李勇杰、包郁傑 / 工研院材化所
稀土金屬具有獨特的電性與磁性，使其在半導體業、製造業、化工業皆具有不可替代性。稀土化合物可應用在小至手機、電動車，大到甚至飛彈導航系統中，在現今科技需要不斷將材料尺寸微型化的趨勢下，稀土氧化物在微型電子材料上越發重要。它們具有較大能隙、高介電係數，且在矽基板上表現出良好的熱穩定性。因此，像是La2O3等稀土金屬氧化物，可取代SiO2作為場效電晶體中的閘極介電層。此外，也適合在下世代DRAM中作為電容層。結合稀土金屬優異的性質與ALD製程之優勢，要做到縮小電晶體尺寸便容易許多，同時可滿足新一代高效能晶片的強烈需求，讓不斷尋求精進的下世代高科技裝置發展前景可期。
【內文精選】
ALD的發展與特別之處
原子層沉積—ALD的全名為Atomic Layer Deposition，最早在1950年代於蘇聯開始發展。俄國科學家通常使用分子沉積法(Molecular Layering Method; ML)來稱呼此種技術；歐洲科學家傳統則以原子層磊晶(Atomic Layer Epitaxy; ALE)稱呼，但現在多數人稱之為ALD。
ALD主要透過兩種機制來進行沉積：首先是前驅物的化學吸附飽和程序(Chemisorption Saturation Process)，當基板的表面活性位置與前驅物進行化學吸附後，再導入第二種前驅物來與第一層前驅物進行表面化學反應程序（見圖二）。
圖二、ALD循環反應機制
而ALD機台設備主要有兩種機型，分別為以加高製程腔體溫度提升前驅物反應性的加熱型ALD (Thermal-ALD)設備，以及以電漿輔助(Plasma-enhanced)來提升前驅物反應性的電漿輔助型ALD (PE-ALD)設備。電漿輔助型ALD除了可應用較多元種類的前驅物，也能降低製程溫度，避免基材的熱損害發生。
圖三以自由能與位能圖來說明兩種機型對反應造成之影響。反應低限能表示了反應物欲轉換為產物所需越過之最低動能。加熱型ALD利用拉高反應腔體溫度來改變前驅物分子在不同動能下的數量分布，使得超過反應低限能之分子數目分布增加，讓更多分子能越過活化能而反應成為位能較低的產物；電漿輔助型ALD則是利用電漿使得共反應物轉化為電漿態，例如氧氣電漿、氮氣電漿、氨氣電漿等，提高了反應物活性，從而降低反應活化能，進而讓反應更容易發生。加熱型ALD與電漿輔助型ALD都提升了反應速率，但對提升反應性的機制卻完全不同，這也是電漿輔助型ALD較加熱型ALD能應用更多元的前驅物之關鍵。
圖三、(a)加熱型ALD在反應腔體加熱後，使得超過反應低限能之分子數目增加；(b)電漿輔助型ALD提高了反應位能，從而降低了反應活化能
ALD前驅物的特性與選擇
雖然ALD製程具有無可取代的優點，但並非毫無可挑剔之處。ALD前驅物通常需高劑量且價格昂貴，同時又須具備高反應性、高氣化率與高熱穩定性，有些許矛盾，在設計與合成上並不容易。在前文中有提到，ALD需要交替使用兩種前驅物進行反應，若要鍍出相對應的薄膜，便需使用具有對應元素成分的前驅物搭配共反應物進行鍍膜製程。若目標薄膜為氧化物(Oxide)，常見的共反應物為含氧的水氣(H2O)、氧氣(O2)、臭氧(O3)等；若目標薄膜為氮化物(Nitride)，則改使用氮氣(N2)、氨氣(NH3)等作為氮的來源。
稀土金屬之特色
一般所稱的稀土元素( Rare Earth Element)或者稀土金屬(Rare Earth Metal)，是指元素週期表第Ⅲ族之鈧(Sc)、釔(Y)和鑭系元素(Ln)，共17種金屬化學元素的合稱。稀土金屬皆為質地較軟的銀白色金屬，彼此之間具有非常相似的化學性質，因此在礦床中共生，難以分離或提取，因此被稱為「稀土」金屬。與其名稱不同，事實上稀土金屬在地殼中含量並不稀有，但它們在地殼中的分布相當分散，少有稀土金屬在單一處濃度含量豐富到具商業利益開採程度。此外，稀土金屬彼此之間相似的化學性質讓它們傾向以兩種或以上的金屬合金形態存在。
稀土金屬的反應性僅次於元素週期表中的鹼金屬(Alkali Metal)與鹼土金屬(Alkaline Earth Metal)，因此大多數情況下是以化合物的形式存在。長年研究稀土金屬的英國倫敦大學學院無機化學教授Andrea Sella認為：稀土元素與其他元素的不同之處在於，從原子結構上來看，它們彼此之間的化學性質幾乎完全相同，幾乎無法相互分離。然而，就其電子特性和磁性質而言，每種稀土元素在科技產業中都占據著獨一無二的位置，沒有任何其他元素可取代 ---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》438期，更多資料請見下方附檔。