Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Кравченко Анатолий Анатольевич
Исследование и разработка щелевого реактора с удлиненным подложкодержателем для эпитаксиального наращивания кремния на одиночных подложках
Специальность 05.27.06 - технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена на кафедре Техническая механика Национального исследовательского университета МИЭТ
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Тимофеев Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: - Калашник Олег Николаевич д.т.н., ОАО НИИ особо чистых материалов, старший научный сотрудник - Ларионов Николай Михайлович к.т.н., профессор, МИЭТ, профессор кафедры Промышленная экология
Ведущая организация: ОАО НИИ ТМ
Защита состоится л____ ______________ 2012г. в _______ час.
на заседании диссертационного совета Д 212.134.03 при Национальном исследовательском университете МИЭТ по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.
Автореферат разослан л______________2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., ___________ Яковлев В.Б.
профессор
Общая характеристика работы
Актуальность работы Полупроводниковая электроника - самая динамичная отрасль экономики в мире. Основными секторами, обеспечивающими развитие этой отрасли, являются производства полупроводниковых компонентов, материалов и технологического производственного оборудования.
Техническое совершенство и доступность производственного оборудования, полупроводниковых материалов и компонентов на их основе во многом определяют уровень промышленного развития и оборонный потенциал государства.
Устойчивая тенденция к уменьшению размеров элементов структуры микроприборов до субмикронных, требует модернизацию существующего и разработки нового эпитаксиального прецизионного оборудования. Это особенно важно в связи с переходом на использование подложек большого диаметра (200, 300 мм).
В России до последнего времени для получения эпитаксиальных структур на кремниевых подложках диаметром 100 мм в основном использовалось оборудование групповой обработки (УНЭС-101, Эпиквар-101М, Эпиквар-121МТ и др.). Использование данного оборудования для подложек диаметром 150 мм уже проблематично, так как не всегда позволяло обеспечить необходимого качества эпитаксиальной структуры на подложке. А тенденции к увеличению диаметра обрабатываемой подложки до 200-300 мм делают нецелесообразным использование установок групповой обработки подложек. Это связано с тем, что наряду с ростом диаметра обрабатываемой подложки, возрастают требования и к качеству получаемых эпитаксиальных структур. Поэтому наиболее целесообразно использовать установки индивидуальной обработки подложек большого диаметра.
Основным узлом эпитаксиальной установки является реактор, в котором осуществляется процесс эпитаксиального наращивания. По сравнению с реакторами групповой обработки подложек реактор индивидуальной обработки имеют ряд преимуществ. К ним относятся:
Х возможность полной автоматизации;
Х возможность встраивания в кластер;
Х простота и надежность;
Х лучше газодинамические параметры в реакторе;
Х минимальная фоновая память реактора;
Х меньшие энергетические затраты.
Зарубежные компании занимающиеся разработкой технологического оборудования выпустили на рынок ряд моделей эпитаксиальных установок индивидуальной обработки подложек большого диаметра. В нашей стране нет коммерческого аналога зарубежным установкам, поскольку долгое время данная ниша не была востребована на отечественном рынке. Решение задачи по созданию эпитаксиальной установки индивидуальной обработки подложек в основном связано с разработкой реактора, отвечающего всем требованиям процесса эпитаксии. Разрабатываемая установка не должна уступать по качеству зарубежным, что важно для отечественного производства. Следует также учитывать очень высокую стоимость зарубежных установок и их обслуживания. Подобных установок требуется сотни единиц.
Отсюда актуальность проведения работ по исследованию и разработке ректора, а следовательно и высокотемпературной эпитаксиальной установки для одиночных подложек больших диаметров очевидна.
Целью работы является исследование и разработка щелевого реактора с удлиненным подложкодержателем и установки эпитаксиального наращивания кремния на одиночных подложках на его основе.
Задачи которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
Х разработка модели влияния неравномерности температурного поля на напряженное состояние и механизмы пластической деформации в кремниевой подложки при высокотемпературной обработке;
Х разработка методики анализа термической деформации подложки и дать рекомендации по оптимизации конструкции подложкодержателя;
Х адаптация программы SolidWorks для расчета газодинамических характеристик реакторов, оптимизация их конструкции применительно к процессу эпитаксиального наращивания;
Х разработка и изготовление опытной высокотемпературной эпитаксиальной установки отвечающей современным требованиям;
Научная новизна работы представлена следующими положениями:
Х разработана методика расчета температурного поля подложки и подложкодержателя в реакторе эпитаксиальной установки;
Х разработана методика расчета напряженнодеформированного состояния подложки в подложкодержателе, оптимизирована конструкция гнезда укладки подложки, позволяющая минимизировать деформацию подложки;
Х разработана методика исследования газодинамических характеристик реактора с использованием программ Solid Works, позволяющая оптимизировать конструкцию реактора с заданной температурой и скоростью газового потока.
Практическая значимость.
Результаты и рекомендации полученные в ходе выполненного исследования в процессе разработки реактора и высокотемпературной эпитаксиальной установки для одиночной обработки подложек, могут быть использованы при проектировании нового современного эпитаксиального оборудования. Разработанная в процессе исследования методика анализа газодинамических характеристик реактора с помощью компьютерного моделирования хорошо зарекомендовала себя и будет использована в процессе разработок ряда новых современных установок. Методика анализа и регулирования температурного поля по подложке, хорошо зарекомендовавшая себя при отладке установки, используется при разработке нового технологического оборудования.
Достоверность результатов.
Достоверность теоретических положений и выводов подтверждается согласием их с экспериментальными данными, полученными в процессе исследований при доводке и отладке установки.
ичный вклад автора Все основные результаты получены автором лично или в составе рабочей группы. Автором проведен анализ рынка эпитаксиального оборудования; исследовано влияние конструкции подложкодержателя и способа нагрева на распределение температурного поля по подложке; исследованы газодинамические характеристики реактора; предложена конструкция реактора Автор диссертации непосредственно принимал активное участие в проектировании установки, в разработке эксплуатационной документации, в экспериментальных и пуско-наладочных работах на установке. Работа выполнялась при активном участии научных консультантов к.т.н. Миркурбанова Х.А. и к.т.н. Сажнева С.В.
Внедрение Результаты диссертации использованы в практических разработках ЗАОЭлектронточмаш, при создании установки ЕТМ-150, которая прошла технологические испытания и внедрена на отечественном предприятии. Методики компьютерного моделирования, разработанные на базе универсальных программ, хорошо зарекомендовали себя в процессе создания оригинальных функциональных узлов, широко применяются при конструировании новых технологических установок. Внедрение подтверждено соответствующими актами.
Основные результаты выносимые на защиту 1. Методика расчета и измерения температуры подложки в реакторе в условиях рабочих температур. Установлен перепад температуры по толщине подложки и ее диаметру.
2. Методика расчета напряженного состояния подложки в подложкодержателе при осисимметричном изменении перепада температуры по толщине подложки, ответственного за упругую и пластическую деформацию подложки.
3. Методика расчета деформации подложки в гнезде подложкодержателя с учетом гравитационных сил.
Рекомендованная геометрия гнезда подложкодержателя, позволяющая минимизировать температурные деформации подложки.
4. Методики исследования газодинамических характеристик реакторов и компьютерного проектирования с использованием универсальной программы SolidWorks Floworks.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 14-й, 15-й и 16-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика (г.Москва, Зеленоград, МИЭТ(ТУ), 2007,2008 и 2009 год соответственно), 7-й Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе Кремний-2010 (г. Нижний Новгород, ННГУ им. Н.И.
обочевского, 2010 год), 8-ой Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе Кремний-2011 (г.Москва, МИСиС, 2011 год), а так же на 17-ом Координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике (г.
Нижний Новгород, 2011 год) Публикации.
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 12 работах, в том числе 5 статей и 7 тезиса доклада на конференциях.
Две статьи опубликованы в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка литературы и приложения.
Работа изложена на 167 страницах текста, содержит 52 рисунок, 13 таблиц, список литературы включает 124 наименования.
Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь разделов.
В первом разделе, являющимся обзорным, проанализированы особенность технологических процессов, основанных на химическом осаждении из газовой фаза (ХОГФ), области их применения. Показан вклад фундаментальных исследований в изучение физико-химических, теплофизических и газодинамических процессов, в разработку уникального оборудования отечественных ученых Чистякова Ю.Д., Райнова Ю.А., Самойликова В.К., Сигалова Э.Б. и других. Подчеркнута важность технологии химического осаждения из газовой фазы в современной микроэлектронике и направления ее развития.
Химическое осаждение из газовой фазы представляет собой химический процесс, где разложение газов или паров сопровождается образованием твердых продуктов на поверхности подложки. ХОГФ позволяет получать практически все пленки, используемые в производстве ИС и полупроводниковых приборов.
В оборудовании для проведения ХОГФ процессов можно выделить ряд основных функции. К ним относятся:
Х подготовка и перенос газообразных реагентов к месту реакции;
Х подача на подложку энергии, активизирующей процесс осаждения (тепло, излучение, плазма);
Х поддержание в зоне реакции необходимой температуры и давления;
Х обеспечение условий для оптимального протекания химической реакции на подложках;
Х эффективное удаление побочных продуктов химической реакции из реакционной камеры.
юбое оборудование для процессов ХОГФ должно удовлетворять ряду общих требований, которые условно можно разделить на четыре группы: технологические, эксплуатационные, безопасности и экономические. Технологические требования характеризуют выходные параметры процесса осаждения и являются определяющими при выборе оборудования. К этим требованиям относятся: разброс толщины осаждаемого слоя по пластине, диаметр обрабатываемых пластин, скорость осаждения, производительность процесса и другие. С точки зрения эксплуатационных требований оборудование должно быть максимально простым в управлении и обслуживании, а так же надежным. Так к примеру, время, когда оборудование в состояние выполнять предназначенные ему функции в пределах его стандартных производственных спецификаций, должно составлять не менее 85% от общего времени. Оборудование должно обеспечивать безопасность работы персонала, нейтрализацию продуктов реакции и не прореагировавших реагентов, использование наименее опасных реагентов.
В развитии технологии эпитаксиального наращивания кремния и технологического оборудования можно выделить несколько этапов:
Х 1950-1965 гг. разработка технологии;
Х 1966-1977 гг. фундаментальное исследование технологии и внедрение в производство промышленного оборудования;
Х 1978-1984 гг. усовершенствование технологии и оборудования;
Х 1985-1987 гг. разработка новых реакторов;
Х с 1988 гг. совершенствование реакторов, внедрение реакторов поштучной обработки и новых технологических процессов.
Коммерческие эпитаксиальные установки по типу реактора можно разделить на следующие основные типы:
Х установки с горизонтальными реакторами для групповой обработки;
Х установки с цилиндрическими реакторами с индукционным или радиационным нагревом подложек, расположенных в колпаке с изогнутой поверхностью;
Х установки с вертикальными реакторами с индукционным нагревом, отражающим покрытием колпака и без покрытия;
Х установки с реакторами поштучной обработки с радиационным нагревом.
Рассмотрены основные типы эпитаксиальных реакторов, показаны особенности конструкций. Представлены характеристики эпитаксиальных установок зарубежных и отечественных производителей для различных типов реакторов.
Особое внимание уделено развитию эпитаксиальных реакторов поштучной обработки с радиационным нагревом. В 1988 фирма ASM первой объявила о создании такого реактора и начала их промышленное производство.
Дано сравнение типов реакторов и сформулированы общие требования, предъявляемые качеству эпитаксиальных структур:
Х высокая однородность и воспроизводимость толщины и удельного сопротивления получаемого эпитаксиального слоя;
Х минимизация автолегирования из сильнолегированных скрытых слоев или подложки и минимизация ширины переходной области между подложкой и эпитаксиальным слоем;
Х однородность профиля легирующей примеси по толщине;
Х минимизация искажения (смещения и размытия) топологического рисунка;
Х низкая привносимая дефектность;
Х высокое кристаллографическое совершенство получаемых слоев;
Х высокая производительность;
Х экономичность;
Х безопасность.
При выборе эпитаксиального реактора необходимо в первую очередь учитывать особенность эпитаксиальных процессов в зависимости от используемых материалов подложек и кремнийсодержащих реагентов. Реакторы поштучной обработки являются наиболее универсальными. Они могут применяться практически для любой технологии изготовления ИМС. Единственным ограничение является резкое снижение производительности при получении толстых эпитаксиальных пленок. Реакторы этого типа хорошо зарекомендовали себя и широко используются для производства ИМС с субмикронными проектными нормами на пластинах диаметром 200 и 300 мм и имеют наилучшие характеристики при наращивании тонких эпитаксиальных пленок.
Недостатком существующих реакторов является неравномерность температуры и газового потока по подложке Такую неравномерность частично компенсируют вращением подложки, что удорожает стоимость установки. При этом важной задачей, требующей своего решения является оптимизация геометрии гнезда в подложкодержателе, позволяющей минимизировать термическую деформацию подложки. Отсюда основной задачей проектирования является поиск оптимальной геометрии реактора, позволяющего получить минимальный разброс толщины и сопротивления эпитаксиального слоя с бездефектной структурой.
Во втором разделе приведены результаты исследования влияния неравномерности температурного поля по подложке на напряженное состояние, дана оценка возможной пластической деформации кремниевой подложки при высокотемпературной обработке, анализ деформации подложки при различной геометрии опор.
Показано что разница температур между подложкой и подложкодержателем приводит к росту перепада температур по толщине и по площади. Такие перепады ответственны за неоднородность толщины ЭС и удельного сопротивления. При достижении критического перепада температуры формирование термонапряжений ведет к генерации дислокаций, а следовательно к пластической деформации, проявляющейся образованием линий скольжения. Эта проблема приобретает особую остроту в связи с ростом размера подложек.
Распределение температуры по поверхности формирования эпитаксиального слоя на подложке имеет сложный характер, что обуславливается рядом причин. Одной из них является различие теплопередачи в центральных и периферийных областях подложки.
Вторая причина - дискретность теплового контакта подложки и подложкодержателя при нормальных тепловых потоках.
Можно выделить три основных способа укладки подложки в подлжкодержатель - свободная укладка на плоскость подложкодержателя, свободная укладка на кольцевую периферийную опору и укладка в профилированное гнездо. Схемы укладки показаны на рис.1.
Рис.1 Схемы укладки подложек в реакторе: а - на кольцевую опору; б - на плоскость подложкодержателя; в - в профилированное гнездо.
1-отражатель; 2-кварцевая стенка реактора; 3- газовый поток в реакторе; 4- подложка; 5 - подложкодержатель; q- тепловой поток от подложкодержателя к пластине; y- прогиб подложки.
Исследована зависимость прогиба подложки от градиента температуры в поперечном сечении при указанных схемах укладки.
Перепад температуры составляет единицы градусов и приводит к искривлению подложки в направлении плоскости с большей температурой, т. е. выпуклости к подложкодержателю. При постоянном тепловом потоке перепад температуры по толщине постоянный.
Рассмотрен в общем виде осесимметричный прогиб тонкой подложки с учетом действия гравитационных сил, свободно лежащей на периферийной кольцевой опоре, в условиях высокотемпературной обработки. Задача относится к плоским, поскольку в осесимметричной задаче все характеристики являются функцией текущего радиуса.
Максимальный прогиб для подложки зависящий от размера подложки можно определить с помощью полученного нами уравнения:
qR4 5 + qR4 (5 + ) 12(1- 2) (1) zmax = - = 64D 1+ 64Eh3(1+ ) В таблице 1 для кремниевых подложек диаметром 100, 125, 150, 200, 250 и 300 мм приведены результаты расчета максимального прогиба в центре. При расчетах величина модуля упругости кремниевой подложки с плоскостью (111) для температуры 1200С принималась равной Е=1,5105МПа, коэффициент Пуассона = 0,25 и плотность кремния = 2,33 г/см3.
Таблица Расчетные значения максимального прогиба кремниевых подложек Толщина Диаметр подложки, мм Параметр подложки h, мкм 100 125 150 200 250 3 400 4,41 10,6 21,0 70,4 Ч Ч Максимальный 440 3,63 8,80 17,5 58,3 Ч Ч прогиб, 625 Ч 4,35 8,65 28,9 Ч Ч (мкм) 670 Ч 3,70 7,50 25,0 Ч Ч 725 Ч Ч 6,40 21,7 Ч Ч 800 Ч Ч Ч 17,6 54 11000 Ч Ч Ч 11,0 28 Из полученных данных следует, что для подложек диаметром 150 мм и более прогиб становится значительным и составляет десятки микрон, что сопоставимо с толщиной газового зазора между подложкой и подложкодержателем.
Рассмотрена и решена задача расчета прогиба подложки с центральной опорой при действии гравитационных сил в условиях высокотемпературной обработки. Максимальный прогиб на периферии определится из полученного нами уравнения:
, ( ) Z = =. (2) Расчетные значения прогиба края подложек диаметром 100, 150, 200 и 300 мм при модуле упругости E=1,5105МПа и коэффициенте Пуассона = 0,25приведены в таблице 2. Там же приведены экспериментальные значения прогиба края подложки.
Из табл.2 следует, что рост изгибной жесткости подложки резко уменьшает ее прогиб. Отсюда наиболее эффективное управление величиной прогиба от гравитационных сил - изменение толщины подложки.
Таблица Расчетные и экспериментальные значения прогиба края подложки R, мм 50 75 100 1q,н/м2 10,05 11,41 17,12 18,27 22,83 22,83 27,h, мм 0,44 0,50 0,72 0,80 1,00 1,00 1,12,0 45,2 22,6 57,0 36,2 18,4 127,w*, мкм 5,0 32,0 - 45,0 - 20,0 110,* - в знаменателе экспериментальные значения прогиба.
Нами также была рассмотрена задача расчет термонапряженного состояния в подложке при осесимметричном распределение температур. Большинство современных технологических процессов изготовления полупроводниковых приборов связано с высокотемпературными операциями, которые вызывают внутренние температурные напряжения в монопластинах, обусловленные градиентами температуры в радиальном направление и по толщине подложки. При конструировании подложкодержателя важно установить, какой вид температурного нагружения подложки определяющий. С этой целью были рассмотрены две задачи - напряженное состояние при осесимметричном изменении температуры по диаметру подложки и при градиенте температуры по толщине.
Если температура не изменяется по толщине пластины, то справедливо утверждение, что напряжения и деформации также не изменяются по толщине. Для расчета главных нормальных напряжений в локальном объеме подложки в радиальном и тангенциальном ( и ) направлениях были получены следующие уравнения:
( ) ( ) = 0 1 - = 1 -, (3) ( ) ( ) = 0 1 - 5 = 1 - 5, (4) где = Цотносительный радиус подложки.
Результаты расчета этих уравнений приведены в табл.Таблица Радиальное и тангенциальное напряжение в подложке.
, МПа, МПа = =10 20 40 10 20 0,1 1,36 2,71 5,44 1,36 2,71 5,0,5 1,27 2,35 5,10 0,94 1,87 3,1 0 0 0 5,44 10,88 21,Из анализа полученных уравнений следует, что напряжения в круглой тонкой подложке определяются относительным радиусом подложки и максимальным перепадом температуры в центре и величиной модуля упругости.
Для случая перепада температур по толщине нами была разработана методика расчета главных радиальных и тангенциальных напряжений в подложке. Получены следующие уравнения:
= ( - 1 + - 1 ; (5) 1 )( ) = ( - 1 + 3 - 1 ; (6) 1 )( ) Наиболее опасным является тангенциальное растягивающее напряжение на краю пластины. При = 1,7 10 МПа, = 0,3 и = 3 10 гр-1 величина максимального для = = 0,4 мм составляет = 1,2 МПа. Такое напряжение много меньше предела текучести кремния при температуре 1000оС. Следовательно, определяющим в формировании линий скольжения является тангенциальное напряжение от поля температур, изменявшегося по диаметру пластины.
Оптимальной геометрией гнезда на подложкодержателе, как следует из анализа деформации подложки, является гнездо с плоским основанием, в котором гравитация уменьшает общий прогиб подложки.
В третьем разделе приведены исследования газодинамических характеристик газового потока в реакторах с целью поиска оптимальной конструкции, дана оценка их влияния на технологический процесс.
Вопросам исследования газодинамических характеристик в эпитаксиальных реакторах посвящены работы Самойликова В.К., Сигалова Э.Б., Миркурбанова Х.А., Сажнева С.В. и др.
На основе термодинамического подхода к анализу роста эпитаксиальных слоев соединений AIIIBV в ряде работ предлагается расчет скорости процесса с использованием библиотеки термодинамических данных. Методики расчетов построены из условия лимитирования в процессе эпитаксии стадии доставки реагентов к поверхности. Уравнение расчета скорости осаждения имеет вид T Vo V =, (7) R To A d где T = PTS - PTD ; Vo - скорость газового потока; d - плотность соединения; -температура газа; А - площадь поперечного сечения To реактора в зоне осаждения; - молекулярная масса осаждаемого соединения.
При неизменных вязкости газа и температуре скорость роста пропорциональна скорости газового потока. Однако необходимо знать как изменяется скорость по длине подложки. Именно поэтому, при проектировании эпитаксиального реактора необходимо знание распределения газодинамических характеристик по длине реактора. Для исследования таких характеристик был использован комплекс инженерного программного обеспечения SolidWorks Flowork.
Изначально в SolidWorks была построена модель щелевого реактора Рис. 2. Последний представляет собой трубу прямоугольного сечения длиной 480 мм, шириной 250мм, высотой 25мм. В реакторе выделены три зоны: прогрева газа длиной 110 мм; подложкодержатель с подложкой длиной 215 мм, охлаждение газа. При проведении расчетов были наложены ряд граничных условий:
Х расход газа на входе в реактор 3000, 4000, 7000 л/ч;
Х температура газа на входе в реактор 25 оС;
Х температура стенок реактора 600 оС;
Х температура подложкодержателя 1000 оС.
Рис. 2 Схема щелевого реактора.
На рис. 3. показан характер скоростного (а) и температурного (б) поля газового потока в щелевом реакторе, полученный с помощью компьютерной программы.
а) б) Рис.3. Характер скоростного (а) и температурного (б) поля газового потока в щелевом реакторе Анализ газодинамических характеристик модели щелевого реактора позволяет сделать следующие выводы:
Х газовый поток в щелевом реакторе высотой до 30 мм ламинарный;
Х вертикальная скорость потока по сравнению с горизонтальной скоростью незначительная;
Х толщина пограничного слоя на подложке и верхней стенке при расходе 3000 - 7000 л/час составляет половину высоты реактора, т.е. 12,5 мм. На вертикальных стенках высота пограничного слоя в пределах 25-50 мм;
Х рост горизонтальной скорости при расходах 3000 - 7000 л/час в пределах подложки нелинейный и составляет порядка20%;
Х влияние третьего участка на характер газового потока на втором участке отсутствует;
Х нелинейность скорости газового потока в начале первого участка не влияет на распределение скорости на втором участке.
Из полученных данных следует, что неравномерность скорости газового потока на подложке приведет к неравномерности роста эпитаксиального слоя, что видно из уравнения (7).
Неравномерный рост слоя будет наблюдаться и по бокам подложки, захватывающим пограничный слой. Исключить неравномерность толщины из-за пограничного слоя можно попытаться изменением геометрии реактора или путем управления входящего в реактор газового потока.
Для рассмотрения влияния геометрии реактора на входе на газодинамические характеристики был рассмотрен реактор с диффузором. Предполагалось, что введение диффузора должно уменьшить неравномерность скорости газового потока по подложке.
Рассматривался реактор с углом раствора боковых стенок 10о.
На основании проведенных исследований установлено, что на втором участке (участок подложкодержателя) проявляется эффект введения диффузора, так как в трубах с диффузором процесс формирования профиля скоростей происходит более интенсивно, чем в трубах постоянного сечения.
Для сравнения полученных результатов в Таблице 4 показан предельный разброс температуры и скорости на втором участке в реакторе без диффузора и с диффузором по оси потока. Из полученных результатов исследований следует, что введение диффузора не оправданно, поскольку градиент скорости сохраняется довольно большим.
Так как изменение геометрии сечения реактора не способно решить проблему неравномерности скорости в зоне подложки, был рассмотрен реактор с удлиненным подложкодержателем. На основе моделирования газового потока было установлено, что профиль скорости потока содержит третий участок с установившейся скоростью потока. Была рассмотрена модель реактора с удлиненным подложкодержателем. Реактор представляет собой трубу прямоугольного сечения длиной 480 мм, шириной 250мм, высотой 25мм. В реакторе выделены три зоны: зона прогрева газа длиной 1мм; зона подложкодержателя 300мм и зона охлаждения газа.
Таблица Сравнение полученных результатов Тип ректора Скорость потока на 2-ом Температура потока на участке, м/с 2-ом участке, оС Расход л/ч 3000 4000 7000 3000 4000 700,56-0,72 0,7-0,97 1- 1,65 550-800 500- 390без (22%) (28%) (40%) 800 7диффузора 0,5-0,57 0,65- 0,98-1,3 505- 390с (12%) 0,76 (24%) 810 7диффузором (14%) На втором участке горизонтальная скорость при расходе 30л/ч растет нелинейно с 0,56 до 0,7 м/с (рис.4). На третьем участке скорость практически не меняется (0,7...0,703). При расходе 4000 л/ч скорость на втором участке растет от 0,7 до 0, 93 м/с. На третьем участке изменение скорости составляет 0,03 м/с, то есть порядка 3%(0,9Е0,93 м/с) При расходе 7000л/ч скорость нелинейно растет от до 1,6 м/с на всем протяжение второго участка. На третьем участке изменение скорости составляет 0,15 м/с, то есть порядка 2,5%(1,45Е1,м/с). Нелинейность роста скорости в начале подложкодержателя объясняется прогревом потока от подложкодержателя.
Таким образом, в реакторе щелевого типа с удлиненным подложкодержателем скорость газового потока в зоне подложки близка к равномерной. При расходах 3000-7000 л/час в пределах подложки разброс скорости составляет 1-3%. Введение дополнительной второй зоны прогрева позволяет устранить неравномерность скоростного и температурного поля в зоне подложки, что видно на рис.4.
Рис.4. Скорость в реакторе с удлиненным подложкодержателем по длине и ширине реактора: 1 и 1а Цпри расходе 3000 л/ч; 2, 2а - при расходе 4000 л/ч; 3, 3а - при расходе 7000 л/ч.
По ширине сечения неравномерность скорости потока наблюдается в пограничном слое у стенок реактора. Ширина установившейся скорости потока в сечении составляет 250 мм, что больше диаметра пластины 200 мм. Таким образом удлиненный реактор позволяет выделить зону для подложки с постоянной скоростью потока и температурой, а следовательно исключить дополнительную сложную механизацию вращения подложки.
В четвертом разделе приводиться описание разработанной высокотемпературной эпитаксиальной установки для одиночных подложек. Излагается методика по исследованию температурного поля по подложке. Приведены экспериментальные данные по толщине сформированного эпитаксиального слоя и поверхностного сопротивления на подложках, обработанных на установке.
На базе ЗАО Электронточмаш была разработана высокотемпературная эпитаксиальная установка ЕТМ 150 для одиночных подложек диаметром 150-200 мм. Установка предназначена для наращивания эпитаксиальных слоев Si-Si, Si-сапфир (КНС).
Типовая производительность при полуавтоматической загрузке для автоэпитаксиальных кремниевых структур (толщина слоя d = 4 мкм) 6пл./час. Диапазон рабочих температур 900 1250 оС.
Нестабильность поддержания температуры (среднеквадратичное отклонение от установившегося значения) в процессе осаждения не более 2C Допустимые среднеквадратичные отклонения расходов газов от верхнего предела рабочего диапазона не более 0,3%.
Степень автоматизации технологического процесса:
Х подготовка установки для проведения технологического процесса осуществляется оператором.
Х проведение процесса и контроль технологического процесса автоматический;
Х операция перегрузки подложек - полуавтомат (манипулятор).
Максимальная потребляемая мощность не более 55 кВт.
Установка ЕТМ 150 (см. Рис.5.) включает: 1-модуль реактора;
2 - шкаф обеспечения; 3 - устройство загрузочное; 4 - шкаф газораспределения; 5 - шкаф управления; 6 - станция управления.
Рис.5. Общая схема установки эпитаксиального наращивания одиночных подложек ЕТМ 150.
Газовая система установки отвечает всем современным требованиям и не уступает зарубежным аналогам. В системе используются цифровые регуляторы расхода газа, соединения выполнены с применением трубок с внутренней полировкой, уплотнения метал по металлу.
Установка оборудована современными системами управления.
Последняя позволяет контролировать технологические параметры, программировать и управлять технологическим процессом, визуализировать технологический процесс, архивировать данные процесса.
После программирования технологического процесса проведение и контроль процесса осуществляется автоматически.
Система управление обеспеченна двумя уровнями блокировок безопасности на программном и аппаратном уровне, что обеспечивает безопасность процесса.
Система управления температурой подложкодержателя содержит пять независимых контуров автоматического регулирования с общим заданием (установкой). Контролируемая величина (температура) измеряется в пяти точках подложкодержателя термоэлектрическими датчиками (термопарами), входящими в состав каждого контура регулирования.
Система автоматического регулирования (САР) температуры поддерживает заданное значение температуры, путем плавного регулирования мощности нагревательных элементов.
На установке были проведены эксперименты. В качестве датчика реальной температуры на поверхности подложкодержателя использовался термоспутник. Показания термоспутника по результатам эксперимента приведены на Рис.6а. Значения термопар во время отжига по зонам были: 1 - 1100С; 2 - 1099С; 3 - 1099С; 4 - 1100С; 5Ц1098С.
11111096 111096 111106 1098 1094 1104 11111111111111а) б) в) Рис.6 Температура на поверхности подложки КДБ 10 диаметром 150мм (а), толщина эпитаксиального слоя(б) и удельное сопротивление (в) при рабочей температуре 1100С и расходе газа 4000 л/час.
При равномерном поле температур в зоне подложки исследовался разброс толщины и удельного сопротивления эпитаксиального слоя по подложке КДБ-10 150 мм. Расход водорода в основной канал 4000 л/ч. Температура процесса 1100С. Процесс эпитаксиального наращивания проходил без легирования. Результаты по толщине и сопротивлению приведены на рис.6б и рис.6в.
Установлено, что неравномерность толщины эпитаксиального слоя составляет в пределах 5% (HMAX=34,7мкм, HMIN=32,1мкм), неравномерность распределения сопротивления в пределах 5% (MAX=11кОм/квадрат, MIN=10кОм/квадрат).
Для оценки воспроизводимости технологического процесса на установке был проведен ряд процессов с указанными выше параметрами. Установлено, что стабильность параметров технологического процесса высокая.
Общие выводы 1. Установлено, что неравномерность распределения температуры по подложке приводит к формированию термонапряженного состояния в ней с образованием радиальных и тангенциальных напряжений. Неравномерность температуры по диаметру подложки определяется неравномерностью теплового потока от подложкодержателя к подложке, зависящего от толщины газового зазора между ними. Величина зазора определяется суммой прогибов подложки от действия массовых сил и перепада температуры по толщине.
2. Установлено, что распределение радиальных и тангенциальных напряжений в подложке определяется ее деформацией от поля температур, изменяющегося как по радиусу так и по ее толщине. Осесимметричное изменение температуры подложки вдоль радиуса приводит к формированию максимального тангенциального напряжения на периферии. Величина которого может превышать предел текучести кремния при рабочей температуре процесса эпитаксии. Определены пороговые значения перепада температуры по подложке, исключающие формирование высоких тангенциальных напряжений.
3. Решена задача определения температурных напряжений от перепада температуры по толщине подложки.
Установлено формирование как радиальных, так и тангенциальных напряжений. Показано, что величина тангенциального напряжения от перепада температуры по толщине много меньше величины напряжения от радиального перепада температур (составляет 3-5%). Вкладом такого напряжения в величину максимального тангенциального напряжения можно пренебречь.
4. Решена задача расчета прогиба подложки от действия гравитационной нагрузки. Величина прогиба зависит от радиуса подложки. Установлено, что управлять величиной прогиба возможно как изменением диаметра подложки, так и ее толщиной.
5. Решена задача и проведен анализ прогиба подложки, лежащей на периферийной круговой опоре и на плоском основании гнезда. Установлено, что оптимальной геометрией гнезда в подложкодержателе является гнездо с плоским основанием, в котором прогиб подложки уменьшается за счет действия гравитационной нагрузки. Такой эффект приводит к уменьшению перепада температуры по диаметру подложки, а следовательно и к значительному уменьшению величины тангенциальных напряжений.
6. Установлено, что при введении дополнительной зоны прогрева перед подложкодержателем стабилизируется скорость и температура газового потока. В реакторе щелевого типа с удлиненным подложкодержателем длинной 300 мм скорость газового потока в зоне подложки близка к равномерной. При расходах 3000-7000 л/час в пределах подложки разброс скорости и температуры составляет 1-8%.
7. Предложена и апробирована методика контроля и регулировки температуры по подложкодержателю с использованием в качестве контрольных показаний для калибровки данных с термоспутника.
8. Разработана и изготовлена автоматизированная установка эпитаксиального наращивания одиночных подложек диаметром 150 мм, проведены пусконаладочные работы и технологические испытания. В результате испытания установлено, что все режимы и параметры работы установки соответствуют требованиям ТЗ и близки к зарубежным.
9. По результатам испытаний установлено, что разброс температуры в зоне подложки составляет менее 10оС, а разброс толщены эпитаксиального слоя и поверхностного сопротивления менее 5%, что соответствует зарубежным эпитаксиальным установкам.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Х. Миркурбанов, В. Тимофеев, В. Одиноков, Г. Павлов, Д.
Веревкин, А. Кравченко Установка эпитаксиального наращивания слоев для индивидуальной обработки подложек большого диаметра // Наноиндустрия. - М: 2008, № 6 с. 4-7.; 2009, № 1 с. 4-11.
2. А.А. Кравченко Характеристики газового потока в щелевом реакторе эпитаксиального наращивания одиночных подложек больших диаметров // 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов л Микроэлектроника и информатика 2007, тез. докл. М.:2007 с. 3. Тимофеев В.Н., Миркурбанов Х.А., Сажнев С.В., Кравченко А.А. Характеристики газового потока в щелевом реакторе эпитаксиального наращивания одиночных подложек больших диаметров // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - М: ВИМИ, 2007, №3, с.96-100.
4. Кравченко А.А., Веревкин Д.В. Газодинамика реактора высокотемпературной эпитаксиальной установки индивидуальной обработки полупроводниковых подложек больших диаметров // Методы и средства экологического контроля систем качества производств электронной техники: Сборник научных трудов / Под ред. Каракеяна.М.: МИЭТ, 2008.-216 с.
5. А.А. Кравченко Сравнительные газодинамические характеристики реакторов призматического и диффузорного типов // 15я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов л Микроэлектроника и информатика 2008, тез.
докл. М.:2008 с. 48.
6. Тимофеев В.Н., Миркурбанов Х.А., Кравченко А.А., Веревкин Д.В. Сравнительные характеристики газового потока в щелевых реакторах эпитаксиального наращивания призматического и диффузорного типов // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - М: ВИМИ, 2009, №1, с 34-39.
7. А.А. Кравченко, Д.В. Веревкин, Х.А. Миркурбанов, В.Н.
Тимофеев Оптимизация конструкции эпитаксиального реактора индивидуальной обработки подложек / VI Международная конференция Кремний 2009, Новосибирск, 2009.
8. А.А. Кравченко, Х.А. Миркурбанов, В.Н. Тимофеев.
Преспективы создания и использования российской эпитаксиальной установки индивидуальной обработки пластин большого диаметра / VII Международная конференция Кремний 2010, Нижний Новгород, 20г.
9. А.А. Кравченко, Д.В. Веревкин Анализ газодинамических характеристик эпитаксиального реактора с удлиненным подложкодержателем // 16-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика 2009, тез. докл. М.: 2009, с.54.
10. А.А. Кравченко Х.А. Миркурбанов и др. Современное состояние и перспективы развития оборудования для эпитаксии Si-Si, Ge-Si, SiC-SiC и КНС / VIII Международная конференция Кремний 2011, Москва 2011 г.
11. Х.А. Миркурбанов, А.А. Кравченко и др. Малогабаритная эпитаксиальная установка функционального контроля соединений кремния / XVII Координационный научно-технический семинар по СВЧ технике, Нижний Новгород 2011 г.
12. О.Гадалова, А.Котенко, А.Кравченко, Х.Миркурбанов, В.Одиноков. Cоздание производства поликристаллического кремния электронного качества из моносилана // Наноиндустрия. - М: 2010, № с. 6-8.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям