原子层沉积与化学气相沉积 碳材料大会 碳材料展

  膜沉积对于制造许多光电子、固态和医疗设施至关重要，包括消费电子科技类产品、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) 是普遍的使用的沉积技术。本文探讨这两种方法，比较它们的用途、优点和缺点。

  “ALD”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 主要使用在于 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。它大范围的应用于材料加工，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，在材料表明产生一层固体涂层。

  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 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，大多数都用在半导体行业，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，没办法承受恶劣环境。这种新型涂层对太空探索和光学很有效，也可应用于太阳能电池和储能，明显提高效率。

  ALD 可以生产出具有非常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能够更好的降低能耗并提高原子效率。

  随着近年来微型化的发展，ALD 和 CVD 工艺的应用愈来愈普遍。随着设备慢慢的变小、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 成为人类关注的焦点，明显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，来提升各个行业的制造效率。

  随着研究人员继续第一先考虑用于可再次生产的能源和高效能源存储的 ALD 和 CVD 技术，将取得重大进展，使这一些方法变得环保且具有成本效益。