陳建維／國研院台灣儀器科技研究中心
原子層沉積(ALD)技術如今備受重視，主要得益於積體電路工業的奈米製程發展對ALD的需求增加，其中已有多項關鍵薄膜製程從傳統CVD或PVD方式改由ALD取代，而目前除了半導體以外，許多產業及領域皆有元件微型化的趨勢，也代表原子層沉積將有更多應用發展的機會。本文介紹國研院儀科中心近年來在原子層沉積製程暨設備發展，除了開發更接近產業需求等級的12吋量產型ALD設備外，在光電、生醫材料以及更前瞻的原子層蝕刻等領域亦投入客製化ALD設備開發，以拓展更多的產業應用機會。
【內文精選】
前 言
ALD技術藉著如圖一所示之前驅物氣體（AX2與BY2）與基板表面形成自我侷限反應(SelflimitingReaction)，進行單層原子薄膜沉積，並具備大面積、高階梯覆蓋率、高厚度均勻性、低溫製程及原子級膜厚控制等優點。初期ALD製程因為沉積速度慢，被強調生產效率的半導體產業摒除於薄膜工序之外。隨著元件製程尺度不斷微縮，各反應層厚度須控制於幾個原子層厚，在精準的厚度、好的沉積覆蓋率（尤其是側向的沉積覆蓋率）、一致性的圖像成型薄膜(PatterningFilms)、緻密沒有針孔(Pin Hole)的薄膜及低熱預算(Thermal Budget)的薄膜製程要求下，使ALD製程的特性（自我限制生長與高度保形鍍膜）被凸顯出來，推動ALD製程應用的成長，逐步在金屬及介電層沉積上取得主流技術的地位。在3D IC架構及較低熱預算趨勢推動下，傳統CVD及PVD製程亦正逐步移向ALD製程。
圖一、ALD反應示意圖(n = 2)
原子層沉積設備於各產業應用
自投入ALD技術研究十多年來，儀科中心不斷致力於新的材料與製程開發，也緊密地與產學研各界合作探討各種潛在應用，並改良ALD設備設計來滿足不同領域對ALD的需求。
1. 半導體領域
為了達到提升金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)元件的效能，其中的氧化物介電質材料和通道長度需要持續不斷地薄化和微縮，可是當閘極介電質厚度變薄時，其電絕緣特性也會隨之變差，閘極漏電流也會變大；另一方面…（想了解更深入的內容嗎？請登入會員下載下方附檔。）
2. 光電領域
除了半導體的邏輯與記憶體元件製程仍屬於對ALD應用需求最高的產業外，近幾年在發光二極體(LED)產業，特別是Mini LED與Micro LED技術的快速發展下，以ALD鍍製高均勻度的低折射係數透明鈍化層，已是實際導入生產線的技術。其原因也與IC製程演進類似，在LED元件尺寸縮小與高密度封裝的需求下，傳統使用的PECVD製程也面臨鈍化層階梯覆蓋率不足和製程熱預算下降的問題，當巨量轉移技術逐步成熟後，未來在一片面板上需要同時封入數萬甚至數十萬顆LED晶片（圖十二），屆時…（想了解更深入的內容嗎？請登入會員下載下方附檔。）
圖十三、(a)低溫電漿輔助原子層製程均勻度可大於98.5%；(b)沉積均勻SiO2薄膜於高曲度基板上
3. 生醫領域
鎳鈦合金(NiTi Alloys)是一種被視為適用於植入式醫材的高生物相容性材料，但要避免植入後合金表面的鎳離子擴散進入人體，還需要在表面包覆一層均勻緻密且抗腐蝕(Corrosion)的薄膜（圖十四）。儀科中心於2016年起即與捷克國家科學院合作，利用低溫沉積氧化鈦(TiO2)薄膜於…（想了解更深入的內容嗎？請登入會員下載下方附檔。）
4. 原子層蝕刻(ALE )
半導體先進製程製作如鰭式場效電晶體(FinFET)或是環繞式閘極(GAA)等3D結構元件，其中，元件結構需要原子級等向性(Isotropic)或非等向性(Anisotropic)蝕刻及沉積之結合（ALE機制如圖十五所示），因此，Thermal ALE等向性蝕刻也是開發3D元件一重要課題。目前許多國際半導體大廠都已投入ALE技術研發…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》413期，更多資料請見下方附檔。