半导体晶片的微小奇迹：原子层沉积技术（ALD）

在半导体技术的快速进步中，晶片的制造已经达到了前所未有的微小尺度。当今的晶片不仅需要高度集成，还要求每层薄膜的厚度缩小至仅有几层原子厚。这样的挑战驱使半导体产业不断探索新技术，如环绕式闸极、3D 封装以及极紫外光（EUV）曝光技术等。

然而，这些技术的成功依赖于一个至关重要的基础步骤：制作极其薄的材料层，而这正是原子层沉积（ALD）技术的核心所在。

为什么需要如此精细的薄膜制程?

半导体制造是一个高度复杂的过程。晶片的每一层都需要精确的材料沉积，以确保其功能和性能。在半导体产业中，即便是台积电这样的领先企业，也无法单独完成所有制程。从晶圆到光阻剂、曝光机等材料和设备，都需要来自全球各地的供应商。这样的庞大产业链反映了制造晶片的难度，正如著名科学家石神千空所言，半导体制造犹如“地狱级”的挑战。

在半导体制程中，微影制程是核心技术之一。微影制程的基本概念是将一层层材料“盖”在晶圆上，通过沉积、曝光和蚀刻三个步骤，逐步构建出完整的晶片。首先，工程师会在晶圆上制造一层绝缘层，然后进行沉积，添加所需材料（如绝缘体、半导体或金属层）。接着，涂上一层光阻剂，并通过曝光技术（例如 EUV 极紫外光曝光机）刻出所需图案。最后，进行蚀刻，去除未被保护的材料，留下图案。这个过程会重复进行，以构建出复杂的结构。

薄膜技术的挑战

在制造薄膜时，选择合适的技术是至关重要的。薄膜制程大致分为物理和化学两大类。物理方法包括蒸镀、溅镀和分子束磊晶等，而化学方法则有化学气相沉积（CVD）和化学液相沉积等。在半导体行业中，化学气相沉积（CVD）是一种常见的薄膜制程技术。CVD 过程中，氢气、氩气等载气将原料气体带入反应室，经过化学反应后，材料会在基板上沉积成膜。

然而，随着半导体技术的进步，晶片结构变得更加复杂，例如从平面电晶体到现今的 FinFET 鳍式场效电晶体，再到 GAA 环绕式闸极电晶体。这些复杂的结构对薄膜技术提出了更高要求。CVD 在处理这些结构时可能会遇到困难，尤其是在高精度和均匀度方面。这时，原子层沉积（ALD）技术便成为了解决这些问题的关键。

随着晶片技术进步，晶片复杂的结构对薄膜技术有了更高要求。图/envato

ALD 技术的原理与优势

原子层沉积（ALD）是一种改进的化学气相沉积技术，它将沉积过程分为两个步骤。首先，注入第一前驱物，与基板表面反应。此阶段需确保前驱物只与基板产生反应，形成一层原子厚的薄膜。当表面饱和后，注入第二前驱物，与已附着的前驱物反应，形成目标材料，完成薄膜的制程。

例如，制作氧化锌薄膜时，第一前驱物是二乙基锌。二乙基锌在基板上反应后，会形成一层单分子厚的二乙基锌。随后，用氩气冲洗掉多余的前驱物，再通入水，水与二乙基锌反应，生成氧化锌。这样的过程能确保薄膜的厚度均匀且精确。

ALD 技术的主要优势在于其能够精确控制薄膜的厚度，即使在非常复杂的结构中，也能确保每一层薄膜达到预期的厚度。这使得 ALD 在制造先进的半导体元件中具有不可替代的地位。

ALD 的未来与 ASM 的角色

ALD 技术自 1977 年由芬兰材料学家图奥莫.松托拉开发以来，已经历经了近 50 年的发展。1999 年，松托拉将 ALD 技术出售给荷兰半导体设备公司 ASM，这使得 ALD 技术得以在 ASM 的支持下持续进步。ASM 目前在 ALD 市场中拥有超过 55% 的市场份额，这反映了 ALD 技术的重要性和广泛应用。

随着半导体技术的不断进步，ALD 技术也在不断演化。除了传统的 ALD 技术，电浆增强型 ALD（PEALD）也逐渐成为新兴技术。PEALD 通过电浆技术来提高反应效率，解决了 ALD 在某些情况下反应率不足的问题。这使得 PEALD 能够更好地应对复杂的薄膜制程需求。

原子层沉积技术（ALD）在半导体制程中扮演了至关重要的角色。随着技术的不断进步，ALD 技术已经能够应对更加复杂的制程要求。ASM 作为 ALD 技术的领导者，不断推动技术创新，以维持在半导体产业中的领先地位。面对未来，ALD 技术必将继续发挥重要作用，推动半导体技术向更高的精度和性能迈进。