原子層沉積

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原子層沉積（Atomic layer deposition，ALD）是一種基於氣相化學過程順序使用的薄膜沉積技術，可以將物質以單原子膜形式一層一層地鍍在基底表面，是化學氣相沉積的一個子類。但在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學反應是直接與之前一層相關聯的，這種方式使每次反應只沉積一層原子。原子層沉積的主要反應物有兩種化學物質，通常被稱作前驅體。前驅產物和材料表面發生順序的，自限性的反應。薄膜通過分別和不同的前驅產物進行反應緩慢沉積。原子層沉積是關鍵的半導體器件製造方法，也可以成為一些納米材料合成方法中的一環。

## 簡介

在原子層沉積過程中，通過將襯底表面暴露於交替的氣態物質（通常稱為前驅體或反應物），在襯底上生長薄膜。與化學氣相沉積不同，前驅體在反應器中從不同時存在，而是以一系列順序、非重疊脈衝的形式通入。在每一個脈衝中，前驅體分子以自限性的方式與表面發生反應，使得一旦表面上所有可用的位點都被消耗掉，反應就會終止。因此，在單次暴露於所有前驅體（即所謂的ALD循環）之後，沉積在表面的最大材料量由前驅體與表面相互作用的性質決定。通過改變循環次數，可以在任意複雜且大型的襯底上均勻且高精度地生長材料。

ALD是一種具有巨大潛力的沉積方法，能夠生產極薄的保形薄膜，並能在原子水平上控制薄膜的厚度和成分。近期引起關注的一個主要推動力是ALD在根據摩爾定律縮小微電子器件方面的應用前景。ALD是一大活躍的研究領域，科學文獻中已發表了數百種不同的工藝，儘管其中一些表現出偏離理想ALD工藝的行為。目前有幾篇綜合綜述論文對已發表的ALD工藝進行了總結，包括Puurunen、Miikkulainen等、Knoops等，以及Mackus和Schneider等的工作。在線提供的一個由社區驅動的交互式ALD工藝資料庫也可供使用，該資料庫以帶有注釋的元素周期表形式生成最新的概覽。

原子層沉積的姐妹技術分子層沉積（MLD）使用有機前驅體來沉積聚合物。通過結合ALD/MLD技術，可以製造出用於許多應用的高度保形且純淨的混合薄膜。

另一項與ALD相關的技術是順序滲透合成（SIS），它利用交替的前驅體蒸汽暴露來滲透並改性聚合物。SIS也被稱為氣相滲透（VPI）和順序氣相滲透（SVI）。

## 歷史

### 20世紀60年代

20世紀60年代，Stanislav Koltsov與瓦連京·阿列斯科夫斯基及其同事在蘇聯的列寧格勒技術學院（LTI）通過實驗闡明了原子層沉積（ALD）的原理。其目的是通過實驗驗證阿列斯科夫斯基在其1952年教授資格論文中提出的「骨架假設」理論設想。實驗始於金屬氯化物與水在多孔二氧化矽上的反應，隨後擴展到其他基底材料和平面薄膜。1965年，阿列斯科夫斯基與Koltsov共同將這一新技術命名為「分子層疊法」（Molecular Layering）。分子層疊法的原理在Koltsov於1971年的博士論文（「教授論文」）中得到了總結。分子層疊法的研究活動涵蓋範圍廣泛，從基礎化學研究到多孔催化劑、吸附劑和填料的應用研究，再到微電子學等領域。

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1974年，圖奧莫·松托拉在芬蘭Instrumentarium Oy公司開始研發薄膜電致發光顯示器（TFEL）時，將ALD設計為一種先進的薄膜技術。松托拉根據希臘語中「epitaxy」（意為「在……之上排列」）的含義將其命名為原子層外延（ALE）。最初的實驗是利用元素Zn和S生長ZnS。作為一種薄膜生長手段，ALE在20多個國家獲得了國際專利。當松托拉及其同事將高真空反應器切換為惰性氣體反應器時，技術取得了突破，這使得在執行ALE過程中可以使用金屬氯化物、硫化氫和水蒸氣等化合物反應物。該技術於1980年SID會議上首次公開。展示的TFEL顯示器原型由夾在兩個氧化鋁電介質層之間的ZnS層組成，所有層均在ALE工藝中以ZnCl2 + H2S和AlCl3 + H2O作為反應物製成。ALE-EL顯示器的首次大規模可行性驗證是1983年安裝在赫爾辛基-萬塔機場的航班資訊板。20世紀80年代中期，Lohja Oy公司在Olarinluoma工廠開始了TFEL平板顯示器的生產。關於ALE的學術研究於70年代始於坦佩雷理工大學（松托拉曾在此講授電子物理學），並於80年代始於赫爾辛基理工大學。直到90年代，TFEL顯示器製造仍是ALE唯一的工業應用。1987年，松托拉在Microchemistry Ltd.開始為光伏器件和多相催化劑等新應用開發ALE技術，該公司是由芬蘭國家石油公司Neste Oy為此目的成立的。90年代，Microchemistry的ALE開發轉向半導體應用和適用於矽晶圓加工的ALE反應器。1999年，Microchemistry Ltd.及其ALD技術被出售給荷蘭ASMI（一家主要的半導體製造設備供應商），Microchemistry Ltd.隨後成為ASM的芬蘭子公司，更名為ASM Microchemistry Oy。Microchemistry Ltd/ASM Microchemistry Ltd是90年代唯一的商用ALD反應器製造商。2000年代初期，芬蘭在ALD反應器方面的專業技術催生了兩家新製造商：Beneq Oy和Picosun Oy，後者由松托拉自1975年以來的親密同事Sven Lindfors創立。隨著ALD成為延續摩爾定律的關鍵使能技術，反應器製造商數量迅速增加，半導體應用也實現了ALD技術的工業突破。2004年，托莫·松托拉因開發用於半導體應用的ALD技術獲得了歐洲SEMI獎，並於2018年獲得千禧年科技獎。

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ML與ALE的開發者於1990年在芬蘭埃斯波舉行的第一屆國際原子層外延會議（「ALE-1」）上會面。2005年的一篇ALD科學綜述文章以及後來的VPHA相關出版物嘗試揭示了分子層疊法研究工作的廣度。

「原子層沉積」這一名稱顯然是由赫爾辛基大學教授馬庫·萊斯凱萊在芬蘭埃斯波舉行的ALE-1會議上，類比化學氣相沉積首次以書面形式提出，作為ALE的替代術語。直到大約十年後，隨著美國真空學會發起ALD國際系列會議，該名稱才獲得普遍認可。

### 21世紀

2000年，美光科技的Gurtej Sandhu和Trung T. Doan開始為動態隨機存取存儲器（DRAM）存儲器件開發原子層沉積高k電介質薄膜。這有助於推動半導體存儲器的成本效益實現，從90納米製程節點DRAM開始。英特爾公司（Intel Corporation）曾報告在其45納米CMOS技術中利用ALD沉積高k柵介質。

ALD源於原子層外延（ALE，芬蘭）和分子層疊法（ML，蘇聯）這兩個多重發現。2013年夏季，為了釐清早期歷史，ALD歷史虛擬項目（VPHA）正式建立。該項目產出了多篇綜述ALD在ALE和ML名義下歷史發展的出版物。

2009年，馬克斯·普朗克微結構物理研究所的研究人員首次報導了多脈衝滲透（MPI，後稱氣相滲透（VPI）、順序氣相滲透（SVI）或順序滲透合成（SIS）），並將其納入ALD衍生技術系列。

## 表面反應機制

在典型的ALD過程中，基底會交替暴露於兩種互不重疊的反應物A和B。與其他技術（如薄膜生長處於穩態模式的化學氣相沉積（CVD））不同，ALD中的每種反應物均以自限方式與表面發生反應：反應物分子僅能與表面有限數量的活性位點反應。一旦反應器中的所有位點耗盡，生長即停止。殘餘反應物分子被沖走，隨後才將反應物B引入反應器。通過交替暴露A與B，便可沉積出一層薄膜。側圖展示了這一過程。因此，描述一個ALD過程時需涉及每種前驅體（表面暴露於前驅體的時間）和吹掃時間（兩次劑量之間前驅體撤出反應室的時間）。二元ALD過程的劑量-吹掃-劑量-吹掃序列構成一個ALD循環。此外，ALD過程通常使用「每循環增長」的概念而非生長速率來描述。

在ALD中，每個反應步驟必須預留充足的時間以達到完全吸附密度。此時過程達到飽和。該時長取決於兩個關鍵因素：前驅體壓力和粘附機率。因此，單位表面積的吸附速率可表示為：

$${R_{abs}} = S*F$$

其中$R$為吸附速率，$S$為粘附機率，$F$為入射摩爾通量。然而，ALD的一個關鍵特徵是$S$隨時間變化，隨著更多分子與表面發生反應，粘附機率將變小，直至達到飽和值零。

具體的反應機理細節主要取決於特定的ALD過程。目前已有數百種工藝可沉積氧化物、金屬、氮化物、硫化物、硫屬化物及氟化物材料，揭示ALD過程的機制方面仍是活躍的研究領域。下方展示一些典型例子。

### 熱ALD

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熱ALD需要室溫（~20°C）至350°C的溫度以進行配體交換或燃燒型表面反應。該過程通過表面反應進行，無論基底幾何形狀（受限於深寬比）和反應器設計如何，都能實現精確的厚度控制。

利用三甲基鋁（TMA）和水合成Al2O3是最著名的熱ALD例子之一。在TMA暴露期間，TMA在基底表面解離化學吸附，殘餘TMA被泵出反應室。TMA的解離化學吸附使表面覆蓋AlCH3。隨後表面暴露於水蒸氣，水蒸氣與表面的-CH3反應產生CH4作為反應副產物，並形成羥基化的Al2O3表面。

### 等離子體ALD

在等離子體輔助ALD（PA-ALD）中，等離子體物質的高活性可在不損害薄膜質量的前提下降低沉積溫度；此外，與熱ALD相比，PA-ALD可使用更廣泛的前驅體，從而沉積更多種類的材料。PA-ALD還能提供更高的厚度控制能力及沉積均勻性。

### 空間型ALD

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在時間型ALD中，前驅體和共反應物的劑量在「時間」上通過吹掃步驟相互分離。相比之下，在空間型ALD（s-ALD）中，這些氣體被輸送到不同位置，從而在「空間」上分離。在常壓s-ALD中，前驅體和共反應物被持續輸送，並由氣簾相互隔離以防止氣相反應。此類氣簾通常由氮氣注入和排氣位置組成，見右圖。當基底移動通過不同的氣體區域時，基底表面發生自限性反應，從而完成ALD過程。由於該過程極易加速，空間型ALD的沉積速率可遠高於傳統ALD。例如，Al2O3的ALD沉積速率可從每小時100-300nm提高到每分鐘60nm。

空間型ALD的在線性質使其適用於大批量生產線和卷對卷生產。通常，s-ALD已用於製備水汽滲透屏障層、矽太陽能電池鈍化層以及電池功能層。空間型ALD的化學性質與典型的時間型ALD相似，已探索的材料包括無機金屬氧化物，如Al2O3、（鋁或鎵摻雜的）ZnO、SiO2、In2O3、InZnO、LIPON、Zn（O,S）、SnOx和TiOx，此外也能沉積鉑族金屬（Pt、Ir、Ru）。此外，有機分子可與無機原子結合生長，以實現分子層沉積（MLD）。目前已證實等離子體或臭氧增強的空間型ALD通常能降低所需的沉積溫度。

### 光輔助ALD

在此類ALD變體中，紫外光被用於加速基底上的表面反應。因此，與等離子體輔助ALD類似，可以降低反應溫度。與等離子體輔助ALD相比，這種活化作用較弱，但通常更容易通過調節光照的波長、強度和定時來控制。

### 金屬ALD

由於對銅作為互連（積體電路）材料的需求以及銅相對容易通過熱法沉積，金屬銅ALD引起了廣泛關注。銅具有正的標準電極電勢，是第一列過渡金屬中最易還原的金屬。因此，研究人員已開發出多種ALD過程，包括數種使用氫氣作為共反應物的工藝。理想情況下，金屬銅ALD應在≤100°C下進行以獲得表面粗糙度低的連續薄膜，因為更高的溫度會導致沉積銅的團聚。

某些金屬可通過使用金屬鹵化物和矽前驅體（如SiH4、Si2H6）作為反應物的氟矽烷消除反應進行ALD生長。由於生成了穩定的Si-F鍵，這些反應為強放熱反應。通過氟矽烷消除法沉積的金屬包括鎢和鉬。例如，以WF6和Si2H6為反應物的金屬鎢ALD表面反應可表示為

WSiF2H* + WF6 → WWF5* + SiF3H

WF5* + Si2H6 → WSiF2H* + SiF3H + 2 H2

總ALD反應為

WF6 + Si2H6 → W + SiF3H + 2 H2，∆H = –181 kcal

生長速率在4到7 Å/cycle之間變化，具體取決於沉積溫度（177至325°C）和Si2H6反應物暴露量（~104至106 L），這些因素可能影響Si2H6插入反應進入Si–H鍵的過程，並導致矽CVD對鎢ALD生長產生貢獻。

由於許多其他金屬具有極負的電極電勢，其熱ALD過程具有挑戰性（或目前尚無法實現）。近期，新型強還原劑的應用促成了數種正電性金屬低溫熱ALD過程的首次報導。使用鉻醇鹽前驅體和BH3(NHMe2)沉積了金屬鉻。金屬鈦和錫由各自的金屬氯化物（MCl4，M = Ti, Sn）和一種雙（三甲基矽基）六元環化合物生長而成。金屬鋁則使用鋁的二氫化物前驅體和AlCl3沉積而成。

### 催化型SiO2原子層沉積

在實現可靠的SiO2原子層沉積（ALD）方法中，催化劑的選用至關重要。若無催化劑，導致SiO2生成的表面反應通常極其緩慢，且僅在極高溫度下發生。SiO2原子層沉積的典型催化劑包括路易斯鹼（如NH3或吡啶）；當這些路易斯鹼與正矽酸乙酯（TEOS）等其他矽前驅體結合時，也能引發SiO2原子層沉積。據信，路易斯鹼與表面物質SiOH之間或水基反應物與路易斯鹼之間會形成氫鍵。由於SiO-H鍵被有效削弱，當路易斯鹼與表面物種SiOH形成氫鍵時，氧原子會成為更強的親核試劑。因此，SiCl4反應物中帶正電的Si原子更容易受到親核攻擊。同理，路易斯鹼與H2O反應物之間的氫鍵使H2O中帶負電的O原子成為強親核試劑，能夠攻擊現有表面物質SiCl中的Si原子。路易斯鹼催化劑的使用幾乎是SiO2原子層沉積的必要條件，因為若無路易斯鹼催化劑，反應溫度必須超過325 °C且壓力必須超過103 torr。通常，進行SiO2原子層沉積的最適宜溫度為32 °C，常見的沉積速率為每個二元反應序列1.35埃。下文提供了SiO2原子層沉積的兩個表面反應、總反應以及說明SiO2原子層沉積中路易斯鹼催化的示意圖。

表面主反應：

SiOH* + SiCl4 → SiOSiCl3* + HCl

SiCl* + H2O → SiOH* + HCl

原子層沉積總反應：

SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4 HCl

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原子層沉積類型｜溫度範圍｜可行基底｜反應物｜應用

催化型原子層沉積｜>32 °C，含路易斯鹼催化劑｜金屬氧化物（如TiO2、ZrO2、SnO2）｜（金屬）Cl4、H2O｜高k介質層、保護層、增透層等

Al2O3原子層沉積｜30-300 °C｜Al2O3、金屬氧化物｜（金屬）Cl4、H2O、Ti(OiPr)4、（金屬）(Et)2｜介質層、絕緣層等，太陽能電池表面鈍化

使用熱化學方法的金屬原子層沉積｜175-400 °C｜金屬氟化物、有機金屬化合物、催化金屬｜M(C5H5)2、（CH3C5H4）M(CH3)3、Cu(thd)2、Pd(hfac)2、Ni(acac)2、H2｜導電通路、催化表面、MOS器件

聚合物上的原子層沉積｜25-100 °C｜常用聚合物（聚乙烯、PMMA、PP、PS、PVC、PVA等）｜Al(CH3)3、H2O、M(CH3)3｜聚合物表面官能化、複合材料製造、擴散阻擋層等

顆粒上的原子層沉積｜聚合物顆粒為25-100 °C，金屬/合金顆粒為100-400 °C｜BN、ZrO2、碳納米管（CNTs）、聚合物顆粒｜各種氣體：使用流化床反應器以實現單個顆粒的包覆｜沉積保護性和絕緣性塗層、光學和機械性能改性、複合結構形成、導電介質

用於單元素原子層沉積材料的等離子體或自由基增強型原子層沉積｜20-800 °C｜純金屬（如Ta、Ti、Si、Ge、Ru、Pt）、金屬氮化物（如TiN、TaN等）｜有機金屬化合物、MH2Cl2、叔丁基亞氨基三（二乙基氨基）鉭（TBTDET）、雙（乙基環戊二烯基）釕、NH3｜DRAM結構、MOSFET及半導體器件、電容器

金屬氧化物及氮化物的等離子體增強原子層沉積｜20–300 °C｜Al2O3、SiO2、ZnOx、InOx、HfO2、SiNx、TaNx｜與熱原子層沉積相似

## 應用

### 微電子應用

由於原子層沉積（ALD）能夠製備高質量薄膜，並實現精確的厚度控制與高度均勻的表面，該工藝已成為微電子製造領域的重要技術。在微電子學中，ALD被視為製備高κ（高電容率）柵氧化層、高κ存儲電容器電介質、鐵電體，以及用於電極和互連的金屬與氮化物的潛在技術。在厚度控制至關重要的高κ柵氧化層領域，ALD預計在45 nm技術節點開始擴大應用。在金屬化工藝中，共形薄膜是必需的；目前預計ALD將在65 nm節點進入主流生產。在動態隨機存取存儲器（DRAM）中，對共形性的要求更高，當特徵尺寸小於100 nm時，ALD是唯一可行的方法。使用ALD製造的產品包括磁記錄頭、MOSFET柵堆棧、DRAM電容器、非易失性鐵電存儲器等。

#### 柵氧化層

沉積高κ氧化物Al2O3、ZrO2和HfO2是ALD研究最廣泛的領域之一。研發高κ氧化物的動力源於MOSFET中常用的SiO2柵電介質在尺寸縮減至1.0 nm以下時，會產生嚴重的隧穿電流問題。通過使用高κ氧化物，可以在滿足所需電容密度的前提下增加柵電介質厚度，從而降低穿過結構的隧穿電流。

#### 過渡金屬氮化物

過渡金屬氮化物（如TiN和TaN）在金屬阻障層和柵極金屬方面具有潛在應用價值。金屬阻擋層用於包裹現代積體電路中使用的銅互連，以防止銅擴散到絕緣體和矽襯底等周圍材料中；同時，通過在每個銅互連周圍包覆金屬阻擋層，防止元素從絕緣體擴散污染銅。金屬阻擋層要求嚴苛：必須純度高、緻密、導電、共形、夠薄，且與金屬和絕緣體具有良好的黏附性。ALD能夠滿足這些工藝技術要求。研究最多的ALD氮化物是從TiCl4和NH3沉積的TiN。

#### 金屬薄膜

金屬ALD的研究動機包括：

- 銅互連和鎢插銷，或至少是用於銅電沉積的銅種子層以及用於鎢CVD的鎢種子層。
- 用於銅互連阻擋層的過渡金屬氮化物（如TiN、TaN、WN）。
- 用於鐵電隨機存取存儲器（FRAM）和DRAM電容器電極的貴金屬。
- 用於雙柵MOSFET的高功函數和低功函數金屬。

#### 磁記錄頭

磁記錄頭利用電場使顆粒極化，並在硬碟上留下磁化圖案。氧化鋁ALD用於製備均勻的薄絕緣層。通過ALD可以高精度控制絕緣層厚度。這能夠實現更精確的磁化顆粒圖案，從而提升記錄質量。

#### DRAM電容器

DRAM電容器是ALD的另一應用領域。單個DRAM單元存儲一位數據，由一個金屬氧化物半導體電晶體和一個電容器組成。目前的研發重點是縮小電容器尺寸，以有效提高存儲密度。為了在不影響電容值的情況下改變電容器尺寸，業界採用了不同的單元取向，包括堆疊電容器或深槽電容器。隨著深槽電容器的出現，製造問題凸顯，尤其是在半導體尺寸縮小時。ALD能夠將深槽特徵尺寸擴展至100 nm以下。其沉積單層材料的能力實現了極高的材料控制精度。除了一些膜層生長不完全的問題（主要是由於前驅體用量不足或襯底溫度較低），ALD是沉積電介質或阻擋層等薄膜的有效手段。

### 光伏應用

ALD技術在太陽能電池中的應用日益顯著。該技術曾用於在晶體矽（c-Si）太陽能電池中沉積表面鈍化層，在銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池中沉積緩衝層，以及在染料敏化太陽能電池（DSSC）中沉積阻障層。例如，Schmidt等人展示了針對太陽能電池應用的ALD生長的Al2O3。它被用作表面鈍化層以開發PERC電池。利用ALD技術沉積電荷傳輸層（CTL）在鈣鈦礦太陽能電池領域也得到了廣泛探索。ALD能夠精確控制厚度並沉積高質量、共形的薄膜，為精細調控CTL與鈣鈦礦層之間的界面提供了巨大優勢。此外，該技術有助於在大面積範圍內獲得均勻且無針孔的薄膜。這些特性使ALD成為進一步提高和穩定鈣鈦礦太陽能電池性能的有前途技術。

### 電光應用

#### 薄膜耦合器

隨著光子集成電路（PIC）以類似於電子集成電路的方式出現，需要各種片上光學器件結構。納米光子耦合器便是一個例子，它在光波導交叉處表現為微米尺寸的分束器。在該結構中，首先通過刻蝕定義高深寬比溝槽（寬約100 nm，深約4 μm），然後通過ALD回填氧化鋁以形成光學級界面。

### 生物醫學應用

理解並能夠確定生物醫學器件的表面性質在生物醫學工業中至關重要，特別是對於植入體內的器件。材料通過其表面與環境發生相互作用，因此表面特性在很大程度上決定了材料與環境的交互作用。表面化學和表面形貌會影響蛋白質吸附、細胞相互作用和免疫反應。

目前在生物醫學領域的一些應用包括製造柔性傳感器、改性納米孔膜、聚合物ALD以及製備薄層生物相容性塗層。ALD已被用於沉積TiO2薄膜以製造作為診斷工具的光波導傳感器。此外，ALD有助於製造柔性傳感設備，例如用於運動員服裝以監測運動或心率。由於ALD是一種低溫沉積方法，它是製造柔性有機場效應電晶體（OFET）的一種可行生產工藝。

納米孔材料正在整個生物醫學工業的藥物輸送、植入物和組織工程中興起。利用ALD改性納米孔材料表面的優勢在於，與其他許多方法不同，其反應的飽和與自限性意味著即使是深度嵌入的表面和界面也能覆蓋均勻的薄膜。由於共形塗層會完全覆蓋孔隙內部，納米孔表面的孔徑在ALD過程中可以進一步縮小。這種孔徑縮減在某些應用中可能具有優勢。

### 作為塑料的滲透屏障

ALD可用作塑料的滲透屏障。例如，它已成為塑料上OLED封裝的成熟方法。ALD還可用於處理3D列印的塑料部件以用於真空環境，通過緩解放氣實現半導體加工和空間應用中的低成本定製工具。在卷對卷工藝中，ALD可用於在塑料上形成屏障層。

### 質量及其控制

ALD工藝的質量可以通過多種成像技術進行監測，以確保工藝順利進行並在表面產生共形層。一種選擇是使用截面掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）。高放大倍率的圖像對於評估ALD層質量至關重要。X射線反射技術（XRR）是一種測量薄膜特性（包括厚度、密度和表面粗糙度）的技術。另一種光學質量評估工具是光譜橢圓偏振技術。在ALD每層沉積之間應用該技術可以提供有關薄膜生長速率和材料特性的資訊。

在ALD過程中應用這種分析工具（有時稱為「原位」光譜橢圓偏振技術）可以更好地控制薄膜在工藝期間的生長速率。此類質量控制發生在ALD工藝期間，而非像TEM成像或XRR那樣事後評估薄膜。此外，盧瑟福背散射能譜（RBS）、X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）和四探針法也可用於提供有關ALD沉積薄膜的質量控制資訊。

## 優缺點

### 優點

原子層沉積（ALD）提供了一種厚度可控至原子級的薄膜製備方法。同時，生長的多層結構非常簡便。由於設備的靈敏度與精密性，ALD對於微電子學與納米技術領域製造微型高效半導體極具益處。ALD通常採用相對較低的溫度並使用催化劑，這在熱力學上是有利的。較低的工藝溫度有利於處理有機物與生物樣本等柔性基底。只要熱不穩定性前驅體的分解速率相對緩慢，仍可被投入使用。

### 缺點

基底的高純度至關重要，因此會導致成本上升。雖然相比於設備本身的成本，基底成本可能並不顯著，但在找到最適工藝條件前可能需要進行多次實驗。在薄膜生長完成且工藝結束後，可能需要清除最終產物中多餘的前驅體。部分最終產物中存在的雜質含量低於1%。

#### 經濟可行性

根據設備的質量與效率，原子層沉積儀器的價格在200,000美元到800,000美元不等。運行單個循環的成本並無固定標準；成本取決於基底的質量與純度，以及機器運行的溫度和時間。部分基底由於稀缺性或需要特定條件（如對氧氣極度敏感）而增加了分解速率，從而提升了成本。微電子工業傳統上所需的多組分氧化物及特定金屬通常不具備成本效益。

#### 沉積速率

ALD工藝極其緩慢，這是其主要的局限性。例如，Al2O3的沉積速率為0.11 nm/循環，根據循環持續時間與抽氣速度的不同，平均沉積速率約為100–300nm/h。該問題可通過空間型原子層沉積解決：基底在特製的ALD噴頭下方的空間內移動，兩種前驅體氣體被氣簾或氣軸承隔離。通過此方法，沉積速率可達60 nm/min。由於ALD主要用於製造微電子與納米技術的基底，因此不需要較厚的原子層。許多基底因其脆弱性或雜質問題而無法使用。由於部分載氣會留下殘留物且對氧敏感，雜質含量通常在0.1–1 at.%之間。

#### 化學局限性

前驅體必須具有揮發性且不易分解，由於大多數前驅體對氧氣或空氣極度敏感，這限制了可使用的基底類型。部分生物基底對熱極度敏感，其較快的分解速率會導致雜質含量升高。雖然目前有多種薄膜基底材料可用，但微電子領域所需的重要基底往往難以獲取且價格昂貴。

## 相關

- 原子層刻蝕
- 單層刻蝕