Введение к работе
Актуальность проблемы. Осаждение тонких неорганических пленок из газовой фазы является ключевым процессом многих технологий, включая изготовление микросхем, оптических и магнитных записывающих устройств, оптических приборов, других атрибутов современной техники. Толщина осаждаемых пленок колеблется от нескольких нанометров в активном слое оптических квантовых генераторов, до десятков микрон при нанесении изолирующих защитных покрытий. Тонкопленочная технология предъявляет все более высокие требования к чистоте, составу, толщине, кристаллической структуре и качеству поверхности осаждаемого вещества. Кроме того, процесс осаждения не должен вызывать заметных изменений (химических, структурных и т.п.) в веществе подложки и ранее созданных микроструктур. Допуски тех или иных параметров осаждаемой пленки зависят от технологического процесса, но традиционно наивысшие требования к качеству пленок предъявляются при производстве изделий микроэлектроники и оптических материалов, причем эти требования растут с повышением степени интеграции, уменьшением размера приборов и сложности их структуры. Базовым требованием к процессу нанесения пленки является создание по-возможности более однородных условий осаждения на всей площади, на которую наносится покрытие, и по толщине пленки с целью обеспечить равномерность оптических, электрических или иных свойств каждого образца и от образца к образцу.
Переход от производства СБИС к производству ультрабольших интегральных схем (ULSI - ultra large scale integration) сопряжен с заменой ранее традиционной пакетной обработки индивидуальной
обработкой пластины. Такая замена объясняется как увеличением размеров подложки, так и теми требованиями к качеству материалов и, соответственно, к контролю за технологическим процессом, которые возникают при производстве гигачипов. Переход к индивидуальной обработке пластины тесно связан с созданием в 80-х годах технологии так называемой быстрой термической обработки (БТО), включавшей первоначально быстрые термические отжиг и окисление. Соответственно, изменились требования и к осаждению. Из всех методов получения тонких пленок новым требованиям удовлетворяло лишь CVD, однако, эта технология ранее не применялась для осаждения высококачественной кристаллической пленки (эпитаксии). Поиски на пути адаптации CVD к условиям и требованиям БТО привели в начале 90-х к созданию технологии, называемой RTCVD (Rapid Thermal Processing CVD).
Дальнейшее развитие методов CVD и RTCVD в направлении создания новых и повышения эффективности уже существующих технологий связано с оптимизацией газодинамических течений и температурного режима камеры и подложки, а также с применением многокомпонентных смесей реагентов с целью обеспечения наибольшей скорости роста пленки, имеющей требуемые электрические, оптические или иные свойства при максимальной однородности пленки вдоль подложки и максимальной эффективности использования рабочей смеси. Сложность протекающих на поверхности и в газовой фазе физико-химических процессов делает актуальным проведение широких теоретических исследований и разработку адекватных физических и математических моделей процессов, а также соответствующих численных методов, и
создание на их основе научных и инженерных пакетов программ для моделирования и оптимизации.
Целью данной работы была разработка эффективных методов моделирования тепло- массопереноса в CVD и RTCVD реакторах, поиски путей повышения эффективности осаждения и оптимизации работы различных ьидов реакторов.
Численным моделированием процессов в CVD реакторах, по крайней мере, с начала 80-х занималось значительное количество исследователей и исследовательских групп. Их работы отличались разнообразием подходов: применяемых моделей и численных методов. С возникновением в начале 90-х технологии RTP часть исследователей перешла от моделирования CVD к разработке этой перспективной технологии. Несомненным зарубежным лидером в области моделирования CVD, а в настоящее время - RTCVD, является группа ученых из Массачусеттского Технологического института, возглавляемая Клавсом Йенсеном (Klavs Jensen). Разработанный этой группой комплекс программ, судя по последним публикациям, позволяет моделировать газодинамические процессы в реакторе, транспорт компонент, включая гомо- и гетерофазную кинетику, радиационный теплоперенос в камере и теплопроводность в пластине и в стенках камеры. Используемый данной группой для дискретизации уравнений метод конечных элементов обладает рядом преимуществ по сравнению с методом конечных разностей в части адаптации программы к решению уравнений в области сложной геометрии, но, с другой стороны, требует значительных затрат машинной памяти и процессорного времени для хранения и обращения глобальной матрицы системы. Поэтому, во-первых, его
эффективная эксплуатация возможна лишь на достаточно мощной технике (многопроцессорных компьютерах типа CRAY или машинах аналогичного класса), во-вторых, использование неэкономичного с точки зрения расхода компьютерных ресурсов метода значительно ограничивает как возможность расширения модели (включения ранее не учтенных явлений), так и возможность собственно компьютерного моделирования (использования программ для конкретных научных и инженерных приложений), которая выражается в способности программ дать необходимое для исследователя количество информации о поведении моделируемой системы в течении ограниченного времени счета.
Что касается других исследователей в области численного моделирования CVD и RTCVD, то они применяли гораздо менее всеобъемлющие модели, а для решения уравнений переноса, как правило, пользовались коммерческими пакетами, такими, как PHOENICS (решение систем уравнений в частных производных) или FLUENT, FIDAP (моделирование газодинамических потоков), имеющих ограничения в применении, к примеру, при включении в модель химической кинетики, либо приспособленных лишь к решению стационарных задач.
По мнению автора, подтверждаемому исследованиями, процессы в RTCVD реакторе, такие, как тепло- массоперенос, газофазная и поверхностная химическая кинетика, радиационный перенос, изменение оптических свойств подложки с ростом пленки, в значительной степени коррелирбваны между собой и должны быть учтены в модели, претендующей на достоверность. По мере проведения новых исследований, как численных, так и
экспериментальных, приходится вводить в модель явления, ранее не тринимавшиеся во внимание (к примеру, зависимость оптических ;войств подложки и стенок камеры от толщины и состава зыращенной пленки). Кроме того, для уже учтенных процессов могут 5ыть использованы более строгие (и точные) модели. Поэтому при юздании программного комплекса, предназначенного для моделирования газодинамических потоков, и входящего, в свою эчередь, в разрабатываемый в рамках работы лаборатории пакет моделирования RTP реакторов, автор ставил перед собой цель толучения максимально достоверной модели и надежного шсленного метода при минимальных затратах машинных ресурсов. В результате такой установки был создан пакет программ, который эхватывает не столь широкий класс геометрий реактора, как разработанный группой Йенсена, однако может эксплуатироваться на зтносительно маломощной технике, например, на персональном сомпыотере с процессором INTEL 486 и ОЗУ несколько (1-2) МБайт. Толученный выигрыш в машинных ресурсах представляет собой щутимый резерв для дальнейшего развития модели. Экономное, іспользование ресурсов вычислительной техники позволило создать : использованием рассматриваемого пакета, а также программ для >асчета химической кинетики и радиационного переноса, іазработанньїх в лаборатории ММФТПМ Физико-Технологического інститута, мощный программный пакет, предназначенный для [сследования реальных CVD- и RTCVD-реакторов, научных и [нженерных приложений.
Научная новизна заключается помимо разработки хорошо ерифицированного и эффективного с точки зрения возможностей
усовершенствования и прикладного использования пакета програа для моделирования газодинамических потоков в RTCVD реактор различных геометрий, являющегося частью уникально программного комплекса для глобального моделирования RTCV реакторов, также в результатах конкретных исследовани полученных при помощи численных экспериментов, как то:
- разработка методики оптимизации условий осаждения
горизонтальном широком реакторе прямоугольного сечения
применением метода дробного факторного эксперимента;
- обобщение известной из эксперимента зависимости образовани
вихря в горизонтальном длинном прямоугольном реакторе на случа
изменяющейся величины перепада температур в реактор*
исследование трехмерных эффектов, сопутствующи
вихреобразованию: влияния конечности размеров реактора і
теплового режима боковых стенок реактора на условие зарождени:
вихря;
- исследование влияния теплообмена подложки с газом і
вертикальном RTCVD реакторе при умеренных и низких давления:
на тепловой режим подложки на основе безразмерного анализа
исследование теплового режима на внешних стенках реактора при ю
интенсивном охлаждении и в случае теплоизолированных стенок,
- исследование пределов изменения времени установления течения Е
вертикальном RTCVD реакторе с целью выяснить необходимості
моделирования химической кинетики в нестационарной фазе
осаждения.
Практическая ценность работы заключается как в создании программного комплекса, представляющего широкие возможности
иія проведения численных экспериментов, так и в разработке іффективньк методов исследования и выработке конкретных )екомендаций, касающихся моделирования тепло- массопереноса в >еакторах химического осаждения из газовой фазы.
Апробация работы. Результаты, представленные в работе, были юложены на Российской конференции с участием зарубежных ченых "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994), на Третьей Международной Конференции по Процессам Быстрой Термической Обработки (3rd International Rapid Thermal Processing Conference, knsterdam, 1995), а также обсуждались на семинарах лаборатории 4МФТПМЭ ФТИРАН. По материалам диссертации опубликовано 6 іечатньїх работ (список помещен в конце автореферата).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шти глав и заключения. Общий объем работы составляет 130 траниц. В работе имеется 18 рисунков и 4 таблицы. Список (итируемой литературы включает 77 наименований.
