原子层沉积过程中腔室内前驱体分布的模拟研究_雷星航.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 7.基金项目:吉林省科技厅项目(2 0 2 0 0 2 0 1 0 7 7 J C);吉林省教育厅项目(J J KH 2 0 2 2 0 7 2 6 K J);重 庆 市 自 然 科 学 基 金 项 目(C S T B 2 0 2 2 N S C Q-M S X 0 7 5 1).*通信作者:王国政E-m a i l:W g u o z h e n g 1 6 3.c o m材料、结构及工艺D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 1 1 0 7 0 2原子层沉积过程中腔室内前驱体分布的模拟研究雷星航,王国政*,杨继凯(长春理工大学 物理学院,长春1 3 0 0 2 2)摘 要:建立了原子层沉积(A t o m i cL a y e rD e p o s i t i o n,A L D)反应腔室的三维模型,利用AN S Y SF l u e n t软件模拟分析了A L D过程中压强、前驱体脉冲时间、温度等工艺参数变化对前驱体分布的影响。模拟结果表明:反应压强越低,M g(C p)2前驱体分子的扩散系数越高,能更快且更均匀地分布在整个反应腔室之中;前驱体脉冲时间越长,在反应腔室内的分布越均匀;当脉冲时间为2 5 0m s时,M g(C p)2在反应腔室内分布基本均匀,反应腔室内各部位的前驱体质量分数基本一致;当脉冲时间为2 0 0m s时,H2O基本均匀分布在反应腔室内。在M g O薄膜的A L D温度窗口内,反应腔室内温度越高,M g(C p)2前驱体分子的扩散效应越强。关键词:原子层沉积;计算流体力学;数值模拟;前驱体分布中图分类号:T N 3 0 2;T N 3 0 4.0 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 8 1-0 6S i m u l a t i o no fP r e c u r s o rD i s t r i b u t i o n i nC h a m b e rD u r i n gA t o m i cL a y e rD e p o s i t i o nL E IX i n g h a n g,WANGG u o z h e n g,YANGJ i k a i(S c h o o l o fP h y s i c s,C h a n g c h u nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,C h a n g c h u n1 3 0 0 2 2,C H N)A b s t r a c t:At h r e e-d i m e n s i o n a lm o d e lo fa t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n(A L D)r e a c t i o nc h a m b e rw a se s t a b l i s h e d.T h e i n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sp r e s s u r e,p r e c u r s o rp u l s et i m ea n dt e m p e r a t u r eo np r e c u r s o rd i s t r i b u t i o ni nA L Dp r o c e s sw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e db yAN S Y SF l u e n t s o f t w a r e.T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h e l o w e r t h er e a c t i o np r e s s u r e i s,t h eh i g h e rt h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fM g(C p)2p r e c u r s o rm o l e c u l ew i l lb e.A n dt h el o n g e rt h ep r e c u r s o rp u l s et i m e i s,t h em o r e e v e n t h ed i s t r i b u t i o no f i t i n t h e r e a c t i o nc h a m b e rw i l l b e.Wh e n t h ep u l s et i m e i s2 5 0m s,t h ed i s t r i b u t i o no fM g(C p)2i nt h er e a c t i o nc h a m b e rw a sb a s i c a l l ye v e n,a n dt h em a s s f r a c t i o no f t h ep r e c u r s o r i ne a c hp a r to f t h e r e a c t i o nc h a m b e rw a sb a s i c a l l yt h es a m e.Wh e nt h ep u l s e t i m e i s 2 0 0m s,H2Oi sb a s i c a l l ye v e n l yd i s t r i b u t e d i n t h e r e a c t i o nc h a m b e r.I n t h eA L Dt e m p e r a t u r ew i n d o wo fM g Of i l m,t h ed i f f u s i o ne f f e c t o fM g(C p)2p r e c u r s o rm o l e c u l e i s s t r o n g e rw i t ht h eh i g h e r t e m p e r a t u r e i nt h er e a c t i o nc h a m b e r.K e yw o r d s:a t o m i c l a y e rd e p o s i t i o n;c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;p r e c u r s o rd i s t r i b u t i o n0 引言M g O具有良好的化学惰性和热稳定性,其禁带宽度为7.8e V,相对介电常数为9.8(本征材料),且M g O-S i有着可与S i O2-S i相比拟的良好的界面1。M g O还有着许多优异的性质,例如光学稳定性、耐火性、热传导性和高二次电子发射系数等。这些优异性质使M g O薄膜广泛应用于光学薄膜2、铁电薄膜3、淀积在半导体衬底上的超导缓冲层4、等离子显示器件5-6以及微通道板7等诸多领域。M g O薄膜的制备方法很多,如磁控溅射法8、激光脉冲沉积(P L D)法9、溶胶-凝胶法(s o l-g e l)1 0、分子束外18 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期雷星航 等:原子层沉积过程中腔室内前驱体分布的模拟研究 延(MB E)1 1和原子层沉积(A L D)1 2法等。其中A L D技术制备M g O薄膜具备诸多沉积优点1 3:(1)用A L D方法制备的M g O薄膜平滑致密,表面无针孔,热、化学稳定性好1 4-1 5,有良好的台阶覆盖率;(2)由于其自限制特性,可制备大面积厚度均匀的M g O薄膜,具有高重复性的优势;(3)薄膜可低温生长,温度可以低至8 0,这对于在集成电路和生物材料等领域具有极高吸引力。当前A L D技术制备M g O薄膜的相关研究更多关注的是生长速率和薄膜性能等,关于研究前驱体分布对薄膜均匀性的影响较少。鲜有关于前驱体工艺参数的研究,如压强、脉冲时间、温度等对其在反应腔室中分布及质量分数的影响的模拟研究。本文建立了反应腔室的三维几何模型,使用AN S Y SF l u e n t软件模拟了A L D过程中这些工艺参数变化对反应腔室内前驱体分布的影响。该研讨丰富了A L D薄膜均匀性的研究体系,对A L D在微通道板、集成电路等精密器件上沉积均匀薄膜提供了更多的参考。1 计算流体力学基本理论和数值模拟方法1.1 流体流动的基本方程前驱体流动遵循质量守恒定律,质量守恒定律的一般形式为1 6 t+(ui)=Sm(1)式中,t为时间,为流体密度,Sm为实验使用的前驱体源与载气源进入反应腔室内的质量,ui为i方向上流体流动时的速度矢量。这个方程的物理意义是:t时间内流体增加的质量等于t时间内流入该流体的静质量。该方程可以应用于可压流体和不可压流体。前驱体流动同样遵循动量守恒定律,动量守恒定律实际上是牛顿第二定律在流体动力学中的应用,其一般形式为1 6 t(ui)+(uiuj)=-pI+i j+gi+Fi(2)式中,p为压强,i j为应力张量,gi为流体内部i方向上所受重力,Fi为i方向上的外部体积力,本实验中指真空泵对流体的吸力。自然界中的流体状态主要有层流和湍流,而前驱体在低真空度下为黏滞流状态,所以在建立仿真模型前,应该利用雷诺数R e确定流体处于层流还是湍流。雷诺数R e的定义式为R e=u L(3)式中,u是流体流速,单位为m/s;L是特征长度,单位为m;是流体的密度,单位为k g/m3,而是流体的动力粘度,单位为P as。根据流体的质量流量、管口截面积及相应的压力条件,可由下式计算平均的气流速度:u=T2 7 3K1.1 0 31 05P ap1 0-36 0fA(4)式中,T是热力学温度,单位为K;p是压强,单位为P a;f是流体的流量,单位是L/m i n,而A是过流断面的截面积,单位是m2。从公式(4)可以看出腔室体积越大,过流断面A也就越大,气体流速也就越小。模拟设定反应腔室内压强区间为2 08 0P a,气体流 量 为1 2 0 c m3/m i n,反 应 腔 室 内 温 度 区 间 为4 7 3K。根据以上公式所推算得出的反应腔室内速度区间为7.53 0m/s,将速度值代入到雷诺数定义式即公式(3)中,可以计算出R e的区间值为1 2.14 8.4(小于临界数值23 0 0),进而可以判定反应腔室内的流体状态是层流。1.2 有限体积法现代数值模拟方法,通常需先对数据进行区域的离散化处理,并利用计算机对数据进行运算,最后得到满足工程要求的数值解。常用的区域离散量化方法:有限差分法、有限单元法和有限体积法。有限差分法直观、理论成熟、精度可选,但是不规则区域处理繁琐。有限单元法适合处理复杂区域、精度可选,缺点是内存和计算量巨大。而有限体积法又称控制体积法,可以看做有限差分法和有限单元法的中间产物。即使在粗网格情况下,也能显示出准确的积分守恒。由于F l u e n t软件基于有限体积法,所以下面将简要阐述有限体积法的基本思路。有限体积法是指将需要计算的区域分割为多个网格点,而每个网格点旁均具有某个限制体积,且每一个限制体积并不重复,因此对于任何一个限制体积,可以利用待求的常微分方程对其积分,进而整理并得出一组离散化方程式1 7。三维对流扩散方程组的运动守恒型微分方程如下:28S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3()t+(u)x+(v)v+(w)z=xK x+xK v+xK z+S(5)用散度和梯度表示后,上述公式变化为()t+d i v(u)=d i v(Kg r a d)+S(6)