老叶仁川行：“慢悠悠”的ALD正快步走进LED

关于韩国仁川

看着护照内页盖满各国出入境印章的记录，这是我第八次来韩国了，进入海关的一刹那，曾经的记忆一一涌现，两岸没有三通的时候，从上海到济州岛转机到台湾是我第一次去韩国的记忆，后来为了LED，几次登门拜访韩国设备商、韩国芯片厂与封装模组厂，最近的一次是为了帮朋友做生意去韩国学习OLED，而这次来韩国，又是一个全新的体验，参加在仁川举办的2018 ALD学术研讨会，对我而言，这又是一个新挑战。

仁川！一个很熟悉的城市，朝鲜战争的第一个转捩点就是联军在仁川的登陆战，当然现在的仁川已经完全不是历史记忆的那个仁川了，有现代化的国际机场，有便捷的交通网络，而仁川的松岛！又是一个在新闻媒体上很火热的名词，这个填海造地出来的松岛新城，号称是最新科技的智慧城市，当初规划者发出的豪语“这里的所有空间都会用网络和高科技控制系统联系起来。在这里将有智能家，智能商店，智能学校，医院和银行。所有的日常杂事都能依靠高科技IT技术帮你自动完成”，我在这里住了四天，除了全新的高楼大厦与现代化的会展中心（Songdo Convensia），我完全感觉不出来有任何智能的感觉，可能我不是韩国本地人吧，于是我好奇的问我韩国的朋友对松岛新城的看法，他的回答让人耐人寻味“这个地方也许很现代化，但是就是什么都贵，更缺少了韩国文化的味道，我们韩国本地人都不是很喜欢这里”，这个回答让我很出乎意料，一个可以向世界骄傲展示韩国科技的地方，自己人却不喜欢。我们追求的高科技与智能智慧的概念，如果缺少文化与人文的气息，我们将会越来越疏离这样的高新技术，身为科技从业者的我们，真的需要好好的深思！

图一仁川松岛的夜景与松岛会展中心

ALD技术：慢既是精

ALD全名是Atomic Layer Deposition，中文翻译为原子层沉积，这个技术是在1977年由芬兰人Tuomo Suntola博士发明的，图二是Suntola博士的介绍，他也拿到了今年的千禧发明奖。

图二ALD技术的发明人Tuomo Suntola博士，图片来自于AVS

随着电子器件的精密度越来越高，ALD正逐渐成为了微电子科技制造领域的重要关键工艺，ALD镀膜方法与传统的化学气相沉积CVD、物理气相沉积PVD和溅镀Sputter非常不一样，ALD的基本步骤如图三所示，这种淀积过程是在经过活性表面处理的衬底上进行的：首先将第一种反应物引入反应室使之发生化学吸附，直至衬底表面达到饱和；过剩的反应物则在系统中被抽出清除，然后将第二种反应物通入反应室，使之和衬底上被吸附的物质发生化学反应；剩余的反应物和反应副产品将再次通过泵抽气或惰性气体清除的方法清除干净；这样就可得到目标化合物的单层饱和表面，如果我们重复前面的步骤，就可以一个原子层接着一个原子层无死角的沉积到我们的基板，直到膜层达到我们需要的厚度，所以，这样的镀膜方式可以实现对淀积厚度的精确控制。

图三 ALD的反应原理示意图，图片来自于Journal of Applied Physics

ALD是一种充分利用表面饱和反应（surface saturation reactions），天生具备精确的厚度控制和优异的膜层性能，对温度和反应物通量的变化不太敏感。这样得到的薄膜既具有高纯度又具有高密度，既平整又具有高度的保型性，即使对于纵宽比高达100:1的结构也可实现良好的阶梯覆盖。ALD也顺应工业界向更低的工艺温度发展的趋势，多数工艺都可以在400摄氏度以下进行，最低温甚至可以在50度完成膜层沉积，而传统的化学气相淀积工艺要在400度以上才能完成。

如图四所示，目前的镀膜或沉积设备反应气体或反应前驱物都是在沉积前发生物理或化学反应再附着在衬底上；我们一般称为源反应控制的镀膜方式，不同于源反应，ALD利用表面饱和反应可以保证镀膜的准确性与均匀性，更可以得到非常致密的膜层，而这样的反应原理更可以无死角的沉积在各种不同形状或表面的衬底上，尤其是纵宽比非常大的沟槽内镀膜。

如此神奇的沉积方法，唯一的缺点就是慢，一个循环只能沉积一个原子层厚度，而一个沉积循环需要花费5~12秒的时间，沉积一个纳米的时间至少一分钟以上，这样的速度面对讲求效率的高科技产业显然非常不利，但是科技日新月异，越精密的东西里面的芯片越做越小，膜层越做越薄，过去的不利现在反而变成有利，所以在纳米尺度的21世纪，ALD反而成为实现这个尺度最好的工具！

图四ALD与各种镀膜原理的比较示意图，图片来自于picosun oy

会议见闻：韩国的野心和韩国的痛

今年是ALD会议的第18年，也是原子层刻蚀ALE（Atomic Layer Etching）会议的第5年，可见这个技术受到更大的重视就是在半导体科技开始往工艺更复杂难度挑战更大的21世纪初，今年韩国作为主办单位与最多的参与者，ALD在韩国关键产业的IC、DRAM与OLED特别受到重视，非常高比例的演讲与论文发表也是以这几个领域为大宗。韩国对ALD在LED的应用并不是很关注，可能韩国真的铁了心要用OLED来赌未来吧！当然三星与海力士两家韩国半导体巨头，也非常关注ALD的技术发展，尤其是半导体技术节点进入28nm节点以下制程的时代，ALD与ALE会扮演更重要的角色。OLED的寿命问题，尤其是软性基板OLED在这次的论坛也是韩国厂商最关注的焦点，ALD保护膜用来解决环境水汽渗透造成OLED劣化问题似乎慢慢得到很好的解决，看见韩国OLED的进步，这时候的我开始担心LED被OLED取代的问题了！

图五 三星与海力士在半导体工艺技术的进展

作为这个领域的初学者，我关注比较基础的ALD设备与源的材料知识，也关注ALD在各领域方方面面的应用，尤其是半导体与光电产业。根据我的观察，在设备方面，美国与欧洲还是处于领先地位，韩国的半导体技术处于世界一流地位，相应的韩国利用自己的半导体产业规模，培植了很多半导体设备公司，尤其是三星电子对韩国本土设备商的支持，所以很多欧美日的设备制造商在韩国只卖了一套设备，后续就有韩国设备商开始模仿了，ALD也是如此，韩国几乎只用他们国产的设备，但是韩国设备商也被全世界抵制，我觉得喜欢模仿抄袭的我们可以借鉴韩国的教训，未来中国半导体要立足于世界，创新与遵守国际规则还是非常必要的。如图六所示，由赞助名单看，应用材料、ASM、Picosun与TEL还是最重要的ALD技术领先者，国内这方面还是属于追赶者，尤其是材料与设备方面，不过随着中国半导体产业的大跃进，未来中国会跟韩国一样，一定有很多设备与材料公司进入这个领域，我希望中国可以不要走韩国的老路，而是找出一条可以兼容中国与世界的双赢之路，当然很多人说这条路对中国而言是非常艰难的，因为我们模仿与山寨的恶名比韩国更是有过之而无不及！

图六2018 ALD会议的参与状况和赞助单位, 图片来自于AVS

ALD：于细小处见广阔前景

由于ALD工艺能够生成介电质（绝缘）和金属（导电）膜，加上ALD拥有众多优点，因此它被应用到多个领域，我就在此简单与重点的介绍，后续老叶有空时，我会针对不同的应用领域，帮大家做一个更详细的解说。ALD技术的独特性决定了它在半导体工业中的运用前景十分广泛，器件尺寸的缩小导致薄膜厚度的减小已超出了其物理和电学极限，同时高纵宽比在器件结构中随处可见，由于传统的沉积与镀膜技术很难满足需求，所以ALD为器件尺寸的继续微缩提供了更加广阔的空间。ALD最重要的应用就是在半导体领域，随着材料不断的开发，例如制备用于晶体管闸极及电容器中的高k（介电系数）介电质和金属薄膜、铜阻挡膜、刻蚀终止层、多种间隙层和薄膜扩散阻挡层、磁头以及非挥发存储器等。如图七所示，IC在28nm节点以下的工艺需要使用Fin-FET技术，厚度要薄又要兼顾降低漏电流的高k介电材料非常重要，ALD在Fin-FET的HKMG（High K Metal Gate）扮演非常重要的角色。

图七ALD在IC制程的示意图，图片来自于picosun oy

另外ALD有非常均匀的覆盖性与高密度的膜层特性，很多对水氧敏感的器件特别需要这样的保护，于是ALD成为高可靠度要求器件的保护层最好的镀膜工具，水汽穿透率WVTR（Water Vapor Transmission Rate）是衡量膜层抗水氧的重要指标，尤其是对可弯折（Flexible） 的OLED显示器，这种对水汽敏感的器件，它的指标需要达到10-4g/m2Day以下（大约一个体育场大小的面积一天只渗透一滴水），其它高功率密度的VCSEL激光器、HEMT功率器件与高端应用的LED，它们的WVTR至少也需要小于10-3g/m2Day的程度，才能保证在严苛环境之下的可靠度，所以这些器件也开始大量使用ALD膜层来保证其稳定性。图八是OLED的WVTR指标示意图，可以看到软性基板OLED的指标与其它电子器件相比是最严苛的，挑战度也最大，所以韩国利用ALD在这方面做了大量工作也就不足为奇了。

图八 软性Flexible OLED产品的WVTR指标的重要性示意图，图片来自于AVS

当然除了上述的应用，光伏、锂电池、燃料电池与微机电MEMS器件也使用了很多ALD镀膜工艺。最后，也最令我想不到的是如图九所示的应用，ALD在铸币（银币的防硫化镀膜）与钟表（手表内部零件的防摩擦膜层镀膜）甚至医药（延长药效的粉末镀膜）方面都可以发挥它的功用，很神奇吧，“厉害，我的ALD！”

图九 ALD的其它应用,图片来自于picosun oy

ALD与LED：更高效、更长寿

LED作为化合物半导体产业的一个分支，要求的精密度无法跟IC相比，防水汽与防氧化没有OLED要求的这么严格，所以早期LED的工艺如果使用ALD是一件极其奢侈的事情，除了少数欧美日大厂的高端产品例如汽车灯，手机闪光灯与户外照明使用ALD做特殊芯片的保护膜层或功能性膜层以外，大部分的LED厂都很少使用ALD来取代PECVD。但是最近局势有了变化，随着芯片尺寸持续缩小的趋势与高功率密度CSP的兴起，小尺寸的Mini LED与Micro LED受到大家的广泛关注，ALD逐渐进入LED产业的视线，尤其是保护膜层高可靠度与高致密性，刚好是LED从业者挑战极限最好的工具，进入微米尺寸的芯片，光效会随着尺寸呈指数下降，尤其是边缘效应导致发光面积比例缩小会是未来micro LED的隐患之一，如图十所示，ALD刚好可以利用其致密性与好的纵深比镀膜，将N型区刻蚀面积降到最低增加发光面积，另外ALD相对于PECVD的镀膜，沉积时对芯片表面的损伤很小，可以保护刻蚀侧边将非辐射复合比率降到最低，提高芯片的量子效率。

图十ALD在micro/mini LED芯片刻蚀侧边（Mesa）保护层的效果图

除此之外，ALD还可以非常均匀的沉积光学膜，尤其是CSP或倒装芯片需要在深刻蚀面沉积低应力的布拉格反射层（DBR），如图十一所示，这种膜层除了在回流焊时可以保护芯片提高器件良率，还可以降低测光泄露，提高单面发光的比率，降低光学设计成本。

图十一ALD的DBR光学膜层镀膜示意图，图片来自于picosun oy

最后，帮大家介绍ALD非常神奇的功能，就是粉末镀膜（Powder Coating），一般LED光衰有两个原因，一个是器件本身的缺陷导致光衰，第二个原因就是荧光粉受到空气里面的水汽或环境影响导致荧光粉劣化导致的光衰，所以如何保护荧光粉就是很关键的问题，如图十二所示，ALD可以在荧光粉表面无死角的镀上一层很薄但是很致密的保护膜层，这个膜层可以防止环境与水汽对荧光粉的影响，可以增加白光LED的寿命，目前欧美日本的LED大厂都导入这样的技术，尤其是户外照明或是汽车照明使用的LED更需要这样的保护，因此ALD提供了LED高端应用非常好的寿命问题解决方法，是目前很多LED厂家转型升级最好的工具。

图十二荧光粉颗粒表面镀上ALD膜层的SEM图，图片来自于picosun oy

后记：半导体科技与人类的未来

在论坛的空挡，遇到了我的台湾老乡，他们来自于最近因为校长问题纷纷扰扰的台湾大学师生，陈敏璋教授是半导体与微电子方面的权威，所以跟陈老师有一个深度的讨论，我之前写过一篇关于半导体的文章，所以聊聊半导体与IC还是可以游刃有余，但是陈教授的观点，却给了我不小的启迪，他认为“IC逻辑芯片技术与记忆芯片技术的整合，将会是继FinFET延长摩尔定律20年之后，集成电路的再一次技术大革命”。我们一直遵循着计算机之父冯·诺依曼（John von Neumann）将电脑分成记忆与逻辑两个部分，所以晶圆厂也分成IC foundry与DRAM厂，两个平行线始终无法交集，但是我们的大脑却是不分开的，记忆与思考逻辑始终都在同一个地方运转着，为什么电脑不能这样呢？DRAM最强的三星开始做IC代工，台积电TSMC觊觎着DRAM这块大饼，他们想整合这两种芯片在一起吗？这样的整合会是突破摩尔定律的另一个革命吗？图十三是逻辑与记忆芯片技术的差别，IC与Memory要如何整合，Intel、TSMC与Samsung的下一步是什么？这都牵扯到人工智能的进展速度，更影响着人类对未来世界的塑造。

图十三逻辑芯片与记忆芯片看似两个平行线无法交集，但是未来有可能像人类大脑一样整合为一。

当然，除了记忆与逻辑芯片技术大整合，我相信随着摩尔定律的进展，人类未来极有可能会进入次纳米尺度的半导体时代，这个时候，我们对器件的可靠度与精密度要求就会越来越高，正如我服务的公司所说“The smaller the world gets，the bigger Picosun becomes！”

科学技术的未来，就是人类能够做到多么精密与多么微小极限的能力，而ALD就是扮演这样的重要角色的工具之一！

我很庆幸因为有这样的平台，能够从旁观者变成见证者与参与者，甚幸甚幸！

图十四 ALD 2018韩国仁川会议唯一一篇关于ALD技术使用于LED的论文，图片来自于AVS