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摘 要

原子层沉积（ALD）由于其较低的反应温度，较好的基底保形性和均匀性以及简单可控的薄膜厚度，在一些新兴微观领域受到广泛的关注。但该技术相对于其他传统的CVD等技术，具有相对较低的增长率，循环时间较长。

该课题旨在通过更加先进与省时的计算流体力学（CFD）的方法，模拟ALD反应温度、压力、流速等对于腔体内基底表面反应速率的影响，优化实验条件。

CFD模拟计算发现：当温度升高时，表面反应速率略有降低；当压力升高时，表面反应速率上升较为明显，然而不同位置基底表面反应速率相差较大，沉积不均匀。在压力为0.2~2 torr时，反应最为均匀。故工作点可选为2 torr，373 K。此时在进气速率为10 m/s时，所需的腔体吹扫时间为0.65 s。

关键词：原子层沉积 计算流体力学 表面反应速率 优化

Optimizing the process of atomic layer deposition with the computational fluid mechanics method

Abstract

Atomic layer deposition (ALD) technique has become a rising concern in areas such as microelectronics, optoelectronics due to its lower reaction temperature, better basal conformal and uniformity, and simple controllable film thickness. But the technique has relatively low growth rate and long cycle time relative to other traditional technologies such as CVD.

This paper is aim to find out the effect of temperature and pressure on the surface deposition rate with the more advanced and time-saving method—the computational fluid mechanics, and also choose the best working point through the above studies.

Simulation results shows that when the temperature rises, the surface deposition rate decreases, but it is not obvious. When the pressure increases, the surface deposition rate increases significantly, but it makes the great differences between each membrane and the uneven deposition. The deposition is most uniform when the pressure is between 0.2-2 torr. So the work point used in actual operation is 2 torr and 373 K. The purge time required for the cavity is 0.65 s.

Keywords: Atomic layer deposition; computational fluid mechanics; surface deposition rate; optimization

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1、原子层沉积技术 1

1.1.1、基本原理 1

1.1.2、工艺特点 2

1.1.3、ALD技术应用 3

1.1.4、ALD优化 4

1.2、计算流体力学软件简介 4

1.2.1、FLUENT软件介绍 4

1.2.2、FLUENT软件应用 5

1.3、国内外使用FLUENT软件对ALD仪器进行模型优化的进展 6

1.4、本课题研究思路与内容 6

1.4.1、研究思路 6

1.4.2、研究内容 6

第二章 实验部分 7

2.1、ALD实验仪器介绍 7

2.2、数学模型 9

2.3、网格划分 11

2.4、实验参数设定 12

第三章 结果与讨论 14

3.1、膜对腔体内流体流动状态的影响 14

3.2、腔体内温度、压力的分布情况 15

3.3、压力、温度对表面反应速率的影响 16

3.4、ALD腔体内表面反应均匀性的研究 17

3.5、腔体反应后所需吹扫时间的研究 20

第四章 结论与展望 21

4.1、结论 21

4.2、展望 21

参考文献 23

致谢 27

第一章 绪论

1.1原子层沉积技术

原子层沉积技术（Atomic Layer Deposition; ALD），也称原子层化学气相沉积（Atomic Layer Chemical Vapor Deposition; ALCVD）^[1]。最早起源于前苏联研究人员实验中的一种薄膜生长方式，后来因电路尺寸的逐渐缩小，并能很好的满足半导体器件对工艺的要求，而得到飞速发展^[2-3]，在微电子学、光电子学、可再生能源等领域备受关注。

1.1.1 基本原理

ALD技术基本原理是气相前驱体以脉冲形式交替通入反应腔中，与基底表面活性基团发生化学反应，从而在基底表面形成沉积薄膜^[4]。ALD沉积过程可分为4个步骤：①将第一种前驱体（A）通过载气通入腔体，与基底表面部分活性物质发生吸附②使用惰性（N₂）气体吹扫，将剩余前驱体和反应多余生成物吹扫出腔体③通入第二种前驱体（B）与第一种吸附在基底表面的A发生化学反应，并形成薄膜④再次通入惰性气体吹扫腔体内剩余物及副产物。

此次研究的ALD反应主要为三甲基铝 (TMA) 与水反应，在表面生成Al₂O₃薄膜。在CVD反应中，TMA与水的总反应方程式为：

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