【编者按】
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原子层刻蚀（ALE）和原子层沉积（ALD）这两种技术都是基于自限制表面反应的原子级精密工艺，但目标完全相反：ALD用于原子级的材料添加（沉积），而ALE用于原子级的材料去除（刻蚀）。它们在半导体制造、纳米技术和材料科学等领域变得越来越重要。
核心原理对比
原子层沉积(Atomic Layer Deposition - ALD)
目标：在基底表面逐层、原子级精确地生长薄膜。
基本原理：利用两种或多种前驱体气体（通常是金属有机化合物和反应气体如H₂O、O₃、NH₃等）交替通入反应腔。每个前驱体脉冲与基底表面发生自限制的化学反应，形成单层吸附或反应产物。在脉冲之间用惰性气体（如Ar、N₂）吹扫，去除多余的前驱体和副产物，防止气相反应。
关键特征：
自限制生长：每个半反应（前驱体暴露）达到饱和后就停止，不受暴露时间（在合理范围内）或前驱体剂量（达到饱和后）的显著影响。这确保了单原子层的控制。
交替脉冲：严格分离的前驱体脉冲和吹扫步骤。
优异的保形性：由于表面反应驱动，ALD能在具有高深宽比（如深沟槽、孔洞）的复杂三维结构表面均匀沉积，覆盖性极佳。但要考虑薄膜生长基底的表面吸附能，和薄膜的生长模式，做严格的工艺控制。
精确的厚度控制：薄膜厚度由沉积循环次数直接、线性地决定（每个循环通常沉积~0.1 nm左右的材料）。
较低的沉积温度：通常可在相对较低的温度下进行，适用于热敏感材料。
原子层刻蚀(Atomic Layer Etching - ALE)
目标：从基底表面逐层、原子级精确地去除材料。
基本原理：ALE通常（并非所有模式）也采用循环工艺，包含两个关键步骤：
a. 改性步骤 (Modification Step): 使用一种反应物（通常是活性化学物质，如Cl₂、F基气体、或低能离子/等离子体）与基底表层原子发生反应，形成一层易于挥发的或弱化的改性层（例如，形成氯化物、氟化物）。这个步骤必须是自限制的，即只影响最表层的一个或几个原子层。
b. 去除步骤 (Removal Step): 使用另一种手段（通常是低能量的物理轰击，如Ar⁺离子，或另一种化学反应剂）将改性层选择性地去除，而不损伤下方未改性的材料。这个步骤也需尽可能自限制，确保只去除改性层。
两个步骤之间同样需要吹扫步骤，以去除未反应的反应物和副产物。
关键特征：
自限制去除：每个完整的ALE循环（改性+去除）去除的材料量是自限制的，通常接近一个原子层（约0.1-0.3 nm/循环），并且对工艺参数（如改性剂量或去除剂量，在达到饱和后）的变化相对不敏感。这是实现原子级精度的核心。
循环工艺：与ALD类似，严格的步骤分离和吹扫是必要的。
优异的选择性和各向异性：ALE可以实现：
材料选择性：只刻蚀目标材料，对下层或侧壁的其他材料损伤极小（通过化学改性步骤的选择性实现）。
各向异性：主要垂直向下刻蚀，侧向刻蚀极小（通过低能、定向的物理去除步骤或高度定向的化学去除实现）。这对于制造高深宽比结构至关重要。
精确的深度控制：刻蚀深度由ALE循环次数直接、线性地决定。
低损伤：理想的ALE应尽量减少对剩余材料的晶格损伤（尤其依赖于低能物理去除步骤）。
主要对比维度
深入分析与关键区别
“自限制性”的来源差异：
ALD： 自限制性主要来源于表面位点的饱和化学吸附或反应。当前驱体分子占据了所有可用的活性位点后，反应自然停止。
ALE (化学改性步骤)： 自限制性可能来源于：
反应剂只能渗透/反应到最表层原子（如卤素与Si）。
形成的改性层本身阻止了反应剂进一步渗透（如氧化层对某些反应剂的阻挡）。
表面键合状态改变导致反应活性急剧下降。
ALE (去除步骤)： 自限制性（或更准确地说，自终止）来源于去除手段只对改性层有效。一旦改性层被去除，暴露出的新鲜表面对去除手段（特别是物理轰击）的响应或挥发性与改性层不同，从而停止刻蚀。这是实现选择性和低损伤的关键，也是挑战所在。
能量输入：
ALD： 主要依赖热能驱动表面化学反应。等离子体增强ALD使用等离子体活化前驱体以降低温度，但核心仍是表面化学反应。
ALE： 通常需要额外的能量输入来驱动去除步骤。最常见的是使用低能离子束进行物理溅射（离子能量通常<50 eV，远低于传统RIE）。热ALE或纯化学ALE也存在，但适用材料有限且选择性/各向异性控制更具挑战。
工艺复杂性与多样性：
ALD： 工艺相对成熟和标准化（尽管前驱体化学多样），核心循环模式清晰。
ALE： 工艺模式高度多样化。根据改性剂（卤素、低能离子、光子等）和去除剂（离子、热、化学剂、光子等）的组合，有多种实现路径（如热化学、等离子体辅助、离子束、光辅助ALE）。为每种材料/结构找到最优、可控、高选择性的ALE工艺是重大挑战。
对器件结构的影响：
ALD： 用于构建器件的关键功能层（栅介质、电极、隔离层等），其保形性对3D结构至关重要。
ALE： 用于精确塑造器件结构（定义沟道、形成接触孔、修整栅极等）。其选择性和各向异性直接决定了器件的关键尺寸控制、电学性能和良率。ALE在制造下一代GAA晶体管等复杂3D结构中不可或缺。
总结
ALD和ALE是互补的原子级精密制造技术，共同构成了“原子级制造”工具箱的核心。ALD负责在原子尺度上精准“添砖加瓦”，ALE负责在原子尺度上精准“精雕细琢”。
核心区别在于目标相反（沉积vs 刻蚀），并因此导致工艺步骤（前驱体反应 vs 改性-去除）和核心优势（保形沉积 vs 选择性/各向异性刻蚀）的根本不同。
自限制性是两者实现原子级精度的共同基石，但其物理化学来源在各自的步骤中有所不同。
ALE通常需要额外的能量（尤其是离子动能）来实现可控的去除步骤，而ALD主要依靠热能驱动的化学反应。
ALD已高度成熟并广泛应用，而ALE正处于快速发展阶段，是满足先进半导体节点（5nm及以下）和新兴纳米技术苛刻制造要求的关键使能技术。ALE的发展旨在提供与传统等离子体刻蚀相当的（甚至更好的）选择性和各向异性，同时具备ALD级别的精度和可控性。
简而言之：ALD是原子级的“加法”，ALE是原子级的“减法”。两者都以自限制的表面反应为核心原理，通过循环工艺实现原子尺度的精确控制，共同推动着纳米科技向前发展。
*参考文献与进一步阅读建议：
George, S. M. (2010). Atomic Layer Deposition: An Overview. Chemical Reviews, *110*(1), 111–131.
Oehrlein, G. S., Metzler, D., & Li, C. (2015). Atomic Layer Etching at the Tipping Point: An Overview. ECS Journal of Solid State Science and Technology, *4*(6), N5041–N5053.
Kanarik, K. J., Lill, T., Hudson, E. A., Sriraman, S., Tan, S., Marks, J., ... & Gottscho, R. A. (2015). Overview of atomic layer etching in the semiconductor industry. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, *33*(2), 020802.
Lee, Y., & George, S. M. (2018). Thermal Atomic Layer Etching: A Review. Chemistry of Materials, *30*(15), 4901–4919.
International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) - 查找最新的半导体工艺技术路线图，了解ALD和ALE在先进制程中的应用和发展趋势。
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