基于流體動力學(xué)的原子層沉積工藝優(yōu)化與實驗驗證.pdf

1、隨著電子器件的尺寸不斷減小、集成電路的密度不斷增大，納米級薄膜制備在微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。具有表面自限制性的原子層沉積技術(shù)可用于制備厚度精確可控、生長均勻的納米薄膜，使得納米薄膜技術(shù)可擴(kuò)展于光電子器件封裝、柔性電子材料、薄膜太陽能電池等應(yīng)用中。原子級表面生長是原子層沉積厚度精確可控的保障，然而生長速率過慢則是制約該技術(shù)工業(yè)發(fā)展和擴(kuò)展應(yīng)用的重要障礙。如何加快循環(huán)間的交替以及加快大表面積薄膜包覆成為解決該技術(shù)瓶頸的突破

2、口。本文具體內(nèi)容包含：
　　（1）以計算流體動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了原子層沉積脈沖式工藝的有限元仿真模型。通過集成氣質(zhì)傳輸、瞬態(tài)脈沖、熱傳導(dǎo)和固體表面反應(yīng)等物理化學(xué)過程，耦合分析了氣相脈沖工藝中前驅(qū)體分布和表面包覆效率。通過對模擬結(jié)果中氣流速度、氣質(zhì)組分和表面反應(yīng)分布的對比研究，探索了不同工藝參數(shù)（入口流量、出口壓力、前驅(qū)體濃度等）下原子層沉積循環(huán)時間和前驅(qū)體用量的優(yōu)化方法。
　?。?）搭建了前驅(qū)體定量輸出和在線過程檢測的集

3、成式原子層沉積系統(tǒng)。在線四級桿質(zhì)譜儀可追蹤脈沖過程中各反應(yīng)物組分隨時間的變化，從而作為循環(huán)時間和前驅(qū)體消耗的定量判定標(biāo)準(zhǔn)。而在線橢偏儀則可對單元脈沖中的薄膜厚度變化進(jìn)行測量，為原子層沉積工藝的定量化研究提供豐富的分析手段。本系統(tǒng)通過對壓力、組分、粒子濃度和薄膜厚度等的定量測定和實時監(jiān)測，研究了不同流量和壓力下前驅(qū)體輸入和薄膜生長之間的定量關(guān)系，從而驗證了仿真模型中定量生長規(guī)律。
　?。?）將耦合氣質(zhì)傳輸和化學(xué)反應(yīng)的流體模型擴(kuò)展應(yīng)用

4、于空間隔離原子層沉積效率分析。通過耦合體相反應(yīng)的流體動力學(xué)模型監(jiān)測兩種分子相遇幾率，并判斷前驅(qū)體交叉擴(kuò)散的隔離效果。通過對微間隙帶內(nèi)流體狀態(tài)的分析，以及對不同載氣流量、隔離氣流量和前驅(qū)體濃度下沉積時間和表面均勻性的研究，優(yōu)化批量沉積的產(chǎn)量與前驅(qū)體利用率。
　　（4）構(gòu)建了批量粉末包覆的流化工藝模型。通過歐拉多相流模型分析了批量粉末的流化過程中氣固交互作用，并進(jìn)一步探討了不同工藝條件對流化效率的影響。相比于表面反應(yīng)的時間量級（毫秒級

5、），流化工藝中前驅(qū)體分布的時間（幾十~百秒級）是制約流化效率的瓶頸。
　　根據(jù)仿真分析結(jié)果，本文以循環(huán)時間（脈沖時間與吹洗時間之和）為優(yōu)化目標(biāo)分析了入口流量、出口壓力和前驅(qū)體入口質(zhì)量比等的協(xié)同關(guān)系。進(jìn)一步，通過流量和壓力的關(guān)聯(lián)函數(shù)可確定氣流速度和前驅(qū)體質(zhì)量比為目標(biāo)優(yōu)化的兩個關(guān)鍵因素。氣流速度與前驅(qū)體濃度兩個因素相互獨立，并分別通過對流和擴(kuò)散作用影響沉積過程中的分子運(yùn)輸。當(dāng)針對開放或封閉空間考慮裝備設(shè)計和沉積氛圍等約束條件時，可確定