基于流体动力学的原子层沉积工艺优化与实验验证

摘要

随着电子器件的尺寸不断减小、集成电路的密度不断增大，纳米级薄膜制备在微电子技术的进一步发展中起着至关重要的作用。具有表面自限制性的原子层沉积技术可用于制备厚度精确可控、生长均匀的纳米薄膜，使得纳米薄膜技术可扩展于光电子器件封装、柔性电子材料、薄膜太阳能电池等应用中。原子级表面生长是原子层沉积厚度精确可控的保障，然而生长速率过慢则是制约该技术工业发展和扩展应用的重要障碍。如何加快循环间的交替以及加快大表面积薄膜包覆成为解决该技术瓶颈的突破口。本文具体内容包含：
　　（1）以计算流体动力学理论为基础，构建了原子层沉积脉冲式工艺的有限元仿真模型。通过集成气质传输、瞬态脉冲、热传导和固体表面反应等物理化学过程，耦合分析了气相脉冲工艺中前驱体分布和表面包覆效率。通过对模拟结果中气流速度、气质组分和表面反应分布的对比研究，探索了不同工艺参数（入口流量、出口压力、前驱体浓度等）下原子层沉积循环时间和前驱体用量的优化方法。
　　（2）搭建了前驱体定量输出和在线过程检测的集成式原子层沉积系统。在线四级杆质谱仪可追踪脉冲过程中各反应物组分随时间的变化，从而作为循环时间和前驱体消耗的定量判定标准。而在线椭偏仪则可对单元脉冲中的薄膜厚度变化进行测量，为原子层沉积工艺的定量化研究提供丰富的分析手段。本系统通过对压力、组分、粒子浓度和薄膜厚度等的定量测定和实时监测，研究了不同流量和压力下前驱体输入和薄膜生长之间的定量关系，从而验证了仿真模型中定量生长规律。
　　（3）将耦合气质传输和化学反应的流体模型扩展应用于空间隔离原子层沉积效率分析。通过耦合体相反应的流体动力学模型监测两种分子相遇几率，并判断前驱体交叉扩散的隔离效果。通过对微间隙带内流体状态的分析，以及对不同载气流量、隔离气流量和前驱体浓度下沉积时间和表面均匀性的研究，优化批量沉积的产量与前驱体利用率。
　　（4）构建了批量粉末包覆的流化工艺模型。通过欧拉多相流模型分析了批量粉末的流化过程中气固交互作用，并进一步探讨了不同工艺条件对流化效率的影响。相比于表面反应的时间量级（毫秒级），流化工艺中前驱体分布的时间（几十~百秒级）是制约流化效率的瓶颈。
　　根据仿真分析结果，本文以循环时间（脉冲时间与吹洗时间之和）为优化目标分析了入口流量、出口压力和前驱体入口质量比等的协同关系。进一步，通过流量和压力的关联函数可确定气流速度和前驱体质量比为目标优化的两个关键因素。气流速度与前驱体浓度两个因素相互独立，并分别通过对流和扩散作用影响沉积过程中的分子运输。当针对开放或封闭空间考虑装备设计和沉积氛围等约束条件时，可确定气流速度的最小优化值。利用时间隔离原子层沉积工艺模型优化后的沉积效率比商用沉积设备提高了四倍，而空间隔离原子层沉积的大表面沉积效率则提高了两个数量级。

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1 绪 论

1.1 原子层沉积的应用背景

1.2 原子层沉积技术概述

1.3 原子层沉积国内外研究概况

1.4 原子层沉积技术发展存在的问题

1.5 本文的主要研究内容、技术路线及章节安排

2 原子层沉积过程的建模理论和方法

2.1 引言

2.2 耦合气相反应的流体动力学模型

2.3 原子层沉积流体动力学建模方案

2.4 本章小结

3 原子层沉积的集成系统及其定量实验

3.1 引言

3.2 集成式原子层沉积系统特征

3.3 原子层沉积的定量生长实验

3.4 本章小结

4 时间隔离原子层沉积系统建模和工艺优化

4.1 引言

4.2 时间隔离原子层沉积系统建模

4.3 时间隔离原子层沉积工艺优化分析

4.4 本章小结

5 空间隔离原子层沉积系统建模和工艺优化

5.1 引言

5.2 空间隔离原子层沉积系统

5.3 空间隔离原子层沉积工艺优化分析

5.4 本章小结

6 粉末流化工艺建模

6.1 引言

6.2 微纳米颗粒多相流工艺建模

6.3 基于多相流模型的工艺优化分析

6.4 本章小结

7 全文总结与工作展望

7.1 本文工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间的主要成果