时间型 ALD 与空间 ALD 的区别

（上图为热 ALD，下图为等离子增强 ALD）

1.1 ALD 的核心本质：自限制双半反应

原子层沉积建立在两个分立、自限性表面化学反应之上：

1. 第一半反应（前驱体吸附）：前驱体分子与基底表面活性位点（-OH、-NH₂等）发生化学吸附，直至表面位点完全饱和，反应自发终止；

2. 第二半反应（配体去除与表面重生）：共反应物与吸附态前驱体配体反应，将配体以气相副产物脱除，重构表面活性位点，完成一个原子层的生长。

ALD 的沉积原理

ALD 的核心学术特征：

• 自限制（self-limiting）：单分子层饱和吸附，无多层物理吸附与气相副反应；

• 逐层生长（layer-by-layer）：厚度由循环次数精确标定，与时间 / 通量无关；

• 保形覆盖（conformal coverage）：沿表面形貌共形生长，高深宽比结构无厚度梯度；

• 低温可实现：等离子体增强可将反应温度降至室温～100℃。

1.2 时序 ALD 与空间 ALD 的范式差异

传统时序 ALD 在同一空间、不同时间依次完成：前驱体脉冲→真空吹扫→共反应物脉冲→真空吹扫。其固有瓶颈在于：

• 吹扫 / 抽真空占循环时间 > 50%，沉积速率仅～0.01 nm/s；

• 真空系统导致设备昂贵、运维复杂、难以放大；

• 批次式加工，无法对接连续化产线。

空间 ALD（SALD） 提出同一时间、不同空间的反应分离模式：

• 反应器喷头内置前驱体区、惰性气帘区、共反应物区，气体连续流动；

• 基底以平移 / 旋转 / 卷对卷运动依次穿越各区，每完成一次穿越即完成一个 ALD 循环；

• 惰性气帘动态隔离前驱体与共反应物，替代真空吹扫；

• 反应不受真空约束，可直接在常压下稳定运行。

典型的单片式空间 ALD 设计

空间 ALD 的范式革新在于：以空间分离消解时序损耗，以气帘隔离替代真空约束，以连续运动实现高通量量产。

时序性 ALD 与空间 ALD

1.3 常压空间 ALD（AP‑SALD）的核心科学问题

AP‑SALD 在学术与工程上必须解决三大核心问题：

1. 常压下的反应区隔离：如何在 1 atm 高气压、高碰撞频率下，抑制前驱体与共反应物的横向扩散混合，避免寄生 CVD 反应；

2. 近场气动力学：微米级基底‑喷头间隙下的（Poiseuille‑Couette flow）      调控，实现气体约束、吹扫与排气协同；

3. 常压等离子体耦合：大气压介质阻挡放电（DBD）等离子体的均匀性、活性物种产率与低损伤可控性。

Poiseuille‑Couette 流作用机制

这三大问题共同决定 AP‑SALD 能否保持纯 ALD 生长机制，并实现高质量、高均匀、高稳定的薄膜沉积。

2.1 AP‑SALD 的工作原理

常压空间 ALD 反应器由固定喷头与运动基底构成，喷头内部采用多通道模块化分隔设计，依次排布：

1. 前驱体注入区：连续供给金属有机 / 无机前驱体蒸汽；

2. 惰性气帘隔离区：高流速 N₂/Ar 形成气障，阻止前驱体与共反应物混合；

3. 共反应物 / 等离子体区：供给 H₂O、O₃或 O₂/Ar DBD 等离子体；

4. 分区独立排气：各区尾气就近抽出，降低气体串扰。

基底以恒定速度穿过喷头下方，表面依次经历：

• 前驱体化学吸附（饱和自限制）；

• 气帘吹扫（移除未吸附前驱体）；

• 共反应物 / 等离子体反应（配体烧蚀、表面重生）；

• 二次气帘吹扫（移除副产物）。

每完成一次穿越，生长一个原子层，厚度 = 循环数 × 每循环生长量（GPC）。

2.2 常压下的气体隔离机制：气帘 + 近场间隙 + 排气耦合

常压下气体扩散系数大、易混合，AP‑SALD 通过三重机制实现近乎完美的反应区隔离：

（1）近场微米间隙约束

基底与喷头间隙严格控制在 20–250 μm，形成窄缝流动，气体横向扩散路径被极大压缩。间隙越小，气体横向穿透阻力越大，隔离效果越强。

（2）高动量惰性气帘

气帘区以高流速、高流量 N₂/Ar 垂直喷向基底，形成动态气障，其动量高于前驱体 / 共反应物的横向扩散动量，从动力学上抑制串扰。

（3）分区同步排气

前驱体区、等离子体区均配置独立负压排气，使气体以垂直向下为主流方向，而非横向扩散，实现 “气墙 + 抽走” 双重隔离。

三者协同，使 AP‑SALD 在 1 atm 下仍可实现无 CVD 副反应、纯 ALD 生长，GPC 稳定、薄膜杂质（C/H/O/N）可控。

2.3常压等离子体增强 AP‑SALD（AP‑PE‑SALD）

低温、高质量氧化物 / 氮化物沉积依赖等离子体增强，AP‑SALD 普遍采用介质阻挡放电（DBD） 等离子体：

• 大气压均匀放电，无电弧、无高能离子轰击；

• 产生高浓度 O、OH、N 等活性自由基，替代热驱动；

• 反应温度可降至 80℃ 以下，兼容 PET、PI、钙钛矿等热敏基底；

• 配体去除更彻底，薄膜致密度、纯度、电学性能显著提升。

以 Al₂O₃ 为例：

• 前驱体：TMA（三甲基铝）；

• 等离子体：Ar/O₂；

• 第一半反应：TMA 与表面 - OH 反应生成 Al-CH₃ 表面，释放 CH₄；

• 第二半反应：O 自由基氧化 - CH₃ 配体，生成 CO₂、H₂O、CH₂O 等，重构 -      OH 位点。

2.4 AP‑SALD 的关键动力学与均匀性机制

AP‑SALD 的沉积速率由基底速度与喷头长度共同决定：

t_exp=L/v

其中 t_exp 为单区曝光时间，L 为反应区长度，v 为基底运动速度。

为保证自限制饱和，需满足：

t_exp≥τ_saturation

即曝光时间必须大于表面饱和时间常数。

在均匀性上，AP‑SALD 实现：

• 大面积均匀性：±1% 以内（米级卷材 / 大板玻璃）；

• 边缘均匀性：无真空 ALD 常见的边缘效应；

• 保形性：高深宽比结构（>50:1）共形覆盖能力与真空 ALD 相当。

3.1 旋转式 AP‑SALD 反应器（实验室级）

旋转式构型为学术研究标准平台，典型代表为 TNO-Holst Centre 设计的旋转盘式 AP‑SALD：

• 基底固定在旋转真空吸盘上；

• 喷头为扇形分区，包含前驱体槽、等离子体槽、气帘与排气；

• 旋转一周 = 一个 ALD 循环；

• 间隙：50–150 μm；

• 优势：结构紧凑、易耦合光谱诊断（FTIR/OES）、参数精准可控；

• 适用：晶圆级机理研究、工艺开发、小批量样品制备。

旋转式反应器的核心价值在于：可精确控制曝光时间（RPM），用于 GPC、温度窗口、饱和曲线等基础学术研究。

旋转盘式常压 SALD 系统

3.2 片对片（Sheet‑to‑Sheet, S2S）AP‑SALD 反应器（刚性基板量产）

片对片 AP‑SALD 面向刚性大板：硅片、玻璃、蓝宝石、陶瓷等，是光伏、显示、功率半导体的主流量产构型。

3.2.1 结构与工作模式

• 线性模块化喷头：超长直线型喷头，包含多组重复单元（前驱体→气帘→等离子体→气帘）；

• 直线电机驱动平台：刚性基板放置在气浮平台上，以恒定速度线性穿越喷头；

• 一次通过多循环：基板单次穿越即可完成数十至数百循环；

• 间隙：50–250 μm；

• 常压敞开环境：无需真空锁，可直接 Inline 集成。

3.2.2 典型设计

Spark Nano（SALD B.V.）模块化直线喷头

• 可扩展宽度：≥1.3 m；

• 支持热 AP‑SALD 与 AP‑PE‑SALD 双模；

• 适用：显示玻璃、盖板、功率器件晶圆。

S2S 量产设备的设计（高通量进样及模组化 ALD 模组）

3.2.3 S2S AP‑SALD 的核心优势

• 完全兼容半导体 / 面板标准片式产线；

• 基板无张力、无变形，适合超薄玻璃 / 脆性材料；

• 单循环节拍可降至ms 级，沉积速率达 1 nm/s；

• 无真空负载锁，节拍损失极低。

3.3 卷对卷（Roll‑to‑Roll, R2R）AP‑SALD 反应器（柔性基板量产）

卷对卷 AP‑SALD 面向柔性卷材：PET、PI、铜箔 / 铝箔、柔性玻璃等，是柔性 OLED、钙钛矿、锂电池、阻隔膜的终极量产方案。

早期的低真空 R2R SALD 模块

3.3.1 结构与工作模式

R2R AP‑SALD 主流采用转鼓式（drum‑type）设计：

• 精密转鼓：卷材包覆在温控转鼓表面，随转鼓同步运动；

• 固定弧形喷头：贴合转鼓曲率布置，包含连续循环单元：前驱体→气帘→等离子体→气帘；

• 卷材运动速度：10–180 m/min；

• 气浮 / 低摩擦传输，张力闭环控制；

• 常压开放结构，可串接多段喷头实现多层沉积。

美国科罗拉多大学设计的 R2R 系统

3.3.2 关键技术点

1.卷材均匀性控制：转鼓圆度、动平衡、温度均匀性、喷头同轴度直接决定膜厚均匀性。

2.微米级间隙稳定性：卷材运行中跳动必须控制在 ±5 μm 以内，保证间隙恒定。

3.高速气帘隔离：高速卷材会带动气体形成拖拽流，必须通过高气帘流速 + 强排气抵消。

4.低温沉积：柔性基材耐热通常 < 120℃，必须采用 AP DBD 等离子体。

3.3.3 工程性能

• 卷材宽度：≥1 m；

• 沉积速率：1 nm/s 级；

• 均匀性：±1.5%（1 m 宽幅）；

• 阻隔性能：WVTR<10⁻⁶ g/m²・day（OLED 封装级）；

• 年产量：百万平方米级。

Spark Nano (SALD B.V.) 已开发高速 R2R AP‑SALD，线速度可达 100 m/min，并且通过模组化设计可满足 5-10 个 ALD 模组的单模块沉积，并进行累加实现双面或多层沉积，幅宽可定制（0.5-1.5m）。

Omega™ 高速卷对卷 SALD 系统

4.1 适用基底

4.2 气动力学与隔离差异

S2S 为直线平板流，流场稳定、易于 CFD 优化；

R2R 为曲面剪切流，伴随转鼓牵引的圆周速度梯度，对气帘设计要求更高。

在相同间隙下：

• S2S 均匀性优于 R2R；

• R2S 通量远高于 S2S（连续不停机）。

4.3 等离子体耦合与低温性

两者均采用 AP‑DBD，但 R2R 更依赖低温等离子体：

• R2R 必须控制基材温升 < 5℃/min；

• S2S 可适度提高等离子体功率，提升薄膜致密度。

4.4 均匀性、精度与通量对比

5.1 氧化物体系（最成熟）

1. Al₂O₃

• 前驱体：TMA；

• 共反应物：H₂O（热）/O₂‑Plasma（PE）；

• GPC：0.12–0.18 nm/cycle；

• 应用：钝化、阻隔、栅介质。

2. SiO₂

• 前驱体：BDEAS、BTBAS、TDMAS；

• 机理：配体交换→DEA 脱附→等离子体燃烧；

• 应用：阻隔、层间介质、封装。

3. ZnO / IZO / IGZO

• 前驱体：DEZ、TMIn、TEGa；

• 应用：透明导电、TFT 通道。

5.2 常压等离子体对机理的调控

• 低压 PE‑ALD：离子轰击参与表面反应；

• AP‑PE‑SALD：离子在鞘层碰撞冷却，主要为自由基反应；

• 副产物：CO₂、H₂O、CH₄、CH₂O、O₃；

• 温度升高导致：

  • 表面脱羟基→GPC 下降；

  • 燃烧反应减弱，热反应增强→CH₄ 上升；

  • O₃ 热分解→浓度下降。

该机理是 S2S/R2R 工艺温度优化基础。

6.1 光伏（最早规模化）

• 晶硅电池 Al₂O₃ 钝化

S2S AP‑SALD，通量 8000 片 /h，效率提升 0.5%+，成本下降 60%。

6.2 柔性电子与阻隔膜

• 柔性 OLED 封装

R2R AP‑PE‑SALD 沉积 Al₂O₃/SiO₂ 纳米叠层，WVTR<10⁻⁶，室温、高速、无损伤。

6.3 薄膜晶体管（TFT）

• 背板栅介质 / 缓冲层：Al₂O₃、ZrO₂

S2S/R2R 均可，大面积均匀性满足显示级要求。

6.4 锂电池与固态电池

• 极片界面涂层：Al₂O₃、LiPON、氧化物固态电解质

R2R AP‑SALD 连续涂覆铜 / 石墨 / 三元极片，抑制副反应，提升循环寿命。

6.5 半导体成熟制程

• 成熟制程介质 / 钝化

S2S AP‑SALD 替代低压 ALD，成本降低 50–70%，通量提升 50 倍。

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会议时间：2026年5月13日-15日（12日报道）

会议地点：深圳国际会展中心

展位号：12B029