗而自動終止，具有自限制性。當沉積反應前驅體2(AN2)注入反應器后，就會與上述的吸附中間體反應并生成沉積原子層。