| Разработка реактора эпитаксиального наращивания одиночных подложек и исследование в нем теплофизических и физико-механических процессов
Диссертация
Автор: Миркурбанов, Халит Абдулгазизович
Название: Разработка реактора эпитаксиального наращивания одиночных подложек и исследование в нем теплофизических и физико-механических процессов
Справка: Миркурбанов, Халит Абдулгазизович. Разработка реактора эпитаксиального наращивания одиночных подложек и исследование в нем теплофизических и физико-механических процессов : диссертация кандидата технических наук : 05.27.06 Москва, 2005 246 c. : 61 06-5/188
Объем: 246 стр.
Информация: Москва, 2005
Содержание:
Введение
1 Состояние проблемы разработки эпитаксиальных установок
2 Исследование напряженного состояния и механизма пластической деформации в кремниевой подложке при высокотемпературной обработке
21 Исследование распределения температуры по поверхности подложки в реакторе
211 Анализ теплового баланса и влияния газового зазора на температурное поле подложки
212 Расчет прогиба подложки при действии массовых сил в условиях высокотемпературной обработки
213 Температурное поле подложки в реакторе
22 Расчет термонапряженного состояния в подложке при осесимметричном перепаде температур
23 Расчет термонапряженного состояния в подложке при периферийном осесимметричном перепаде температур
24 Обобщенное термонапряженное состояние в подложке при осевом и периферийном перепаде температур
25 Механизм пластической деформации кремниевой подложки при высокотемпературной обработке в реакторе - 74 Выводы по разделу 2
3 Исследование газодинамических характеристик потока в щелевом реакторе и расчет его на прочность
31 Анализ течения газового потока в реакторе
32Движение подложки относительно газового потока в реакторе
33 Расчет на прочность кварцевого реактора щелевого типа, работающего при пониженном давлении рабочего газа в условиях высоких температур -120 34 Экспериментальная оценка характера деформации и разрушение реактора при работе с пониженным давлением
Выводы по разделу 3 - 132 4Установка эпитаксиального наращивания одиночных подложек
41 Назначение установки и ее характеристики
42 Устройство и работа установки
421 Реакторный блок
422 Модуль загрузки (МВЗП)
423 Система газораспределения
424 Система управления установкой
43 Циклограмма работы установки - 155 Выводы по разделу 4
Введение:
Базовые технологии производства полупроводниковых приборов (СБИС, СВЧ, и др.) основаны на «планарной технологии», включающей эпитаксиальные /1-3/. Последние позволяют получить подложки с заданной концентрацией легирующей примеси и с управляемой толщиной эпитаксиального слоя. Это особенно важно для приборов СВЧ, оптоэлектронных и др. Объем используемых подложек с эпитаксиальным слоем (ЭС) в планарной технологии составляет 20-30% /4/. Диаметр подложек, используемых в России, в основном 100 150 мм.
В производстве новых приборов широкое распространение получили эпитаксиальные структуры Si-Si, Si-Ge, Si-GaAs, КНС и др. /1, 2, 4/. Переход к приборам с субмикронными структурами сопровождается ужесточением требований к качеству ЭС и прежде всего к снижению дефектности (дислокации, полосы скольжения, поверхностные дефекты и др.), к однородности толщины и удельного сопротивления /5-7/.
Использование подложек больших диаметров (150, 200 и 300 мм) еще более ужесточает требования к качеству ЭС. Это прежде всего вызвано повышением требований к техническим характеристикам приборов /8, 9/. Существующее эпитаксиальное оборудованию в основной массе предназначено для групповой обработки подложек с присущими ей недостатками, объективно сдерживающими усовершенствование установок. К числу таких недостатков относятся /10, 11/:
• практическое ограничение диаметра обрабатываемых подложек из-за сложности обеспечения однородности параметров ЭС по поверхности;
• трудности автоматизации перегрузки подложек в установках групповой обработки из-за высокой сложности и стоимости эксплуатации;
• ручная перегрузка, приводящая к загрязнению посторонними частицами подложек и влиянию человеческого фактора на их качество. Так вскрытие реактора приводит к неизбежному контакту горячего подложкодержателя с атмосферой;
• повышенный расход газов-носителей и реагентов в связи с низким коэффициентом их использования;
• высокая энергоемкость установок.
В связи с изложенным, назрела необходимость перехода на обработку одиночных подложек больших диаметров 150, 200 и 300 мм в невскрываемых реакторах с жестко контролируемыми параметрами газового потока и температурой по подложке. Это позволит выполнить требования к качеству, включая минимизацию числа структурных дефектов в подложке и ЭС. Необходимо выполнить и другие важные требования - однородность по удельному сопротивлению и толщине ЭС /12, 13/.
Для ряда микроприборов используется толщина эпитаксиального слоя 0,1-0,3 мкм /14/. Такие слои получаются при эпитаксиальном процессе с пониженными давлением газовой смеси и температурой в реакторе, что позволяет минимизировать автолегирование и твердотельную диффузию /5, 8/.
Задача воспроизведения толщины и физических свойств ЭС решается оптимизацией температуры и формированием стабильного ламинарного газового потока в реакционной камере.
Вопросам исследования температурных полей в реакторе и на подложке посвящены ряд работ /5, 6, 15, 16/. В этом направлении ведется обсуждение и поиск средств измерения и контроля температуры в реакторе и на подложке /17-19/.
Разница температур между подложкой и подложкодержателем при пониженном давлении приводит к росту перепада температур по толщине и по площади. Такие перепады ответственны за неоднородность толщины ЭС и удельного сопротивления. При достижении критического перепада температуры формирование термонапряжений ведет к генерации дислокаций, а следовательно к пластической деформации, проявляющейся образованием линий скольжения /20-24/. Эта проблема приобретает особую остроту в связи с ростом размера подложек.
Для выполнения перечисленных требований необходимо решить четыре важные задачи, определяющие работу эпитаксиального оборудования для одиночных подложек:
1. Детальный анализ механизма формирования полос скольжения на подложке и получение конкретного критерия допустимого перепада температур по радиусу подложки, сводящего к минимуму пластическую деформацию подложки.
2. Разработка геометрии реактора на основе анализа газодинамического процесса, протекающего при эпитаксии, и анализа напряженно-деформированного состояния реактора.
3. Разработка новых газовых дозаторов с жесткими характеристикам по расходу и времени срабатывания.
4. Оптимизация схемы нагрева и геометрии гнезда для подложки на подложкодержателе в реакторе с целью формирования минимального перепада температур по радиусу подложки.
Большое количество информации по организации процесса групповой газофазной эпитаксии не дает четкого подхода к разработке реактора эпитаксии одиночных подложек. Исходя из вышеизложенного актуальность разработки рекомендаций и принципов построения реакторов эпитаксии одиночных подложек большого диаметра очевидна.
В свете решения проблем эпитаксии одиночных подложек больших диаметров необходимо прежде всего провести анализ состояния подложек в реакторе в условиях высокотемпературной обработки, а затем сформулировать требования к реактору. При этом важно провести анализ газодинамических параметров потока.
Выбор теплового источника и его конструкции следует проводить из условия распределения температур по подложке, дающего допустимый градиент по площади, а следовательно и минимум структурных дефектов.
Цель работы - разработка эпитаксиальных реакторов наращивания одиночных подложек больших диаметров в условиях нормального и пониженного давления газа.
В работе решаются следующие задачи:
1. Исследование распределения поля температур по подложке в условиях высокотемпературного нагружения при эпитаксиальном росте в реакционной камере.
2. Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния подложки при эпитаксиальном наращивании с учетом поля температур и создание модели пластической деформации полупроводниковой подложки по результатам анализа напряженно-деформированного состояния и исследованиям структуры материала.
3. Разработка программ расчета газодинамических параметров потока в реакторе, позволяющих построить распределение линий тока, скорость и температурное поле газового потока, определить аномальные зоны течения.
4. Разработка методики расчета деформации подложки при действии массовых (гравитационных) сил в условиях высокотемпературной обработки.
5. Разработка методики выбора параметров движения подложки относительно газового потока с целью выравнивания толщины эпитаксиального слоя в процессе роста.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Построены поля распределения температуры по поверхности подложки в условиях одностороннего нижнего нагрева для горизонтального щелевого реактора. Определены причины, вызывающие неравномерность распределения температуры по поверхности. Показано влияние суммарного прогиба подложки (температурного и от массовых сил) на перепад температур по радиусу.
2. Проведены расчеты напряженно-деформированного состояния в подложке. Показано определяющее влияние тангенциального напряжения на формирование полос скольжения. Определены преимущественные границы развития полос скольжения по поверхности кремниевой подложки.
3. Построена модель механизма формирования полос скольжения в кремниевой подложке с учетом анизотропии свойств. Оценена роль ползучести в развитии полос скольжения. Установлен источник генерации дислокаций, формирующих полосу скольжения.
4. Проведен анализ влияния формы гнезда укладки подложки на подложкодержатель в горизонтальном реакторе. Определена форма гнезда для подложек большого диаметра, позволяющая получить минимум линий скольжения.
5. Проведен анализ динамики течения газа в реакторе при различных расходах. Установлено распределение температуры в потоке в сечениях реактора, определены толщины пограничных слоев у горизонтальных и боковых стенок, установлена аномальность течения газа на входе в реактор.
6. Разработан расчет на прочность реактора для работы в условиях пониженного давления газа с учетом температурной нагрузки. Определены толщина стенок, их форма и геометрия реактора с учетом особенностей газодинамических процессов.
Личный вклад соискателя
Автору принадлежит постановка задач исследования, выполнение значительной части экспериментов, расчетов, систематизация и анализ результатов. По инициативе автора был осуществлен комплекс работ по моделированию газодинамического процесса в реакторе. Автором проведен анализ влияния движения подложки в газовом потоке на скорость роста эпитаксиального слоя, ему принадлежит одна из ведущих ролей в разработке отечественных реакторов для установок обработки одиночных подложек больших диаметров. Основной объем исследований и разработок, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с Сажневым С. В., Файзулиным В.Х., Волковым Н.С., которым автор благодарен за тесное и плодотворное сотрудничество.
Практическая значимость
Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил решить следующие задачи:
1. Предложены методики расчета напряженно-деформированного состояния подложек в реакторе эпитаксиальной установки, построен механизм формирования линий скольжения в подложке.
2. Разработаны универсальные программы расчета параметров течения газов в реакторе, применимые при проектировании высокотемпературного оборудования, в том числе оборудования эпитаксиальной обработки одиночных подложек, оборудования быстрой термической обработки (БТО).
3. Предложена методика расчета на прочность реакторов, работающих в условиях пониженного давления рабочего газа. Даны рекомендации по выбору толщин и геометрии элементов реактора.
4. Сформулированы основные требования к конструкции реакторов для одиночных подложек, работающих в условиях нормального и пониженного давления.
5. Разработан и изготовлен макет роботизированной установки эпитаксии одиночных подложек диаметром 150 и 200 мм.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
• результаты исследования поля температур в подложке при установившемся процессе эпитаксии;
• методы расчета напряжений и деформаций подложки в условиях термического нагружения при эпитаксии;
• модель механизма формирования линий скольжения в подложке с учетом анизотропии и исходной структуры;
• результаты исследований газодинамического процесса, протекающего в реакторе при эпитаксии;
• результаты исследования влияния движения подложки в газовом потоке на кинетику роста эпитаксиального слоя.
Внедрение и использование результатов
Результаты исследований были использованы в НИОКР «Отношение-3» по разработке универсальной установки эпитаксии одиночных подложек, в НИОКР «Отношение-1» по разработке установок БТО, по разработке быстродействующих прецизионных газовых дозаторов типа РРГ-9М, РРГ-10, в ОКР «ПЛ Контур» по разработке реактора установки обработки минерального сырья, в ОКР «МАГНУМ-2» с освоением промышленного выпуска КНС структур для КМОП БИС с приемкой 5.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 2-ой Международной конференции «Информатика и электроника» (Москва, МГИЭТ, 2002 г.), на ежегодных Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электроника и информатика» (Москва, МГИЭТ, 2000-2004 г.г.), на Восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2002 г.), на V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение МКЭЭЭ-2003» (Крым, Алушта, 2003 г.), на Ш-ей Всероссийской Конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» (Москва, физфак МГУ, 2004 г), на 8-ой Международной конференции по физике твердого тела (Алматы, Казахстан, 2004 г.), на научных семинарах ОАО НИИТМ и кафедры «Техническая механика» (Москва, МГИЭТ, 2001, 2002, 2004 г.г.).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 8 тезисов, 3 авторских свидетельства. Материалы диссертации отражены в 8 научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения и четырех разделов, основных выводов, списка литературы из 116 наименований и приложения. Диссертация содержит 173 стр. текста, 64 рисунка, 15 таблиц.
|
