ALD（Atomic Layer Deposition）即原子层沉积，是半导体制造中的关键工艺技术，以下是详细介绍：
概念
ALD是一种基于化学气相沉积（CVD）发展起来的薄膜沉积技术，它以原子或分子为单位，精确地在衬底表面逐层沉积薄膜，可实现对薄膜厚度、成分和结构的高精度控制。
原理
• 自限制反应：ALD的核心是利用两种或多种反应气体与衬底表面进行自限制的化学反应。首先，将第一种反应气体引入反应腔室，使其通过化学吸附或物理吸附作用在衬底表面形成一层单分子层。然后，通入惰性气体吹扫，去除未反应的气体和副产物。接着，引入第二种反应气体，它只与已吸附在表面的第一种物质发生反应，形成一层新的原子层，再次吹扫后，完成一个沉积循环。如此重复，实现薄膜的逐层生长。
• 表面化学反应：以沉积氧化铝（Al₂O₃）为例，常用的反应气体是三甲基铝（TMA）和水（H₂O）。TMA中的铝原子会与衬底表面的羟基或其他活性位点反应，形成化学键并吸附在表面。通入水后，水分子中的氧与已吸附的铝原子反应，生成氧化铝的一部分，同时释放出甲烷等副产物。
效果
• 高精度薄膜厚度控制：能实现原子级别的厚度控制，可精确控制到0.1纳米甚至更小的厚度增量，确保不同批次和不同位置的薄膜厚度均匀性极高，在300毫米晶圆上，薄膜厚度均匀性可控制在±1%以内。
• 优异的薄膜质量：由于是逐层生长，薄膜具有高度的致密性、均匀性和低缺陷率，能有效阻挡杂质扩散，在作为栅介质层时，可显著降低漏电流，提高器件的稳定性和可靠性。
• 良好的台阶覆盖率：在复杂的三维结构表面也能实现均匀沉积，如高深宽比的沟槽、通孔等结构中，可使薄膜在各个角落都有均匀的厚度和性能，确保器件性能的一致性。
• 多样化的材料沉积：可用于沉积多种金属氧化物、氮化物、金属等材料，满足半导体器件中不同功能层的需求，如高介电常数的HfO₂用于替代传统的SiO₂作为栅介质层，以提高晶体管的性能。
工艺过程
• 预处理：对衬底进行清洗和表面处理，去除表面的污染物、氧化物等杂质，使衬底表面具有合适的活性位点，利于反应气体的吸附和反应，通常使用化学溶液清洗，再用去离子水冲洗并干燥。
• 气体引入与吸附：将反应腔室抽至真空状态，一般达到10⁻³至10⁻⁶帕的压力范围，然后按照顺序依次引入不同的反应气体，每种气体在衬底表面进行吸附，形成单分子层或原子层。
• 反应与成膜：引入的反应气体在衬底表面发生化学反应，形成所需的薄膜材料，反应过程中会产生副产物，通过吹扫气体排出腔室。
• 循环沉积：重复气体引入、吸附、反应和吹扫的步骤，根据所需薄膜的厚度，进行几十到几百次甚至更多的循环，实现薄膜的逐层生长。
• 后处理：沉积完成后，对薄膜进行退火、冷却等后处理，改善薄膜的结晶质量、应力状态等性能，提高薄膜的稳定性和可靠性。
ALD设备通常由以下几个主要部分构成：
反应腔体
• 材质：一般采用不锈钢或其他耐腐蚀材料，可承受化学侵蚀及内部压力、温度变化。
• 设计：内部为流线型，减少气体滞留，保证气体均匀、快速流动，提高反应效率与薄膜沉积均匀性。
• 功能：作为设备核心，是所有化学反应的场所，为前驱体反应提供空间。
前驱体供应系统
• 前驱体源瓶：用于储存液态或气态前驱体，有不同规格以满足用量需求。
• 阀门和管道：通过各种控制阀门和输送管道，精确控制前驱体流量和输送时间，使其按程序进入反应腔体。
• 喷嘴：将前驱体均匀喷射到反应腔体，确保其在基底表面充分接触和反应。
真空系统
• 真空泵：如机械泵、分子泵等，抽取反应腔体内气体，使其达到适合反应的气压范围。
• 阀门：控制真空系统的开启关闭，调节真空度，保证反应腔体内气压稳定。
温度控制系统
• 加热器：为反应腔体提供热量，使反应在合适温度下进行，有电阻加热、感应加热等方式。
• 温度传感器：实时监测反应腔体温度，并将信号反馈给温度控制器。
• 控制器：根据温度传感器反馈信号，精确控制加热器输出功率，保持温度稳定。
气体净化系统
• 气体净化器：清除反应后的剩余气体和副产品，防止杂质影响后续反应，保持反应腔体清洁，通常采用吸附、过滤等方式除杂。
• 排气管道：将净化后的气体排出设备外，维持设备内部气压稳定，避免有害气体污染环境。
控制系统
• 硬件：包括计算机、PLC等，对设备运行进行控制和监测。
• 软件：有图形化操作界面，方便用户设置和调整工艺参数，实时显示系统运行状态，具备多用户权限分配等安全保护功能。
传输系统
• 机械臂：在自动化程度高的设备中，用于将基材准确送入和取出反应腔体，提高生产效率和操作准确性。
• 传送带：适用于连续式生产过程，可将基材连续输送到反应腔体进行薄膜沉积。
ALD设备的常见故障：
真空系统故障
• 真空度达不到要求：可能是真空泵故障，如机械泵油变质、分子泵叶片损坏等，导致抽气能力下降；也可能是管道存在泄漏，密封圈老化、损坏，或者阀门关闭不严，使外界空气进入系统。
• 真空波动：真空泵的功率不稳定、气体流量控制系统故障，导致进气量波动，或者真空系统内有异物、灰尘等，影响气体的抽出和流动，都可能造成真空度出现波动。
前驱体供应系统故障
• 前驱体输送不畅：前驱体源瓶内的前驱体可能已耗尽，或者管道堵塞，如管道内有结晶、杂质沉积，以及阀门故障无法正常打开或关闭，都会导致前驱体无法顺利输送到反应腔体。
• 前驱体流量不准确：流量控制器故障，如传感器失灵、控制器参数设置错误，或者气体压力不稳定，都会使前驱体的流量无法精确控制，影响薄膜沉积的质量和均匀性。
温度控制系统故障
• 温度不均匀：加热器分布不均匀、加热元件损坏，或者温度传感器安装位置不当，不能准确反映腔体内的实际温度，都会导致反应腔体内温度不均匀，使薄膜沉积的速率和质量在不同位置出现差异。
• 温度失控：温度控制器故障、温度传感器故障，或者加热电路出现短路、断路等问题，都可能导致温度无法稳定在设定值，出现温度过高或过低的情况，影响反应的进行和薄膜的性能。
气体净化系统故障
• 净化效果不佳：气体净化器中的吸附剂饱和、过滤材料堵塞，或者净化系统的气流设计不合理，都会导致净化效果下降，使反应后的剩余气体和副产物不能有效去除，污染反应腔体和薄膜。
• 排气管道堵塞：排气管道内有灰尘、杂质堆积，或者管道弯曲、变形，都会导致排气不畅，使反应腔体内的气压升高，影响反应的正常进行。
控制系统故障
• 软件故障：控制软件出现程序错误、漏洞，或者与硬件设备的通信中断，会导致设备无法正常运行，工艺参数无法设置或修改，系统状态无法实时监测。
• 硬件故障：计算机、PLC等硬件设备出现故障，如主板损坏、电源故障、内存不足等，会导致控制系统无法正常工作，无法对设备进行有效的控制和监测。
传输系统故障
• 机械臂故障：机械臂的电机损坏、传动部件磨损、定位精度下降，或者机械臂的控制系统出现故障，都会导致机械臂无法准确地将基材送入和取出反应腔体，影响生产效率和操作的准确性。
• 传送带故障：传送带的电机故障、皮带松弛或断裂、传动轮磨损，或者传送带的控制系统出现问题，都会导致传送带运行不稳定或停止，影响基材的连续输送。
以下是一些ALD设备制造厂商：
国外厂商
• ASM International：1968年成立于荷兰。早期以CVD技术起家，后通过收购发展为全球ALD及碳化硅外延设备巨头。从1990年代起专注于ALD设备的研发和商业化应用，2007年其Pulsar ALD设备成为全球首个用于大规模生产采用新型铪基High - K介电材料器件的系统，市场占有率曾超过50%。
• Tokyo Electron（东京电子）：1963年成立的日本公司，是日本最大的半导体成膜、刻蚀设备公司。在半导体制造设备领域技术实力雄厚，产品线丰富，涵盖了半导体制造过程中的多种关键设备，包括ALD设备，在全球半导体设备市场中占据重要地位。
• Lam Research（泛林半导体）：1980年成立于美国，以刻蚀设备起家，后业务扩展到薄膜沉积等多个领域，是全球五大半导体设备制造商之一。在ALD设备方面有较强的技术研发实力和市场竞争力，其产品在半导体制造工艺中有着广泛的应用。
• Applied Materials（应用材料）：1967年成立的美国公司，是全球最大的半导体设备厂商之一。在全球19个国家和地区设有超过115个分支机构，拥有大量专利。产品覆盖了半导体制造的众多环节，包括ALD、CVD、PVD、刻蚀、CMP、RTP等除光刻机外的几乎所有半导体设备。
• Picosun：总部位于芬兰的Espoo，生产设施位于芬兰的Masala。在ALD技术领域拥有深厚的技术积累和研发实力，专注于ALD设备的研发、生产和销售，产品应用范围广泛，涵盖了半导体、纳米技术、光学等多个领域。
Eugenus：专注于ALD技术相关业务，在特定的应用领域或技术方向上有一定的专长，为客户提供ALD设备及相关解决方案，在ALD设备市场中占有一定的份额。
Veeco：是一家全球性的半导体和LED制造设备供应商，在ALD设备领域也有一定的市场份额。公司拥有先进的技术和研发能力，其ALD设备可用于多种材料的薄膜沉积，在半导体制造、化合物半导体生长等方面有广泛应用。
Beneq：来自芬兰，在ALD技术领域具有深厚的技术积累，提供先进的ALD设备和工艺解决方案，产品涵盖了从实验室规模到大规模生产的各种应用场景，可满足不同客户在半导体、光学、能源等领域的薄膜沉积需求。
ULVAC：日本的真空技术和设备制造商，在ALD设备制造方面有一定的技术实力和市场份额，其ALD设备结合了先进的真空技术和薄膜沉积工艺，可实现高质量的薄膜沉积，广泛应用于半导体、平板显示、太阳能电池等领域。
国内厂商
拓荆科技：主要专注于PECVD和PEALD设备的研发和生产。在PEALD技术方面有独特的优势，其设备可用于沉积SiO₂等非金属薄膜，为半导体制造等行业提供了高性能的薄膜沉积解决方案。
• 微导纳米：2015年12月成立，是国内ALD设备龙头企业。拥有以ALD技术为核心、CVD等多种真空薄膜技术梯次发展的产品体系，在光伏、半导体和柔性电子领域广泛应用。是国内首家成功将量产型High - K ALD应用于28nm节点集成电路制造前道生产线的国产设备公司。
• 北方华创：国内半导体设备的领军企业，产品覆盖多种半导体工艺设备。在ALD设备研发和制造方面投入了大量资源，不断提升技术水平和产品性能，其ALD设备在国内市场具有一定的份额，为国内半导体产业的发展提供了重要的设备支持。
• 理想晶延：2013年5月创立，以化学气相沉积技术为核心，致力于泛半导体领域高端设备国产化。立足光伏新能源产业，聚焦PERC、TOPCON等电池前沿技术，成功推出系列电池生产装备，其平板式原子层沉积设备（ALD）荣获上海市科技进步奖。
• 原磊纳米：2018年9月成立，由海归人员创办。团队核心具备将近二十年的半导体设备和工艺的开发经验，产品主要涉及原子层沉积设备和规则外延设备，目标是打造纯国产半导体设备的高端民族品牌。
