原子层沉积(ALD):从实验室到量产的跨越

原子层沉积(ALD)技术凭借其原子级精度和均匀性,正从实验室走向大规模量产。这项技术在半导体、新能源和光学领域的应用,正在重塑产业格局。

ALD 通过逐层化学反应实现薄膜厚度的原子级控制,每次循环仅沉积 0.1-1 纳米。这种特性使其在高 k 介质层(如 HfO₂)和金属栅极(如 Ru)的沉积中表现优异,薄膜均匀性误差<±3%。2024 年全球 ALD 设备市场规模达 68 亿美元,中国市场需求增速(37%)远超全球平均水平。

厦门毅睿科技-芯壹方 微波等离子体辅助原子层沉积系统(MPALD)

通过自主研发攻克了“卡脖子”难题不仅,降低了对进口设备的依赖,更通过自主可控的技术体系为半导体产业链安全提供保障。

在 3D NAND 存储芯片中,ALD 设备用于沉积 Al₂O₃阻挡层,厚度控制在 5nm 以内,确保电荷俘获效率>95%。 ALD 设备已进入三星、SK 海力士供应链,2024 年出货量预计突破 1000 个反应腔,支持 200 层以上堆叠。此外,ALD 技术在 FinFET 工艺中用于间隔层定义(SDDP),可将鳍部宽度缩小至 10nm 以下,提升晶体管密度。

在锂电池领域,ALD 设备通过沉积 Li3PO4 包覆层,可将电池循环寿命提升至 2000 次以上,容量衰减<10%。粉末式 ALD 设备支持 100kg 级电池材料包覆,批次非均匀性<5%,预计 2025 年实现产业化。此外,ALD 技术在钙钛矿太阳能电池中用于界面修饰,可将光电转换效率提升至 26% 以上。

厦门毅睿科技-芯壹方原子层沉积(ALD)系统

ALD 设备在光学涂层中用于制备减反射膜和高反射膜。例如,沉积 Al₂O₃和 TiO₂的多层膜可将镜头反射率降低至 0.1% 以下,提升成像质量。同济大学研发的离子束溅射 ALD 设备通过氢化处理,将非晶硅薄膜的光学吸收降低 94%,机械损耗降低 92%,推动其在引力波探测器中的应用。

ALD 设备的前驱体材料开发仍是行业短板,国内企业需加强与化学供应商的协同创新。例如,金属有机前驱体(如 Al (CH3) 3)的纯度需达到 99.999% 以上,才能满足半导体量产需求。此外,ALD 设备的产能提升(如多腔室并行沉积)和成本降低(如国产真空泵替代)将是未来发展的关键。

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