基于ANSYS的原子層沉積加熱系統(tǒng)溫度均勻性分析

孫彥慶，周臨震，馮嘉恒，吳有德

1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城224002；2.嘉興科民電子設(shè)備技術(shù)有限公司，浙江嘉興314000

原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）技術(shù)也稱為原子層外延技術(shù)，是一種超薄薄膜沉積技術(shù)［1］。相較于CVD（化學(xué)氣相沉積）技術(shù)，ALD 技術(shù)具有原子級(jí)的薄膜厚度控制、較低的工藝溫度、優(yōu)秀的薄膜均勻性，以及優(yōu)秀的三維保型性，從而被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片、太陽(yáng)能電池、材料表面改性等領(lǐng)域［2-3］。ALD 具有自限制生長(zhǎng)特性，自限制生長(zhǎng)是指過(guò)量前驅(qū)體在飽和膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后不能相互作用［4］，這種原子層沉積獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，使沉積薄膜成分和厚度的均勻性有所提高，為光催化和電催化整個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)新的機(jī)遇［5］。

加熱系統(tǒng)是ALD 設(shè)備不可缺少的一部分，加熱系統(tǒng)溫度場(chǎng)受腔體設(shè)計(jì)影響較大。沉積薄膜的質(zhì)量由溫度場(chǎng)的均勻性和熱效率共同決定［6］。ALD 設(shè)備加熱器的加熱方式有輻射加熱和感應(yīng)加熱。輻射加熱包括電阻絲加熱和電阻片加熱［7］。輻射加熱是利用電流流過(guò)導(dǎo)體的焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱能對(duì)物體進(jìn)行加熱；感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的熱量直接作用于石墨基座，能量損失小同時(shí)具有較高的加熱效率［8］。但隨著沉積基片的尺寸越來(lái)越大，趨膚效應(yīng)越來(lái)越明顯，感應(yīng)加熱應(yīng)用受到限制。而輻射加熱由于加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制［9］，更加適合ALD 技術(shù)沉積大尺寸基片的發(fā)展需求。

ALD 技術(shù)是制備高深寬比器件薄膜的有效手段，但是目前我國(guó)還沒(méi)有設(shè)計(jì)研究出能夠產(chǎn)業(yè)化的大尺寸國(guó)產(chǎn)ALD 設(shè)備，大部分設(shè)備仍然依靠國(guó)外進(jìn)口，這將嚴(yán)重遏制我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，所以設(shè)計(jì)出能夠大批量生產(chǎn)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ALD 設(shè)備是非常重要的［10］。加熱系統(tǒng)溫度均勻是保證沉積高質(zhì)量薄膜的關(guān)鍵。由于ALD 系統(tǒng)反應(yīng)室中外延生長(zhǎng)復(fù)雜且影響因素較多，所以進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬仿真成為ALD 反應(yīng)室設(shè)計(jì)和改進(jìn)的重要輔助手段，可以大幅降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和周期。因此，本文采用ANSYS 19.0 軟件對(duì)輻射加熱的ALD 反應(yīng)室溫度場(chǎng)進(jìn)行分析研究，獲得各參數(shù)的影響規(guī)律，為加熱盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支撐。

1 模型建立

1.1 反應(yīng)室基本結(jié)構(gòu)及仿真模型

反應(yīng)室基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。反應(yīng)室為圓柱形結(jié)構(gòu)，氮?dú)庠谳敋夤艿乐信c源氣體混合后從反應(yīng)室氣體入口進(jìn)入反應(yīng)室；反應(yīng)源物質(zhì)在高溫石墨基座上沉積生長(zhǎng)；石墨基座下方的石英擋板在起到保護(hù)作用的同時(shí)，也提高了熱能的利用率［11］；輻射加熱系統(tǒng)中加熱器為鎢電阻片；尾氣通過(guò)反應(yīng)室氣體出口流出，最終被真空泵排出。

建立反應(yīng)室內(nèi)部流體域仿真模型，如圖2 所示。通過(guò)設(shè)定材料屬性、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件，改變自變量參數(shù)，分析反應(yīng)室熱場(chǎng)溫度的均勻性。

1.2 域與邊界條件建立

反應(yīng)室的傳熱過(guò)程包括熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)等換熱過(guò)程，以及焦耳效應(yīng)對(duì)電阻片加熱器的加熱過(guò)程。對(duì)域與邊界條件參數(shù)設(shè)定如下：

（1）反應(yīng)室側(cè)壁溫度設(shè)為定值293.15 K；

（2）反應(yīng)室壓強(qiáng)P＝0.5 Torr＝66.661 2 Pa；

（3）反應(yīng)室內(nèi)氣體的流動(dòng)類型為定常型，氣體速度低，雷諾數(shù)小，可近似看作層流流動(dòng)；

（4）反應(yīng)室在相對(duì)較低氣壓條件下工作，此時(shí)氣體濃度小，因此可以忽略氣體對(duì)熱量的吸收，而只考慮固體表面間輻射換熱的影響，采用面-面輻射換熱模型。

ALD 反應(yīng)室結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及石墨和鎢的材料參數(shù)分別如表1、表2所示［12］。

表1 ALD反應(yīng)室結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of ALD reaction chamber

表2 石墨和鎢的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of graphite and tungsten

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體流量對(duì)溫度均勻性的影響

在沉積過(guò)程中，不同階段需要通入不同類型以及不同流速的氣體，氣體流量對(duì)原子層沉積薄膜質(zhì)量具有重要影響。通過(guò)參數(shù)設(shè)定氣體流量來(lái)研究其對(duì)溫度場(chǎng)的影響，設(shè)置入口氣體流量分別為200、300、400、500 mL/min（標(biāo)況下），模擬后得到不同入口氣體流量反應(yīng)室加熱盤的溫度分布情況如圖3所示。

由圖3a 可見(jiàn)，反應(yīng)室入口流量較小時(shí)溫度分布為中間高、邊緣低，中間區(qū)域溫度分布均勻。對(duì)比圖3a~圖3d 可見(jiàn)，隨著通入反應(yīng)室氣體入口流量的增大，加熱盤表面最高溫度減小，因?yàn)榱髁康脑黾訉?dǎo)致散熱加快。同時(shí)，氣體流量增加，使底部流動(dòng)邊界層穩(wěn)定，合理的氣體流量，可以有效地抑制熱浮力效應(yīng)，使加熱盤的溫度場(chǎng)分布更均勻。為避免氣體流量過(guò)低時(shí)加熱盤表面溫度過(guò)高，或者氣體流量過(guò)高時(shí)將沉積的物料沖刷掉，一般考慮將入口氣體流量控制在400 mL/min。

2.2 電阻片與加熱盤的距離對(duì)溫度均勻性的影響

電阻片與加熱盤的距離直接影響熱量的向上傳遞，每一個(gè)沉積的反應(yīng)源都有適宜的溫度區(qū)間，這個(gè)溫度區(qū)間稱為溫度窗口。溫度過(guò)低會(huì)使反應(yīng)不充分，容易造成外延厚度不均勻；溫度過(guò)高會(huì)使得沉積的薄膜與基片發(fā)生脫離吸附，導(dǎo)致沉積的薄膜邊緣發(fā)生翹邊。為了研究電阻片與加熱盤的距離對(duì)溫度場(chǎng)的影響，分別設(shè)置電阻片與加熱盤的距離為2、3、4、5 mm，模擬后得出反應(yīng)室加熱盤溫度分布如圖4所示。

由圖4 可知，當(dāng)加熱盤與電阻片之間距離增大時(shí)，由于氣隙空間變大，熱能向上傳遞距離隨之增大，導(dǎo)致從電阻片到達(dá)加熱盤表面的熱量減少，加熱盤表面最高溫度和溫差都隨之減小。為了保證加熱盤表面的溫度在反應(yīng)源的溫度區(qū)間，二者之間的距離不能無(wú)限制地增大。因此，考慮將電阻片與加熱盤的距離控制在4 mm。

2.3 加熱溫度對(duì)襯底溫度均勻性的影響

在原子層沉積反應(yīng)過(guò)程中，沉積溫度對(duì)薄膜的沉積質(zhì)量至關(guān)重要，這是由沉積材料的屬性所決定。設(shè)置加熱溫度分別為600、700、800、900 K，模擬得出不同加熱溫度下反應(yīng)室加熱盤的溫度分布情況如圖5所示。

由圖5a 可知，進(jìn)氣側(cè)加熱盤表面溫度低，出氣側(cè)溫度高，這主要是由于加熱溫度較低，向上傳遞的熱量較少，熱量流失較大。對(duì)比圖5a~圖5d 可知，隨著加熱溫度的增加，加熱盤表面溫度場(chǎng)溫度增加，即調(diào)節(jié)加熱溫度能夠提高加熱盤表面溫度。可以采用分區(qū)加熱，使用不同的電源裝置給加熱器供電，通過(guò)改變輸入直流電流的大小來(lái)改變加熱功率，各加熱器的形狀和加熱功率不同對(duì)石墨盤的加熱效果也不同，通過(guò)相互疊加影響各部分加熱效果，可使石墨盤表面溫度呈現(xiàn)均勻分布。

3 結(jié)論

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，保持適當(dāng)?shù)募訜釡囟取㈦娮杵c加熱盤的距離，以及入口氣體流量時(shí)，不僅可以有效降低溫度梯度，還可以實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的均勻分布。這對(duì)提高原子層沉積具有非常重要的作用。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)ALD 反應(yīng)室的熱場(chǎng)分析可知：

（1）進(jìn)氣流量會(huì)直接影響溫度場(chǎng)的分布，合理的流量可以保證均勻的氣體流動(dòng)，通過(guò)分析可知400 mL/min（標(biāo)況下）較為合適。

（2）電阻片與加熱盤的距離，直接影響熱量的向上傳遞，為了保證沉積表面的溫度達(dá)到沉積要求，二者之間的距離不能無(wú)限制的增大，可將距離控制在4 mm。

（3）沉積溫度是一個(gè)非常重要的控制參數(shù)，各種材料都有最適宜的溫度窗口。溫度過(guò)高過(guò)低都不利于外延生長(zhǎng)。因此可利用分區(qū)加熱將溫度控制在適宜的溫度窗口。