化学气相沉积（CVD）几乎用于所有半导体制造过程，没有它，大多数现代电子产品将不会存在。尤其是这一过程被用于生产微芯片的均匀薄膜。其他采用 CVD 的过程还包括腐蚀防护、玻璃涂层和合成钻石的生产。在这篇博客文章中，我们将简要介绍 CVD ，并以船型反应器模型为例，说明如何借助仿真更深入地理解这一过程。
什么是 CVD ?
在 CVD 中，固体基质被置于充满前体化学品气体混合物的反应室中。这是一个反应过程，因此与蒸发和溅射等物理过程有所不同。CVD 方法有很多种，每种方法使用不同的化学物质、基质材料和温度。根据运行条件的不同， CVD 反应器有多种不同的类型，如等离子体增强型、常压型、低压型和超高真空型 CVD 反应器。
低压反应器（如船型反应器）在亚大气压下运行，通常用于 CVD 工艺中，以提高气态物质的扩散性，以及去除不需要的气相反应。这使得沉积过程受到沉积动力学的限制，从而形成厚度均匀的沉积层。这也使船型反应器成为芯片制造的理想选择，因为这一过程需要沉积薄且均匀的硅层。
常见的船型反应器由以下组件构成：
- 由石英或硅制成的船型容器，用于盛放待镀膜的晶圆
- 用于将前体化学品引入反应室的入口
- 用于提供反应所需温度的热源
- 用于沉积所需材料的基质
- 残余气体排出反应器的出口
下图为船型反应器的示意图。
典型的低压 CVD 船型反应器装置。
反应气体（本例中为硅烷 (SiH4)）从入口进入反应器，在晶圆束上反应生成氢和硅。剩余的混合物从出口离开反应器。晶圆上的硅沉积与进入的气体混合物中硅烷的浓度成正比。
现在，让我们来看看使用 COMSOL Multiphysics®软件建立的船型反应器模型的各个部分。
模型组件概述
船型反应器的建模域如下图所示。考虑到模型为二维轴对称几何，对该域进行了简化，并将晶圆束模拟为各向异性多孔介质，只允许径向传递，以提高计算效率。假定 CVD 反应器中的温度恒定不变。
在 COMSOL Multiphysics®中模拟的船型反应器的建模域。
示例模型的目标是将沉积速率描述为该系统中流体力学和动力学的函数。该模型将动量和质量传递与所需沉积过程的反应动力学相耦合，因此考虑了以下三种物理现象：
- 化学
- 流体流动
- 质量传递
接下来，我们将详细介绍这些现象。
化学
先来考虑化学反应。模型中的主要前体化学品是硅烷气体。气体从入口进入反应器，在硅晶圆束上形成固态硅沉积。该反应可描述如下：
在此，反应气体被稀释在惰性氮气中，假定惰性氮气合理地表征了混合物的特性。
流体流动
反应器中的流动被建模为层流流体流动，但晶圆束内部的流动被忽略，因为它只允许沿径向的传输。因此，反应物气体混合物被认为是通过扩散传递，并且假设了平均入口速度在反应器壁、船型支撑结构附近或晶圆束周围没有下降。
质量传递
稀释溶液中每种气体的扩散、对流和反应均包括在内。反应仅在晶圆束域内进行，因此自由流动域内的反应速率为零。
反应室中硅烷气体的浓度和速度。
结果
第一幅图显示了硅晶圆束中硅烷的浓度曲线，它对沉积速率和沉积硅层的厚度有很大影响，可用于计算硅晶圆束上的硅沉积速率。可以观察到，在入口和自由流动域附近的浓度最高。通常人们希望浓度尽可能地均匀，但高浓度也有缩短沉积时间的益处。可以通过提升硅晶圆周围气体的流速，来增加扩散到硅晶圆束中的气体浓度。
硅的浓度曲线，其中线条代表等高线。
下图描述了硅沉积率随温度、压力和晶圆束中位置的变化。每组特定颜色的曲线代表在 CVD 工艺中，以不同压力运行时的最小和最大预期沉积率。
不同压力值下的最小和最大预期沉积率。
上图显示，硅沉积率的变化随反应器的工作温度和压力的增加而增大。根据这些结果可以确定，为了确保硅晶圆束上沉积速率的均匀性，由于硅烷气体的扩散性较高，在较低的压力和较高的温度下运行更为合适。
下一步
CVD 工艺是微芯片制造过程中的一个重要步骤。该工艺可以精准调控，但需要进行大量控制。可以通过调节温度、压力和沉积时间来控制涂层的厚度和均匀性。此外，CVD 反应器可能价格昂贵，设备和前体化学气体可能存在危险。 COMSOL Multiphysics®可用于对该过程进行建模，以更好地理解影响 CVD 工艺的各种因素，并对结果进行精准调控。
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