原子層堆積

原子層堆積( ALD ) は、気相化学プロセスの連続使用に基づく薄膜堆積技術であり、化学蒸着法のサブクラスです。ALD 反応の大部分は、前駆体 (「反応物」とも呼ばれる) と呼ばれる 2 つの化学物質を使用します。これらの前駆体は、連続的かつ自己制限的な方法で、一度に 1 つずつ材料の表面と反応します。薄膜は、別々の前駆体に繰り返しさらされることによってゆっくりと堆積されます。ALD は、半導体デバイスを製造するための重要なプロセスであり、ナノ材料を合成するためのツール セットの一部です。

原子層堆積法では、基板の表面を交互にガス種（通常は前駆体または反応物と呼ばれる）にさらすことで、基板上に膜を成長させます。化学気相堆積法とは対照的に、前駆体はリアクター内に同時に存在することはなく、一連の連続した重複しないパルスとして挿入されます。これらの各パルスでは、前駆体分子が自己制限的に表面と反応するため、表面上の利用可能なサイトがすべて消費されると反応は終了します。したがって、すべての前駆体に一度さらされた後に表面に堆積する材料の最大量（いわゆるALDサイクル）は、前駆体と表面の相互作用の性質によって決まります。^{[2] [3]}サイクル数を変えることで、任意の複雑で大きな基板上に材料を均一かつ高精度に成長させることができます。

ALDは、原子レベルで膜厚と組成を制御できる、非常に薄いコンフォーマルな膜を作製できる大きな可能性を秘めた堆積法です。最近の関心の大きな原動力となっているのは、ムーアの法則に従ってマイクロエレクトロニクス デバイスのスケールダウンにALDが利用できるようになることです。ALDは活発な研究分野であり、科学文献には何百もの異なるプロセスが発表されていますが、^{[2] [3] [5]}そのうちのいくつかは理想的なALDプロセスとは異なった動作を示します。^{[5]現在、Puurunen、 [6]} Miikkulainen et al.、^[5] Knoops et al.、^[7] Mackus & Schneider et al. ^[8]の研究を含め、発表されたALDプロセスの概要を示す包括的なレビュー論文がいくつかあります。対話型のコミュニティ主導のALDプロセス データベースもオンラインで利用可能で^[4]、注釈付きの周期表の形式で最新の概要が生成されます。

原子層堆積の姉妹技術である分子層堆積(MLD) では、有機前駆体を使用してポリマーを堆積します。ALD/MLD 技術を組み合わせることで、多くの用途で高度に適合した純粋なハイブリッド フィルムを作成できます。

ALD に関連するもう 1 つの技術は、交互に前駆体蒸気を照射してポリマーを浸透および改質するシーケンシャル浸透合成(SIS) です。SIS は、気相浸透 (VPI) やシーケンシャル蒸気浸透 (SVI) とも呼ばれます。

1960年代、スタニスラフ・コルツォフは、ヴァレンティン・アレスコフスキーらとともに、ソ連のレニングラード工科大学（LTI）でALDの原理を実験的に開発しました。^{[9]その目的は、アレスコフスキーが1952年の}学位論文で提唱した「枠組み仮説」の理論的考察を実験的に構築することでした。^[9]実験は金属塩化物と水と多孔質シリカの反応から始まり、すぐに他の基板材料や平面薄膜にまで広がりました。^[9]アレスコフスキーとコルツォフは1965年に共同でこの新しい技術に「分子層化」という名前を提案した。^[9]分子層化の原理は1971年にコルツォフの博士論文（「教授論文」）にまとめられた。^[9]分子層化の研究活動は、基礎化学研究から多孔質触媒、吸着剤、充填剤、マイクロエレクトロニクスなどへの応用研究まで、幅広い範囲に及んだ。^{[9] [10]}

1974年、フィンランドのInstrumentarium Oyで薄膜エレクトロルミネセンスディスプレイ（TFEL）の開発を開始したとき、Tuomo Suntolaは先進的な薄膜技術としてALDを考案しました。^{[11] [12]} Suntolaは、ギリシャ語で「エピタキシー」（配置）を意味することから、これを原子層エピタキシー（ALE）と名付けました。 ^{[11] [12]}最初の実験は、ZnSを成長させるために元素ZnとSで行われました。^{[11] [12]}薄膜成長手段としてのALEは、20か国以上で国際特許を取得しました。^[11] Suntolaと同僚が高真空リアクターから不活性ガスリアクターに切り替え、ALEプロセスを実行するために金属塩化物、硫化水素、水蒸気などの複合反応物を使用できるようになったときに、画期的な進歩が起こりました。^{[11] [13]}この技術は、1980年のSID会議で初めて公開されました。^[11]発表されたTFELディスプレイのプロトタイプは、2つの酸化アルミニウム誘電体層の間にZnS層があり、すべてZnCl ₂ + H ₂ SとAlCl ₃ + H ₂ Oを反応物として使用するALEプロセスで製造されたものです。ALE-ELディスプレイの最初の大規模な概念実証は、1983年にヘルシンキ・ヴァンター空港に設置されたフライト情報ボードでした。 ^[11] TFELフラットパネルディスプレイの生産は、1980年代半ばにLohja OyによってOlarinluoma工場で開始されました。^[11] ALEに関する学術研究は、 1970年代にタンペレ工科大学（Suntolaが電子物理学の講義を行っていた）で、1980年代にヘルシンキ工科大学で始まりました。^[11] TFELディスプレイの製造は、1990年代までALEの唯一の産業用途でした。 1987年、サントラは、フィンランド国営石油会社ネステ社によってその目的のために設立されたマイクロケミストリー社で、太陽光発電装置や不均一触媒などの新しい用途向けのALE技術の開発を開始しました。1990年代、マイクロケミストリー社におけるALE開発は、半導体用途とシリコンウェーハ処理に適したALEリアクターに向けられました。1999年、マイクロケミストリー社とALD技術はオランダのASMインターナショナル社に売却されました。半導体製造装置の大手サプライヤーである と Microchemistry Ltd. は、ASM のフィンランド子会社として ASM Microchemistry Oy になりました。Microchemistry Ltd/ASM Microchemistry Ltd は、1990 年代に商業用 ALD リアクターを製造する唯一のメーカーでした。2000 年代初頭、フィンランドの ALD リアクターに関する専門知識により、Beneq Oy と Picosun Oy という 2 つの新しいメーカーが設立されました。後者は、1975 年以来 Suntola の親しい同僚である Sven Lindfors によって設立されました。リアクターメーカーの数は急速に増加し、半導体アプリケーションは ALD 技術の産業的ブレークスルーとなり、ALD はムーアの法則の継続を可能にする技術となりました。^[11] 2004 年、Tuomo Suntola は半導体アプリケーション向け ALD 技術の開発によりEuropean SEMI賞を受賞し^[11]、2018 年にはミレニアム技術賞を受賞しました。^[14]

MLとALEの開発者は、1990年にフィンランドのエスポーで開催された原子層エピタキシーに関する第1回国際会議「ALE-1」で会合しました。^{[11] [9]}分子層化作業の範囲を明らかにする試みは、2005年の科学的なALDレビュー記事^[3]と、その後のVPHA関連の出版物で行われました。^{[15] [9] [16]}

「原子層堆積」という名称は、フィンランドのエスポーで開催されたALE-1会議において、ヘルシンキ大学教授のマルク・レスケラ氏によってCVDに類似したALEの代替として初めて文書で提案されたようです。この名称が一般に受け入れられるまでには、アメリカ真空学会によるALDに関する国際会議シリーズの開始から約10年かかりました。^[17]

2000年、マイクロンテクノロジー社のグルテジ・シン・サンドゥとトゥルン・T・ドアンは、 DRAMメモリデバイス用の原子層堆積高誘電率膜の開発を開始しました。これは、 90nmノードのDRAMを皮切りに、半導体メモリのコスト効率の高い実装を推進するのに役立ちました。 ^{[18] [19]}インテル社は、45nm CMOSテクノロジーの高誘電率ゲート絶縁膜を堆積するためにALDを使用していると報告しています。^[20]

ALDは、原子層エピタキシー（ALE、フィンランド）と分子層形成（ML、ソビエト連邦）という2つの独立した発見によって開発されました。 ^[15]初期の歴史を明らかにするために、ALDの歴史に関する仮想プロジェクト（VPHA）が2013年夏に設立されました。^{[21]その結果、} ALEとMLという名前でALDの歴史的発展をレビューしたいくつかの出版物が生まれました。^{[15] [11] [9] [16]}

2010 年に、アルゴンヌ国立研究所の研究者によって初めて報告された逐次浸透合成(SIS) が、ALD 由来の技術ファミリーに追加されました。

典型的な ALD プロセスでは、基板は 2 つの反応物 A と B に、重なり合うことなく連続してさらされます。化学蒸着(CVD) などの他の技術では薄膜の成長が定常的に進行しますが、ALD では各反応物は表面と自己制限的に反応します。つまり、反応物分子は表面の限られた数の反応部位とのみ反応できます。リアクター内のこれらの部位がすべて消費されると、成長は停止します。残りの反応物分子は洗い流され、その後に反応物 B がリアクターに挿入されます。A と B を交互にさらすことで、薄膜が堆積されます。このプロセスは、横の図に示されています。したがって、ALD プロセスを説明するときは、各前駆体について、ドーズ時間 (表面が前駆体にさらされている時間) とパージ時間 (前駆体がチャンバーを排気するためにドーズ間に残される時間) の両方を参照します。バイナリ ALD プロセスのドーズ-パージ-ドーズ-パージ シーケンスが ALD サイクルを構成します。また、ALDプロセスは成長率の概念を使用するのではなく、サイクルあたりの成長の観点から説明されます。^[22]

ALDでは、各反応ステップで十分な時間を取って、完全な吸着密度を達成する必要があります。これが起こると、プロセスは飽和状態に達します。この時間は、前駆体の圧力と付着確率という2つの主要な要因に依存します。^[23]したがって、単位表面積あたりの吸着率は次のように表すことができます。

${\displaystyle {R_{abs}}=S*F}$

ここで、Rは吸着速度、Sは付着確率、Fは入射モル流束です。^[24]しかし、ALDの重要な特徴は、Sが時間とともに変化することです。表面と反応する分子が増えるにつれて、この付着確率は小さくなり、飽和に達するとゼロになります。

反応メカニズムの具体的な詳細は、特定のALDプロセスに大きく依存します。酸化物、金属、窒化物、硫化物、カルコゲニド、フッ化物材料を堆積させるプロセスは数百種類あり、^[5] ALDプロセスのメカニズム的側面の解明は活発な研究分野です。^[25]以下に代表的な例をいくつか示します。

熱ALDでは、配位子交換または燃焼型の表面反応のために室温（約20℃）から350℃の温度が必要です。^[26]これは表面反応によって起こるため、基板の形状（アスペクト比による）や反応器の設計に関係なく、正確な厚さ制御が可能です。^[2]

トリメチルアルミニウム（TMA）と水からのAl ₂ O ₃の合成は、熱ALDの最もよく知られた例の1つです。TMAにさらすと、TMAは基板表面に解離化学吸着し、残ったTMAはチャンバーから排出されます。TMAの解離化学吸着により、表面はAlCH ₃で覆われます。その後、表面はH ₂ O蒸気にさらされ、表面の-CH ₃と反応して反応副産物としてCH _4を形成し、結果として水酸化Al ₂ O ₃表面が形成されます。^[2]

プラズマ支援ALD（PA-ALD）では、プラズマ種の高い反応性により、膜の品質を損なうことなく堆積温度を下げることができます。また、より広範囲の前駆体を使用できるため、熱ALDと比較してより広範囲の材料を堆積できます。^[2]

時間的ALDでは、個別の前駆体と共反応物の投与は、パージステップによって時間的に互いに分離されます。対照的に、空間ALD（s-ALD）では、これらのガスは異なる場所に送達されるため、空間的に分離されます。大気圧s-ALDでは、前駆体と共反応物は連続的に送達され、ガス相反応を防ぐためにガスカーテンによって互いに分離されます。このようなガスカーテンは通常、窒素注入位置と排気位置で構成されます（図1を参照）。基板が異なるガスゾーンを通過すると、基板表面で自己制限反応が発生し、ALDプロセスが発生します。このプロセスは簡単に加速できるため、空間ALDの堆積速度は従来のALDよりもはるかに速くなります。たとえば、Al ₂ O ₃のALDの場合、堆積速度は1時間あたり100〜300 nmから1分あたり60 nmに増加します。^[6]

空間 ALD はインラインであるため、大量生産ラインやロールツーロール生産に適しています。一般に、s-ALD は、水分透過バリア、シリコン太陽電池のパッシベーション層、およびバッテリーの機能層を適用するために採用されています。空間 ALD プロセスの化学的性質は、一般的な時間 ALD プロセスに匹敵し、検討されている材料には、Al ₂ O ₃、（Al または Ga ドープ）ZnO、SiO ₂、In ₂ O ₃、InZnO、LIPON、Zn(O,S)、SnO _x、TiO _{xなどの無機金属酸化物がありますが} 、 PMG 金属（Pt、Ir、Ru）も堆積できます。さらに、有機分子を無機原子と組み合わせて成長させることで、分子層堆積（MLD）が可能になります。プラズマまたはオゾン強化空間 ALD が実証されており、これにより、必要な堆積温度が一般的に低下します。

このALD法では、紫外線を利用して基板の表面反応を加速します。そのため、プラズマALD法と同様に反応温度を下げることができます。プラズマALD法と比較すると活性化は弱いですが、波長、強度、照射タイミングを調整することで制御が容易になることが多いです。^[2]

銅金属ALDは、配線材料としての銅の需要^[要出典]と、銅を熱的に堆積させることが比較的容易であることから、大きな注目を集めています。^{[27]銅は正の}標準電気化学ポテンシャルを持ち^[28]、第一列遷移金属の中で最も還元されやすい金属です。そのため、水素ガスを共反応物として使用するものなど、数多くのALDプロセスが開発されています。^{[27] [29]}理想的には、銅金属ALDは、表面粗さの低い連続膜を得るために≤100 °Cで実行する必要があります。^[30]高温では堆積した銅が凝集する可能性があるためです。^[31]

いくつかの金属は、金属ハロゲン化物とシリコン前駆体（例えば、SiH ₄、Si ₂ H ₆ ）を反応物として用いたフルオロシラン脱離反応を介してALDによって成長させることができる。これらの反応は、安定したSi-F結合の形成により非常に発熱的である。^[25]フルオロシラン脱離によって堆積される金属には、タングステン^{[32]とモリブデン[33]}が含まれる。一例として、WF ₆とSi ₂ H _6を反応物として使用したタングステン金属ALDの表面反応は次のように表される^{[32] [34]。}

WSiF ₂ H* + WF ₆ → WWF ₅ * + SiF ₃ H

WF ₅ * + Si ₂ H ₆ → WSiF ₂ H* + SiF ₃ H + 2 H ₂

全体的なALD反応は^[25]

WF ₆ + Si ₂ H ₆ → W + SiF ₃ H + 2 H ₂、∆H = –181 kcal

成長速度は、堆積温度（177～325℃）とSi 2 H 6反応物曝露量（約10 4～10 6 L）に応じて4～7Å/サイクルの範囲で変化し_{、これらの要因はSi-H結合へのSi 2} H ₆挿入^に影響^を及ぼし[ ₃₅ ] _[ 36 ^{] 、}タングステンALD成長に対するシリコンCVDの寄与につながる可能性がある。^[25]

他の多くの金属の熱ALDは、それらの非常に負の電気化学ポテンシャルのために困難（または現時点では不可能）です。最近、新しい強力な還元剤の応用により、いくつかの電気陽性金属の低温熱ALDプロセスの最初の報告につながりました。クロム金属は、クロムアルコキシド前駆体とBH ₃（NHMe ₂）を使用して堆積されました。^[37]チタン金属とスズ金属は、それぞれの金属塩化物（MCl ₄、M = Ti、Sn）とビス（トリメチルシリル）6員環化合物から成長しました。^{[38] [39]アルミニウム金属は、アルミニウム}二水素化物前駆体とAlCl _{3 を}使用して堆積されました。^[40]

_{触媒の使用は、信頼性の高い SiO 2} ALD法を実現する上で極めて重要です。触媒がなければ、SiO ₂の形成につながる表面反応は一般に非常に遅く、例外的に高い温度でのみ発生します。SiO ₂ ALDの一般的な触媒には、 NH ₃やピリジンなどのルイス塩基と SiO _{2があります。これらの}ルイス塩基をテトラエトキシシラン(TEOS)などの他のシリコン前駆体と結合させることで、 ALD を開始することもできます。 ^[25] 水素結合は、ルイス塩基と SiOH* 表面種の間、または H ₂ O ベースの反応物とルイス塩基の間で発生すると考えられています。ルイス塩基の水素が SiOH* 表面種と結合すると、SiO-H 結合が効果的に弱まるため、酸素はより強力な求核剤になります。そのため、SiCl ₄反応物中の電気陽性の Si 原子は、求核攻撃を受けやすくなります。同様に、ルイス塩基とH ₂ O反応物との間の水素結合により、 H ₂ O中の電気陰性度Oは強力な求核剤となり、既存のSiCl*表面種中のSiを攻撃することができる。^[41]ルイス塩基触媒の使用は、ルイス塩基触媒なしでは反応温度が325℃を超え、圧力が10 ^{3 torrを超える必要があるため、SiO} _{2 ALDでは多かれ少なかれ必須である。一般に、SiO 2} ALDを実行するための最も好ましい温度は32℃であり、一般的な堆積速度は2成分反応シーケンスあたり1.35オングストロームである。SiO _{2 ALDの2つの表面反応、全体的な反応、およびSiO 2} ALDにおけるルイス塩基触媒を示す概略図を以下に示す。

表面での主な反応:

SiOH* + SiCl ₄ → SiOSiCl ₃ * + HCl

SiCl* + H ₂ O → SiOH* + HCl

全体的なALD反応:

SiCl ₄ + 2H ₂ O → SiO ₂ + 4 HCl

ALD は、さまざまな材料を使用して高品質のフィルムを生産できることに加え、正確な厚さと均一な表面を生成できるため、マイクロエレクトロニクスの製造に便利なプロセスです。マイクロエレクトロニクスでは、ALD は、高誘電率(高誘電率) ゲート酸化物、高誘電率メモリ コンデンサ誘電体、強誘電体、および電極と相互接続用の金属と窒化物を堆積するための潜在的な技術として研究されています。超薄膜の制御が不可欠な高誘電率ゲート酸化物では、ALD が広く使用されるようになるのは 45 nm 技術になってからでしょう。メタライゼーションでは、コンフォーマルなフィルムが必要です。現在、65 nm ノードでは ALD が主流の製造に使用されると予想されています。ダイナミック ランダム アクセス メモリ(DRAM) では、コンフォーマル性の要件がさらに高く、フィーチャ サイズが 100 nm 未満になると、ALD が唯一の方法です。ALD を使用する製品には、磁気記録ヘッド、MOSFETゲート スタック、DRAMコンデンサ、不揮発性強誘電体メモリなどがあります。

高誘電率酸化物Al ₂ O ₃、ZrO ₂、およびHfO ₂の堆積は、ALD で最も広く研究されている分野の 1 つです。高誘電率酸化物の動機は、MOSFET で一般的に使用されているSiO ₂ゲート誘電体を 1.0 nm 以下に縮小すると、そのゲート誘電体を通過するトンネル電流が高くなるという問題に由来しています。高誘電率酸化物を使用すると、必要な容量密度に合わせてゲート誘電体を厚くすることができるため、構造を通過するトンネル電流を減らすことができます。

TiNやTaNなどの遷移金属窒化物は、金属バリアとしてもゲート金属としても使用できる可能性があります。金属バリアは、現代の集積回路で使用される銅配線を囲むために使用され、絶縁体やシリコン基板などの周囲の材料へのCuの拡散を防止します。また、すべてのCu配線を金属バリアの層で囲むことで、絶縁体から拡散する元素によるCuの汚染を防止します。金属バリアには厳しい要件があります。純粋であること、高密度であること、導電性があること、コンフォーマルであること、薄いこと、金属や絶縁体に対して優れた接着性があることが求められます。プロセス技術に関する要件は、ALDによって満たすことができます。最も研究されているALD窒化物は、TiCl ₄とNH ₃から堆積されるTiNです。^[49]

金属 ALD に関心を持つ理由は次のとおりです。

1. Cu配線とWプラグ、または少なくともCu電着用のCuシード層^[50]とW CVD用のWシード、
2. Cu配線バリア用の遷移金属窒化物（例：TiN、TaN、WN）
3. 強誘電体ランダムアクセスメモリ（FRAM）およびDRAMコンデンサ電極用の貴金属
4. デュアルゲートMOSFET用の高仕事関数金属と低仕事関数金属。

磁気記録ヘッドは電界を利用して粒子を分極させ、ハードディスク上に磁化されたパターンを残します。^[51] Al ₂ O ₃ ALDは均一で薄い絶縁層を作成するために使用されます。^[52] ALDを使用すると、絶縁層の厚さを高い精度で制御できます。これにより、磁化された粒子のパターンがより正確になり、より高品質の記録が可能になります。

DRAM コンデンサーは ALD のもう 1 つの用途です。個々の DRAM セルは 1 ビットのデータを格納でき、1 つのMOS トランジスターとコンデンサーで構成されています。コンデンサーのサイズを縮小することに多大な努力が払われており、これによりメモリ密度を効果的に高めることができます。静電容量に影響を与えずにコンデンサーのサイズを変更するために、さまざまなセルの向きが使用されています。これらの中には、スタック コンデンサーやトレンチ コンデンサーが含まれます。^[53]トレンチ コンデンサーの出現により、特に半導体のサイズが小さくなるにつれて、これらのコンデンサーを製造するという問題が浮上します。ALD を使用すると、トレンチ フィーチャーを 100 nm を超えるサイズに縮小できます。材料の単層を堆積できるため、材料をかなり制御できます。不完全な膜成長の問題 (主に基板の量が不十分または温度が低いため) を除けば、ALD は誘電体やバリアーなどの薄膜を堆積する効果的な手段を提供します。^[54]

太陽電池におけるALD技術の使用は、時とともにますます顕著になっています。過去には、結晶シリコン（c-Si）太陽電池の表面パッシベーション層、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）太陽電池のバッファ層、および色素増感太陽電池（DSSC）のバリア層の堆積に使用されてきました。^[55]たとえば、太陽電池用途でのALD成長Al ₂ O ₃の使用は、Schmidtらによって実証されました。これは、PERC（パッシベーションされたエミッタとリアセル）太陽電池の開発のための表面パッシベーション層として使用されました。^{[56]電荷輸送層（CTL）を堆積するためのALD技術の使用も、}ペロブスカイト太陽電池で広く研究されています。厚さを正確に制御しながら高品質でコンフォーマルなフィルムを堆積できるALDの能力は、CTLとペロブスカイト層の間のインターフェースを細かく調整する上で大きな利点を提供します。さらに、広い領域にわたって均一でピンホールのないフィルムを得るのに役立ちます。これらの特徴により、ALDはペロブスカイト太陽電池の性能をさらに向上させ、安定化させる有望な技術となっている。^[57]

フォトニック集積回路（PIC）が出現するにつれて、多くの場合電子集積回路と同様の方法で、多種多様なオンチップ光デバイス構造が必要になります。1つの例は、光導波路の交差点でマイクロメートルサイズのビームスプリッターとして機能するナノフォトニックカプラです^[58]。このカプラでは、高アスペクト比のトレンチ（幅〜100nm×深さ4マイクロメートル）が最初にエッチングによって定義され、次にALDによって酸化アルミニウムで埋め戻されて光学品質のインターフェースが形成されます。

バイオメディカル機器の表面特性を理解し、それを特定できることは、バイオメディカル産業、特に体内に埋め込まれる機器においては極めて重要です。材料は表面で環境と相互作用するため、表面特性は材料と環境の相互作用を大きく左右します。表面化学と表面トポグラフィーは、タンパク質吸着、細胞間相互作用、免疫反応に影響を与えます。^[59]

バイオメディカル用途における現在の用途としては、フレキシブルセンサーの作成、ナノポーラス膜の修正、ポリマーALD、薄い生体適合性コーティングの作成などがある。ALDは、診断ツールとして光導波路センサーを作成するためにTiO _{2フィルムを堆積するために使用されている。} ^[60]また、ALDは、例えばアスリートの衣服に使用して動きや心拍数を検出するなど、フレキシブルなセンシングデバイスを作成するのにも有益である。ALDは低温堆積法であるため、フレキシブル有機電界効果トランジスタ（OFET）の製造プロセスの1つである可能性がある。^[61]

ナノポーラス材料は、薬物送達、インプラント、組織工学の分野でバイオメディカル業界全体に普及しつつあります。ALD を用いてナノポーラス材料の表面を改質する利点は、他の多くの方法とは異なり、反応の飽和と自己制限性により、深く埋め込まれた表面や界面でも均一な膜でコーティングされることです。^[2]ナノポーラス表面は、コンフォーマルコーティングが細孔の内側を完全に覆うため、ALD プロセスで細孔サイズをさらに縮小できます。この細孔サイズの縮小は、特定の用途では有利な場合があります。^[62]

ALDはプラスチックの浸透バリアとして使用できます。 ^[63]たとえば、プラスチック上にOLEDをカプセル化する方法として確立されています。 ^{[64] [65] ALDは、ガス放出を軽減することで}真空環境で使用するための3Dプリントプラスチック部品を接種するためにも使用できます。これにより、半導体処理と宇宙用途の両方でカスタム低コストツールが可能になります。^[66] ALDは、ロールツーロールプロセスでプラスチックにバリアを形成するために使用できます。^[67]

ALDプロセスの品質は、いくつかの異なる画像化技術を使用して監視することができ、ALDプロセスがスムーズに進行し、表面上にコンフォーマルな層が生成されていることを確認することができます。1つのオプションは、断面走査型電子顕微鏡（SEM）または透過型電子顕微鏡（TEM）を使用することです。ALD層の品質を評価するには、画像の高倍率が適切です。X線反射率（XRR）は、厚さ、密度、表面粗さなどの薄膜特性を測定する技術です。^[68]もう1つの光学品質評価ツールは分光エリプソメトリーです。ALDによる各層の堆積の間にこれを適用することで、膜の成長速度と材料特性に関する情報が得られます。^[69]

この分析ツールをALDプロセス中に適用すると、 in situ分光エリプソメトリーとも呼ばれ、ALDプロセス中の膜の成長速度をより細かく制御できます。このタイプの品質管理は、TEMイメージングやXRRのように後で膜を評価するのではなく、ALDプロセス中に行われます。さらに、ラザフォード後方散乱分光法（RBS）、X線光電子分光法（XPS）、オージェ電子分光法（AES）、および4端子センシングを使用して、ALDによって堆積された薄膜に関する品質管理情報を提供できます。^[69]

ALD は、原子レベルで指定された厚さのフィルムを製造するための非常に制御された方法を提供します。また、さまざまな多層構造の成長も簡単です。機器の感度と精度により、小型で効率的な半導体を製造するマイクロエレクトロニクスやナノテクノロジーの分野で非常に有益です。ALD では通常、比較的低温と熱化学的に好ましい触媒が使用されます。低温は、有機サンプルや生物サンプルなどの柔らかい基板を扱う場合に有利です。熱的に不安定な前駆体も、分解速度が比較的遅い限り使用できます。^{[2] [25]}

基板の高純度は非常に重要であり、そのためコストが高くなります。このコストは必要な機器のコストに比べればそれほど高くないかもしれませんが、目的の製品に適した条件を見つけるまでには、いくつかの試行が必要になる場合があります。層が作られてプロセスが完了すると、最終製品から余分な前駆体を除去する必要がある場合があります。最終製品の中には、不純物が1％未満のものもあります。^[70]

原子層堆積装置の価格は、装置の品質と効率によって 20 万ドルから 80 万ドルの範囲になります。これらの装置のサイクルを実行するための固定コストはありません。コストは、使用する基板の品質と純度、および機械の動作温度と時間によって異なります。一部の基板は他の基板よりも入手が難しく、特別な条件が必要です。一部の基板は酸素に非常に敏感で、分解速度が速くなる可能性があるためです。マイクロエレクトロニクス業界で従来必要とされていた多成分酸化物と特定の金属は、一般的にコスト効率が良くありません。^[71]

ALD のプロセスは非常に遅く、これが主な制限であることが知られています。たとえば、Al ₂ O ₃は 1 サイクルあたり 0.11 nm の速度で堆積されます^[3]。これは、サイクル期間とポンピング速度に応じて、1 時間あたり 100～300 nm の平均堆積速度に相当します。この問題は、空間 ALD を使用することで克服できます。空間 ALD では、基板が特殊な ALD シャワーヘッドの下の空間内を移動し、両方の前駆体ガスがガスカーテン/ベアリングによって分離されます。このようにして、毎分 60 nm の堆積速度を達成できます。ALD は通常、マイクロエレクトロニクスやナノテクノロジーの基板の製造に使用されるため、厚い原子層は必要ありません。多くの基板は、その脆弱性や不純物のために使用できません。不純物は通常、0.1～1 at.% で見つかります。これは、一部のキャリアガスが残留物を残すことが知られており、酸素にも敏感であるためです^{[70] 。}

前駆体は揮発性でなければならないが、分解されてはならない。ほとんどの前駆体は酸素/空気に非常に敏感であり、そのため使用できる基質が制限される。一部の生物学的基質は熱に非常に敏感であり、好ましくない速い分解速度を示し、不純物レベルが高くなる可能性がある。薄膜基板材料は多数存在するが、マイクロエレクトロニクスで使用するために必要な重要な基板は入手が困難で、非常に高価な場合がある。^[70]

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