希臘神話中普羅米修斯竊取天機(jī)，為人類帶來火焰與文明。而納米科學(xué)家們無疑是我們時(shí)代的“普羅米修斯”。原子層沉積技術(shù)（ALD）作為一種精確到原子層面的沉積技術(shù)，探尋各種各樣的配方就如同“納米盜火者”一般，將微觀世界的火種帶入現(xiàn)實(shí)。
 

ALD 反應(yīng)依賴于多種前驅(qū)體化學(xué)物質(zhì)得到最終產(chǎn)物的一種氣相沉積技術(shù)。由于 ALD 反應(yīng)的自限制特性，前驅(qū)體通常是過量的，從而保證表面的飽和化學(xué)吸附，實(shí)現(xiàn)均勻包覆。在半導(dǎo)體工藝中，ALD 技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著粉末 ALD 包覆研究：PALD（Particle ALD）的興起，前驅(qū)體的開發(fā)被賦予了更高的使命與要求。開發(fā)新型 ALD 前驅(qū)體，將是“納米盜火者”們不竭的使命。
 

開發(fā)各類前驅(qū)體是進(jìn)行 ALD 反應(yīng)的關(guān)鍵

對(duì)于粉末樣品，由于比表面積的增大，消耗的前驅(qū)體量也呈幾何數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)。這意味著，相同質(zhì)量下，粉末樣品需要更多的前驅(qū)體進(jìn)行 ALD 反應(yīng)。而粉末的粒徑越小，其比表面積越大。相同質(zhì)量的平面器件其表面積與 1mm 直徑粉末相差 10 倍以上，而與 10µm 粉末比表面差異更接近 16000 倍，相當(dāng)于一張課桌與標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)面積的差別。
 

粉末 ALD 需要覆蓋的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平面器件

高比表面積的粉末樣品不僅對(duì)前驅(qū)體的用量提出更高的要求，前驅(qū)體的存儲(chǔ)以及輸送方式同樣重要。對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)而言，公斤級(jí)的前驅(qū)體儲(chǔ)存瓶即可滿足連續(xù)的生產(chǎn)要求。但粉末 ALD 包覆，尤其是鋰電，金屬等粉末樣品，每年的處理量可達(dá)到噸級(jí)甚至百噸級(jí)，因此前驅(qū)體的供應(yīng)需要使用更大的儲(chǔ)存系統(tǒng)。
 

粉末 ALD 對(duì)前驅(qū)體供應(yīng)要求的范式轉(zhuǎn)變

此外，并不是所有平面半導(dǎo)體工藝配方都可以被移植到粉末工藝中，而對(duì)于復(fù)雜的粉末包覆需求，大量使用現(xiàn)有的前驅(qū)體將推高使用成本。開發(fā)質(zhì)量更高，成本更低的批量前驅(qū)體制備技術(shù)將是大規(guī)模應(yīng)用 PALD 技術(shù)的必然選擇。

目前，能提供大批量前驅(qū)體的企業(yè)屈指可數(shù)，而法國(guó)液化空氣集團(tuán) Air Liquid 便是其中的佼佼者。多年來，Air Liquid 已為眾多行業(yè)的客戶提供服務(wù)，更是全球最大的工業(yè)氣體供應(yīng)商。為了開發(fā)新一代氣相前驅(qū)體，Air Liquid 在全球設(shè)立 ALOHA 制造中心，已經(jīng)成功為半導(dǎo)體 45nm 以下 ALD 工藝提供從克級(jí)到噸級(jí)的前驅(qū)體產(chǎn)品。
 

Air Liquid 的高介電常數(shù)鋯基前驅(qū)體產(chǎn)品

前驅(qū)體的開發(fā)離不開 ALD 設(shè)備的支持與驗(yàn)證，尤其是對(duì)于粉末樣品，好的研究工具是驗(yàn)證配方可行性的重要平臺(tái)。Forge Nano 是全球唯一可提供工業(yè)級(jí) PALD 技術(shù)設(shè)備服務(wù)的企業(yè)。旗下的 P 系列 Prometheus 流化床粉末包覆系統(tǒng)可提供單次最高公斤級(jí)的粉末樣品處理量，是理想的 PALD 研發(fā)工具。Air Liquid 作為 Forge Nano 的投資者與合作伙伴，在日本分公司的東京創(chuàng)新園區(qū)使用 Prometheus ™ 研發(fā)系統(tǒng)來驗(yàn)證用于  PALD 的 ALD 前驅(qū)體開發(fā)。

P 系列 Prometheus 的特點(diǎn)：

· 單批次 1mL – 600ml (~1kg) 粉末
· 專利的流化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)均勻的流化和沉積
· 最高 8 通道 ALD 前驅(qū)體通道
· 可更換的反應(yīng)器腔室，確保不同批量粉末的精準(zhǔn)包覆
· 敏感粉末的惰性隔離和處理能力
 

P 系列流化床粉末 ALD 包覆系統(tǒng)

“Forge Nano 將 Air Liquide 視為各個(gè)成熟市場(chǎng)的關(guān)鍵戰(zhàn)略投資者和合作伙伴。我們很高興為他們提供研究系統(tǒng)，以加速 PALD 技術(shù)在日本和全球新應(yīng)用的采用。一旦 Air Liquid 驗(yàn)證成功，我們將為終端客戶提供工藝生產(chǎn)規(guī)模的 PALD 設(shè)備。”—— Forge Nano 產(chǎn)品管理總監(jiān) Daniel Higgs 博士

“Forge Nano 是尖端 PALD 工藝開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)導(dǎo)者。作為全球領(lǐng)先的 ALD 前驅(qū)體“設(shè)計(jì)者”和供應(yīng)商，我們很高興安裝 Prometheus PALD 系統(tǒng)來支持我們的 ALD 前驅(qū)體開發(fā)，為我們的全球客戶和合作伙伴提供服務(wù)。”—— Air Liquid 先進(jìn)材料新興市場(chǎng)全球總監(jiān) Nicolas Blasco

參考資料

【1】液空集團(tuán)電子事業(yè) 強(qiáng)化高介電常數(shù)鋯基介電材料之前驅(qū)物專利組合(Digitimes) https://www.airliquide.com/zh/taiwan/ye-kong-ji-tuan-dian-zi-shi-ye-qiang-hua-gao-jie-dian-chang-shu-gao-ji-jie-dian-cai-liao-zhi

【2】LG Technology Ventures 和 Mitsui Kinzoku-SBI 材料創(chuàng)新基金投資Forge Nano Inc https://www.lgtechventures.com/node/259

【3】Forge Nano 在液化空氣東京創(chuàng)新園區(qū)安裝 Prometheus™ 粉末原子層沉積 (PALD) 設(shè)備 https://www.prnewswire.com/news-releases/forge-nano-installs-prometheus-powder-atomic-layer-deposition-pald-equipment-at-air-liquides-tokyo-innovation-campus-301389270.html