10月16日，利用原子層沉積（ALD）專利技術(shù)進(jìn)行材料性能優(yōu)化的Forge Nano公司宣布獲得通用汽車旗下負(fù)責(zé)風(fēng)投業(yè)務(wù)GM Ventures的1000萬美元投資，而加上此次C輪融資，F(xiàn)orge Nano已募資過億（美元），投資者中不乏大眾汽車、三井金屬、LG、住友集團(tuán)、Air Liquide、軟銀SBI Investment等人們耳熟能詳?shù)拿帧Ｄ軌虮姸喙I(yè)科技金融巨頭關(guān)注和投資當(dāng)然有點(diǎn)東西，本文就來聊聊Forge Nano以及它的核心Atomic Armor?專利技術(shù)。

Forge Nano是一家總部位于美國科羅拉多州丹佛市的材料科技公司，通過原子層沉積技術(shù)和設(shè)備，為眾多行業(yè)用戶提供從粉體到器件的納米級表面涂層改性服務(wù)。

一、原子層沉積（ALD）原理及工藝

原子層沉積（ALD）簡單說是一種基于自限性化學(xué)反應(yīng)，能夠精確控制薄膜厚度的薄膜沉積技術(shù)。所謂自限性化學(xué)反應(yīng)就是該反應(yīng)進(jìn)程會自然停止在某個特定的狀態(tài)，而不會繼續(xù)生成更多的產(chǎn)物。比如原子層沉積，通過交替引入兩種前驅(qū)體氣體，前驅(qū)體分子會與表面活性位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)，在基材表面形成單層原子或分子。每個活性位點(diǎn)通常只能反應(yīng)一次，可反應(yīng)的位點(diǎn)都被占據(jù)，反應(yīng)就會停止。此時，排出多余的前驅(qū)體和反應(yīng)副產(chǎn)物，引入第二種前驅(qū)體氣體，該氣體會與第一步形成的薄膜反應(yīng)，進(jìn)一步沉積下一層原子。周而復(fù)始交替引入前驅(qū)體，逐層沉積，直到達(dá)到所需的薄膜厚度。

原子層沉積（ALD）流程示意圖（圖源：Forge Nano，下同）

如上圖所示，ALD可以通過多次重復(fù)反應(yīng)來非常精確地控制薄膜的厚度，薄膜具有良好的均勻性和一致性，且附著力通常較強(qiáng)，適合在苛刻環(huán)境中使用。關(guān)于ALD工藝裝備和相關(guān)前驅(qū)體氣體分類的詳細(xì)介紹，請參考閱讀：

微納米粉體改性的優(yōu)勢新技術(shù)：原子層沉積包覆

二、原子層沉積（ALD）解決方案及裝備

選擇將原子層沉積（ALD）商業(yè)化，F(xiàn)orge Nano給出的理由是：這是目前唯一能夠提供埃級精度化學(xué)鍵合涂層的沉積技術(shù)，這種使用氣相反應(yīng)步驟逐個原子層構(gòu)建的涂層具有均勻的厚度，即使在多孔基材上也幾乎沒有針孔。該公司要做的就是開發(fā)高通量工藝，可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的納米涂層材料。Forge Nano將設(shè)備劃分為實(shí)驗(yàn)室級、中試級和批量級三個階梯，下文重點(diǎn)介紹，也是產(chǎn)業(yè)界最關(guān)注的批量級設(shè)備上。

1.粉末

LITHOS系統(tǒng)用于涂覆從納米粉末到顆粒的基材，批量大小范圍為10–1000公斤。為提高氣體與固體的接觸，反應(yīng)釜采用旋轉(zhuǎn)攪拌作業(yè)。

批量級LITHOS系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)攪拌反應(yīng)釜的處理能力超過1.2噸/天

文章開頭提到通用汽車對Forge Nano的投資，其中就包括一項(xiàng)戰(zhàn)略合作伙伴協(xié)議，可能利用Forge Nano的高通量ALD設(shè)備來涂覆通用汽車電動汽車電池的陰極活性材料，以提高性能和使用壽命。Forge Nano將在科羅拉多州總部制造原型鋰離子電池，充分展示出這項(xiàng)粉體改性技術(shù)的能力。值得一提的是，美國能源部對這項(xiàng)技術(shù)支持并提供了巨額資助，F(xiàn)orge Nano就此成立了Forge Battery分公司，預(yù)計從2026年開始以每年1GWh的速度生產(chǎn)商業(yè)鋰離子電池，并將工廠擴(kuò)大到每年3GWh，其首款通過驗(yàn)證的商業(yè)產(chǎn)品比能量達(dá)到300Wh/kg。

2.半導(dǎo)體

TEPHRA?系統(tǒng)是一種晶圓ALD涂層集群平臺，可滿足200mm及以下規(guī)格晶圓的金屬阻隔超薄、均勻、無針孔的薄膜制備，服務(wù)于先進(jìn)封裝、功率半導(dǎo)體、射頻器件 (RFD)、microLED、微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 等。

TEPHRA?系統(tǒng)ALD涂層集群

可為硅通孔和玻璃通孔工藝進(jìn)行高縱橫比涂層作業(yè)

關(guān)聯(lián)到AI以及相關(guān)硬件，該設(shè)備可以為先進(jìn)的3D集成封裝（包括硅通孔和玻璃通孔）提供高深寬比結(jié)構(gòu)（超越10:1的縱橫比）的氮化物和金屬沉積。而這已經(jīng)對等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝發(fā)起挑戰(zhàn)并正在進(jìn)行替代——等離子體使用高能離子化學(xué)基團(tuán)和紫外線輻射會破壞半導(dǎo)體表面的精細(xì)狀態(tài)。這些表面狀態(tài)的的存在會導(dǎo)致跳躍導(dǎo)電，從而降低柵極的擊穿電壓。ALD的熱性質(zhì)不需要破壞性等離子體或高能離子進(jìn)行沉積，有助于保持精細(xì)的表面電子狀態(tài)，并提高電路可靠性。

小結(jié)

Forge Nano開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室級（桌面）旋轉(zhuǎn)式設(shè)備可進(jìn)行微量（100ml）樣品涂層研究，中試級流化床設(shè)備則兼顧前驅(qū)體與樣品接觸，并有效提升單批次產(chǎn)能。展望應(yīng)用市場，比如制藥，藥用粉末主要是有機(jī)固體，其流動性、潤濕性、壓實(shí)性和分散性較差，ALD涂層在膠囊、片劑、丸劑、吸入劑或眼藥等生產(chǎn)中可增強(qiáng)加工性能；比如3D打印，金屬合金粉末會因?yàn)檠趸绊憻Y(jié)和產(chǎn)品性能，ALD涂層可用于保障粉體質(zhì)量延長保質(zhì)期；還比如金屬軟磁材料，鐵磁顆粒之間的ALD涂層可阻斷電流循環(huán)，從而有效減少渦流損耗……

隨著相關(guān)設(shè)備和工藝的完善，隨著應(yīng)用端對材料和器件性能要求的提升，ALD涂層在粉體工業(yè)領(lǐng)域的印象里還將持續(xù)提升，成為不可忽視的產(chǎn)業(yè)升級推動力！

粉體圈 啟東