气体通道设计技术：精准气流优化，赋能半导体制造
2025/9/23 9:59:23   来源：    点击：231

在半导体制造的复杂工艺中，气体通道设计技术犹如精密的血管系统，将反应气体精准、均匀地输送到晶圆表面，直接影响着薄膜沉积的质量、刻蚀的精度以及等离子体的稳定性。随着先进制程向3nm及以下几点推进，对气体通道设计技术提出了更高的要求，促使行业不断探索创新，以实现更高效、更精准的气体分配。

气体通道设计的核心要素

气体通道设计的核心在于实现气体的均匀分布和稳定流动，以满足半导体制造工艺的严苛要求。这涉及到多个关键要素的精心考量。

首先是微孔设计，Showerhead上的微孔是气体通道的终端出口，其参数直接影响气体的喷射效果。微孔的孔径、孔密度、孔形误差以及喷气角度等都需要精确控制。例如，孔径一般在30 - 100μm之间，高端制程趋近30μm；孔密度为300 - 1200孔/cm²，12英寸晶圆对应约10万孔；孔形误差需控制在≤±2μm，以保证气体流速的一致性；喷气角度则需精确控制，避免气体湍流，确保气体能够均匀地覆盖晶圆表面。以应用材料公司（Applied Materials）的ALD Showerhead为例，其通过优化孔径分布与流道设计，使晶圆边缘与中心区域的薄膜厚度偏差从±3%降至±0.8%，显著提升了良率。

其次是流道设计，合理的流道结构能够引导气体平稳、均匀地流动，减少压力损失和气流波动。流道的形状、尺寸和布局需要根据具体的工艺需求和气体特性进行优化。例如，采用渐扩或渐缩的流道设计可以调节气体的流速和压力，确保气体在到达微孔时具有稳定的状态。同时，流道的表面粗糙度也需要严格控制，以减少气体流动时的摩擦阻力，提高气体的传输效率。

此外，气体通道的材料选择也至关重要。材料需要具备良好的耐高温性、耐腐蚀性和化学惰性，以承受反应腔内的高温、高压和腐蚀性气体的侵蚀。常用的材料包括不锈钢、镍基合金、碳化硅等。不锈钢具有良好的耐腐蚀性和加工性能，广泛应用于中低端制程；镍基合金则具有更高的强度和耐高温性能，适用于高端制程；碳化硅则以其优异的耐高温和耐腐蚀性能，在极紫外光刻（EUV）、原子层沉积（ALD）等关键工艺中得到广泛应用。

传统气体通道设计技术的局限

在半导体制造的发展历程中，传统的气体通道设计技术在一定程度上满足了工艺需求，但随着制程节点的不断推进，逐渐暴露出诸多局限。

传统的气体通道设计往往依赖于经验公式和简单的模拟方法，难以精确预测气体在复杂流道中的流动行为。这导致在实际生产中，气体分布不均匀的问题时有发生，影响了薄膜沉积的质量和刻蚀的精度。例如，在某些工艺中，由于气体分布不均匀，导致晶圆边缘和中心区域的薄膜厚度差异较大，降低了产品的良率。

此外，传统设计方法对气体通道的优化能力有限，难以实现多参数的协同优化。在气体通道设计中，需要考虑多个参数的相互影响，如微孔参数、流道结构和气体流量等。传统方法往往只能对单个参数进行优化，无法综合考虑多个参数的协同作用，从而限制了气体通道性能的提升。

创新气体通道设计技术的应用

为了突破传统设计技术的局限，行业采用了一系列创新设计方法和技术，为气体通道设计带来了新的突破。

计算流体动力学（CFD）模拟技术成为气体通道设计的重要工具。通过建立精确的CFD模型，可以模拟气体在通道内的流动、传热和传质过程，预测气体的分布情况和性能指标。利用CFD模拟，设计人员可以对气体通道的结构参数进行优化，如调整微孔的孔径和分布、优化流道的形状和尺寸等，以实现更均匀的气体分布和更稳定的气流。例如，通过CFD模拟优化Showerhead的流道设计，可以使气体在晶圆表面的分布更加均匀，减少薄膜厚度的偏差，提高产品的良率。

AI仿真优化技术则结合了人工智能和仿真模拟的优势，进一步提升了气体通道设计的效率和精度。利用机器学习算法对大量的仿真数据进行分析和学习，可以建立气体通道性能与结构参数之间的复杂映射关系，从而更精准地预测设计方案的性能。同时，AI技术还可以实现自动化的设计优化，快速搜索的设计参数组合，大大缩短了设计周期。例如，通过ANSYS Fluent结合机器学习，可缩短气体流道设计周期30%以上，加速了新产品的研发和上市。

多物理场耦合设计方法考虑了气体流动过程中的多种物理现象的相互作用，如流体动力学、热传导和化学反应等。在半导体制造中，气体通道内的气体流动往往伴随着热量传递和化学反应，这些物理现象相互影响，共同决定了气体的分布和性能。多物理场耦合设计方法可以综合考虑这些因素，更准确地模拟气体通道内的实际工况，为设计提供更可靠的依据。例如，在原子层沉积工艺中，气体通道内的气体流动、化学反应和热量传递相互关联，采用多物理场耦合设计方法可以优化气体通道的结构，提高沉积效率和薄膜质量。

未来趋势与展望

未来，气体通道设计技术将朝着更高精度、更智能化和更集成化的方向发展。

随着半导体制造工艺的不断进步，对气体通道的精度要求将越来越高。未来的气体通道设计将更加注重微观尺度的精确控制，如微孔的加工精度将达到纳米级，流道的表面粗糙度将进一步降低，以实现更均匀的气体分布和更稳定的气流。

智能化设计将成为气体通道设计的重要趋势。利用人工智能、大数据和云计算等技术，实现设计过程的自动化和智能化，提高设计效率和质量。例如，通过智能算法自动生成的设计方案，利用大数据分析对设计进行实时优化和调整，借助云计算平台实现大规模的仿真计算，为气体通道设计提供更强大的支持。

集成化设计将使气体通道与半导体设备的其他部件更加紧密地集成在一起，实现整体性能的优化。例如，将气体通道与反应腔、加热系统等进行一体化设计，减少气体传输过程中的能量损失和污染，提高设备的运行效率和可靠性。

气体通道设计技术是半导体制造中的关键环节，其性能直接影响着产品的质量和良率。随着创新设计方法和技术的不断涌现，气体通道设计技术将持续发展，为半导体产业的升级提供有力支撑。

安徽博芯微半导体科技有限公司，为核心组件提供高精度Showerhead（喷淋头/匀气盘/气体分配盘）服务，产品主要包括Showerhead、Face plate、Blocker Plate、Top Plate、Shield、Liner、pumping ring、Edge Ring等半导体设备核心零部件，产品广泛应用于半导体、显示面板等领域，性能卓越，市场认可度高。

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