气相沉积炉中气流循环原理

享元仪器

气相沉积炉的气流循环原理是其核心工作机制之一，直接决定了沉积薄膜的均匀性、致密性和质量。其原理根据炉型不同，主要分为两大类：​​自然对流​​和​​强制循环​​。
一、核心目标
气流循环的根本目的是为了：
​​1、均匀输送​​：将反应前驱体气体均匀地输送到基片（工件）的每个表面。
​​2、有效排除​​：将已完成反应的副产物气体及时、高效地排出反应区。
​​3、控制边界层​​：打破基片表面的气体滞留层（边界层），确保反应气体能充分接触基片表面。
二、气流循环原理的两种主要模式
模式一：自然对流（主要用于简单管式炉）
​​驱动力量​​：主要由​​温度差​​引起。
​​工作原理​​：
1、在热壁式CVD炉中，加热区温度最高，气体受热膨胀，密度变小而上升。
2、较冷的区域（如炉口方向）气体密度大，向下沉降。
3、这种冷热气体之间的密度差形成了自然的循环流动。
​​特点​​：
​​优点​​：结构简单，无运动部件。
​​缺点​​：流场不均匀、可控性差，容易产生湍流和死区，导致薄膜均匀性不佳。主要用于一些对均匀性要求不高的研发或简单工艺。
模式二：强制循环（现代工业气相沉积炉的主流技术）
​​驱动力量​​：通过​​风机或喷淋系统​​主动驱动气流。
​​工作原理​​：
​​1、气体注入​​：反应气体通过特定设计的进气口（如喷淋头）以特定角度和流速均匀注入反应室。
​​2、流场设计​​：炉体结构被精心设计以引导气流模式，最常见的是：
​​垂直流​​：气体从顶部喷淋头均匀向下流动，垂直穿过放置基片的托盘，然后从底部抽气口排出。这种模式流场最均匀，是量产型CVD和MOCVD的**。
​​水平流​​：气体从反应管一端注入，水平流过基片，从另一端排出。常见于一些管式LPCVD（低压化学气相沉积）炉。
​​3、主动抽气​​：真空泵系统在出口处持续抽气，与进气配合，形成一个稳定、可控的定向气流。
​​特点​​：
​​优点​​：流场可控、均匀性极高、重复性好、生产效率高。
​​缺点​​：系统复杂，成本高。
三、气流循环与关键工艺参数的相互作用
气流循环并非独立存在，它与以下参数紧密耦合：
​​温度场​​：温度分布直接影响气体分子的运动速度和化学反应速率，需要与流场匹配。
​​压力​​：在低压CVD中，气体分子平均自由程变长，扩散增强，有助于气体进入复杂结构，气流设计需考虑低压效应。
​​气体流速​​：流速过低可能导致反应物补充不足，副产物滞留；流速过高则可能浪费反应气体，甚至破坏已形成的薄膜。
总结
气相沉积炉的气流循环原理，本质上是​​通过自然或强制手段，在反应室内建立一个稳定、均匀、可控的气体流动模式​​。现代高性能沉积炉普遍采用​​强制循环​​模式，通过精密的喷淋头、反应室结构和真空泵系统协同工作，实现对流场的精确控制，从而确保在复杂工件表面获得高质量、高均匀性的薄膜涂层。