Разработка и исследование агрегатов для проведения процесса газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния на подложки большого диаметра Каблуков Андрей Леонидович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние и перспективы развития кремниевой эпитаксиальной технологии и оборудования 14

1.1. Введение 14

1.2. Отличительные особенности и задачи газофазной эпитаксии кремния 17

1.3. Классификация и краткая характеристика эпитаксиалышх реакторов 25

1.4. Постановка задачи 32

Глава 2. Анализ напряженно-деформированного состояния кремниевых пластин при высокотемпературной обработке . 34

2.1. Термоупругие напряжения и термопластические эффекты в кремниевых подложках при высокотемпературной обработке 36

2.2. Распределение температуры в полупроводниковых пластинах при различных условиях нагрева. 48

2.3. Тепловое состояние подложек в процессе газофазной эпитаксии кремния. 58

2.4. Выводы 63

Глава 3. Теплообмен в системе «подложкодержатель - подложка - стенка реактора» 64

3.1. Некоторые особенности контактирования шероховато-волнистых поверхностей 65

3.2. Модель теплообмена между подложкой и подложкодержателем. 68

3.3. Результаты моделирования и их анализ 75

3.4. Экспериментальные исследования распределения температуры подложек в реакторах различной модификации . 78

3.5. Выводы 86

Глава 4. Исследование лучистого теплообмена в устройствах их нагрева 87

4.1. Модель реактора с плоскими отражателями. 90

4.2. Модель реактора с цилиндрическими отражателями 94

4.3. Анализ результатов моделирования нагревательных устройств с линейными источниками ик-нагрева . 98

4.4. Модель сферического реактора с квазиточечными источниками излучения. 104

4.5. Анализ результатов моделирования нагревательных устройств с квазиточечными источниками ик- нагрева. 110

4.6. Схема реакционной камеры с двойным нагревом. 113

4.7. Выводы 115

Глава 5. Разработка узлов и агрегатов установки газофазного осаждения кремния на подложки большого диаметра 116

5.1. Общая компоновка разрабатываемой установки 118

5.2. Реакционная камера. 133

5.3. Производительность установки. 138

5.4. Оценка окупаемости установки 142

5.5. Выводы 144

Основные выводы 145

Литература 147

Приложения 155

• Отличительные особенности и задачи газофазной эпитаксии кремния
• Распределение температуры в полупроводниковых пластинах при различных условиях нагрева.
• Экспериментальные исследования распределения температуры подложек в реакторах различной модификации
• Анализ результатов моделирования нагревательных устройств с линейными источниками ик-нагрева

Введение к работе

Научно-технический прогресс современного общества неразрывно связан с повсеместным использованием изделий электронной техники. Кроме того, решение стратегически важной для нашей страны задачи - обеспечение национальной безопасности Российской Федерации - основывается на технологической независимости (от иностранных государств) при разработке и производстве электронной компонентной базы (ЭКБ).

В комплексе микроэлектронных базовых технологий, определяющих возможности создания отечественной ЭКБ на современном уровне, процессы эпитаксии занимают одно из ведущих мест [1-10] Эпитаксиальные процессы позволяют формировать уникальные приборные структуры с заданными уровнями и градиентами концентрации легирующих элементов в различных конструктивно-технологических вариантах. Только с применением метода эпитаксии возможно получение СБИС и ССБИС, новых видов современных полупроводниковых приборов, включая фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы, силовые приборы и т.д.

Условием, успешно сопутствующим расширению рынка применения и использования эпитаксиальных слоев (ЭС), является логичный, последовательный путь перехода эпитаксиальнои технологии от обработки подложек диаметром 150-200 мм к обработке подложек диаметром 300 мм. Такой переход реализуется при минимально возможных временных затратах и конструкционно-технологических изменениях.

Снижение топологических нормативов в субмикронных структурах СБИС привело к резкому возрастанию требований к ЭС по основным техническим параметрам (градиенты концентраций, уровень

дефектности, снижение толщины эпитаксиальных слоев, однородность электрофизических характеристик по площади структуры и в партии обрабатываемых пластин и т.д.). Эти требования невозможно выполнить с использованием стандартных технологических приемов. Поэтому возникла необходимость в разработке новых, нетрадиционных научных и технологических основ эпитаксиальных процессов для их конструктивных реализаций.

Все выше сказанное определило необходимость и актуальность проведения настоящей работы.

Промышленное производство ЭС кремния базируется на высокопроизводительных установках групповой обработки пластин кремния диаметром 100 мм ( установки типа УНЭС —121, УНЭС —122, LPE -2061 ), 150 мм (установки типа LPE -2061) и 200 мм и более (установки типа LPE -3061, GEMINI, EPSILON).

Переход к обработке пластин диаметром 200 мм и более требует кардинального пересмотра теоретических и конструктивно-технологических основ организации производства ЭС кремния. А именно, реакторы с групповым производством ЭС имеют более протяженные зоны осаждения. Это, с одной стороны, дает возможность работы оборудования с более эффективными коэффициентами превращения вещества. С другой стороны - не представляется возможным получить ЭС с высокой степенью однородности электрофизических параметров. Последнее обстоятельство существенно ограничивает возможности процессов групповой обработкой пластин.

Современные требования, а именно получение ЭС кремния с топологическими размерами 0,30 - 0,5 мкм и с однородностью электрофизических параметров не хуже ±(1- -2)% при полном кристаллографическом совершенстве формируемых ЭС кремния, не

могут быть удовлетворены существующим типом производства, использующим установки с групповой обработкой подложек.

Учитывая выше изложенное, необходимо искать иные подходы к решению стоящей проблемы.

Во-первых, с целью повышения однородности электрофизических параметров ЭС необходимо сократить протяженность зоны осаждения, что приводит к концепции использования установок поштучной обработки подложек.

Во-вторых, с целью сохранения рентабельности производства ЭС нового поколения, необходимо сохранить производительность установок поштучной обработки подложек, что возможно только при сокращении времени цикла процесса.

В- третьих, с целью формирования ЭС с меньшими топологическими размерами необходимо сократить термическую экспозицию (понижение температуры при сохранении продолжительности процесса или сокращение продолжительности процесса при невозможности понижении температуры процесса) формирования ЭС. Это обстоятельство переводит процесс из разряда (квази) равновесных в разряд неравновесных, что в свою очередь приводит к пересмотру физико-химических основ процесса.

В- четвертых, учитывая планарное расположение подложек (П) на подложкодержателе (ПД), а также естественную волнистость П и шероховатость ПД (при их формировании) и требования повышенной прецизионности термообработки (разброс температуры по поверхности подложки не должен превышать ± (2+3) град при температуре процесса от 950 до 1250 °С ) приводит к необходимости анализа условий теплообмена П. с ПД.

Для того, чтобы удовлетворить поставленным требованиям, необходимо рассмотреть комплекс научно-технических проблем:

разработать макрокинетические и математические модели процесса газофазного осаждения ЭС кремния в реакторах поштучной обработки с использованием в качестве физико-математической основы уравнений сохранения типа Навье Стокса с соответствующими условиями однозначности; разработать и предложить схемотехническое решение компоновки установки для проведения ускоренных процессов газофазной эпитаксии кремния;

разработать основные конструктивно-технологические решения основных узлов такой установки;

разработать и выполнить исследования устройств нагрева подложек большого диаметра;

разработать математические модели теплообмена П и ПД, позволяющие провести исследования теплообмена между П и ПД при различных условиях и методах их нагрева; проверить адекватность модельных представлений; на основании результатов моделирования разработать варианты конструкций ПД (для обработки подложек диаметром до 300 мм), исключающих или (по крайней мере) минимизирующих термопластические дефекты в формируемых ЭС кремния Каждая из поставленных задач является актуальной и для своего решения требует значительных материально — временных затрат.

Цель работы

Разработка и исследование агрегатов для проведения процесса газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния на подложки большого диаметра

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработана компоновка установки для проведения ускоренных процессов газофазной эпитаксии кремния на подложках большого диаметра.

2. На основании разработанных математических моделях проведены исследования различных вариантов компоновки устройств, использующих лучистый инфракрасный (ИК) метод нагрева рабочего поля реакционной камеры. Определен и обоснован оптимальный вариант компоновки устройства.

3. Разработаны математические модели теплообмена П и ПД, позволяющие провести исследования теплообмена между П и ПД при различных условиях и методах их нагрева.

4. Проверена адекватность результатов моделирования.

5. На основании результатов моделирования разработаны варианты конструкций ПД (для обработки подложек диаметром до 300 мм) минимизирующих термопластические дефекты в формируемых ЭС кремния.

6. Разработаны конструктивные решения основных узлов установки, рекомендуемой к внедрению.

Научная новизна исследований

1. Впервые разработана математическая модель расчёта облученности. Модель позволяет:

-учитывать многократные отражения лучей;

-учитывать относительный вклад в результирующий лучистый поток каждой из отражённых составляющих при различных сочетаниях материалов экрана реактора и объекта нагрева.

2. Впервые разработана математическая модель сложного теплообмена между подложкодержателем и подложкой с учетом изменения геометрической формы последней (за время термической обработки) в зависимости от величины и направления теплового потока между П и ПД, их теплофизических и радиационных свойств, разрешающих угловых коэффициентов, давления в реакционной камере и т.п. Модель позволяет :

- определить причины возникновения термоупругих напряжений (ТУН) в подложках кремния в процессах их термической обработки;

- при заданной геометрии ПД управлять зонами локализации ТУН в подложках кремния;

- разработать геометрию подложкодержателя, исключающего генерацию термоупругих напряжений в подложках кремния большого диаметра.

3. Разработана принципиально новая конструкция реакционной камеры с использованием источников нагрева на базе пальчиковых РПС ламп, расположенных в сферическом отражателе. Установка позволяет:

-значительно (до ± 1 град, при диаметре пластины 300 мм и средней температуре нагрева 1000 — 1200 ° С) повысить изотермичность обрабатываемых рабочих поверхностей; -повысить надёжность устройства нагрева за счет оперативного динамического управления профилем температуры поверхности осаждения в зависимости от изменения условий в реакторе (расхода и состава смеси реагентов, вращение подложки и т.п.).

4. На основании проведенных исследований разработаны три схемы компоновки установок газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния на подложки диаметром 300 мм

Практическая значимость работы

В результате проведённого комплекса теоретических исследований разработаны математические модели и принципиальные схемные решения основных узлов установки для газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния на подложки большого диаметра. Разработки позволяют:

1. Определить поле облученности и оценить возможности корректировки его в различных излучающих системах, использующих источники ИК - излучения (галогенные лампы накаливания — ГЛН) как линейного, так и пальчикового типов.

2. Повысить прецизионность термической обработки подложек большого диаметра и минимизировать в них термопластические дефекты.

3. Определить и минимизировать зону концентрации кристаллографических дефектов в зависимости от условий нагрева и формы посадочного гнезда подложки на подложкодержателе.

4. Оптимизировать посадочное гнездо с целью уменьшения коэффициента заполнения линиями скольжения (КЗЛС) и локализации последних в неиспользуемой зоне подложки.

5. Повысить изотермичность (до ±1 град при диаметре пластины 300 мм и уровне средней температуры нагрева 1000 - 1200°С) обрабатываемых рабочих поверхностей

6. Повысить надёжность устройства нагрева за счет оперативного динамического управления профилем температуры поверхности осаждения в зависимости от изменения условий в реакторе (расхода и состава смеси реагентов, вращение подложки и т.п.).

Внедрение результатов работы

Основные результаты работы отражены в 2 отчётах по НИР, выполненной в 2001 г. по договору с РАСУ (1 отчёт) и НИОКР , выполненной в 2001 г. по договору с АО НИИМВ (1 отчёт)

На основании результатов моделирования, полученных в ходе выполнения настоящей работы, для предприятий АО НИИМВ и ЗАО «ЭПИЭЛ» были разработаны рекомендации по модернизации подложкодержателей, которые позволят минимизировать термоупругие напряжения в эпитаксиальных структурах кремния, осаждаемых на подложки 100 и 150 мм.

Математические модели расчета облучённости и сложного теплообмена между подложкодержателем и подложкой внедрены в учебный процесс на кафедре АКМ в Московском Государственном институте электронной техники.

Достоверность результатов работы

Сопоставление результатов моделирования с

экспериментальными данными по локализации линий скольжения, полученными на предприятиях АО НИИМВ и ЗАО «ЭПИЭЛ, свидетельствуют об адекватности модельных представлений.

Апробация работы

Основные положения и отдельные результаты работы докладывались на следующих конференциях: II -я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Электроника и информатика - 97", Москва 97; V — я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов

"Микроэлектроника и информатика - 98" Москва ,98; VI - я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 99" Москва, 99; VII - я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2000" Москва, 2000; IV- ый Минский международный форум "Тепломассообмен ММФ 2000", Минск 2000. IV -я Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002" Москва 2002.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель теплообмена между подложкодержателем и подложкой.

2. Математические модели расчета локальной облучённости обрабатываемых рабочих поверхностей нагрева в реакционных камерах ИК -нагрева различных модификаций.

3. Принципиально новая конструкция реакционной камеры, с пальчиковыми галогенными лампами накаливания, расположенными в сферическом отражателе.

4. Принципиально новая конструктивная схема установок (газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния), работающих как при атмосферном, так и при пониженном давлениях, и их основных узлов.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 4 научные статьи и 7 тезисов докладов на конференциях.

Отличительные особенности и задачи газофазной эпитаксии кремния

В комплекс микроэлектронных базовых технологий, определяющих возможности создания отечественной ЭКБ на современном уровне, процессы эпитаксии занимают одно из ведущих мест. Эпитаксиальные процессы позволяют формировать уникальные приборные структуры с заданными уровнями и градиентами концентрации легирующих элементов в различных конструктивно-технологических вариантах. Только с применением методов эпитаксии возможно получение СБИС и ССБИС, новых видов современных полупроводниковых приборов, включая фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы, силовые приборы и т.д.

Анализируя состояние и перспективы развития мирового рынка производства и потребления эпитаксиальных структур (ЭС) можно отметить следующие тенденции [10]. В 2001 г. около 70 % ЭС использовались в КМОП приборах, 20 % - в дискретных приборах, 10- % - в ДОЗУ. К 2005 г. доля КМОП логических приборов сократится на 15 % , дискретных - на 15 % , а доля ДОЗУ возрастет более, чем в 2, 7 раза.

Промышленное производство эпитаксиальных структур (ЭС) базируется на хлоридном и гидридном методах. Процессы эпитаксии проводятся как при атмосферном, так и при пониженном давлениях. В наиболее распространенных хлоридных процессах качественные ЭС формируются, как правило, в высокотемпературной диффузионной области [11-16], в которой макроскопическая скорость осаждения слоев лимитируется процессами переноса реагирующих веществ к поверхности осаждения. В этой области однородность физических и электрофизических параметров и качество ЭС существенным образом зависят от характера движения потока реагентов, геометрии реакционного объема, температуры поверхности осаждения и т. п.

Опыт эксплуатации основных типов эпитаксиальных реакторов[14,17], показал, что существующие конструкции и режимы работы их требуют дальнейших усовершенствований, направленных на снижение материальных затрат на производство единицы продукции [15].

Важнейшей проблемой современной эпитаксиальной технологии является получение ЭС высокого кристаллографического совершенства с высокой однородностью электрофизических параметров. Эта проблема приобретает особую остроту со снижением топологических норм и переходом к использованию подложек большого диаметра.

По мере увеличения диаметра используемых подложек все больше проявляются недостатки групповой их обработки, вызванные многократной перегрузкой пластин, в результате чего происходит скалывание их кромок, прилипание сколотых частиц к поверхности подложек, что, естественно, приводит к снижению выхода годных [18]. При групповой обработке и использовании подложек большого диаметра (на операциях газофазной эпитаксии кремния) необходимо увеличивать габариты подложкодержателя (рис. 1.1), что приводит к снижению доли поверхности подложкодержателя, занятой подложками, и, соответственно, увеличению потерь энергоносителей. Так, например, (для дискового подложкодержателя диаметром 520 мм) при переходе от диаметра 150 мм к диаметру 200 мм эта доля снижается на 15% [19]

Если переход со 100 мм подложек на 150 мм требует, в большинстве случаев, лишь смены подложкодержателей (ПД), практически не затрагивая при этом основные узлы технологического оборудования, то переход с 150 на 200 мм подложки уже требует замены собственно реакционных камер, при этом могут быть сохранены основные принципы компоновки установки.

Твердотельные структуры как в 150 мм, так и 200 мм подложках могут формироваться в установках групповой и реже индивидуальной обработки подложек. Обработка подложек диаметром 300 мм должна проводиться предпочтительно в установках поштучной обработки. При индивидуальной обработке подложек производительность и расход материалов почти не зависят от их диаметра [20]. Кроме того небольшие размеры и гибкость систем индивидуальной обработки позволяет более эффективно использовать их в чистых помещениях.

Примерами реализации принципа индивидуальной обработки подложек являются установки: «EPSILON ONE» и «EPSILON ONE Е-2» (фирма ASM Epitaxi) [21,22]. Отечественной промышленностью изготовлен первый промышленный образец эпитаксиальной установки индивидуальной обработки пластин диаметром 150 мм «ТМ — 403» (рис. 1.2)

Можно считать, что индивидуальная обработка подложек имеет следующие преимущества: контроль каждой подложки дает возможность улучшить воспроизводимость параметров эпитаксиальных структур от процесса к процессу; относительная простота оборудования и его высокая надежность; возможность организации достаточно простой системы загрузки и выгрузки подложек; возможность использования в составе автоматических линий кластерного оборудования.

Однако для сохранения рентабельности производство ЭС в реакторах поштучной обработки необходимо сократить продолжительность процесса. Уменьшение времени термического воздействия - термической экспозиции влечёт за собой необходимость создания установок с минимизированной термической массой системы подложкодержателя и подложки.

Кроме того, для получения эпитаксиальных структур с меньшими топологическими размерами помимо сокращения термической экспозиции формирования ЭС, процесс осаждения желательно проводить при пониженном давлении в реакционном объеме.

Распределение температуры в полупроводниковых пластинах при различных условиях нагрева.

Распределения температуры изделий, обрабатываемых в процессах газофазной эпитаксии кремния, определяется теплообменом излучения. В этом случае реализуется режим теплового баланса (время термообработки т 10" сек), который характеризуются значительными градиентами температуры. В режиме теплового баланса, когда перепады температуры по толщине пластины малы, источником термоупругих напряжений становится радиальный градиент температуры, являющийся следствием более интенсивного теплоотвода излучением с периферийных областей П и ПД.

Напряжения в пластине вызванные нормальным градиентом температуры релаксируют изменением геометрии пластины (прогибанием).

Ниже рассматриваются модели возникновения радиального градиента температуры для двух случаев: для случая автономного нагрева пластины и нагрева пластины, находящейся на подложкодержателе. Автономный нагрев пластины

Радиальные градиенты для тонкой пластины при б „л « R, (R - радиус пластины могут быть записаны с использованием стационарного уравнения теплопроводности в виде [54] где Q = EeOoTe - интегральная мощность, выделенная в объеме пластины; Те - установившееся значение температуры в центре пластины (г = 0); г — текущая координата.

При этом предполагаются однородность плотности теплового потока, излучаемого поверхностью пластины и наличие радиационного теплоотвода с её поверхностей. С учетом дополнительной излучающей границы, которой является боковая поверхность пластины, граничные условия представляются в виде

Радиальный градиент температуры достигает максимального значения на краю пластины, а область его локализации в основном определяется ее диаметром и распространяется на расстояние (0.2 — 0.3) R от края пластины [42, 54, 55]

Рассмотренное описание радиальных градиентов температуры при преобладающем влиянии теплообмена излучением (между стенками реакционной камеры и поверхностью подложек) в нагреваемых излучением полупроводниковых пластинах позволяет рассчитывать связанные с ними термоупругие напряжения

Напряжения вызванные указанными выше градиентами температуры VTj_ релаксируют искажением геометрической формы подложки — прогибом в направлении, противоположенном направлению теплового потока и не приводят к появлению кристаллографических дефектов.

Радиальное изменение температуры, в отличие от нормального, описывается законом близким к параболическому, следовательно, наибольших значений радиальный градиент температуры VT= достигнет в периферийной области П.

Центральная зона пластины, контактирующая с ПД, имеет более высокую температуру, чем периферийная зона, и испытывает напряжение сжатия. Если пластину «перевернуть» (инвертировать направление теплового потока), то ее центральная часть будет холоднее, чем края. Возникающие радиальные напряжения, не имеющие свободного направления для релаксации, могут превысить предел текучести кремния для данной температуры, при этом, в первом случае, скольжение произойдет в центральной части пластины [53], а во втором - по краям пластины.

Так как величина термического прогиба подложки зависит от радиуса пластины во второй степени, то из этого следует, что предотвращение появления кристаллографических дефектов в пластинах большого диаметра представляет собой крайне важную, но и трудную задачу. На основе полученных экспериментальных результатов авторы [47] предлагают следующую модель возникновения радиального градиента температуры.

Рассматриваются условия нагрева пластин в реакторах с ВЧ и ИК нагревом. На установках с ВЧ нагревом пластины нагреваются подложкодержателем (ПД), поглощающим мощность ВЧ излучения. При этом удельная мощность, поглощаемая единицей поверхности ПД, не зависит от наличия или отсутствия на ней подложки (П). В то же время излучаемая ПД мощность в видимой и ИК областях зависит от излучательной способности поверхности, то есть от того, закрыта или свободна от П поверхность ПД.

Поскольку излучательная способность поверхности ПД ( є і ) отлична от таковой для поверхностей П ( є 2 ) (є 2 є і ) ПД с расположенными на нем П нагревается неравномерно, причем в области П эта неравномерность имеет радиальную симметрию.

Экспериментальные исследования распределения температуры подложек в реакторах различной модификации

Для проверки адекватности модельных представлений на предприятии ЗАО «ЭпиЭЛ» были проведены экспериментальные исследования по измерению распределения температуры (на уровне 1200 С) по подложкам- термоспутникам диаметром 100 мм, размещаемых на различных ярусах подложкодержателей. Термоспутники размещаются рабочей стороной к ПД, для получения наиболее точной картины температурного поля последнего.

Исследований выполнялись на установках с ВЧ нагревом и с отражающими стенками ( УНЭС 121-М.) и установке итальянского производства (LPE -2061)

В качестве термоспутников использовались подложки типа КДБ-10, поверхности которых подвергались обработки ионами Sb или As , имеющими энергию Е =50 кэВ при дозе 800 мкК/см. Подложки с обеих сторон защищались слоем двуокиси кремния. Затем часть готовых подложек помещалась в канал термического модуля диффузионной печи, в которой проводилась разгонка легирующей примеси при строго контролируемых температурах. После разгонки проводилось измерение поверхностного сопротивления Rs. На каждом уровне температуры делали по пять замеров, а затем полученные результаты усреднялись и строились градуировочные зависимости Rs =f(T) Зависимость, представленная на рис 3.6, апроксимировалась следующим уравнением

После проведения процесса (отжига в среде водорода) с подложек стравливался защитный слой и производилось измерение поверхностного сопротивления подложки, а с помощью тарировочнои зависимости определялась и температура в измеряемых точках

Исследования были проведены исследования на трёх однотипных установках, результаты которых приводятся ниже. На рис. 3.7- 3.12 представлены распределения температуры в реакторах вдоль и поперёк подложкодержателя.

Для проверки адекватности модели были использованы только распределения поперёк ПД т.к. продольное распределение температуры корректируется изменением межвиткового расстояния в ВЧ индукторе. Перегрев верхней зоны вызван необходимостью компенсировать конвективную составляющую теплопотерь в зоне входа холодной ПГС в реактор. Сплошными линиями показано поперечное (поперек грани ПД) распределение температуры ПД по оси соответствующих позиций подложек, Пунктирная линия характеризует продольное (вдоль грани

ПД) изменение температуры ПД. При нанесении сплошных линий линейная координата отсчитывалась от центра соответствующей подложки (-100); (0); (+100) мм вправо и влево на радиус подложки (50 мм).

Как видно из рис. 3.7 распределение температуры по ПД в поперечном направлении имеет идентичный (колоколообразный) характер независимо от зоны измерения (верх, середина, низ).

Сопоставление модельных зависимостей (линии) с экспериментальными (точки) для различного расположения подложек на ПД представлено на рис.2 9..

Некоторое расхождение между расчетными и экспериментальными результатами можно объяснить отличием ширины грани подложкодержателя, принятой в расчете, от ширины граней реального ОД

Наблюдаемое отличие расчетного и экспериментального распределения температуры можно объяснить как случайной ошибкой измерения, так и не учет (в модели) дискретности теплового контакта П иПД.

Исходная волнистость подложек диаметром 100 мм составляет порядка 10 — 15 мкм, что соответствует перепаду температуры в газовом зазоре между П и ПД в 2 - 3 градуса и составляет 10 — 12% от максимального отклонения температуры по поверхности подложки. Шероховатость дна гнезда подложкодержателя значительно больше (30 - 50 мкм) но, т.к. неровности имеют незначительные линейные размеры, а подложка дистанционирована от ПД с помощью периферических буртиков влияние шероховатости на распределение температурного поля можно не учитывать.

С учётом вышесказанного можно сделать выводы, что модель не только достаточно адекватно передаёт процессы теплообмена между П и ПД, но и позволяет судить о причинах появления отклонений температурного поля. На рис.3.9 и рис. 3.11 приводятся экспериментальные данные, полученные на других установках типа УНЭС- 121-М. Из представленных зависимостей видно, что температурное поле в поперечном направлении принципиально не отличается схоже для различных установок и позиций на ПД

Сравнение экспериментальных данных с модельными расчётами (рис.3.10 и рис. 3.12) свидетельствуют о хорошей адекватности расчетных и экспериментальных результатов.

Анализ результатов моделирования нагревательных устройств с линейными источниками ик-нагрева

С целью достижения минимального отклонения условной температуры в зоне подложки, мощности ламп верхней панели подбираются опытным путём. На рис. 4.9 представлены распределения облученности Е (сплошная линия) и условной температуры Т (пунктирная линия) по продольной оси ПД (ось X) для системы с плоскими рефлекторами (рис. 4.2). Анализируя представленные результаты можно отметить, что в зоне расположения обрабатываемой подложки диаметром 300 мм отклонение температуры периферийных областей от средней по подложке составляет порядка 7 градусов. Аналогичные расчёты, выполненные для системы с цилиндрическими отражателями (рис. 4.10), отмечают незначительный перегрев ( 3 градусов) периферийных областей, что свидетельствует о большей энергетической эффективности и технологических возможностях данной системы. Расчеты, выполненные для анализируемых схем, были проведены при условии сохранения суммарной мощности, подводимой к лампам. Зависимости, представленные на рис. 4.9 и рис. 4.10, характеризуют изменение условной температуры по направлению продольной оси X. Более наглядное представление о возможностях анализируемых систем можно получить из трёхмерного представления изменения температуры по нагреваемой поверхности. Из графика изменения температуры для системы с плоскими экранами (рис.4.И) видно, что основная зона подложки располагается в достаточно равномерных температурных условиях, в то время как краевые зоны существенно переохлаждены.

Недогрев краевых зон и значительные торцевые теплопотери могут привести к появлению критических градиентов температуры на подложке. Для реактора с цилиндрическими отражателями (рис. 4.12) картина распределения температуры имеет иной характер. Этому способствуют большие эффективности как верхних, так и боковых экранов, что приводит к росту температуры в боковых зонах. В обеих схемах на торцевых поверхностях реакционных камер выполнены системы газоподачи, газоудаления, загрузки-выгрузки пластин и контроля, поэтому эти поверхности имеют плоские отражающие экраны. Наличие этих экранов обуславливает незначительный подъём температуры в торцевых зонах, Рис. 4.11 Трёхмерный вид температурного поля для системы с плоскими отражателями. причём практически равный для обеих схем. Как видно на рис. 4.11 и рис. 4.10 у обеих практически равный для обеих схем. Как видно на рис. 4.11 и рис.4.10 у обеих схем есть один существенный недостаток — переохлаждение угловых зон. В целом, трёхмерное представление температурного поля имеет более информативный (для конструкторских целей) вид, что позволяет проводить более детальный анализ условий термической обработки в реакторе и способствует быстрейшему поиску оптимальных конструктивно - технологических вариантов.

Из сравнения данных двух схем реакционных камер можно сделать следующие выводы: затраты на изготовление реакционной камеры с плоскопараллельными экранами значительно меньше таковых для камеры с цилиндрическими рефлекторами; при наличии требований повышенной точности термообработки предпочтение следует отдать схеме с цилиндрическими рефлекторами; с точки зрения надежности обе схемы имеют недостатки, так как при выходе из строя одной из ламп обрабатываемая пластина вероятнее всего будет забракована. Сложность регулировки и управления малым количеством сравнительно мощных ламп, необходимость в разработке и использовании специальных блоков ламп (для компенсации торцевых и боковых потерь) и сложность формирования необходимых распределений температуры вызвали необходимость поиска более динамичных систем. Использование ГЛН линейной конструкции имеет ряд очевидных преимуществ: они доступны, дёшевы, системы управления и блоки питания относительно просты. Но наряду с отмеченными преимуществами более детальный анализ выявляет ряд недостатков конструкции, использующих такие источники. Первым и наиболее важным, с нашей точки зрения, является сложность сочетания высокой однородности температурного поля нагреваемой поверхности энергетической эффективности в таких системах. Проведённый анализ математического моделирования систем с линейными источниками показывает, что для достижения высокой однородности температурного поля возникает необходимость: в неоправданном увеличении количества ламп; в создании эффективных боковых и торцевых компенсационных панелей ламп; в практической невозможности создания системы динамического управления температурным полем. Вторым недостатком является сравнительно низкая надёжность и долговечность систем, использующих линейные ГЛН. Лампы, используемые в данных установках, работают в крайне неблагоприятном режиме — многократные циклы включения/выключения, работа с повышенными нагрузками и т.п. В случае выхода даже одной лампы из строя неминуем брак обрабатываемой пластины. Выход из создавшейся ситуации находится лишь в использовании большого количества концентрированных источников нагрева.

Исходя из вышесказанного, для процессов, требующих повышенной прецизионности технологических параметров (субмикронные и нанотехнологии) была предложена и разработана схема, использующая точечные источники ИК излучения, расположенные по площади отражателя сферической формы. Такая система имеет следующие видимые преимущества: Возможно достижение практически любого требуемого (как симметричного, так и асимметричного) температурного поля нагреваемых поверхностей; Возможность динамического изменения профиля температуры; При симметричной распределённой организации газового ввода отпадает необходимость вращения пластины, требуемого для усреднения параметров осаждаемых слоев; Надёжность: даже при выходе из строя нескольких ламп изменение температурного поля можно динамически компенсировать; Возможность работы с неполным комплектом ламп (несколько ламп сгорели) Система управления не требует дорогостоящих высокомощных элементов, так как управление каждой лампой может выполняться в отдельности. Для определения облученности от одной лампы, в данной системе экранов применяются схемы, аналогичные приведённым в предыдущем разделе.