反应室的均匀布气分析

1、反应室的均匀布气分析     在化学气相沉积过程中，气体的输运直接影响气相之间及气相与固相之间的化学反应，化学气相沉积过程的结果，如沉积的厚度均匀性、沉积的速度、反应物的利用效率等，很大程度上依赖于反应室内流场的均匀性。近年来，CFD数值仿真技术已越来越多地应用到设备的模拟和研究中来，为各种要求均匀流场的设备的开发与改进提供有利的辅助工具，如L.Kadinski等1对MOCVD反应室进行数值模拟，杨真清等2对火箭发动机氧腔均流板进行了CFD分析并进行设计改进，刘奕、杨云柯等34对MOCVD反应器内部流场进行模拟，徐谦5等对反向流动垂直喷淋式MOCVD反应

2、器进行三维数值模拟，得到反应器最佳参数组合，左然等6对行星式CVD反应器进行二维数值模拟。H.Caquineau等7研究流场对PECVD放电均匀性影响。为了研究通过匀流板气流的不同流动效果，本文首先应用流体力学相关理论得出布气板渐变孔尺寸，然后对不同设计方式的气流流动过程进行模拟和分析；同时也对布气板的厚度、导流板倒角角度、进气口到布气板的距离、进气管的直径进行优化。1布气系统气流分布数学模型建立1.1匀流板渐变孔尺寸推导如图1所示为PECVD布气装置的截面示意图。图中，1为布气罐，2为匀流板，3为进气管，气流经过3进入等离子化学气相沉积室，然后经匀流板的小孔对气流进行匀流。已知进气管管口直径

3、最小为0.50mm，试验的气流为1000sccm，气体的运动学黏度取20.1×10-6m2/s，计算可得雷诺数Re=vd/=211.2<2320，其中v为流体速度，为运动粘度，d为管径（对于非圆形断面的管道，以当量直径de进行计算）。因此流体定义为层流。匀流板一般采用等直径孔形式，为了得到均匀的布气效果，可推算出渐变孔径尺寸，与等直径孔进行比较。如图2(a)所示，其中，气流的总流量为Q，经直径为d的管道流入直径为D的反应室中，然后通过上面均布小孔的布气板，第一圈小孔自身的半径和到中心的距离分别为r1'和r1，依此类推。匀流板下侧和上侧的压力分布为P1和P2。假设匀流板孔

4、中心位置微单元如图2(b)所示。设L为圆柱体的长度，流体为定常流动，可得：-dvdr=(P1-P2)r2L，将式取变量分离，并进行定积分可得：由式（1）可知气体进入匀流板的速度与到匀流板中心的位置r有关，当r=R时，气流的速度为最小值0，当r=0时，气流速度最大为(P1-P2)4LR2。即速度的最大值与管的半径R2、压力梯(P1-P2)/L成正比。为了更好地实现均匀镀膜，希望经过匀流板孔的流量相同，即要求：Qn=Q1=Q2=Qn，设孔间距相等，即：l=l1,2=l2,3=ln-1,n=10mm，板的直径D=173mm，从而可以得到用内向外七圈孔的直径分别为：0.50mm,0.51mm,0.54

5、mm,0.56mm,0.62mm,0.70mm,0.86mm。1.2数学模型的建立本文对下列4种不同条件进行模拟分析。（1）考察不同匀流板开孔模型对气流均匀性的影响：中心不开孔渐变孔、中心开孔等直径孔、中心不开口等直径孔模型。（2）其它参数不做修改，考察气流入口到布气板的距离对气流的影响。（3）进气管出口端直口进气与喇叭口设置以及喇叭口的倾斜角对气流的影响。（4）其它结构尺寸确定的情况下，反应室中压强的变化对气体流动的影响。由于计算的是内部气流的流动，在做前处理模型时，只对设备内部空间进行建模。模型的气体入口半径为0.5mm，进气速率为1m/s，室内压强为133Pa，气体的温度为600K。结合

6、反应室内的实际流动状况，认为反应室内气体满足连续流体假设和理想气体状态方程。PECVD反应室内气体流场的控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、反应组分的质量守恒方程。选择二维轴对称几何条件，连续方程写成：鄣鄣t+鄣鄣x()+鄣鄣(v)+vr=Sm（2）式中，为流体的密度，t为时间，x是轴向坐标，r是径向坐标，u和v分别是轴向和径向速度分量。本文以非晶硅薄膜沉积为例，气体是SiH4和H2混合物，所以属于牛顿流体的范围。同时气体流体属于可压缩气体，则气体的能量方程可写为：鄣鄣t(E)+鄣鄣xi(ui(E+p)=鄣鄣xiKeff鄣T鄣xi-jhjJj+ujijeff+Sh（3）式中,K

7、eff为导热系数，Jj是组分j的扩散通量，T是温度，uj是气体的粘度，p为静压。方程右边的前三项分别是导热项、组分扩散项和粘性的耗散项。其中E=h-p+ui22。对于理想气体,焓定义为：其中cj为组分j的体积浓度，cj是该组分的质量浓度。上式中左侧第一项、第二项、右侧第一项和第二项，分别称为时间变化率、对流项、扩散项和源项Sj，Dj为该组分的扩散系数。动量守恒方程的计算，对于惯性坐标系的任意方向下，i方向的守恒方程可以写为：公式（2）（5）描述了混合气流在反应室内部流动情况的控制方程，通过以上描述，只要给定初始条件，如入口的流体压力、速度和出口压力等，再加上边界条件，就可对以上方程组来求解。1

8、.3网格划分及边界条件的确定由于模型完全对称，为简化计算，可计算经过入口、出口截面的流场，该平面即可反映出模型流场分布情况。对反应室内计算区域划分非结构网格，并定义边界。对流场内结构参数梯度变化较大的地方、靠近布气板附近，利用网格自适应功能进行局部加密，其截面网格如图3所示，单元数目为92740，节点数目为46975。模拟进气参数：载气为H2和SiH4，其中SiH4的含量为5%。进气速率1m/s，气体进气的温度300K，反应室内压强133Pa，根据上述的工艺参数设定边界条件如下：（1）入口边界条件：根据质量守恒定律和过流断面平均流速的假设确定反应器进口的轴向速度，入口速度的大小由气体流量确定。

9、（2）出口边界条件：由于反应器出口离加热器的距离较远，因而在气体的出口处气流达到完全发散，所以设置时采用压力出口边界条件。（3）壁面边界条件：反应器壁面边界处于壁面的阻挡和摩擦，因而使用无滑移条件，即任何方向速度均为0。本文采用控制容积积分法得到控制方程的差分方程，运用SIMPLE求解耦合的动量、能量及反应组分的质量输运方程。2仿真结果及分析2.1匀流板气流模拟结果及对比分析模拟分析等直径孔（中心开孔、中心不开孔）与渐变孔匀流板的不同气流效果。首先由图4可以看进口量为0.204725kg/s，出口流量为-0.20488kg/s，近似满足流量守恒的原则，因此计算结果收敛。图5(a)为匀流板中间开

10、孔情况下的模拟结果。匀流板正对进气口布孔，气流的最大速度达到了0.5m/s，远远高于周围的气流速度，因此必然对沉积薄膜造成冲击，大大影响气流的均匀性。不仅如此，中间气流过大也会造成周围的气流速度降低，这对均匀沉积薄膜十分不利，而且中间开孔位置衬底处的薄膜，会因为孔的气流过大，受到气流冲击而影响质量。由图5(b)可知，渐变孔开孔使得气流的入口气流很小，可解决气流对薄膜的冲击问题；而且远离中心处气流速度明显比图5(a)中的气流速度大，所以在相同的入口气流的情况下，渐变孔的设计很好地弥补了气流分布的不均匀。图5(c)是现有装备中使用的直径相同且中间不开孔气流场模拟效果图。这种开孔方式，在一定程度上也

11、能达到气体的均匀性，但是在径向上由于没有气流补偿，均匀布气面积受到一定限制。图5(d)是三种布气方式的出口气流曲线比较分析图，曲线1代表的是中心开孔的布气方式，曲线2是代表中心不开孔等直径孔的布气方式，曲线3则是渐变孔的布气方式。可以看出，曲线3能保证更大面积上的布气均匀性。2.2入口距离对气流均匀性的影响计算参数采用小孔直径d=0.5mm，等间距l=10mm，中间无开孔，入口直径到布气板距离为L，气流为（H2=60sccm，SiH4=5sccm），p=133Pa，T=180+273=453K，入口距离分别采用L=1.5mm，2.5mm，3.5mm，4.5mm，5.5mm。部分模拟结果如图6所

12、示。由于L=1.5mm与L=2.5mm模拟结果变化不大，所以图6中只列出后4种情况。由图中可以看出，进气入口到布气板的距离越近，则与布气板撞击时，处于射流刚度比较大的位置，这样就使靠近进气口的气流速度比较大。但是如果进气口距离板的距离过大，如图6(d)中L=5.5mm时，此时气流与布气装置相遇时，由于进气速率过小，反而会造成中间位置的成膜速率过小。为了更方便观察回流现象，可参考图7，可以看出，随着入口距离的增加，最大速度逐渐减小，相对成膜速率也会减小。其主要原因是随着入口距离的增加，回流现象越来越小。由于L=2.5mm与L=3.5mm模拟结果变化不大，所以这里只分析后3种情况。在L=3.5mm

13、和L=4.5mm时候均发生回流现象，但后者相对回流小，L=5.5mm时则基本没有回流产生，但是这时由于入口气流速度过小，造成气体较大面积的波动。从上面分析可知，随着气体入口到布气板距离的增加，中间位置处的流速逐渐下降。由于在PECVD设备中，进气流速度较小，为了使气流在径向上保证均匀，必须设法提高中间气流的速度，所以进气距离不能过大。但如果进气口到布气板距离过小，则中间气流的速度会过大，容易形成回流，增加了气流的不稳定性。所以选择距离4.5mm为最佳。2.3入口形状对气流均匀性的影响进气管入口形状主要是指入口气流进气角度，进气角度的不同，对气流的均匀性扩散起关键作用。气体流经直径5mm的管道，

14、从管道流出后则成为一股射流，射流与布气板撞击后可能形成回流，而回流则会增加气体流动的不稳定性。设备参数如下：小孔直径d=0.5mm，等间距l=10mm，中间无开孔，入口直径到布气板距离为L=4.5mm，进气速度为v=65sccm（H2=60sccm，SiH4=5sccm），p=133Pa，T=180+273=453K。图8中(a)、(b)、(c)分别为直口进气方式、入口角度45°进气方式、入口角度60°进气方式出口曲线图和气流流动效果图。由图中可以看出：气体垂直进气方式回流较小，随着进气角度的增加，气体回流越来越严重，影响气体均匀性，因此选择垂直进气方式。直口垂直进气可以相

15、对提高出气速度，现在设备中为了保证镀膜的均匀效果，进气速度都比较低。从图8(a)、(b)、(c)的出口曲线速率比较中也可以看出，后两种的回流较严重，主要原因是采用喇叭口使得气流的初始速度降低。由于PECVD设备中气流速度相对很小，当采用喇叭口进气时，气流的速度过低，会出现大面积的回流现象。回流的产生会使速度的波动程度更大，因此如果设备中的气流速度较大时，可以考虑喇叭口进气的方式。2.4压强对气流均匀性的影响本节分析其它结构尺寸确定的情况下，反应室中压强的变化对气体流动的影响。参数设置为：小孔直径d=0.5mm，等间距l=10mm，中间无开孔，入口直径到布气板距离为L=4.5mm，气流为（H2=60sccm，SiH4=5sccm），T=180+273=453K。为了研究压强对气流均匀性的影响效果，采用将系统中的压力倍数增大的形式，分析出口气流速率的变化。压强p分别为133Pa,266Pa,399Pa，1000Pa时，出口气流的速度曲线如图9所示。由图可以看出，相对来说，压强对气流均匀性的影响不是很明显，随着压强的增加，气流的波动会略有增加，主要是由于回流现象变得严重。所以在镀膜过程中，应尽量减小压强，在