原子層沉積技術(shù)具有結(jié)合強(qiáng)度好、逐層沉積、膜層厚度一致、成分均勻性好等許多優(yōu)點(diǎn),是一種先進(jìn)的納米表面處理技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,作為一項(xiàng)涉及多學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù),有許多因素會(huì)影響沉積膜層的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,如前驅(qū)體材料、形核長大機(jī)制、薄膜結(jié)構(gòu)、沉積速率、設(shè)備條件等等,其中,前驅(qū)體是原子層沉積工藝的基礎(chǔ)。

從ALD技術(shù)的基本原理可知,原子層沉積是通過將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)器,在沉積基體上化學(xué)吸附并發(fā)生反應(yīng),形成沉積膜的一種方法。從氣相物質(zhì)在基體材料的表面吸附特征可以看出,要實(shí)現(xiàn)在基底材料表面的化學(xué)吸附,前驅(qū)體物質(zhì)必須具有一定的活化能。要實(shí)現(xiàn)原子層沉積,前驅(qū)體的氣2固反應(yīng)必須滿足互補(bǔ)性和自限制的要求,因此選擇合適的反應(yīng)前驅(qū)體物質(zhì)是很重要的,需要考慮以下因素:

1)足夠的蒸汽壓。反應(yīng)前驅(qū)體必須有足夠高的蒸汽壓,這樣才能保證反應(yīng)劑充分填充覆蓋在襯底材料的表面,降低對(duì)整個(gè)工藝條件的需求,實(shí)現(xiàn)單分子層化學(xué)吸附。這就要求前驅(qū)體有良好的揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性,利于實(shí)現(xiàn)反應(yīng)劑的有效傳輸,使原子層沉積反應(yīng)不受前驅(qū)體流量控制。從這點(diǎn)看,氣相和液相前驅(qū)體具有更大的優(yōu)勢。

2)高反應(yīng)性。前驅(qū)體應(yīng)能在襯底表面迅速發(fā)生化學(xué)吸附,保證在較短的循環(huán)時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和吸附,或與材料表面基團(tuán)快速發(fā)生有效的反應(yīng),使表面膜具有高的純度,避免在反應(yīng)器中發(fā)生氣相反應(yīng)而增加薄膜缺陷。

3)良好的化學(xué)穩(wěn)定性。反應(yīng)前驅(qū)體必須有足夠好的化學(xué)穩(wěn)定性,不會(huì)在反應(yīng)器和襯底材料表面發(fā)生自分解。反之,不穩(wěn)定的反應(yīng)前驅(qū)體將破壞薄膜生長的自限制性,從而影響薄膜厚度的均勻性和準(zhǔn)確性,甚至污染薄膜。

4)反應(yīng)產(chǎn)物呈惰性。反應(yīng)產(chǎn)物不會(huì)腐蝕或溶解襯底及薄膜,不會(huì)再吸附到膜層表面而阻礙自限制薄膜的繼續(xù)生長。反應(yīng)產(chǎn)物最好呈氣態(tài),這樣可以順利被惰性氣體凈化。

5)材料沒有毒性、來源廣泛。

前驅(qū)體材料是原子層沉積工藝的基礎(chǔ),近20年來圍繞這方面的研究工作一直在進(jìn)行,開發(fā)了多種應(yīng)用于不同產(chǎn)物、具有不同工藝特點(diǎn)的前驅(qū)體材料,取得了很大的進(jìn)展。目前用于原子層沉積的前驅(qū)體包括無機(jī)類和金屬有機(jī)類兩種,無機(jī)類前軀體由于沉積速率或膜層質(zhì)量等方面存在一些問題,應(yīng)用逐漸減少。有機(jī)金屬類前軀體有多種類型,是今后發(fā)展的重點(diǎn),但針對(duì)這些前驅(qū)體材料研究使用過程中存在的問題,需要圍繞蒸汽壓、反應(yīng)性、化學(xué)穩(wěn)定性、反應(yīng)產(chǎn)物的活性、材料的安全性及來源和性能等方面進(jìn)行深入研究。