模擬硅基片上的UHV/CVD及硅生長(zhǎng)

化學(xué)氣相沉積 (CVD) 能夠生產(chǎn)出兼具高質(zhì)量、高純度及高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)的材料，因此在半導(dǎo)體行業(yè)非常受歡迎。超高真空化學(xué)氣相沉積 (UHV/CVD) 涉及相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)備和極高的溫度。為了能在提高效率的同時(shí)更好地控制成本，工程師們可以對(duì)這一復(fù)雜工藝進(jìn)行模擬。本篇文章中，我們將以硅基片的生長(zhǎng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

什么是 UHV/CVD？

在 CVD 工藝中，在化學(xué)過(guò)程中，會(huì)在暴露的基底表面發(fā)生反應(yīng)或進(jìn)行分解，進(jìn)而制造出一層沉積膜或薄膜。我們一般使用 CVD 來(lái)生產(chǎn)擁有較高質(zhì)量及強(qiáng)度的材料，比如石墨烯這種仍持續(xù)占據(jù)科學(xué)界頭條的強(qiáng)大而又獨(dú)特的材料。CVD 還可用于生產(chǎn)各種通用型產(chǎn)品，從碳納米纖維到合成鉆石等等，因此極受重視。在半導(dǎo)體類應(yīng)用中，可使用 CVD 進(jìn)行高純度硅的外延層生長(zhǎng)。

石墨烯就是可以通過(guò) UHV/CVD 生產(chǎn)的材料之一。圖片由 AlexanderAlUS 提供。已獲Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported授權(quán)，并通過(guò)Wikimedia Commons分享。

UHV/CVD 工藝需要在低于 10-6Pa 的壓力（約為 10-8torr）下工作。該工藝會(huì)使用分子流來(lái)傳遞氣體。UHV/CVD 不涉及諸如邊界層等流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)；此外，由于分子的碰撞頻率很低，也不涉及氣相化學(xué)。材料在基底上的生長(zhǎng)速率通常取決于達(dá)到表面的物質(zhì)的分子通量。我們也可以借助 UHV/CVD 工藝來(lái)生產(chǎn)石墨烯，我們?cè)凇笆└锩毕盗形恼碌牡谒牟糠钟懻撨^(guò)。

利用 COMSOL Multiphysics? 軟件模擬 UHV/CVD

如前所述，UHV/CVD 實(shí)驗(yàn)往往耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，且費(fèi)用很高，而且還需要一些特殊材料和復(fù)雜的熱管理。幸運(yùn)的是，我們可以使用分子流模塊（COMSOL Multiphysics 仿真平臺(tái)的附加模塊之一）中的自由分子流動(dòng)接口來(lái)模擬這一化學(xué)工藝。在模型中，基片緊密排布在石英管內(nèi)移動(dòng)的船體上，石英管被鍋爐環(huán)繞。晶圓匣通過(guò)傳送軌道安置于管道內(nèi)。

反應(yīng)氣體與鎮(zhèn)流氣體通過(guò)一端的預(yù)真空鎖進(jìn)入反應(yīng)室。渦輪泵位于反應(yīng)室的另一端。

UHV/CVD 工藝所用反應(yīng)室的模型幾何。

仿真中，反應(yīng)氣體硅烷與鎮(zhèn)流氣體氫以 1 SCCM 的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流率從系統(tǒng)入口進(jìn)入，硅烷與氫的比例為 20%：80%。將反應(yīng)室入口設(shè)為排氣壁邊界條件。真空泵置于反應(yīng)室的另一端的筒形端口內(nèi)。

仿真使我們能針對(duì)各泵速曲線分析這一工藝。我們分析了三種不同的硅烷和氫泵速曲線，將這些曲線作為插值函數(shù)輸入 COMSOL Multiphysics 軟件。之后，我們可以使用參數(shù)化掃描來(lái)分析各種氣體在不同泵速曲線下的傳輸。

在下方的表面圖中，我們可以看到其中一個(gè)泵速曲線下硅在基片上的生長(zhǎng)情況。

晶圓匣內(nèi)的硅烷分子通量分?jǐn)?shù)，它控制了在基片上的生長(zhǎng)情況。

硅烷在基片表面的分子通量分?jǐn)?shù) (0.04) 遠(yuǎn)低于入口處 (0.2)。氫的分子量更低，所以泵入難度要高于硅烷。由于該測(cè)量值會(huì)直接控制基片上的生長(zhǎng)量，所以硅烷泵和氫泵的選擇對(duì)于 UHV/CVD 生產(chǎn)出的材料量有重要影響。由于很難通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量每種材料的分子通量分?jǐn)?shù)，所以可以借助仿真來(lái)分析及優(yōu)化 UHV/CVD 工藝。