CVD und PECVD sind kontinuierliche Prozesse: Der Vorläufer wird zugeführt, die Schicht wächst, und die Schichtdicke wird durch die Abscheidungsdauer bestimmt. ALD, das in den 1970er Jahren von Tuomo Suntola entwickelt wurde, unterteilt das Wachstum in zwei Halbreaktionen, die niemals gleichzeitig ablaufen. Die beiden Vorläufer werden abwechselnd in den Reaktor eingeleitet, durch Spülvorgänge voneinander getrennt, und jeder von ihnen reagiert nur mit der Oberfläche, die der andere hinterlassen hat. Jede Halb Reaktion stoppt von selbst, sobald die Oberfläche gesättigt ist. Das Wachstum verläuft daher in festen Schritten, jeweils einen Zyklus nach dem anderen, und die Enddicke ergibt sich einfach aus der Anzahl der Zyklen multipliziert mit dem Wachstum pro Zyklus.
Das klassische Beispiel ist Al₂O₃, das aus Trimethylaluminium (TMA) und Wasser hergestellt wird.
Erster Impuls: TMA. Der TMA-Dampf reagiert mit Hydroxylgruppen (–OH) an der Oberfläche. Das Aluminium bindet sich an den Sauerstoff an der Oberfläche, wobei Methan als Nebenprodukt freigesetzt wird. TMA reagiert nicht mit sich selbst; sobald also alle zugänglichen –OH-Stellen besetzt sind, kommt die Adsorption zum Stillstand. Eine längere Einwirkzeit ändert daran nichts. Zurück bleibt genau eine chemisorbierte Schicht auf jeder Oberfläche, die das Gas erreicht hat.
Erste Bereinigung. Inertgas (N₂ oder Ar) entfernt das nicht reagierte TMA und das Methan. Durch diese Spülung kommen die beiden Vorläufer in der Gasphase niemals miteinander in Kontakt. Daraus resultieren die Reinheit der ALD-Schichten und ihre Partikelfreiheit.
Zweiter Impuls: Wasser. Wasserdampf reagiert mit den Methylgruppen der adsorbierten Aluminiumspezies, wobei Al–O-Bindungen entstehen und eine neue Oberfläche mit Hydroxylgruppen an den Enden zurückbleibt, die chemisch identisch mit der Ausgangsoberfläche ist, jedoch um eine Atomschicht höher liegt. Auch diese Halbgleichung ist selbstbegrenzend; sobald alle Methylgruppen umgewandelt sind, kommt sie zum Stillstand.
Zweite Säuberungsaktion, und der Kreislauf kann von vorne beginnen.
In jedem Zyklus wird eine feste Materialmenge hinzugefügt, typischerweise 0,1 bis 0,3 Å, je nach chemischer Zusammensetzung. Der Wert liegt unter einer vollständigen Monoschicht, da die Liganden des adsorbierten Vorläufers sperrig sind und einen Teil der Oberflächenstellen blockieren. Durch n-malige Wiederholung des Zyklus entsteht ein Film mit dem n-fachen Wachstum pro Zyklus, wodurch die Dickenkontrolle eher eine Frage der Zählung als der Zeitmessung ist.
Da die Sättigung – und nicht der Gasfluss – bestimmt, wie viel Material pro Zyklus abgeschieden wird, erhält jede Oberfläche, die das Gas erreichen kann, die gleiche Menge. Rillen, Poren, Seitenverhältnisse über 100:1: Solange die Puls- und Spülzeiten dem Gas genügend Zeit zum Ein- und Ausströmen geben, bleibt die Stufenabdeckung über 95%, wo CVD und PVD völlig versagen. Die Dickengleichmäßigkeit liegt bei großen Substraten besser als ±11 TP3T, und der Verunreinigungsgehalt bleibt dank der getrennten Halbreaktionen unter 0,1 at.1 TP3T. Die plasmaunterstützte ALD ersetzt Wasser durch ein Sauerstoffplasma als Co-Reaktant und senkt die Abscheidetemperatur in Richtung Raumtemperatur – niedrig genug für Polymere. Und da ein Rezept lediglich aus einer Abfolge von Impulsen besteht, lassen sich Nanolaminate und Mischoxide (Al₂O₃/TiO₂, HfSiO₄ und andere) durch die Abfolge von Zyklen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen erzielen, ohne dass Änderungen an der Hardware erforderlich sind.
In Barriere-Mehrschichtstrukturen spielen ALD-Oxidschichten dieselbe Rolle wie PECVD-SiO₂: Sie entkoppeln Defekte und bauen Spannungen zwischen den Parylene-Zwischenschichten ab, gehen jedoch von einer wesentlich geringeren intrinsischen Defektdichte aus. Einige Dutzend Nanometer pro Oxidschicht reichen aus, und die resultierenden Schichtsysteme erreichen Wasserdampfdurchlässigkeitsraten in der Größenordnung von 10⁻⁵ g/m²·Tag, was mehrere Größenordnungen unter den Werten aller Polymere und etwa zwei Größenordnungen unter denen von PECVD-basierten Mehrschichtstrukturen liegt.
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