氣相沉積爐中氣流循環(huán)原理

享元儀器

氣相沉積爐的氣流循環(huán)原理是其核心工作機(jī)制之一，直接決定了沉積薄膜的均勻性、致密性和質(zhì)量。其原理根據(jù)爐型不同，主要分為兩大類：??自然對(duì)流??和??強(qiáng)制循環(huán)??。
一、核心目標(biāo)
氣流循環(huán)的根本目的是為了：
??1、均勻輸送??：將反應(yīng)前驅(qū)體氣體均勻地輸送到基片（工件）的每個(gè)表面。
??2、有效排除??：將已完成反應(yīng)的副產(chǎn)物氣體及時(shí)、高效地排出反應(yīng)區(qū)。
??3、控制邊界層??：打破基片表面的氣體滯留層（邊界層），確保反應(yīng)氣體能充分接觸基片表面。
二、氣流循環(huán)原理的兩種主要模式
模式一：自然對(duì)流（主要用于簡(jiǎn)單管式爐）
??驅(qū)動(dòng)力量??：主要由??溫度差??引起。
??工作原理??：
1、在熱壁式CVD爐中，加熱區(qū)溫度最高，氣體受熱膨脹，密度變小而上升。
2、較冷的區(qū)域（如爐口方向）氣體密度大，向下沉降。
3、這種冷熱氣體之間的密度差形成了自然的循環(huán)流動(dòng)。
??特點(diǎn)??：
??優(yōu)點(diǎn)??：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件。
??缺點(diǎn)??：流場(chǎng)不均勻、可控性差，容易產(chǎn)生湍流和死區(qū)，導(dǎo)致薄膜均勻性不佳。主要用于一些對(duì)均勻性要求不高的研發(fā)或簡(jiǎn)單工藝。
模式二：強(qiáng)制循環(huán)（現(xiàn)代工業(yè)氣相沉積爐的主流技術(shù)）
??驅(qū)動(dòng)力量??：通過(guò)??風(fēng)機(jī)或噴淋系統(tǒng)??主動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣流。
??工作原理??：
??1、氣體注入??：反應(yīng)氣體通過(guò)特定設(shè)計(jì)的進(jìn)氣口（如噴淋頭）以特定角度和流速均勻注入反應(yīng)室。
??2、流場(chǎng)設(shè)計(jì)??：爐體結(jié)構(gòu)被精心設(shè)計(jì)以引導(dǎo)氣流模式，最常見(jiàn)的是：
??垂直流??：氣體從頂部噴淋頭均勻向下流動(dòng)，垂直穿過(guò)放置基片的托盤，然后從底部抽氣口排出。這種模式流場(chǎng)最均勻，是量產(chǎn)型CVD和MOCVD的**。
??水平流??：氣體從反應(yīng)管一端注入，水平流過(guò)基片，從另一端排出。常見(jiàn)于一些管式LPCVD（低壓化學(xué)氣相沉積）爐。
??3、主動(dòng)抽氣??：真空泵系統(tǒng)在出口處持續(xù)抽氣，與進(jìn)氣配合，形成一個(gè)穩(wěn)定、可控的定向氣流。
??特點(diǎn)??：
??優(yōu)點(diǎn)??：流場(chǎng)可控、均勻性極高、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高。
??缺點(diǎn)??：系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。
三、氣流循環(huán)與關(guān)鍵工藝參數(shù)的相互作用
氣流循環(huán)并非獨(dú)立存在，它與以下參數(shù)緊密耦合：
??溫度場(chǎng)??：溫度分布直接影響氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度和化學(xué)反應(yīng)速率，需要與流場(chǎng)匹配。
??壓力??：在低壓CVD中，氣體分子平均自由程變長(zhǎng)，擴(kuò)散增強(qiáng)，有助于氣體進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)，氣流設(shè)計(jì)需考慮低壓效應(yīng)。
??氣體流速??：流速過(guò)低可能導(dǎo)致反應(yīng)物補(bǔ)充不足，副產(chǎn)物滯留；流速過(guò)高則可能浪費(fèi)反應(yīng)氣體，甚至破壞已形成的薄膜。
總結(jié)
氣相沉積爐的氣流循環(huán)原理，本質(zhì)上是??通過(guò)自然或強(qiáng)制手段，在反應(yīng)室內(nèi)建立一個(gè)穩(wěn)定、均勻、可控的氣體流動(dòng)模式???，F(xiàn)代高性能沉積爐普遍采用??強(qiáng)制循環(huán)??模式，通過(guò)精密的噴淋頭、反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和真空泵系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的精確控制，從而確保在復(fù)雜工件表面獲得高質(zhì)量、高均勻性的薄膜涂層。