原子层沉积 ALD 在纳米材料方面的应用

       在微纳集成器件进一步微型化和集成化的发展趋势下，现有器件特征尺寸已缩小至深亚微米和纳米量级，以突破常规尺寸的极限实现超微型化和高功能密度化，成为近些年来的热点研究领域。微纳结构器件不仅对功能薄膜本身的厚度和质量要求严格，而且对功能薄膜/基底之间的界面质量也十分敏感，尤其是随着复杂高深宽比和多孔纳米结构在微纳器件中的应用，传统的薄膜制备工艺越来越难以满足其发展需求。ALD 技术沉积参数高度可控，可在各种尺寸的复杂三维微纳结构基底上，实现原子级精度的薄膜形成和生长，可制备出高均匀性、高精度、高保形的纳米级薄膜。

图一: ALD Al₂O₃(仅~10 nm)可作为MEMS齿轮高硬度润滑膜

       微机电系统(MEMS)是尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成，广泛应用于智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域。MEMS的构造过程需要精细的微纳加工技术，而工作过程伴随着器件复杂的三维运动，其中ALD技术均可发挥重要作用，ALD具有高致密性以及高纵宽比结构均匀性，为MEMS机械耐磨损层、抗腐蚀层、介电层、憎水涂层、生物相容性涂层、刻蚀掩膜层等提供优质解决方案。

图二：ALD应用于低温MEMS器件构造

       磁隧道结(MTJ)是由钉扎层、绝缘介质层和自由由层的多层堆垛组成。在电场作用下，电子会隧穿绝缘层势垒而垂直穿过器件，电子隧穿的程度依赖于钉扎层和自由层的相对磁化方向。随着MTJ尺寸的不断缩小以及芯片集成度的不断提高，MTJ制备过程中的薄膜生长工艺偏差和刻蚀工艺偏差的存在，将会导致MTJ状态切换变得不稳定，并降低MTJ的读取甚至会严重影响NV-FA电路中写入功能和逻辑运算结果输出功能的正确性。ALD技术沉积参数高度可控，可通过精准控制循环数来控制MTJ所需达到的各项参数，是适用于MTJ制造的最佳工艺方案之一。

图三：MRAM磁隧道结（MTJ）存储元件

       生物物理学微流体器件可由单个纳米孔和电极组成，也可以由许多纳米孔阵列组成，可同时筛选、引导、定位、测量不同尺度的生物大分子，在生物物理学和生物技术领域中有着广泛的应用前景。生物纳米孔逐渐受到了人们的普遍重视引起了人们的广泛兴趣，尤其是纳米孔作为生物聚合物的检测器件，为一些生物化学现象的基础研究提供了研究的平台。然而生物纳米孔所固有的一些缺陷也很明显，如生物相容性差及微孔的尺寸不可更改等；针对于此，ALD技术可通过表面修饰，改善纳米孔的生物相容性，同时提升抗菌抑菌和促进细胞合成。

图四：一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜