1. CVD 技术概述

1.1 化学气相沉积原理

化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）是一种通过气态前驱体在加热衬底表面发生化学反应，生成固态薄膜的真空工艺技术。其核心过程可分解为以下五个连续步骤：

1. 前驱体输运：反应气体通过载气（如 H₂、N₂、Ar）从源瓶输送至反应腔室。
2. 气相反应：气体在高温区域发生预分解或均相反应，生成活性中间体。
3. 表面吸附与扩散：活性物种吸附至衬底表面，并在表面迁移至低能成核位点。
4. 表面反应与成膜：吸附物种在衬底表面发生化学反应，生成固态薄膜并释放副产物。
5. 副产物脱附与排出：气态副产物从表面脱附，随主气流经排气系统排出腔室。

1.2 CVD 在半导体制造中的核心地位

在半导体前道工艺中，CVD 是构建薄膜堆叠结构的关键技术。从器件隔离到金属互连，超过 60% 的薄膜层由 CVD 或其衍生技术（如 ALD、PECVD）制备。下表总结了 CVD 在主要工艺模块中的应用：

1.3 CVD 工艺分类

CVD 工艺可按压力、能量源、前驱体类型等多种维度分类。从设备设计和气流场优化的角度，最常用的分类方式是基于 工作压力 和 能量辅助方式：

• 按工作压力分类：
  • APCVD（常压 CVD）：大气压操作，设备简单，但气流场易受自然对流干扰，均匀性控制难度大。
  • LPCVD（低压 CVD）：0.1–10 Torr，扩散系数大，边界层厚，片内均匀性较好，但沉积速率较低。
  • UHVCVD（超高真空 CVD）：< 10⁻⁶ Torr，用于外延生长，气流为分子流状态。
• 按能量辅助方式分类：
  • 热 CVD（Thermal CVD）：纯热激活，温度 400–1000°C，气流场与温度场强耦合。
  • PECVD（等离子体增强 CVD）：射频/微波等离子体辅助，低温（200–400°C），气流场需与等离子体分布匹配。
  • HDP-CVD（高密度等离子体 CVD）：ICP 源，低气压高密度等离子体，气流场需兼顾沉积与刻蚀平衡。

1.4 气流场与膜厚均匀性的关联

膜厚均匀性（NU%, Non-Uniformity）是 CVD 工艺的核心质量指标，其定义如下：

NU% = (T_max - T_min) / (2 × T_avg) × 100%

其中：
T_max = 片内最大膜厚
T_min = 片内最小膜厚
T_avg = 片内平均膜厚

从流体力学角度，影响 NU% 的关键因素包括：