原子层沉积与化学气相沉积 碳材料大会 | 碳材料展 |

薄膜沉积对于制造许多光电子、固态和医疗设备至关重要，包括消费电子产品、激光器、 LED 显示器、光学滤波器、微分析样品载玻片和医疗植入物。

原子层沉积 (ALD) 和化学气相沉积 (CVD) 是广泛使用的沉积技术。本文探讨这两种方法，比较它们的用途、优点和缺点。

ALD 与 CVD：工艺机制

“ALD”一词最早于 2000 年左右使用。该技术通过连续的自限性表面反应实现原子层控制和保形沉积。它涉及将化学试剂依次引入基底表面，形成亚单层薄膜。

ALD 主要应用于 100 纳米以下的薄膜，但也可用于厚度达几微米的较厚薄膜。在此过程中，两种或多种前体在特定温度和压力下与基板在腔室中依次发生反应，从而将材料逐层沉积在基板表面。

ALD 循环通常由四个阶段组成：引入反应物、用惰性气体清除过量反应物、加入反反应物以及清除未使用的反应物和副产品。

而 CVD 是一种基于真空的方法来制造高质量、高性能的固体材料。它广泛应用于材料加工，利用气相前体在化学反应中在加热的基材上形成薄层。

基底与一种或多种挥发性前体发生反应，这些前体在基底材料表面分解，从而沉积一层薄膜。4简单来说，就是混合气体与基底表面相互作用，导致某些气体成分发生化学分解，在材料表面形成一层固体涂层。

ALD 涉及前体的顺序脉冲，而 CVD 则涉及通过同时引入反应物进行的连续化学反应。ALD 的顺序过程可确保自限性前体吸附，从而将其与 CVD 中的同时反应区分开来。

ALD 和 CVD 的应用和优势

ALD 是高一致性超薄膜的理想选择。它用于微电子、储能系统、海水淡化、催化和医疗领域的纳米图案化。工业应用包括陀螺仪、加速度计、纳米机器、GPS 导航、薄膜磁头 (TFMH) 和无源电气设备。

ALD 还用于涂覆多孔材料、纳米材料和纳米颗粒，例如锂电池正极材料和海水淡化膜。5此外，ALD 有助于防止环境污染，并用于水净化和气体分离领域。

CVD 适用于较厚的薄膜，主要用于半导体行业，为太阳能电池板、LED、钙钛矿电池和手机、电视等设备的集成电路制造材料。它还用于制备单晶金属氧化物，如蓝宝石和铁氧体，并通过去除基底来生产管状等特定形状。

以前，由于弹性问题和不平整表面的困难，在镜头和其他光学设备上镀上薄膜是一项挑战。研究人员利用一种新的 ALD 方法在太空探索显微镜的不平整镜头表面上镀上超黑涂层，取得了重大突破。

这种升级的涂层比以前的版本更具弹性和效率。这种耐用的超黑薄膜涂层专为航空级镁合金设计，对于重量和耐用性至关重要的太空探索至关重要。

目前的涂层技术使用易碎材料，无法承受恶劣环境。这种新型涂层对太空探索和光学非常有效，也可应用于太阳能电池和储能，显著提高效率。

主要挑战

尽管这些技术应用广泛，但仍存在一些挑战阻碍其应用。

ALD 可以生产出具有出色一致性的高质量薄膜，但其高精度通常会产生大量的前体气体和能源消耗。在 ALD 工艺中，约 60% 的前体剂量被浪费，由于材料利用效率低（约为 50.4%），人们对其经济可行性产生了担忧。

CVD 虽然用途广泛，但需要精确控制温度、压力和化学反应，因此与 ALD 相比，实施起来更具挑战性。CVD 所需的设备成本高昂，尤其是对于大规模生产而言，会影响整体生产效率。此外，由于反应室的尺寸限制，使用 CVD 涂覆大型和笨重结构受到限制。

人们正在努力使沉积技术更加环保。开发利用前体反应能量输入较低、有害副产物较少的 CVD 化学是迈向可持续实践的有希望的一步。

此外，设计具有最小真空体积和热预算的 CVD 反应器并结合工艺气体的再循环可以降低能耗并提高原子效率。

未来展望

随着近年来微型化的发展，ALD 和 CVD 工艺的应用越来越广泛。随着设备变得越来越小、越来越复杂，这些沉积工艺的精确性和可控性变得不可或缺。

对更高效的能源存储解决方案的追求使 ALD 成为人们关注的焦点，显著提高了能源存储设备的性能和寿命。

例如，大气压 ALD 是一项新兴技术，旨在彻底改变大面积基板的商业化生产，并开启高孔隙率和 3D 材料的新应用。该技术有望实现高基板产量并缩短反应时间，从而提高各个行业的制造效率。

随着研究人员继续优先考虑用于可再生能源和高效能源存储的 ALD 和 CVD 技术，将取得重大进展，使这些方法变得环保且具有成本效益。