鄧瑞英

上海安世亞太公司

化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）主要是利用含有薄膜元素的氣相物質(zhì)在襯底表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的方法，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)晶體、晶體薄膜，晶須，多晶/非晶材料膜。化學(xué)氣相沉積技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中有著比較廣泛的應(yīng)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(xué)氣相沉積技術(shù)（PECVD），等離子技術(shù)可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，使得沉積過程能夠在較低的溫度下進(jìn)行。

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(chǎn)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(xiàn)場實驗測量的方法獲得薄膜的生長規(guī)律、氣流流動特性、復(fù)雜的氣相和表面化學(xué)反應(yīng)過程，因此需要借助CFD軟件模擬和預(yù)測非晶硅薄膜的沉積過程，獲得薄膜生長規(guī)律，從而解決薄膜的均勻性問題。

案例分析

等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD-- plasma-enhanced chemical vapor deposition）反應(yīng)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(yīng)氣體硅烷（SiH4）和氫氣（H2）進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器中加有電離場，反應(yīng)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(jīng)過物理吸附過程重新形成SiH4和H2。一部分SiH3經(jīng)過化學(xué)吸附過程，SiH3、H吸附在帶懸掛鍵Si表面。

圖2：PECVD反應(yīng)器示意圖

圖3：PECVD反應(yīng)器原理圖

為減少計算量，采用反應(yīng)器對稱的一半?yún)^(qū)域做計算。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示，硅烷和氫氣從進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)器，接著通過設(shè)置有1cm寬的5個孔隙進(jìn)入電離區(qū)域，一部分沉積組分在晶圓表面產(chǎn)生吸附，一部分反應(yīng)物和沉積組分從出口逸出。網(wǎng)格采用Ansys MESHING進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為10.7萬，由于在擋板附近為速度變化較大區(qū)域，因此采用局部網(wǎng)格加密的方法，如圖5所示。

圖4：反應(yīng)器計算區(qū)域

圖5：反應(yīng)器計算區(qū)域劃分網(wǎng)格

Ansys Fluent中邊界條件設(shè)置：進(jìn)口速度0.07m/s，溫度475K，組分H2:SiH4=9:1（摩爾分?jǐn)?shù)）；出口為壓力出口邊界。

圖6：邊界條件設(shè)置

根據(jù)計算的Re=2.8e-04，選擇層流模型，化學(xué)反應(yīng)選擇有限反應(yīng)速率模型。

圖7：組分輸運模型

宏觀反應(yīng)機理：電離反應(yīng)+體積反應(yīng)

圖8：反應(yīng)機理設(shè)置

反應(yīng)器內(nèi)電場的電子密度分布通過UDF（用戶自定義函數(shù)）加載：

圖9：電子密度分布圖-單位（1/ m³ ）

微觀反應(yīng)機理：由圖3可以看到，宏觀和微觀之間主要進(jìn)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(shù)）組分源項的方式加載在薄膜中進(jìn)行計算。

圖10：微觀反應(yīng)中組分源項加載

計算流場分析

圖10、11為SiH4和H2的摩爾分?jǐn)?shù)云圖，可以看到SiH4進(jìn)入電離區(qū)域后迅速消耗減少，H2的反應(yīng)比較復(fù)雜，H2電離后生成H+，H2減少；而H+又與其他產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成H2，H2增加，因此在電離區(qū)內(nèi)含量較多。

圖11：SiH₄的摩爾分?jǐn)?shù)云圖

圖12：H₂的摩爾分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)分布云圖如圖12、13所示。可以發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生化學(xué)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(fā)現(xiàn)，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。

圖13：SiH₃摩爾分?jǐn)?shù)云圖

圖14：H的摩爾分?jǐn)?shù)云圖

結(jié)論

化學(xué)氣相沉積過程較為復(fù)雜，包含宏觀和微觀反應(yīng)過程，因此很難通過實驗測量的方法獲得反應(yīng)器內(nèi)的流體流動特性。采用CFD軟件Fluent可以深入探究反應(yīng)器內(nèi)的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程，流場流動特性，從而找到引起沉積薄膜厚度不均的原因。接下來，我們可以通過改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化流場參數(shù)來提高沉積薄膜的均勻性。