一種精細(xì)調(diào)控PECVD晶圓溫度的設(shè)計(jì)及其仿真分析

張　瀚，向　東，楊　旺

(清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京　100084)

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一種精細(xì)調(diào)控PECVD晶圓溫度的設(shè)計(jì)及其仿真分析

張瀚，向東，楊旺

(清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084)

摘要:為在等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積工藝過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓平均溫度及溫度分布輪廓的精細(xì)化調(diào)控。采用Comsol軟件建立熱流仿真模型，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻氣體的進(jìn)氣流量，調(diào)節(jié)晶圓平均溫度;通過(guò)調(diào)節(jié)布?xì)獍瀛h(huán)形氣道寬度，調(diào)節(jié)晶圓的溫度分布輪廓。結(jié)果表明，與不通冷卻氣體時(shí)相比，當(dāng)氣體流量為70 000mL/min時(shí)，晶圓表面平均溫度從430℃降到預(yù)設(shè)溫度220℃;當(dāng)布?xì)獍瀛h(huán)形氣道寬度從中心到邊緣分別為0.5mm、8.0mm、2.0mm、1.0mm、0.5mm時(shí)，晶圓表面溫度分布變異系數(shù)小于2%。該方法實(shí)現(xiàn)了在工藝過(guò)程中對(duì)晶圓平均溫度及分布輪廓的有效控制，為薄膜沉積工藝提供了均勻的熱場(chǎng)分布。

關(guān)鍵詞:等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積;溫度控制;晶圓

等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)在太陽(yáng)能電池、集成電路元件等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用［1］。與傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積工藝相比，PECVD通過(guò)射頻放電引入等離子體，使反應(yīng)具有更低的工藝溫度(200～400℃)和更好的薄膜性能［2］。但是PECVD設(shè)備在放電過(guò)程中，產(chǎn)生的等離子體中的帶電粒子的轟擊作用造成晶圓表面溫度持續(xù)升高，甚至高于最佳反應(yīng)溫度，影響薄膜性能。如何在射頻放電產(chǎn)生等離子的情況下控制腔室溫度，尤其是控制晶圓的溫度，成為現(xiàn)在PECVD工藝面臨的重要問(wèn)題。

PECVD的傳熱仿真問(wèn)題被廣泛研究［3－5］。針對(duì)PECVD工藝熱流仿真問(wèn)題，Jae－Sang Baek等［6］通過(guò)建模仿真，研究了不同工藝條件下PECVD的熱流場(chǎng)，但上述研究并未考慮等離子體放電產(chǎn)生的熱量，也未給出精細(xì)調(diào)控晶圓表面溫度分布的解決方案。目前工業(yè)界的解決方法是通過(guò)定時(shí)開(kāi)關(guān)等離子射頻，進(jìn)行溫度控制，但這種方法卻大大降低了薄膜沉積的效率。因此，在持續(xù)施加等離子射頻的情況下使用氣體控制晶圓溫度的方法對(duì)提升薄膜沉積的效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　理論分析及建模仿真

1.1仿真幾何模型

本文針對(duì)PECVD工藝射頻放電導(dǎo)致晶圓溫度升高的問(wèn)題，采用在加熱盤內(nèi)部設(shè)置冷卻氣體通道，在加熱盤表面設(shè)置布?xì)獍宓姆绞?，使冷卻氣體在加熱盤和晶圓之間的間隙流動(dòng)，對(duì)晶圓進(jìn)行冷卻。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)控制冷卻氣體流量調(diào)節(jié)晶圓平均溫度，通過(guò)調(diào)整布?xì)獍褰Y(jié)構(gòu)改善晶圓表面溫度分布。

圖1　氣體流動(dòng)模型

反應(yīng)腔室的氣體流動(dòng)模型簡(jiǎn)化后如圖1所示，晶圓與加熱盤之間有1mm左右的縫隙，并由邊緣的卡盤固定。加熱盤布?xì)獍宓臍獾啦捎玫乳g距環(huán)形布置。冷卻氣體從下端進(jìn)氣口進(jìn)入加熱盤內(nèi)部的布?xì)饪臻g中，然后通過(guò)加熱盤表面的布?xì)獍辶飨蚓A的下表面，氣體對(duì)晶圓進(jìn)行冷卻后從周邊流出。布?xì)獍迤鸬?個(gè)作用:一是使氣體更為均勻地流向晶圓;二是可通過(guò)調(diào)節(jié)布?xì)獍瀛h(huán)形氣道的寬度來(lái)控制冷卻氣體流向晶圓不同位置的流量大小。通過(guò)調(diào)整布?xì)獍褰Y(jié)構(gòu)改善晶圓溫度的均勻性，進(jìn)而提升沉積薄膜的性能。

1.2理論分析

模型的流體方程［7］:

對(duì)于所有流固交界面:

進(jìn)氣口表面:

出氣口表面:

式中:ρ為材料密度;ρst為標(biāo)況下的材料密度; p為氣體壓力; u為氣體流速;μ為動(dòng)態(tài)黏滯度; Qin為進(jìn)氣流量，L/min; Mn為摩爾質(zhì)量; Vm為標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積; dS為面上的積分。

傳熱方程:

式中: Cp為定壓比熱容; T為溫度; k為熱導(dǎo)率; Q為熱量。

等離子放電產(chǎn)生的熱量，主要源自等離子體中的帶電粒子轟擊晶圓表面。因此，將等效熱源平均加載在晶圓上。

式中: Ptot為熱源等效熱功率; V為晶圓體積。

晶圓上下表面、加熱盤上表面由于溫度較高，故考慮熱輻射，其方程為:

其中:

式中: G為輻射熱通量; Gm為對(duì)表面的輻射熱通量; J為輻射度，是隱式函數(shù)Gm中的平衡量; Famb為環(huán)境視角系數(shù)，0＜Famb＜1;σ為波茲曼常數(shù); Tamb為環(huán)境溫度;ε為材料表面輻射率。

腔室壁面溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)恒定設(shè)定為75℃。

根據(jù)以上方程，建立熱流仿真模型，其中進(jìn)氣流量Qin和布?xì)獾赖膶挾葹榭烧{(diào)參數(shù)。

2　結(jié)果和討論

在不通氣的情況下，當(dāng)射頻放電等效熱功率Ptot= 500W時(shí)，晶圓溫度在放電過(guò)程中不斷升高至430℃，遠(yuǎn)高于理想工藝溫度220℃。下面在加熱盤布?xì)獍瀛h(huán)形氣道寬度均為2mm的情況下，改變進(jìn)氣流量，調(diào)節(jié)晶圓的平均溫度。圖2所示為晶圓表面平均溫度隨進(jìn)氣流量變化圖;圖3所示為不同進(jìn)氣流量下，晶圓表面的溫度徑向分布圖。

圖2　晶圓表面平均溫度隨流量的變化情況

圖3　晶圓表面徑向溫度隨流量的變化情況

由圖2得知，隨著進(jìn)氣流量的增加，晶圓表面平均溫度降低，且基本為線性下降。對(duì)圖2的直線進(jìn)行擬合，得到近似的線性方程:

式(9)的適用范圍是Qin在0～100 000 mL/min。目標(biāo)溫度T為220℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣流量Qin= 72 413 mL/min。

圖3展現(xiàn)了晶圓內(nèi)部溫度的不均勻，在通入冷卻氣體狀態(tài)下，晶圓表面的最大溫差超過(guò)30℃。在薄膜沉積過(guò)程中，晶圓表面存在如此巨大的溫差勢(shì)必造成薄膜質(zhì)量存在缺陷，所以在降低晶圓表面平均溫度的基礎(chǔ)上，還需要同時(shí)減少表面溫差。下面將在固定通入70 000 mL/min冷卻氣體的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變布?xì)獍瀛h(huán)形氣道寬度來(lái)調(diào)節(jié)晶圓表面溫度分布輪廓。

從通入冷卻氣體時(shí)晶圓的溫度分布可以看出，中心溫度和邊緣溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，其原因?yàn)? 1)冷卻氣體直接吹向加熱盤中心區(qū)域使得加熱盤中心區(qū)域溫度低于周邊區(qū)域; 2)由于晶圓與加熱盤的間隔僅為1mm，與開(kāi)環(huán)間距相當(dāng)，導(dǎo)致冷卻氣體絕大部分從邊緣流出，因而邊緣溫度大幅降低。據(jù)此，通過(guò)改變布?xì)獍瀛h(huán)形氣道寬度，設(shè)計(jì)了4種布?xì)獍?，并通過(guò)仿真測(cè)試比較這4種方案的優(yōu)劣。

布?xì)獍鍙闹行牡竭吘壒苍O(shè)置5個(gè)環(huán)形氣道，其寬度分別為d1，d2，d3，d4，d5。表1為方案1至方案4各個(gè)環(huán)形氣道的寬度分布情況。

表1　各個(gè)方案環(huán)形氣道寬度分布

圖4為在進(jìn)氣流量70 000mL/min情況下，4種不同方案晶圓表面溫度的分布。通過(guò)此圖可直觀地看出，方案4相較其他3種方案，晶圓表面的最大溫差更小，溫度分布更加均勻。

圖4　不同方案晶圓溫度徑向分布

表2為4種方案晶圓溫度徑向分布的變異系數(shù)，采用科學(xué)的計(jì)算方法也可證明方案4比其他3種方案更優(yōu)秀。

通過(guò)以上仿真測(cè)試，得到了本文工藝條件下晶圓表面溫度符合預(yù)期目標(biāo)的氣體流量和布?xì)獍褰Y(jié)構(gòu)。

表2　4種方案晶圓溫度徑向分布的變異系數(shù)

3　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)PECVD工藝過(guò)程中由于射頻放電導(dǎo)致晶圓溫度過(guò)高的問(wèn)題，提出了一種精細(xì)調(diào)控晶圓表面溫度的方法:控制冷卻氣體進(jìn)氣流量和布?xì)獍瀛h(huán)形氣道寬度。在本文案例的工藝條件下，冷卻氣體進(jìn)氣量為70 000mL/min，環(huán)形氣道寬度為方案4時(shí)，晶圓平均溫度小于220℃，晶圓溫度徑向分布變異系數(shù)為0.011 7。工藝條件改變時(shí)，運(yùn)用本文提出的方法仍可快速分析出達(dá)到目標(biāo)溫度所需的結(jié)構(gòu)和工藝條件。該方法也適用于其他需要精細(xì)調(diào)控溫度分布的設(shè)備中。

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Design and simulation analysis for wafer temperature finely regulatory of PECVD

ZHANG Han，XIANG Dong，YANG Wang
(Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084，China)

Abstract:It introduces a finely regulatory method of the wafer average temperature and the profile of the wafer temperature distribution in Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) process.It establishes the model in Comsol multi-physics.Based on the regulation of wafer average temperature with the inlet flow rate of cooling gas，it regulates the profile distribution of the wafer temperature according to the width of the annular air flue of the heater.Results indicate that wafer surface average temperature reduce from 430℃to 220℃when the inlet flow rate is 70000mL/min，and the variable coefficient is less than 2% when the width of the annular air flue is 0.5mm，8mm，2mm，1mm，0.5mm.The wafer average temperature and the profile of the wafer temperature distribution are controlled in PECVD process using this method，which provides a proper temperature distribution for deposition.This method is also suitable for other equipment which needs a finely regulation of temperature.

Key words:PECVD; temperature control; wafer

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.004

作者簡(jiǎn)介:張瀚(1990—)，男，北京人，清華大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX02403)

收稿日期:2015－04－21

中圖分類號(hào):TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－509X(2015) 06－0012－03