CVD腔室結(jié)構(gòu)對流場的影響分析

陳英男

摘 要：CVD工藝是半導(dǎo)體芯片進(jìn)行薄膜沉積加工的重要工藝，薄膜沉積的均勻性對最終芯片產(chǎn)品的良率有著至關(guān)重要的影響。CVD腔室是沉積反應(yīng)進(jìn)行的場所。反應(yīng)氣體從進(jìn)入腔室進(jìn)行沉積反應(yīng)到最后從腔室排出，整個(gè)過程中流場分布所影響的不僅僅是沉積的均勻性，還有氣體的擾動(dòng)，流向，壓力等變化所帶來顆粒度問題。本文主要使用Solidworks Flow Simulation軟件進(jìn)行腔室流場仿真，分析CVD腔室結(jié)構(gòu)變化對流場均勻性帶來的影響及對應(yīng)變化趨勢。

關(guān)鍵詞：CVD 流場；均勻性；噴頭；腔室

半導(dǎo)體芯片的制造過程中需要在襯底上生長固體材料層。CVD（化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）是通過化學(xué)反應(yīng)方式將氣態(tài)反應(yīng)物生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在晶圓表面的薄膜沉積技術(shù)。是半導(dǎo)體芯片制造的重要工藝，其薄膜沉積的均勻性對最終產(chǎn)品的良率有著至關(guān)重要的影響。CVD腔室是整個(gè)沉積反應(yīng)進(jìn)行的場所，在沉積過程中存在著流場，溫場及等離子體場等的多場耦合。反應(yīng)腔室結(jié)構(gòu)的變化直接影響著整個(gè)物理場變化。其中流場對沉積均勻性的影響最大。反應(yīng)氣體從進(jìn)入腔室進(jìn)行沉積反應(yīng)到最后從腔室排出，整個(gè)過程中流場的分布所影響的不僅僅是沉積的均勻性，還有氣體的擾動(dòng)，流向等變化所帶來顆粒度問題。芯片的生產(chǎn)加工以及工藝設(shè)備的組裝都選擇在成本高額的潔凈環(huán)境進(jìn)行，就是為了降低顆粒度對產(chǎn)品良率的影響。由此可知由流場不均勻性所帶來的顆粒度問題，代價(jià)是昂貴的。本文使用Solidworks Flow Simulation軟件進(jìn)行腔室流場仿真，分析CVD腔室結(jié)構(gòu)變化時(shí)對流場帶來的影響及對應(yīng)變化趨勢。

1 仿真條件

CVD反應(yīng)腔室結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，氣體從進(jìn)氣口經(jīng)擋板及噴頭進(jìn)入腔室，經(jīng)過承載晶圓的熱盤表面進(jìn)行沉積反應(yīng)后從腔室下方的抽氣口排出。當(dāng)腔室內(nèi)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，整個(gè)流場將會(huì)隨之進(jìn)行相應(yīng)的變化，當(dāng)然有些變化是有利的，有些是不利的。通過軟件仿真分析結(jié)可以直觀的展示出表1所示的結(jié)構(gòu)變化時(shí)對應(yīng)的流場變化趨勢（注：本文中腔室結(jié)構(gòu)僅為說明結(jié)構(gòu)變化而建立，并非真實(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)），為了方便比較，所有仿真邊界條件保持一致，即流體為氮?dú)?，溫?93K，入口體積流量：0.008 m3 /s；出口壓力：133 Pa。

2 仿真結(jié)果對比

結(jié)構(gòu)對比1：噴頭孔分布方式的影響（圖2及圖3）

圖2腔室內(nèi)流場在熱盤表面為矩形分布，孔距不一致時(shí)，兩對稱切面流線稀疏分布區(qū)別明顯，與孔距趨勢一致；

圖3腔室內(nèi)流場在熱盤表面為圓形分布，兩垂直截面氣流分布疏密程度相當(dāng)；

結(jié)構(gòu)對比2：有無擋板的影響（圖3及圖4）

圖3無擋板結(jié)構(gòu)，中心區(qū)域因氣流進(jìn)入時(shí)無阻擋，而以較大流速直接沖入腔室，從而產(chǎn)生流場擾動(dòng)，且中心區(qū)域孔密度較高，邊緣孔密度小，邊緣流線較稀疏；

圖4有擋板結(jié)構(gòu)中心區(qū)域擾流狀況明顯改善。

結(jié)構(gòu)對比3：噴頭孔數(shù)的影響（圖4及圖5）

圖4孔數(shù)約3000個(gè)，氣流分布較均勻，熱盤表面流場接近同心圓分布；

圖5孔數(shù)約1000個(gè)，孔數(shù)較少時(shí)氣流無法均勻到達(dá)熱盤表面，在徑向流動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的相互干擾，整個(gè)腔室內(nèi)流場混亂無規(guī)則。

結(jié)構(gòu)對比4：不對稱結(jié)構(gòu)的影響（圖4及圖6）

圖4沒有傳輸口特征時(shí)流場分布較均勻；

圖6增加傳輸口后，由于結(jié)構(gòu)不對稱引起流場擾動(dòng)。

結(jié)構(gòu)對比5：出口控制結(jié)構(gòu)的影響（圖6及圖7）

圖6，沒有出口控制結(jié)構(gòu)時(shí)流場狀態(tài)混亂；

圖7采用出口控制結(jié)構(gòu)后流場趨勢好轉(zhuǎn)。

3 仿真結(jié)論

通過仿真分析可以很直觀的看出腔室結(jié)構(gòu)變化時(shí)對流場的影響，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)整及優(yōu)化。從上述幾項(xiàng)單變量的結(jié)構(gòu)對比中可以發(fā)現(xiàn)，晶圓表面氣流分布方式與噴頭孔分布方式趨勢一致，噴頭孔采用圓周分布方式更符合晶圓沉積的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；孔按圓周分布的噴頭采用擋板結(jié)構(gòu)時(shí)，因擋板的阻擋使從中心進(jìn)入的高速氣流減速，并迫使其向邊緣流動(dòng)，其中心位置的流動(dòng)狀態(tài)及均勻性明顯好轉(zhuǎn)；孔數(shù)較多的噴頭能使氣體及時(shí)的分布在熱盤表面，而減少徑向傳輸過程的干擾，其對應(yīng)的腔室流動(dòng)狀態(tài)要好于孔數(shù)少的噴頭；盡量不要采用不對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不對稱的結(jié)構(gòu)可能引起流場的偏置及擾動(dòng)等現(xiàn)象；如不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可避免時(shí)，需增加控制結(jié)構(gòu)以改善腔室流場均勻性。

4 結(jié)語

仿真結(jié)構(gòu)僅僅是簡化過后的理論模型，實(shí)際的反應(yīng)腔室結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多，每一個(gè)結(jié)構(gòu)、間隙、或微小尺寸的變化都會(huì)對流場的不均勻性造成影響，產(chǎn)生流場偏置、氣流擾動(dòng)以及死區(qū)等。同時(shí)工藝參數(shù)的變化如進(jìn)氣流量、工藝壓力、極板間距、工藝溫度、等離子體轟擊等都會(huì)對流場及沉積均勻性造成影響。對于多物理場的耦合我們還要面對更多的挑戰(zhàn)，需要從多角度綜合考慮采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式去實(shí)踐探索。

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