氣相沉積爐中氣流循環原理

享元儀器

氣相沉積爐的氣流循環原理是其核心工作機制之一，直接決定了沉積薄膜的均勻性、致密性和質量。其原理根據爐型不同，主要分為兩大類：??自然對流??和??強制循環??。
一、核心目標
氣流循環的根本目的是為了：
??1、均勻輸送??：將反應前驅體氣體均勻地輸送到基片（工件）的每個表面。
??2、有效排除??：將已完成反應的副產物氣體及時、高效地排出反應區。
??3、控制邊界層??：打破基片表面的氣體滯留層（邊界層），確保反應氣體能充分接觸基片表面。
二、氣流循環原理的兩種主要模式
模式一：自然對流（主要用于簡單管式爐）
??驅動力量??：主要由??溫度差??引起。
??工作原理??：
1、在熱壁式CVD爐中，加熱區溫度最高，氣體受熱膨脹，密度變小而上升。
2、較冷的區域（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流動。
??特點??：
??優點??：結構簡單，無運動部件。
??缺點??：流場不均勻、可控性差，容易產生湍流和死區，導致薄膜均勻性不佳。主要用于一些對均勻性要求不高的研發或簡單工藝。
模式二：強制循環（現代工業氣相沉積爐的主流技術）
??驅動力量??：通過??風機或噴淋系統??主動驅動氣流。
??工作原理??：
??1、氣體注入??：反應氣體通過特定設計的進氣口（如噴淋頭）以特定角度和流速均勻注入反應室。
??2、流場設計??：爐體結構被精心設計以引導氣流模式，最常見的是：
??垂直流??：氣體從頂部噴淋頭均勻向下流動，垂直穿過放置基片的托盤，然后從底部抽氣口排出。這種模式流場最均勻，是量產型CVD和MOCVD的**。
??水平流??：氣體從反應管一端注入，水平流過基片，從另一端排出。常見于一些管式LPCVD（低壓化學氣相沉積）爐。
??3、主動抽氣??：真空泵系統在出口處持續抽氣，與進氣配合，形成一個穩定、可控的定向氣流。
??特點??：
??優點??：流場可控、均勻性極高、重復性好、生產效率高。
??缺點??：系統復雜，成本高。
三、氣流循環與關鍵工藝參數的相互作用
氣流循環并非獨立存在，它與以下參數緊密耦合：
??溫度場??：溫度分布直接影響氣體分子的運動速度和化學反應速率，需要與流場匹配。
??壓力??：在低壓CVD中，氣體分子平均自由程變長，擴散增強，有助于氣體進入復雜結構，氣流設計需考慮低壓效應。
??氣體流速??：流速過低可能導致反應物補充不足，副產物滯留；流速過高則可能浪費反應氣體，甚至破壞已形成的薄膜。
總結
氣相沉積爐的氣流循環原理，本質上是??通過自然或強制手段，在反應室內建立一個穩定、均勻、可控的氣體流動模式??。現代高性能沉積爐普遍采用??強制循環??模式，通過精密的噴淋頭、反應室結構和真空泵系統協同工作，實現對流場的精確控制，從而確保在復雜工件表面獲得高質量、高均勻性的薄膜涂層。

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