Ansys Fluent在化學氣相沉積（CVD）技術中的應用

上海安世亞太

2021年10月19日 15:03

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作者：鄧瑞英，上海安世亞太流體工程師

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研究背景

化學氣相沉積技術主要是利用含有薄膜元素的氣相物質在襯底表面進行化學反應生成薄膜的方法。該技術廣泛應用于生產晶體、晶體薄膜，晶須，多晶/非晶材料膜。化學氣相沉積技術在半導體工業中有著比較廣泛的應用，例如，非晶硅薄膜太陽能電池中非晶硅材料的制備采用的就是等離子增強型化學氣相沉積技術（PECVD），等離子技術可以促進化學反應的發生，使得沉積過程能夠在較低的溫度下進行。

圖1 薄膜太陽能電池

研究目的

在制備薄膜太陽能電池的過程中，非晶硅表面上沉積的薄膜往往存在厚度不均勻的問題。非均勻薄膜對太陽能電池的性能產生極大的影響，因此需要深入探究非晶硅薄膜的沉積過程，解決沉積薄膜的非均勻性問題。而在晶硅薄膜的制備過程中很難通過現場實驗測量的方法獲得薄膜的生長規律、氣流流動特性、復雜的氣相和表面化學反應過程，因此需要借助CFD軟件模擬和預測非晶硅薄膜的沉積過程，獲得薄膜生長規律，從而解決薄膜的均勻性問題。

案例分析

等離子體化學氣相沉積（PECVD-- plasma-enhanced chemical vapor deposition）反應器主要由宏觀和微觀兩部分組成，如圖2、3所示。宏觀部分：反應氣體硅烷（SiH₄）和氫氣（H₂）進入反應器，反應器中加有電離場，反應氣體在電離的作用下形成SiH₃和H。微觀部分：一部分SiH₃和H經過物理吸附過程重新形成SiH₄和H₂。一部分SiH₃經過化學吸附過程，SiH₃、H吸附在帶懸掛鍵Si表面。

圖2 PECVD反應器示意圖

圖3 PECVD反應器原理圖

為減少計算量，采用反應器對稱的一半區域做計算。反應器結構如圖4所示，硅烷和氫氣從進口進入反應器，接著通過設置有1cm寬的5個孔隙進入電離區域，一部分沉積組分在晶圓表面產生吸附，一部分反應物和沉積組分從出口逸出。網格采用ANSYS MESHING進行劃分，網格數量為10.7萬，由于在擋板附近為速度變化較大區域，因此采用局部網格加密的方法，如圖5所示。

圖4 反應器計算區域

圖5 反應器計算區域劃分網格

ANSYS FLUNET中邊界條件設置：進口速度0.07m/s，溫度475K，組分H₂:SiH₄=9:1（摩爾分數）；出口為壓力出口邊界。

圖6 邊界條件設置

根據計算的Re=2.8e-04，選擇層流模型，化學反應選擇有限反應速率模型。

圖7 組分輸運模型

宏觀反應機理：電離反應+體積反應

圖8 反應機理設置

反應器內電場的電子密度分布通過UDF（用戶自定義函數）加載：

圖9 電子密度分布圖-單位（1/m³）

微觀反應機理：由圖3可以看到，宏觀和微觀之間主要進行組分SiH4、H2、SiH3、H的輸運，為減少計算量，采用UDF（用戶自定義函數）組分源項的方式加載在薄膜中進行計算。

圖10 微觀反應中組分源項加載

計算流場分析

圖10、11為SiH₄和H₂的摩爾分數云圖，可以看到SiH₄進入電離區域后迅速消耗減少，H₂的反應比較復雜，H₂電離后生成H⁺，H₂減少；而H⁺又與其他產物發生反應生成H₂，H₂增加，因此在電離區內含量較多。

圖11 SiH₄的摩爾分數云圖

圖12 H₂的摩爾分數云圖

非晶硅薄膜的厚度主要取決于沉積組分SiH₃和H的沉積量，SiH₃和H的摩爾分數分布云圖如圖12、13所示。可以發現，沉積組分的濃度分布與電子密度場的分布趨勢相近，表明相對于組分的對流和擴散作用，電離場對組分分布的影響更大。此外，可以看到由于沉積組分在晶圓表面產生化學吸附，晶圓表面沉積組分減少，形成薄薄的一層薄膜。我們還可以發現，SiH₃和H在空間分布不均勻，而薄膜的沉積厚度取決于沉積組分的吸附作用，因此這可能是引起非晶硅薄膜沉積厚度不均勻的原因之一。