автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Голографическая диагностика газофазных процессов микроэкономики

На правах рукописи

МЧгд

Антоненко Константин Иванович

ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ГАЗОФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.06 -технология полупроводников и материалов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2000

Работа выполнена на кафедре «Материалы и процессы твердотельной электроники»

Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Райнова 10 .П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Неустроен С.А.

кандидат технических наук Семенченко А.Н

Ведущая организация: ЗАО НИИ материаловедение.

Защита состоится ¿¿¿-¿»«^ 2000г. В /% часов

на заседании диссертационного совета Д 053.02.03 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 103498, Москва, Зеленоград, МИЭТ(ГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ(ТУ). Автореферат разослан «¿¿£>Г 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д. Ф-м. н.., профессор

Будагян Б.Г,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Рост сложности интегральных, схем и соответствующее ужесточение технологических требований, связанных с увеличением количества стадий технологического цикла изготовления интегральных схем, увеличением диаметра пластин, микроминиатюризацией элементов, повышением однородности и качества слоев, стимулируют разработки новых технологий и совершенствование традиционных. В значительной мере это относится к газофазным процессам реакционной конденсации, низкотемпературной динамической плазменной обработки, широко использующимся в микроэлектронике для осаждения эпитаксиально-пленочных структур и подготовки поверхности подложек.

Потенциал развития этих процессов существенно зависит от уровня оптимизации газодинамических условий в рабочей зоне реактора. Особое значение оптимизация газодинамических условий имеет в гетерогенных процессах реакционной конденсации, макроскопическая скорость которых лимитируется диффузионной стадией, и при обработке материалов в струйной плазме при атмосферном давлении.

Для газофазных процессов реакционной конденсации характерны:

- взаимосвязанное развитие профилей скоростей, температур и концентраций;

- существенная неизотермичность;

- переменность состава многокомпонентной парогазовой смеси как а объеме реакционной камеры, так и на поверхности подложки;

- взаимосвязанность (сопряженность) концентраций компонентов на горячей поверхности с процессами тепло- и массообмена в объеме газовой фазы;

- влияние свободной конвекции;

- влияние диффузии и теплопроводности в направлении течения парогазовой смеси.

В связи с этим методы расчета газодинамических условий очень сложны, причем, точность вычислительных алгоритмов во многом определяется уровнем экспериментальной техники, используемой при определении параметров газовой фазы.

Не менее сложной проблемой является диагностика плазменного потока, без которой невозможно обеспечить стабильность параметров плазмы, воспроизводимость результатов, нужное качество обработки.

Наиболее достоверные сведения при диагностике газовой фазы дают прямые экспериментальные методы визуализации прозрачных сред, среди которых особое место занимает голографическая интерферометрия.

Целью настоящей работы является исследование методами голографической интерферометрии газодинамических течений в гетерогенных процессах реакционной конденсации и низкотемпературной динамической плазме при групповой и индивидуальной обработке пластин, оптимизация технологических режимов этих процессов и реакционного пространства.

В качестве объектов исследования выбраны осесимметричные фазовые объекты - многопозиционный реактор с резистивным нагревом подложек для эпитаксии ОаАэ из МОС, одиопозиционный реактор для химического осаждения из газовой фазы эпнгаксиапьно-пленочных структур, при воздействии некогерентного ПК -, излучения (ЯГСУБ,

Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition) , а также реактор для обработки пластин в низкотемпературной динамической плазме.

Выбор осесимметричных реакторов в качестве объектов исследований среди большого многообразия используемых в настоящее время типов реакторов обусловлен следующими преимуществами каждого из них:

в многопозиционных осесимметричных реакторах парогазовая смесь проходит только над одной подложкой во время осаждения, это обеспечивает низкий уровень автолегирования формирующихся слоев, все подложки при обработке находятся в одинаковых газодинамических условиях, конструкция реактора допускает возможность увеличения диаметра подложек;

однопозиционные осесимметричные реакторы имеют небольшие размеры, что' позволяет быстро менять состав технологических сред, интегрировать различные процессы в едином технологическом цикле или интегрировать однопозиционные модули, упрощает контроль процесса в реальном времени. Использование в однопоэиционных реакторах для термического воздействия некогерентного ИК -излучения примерно на три порядка сокращает термический бюджет процесса.

Методы исследования. Для теоретического и практического решения поставленной задачи использовались следующие методы:

методы голографической интерферометрии,

двухэкспозиционный, в реальном времени и двухдлинноволновый для визуализации газовой фазы;

метод ступенчатой функции для расчета распределения температуры и плотности газовой фазы; метод зеркальных отображений для расчета энергетической облученности подложки ИК-излучением.

Научная новизна полученных и изложенных в диссертационной работе результатов заключена в следующем:

1. Показана возможность использования методов голографической интерферометрии для визуализации картин газовых потоков в осесимметричных реакторах и низкотемпературной динамической плазме.

2. Получено экспериментальное подтверждение возможности оценки газодинамических условий в осесиммтричных реакторах с использованием критериев Яе и Яа, показано, что оценка газодинамических течений по величине комплекса Сг/Ие2 является неправомерной.

3. Представлены результаты параметрических исследований газодинамики и температурных полей в осесимметричных реакторах проточного типа для групповой и индивидуальной обработки пластин в процессах реакционной конденсации и низкотемпературной динамической плазме.

4. Экспериментально установлено влияние теплопроводности газов (Н2, Аг) на распределение температуры в газовой фазе.

5. Изучена роль естественной и вынужденной конвекции при формировании газодинамических течений.

6. Обнаружено явление рециркуляции аргона в однопозиционном осесимметричном реакторе в условиях смешанной конвекции и полное отсутствие 11а нестабильностей при вынужденной конвекции.

7. Изучены переходные процессы в газовой фазе при изменении продолжительности воздействия некогерентного ИК-излучения и влияние "термической памяти" в быстрых термических процессах.

8. Исследована газодинамика низкотемпературной струйной плазмы, определено распределение ее основных компонентов.

Практическая значимость работы определяется следующим:

1. Результаты параметрических исследований газодинамических течений в осесимметричных реакторах для газофазных процессов микроэлектроники методами двухэкспозицнонной голографической интерферометрии и интерферометрии в реальном времени.

2. Определено влияние технологических параметров процессов, геометрических характеристик реакционной зоны на температурные поля газовой фазы и подложки. Показана взаимосвязь температур подложки и газовой фазы.

3. Дифференцированы по степени влияния на газодинамические течения технологические параметры газофазных процессов, определены параметры, которые могут быть наиболее эффективно использованы для оптимизации и контроля газовых потоков в быстрых термических процессах.

4. Разработан метод оптимизации и контроля газодинамических течений по оптической плотности газовой фазы. Показано, что основным критерием оптимальности газодинамических условий в реакторе является постоянство оптической плотности газовой фазы над поверхностью подложки в радиальном направлении, для контроля оптической плотности

газовой фазы может использоваться визуализированная интерференционная картина потока.

5. Установлены оптимальные условия, определяющие стабильность низкотемпературной динамической плазмы и однородность ее параметров.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты параметрических исследований газодинамики в осесимметричных реакторах различной конструкции для процессов реакционной конденсации и низкотемпературной динамической плазменной обработки.

2. Результаты измерений темперагурых полей в газовой фазе, полученные методами голографической интерферометрии, исследование влияния газовой фазы на температуру подложки, корреляция температурного режима с технологическими параметрами процессов и геометрическими характеристиками реакционной зоны.

3. Влияние теплопроводности газов на распределение температуры в газовой фазе.

4. Результаты исследований переходных процессов в газовой фазе при изменении продолжительности воздействия ИК-излучения и влияния "термической памяти".

5. Метод оптимизации и контроля газодинамических течений по плотности газовой фазы.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается комплексным характером проведенных исследований, применением современных методов исследований, воспроизводимостью

результатов исследований, проведением контрольных экспериментов, экпериментальным подтверждением теоретических положений.

Личный вклад автора в получении научных результатов.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы получены автором лично. При участии автора разработан голографический измерительный комплекс и проведены экспериментальные исследования.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

Международной научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Москва, МГИЭМ, 1993, 1994, 1995, 1996г.г. Materials Research Society "Symposium" Rapid Thermal and Integrated Processing", April 9-12, 1996, San Francisco, California, U.S.A.

Fourteentl International Conference on Chemical Vapor Depesition and EVROCUD-11, September 5-9, 1997, Paris, France.

Materials Research Society Symposium "Rapid Thermal and Integrated Processing", April 13-15, 1998, San Francisco, California, U.S.A.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ (7 статей, 7 тезисов докладов).

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений.

Работа содержит 143 страницы, 4 таблицы, 43 рисунка, 81 наименований использованной в работе литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель исследований, рассматривается структура диссертации, показаны научная новизна и практическая значимость полученных и изложенных в диссертационной работе результатов.

В первой главе излагаются теоретические основы голографической диагностики газовой фазы в осесимметричных фазовых объектах.

Показано, что при голографической интерферометрии, в возмущенном состоянии (при изменении температуры и плотности газовой фазы) разность длин оптических путей света определяется по смещению интерференционных полос 8(х,у) интерферограммы фазового объекта. Сведения о параметрах среды получают через связь с показателем преломления газовой фазы. Последующие расчеты преобразуют полученную информацию в поле плотности газовой фазы и распределение температур.

Фазовый объект делится на эквидистантные концентрические зоны, в которых показатель преломления п считается постоянным. Тогда радиальное распределение п(г) представляется ступенчатой функцией, состоящей из N ступеней, которым соответствует увеличение радиуса на постоянную величину Дг = т1+| - г

0=го< г,< г2<...<г,< г^,<...< 1\.|< г^Я

Измерительный луч, входящий в цилиндрический фазовый объект, последовательно проходит отрезки оптических путей, соответствующие отдельным зонам.

Используя осевую симметрию, уравнение идеального интерферометра, смещение интерференционных полос S(x,y) в цилиндрических координатах можно представить в виде:

о N-l rt+i r a- j N-l

Si=flfk J—^ = fArXfkA(k,i),

Гк (г2_г.2)/2 А. к=1

где ступенчатая функция

А(к,0=[(к+1)2 -\21Уг -(к2

Расчет по шагам производится начиная от периметра (г=Я):

^N-l.N-I ^N-1

2Лг

А, 2 Дг

X

2 Ar

и т.д.

Используя уравнение состояния идеального газа и уравнение Гладстона-Дейла, рассчитывается температура Т, и плотность p¡ газа, соответствующие каждой из полос Б) на интерферограмме:

М-Р

8Л

кх

где: М - молекулярная масса газа, кг/моль;

Р - давление, Па;

Я - универсальная газовая постоянная = 8,3143 Дж/моль*К;

К - постоянная Гладстона-Дейла ■= (п-1)/;

Ь - размер газового объекта в направлении просвечивания,

м;

Рх - плотность газа при температуре подложки.

Этод метод адекватно отражает реальные процессы и малочувствителен к погрешностям определения Б;. При погрешности определения "•= 0,03 при малых градиентах ^ и Si = 0,07, при больших градиентах Т, минимальная погрешность составляет 3%, максимальная

При голографической диагностике низкотемпературной динамической плазмы для определения концентрации компонентов (Ы„ -концентрации электронов и концентрации атомов и ионов) применяют двухдлинноволновую интерферометрию: излучение основной частоты (А.!) и второй гармоники (Х.2=Х, / 2).

Концентрацию электронов (Ые) и тяжелых частиц (Ы1Т) в плазме можно найти, измеряя сдвиги полос и на и нтерферо грамме:

10%.

2,2-Ю13-2(8,-28,) хг 282 -Б, =-—; гЧа1 =—---

а1 зь

Анализ методов визуализации фазовых объектов показал, что методы голографической интерферометрии могут быть успешно применены для исследования газовых сред в процессах реакционной конденсации и при обработке материалов в низкотемпературной динамической плазме.

Практическая реализация методов голографической интерферометрии требует создания:

топографического измерительного комплекса; моделей исследуемых реакторов, конструкция которых позволяет экспонировать газовую фазу в реальном времени при проведении процессов;

разработки методик получения голографическнх интерферограмм и интерпретации интерференционных полос в осесимметричных фазовых объектах.

Вторая глава посвящена описанию аппаратуры для голографической диагностики исследуемых объектов и методик двухэкспозиционной голографической интерферометрии н голографической интерферометрии в реальном времени, разработанных для исследования осесимметричных фазовых объектов.

Голографический измерительный комплекс создан на базе серийно выпускаемой установки УИГ-1М. В состав комплекса входят: оптическая схема, исследуемые объекты,

система управления параметрами процессов в исследуемых объектах.

Основные элементы оптической схемы (лазеры, диафрагмы, зеркала, линзы коллиматора, регисграторы - фотопластины, термофою-чувств!тельная пленка) во всех случаях исследований оставались

постоянными, однако, в каждом конкретном случае оптическая схема претерпевала видоизменения, заключавшиеся во введении специфических элементов, изменении конфигурации схемы и расположения элементов. Эти видоизменения обусловлены особенностями процессов, протекающих в исследуемых объектах и разной степенью их влияния на регистрацию голограмм. Двухлучевая оптическая схема приведена на рис. 1.

1 - лазер

2 - диафрагма

3 - фотозатвор

4, 5, 6, 8 - зеркала 7, 10 - короткофокусная линза 9, 11 - длиннофокусная линза 12 - реактор

13 - светофильтр КС-17

14 - спектральный сфетофильтр

15 - линза масштабирования

16- фотопластина

17- фотоаппарат

18 - видеокамера

19 - экран

Рис.1. Оптическая схема для голографической интерферометрии двухэкспозиционным методом и в реальном времени.

При исследовании реактора для быстрых термических процессов в оптическую схему были включены фильтры, задерживающие ИК-излучение - интерференционный фильтр Р43185 и фильтр 04009, поглощающий тепловое излучение. При исследовании низкотемпературной динамической плазмы в оптическую схему, кроме этих фильтров, были введены оптический клин с углом 3° для изменения режима регистрации интерферограмм (в линиях конечной и бесконечной ширины) и кристалл КОР для формирования двухдлинновол нового излучения лазера.

Принципиальная суть методов голографической интерферометрии заключается в том, что на регистрирующем голограммы материале фиксируется голограмма объектной (без исследуемой неоднородности) и опорной волн. После экспонирования голограммы объектной (с введенной неоднородностью) и опорной волнами наблюдается интерференция волны, восстановленной с голограммы и объектной волной, проходящей через исследуемую среду в данный момент времени. В результате получается интерферограмма, полосы которой характеризуют величину деформации волнового фронта и дают информацию о пространственно-усредненном градиенте плотности газовой фазы.

К числу достоинств голографической интерферометрии можно отнести отсутствие интерференционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстро протекающих процессов, голографические измерения не искажают истинной картины объекта, поскольку вносимая энергия мала по сравнению с энергией, передаваемой в процессе теплообмена.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований течений водорода, аргона и их смесей в осесимметричном

реакторе с резистивным нагревом для эпитаксии аргенида галлия из

мое.

Прогноз поведения газовых течений.

Оценка динамического поведения течений водорода и аргона с использованием критериев Ые, Ла и комплекса Сг/11е2 в диапазоне экспериментальных условий показала, что для водорода возможно возникновение конвективных течений в центре реактора, поток аргона формируется при доминирующем действии выталкивающих сил.

Результаты проведенных исследований показали, что дестабилизирующее влияние на ламинарный поток газа оказывает увеличение высоты свободного пространства над пьедесталом и увеличение расхода аргона свыше 0,5 л/мин. Увеличение скорости газа в радиальном направлении (к центру реактора), влияет на соотношение инерционных и выталкивающих сил и приводит к рециркуляции, подавить которую можно уменьшив высоту свободного пространства, сделав ее переменной (применив наклонный экран у верхней стенки реактора), а также добавляя в поток водорода аргон.

Наиболее стабильные течения водорода, аргона и их смесей наблюдаются при:

расходе водорода в диапазоне 1 - 6 л/мин, аргона - не более 0,5 л/мин (рис. 2);

применении наклонного экрана у верхней стенки реактора (изменение высоты свободного пространства по направлению потока газа от 0,021 м до 0,014 м) (рис. 3); применении комбинированной подачи: водорода - через сетку, аргона - через трубку в соотношении 3:1.

Рис.2. Интерферограмматечения Рис.3. Интерферограмма течения водорода в осесимметричном аргона в реакторе

осесимметричном реакторе

Четвертая глава посвящена исследованию газовой фазы в однопозиционном осесимметричном реакторе с использованием некогерентного ИК-излучения при проведении быстрых термических процессов (Rapid Thermal Processing, RTP). Рассматриваются особенности быстрых термических процессов и специфика диагностики RTP. Известно, что высокая скорость изменения температуры подложки, зависимость ее от спектральных характеристик ИК -излучения, эмиссионных свойств подложки и энергетических потоков в реакторе приводят к необходимости проведения дополнительных исследований. В первую очередь было рассмотрено взаимодействие ИК-излучения с кремниевой подложкой с учетом спектральных характеристик источника излучения и кремния. Кроме того, быстрый нагрев и индивидуальная обработка кремниевых подложек, требуют высокой воспроизводимости температурного профиля подложки от процесса к процессу. Это налагает дополнительные требования на методы измерения и контроля температуры подложки. Особое место занимает состояние газовой фазы в рабочей зоне реактора. Известно, что состояние газовой фазы (организация газового потока, температурные и концентрационные поля) влияет на температуру

подложки, показания фотонных датчиков и кинетику быстрых термических газофазных гетерогенных процессов реакционной конденсации.

В результате проведения исследований было показано, что наиболее эффективно для нагрева кремниевых подложек ИК-излучением использование кварцевых галогеновых ламп с вольфрамовой нитью. Для измерения температуры подложки были использованы хромель-алюмелевые, платино-платинородиевые термопары и оптический пирометр ОПИР-17.

Для исследований использовался реакторный блок, конструкция которого разработана совместно с Техническим Университетом г.Ильменау, ФРГ. Основными узлами блока являются однопозиционная осесиммтричная реакционная камера (RTCVD реактор) и источник ИК-излучения - рефлектор.

Осесимметричная реакционная камера рассчитана на индивидуальную обработку подложек диаметром до 200 мм, изготовлена из нержавеющей стали Х18Н9Т, внутри отполирована. Боковые стенки камеры и дно - водоохлаждаемые. В верхнем фланце камеры вмонтировано окно из оптического кварца марки КИ для прохождения ИК-излучения. Подложка размещается на кварцевом держателе, имеющем точечные контакты с ее поверхностью, на трех уровнях. Высота свободного пространства составляла 26, 33, 40 мм (расстояние от подложки до верхнего окна) и -33 мм (расстояние от подложки до нижнего фланца). В боковой стенке реактора предусмотрены окна из оптического кварца для экспонирования газовой фазы излучением гелий-неонового лазера. Подача газа осуществляется радиально - через кольцевую трубку с отверстиями, расположенную у боковой стенки камеры, и нормально к поверхности полложки из трех

кольцевых трубок с отверстиями, расположенных в нижнем фланце камеры.

Источник ИК-излучения, формирующий основной поток излучения размещен в трехярусном рефлекторе с диффузноотражающем позолоченной поверхностью (коэффициент отражения - 0,96). Рефлектор представляет собой цилиндрическую водоохлаждаемую конструкцию с отверстиями для кварцевых галогеновых ламп и имеет псевдокольцевую симметрию.

Предварительно был проведен расчет энергетической облученности подложки, скорости нагрева и ее температуры в стабильном состоянии. Расчет проведен методом зеркальных отображений, суть которого заключается в следующем:

энергетическая облученность подложки является интегральной величиной энергетических облученностей элементарных площадок сШ в 1,2,3 кольцевых зонах и складывается из следующих составляющих: энергетической облученности, прямого излучения площадки

энергетической облученности отраженного излучения площадки ёБ каждой зоны от ламп соответствующего яруса; энергетической облученности площадки (18 каждой зоны от ламп, лежащих в двух других зонах.

Общая энергетическая облученность подложки определяется как интегральная сумма всех облученностей:

V ПОДЛОЖ I

При проведении расчетов были приняты следующие начальные

ёБ каждой зоны от ламп соответствующего яруса;

с>

условия:

ИК-излучение подчиняется закону Ламберта;

поток излучения от протяженного источника (длина спирали

лампы) в заданном направлении пропорционален потоку

излучения в направлении нормали к отражающей

поверхности, умноженному на косинус угла между ними;

яркость источника не зависит от направления;

яркость в направлении нормали к отражающей поверхности в

■к раз меньше интегрального излучения;

не учитывается поглощение ИК-излучения кварцевым

стеклом, разделяющим рефлектор и реактор, и газовой фазой

в реакторе, поскольку в ИК-диапазоне (0,73 - 3 мкм) они

прозрачны;

подложка разбита на три кольцевых зоны с размерами, аналогичными отражательным поверхностям ярусов рефлектора;

энергетическая облученность по периметру кольцевой зоны усредняется.

Расчет скорости нагрева и температуры подложки в стабильном состоянии рассчитывается исходя из баланса потоков излучений:

(3 = (Забс. + (}рад. + (Зотр.

где: О =--количество падающего на подложку излучения;

Б - площадь подложки,

(}абс. - количество излучения, поглощаемого подложкой, (Зрад. - количество излучаемого подложкой потока, (}отр. - количество излучения отржаемого подложкой.

Скорость нагрева находится из соотношения:

ат5[ = 00-р)-е<т0Т*

(11 7с1Ср

где: р- коэффициент отражения подложки = 0,35, е- коэффициент эмиссии кремния = 0,7, а0- постоянная Стефани-Больцмана, у- плотность кремния, с! - толщина подложки, СР - удельная теплоемкость кремния.

Температура подложки в стабильном состоянии находится при

атз, п т 0(1-Р)

условии -= 11, тогда 1с =■

dt '' 4|2

е<т0

Из результатов расчета следует, что энергетическая облученность подложки в первой зоне составляет 3049 Вт/м2, во второй - 3037 Вт/м2, в третьей - 3014 Вт/м2.

Расчетная температура подложки в стабильном состоянии составила 914 °С в центре подложки и 896 °С на периферии. Скорость нагрева при этом была 158 град/сек.

Градиент температуры подложки обусловлен неравномерностью энергетической облученности и тепловыми потерями через боковую стенку реактора.

Оценка характера газодинамических течений в объеме реактора осуществлялась по безразмерным критериям Re, Ra, комплексу Cr/Re2. Протяженность начальных участков реактора рассчитывалась по формулам - гидродинамического lh= 0,04 Reh; теплового lj= Рг.

Результаты расчета показали, что в исследуемой области экспериментальных условий в водороде и аргоне основной причиной возмущения потоков является естественная конвекция, причем в аргоне вклад ее на порядок выше. Уменьшение высоты свободного пространства и увеличение скорости потока снижают вклад естественной конвекции, однако он остается, при этом доминирующим. Длины начальных участков на подложке диаметром 150 мм в аргоне изменяются от 40мм до 100мм при изменении расхода в диапазоне 1-10 л/мин.

В водороде длины начальных участков на порядок меньше. Причем, длины термических начальных участков на порядок больше гидравлических.

Одной из основных проблем быстрых термических процессов является наличие градиента температуры по подложке и невоспроизводимость температурного режима от процесса к процессу. Это связано как с условиями передачи тепла от источника к подложке, так и, в большей степени, условиями теплообмена подложки с окружающей газовой фазой, а также эффектом "термической памяти".

Исследования газодинамических течений для создания стабильного ламинарного потока и температурных полей проводились при высоте свободного пространства 40, 33, 26 и -33 мм. Время нагрева во всех случаях было 18 секунд. Подача аргона и водорода осуществлялась радиально и тангенциально. Расход газа изменялся в диапазоне 1-10 л/мин. Исследовались влияние природы и способа подачи транспортирующего газа, скорости газового потока, высоты свободного пространства над подложкой и диаметра подложки на газодинамику и распределение температуры в газовой фазе.

Изменение скорости газа приводило к неодинаковому воздействию на ход интерференционных полос в водороде и аргоне. При увеличении расхода водорода с 1л/мин. до 10 л/мин. изменялось число полос с 5 до 9, полосы становились более пологими, что свидетельствовало о некотором уменьшении дестабилилизурующего влияния естественной конвекции (рис. 4). Если фиксировать смещение полос вдоль подложки (ось у) и по высоте свободного пространства над подложкой (ось х), то зависимость 8(х,у)=Г(С>) будет иметь вид, показанный на рис. 5. Увеличение расхода аргона приводит к уменьшению зоны ламинарного течения у подложки и увеличению конвективной зоны.

Рис.4. Интерферограмма Рис.5. Зависимость числа

течения водорода при измении

скорости газа

интерференционных полос над подложкой в радиальном

направлении от расхода

водорода

Высота свободного пространства (Ь) над подложкой оказывает определяющее влияние на величину и характер конвекции. При расположении подложки непосредственно у нижнего фланца камеры (Ь=40мм) газовые течения формировались в условиях смешанной конвекции. Поток водорода оставался стабильным, ламинарным в диапазоне изменения расхода (1 - 10 л/мин) с резко восходящими течениями вблизи края подложки. Уменьшение высоты свободного пространства до 33 мм снижало действие выталкивающих сил.

Поток аргона в условиях смешанной конвекции перестает быть стабильным, ламинарным. Вблизи подложки и у верхнего окна реактора он остается стабильным, в центральной части экспонируемого пространства поток становится неустойчивым с восходящими течениями и рециркуляционными зонами. Увеличение скорости потока усиливает нестабильность течения.

Для исследования газовых потоков в условиях вынужденной конвекции подложка размещалась непосредственно под верхним кварцевым окном реактора (Ь=-ЗЗмм), при этом экспонировалось пространство между нижней плоскостью подложки и дном реактора. Отличительной особенностью этого случая является стабильное ламинарное течение аргона и водорода с полным отсутствием Иа-нестабильностей и экранирование газовой фазы от прямого воздействия ИК-из лучения.

Особый интерес представляет вариант размещения подложки в середине вертикального сечения реактора (Ь = 26 мм) - (см. рис. 4). Здесь наблюдаются оба случая: над подложкой поток формируется под действием естественной конвекции, под подложкой - вынужденной конвекции. Уменьшение высоты свободного пространства стабилизирует поток аргона над подложкой, однако, выталкивающая

сила деформирует ламинарное течение. Под подложкой для аргона создаются условия, аналогичные случаю (Ь ™ - 33мм), однако, малое значение И = 26мм приводит к исчезновению зоны повышенной температуры. Расчет распределения температуры в газовой фазе для этого случая приведен на рис. 6.

Тгф, К

Рис.6. Распределение температуры в газовой фазе рассчитанное по интерферограмме на рис. 4в Исследования переходных процесов в газовой фазе были проведены для оценки влияния "термической памяти" и изменения времени воздействия ИК-излучения. Изучалось изменение состояния газовой фазы в зависимости от порядкового номера процесса в серии из 10 опытов. Для :>того фиксировались ннтерферограммы течения

водорода в базовом процессе (кремниевая подложка диаметром 150 мм, высота свободного пространства Ь=33мм; подача водорода с расходом 1 л/мин осуществлялась радиально; время нагрева - 18 сек). Временной интервал между процессами, необходимый для полного охлаждения подложки, составлял 12 мин. Термопарные измерения показали, что температура подложки стабилизировалась, начиная с пятого опыта.

Это свидетельствует об установившемся тепловом балансе подложки, деталей реактора и окружающей среды.

Следующая серия опытов была проведена с целью исследования влияния продолжительности воздействия ИК-излучения в базовом процессе на состояние газовой фазы. В этой серии фиксация интерферограмм осуществлялась при изменении времени нагрева в диапазоне 1 - 42 сек.

Интерферограммы, соответствующие 1 и 8 секундам нагрева, показывают невозмущенный ламинарный поток водорода. При 18 секундах нагрева видны конвективные искривления полос вследствие действия восходящих потоков. Дальнейшее увеличение времени нагрева приводит к установлению стабильного ламинарного потока с постоянным градиентом температуры газовой фазы в вертикальном направлении и практически однородному температурному полю подложки. Стабильный характер интерферограмм указывает на установившийся тепловой баланс подложки с окружающей средой и деталями реактора.

Исследования влияния параметров ЯТСУО и геометрии рабочей зоны реактора на температурные поля в газовой фазе показали, что параметры процесса определяют распределение температуры как в объеме газовой фазы реактора, так и по поверхности подложки. Как известно, от температурного режима в объеме газовой фазы зависит

массоперенос и, следовательно, кинетика гетерогенной реакции в диффузионной области.

Результаты экспериментальных исследований позволили также дифференцировать факторы, воздействующие на температурные поля в реакторе и объединить их в две группы следующим образом. К первой группе относятся факторы, определяющие соответствие геометрических параметров реакционной зоны: расположение подложки в реакторе, высоту свободного пространства над подложкой, диаметр подложки и способ подачи транспортирующего газа в реактор. Эти параметры имеют доминирующее влияние на равномерность нагрева и воспроизводимость результата, они должны быть оптимизированы и стабильны от процесса к процессу. Вторая группа параметров: скорость подачи транспортирующего газа в реактор и продолжительность термического воздействия -в отличие от первых, может использоваться для активного воздействия на процесс в реальном времени, определяя скорость процесса и равномерность осаждения. Это позволяет достичь оптимального состояния газовой фазы.

Условием оптимальности является достижение стабильного ламинарного потока в продольном и поперечном направлениях и постоянство оптической плотности газовой фазы реактора.

Для контроля газодинамических течений при протекании быстрых термических процессов был разработан метод оптимизации газодинамических течений по оптической плотности газовой фазы в рабочей зоне реактора, контролируемой методом голографической интерферометрии. Он был взят за основу при конструировании программно-аппаратного комплекса для автоматизированного управления газовыми потоками в ИТСУО реакторе. Работа выполнялась в рамках проекта "Программно-аппаратный комплекс для контроля и

управления параметрами ЯТР реакторов с использованием голографической диагностики газовой фазы" в соответствии с программой Министерства Образования Российской Федерации "Конверсия и высокие технологии" в период с 1997 по 1999г.г.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследваний низкотемпературной динамической плазмы. Методом двухэкспозиционной двухдлинноволновой голографической интерферометрии исследовались режим течения плазменной струи, ее устойчивость, наличие микронеоднородностей и пространственное распределение компонентов плазмы - электронов и атомов. ■

Результаты исследований показали, что в изученной области экспериментальных условий факторами, оказывающими максимальное влияние на характер течения плазменной струи, является:

соотношение расходов плазмообразующего и

стабилизирующего газов (1 : 6) (рис. 7);

значение расхода плазмообразующего аргона не должно

превышать 0,5 л/мин, а стабилизирующего - 3 л/мин;

оптимальное значение тока дуги плазмотрона составляет

10А;

стабильный уровень концентрации электронов в плазменной струе - 1,5.1018 см"3 устанавливается на расстоянии 2 мм от среза сопла плазмотрона - это оптимальное расстояние при обработке поверхности (рис. 8).

Рис.7. Интерферограмма струи плазмы при соотношении плазмообразующего стабилизирующего аргона

1018 см"3

Рис.8. Распределение концентрации - электронов в плазме, рассчитанное по интерферограмме на рис.7.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основным содержанием работы явилось проведение исследований газодинамических течений и температурных полей методами голографической интерферометрии в газофазных процессах микроэлектроники, широко применяющихся в технологии изготовления интегральных схем - гетерогенных процессах реакционной конденсации и процессах низкотемпературной динамической плазменной обработки, протекающих в одно- и многопозиционных осесимметричных реакторах.

1. На основе анализа характеристик газофазных процессов микроэлектроники и оценки их перспективности, в качестве объектов исследований были выбраны быстрые термические процессы, с использованием некогерентного ИК - излучения, процессы эпитаксии йаАз из металлоорганических соединений и процессы, протекающие при воздействии на полупроводник струйной плазмы при атмосферном давлении.

2. Показана необходимость разработки новых методов диагностики и контроля газофазных процессов, продемонстрированы преимущества методов голографической интерферометрии, взятых за основу в настоящей работе и позволяющих визуализировать газодинамические течения быстропротекающих процессов в реальном времени без искажения истинной картины объекта.

3. Реконструирован голографический измерительный комплекс, у, мм

разработаны методики визуализации и записи голографической интерферограммы газовых потоков методами двухэкспозиционной голографической интерферометрии и в реальном времени с учетом

специфики плазменной обработки, воздействия некогерентного ИК -излучения, резистивного нагрева.

4. Выполнен анализ динамического поведения транспортирующих газов (Н2, Аг) в исследуемых фазовых объектах. Показано, что формирование газодинамических течений происходит в соответствии с прогнозами по значениям Ла и Ие. Для потоков водорода в изучаемой области экспериментальных условий характерно ламинарное течение, для аргона - смешанная конвекция.

5. В ходе проведения экспериментов по визуализации динамических течений:

установлена корреляция между технологическими параметрами процессов, геометрией реакционной зоны и температурными полями в газовой фазе; показана необходимость оптимизации соответствия температуры под ложки, скорости потока и параметров реакционной зоны, показано, что наиболее эффективно воздействует на газодинамическую ситуацию в реакторе скорость газового потока; получена эмпирическая зависимость влияния расхода водорода на распределение температуры и плотности газовой фазы в реакторе для быстрых термических процессов, дифференцировано влияние естественной и вынужденной конвекции. Показано, что в условиях смешанной конвекции в водороде возникают Яа-нестабильности, в аргоне - зоны турбулентности и рециркуляционные области. В условиях вынужденной конвекции потоки аргона и водорода ламинарные, причем, для аргона характерно возникновение рециркулярных областей.

показано влияние теплопроводности газов на распределение температуры. В аргоне, вследствие его низкой теплопроводности, вблизи подложки в ламинарном слое возникает зона повышенной температуры. В водороде распределение температуры более равномерно, изучены переходные процессы в газовой фазе и эффект "термической памяти" при протекании быстрых термических процессов. Показано, что влияние "термической памяти" приводит к временной нестабильности температуры подложки и газовой фазы.

впервые визуализированы краевые, эффекты и развитие потока по длине реакционной зоны при протекании гетерогенных процессов реакционной конденсации в осесимметричных реакторах в условиях воздействия вынужденной и смешанной конвекции; показано, что уменьшение высоты свободного пространства и увеличение скорости газового потока стабилизирует течение и уменьшает протяженности начальных участков.

6. Исследования газодинамики низкотемпературной динамической плазмы позволили определить условия стабильного состояния плазмы с контролируемой концентрацией компонентов и показали, что главным стабилизирующим _ фактором является соотношение стабилизирующего и плазмообразующего газов.

7. Разработана модель оптимизации газодинамических течений при протекании гетерогенных процессов кристаллизации из газовой фазы, представлен механизм ее реализации. В основе модели лежит принцип постоянства оптической плотности газовой фазы в рабочей зоне реактора, в качестве наблюдаемой переменной в системе контроля

оптической плотности используется смещение интерференционных полос на голографической интерферограмме от оптимального, визуализируемого методом голографической интерферометрии в реальном времени,

8. Полученные результаты использовались при создании программно-аппаратного комплекса для автоматизированного управления газовыми потоками в реакторах для быстрых термических процессов (программа Министерства образования РФ "Конверсия и высокие технологии").

9. Ряд результатов работы внедрен в учебный процесс (курсы "Физико-химические основы технологии микроэлектроники", "Новые технологические процессы микроэлектроники", "Быстрые термические процессы").

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ю.П.Райкова, С.М.Гурилин, И.Н.Сорокин, К.И.Антоненко. Исследование газовых потоков при эпитаксии кремния. Неорганические материалы, 1995, r.31,N 2, с. 151-159.

2. Rainova Y.P., Pezoldt I., Antonenko K.I., Eichora G. Application of Holograplioc Juterferometry to Flow Raftern Visualization in an RTCVD reactor. Rapid Thermal and Integrated Processing. VMRS Symposium Proc., 1996, V.429, p.p. 65-70.

3. К.И.Антоненко, A.A. Арендаренко, Ю.П.Райнова, И.Н.Сорокин, С.М.Турилин. Исследование газовых потоков в реакторе радиального типа для элигаксни GaAs. Известия РАН. Механика жидкости газа, 1996, N 6, с. 118-124. «

4. Rainova V.P., Antonenko K.I., etc. Holographic Interferometry of Temperature Distribution in a RTP Reactors. Chemical Vapor Deposition.

Ed. Allendorf M.D. Bernardo. Processing of the Fourflenth International Conference and EVROCVD. -11,1997, V.97- 25, p.p.717-724.

5. Rainova Y.P., Antonenko K.I., Pezoldt I., etc. On the entrance effects and the influence of buogancy forces on the flucd flow in RTP reactors. Mater. Res. Symp. Proc. Rapid Thermal and Integrated Processing VII, 1998, V.525, p.p.39-44.

6. Rainova Y.P., Antonenko K.I., etc. On the entrance effects and the influence of bucyancy forces on the fluid flow in RTP reactors. Y.Electrochem. Soc., 1997, V,97, p.p. 717-719.

7. Antonenko K.I., Arendarenko A.A., Rainova Y.P. etc investigation of Gas Flows in a radial-type reactor fer GaAs epitaxy. Fluod Dynamics, 1996, V.31, p.p.897-902.

8. Rainova Y.P., Timlin S.M., Sorokin I.N., Antonenko K.I. Juvestigation of GasFlow in the Epitakxy of Silicon. Juorganic Materials, 1995, V.31, p.p.137-144.

9. И.Н.Сорокин, Ю.П.Райнова, К.И.Антоненко, С.М.Турилии, А.А. Арендаренко. Исследование газовых потоков в эпитаксиальном реакторе радиального типа. Сборник научных трудов "Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств" Под ред. И.Н.Сорокина. М., МИЭТ, 1996, с.60-73.

10. Ю.П.Райнова, К.И,Антоненко, С.М.Турилии. Голографическая диагностика плазмы. Тезизы джокдадов международной научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" 4.1,1993, с.69-70.

11. Ю.П.Райнова, К.И.Антоненко, С.М.Турялин. Мониторинг газодинамики для контроля процессов осаждения эпитаксиально-пленочных структур. Тезисы докладов международной научно-

технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". ч.1, М, 1994, с.56.

12. Ю.П.Райнова, К.И.Лнтоненко, И.Пецольд. Голофафическая диагностика газовой фазы в RTCVD реакторе радиального типа. Тезисы докладов VII Всероссийской научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", 1995, с.214-215.

13. Ю.П.Райнова, К.И.Лнтоненко, И.Пецельд, АЛО. Райноз. Применение голофафической интерферометрии для контроля температурных полей в RTCVD реакторах. Тезисы докладов V111 научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", 1996, т.1, с. 112113.

14. Ю.П.Райнова, К.И.Антонешсо, С.М.Турилин, В.С.Становова. Исследование газовых потоков при эпитаксии кремния в горизонтальном реакторе: Труды конкурса фантов 1992-1993 по исследованиям в области твердотельной электроники. Материалы твердотельной электроники. 4.1, Москва, МГИЭТ, 1994, с.172-187.

Подписано в печать Заказ № . Тираж 70 экз. Объем 1,38 уч.изд.л. Отпечатано в типофафии МИЭТ (ТУ)