化学气相沉积 (CVD) 能够生产出兼具高质量、高纯度及高强度等优点的材料，因此在半导体行业非常受欢迎。超高真空化学气相沉积 (UHV/CVD) 涉及相当复杂的设备和极高的温度。为了能在提高效率的同时更好地控制成本，工程师们可以对这一复杂工艺进行模拟。本篇博客中，我们将以硅基片的生长为例进行说明。
什么是 UHV/CVD？
在 CVD 工艺中，在化学过程中，会在暴露的基底表面发生反应或进行分解，进而制造出一层沉积膜或薄膜。我们一般使用 CVD 来生产拥有较高质量及强度的材料，比如石墨烯这种仍持续占据科学界头条的强大而又独特的材料。CVD 还可用于生产各种通用型产品，从碳纳米纤维到合成钻石等等，因此极受重视。在半导体类应用中，可使用 CVD 进行高纯度硅的外延层生长。
石墨烯就是可以通过 UHV/CVD 生产的材料之一。图片由 AlexanderAlUS 提供。已获 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported 授权，并通过 Wikimedia Commons 分享。
UHV/CVD 工艺需要在低于 10-6 Pa 的压力（约为 10-8 torr）下工作。该工艺会使用分子流来传递气体。UHV/CVD 不涉及诸如边界层等流体动力学效应；此外，由于分子的碰撞频率很低，也不涉及气相化学。材料在基底上的生长速率通常取决于达到表面的物质的分子通量。我们也可以借助 UHV/CVD 工艺来生产石墨烯，我的同事 Daniel Smith 曾在“石墨烯革命”系列博客的第四部分讨论过。
利用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟 UHV/CVD
如前所述，UHV/CVD 实验往往耗时过长，且费用很高，而且还需要一些特殊材料和复杂的热管理。幸运的是，我们可以使用分子流模块（COMSOL Multiphysics 仿真平台的附加模块之一）中的自由分子流动接口来模拟这一化学工艺。在模型中，基片紧密排布在石英管内移动的船体上，石英管被锅炉环绕。晶圆匣通过传送轨道安置于管道内。
反应气体与镇流气体通过一端的预真空锁进入反应室。涡轮泵位于反应室的另一端。
UHV/CVD 工艺所用反应室的模型几何。
仿真中，反应气体硅烷与镇流气体氢以 1 SCCM 的标准质量流率从系统入口进入，硅烷与氢的比例为 20%：80%。将反应室入口设为排气壁边界条件。真空泵置于反应室的另一端的筒形端口内。
仿真使我们能针对各泵速曲线分析这一工艺。我们分析了三种不同的硅烷和氢泵速曲线，将这些曲线作为插值函数输入 COMSOL Multiphysics 软件。之后，我们可以使用参数化扫描来分析各种气体在不同泵速曲线下的传输。
在下方的表面图中，我们可以看到其中一个泵速曲线下硅在基片上的生长情况。
晶圆匣内的硅烷分子通量分数，它控制了在基片上的生长情况。
硅烷在基片表面的分子通量分数 (0.04) 远低于入口处 (0.2)。氢的分子量更低，所以泵入难度要高于硅烷。由于该测量值会直接控制基片上的生长量，所以硅烷泵和氢泵的选择对于 UHV/CVD 生产出的材料量有重要影响。由于很难通过物理实验测量每种材料的分子通量分数，所以可以借助仿真来分析及优化 UHV/CVD 工艺。
下一步操作
点击下方按钮进入“案例下载”页面，下载并操作此教学模型。拥有 COMSOL Access 和有效软件许可证的用户可下载 MPH 文件。
扩展阅读
- 阅读专题博客学习石墨烯及其生产
- 深入了解COMSOL Multiphysics 仿真软件及其仿真应用
编者注：本篇博客文章更新于 2018 年 5 月 2 日 。
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