原子层沉积技术：从制造原理到装备应用_陈蓉,单斌,曹坤,刘潇_9787577218007

本书围绕原子层沉积技术，针对原子层沉积工艺、纳米结构可控制造方法、智能制造装备研发和应用等方面进行阐述。全书共分为9章。其中，第1章阐述了原子层沉积技术的基本原理与工艺；第2和3章分别介绍了原子层沉积过程、微纳米颗粒原子层沉积技术与装备；第4章对选择性原子层沉积工艺进行了详细介绍；第5～9章讨论了原子层沉积技术在光致发光、电致发光、柔性封装、催化与能源材料等领域的应用，是前述章节理论方法的验证与拓展。本书可作为半导体、泛半导体、能源催化等领域从事材料、工艺和装备方面工作的研究人员和工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校先进电子制造、能源环境相关专业的教材和教学辅导书。

总序一在全球数字化转型的浪潮下，集成电路作为信息技术产业的核心载体，其技术演进水平与产业发展规模已成为衡量国家科技竞争力和综合国力的关键指标。从消费电子领域的智能手机、个人计算机，到国家安全领域的国防信息化装备，集成电路已深度融入现代社会的各个关键环节，构成了支撑国家经济社会发展的战略性、基础性与先导性产业基石。伴随新一轮科技革命和产业变革的加速演进，全球集成电路产业竞争格局持续重构，其战略重要性日益凸显。为提升集成电路产业的核心竞争力，我国相继出台了一系列中长期发展规划与产业扶持政策，着力推动我国从制造大国向制造强国转变。在相关政策的驱动下，我国集成电路产业生态持续完善，迎来了历史性发展机遇。基于此，华中科技大学出版社邀请国内外*专家学者，共同推出集成电路制造工艺与装备技术丛书。本丛书精准锚定行业发展前沿，系统梳理了集成电路制造领域的创新性研究成果与工程实践经验；以高端装备、成套工艺、关键材料、封装测试四大核心领域为框架，构建起完整的产业知识体系，全面呈现了集成电路制造全产业链技术发展图景。本丛书成功入选十四五国家重点出版物出版规划项目。这既是对其学术价值与出版价值的权威认定，也标志着本丛书在推动我国集成电路产业发展进程中肩负着重要使命。本丛书汇聚了众多行业专家的智慧结晶，系统总结了我国集成电路制造工艺与装备技术领域的理论研究与工程实践成果，将为行业科研人员、工程技术人员及高校师生在技术研发、工程实践与专业学习等方面提供重要参考。期望本丛书在出版发行后，能够有效促进我国集成电路制造工艺与装备技术的创新发展，助力我国在全球集成电路产业竞争中占据战略制高点，推动我国集成电路产业实现跨越式发展。中国科学院院士发展中国家科学院院士中国科学院大学研究员李树深2025年5月总序二集成电路产业作为信息技术产业的核心基石与发展引擎，已深度融入国民经济与社会发展的各个领域。其技术水平与产业规模不仅是衡量国家综合实力的重要指标，更是全球集成电路竞争的关键要素。在数字经济蓬勃发展的时代背景下，这一作为现代文明基石的战略性产业，正以前所未有的态势重塑全球科技与产业格局。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》与《中国制造 2025》的指引下，集成电路产业被明确定位于战略性、基础性和先导性产业，成为推动经济转型、优化产业结构、筑牢国家安全屏障的关键支撑。我国集成电路产业发展潜力巨大，但自主创新任务艰巨，作为产业链中游的制造环节，其技术水平直接关乎我国科技自立自强与国防安全的战略走向，也是提升我国综合竞争力的关键所在。华中科技大学出版社紧跟国家科技发展步伐，汇聚国内外*专家的力量，精心打造了集成电路制造工艺与装备技术丛书。这套学术著作以集成电路制造领域的前沿研究与学术成果为主体，涵盖高端装备、成套工艺、关键材料、封装测试四大核心模块。本丛书立足国际视野，聚焦行业科技前沿与产业重大需求，全面总结了芯片制造领域科研攻关的*新成果，以推动学科发展与产业升级为宗旨，具有深厚的学术价值、突出的经济价值、重要的社会价值与长远的文献价值。本丛书的出版，为集成电路技术的研究与成果转化提供了理论支撑和实践指导，助力关键技术的突破与推广，加速产业的优化与升级，对增强我国自主创新能力、构建自主可控的产业生态具有深远意义。其社会效益与经济效益，将在我国集成电路产业迈向中高端的进程中持续显现。本丛书，是对我国集成电路人深耕细作、矢志创新的致敬。期望它能够成为工程师案头的工艺百科全书、科研工作者的创新指南、产业升级的技术风向标，为中国集成电路产业创新发展注入强劲动力，助力我国在全球科技竞争中勇立潮头，书写集成电路产业发展的新篇章！中国工程院院士华中科技大学教授陈学东2025年5月前言制造技术的进化历程，是一部人类突破认知界限、重塑物质世界的壮丽史诗。从蒸汽时代到信息时代，每一次制造技术的飞跃都深刻影响着人类文明。进入21世纪以来，制造技术正经历着前所未有的范式革命：制造精度从宏观尺度逐步迈向微观尺度，已突破纳米级，原子级制造成为新的制高点。原子层沉积（ALD）这项诞生于1974年的技术，历经半个世纪的淬炼，正以原子级精准制造的颠覆性能力，成为新一轮产业变革的战略引擎。回顾ALD技术半个世纪的发展历程，其大致可以划分为三个时期。在技术初现时期（20世纪70年代至90年代），芬兰科学家Tuomo Suntola研发出原子层外延技术，奠定了ALD自限制性反应的核心原理。同时，苏联科学家也在探索低温氧化物沉积技术。这一阶段技术以实验室原创探索为特征，尚未涉及工业应用。在半导体驱动时期（21世纪初至10年代），随着集成电路进入纳米节点，英特尔公司率先采用ALD技术制备高栅介质，突破了传统电介质薄膜的物理极限。同时，荷兰ASM、美国应用材料公司等推动ALD设备的标准化，并使其进入集成电路制造企业。至此，ALD技术实现了从实验室技术到半导体工业支柱的华丽转身。在技术爆发时期（21世纪20年代至今），ALD技术进入了全新的发展阶段：①沉积尺寸扩展，实现了从晶圆级到米级基底快速沉积的跨越；②材料体系延伸，从传统金属氧化物/氮化物向多元氧化物、二维材料、金属等延伸；③人工智能驱动，ASM等企业实现了制造检测闭环、前驱体理论设计、筛选与开发等；④绿色制造转型，削减高活性前驱体的使用等，以推动实现碳中和目标。ALD技术的发展历程是一部多国科技力量竞合共生的全球化叙事,本书立足这一恢宏背景，致力于呈现ALD技术的中国智慧与贡献。原子层沉积技术从制造原理到装备应用前言区别于传统工艺材料的著述维度，本书构建了涵盖研究前沿理论工艺装备应用的ALD五维创新体系，聚焦ALD方法论，具有以下特色。①前沿引领性破解产业化核心瓶颈：攻克米级基底均匀性控制难题，打破常规ALD时间隔离顺序沉积模式，实现高速大面积沉积；开发离心流化、超声流化微纳米颗粒ALD装备，实现大比表面积微纳米颗粒材料，如锂电正极材料、催化剂材料、含能材料的原子层包覆；提出区域选择性沉积技术，实现薄膜在指定区域的选择性生长，解决集成电路先进节点的自对准沉积难题。②装备自主化工艺装备协同创新范式：本书强调工艺与装备并重，构建工艺需求装备设计应用反馈迭代链条。例如，建立微纳米颗粒流化耦合表面反应模型，其能够精确预测包覆均匀性，并且可以指导扩大化多场辅助流化床ALD系统开发；开发空间隔离ALD装备，沉积速率达到传统时序ALD的10倍以上；研发并集成原位监控与测量方法，实现膜厚度在线反馈调节，精度达亚纳米级。③应用拓展性从实验室到产业的跨越：当前ALD技术已经应用于集成电路领域，且正快速向显示器件、新能源、环境催化等领域延伸，例如，面向光电器件领域，与TCL、京东方等公司合作研发OLED封装层，提出QLED界面钝化、QLED电子传输层制备以及QLED空穴注入层界面调控和结构优化方法；面向新能源领域，提出含能材料以及锂离子电池、氢燃料电池、太阳能电池等电极材料界面原子层调控方法等。可以预见，ALD技术将在未来原子级制造领域发挥更大作用。从内容架构层面来看，本书贯穿了ALD全链条知识，以基础理论核心装备技术应用为叙述主线，构建层次递进的知识框架。第1章技术全景：剖析ALD自限制性反应本质，对比主流工艺路线，如时序ALD与空间ALD技术，并预判ALD发展前沿方向。第2和3章装备创新：介绍空间隔离ALD反应器多物理场模型，解决高速沉积流场设计难题；揭示颗粒运动传质反应机制，研发流化床等粉体ALD包覆装备，实现微纳米颗粒材料批量一致性包覆。第4章选区沉积：提出表面终端基团精准调控策略与表面本征特性驱动固有选择性沉积策略，实现纳米图形区域选择性沉积。第5至9章应用拓展：解析ALD技术在光/电致发光、柔性电子、多相催化、能源材料领域中的创新方案。本书凝聚了团队多年的合作与探索成果，尤其值得铭记的是科研过程中的勇敢试错那些面对自制设备罢工时的手忙脚乱，包括真空泄漏、前驱体冷凝等情况，*终淬炼出了故障诊断的条件反射。谨以此书致敬曾昼夜守护第一代样机的邓章、何文杰、周涛、蒋华伟等；研发空间隔离ALD装备的邓匡举、宋光亮、王晓雷、李邹霜、陈元肖、马更；深入选择性ALD技术前沿的李易诚、蔡佳明、谷二艳、齐子廉、李豪杰、王威振；研发粉体ALD装备的段晨龙、竹鹏辉、曲锴、张晶、向俊任、弋戈、苏宇、唐思远等；探索ALD技术在发光显示领域中应用的李云、周彬泽、向勤勇、井尧、王鹏飞、耿世才、刘梦佳、许庆、张天威、文迪、张英豪、林源、袁睿鸽、张艺磊等；在催化与能源材料领域进行探索的黄彬、彭琪、稂耘、杨建锋、赵瑞、唐元亭、杜旭东、顿耀辉、邵华晨、胡志佳、黄朝君、卢杞梓、李嘉伟、蒋雪微、高宇欣、伍建华。感谢龚渺对相关ALD工艺的整体梳理、谢霜艳对文档的全面整理。由于无法一一列举，在此一并感谢。你们在反应腔前记录的每一组异常数据，成为本书*珍贵的注脚。我们深知，原子级制造的发展仍需全球协作，书中的部分观点如区域选择性沉积形核理论微纳米颗粒原子层包覆模型等仍需在实践中进一步检验。我们诚邀同人共同完善，期待本书能为ALD研究者提供中国视角和中国方案，推动该技术从利器迈向普适制造的新纪元。陈蓉、单斌、曹坤、刘潇2025年春于武汉

第1章原子层沉积基本原理与工艺/11.1原子层沉积基本概念与历史发展/11.1.1原子层沉积技术的基本概念/21.1.2ALD技术的特点与优势/41.1.3原子层沉积技术的发展历程/61.2原子层沉积表面反应原理/91.2.1前驱体分子传质扩散/101.2.2前驱体吸附和反应动力学/151.2.3脉冲和吹扫时间/181.2.4表面活性位点和空间位阻效应/191.2.5薄膜生长模式及沉积速率的变化/221.2.6原子层沉积形核模型/241.3原子层沉积工艺调控原理/311.3.1前驱体与共反应物/321.3.2沉积温度窗口/331.3.3薄膜厚度控制/341.3.4饱和吸附/脱附时间/351.3.5薄膜质量/351.4典型原子层沉积工艺/361.4.1原子层沉积材料种类/361.4.2多元氧化物原子层沉积工艺/421.4.3高深宽比及多孔大比表面积基底沉积工艺/431.4.4微纳米颗粒表面包覆工艺/48本章参考文献/50第2章原子层沉积过程分析/532.1ALD数值建模方法/542.1.1ALD过程建模/542.1.2面向反应器的ALD过程分析/592.1.3高深宽比纳米结构与宏观反应器耦合研究/632.2空间隔离ALD建模分析/672.2.1空间隔离ALD系统仿真建模方法/672.2.2空间隔离ALD流域空间优化和喷头设计/692.2.3空间隔离ALD基底静态与动态流域研究/752.3薄膜沉积工艺研究/842.3.1面向高深宽比纳米结构的ALD工艺研究/842.3.2面向米级幅宽的空间隔离ALD工艺研究/91本章参考文献/104原子层沉积技术从制造原理到装备应用目录第3章微纳米颗粒原子层沉积技术与装备/1063.1微纳米颗粒流化状态分析/1073.1.1微纳米颗粒团聚现象/1073.1.2微纳米颗粒的流化原理/1093.1.3不同颗粒的分类及其流化现象/1103.2基于欧拉两相流的颗粒原子层沉积计算/1143.2.1基于计算流体力学的原子层沉积建模/1143.2.2基于欧拉两相流的流化床模型/1173.2.3基于欧拉模型的流化床模拟计算/1193.3离心旋转式微纳米颗粒包覆仿真与装备研发/1203.3.1离心流化技术/1203.3.2离心流化式ALD系统研制/1223.3.3流化实验与特性分析/1253.4超声流化式微纳米颗粒包覆仿真与装备研发/1353.4.1耦合颗粒运动与表面反应的流化床ALD模型/1353.4.2超声辅助的颗粒动态去团聚机理探究/1383.4.3超声辅助流化床ALD的颗粒包覆过程研究/1463.4.4前驱体传质与吹扫效率/1493.4.5超声包覆工艺参数的定量优化/151本章参考文献/155第4章选择性原子层沉积的原理与工艺/1584.1选择性原子层沉积理论研究/1614.1.1固有选择性沉积实验数据分析/1624.1.2抑制剂辅助选择性沉积实验数据分析/1634.1.3形核模型与表面反应动力学的耦合/1654.2基于表面特性诱导固有选择性原子层沉积研究/1684.2.1酸碱度诱导的选择性沉积研究/1684.2.2电负性诱导的选择性沉积研究/1754.2.3还原氧化循环耦合选择性沉积工艺/1784.3基于抑制剂辅助的选择性沉积工艺研究/1864.3.1自组装分子层对不同前驱体的阻隔性研究/1874.3.2自组装分子层结合前处理提高选择性研究/1904.3.3分子抑制剂辅助选择性沉积拓展研究/1974.4金属的选择性沉积与后处理工艺研究/2004.4.1ALD制备金属钌薄膜工艺调控/2014.4.2金属Ru ALD短脉冲工艺优化/2034.4.3缺陷迁移消除的后处理工艺优化/205本章参考文献/209第5章光致发光材料表面的ALD调控与稳定化/2145.1铅卤钙钛矿纳米晶的相变过程及稳定性研究/2155.1.1双酸共辅助钝化策略稳定化研究/2155.1.2纳米晶相变行为研究/2235.2无机氧化物低温原子层沉积包覆技术/2315.2.1低温氧化硅等离子体增强原子层沉积工艺/2315.2.2等离子体增强原子层沉积包覆机理分析和应用/2365.3两步混合钝化策略提升光致发光薄膜稳定性/2405.3.1卤素钝化与原子层沉积包覆对发光性能的影响/2405.3.2有机配体与前驱体反应机理研究/2435.3.3稳定性测试及分析/2495.4复合微球结构原子层沉积包覆稳定化方法/2525.4.1原子层沉积包覆前后结构及性能变化/2525.4.2微球稳定性测试及机理分析/2555.4.3其他微球原子层沉积包覆稳定化方法/260本章参考文献/264第6章发光二极管器件功能层的ALD调控/2676.1界面器件发光层ALD钝化/2686.1.1钙钛矿量子点的ALD氧化铝改性/2686.1.2钙钛矿量子点发光二极管的界面钝化/2736.2电子传输层的ALD制备/2856.2.1原子层沉积电子传输层薄膜特性研究/2856.2.2原子层沉积对钙钛矿量子点薄膜的影响/2886.2.3单电子传输层的钙钛矿量子点发光二极管性能研究/2926.2.4双电子传输层的钙钛矿量子点发光二极管的性能研究/2946.3空穴注入层界面调控及结构优化/3016.3.1空穴传输层薄膜制备工艺研究/3016.3.2不同工艺制备薄膜性能对比研究/3036.3.3薄膜导电性、价带位置及透光率对比研究/3066.3.4基于NiOx原子层沉积的薄膜器件性能研究/307本章参考文献/311第7章封装薄膜原子尺度制备及应用/3147.1高阻隔无机叠层薄膜制备及应用/3157.1.1基于空间隔离原子层沉积无机复合薄膜的制备及应用/3157.1.2近零应力纳米叠层封装薄膜的制备及应用/3257.2可弯折柔性无机有机叠层薄膜的制备及应用/3327.2.1无机有机复合叠层封装薄膜制备与性能研究/3327.2.2叠层封装薄膜中性轴调控与弯折性能提升/3347.2.3有机发光二极管显示集成应用与可靠性测试/3407.3可弯折/可拉伸柔性衬底改性及性能优化/3427.3.1原子层渗透柔性衬底抗弯折性能研究/3427.3.2纳米颗粒掺杂柔性衬底抗拉伸性能的研究/3527.3.3紫外固化可拉伸柔性衬底水汽阻隔性能的研究/360本章参考文献/366第8章原子层沉积催化剂精细制备与构效关系建立/3698.1高度分散团簇的可控制备/3708.1.1亚纳米贵金属团簇的制备/3708.1.2价态可控贵金属团簇的制备/3728.1.3贵金属团簇氧化物功能界面的制备/3778.2包覆型结构构筑/3818.2.1网状包覆型结构的构筑/3818.2.2核壳型结构的构筑/3888.3表面位点选择性修饰/3938.3.1晶面选择性修饰/3938.3.2活性位点的钝化修饰/3968.3.3双位点的协同修饰/4008.3.4棱边位点的功能化修饰/4048.4催化限域构型设计/4088.4.1阱嵌型界面结构的设计/4088.4.2纳米阱界面结构的设计/4138.4.3限域型双活性位点的设计/419本章参考文献/425第9章原子层沉积在能源材料领域的应用/4279.1含能材料超薄包覆稳定化研究/4289.1.1三氢化铝颗粒稳定化方法/4289.1.2氧化钛阻隔层制备与性能研究/4339.1.3纳米铝粉稳定化方法/4399.1.4氧化锆阻隔层制备与性能研究/4449.2锂电池电极材料改性及性能优化/4469.2.1氧化铝包覆层稳定正极材料及锂电池性能的提升/4469.2.2氧化硼包覆层稳定正极材料及锂电池性能提升/4529.3燃料电池贵金属催化剂改性及性能优化/4639.3.1原位构筑金属间化合物及燃料电池性能提升/4639.3.2铂颗粒表面修饰与氧还原性能的提升/4769.4光电材料改性及性能优化/4879.4.1金属氧化物复合材料异质结构筑及光电化学性能提升/4879.4.2大面积倒置钙钛矿太阳能组件中的电子传输层性能提升/493本章参考文献/500

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