CN105908151B - 一种纳米薄膜的原子层沉积定量建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米薄膜的原子层沉积工艺的定量建模方法，该建模方法以流体动力学理论为基础，包括以下步骤：(1)构建原子层沉积工艺进行的流体域结构模型；(2)初始边界条件设置；(3)有机金属化合物的理化属性计算；(4)多组分的气质传输过程设置；(5)表面化学反应设置；(6)瞬态脉冲工艺过程设置；(7)瞬态吹洗工艺过程设置；(8)获取定量反应和表面薄膜生长速率。按照本发明的建模方法，可定量描述表面沉积过程中的物质消耗和薄膜生长，适合用于材料利用率和薄膜沉积效率等相关因素分析，而该建模方法针对于原子层沉积工艺特征可普适于不同结构的原子层沉积***。

Description

一种纳米薄膜的原子层沉积定量建模方法
技术领域
本发明属于纳米薄膜制备的工艺建模分析，提供了一种三维定量方法来表示宏观结构下表面薄膜生长，通过XX方法计算化学反应路径和有机化合物的基本理化参数，并定量描述反应物消耗和薄膜生长的原子层沉积工艺模拟方法。
技术背景
原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)是近年来新兴的一种纳米薄膜制备技术。相比于其它薄膜制备工艺，该技术可在低温条件(300℃以下)下进行，因其具备生长精确可控、厚度均一等优良特性，在微电子等领域得到广泛应用。原子层沉积的原理是在基底表面的化学吸附形成薄膜材料，其显著特点是通过一系列具有自限制性的表面反应循环过程实现薄膜厚度的亚纳米级可控增长。表面自限制生长是指前驱体分子置换基底表面的活性官能团形成单层化学吸附，随着表面可替换官能团的消耗反应会自动停止，而多余的前驱体与反应副产物则从体系中排除。
英特尔公司在45nm处理器上首次应用了基于原子层沉积的方法实现的晶体管高介电常数门电介质与金属门电极叠层技术，均匀一致、尺寸可控的纳米薄膜成为芯片制备的必然趋势。我国在中长期战略发展规划中将集成电路制造产业的重点发展项目列为国家重点支持的专项之一，以促进中国在电子制造领域赶超世界先进水平。
当该技术应用于生物、太阳能、柔性电子等领域时，沉积环境和材料各不相同，沉积工艺特性及其机理仍有待进一步探索。目前针对不同的原子层沉积应用，均构建特定设备进行实验研究，而缺乏对原子层沉积过程统一的机理性探索。因此，急需一种普适的建模方法应用于不同材料和氛围的原子层沉积分析。
发明内容
针对现有技术存在的进一步需求，本发明提供了一种纳米薄膜的原子层沉积定量建模方法。
本发明提供了一种纳米薄膜的原子层沉积定量建模方法，该方法包括如下步骤：
(1)构建原子层沉积工艺进行的流体域结构模型；
(2)初始边界条件设置：在所述步骤(1)的结构模型基础上，添加实验校正的工艺边界条件，包含入口流量、出口压力、腔体各壁面温度、混合气体组分及其浓度比；
(3)有机金属化合物的理化属性设置：在所述步骤(1)、(2)的模型中，添加由微观计算方法获得的前驱体材料物理化学属性；
(4)多组分的气质传输过程：在所述步骤(3)的模型中，设置混合气体的多组分以及多组分扩散的气质传输方程；
(5)表面化学反应：在所述步骤(4)的模型中，设置表面化学反应路径、反应方程式和化学反应能量参数，此外在模型中需设置表面官能团、表面反应中间产物官能团、表面反应固相官能团材料属性；
(6)、(7)瞬态脉冲和吹洗工艺过程模拟：通过流体动力学瞬态模拟，可体现随时间变化的流体状态变化，及其过程中前驱体分子或反应产物分子浓度和分布的变化过程；
(8)获取定量反应和表面薄膜生长速率。
进一步地，所述步骤(3)中，前驱体材料理化参数由第一性原理计算方法获得，包括热力学参数，包括标准焓、熵、比热三种参数，以及化学反应参数。
进一步地，所述步骤(5)中，设置原子层沉积的各个表面化学反应方程式，化学反应路径、反应活化能参数由第一性原理计算获得，其中方程所涉及的物质和能量交换与动态的气质传输过程相耦合。
进一步地，所述步骤(6)、(7)中，在基于流体动力学理论的模拟中，分别以稳态方式模拟脉冲和吹洗工艺前的流体稳定状态，接着以瞬态方式模拟脉冲气流和吹洗气流对腔体内气体和壁面反应的作用过程。
进一步地，所述步骤(8)中，通过大面积基底表面反应模拟，可获得整体表面内化学反应量的分布，及反应物消耗分布和薄膜生长分布。
本发明提供了一种纳米薄膜的原子层沉积定量建模方法，其特征在于，将由所述步骤1-8所构建的定量模型表述原子层沉积工艺过程中的定量物质变化和瞬态流体状态追踪。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明采用了新的原子层沉积工艺定量模型，能够取得下列有益效果：
(1)本发明充分利用了微观定量模型与宏观气流耦合分析，能定量反映脉冲工艺中原子层沉积过程，既体现流体状态中反应物和产物浓度分布，又反映表面反应分布和薄膜生长分布；
(2)本发明所需要的材料理化参数和化学反应参数基于量子物理定律计算方法，可适用于各种不同有机金属化合物；
(3)本发明可有效预测前驱体消耗和表面生长的定量关系，在工艺优化分析中具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明中原子层沉积基于脉冲式工艺建模方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
氧化铝纳米薄膜是一种广泛应用的薄膜材料。当Al2O3作为沉积薄膜材料时，其相应前驱体材料可分别选取为Al(CH3)3和H2O，其表面化学反应路径为：
a)Al(CH3)3+M-OH→M-O-Al(CH3)2+CH4
b)2H2O+M-O-Al(CH3)2→2M-O-Al-OH+2CH4
相应化学反应的激活能为6.71eV。通过定量模型可模拟单位循环薄膜生长速率为0.107nm/cycle，与实验测量值相符。
实施例二
氧化锌薄膜已在微纳制造中广泛应用，而其纳米级的薄膜制备成为研究的热点。当ZnO作为沉积薄膜材料时，其相应前驱体材料可分别选取为Zn(C2H5)2和O3。

Claims (5)

1.一种纳米薄膜的原子层沉积定量建模方法，在基于流体动力学理论的基础上，其特征在于其方法包括如下步骤：
(1)构建原子层沉积工艺进行的流体域结构模型；
(2)初始边界条件设置：在所述步骤(1)的结构模型基础上，添加实验校正的工艺边界条件，包含入口流量、出口压力、腔体各壁面温度、混合气体组分及其浓度比；
(3)有机金属化合物的理化属性设置：在所述步骤(1)、(2)的模型中，添加由第一性原理计算获得的前驱体材料理化参数；
(4)多组分的气质传输过程：在所述步骤(3)的模型中，设置混合气体的多组分以及多组分扩散的气质传输方程；
(5)表面化学反应：在所述步骤(4)的模型中，设置表面化学反应路径、反应方程式和化学反应能量参数；
(6)、(7)瞬态脉冲和吹洗工艺过程模拟：通过流体动力学瞬态模拟，可体现随时间变化的流体状态变化，及其过程中前驱体分子或反应产物分子浓度和分布的变化过程；
(8)获取定量反应和表面薄膜生长速率。
2.如权利要求1所述的原子层沉积定量建模方法，其特征在于，所述步骤(3)中，前驱体材料理化参数由第一性原理计算方法获得，包括热力学参数，包含标准焓、熵、比热三种参数，以及化学反应参数。
3.如权利要求1所述的原子层沉积定量建模方法，其特征在于，所述步骤(5)中，设置原子层沉积的各个表面化学反应方程式，化学反应路径、反应活化能参数由第一性原理计算获得，其中方程所涉及的物质和能量交换与动态的气质传输过程相耦合。
4.如权利要求1所述的原子层沉积定量建模方法，其特征在于，所述步骤(6)、(7)中，在基于流体动力学理论的模拟中，分别以稳态方式模拟脉冲和吹洗工艺前的流体稳定状态，接着以瞬态方式模拟脉冲气流和吹洗气流对腔体内气体和壁面反应的作用过程。
5.如权利要求1所述的原子层沉积定量建模方法，其特征在于，所述步骤(8)中，通过大面积基底表面反应模拟，可获得整体表面内化学反应量的分布，及反应物消耗分布和薄膜生长分布。
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