Введение к работе
Актуальность темы.
Производство эпитаксиального кремния стало важной составляющей ехнологического цикла изготовления СБИС. Ключевыми проблемами овременнои эпитаксналънои технолопіи являются однородность свойств пнтакснальных слоев и резкость концентрационного профиля на границе эастания фаз. Особое значение эта проблема приобретает с ростом роизводительности оборудования и диаметра подложек - эффективность аботы реакторов эпитаксиальных установок увеличивается каждые пять лет в эеднем в два раза.
Промышленные методы получения эпитаксиальных слоев кремния :нованы на реакционной конденсации кремния из газовой фазы. Наиболее аепространенным является хлоридный процесс, в котором кремний эсстанавливается из его тетрахлорида при протекании эндотермической гакцин. В хлоридном процесе эпитакснальные слои с параметрами, ютветствующими требованиям современной микроэлектроники, ормируются, как правило, в диффузионной области гетерогенной реакции эй температуре выше 1450К и атмосферном давлении. Как известно, при этом зко уменьшается значение энергии активации процесса, его акроскопическая скорость определяется условиями тепло- и массопереноса іагирутощих вешеств и продуктов реакции, однородность параметров и ічество эпитаксиальных слоев зависят от геометрии реакционной зоны и ювня оптимизации состава парогазовой смеси, температурных и зодинамических условий.
Анализ эксплуатационных характеристик основных типов [итаксиальных реакторов свидетельствует о том, что существующие шструкции и режимы требуют серьезных усовершенствований вследствие ісокой энергоемкости и значительных затрат на производство единицы юдукции. Решение такой задачи возможно только путем фундаментальных следований и оптимизации тепло-и массопереноса при эпитаксии. Другим,
менее важным обстоятельством, стимулирующим интенсивные следования в этой области, является широкое внедрение САПР как на алии проектирования, так и на стадии эксплуатации эпитаксиального іорудования. Создание высококачественных систем автоматического 'оектирования и управления невозможно без математической модели оцесса. в основе которой лежит картина тепло- и массопереноса в газовой
ІЗЄ.
Надежность вычислительных алгоритмов расчета газодинамическі явлений при протекании гетерогенной реакции осаждения эпитаксиальног кремния в значительной мере определяется уровнем экспериментально техники, используемой при исследовании параметров газовой фазы, прозрачных средах наиболее достоверные сведения о развитии процесса дак прямые экспериментальные наблюдения состояния газовой фазы, сред которых особое место занимают методы голографической интерферометриї позволяющие осуществлчть экспериментальные наблюдения характера стабильности течения парогазовой смеси в условиях высокотемпературног нагрева, развития профилей температур, скоростей и состава в реально: времени, в действующем оборудовании или на моделях, воспроизводяши действующий реактор - методы измерений in situ.
Цель работы.
Цель настоящей работы - проведение комплексных исследовани: газодинамических течений при газофазной эпитаксии кремния и разработк математической модели тепло- и массопереноса в вертикально! цилиндрическом эпитакспальном реакторе большой емкости с использование* граничных условий для решения уравнений конвективного тепло- і массообмена, сформулированных на основе критериального анализа н прямы: экспериментальных наблюдений состояния газовой фазы in situ с помошьк голографической интерферометрии.
Научная новизна работы.
-
Представлены результаты комплексных исследований тепло- і массообмена в эпитаксиальных реакторах различных конструкций включающие критериальный анализ газодинамических условий визуализацию газовых течений. Показано, что наличие SiCb в поток< в количествах, необходимых для эпитаксии, не влияет на характер течения.
-
Визуализированы краевые эффекты вблизи начальной и конечной зоь пьедестала в газовой фазе эпитакснального реактора.
-
Установлено наличие спиральных неоднородностей в газовых потоках эпитакснального реактора, сформулированы критерии и> возникновения.
-
Обнаружено, что оценка характера течения газов по величине комплекса Gr/Re2 не является правомерной, так как при одних и тех же значениях Gr/Re2 картины потоков существенно отличаются для водорода и аргона.
Рассчитаны распределения температур в газовой фазе эпитакснального цилиндрического реактора при различных комбинациях направлений градиента температур и гравитации, скоростях потоков.
Разработана математическая модель газодинамических течений водорода и аргона а вертикальном цилиндрическом реакторе для автоэпитаксии кремния на базе данных, полученных методами голографической интерферометрии.
рактическая значимость работы. Результаты выполненных исследований продемонстрировали возможности применения голографической интерферометрии для изучения тепло- и массопереноса в газофазных процессах микроэлектроники и показали, что применение метода позволяет дать ответы на такие вопросы как характер потока во время эпитаксии. влияние технологических факторов (температуры подложки, скорости газового потока, конструкции и ориентации реактора, направления вынужденного течения) на газодинамические условия в системе, распределение температуры в газовой фазе.
Показано, что голографическая интерферограмма дает информацию о
пространственно-усредненном градиенте плотности газовой фазы в
зоне реакции, который коррелирует, в свою очередь, со скоростью и
способом подачи реагентов, геометрией реакционной зоны, составом
газовой фазы. Используя эту корреляцию, можно установить
зависимость между входными параметрами и обобщенным выходным
параметром - оптической плотностью среды, идентифицируемой через
расположение ннтерффенционных полос на голографической
интерферограмме. Таким образом. голографическая
интерферограмма может служить готовой целевой функцией для оптимизации параметров процесса и геометрии эпитакснального реактора.
Показано, что интерпретация явлений, протекающих в газофазных процессах по значениям безразмерных критериев полезна для качественной оценки и сравнения различных ситуаций, но весьма проблематична при количественном анализе процесса. На базе информации, полученной методом голографической штерферометрии, определены условия кристаллизации однородных шитаксиальных слоев: они наблюдаются при параллельном засположении интерференционных полос относительно пьедестала, гго соответствует однородной оптической плотности среды в зоне
реакции и возможно при ламинарном течении парогазовой смеси отсутствии естественной конвекции.
-
Обнаруженные закономерности возникновения рециркуляционнь областей в газовой фазе при определенных газодинамическі параметрах в процессе эпитаксии, приводящих к образованию 'яче памяти", могут использоваться при оптимизации технологическі режимов создания субмикронных эпитаксиальных структур минимальным размытием примесного профиля в зоне срастания.
-
Разработанное, программное обеспечение для моделировані конвективного тепло- и массообиена в вертикальном цилиндрическс элитаксиальном реакторе позволяет определить структуру течени его зависимость от входных параметров процесса.
-
Детальное параметрическое исследование процесса эпитака кремния в вертикальном цилиндрическом эпитаксиальном реакто] позволяет сократить значительные затраты времени и средств пр оптимизации конструкции эпитаксиальных реакторов.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты комплексных исследований тепло- и массообмена эпитаксиальных реакторах различных конструкций, включаюц» критериальный анализ газодинамических условий, визуалнзаци! газовых течений.
-
Визуализация краевых эффектов вблизи начальной и конечной зо пьедестала в газовой фазе эпитаксиального реактора.
-
Экспериментальное подтверждение наличия спиральны неоднородностей в газовых потоках эпитаксиального реактор; критерии их возникновения.
-
Результаты голографических измерений распределения температуры газовой фазе эпитаксиального цилиндрического реактора пр различных комбинациях направлений градиента температур гравитации, скоростях потоков.
-
Математическая модель и программы расчета газодинамически течений водорода и аргона в вертикальном цилиндрическом реактог для эпитаксии кремния на базе данных, полученных методам голографической интерферометрии.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работ;
докладывались на:
Ісесоюзном совещании 'Методы и средства САПР в ГАП микроэлектроники.
ути развития и внедрения" (Москва. 1987);
ісесоюзном совещании молодых ученых и специалистов "Интегрированные
стемы автоматизированного проектирования в гибких производственных
стемах" (Москва, 1988);
1 Координационном совещании 'Развитие методов проектирования и
готовления интегральных запоминающих устройств" (Москва, 1988);
Іеждународном семинаре 'Моделирование приборов и технологий в
нфоэлектронике'' (Новосибирск, 1990);
Іеждународной научно-технической конференции ''Датчики и
еобразователи информации систем измерения, контроля и управления"'
(осква, 1994).
Публикации.
По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, гаса литературы и приложения. Основная часть работы содержит 137 )ании, 13 таблиц, 41 рисунок, 118 наименований литературы.
