基于硅外延片用石墨基座的溫度均勻性研究

馮永平，何文俊，任 凱

（南京國盛電子有限公司，南京 211153）

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)所扮演的角色愈發(fā)重要[1]，對于半導(dǎo)體制造設(shè)備的性能需求與日俱增。因此，更優(yōu)秀的設(shè)備性能和高質(zhì)量材料受到了研究人員的重點(diǎn)關(guān)注。化學(xué)氣相沉積（CVD）[2-3]是目前常見的制備半導(dǎo)體材料的手段之一，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可精確控制氣流和其生長速率；（2）易于生長超晶格材料或異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料；（3）純度高，外延均勻性好；（4）適合批量生產(chǎn)[4-5]。

在硅外延工程領(lǐng)域，常見CVD設(shè)備的加熱方式主要為電磁感應(yīng)[6-7]和光照加熱2種，加熱的對象均為石墨基座，其性能受到材料的熱導(dǎo)率、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)、硬度等性能參數(shù)的影響。石墨基座作為硅外延片的承載體和傳熱體，其溫度均勻性扮演著至關(guān)重要的角色。張進(jìn)成等人[8]通過改變桶式石墨基座安裝的同軸度改善了基座表面溫度均勻性。潘建秋等人[9]采用數(shù)值模擬的方法，研究了反應(yīng)腔室結(jié)構(gòu)對基座表面溫度均勻性的影響。徐龍權(quán)等人[10]利用有限元仿真及實(shí)驗(yàn)研究了電流頻率和強(qiáng)度與溫度均勻性的關(guān)系。然而，受限于石墨基座加工工序多、驗(yàn)證成本高、周期長等不利因素的影響，半導(dǎo)體硅外延片質(zhì)量的研發(fā)改進(jìn)在實(shí)際工程中難以快速推進(jìn)。

因此，本文從半導(dǎo)體硅外延研發(fā)改進(jìn)的實(shí)際工程角度出發(fā)，基于電磁感應(yīng)加熱方式，搭建基于CVD原理的平板式石墨基座理論仿真模型，選用SGL Carbon廠家的2種特種石墨R6510和R6810材料作為研究對象（其中材料R6510熱傳導(dǎo)性能較差，但抗折強(qiáng)度高、不易變形且易購買，而材料R6810具有良好的傳熱性能，但其制成的基座易變形且價格昂貴），進(jìn)而研究了石墨材料的熱性能、基座結(jié)構(gòu)對石墨基座溫度均勻性的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對理論模型進(jìn)行分析，為石墨基座的研發(fā)改進(jìn)、外延片的質(zhì)量提升與產(chǎn)線的提質(zhì)增效提供理論參考。

2 理論模型與原理分析

2.1 電磁感應(yīng)加熱原理

2.1.1控制方程

電磁加熱磁場的磁失勢方程[11]為：

其中，J表示線圈內(nèi)部的感應(yīng)電流密度，μ表示線圈磁導(dǎo)率，A→表示感應(yīng)磁場磁矢勢，ε表示介電常數(shù)，σ表示線圈電導(dǎo)率，t表示感應(yīng)時間。

熱傳遞方程為：

其中，cn表示第n種材料的比熱率，kn表示第n種材料的熱導(dǎo)率，ρn表示第n種材料的密度，T表示溫度，r表示半徑，Qsource表示因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦電流發(fā)熱的熱流密度。

其中，A*表示A0的共軛復(fù)數(shù)。

2.1.2邊界條件

（1）熱邊界條件基座和反應(yīng)腔室的熱邊界條件見式（4）：

其中，ki為第i種材料的熱導(dǎo)率，γ為發(fā)射率，σsb為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，σsb=5.67×10-8W/（m2·K4），h為表面熱傳遞系數(shù)，fij為輻射角系數(shù)，Ts為環(huán)境溫度。

（2）電磁邊界條件

由仿真模型的軸對稱性，在模型中心軸線上和無限遠(yuǎn)處，其磁矢勢的大小為零，即A0=0，當(dāng)r=0或者r2+z2→0。

2.2 石墨基座仿真模型建立和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)電磁感應(yīng)加熱CVD反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)，在COMSOL軟件建立如圖1（a）所示的三維模型，主要包括反應(yīng)腔室、石墨基座、線圈3個基本結(jié)構(gòu)。圖1（b）展示了石墨基座的三維結(jié)構(gòu)，石墨基座直徑為635 mm，厚度為14 mm。在進(jìn)行仿真模型網(wǎng)格劃分時，先采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，然后在物理量變化劇烈的部分進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，主要為石墨基座部分，如圖1（c）所示。圖1（d）展示了石墨基座片坑的截面圖，片坑直徑152 mm，片坑深度為h1。圖1（e）展示了具有凸臺結(jié)構(gòu)的石墨基座片坑截面圖，其中凸臺高度為h。

圖1 CVD反應(yīng)腔室布局示意圖（含基座、線圈）

為簡化仿真過程，在仿真分析時，將室溫條件看做為反應(yīng)腔室加熱前的初始狀態(tài)。高頻電壓施加于線圈兩端，并以此作為電磁感應(yīng)的熱源發(fā)射點(diǎn)；由于在電磁感應(yīng)加熱時，反應(yīng)腔室內(nèi)部溫度較高，石墨基座和反應(yīng)腔室內(nèi)壁、氣體存在熱輻射和熱傳遞。在反應(yīng)腔室外部，冷卻水循環(huán)流動，腔體內(nèi)外部溫度存在熱交換，但由于冷卻水溫度和流量相對恒定，故可將其看做恒定室溫。仿真時，線圈為12匝，寬度為20 mm，間距為15 mm，厚度為10 mm，外加高頻交流電壓為380 V，頻率為3000 Hz。通過以上條件和仿真流程的實(shí)現(xiàn)，可模擬出反應(yīng)腔室內(nèi)及石墨基座內(nèi)部模型的溫場分布。

實(shí)驗(yàn)時，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可對比性，實(shí)驗(yàn)選取了相同的線圈和反應(yīng)腔等關(guān)鍵參數(shù)配置，分別研究基座材料、基座結(jié)構(gòu)的不同對基座表面溫度分布的影響。為節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，在研究基座結(jié)構(gòu)時，選擇對凸臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉偏實(shí)驗(yàn)，更能明顯對比影響程度。

3 結(jié)果與討論

3.1 石墨材料對基座片坑表面溫度分布的影響

本研究選用了石墨材料R6510和R6810作為研究對象進(jìn)行分析。圖2分別展示了基座石墨材料為R6510與R6810時基座內(nèi)部溫度分布的仿真結(jié)果。從圖2中可看出，由于電磁感應(yīng)的集膚效應(yīng)[12-13]，2種材料對應(yīng)的基座均在下表面產(chǎn)生最高溫度，而基座內(nèi)部和上表面的溫度主要是通過基座自身的熱傳導(dǎo)引起的。因此，在基座上表面的溫度會受到材料自身的傳熱性能和基座本身厚度參數(shù)的影響。

圖2 基座內(nèi)部（截面）溫度分布仿真示意圖

圖3為基座片坑表面溫度分布的仿真結(jié)果。材料為R6810時基座片坑表面平均溫度約為1085℃，較材料為R6510時基座片坑表面平均溫度高約為25℃，傳熱效率提升約2.4%；同時，材料為R6810時基座片坑表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為2.08℃，優(yōu)于材料為R6510時基座標(biāo)準(zhǔn)差為3.68℃，溫度均勻性提升約43.5%。因此可知，在其他參數(shù)一致時，材料為R6810的基座相較于R6510材料的基座具有更好的傳熱性能，而且材料R6810的基座表面溫度分布更加均勻，硅片的均勻性也好。

圖3 石墨基座片坑表面溫度仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，分別對2種石墨基座進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中除驗(yàn)證參數(shù)外，其他參數(shù)條件均相同。2種材料基座在淀積階段的功率如圖4所示，通過多爐次功率數(shù)據(jù)對比可知，基座表面獲得相同溫度時，材料R6810的基座在淀積過程所需施加的功率較R6510更低；由于材料R6810的導(dǎo)熱系數(shù)越大，基座上、下表面溫度差越小，因此基座上表面加熱到相同溫度所需功率越低。2種材料基座的溫場分布如圖5所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在相同的功率條件下，材料R6810基座表面片坑的溫場標(biāo)準(zhǔn)差為1.92℃，優(yōu)于材料R6510溫場標(biāo)準(zhǔn)差4.31℃。通過仿真分析和以上2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知材料R6810的傳熱性能和均勻性均好于材料R6510，工程實(shí)驗(yàn)與理論建模結(jié)論一致，為后期石墨基座的材料選型建立了理論參考。

圖4 不同材料石墨基座淀積功率

圖5 不同材料石墨基座溫場

3.2 基座背面凸臺高度對基座片坑溫度分布的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可知，材料R6810的性能優(yōu)于R6510。因此，以下將以材料R6810為研究對象，分析基座結(jié)構(gòu)對于基座片坑表面溫度的影響。

不同基座背面凸臺高度下，基座表面溫度分布如圖6所示。當(dāng)基座背面凸臺高度為0時，基座片坑表面平均溫度可達(dá)1085℃；隨著背面凸臺高度的增加，基座下表面的熱量傳遞給上表面的速度減慢，熱量損失增多，片坑表面平均溫度分別下降約0.9%、1.8%、3.5%，當(dāng)凸臺高度達(dá)到3h時，平均溫度僅為1048℃；同時，在凸臺高度為0時，基座片坑中心位置獲得更高的熱量，而片坑周邊熱量較低，導(dǎo)致片坑中心和周邊產(chǎn)生較大的溫度差；隨著凸臺高度的增加，基座片坑中心位置獲得的溫度降低，而片坑周邊由于基座厚度較薄，雖然感應(yīng)溫度較低，但傳熱損失較少，故片坑中心和周邊的溫度差較小，即溫度均勻性逐步提升。因此可以得出，在一定范圍內(nèi)，基座背面凸臺高度與基座片坑表面的溫度、標(biāo)準(zhǔn)差均成反比，即凸臺高度越高，基座片坑表面溫度越低，溫度分布越均勻。

圖6 不同凸臺高度石墨基座溫度仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時，對基座背面凸臺進(jìn)行拉偏實(shí)驗(yàn)，分別對凸臺高度為0和3h的基座進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。基座表面獲取1100℃溫度時的功率如圖7所示，可以看出凸臺高度為3h時，施加的功率要更高，故溫度損失越多；相同功率參數(shù)條件下基座片坑表面的溫度分布如圖8所示，可以看出凸臺高度為3h時，基座表面溫度分布更加均勻。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，凸臺高度越高，基座表面達(dá)到相同溫度所需要施加的功率越高，溫場均勻性越好。

圖7 不同凸臺高度石墨基座淀積功率

圖8 不同凸臺高度石墨基座溫場

通過仿真分析和以上2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基座背面凸臺高度越高，需要的加熱功率越高，但基座表面溫度均勻性越好；工程實(shí)驗(yàn)與理論建模結(jié)論一致，為后期石墨基座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建立了理論參考。

4 結(jié)論

針對硅外延化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔，本文通過對不同型號石墨材料和不同的基座凸臺高度進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明理論建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，該模型可作為硅外延片質(zhì)量優(yōu)化的理論分析參考。石墨材料R6810的傳熱性能和溫度分布的均勻性均優(yōu)于材料R6510。基座背面凸臺高度的設(shè)計(jì)會改變基座片坑表面溫度的均勻性和加熱功率，工程中需要平衡外延

片質(zhì)量和電力消耗。因此，在選擇基座材料和設(shè)計(jì)基

座背面凸臺高度時，應(yīng)平衡質(zhì)量要求和實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而達(dá)到質(zhì)量提升和降本增效的目的。