Введение к работе
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:
возможность полной автоматизации;
возможность встраивания в кластер;
простота и надежность;
лучше газодинамические параметры в реакторе;
минимальная фоновая память реактора;
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:
разработка модели влияния неравномерности температурного поля на напряженное состояние и механизмы пластической деформации в кремниевой подложки при высокотемпературной обработке;
разработка методики анализа термической деформации подложки и дать рекомендации по оптимизации конструкции подложкодержателя;
адаптация программы SolidWorks для расчета газодинамических характеристик реакторов, оптимизация их конструкции применительно к процессу эпитаксиального наращивания;
разработка и изготовление опытной высокотемпературной эпитаксиальной установки отвечающей современным требованиям;
Научная новизна работы представлена следующими положениями:
разработана методика расчета температурного поля подложки и подложкодержателя в реакторе эпитаксиальной установки;
разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния подложки в подложкодержателе, оптимизирована конструкция гнезда укладки подложки, позволяющая минимизировать деформацию подложки;
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.
Личный 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. МиркурбановаХ.А. и к.т.н. Сажнева СВ.
Внедрение
Результаты диссертации использованы в практических разработках ЗАО«Электронточмаш», 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
-
Методика расчета и измерения температуры подложки в реакторе в условиях рабочих температур. Установлен перепад температуры по толщине подложки и ее диаметру.
-
Методика расчета напряженного состояния подложки в подложкодержателе при осисимметричном изменении перепада температуры по толщине подложки, ответственного за упругую и пластическую деформацию подложки.
-
Методика расчета деформации подложки в гнезде подложкодержателя с учетом гравитационных сил. Рекомендованная геометрия гнезда подложкодержателя, позволяющая минимизировать температурные деформации подложки.
-
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.
Лобочевского, 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.
Похожие диссертации на Исследование и разработка щелевого реактора с удлиненным подложкодержателем для эпитаксиального наращивания кремния на одиночных подложках
