автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование агрегатов для проведения процесса газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния на подложки большого диаметра

Каблуков Андрей Леонидович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА ПОДЛОЖКИ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

Диссертация выполнена

на кафедре "Автоматизированные комплексы микроэлектроники" Московского государственного института электронной техники.

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Самойликов Вячеслав Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коробов Анатолий Иванович, кандидат технических наук Волков Андрей Федорович.

Ведущая организация

Закрытое Акционерное Общество "ЭПИЭЛ"

Защита состоится_._. 2003г. в_ч._мин. на

заседании диссертационного совета Д 212.134.04. при Московском государственном институте электронной техники (Техническом Университете) по адресу: г. Москва 124498 К498 МИЭТ-ТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ (ТУ)

Ученый секретарь //

диссертационного совета /Ш/ш'^'У д т н- ПР°Ф- Погалов А.И

п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

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. 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.п.

Анализируя состояние и перспективы развития мирового рынка производства и потребления эпитаксиальных структур (ЭС), можно отметить следующие тенденции: 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.

Условием, успешно сопутствующим расширению рынка применения и использования ЭС, является последовательный путь перехода—эпитаксиальной—технологии -от -обработки подложек диаметром 200 мм к обработке 300 мм подложек. Такой переход должен быть реализован при минимально возможных затратах времени и конструкционно-технологических изменениях.

Снижение топологических нормативов в субмикронных структурах СБИС привело к резкому возрастанию требований к ЭС по основным техническим параметрам: толщина эпитаксиальных слоев, градиенты концентраций примесей, уровень дефектности, однородность электрофизических характеристик по площади Пив партии обрабатываемых пластин и т.п. Эти требования невозможно выполнить использованием стандартных технологических приемов.

Возникла необходимость в разработке нетрадиционных научных и технологических основ эпитаксиальных процессов и их конструктивных реализаций.

Все выше сказанное определило актуальность постановки и проведения настоящей работы.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Промышленное производство ЭС кремния базируется на 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). К сожалению, в России на сегодняшний день нет оборудования для обработки подложек диаметром более 150 мм.

Переход к обработке пластин диаметром 200 мм и более требует кардинального пересмотра базовых теоретических и технологических основ организации производства ЭС кремния. А именно, реакторы с групповым производством ЭС имеют более протяженные зоны осаждения, что, с одной стороны, дает возможность организации производства с более эффективными коэффициентами использования материалов, а, с другой стороны, не представляет возможности получить ЭС с высокой степенью однородности электрофизических параметров, например, на уровне, не хуже ± 3%. Эти ограничения можно считать предельными для процессов с групповой обработкой пластин.

Современные требования к 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 групповой обработки подложек.

Последние обстоятельства потребовали иных подходов 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, необходимо значительно увеличить 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 пленарное 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 ±3 град на уровне 1200 °С ) приводит к необходимости более детального анализа условий теплообмена П с ПД.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Разработка и исследование установок газофазного осаждения эпитаксиальньпс слоев кремния на подложки большого диаметра

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие шаги:

1. Разработать компоновку установки для проведения ускоренных процессов газофазной эпитаксии кремния на подложках большого диаметра.

2. Проанализировать™ причины возникновения кристаллографических дефектов в ЭС и разработать методы минимизации или локализации дефектных зон.

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

4. На основании результатов моделирования предложить варианты конструкций ПД минимизирующих термопластические дефекты в ЭС кремния при обработки подложек диаметром до 300 мм.

5. Разработать математические модели нагревательных устройств ИК типа для реакторов с поштучной обработкой подложек.

гггг гг

6. На основании разработанных моделей исследовать различные варианты компоновки устройств нагрева.

7. Разработать конструктивные решения основных узлов и агрегатов установки, рекомендуемой к внедрению.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. 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, проходящего через П, теплофизических и радиационных свойств материалов П, ПД и стенок реактора, 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.

2. Впервые разработана математическая модель расчёта температуры в реакторах ИК нагрева различной конструкции, учитывающая вклад в результирующий лучистый поток каждой из отражённых составляющих при различных сочетаниях материалов экрана реактора и объекта нагрева.

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

значительно улучшить изотермичность обрабатываемых рабочих поверхностей (до ± 2 град, на диаметре 300 мм и уровне температуры нагрева 1000 - 1200 0 С); 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, выхода из строя одной из ламп и т.п.).

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

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Проведённый комплекс исследований, разработанные математические модели и предложенные принципиальные схемные решения основных узлов установки для газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния на подложки большого диаметра позволяют:

1. Определить и локализовать зону концентрации кристаллографических дефектов (в частности, наиболее распространенных, линий скольжения) в зависимости от условий нагрева и формы посадочного гнезда подложки на подложкодержателе.

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

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

4. Повысить однородность температурного поля обрабатываемых рабочих поверхностей до ±2 град, при диаметре подложки 300 мм и уровне температуры нагрева 1200° С.

5. Повысить надёжность-устройства нагрева за счет оперативного динамического управления профилем температуры поверхности осаждения в зависимости от изменения условий в реакторе.

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 расчёта облучённости и сложного теплообмена между подложкодержателей и подложкой внедрены в учебный процесс на кафедре АКМ в Московском Государственном институте электронной техники

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

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

ПУБЛИКАЦИИ

По результатам диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 5 научных статей и 5 тезисов докладов на конференциях.

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

V - ый Минский международный форум "Тепломассообмен ММФ 2004" (Минск 2004).

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 80 наименований и приложений. Она содержит 157 страниц, в том числе 115 стр. текста, 55 рисунков и 5 таблиц.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Анализ причин возникновения кристаллографических дефектов в подложках при их высокотемпературной обработке.

2. Модель сложного теплообмена между подложкодержателем, подложкой и стенкой реактора учитывающая геометрические искажения подложки в процессе обработки.

3. Математическая модель расчета температуры обрабатываемой подложки при её нагреве в реакционной камере ИК - типа с линейными и пальчиковыми ГЛН.

4. Принципиальная конструктивная схема реакционной камеры, с пальчиковыми галогенными лампами накаливания, расположенными в сферическом отражателе.

5. Принципиальные схемотехнические решения установок (газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния), работающих как при атмосферном, так и при пониженном давлениях, и их основных узлов и агрегатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена проблемам перехода производства на 300 мм подложки.

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

Одним из путей решения указанной проблемы является разработка многореакторной установки, в которой в каждом из реакторов одновременно будет обрабатываться одна подложка. Наиболее предпочтительным типом компоновки, в данном случае, можно считать кластерную. При данной компоновке на основе центрального транспортного модуля организуются несколько параллельных технологических процессов. Однако, даже при нескольких параллельно ведущихся технологических процессах, для сохранения рентабельности производство ЭС в реакторах поштучной обработки необходимо сократить время цикла процесса.

Получение структур с меньшими топологическими размерами требует сокращения термической экспозиции формирования ЭС и переходу на пониженное давление в реакционном объеме. Такая ситуация переводит к существенному изменению макрокинетики процесса, что требует пересмотра физико-химических основ процесса.

Планарное расположение П на ПД, естественная волнистость П и шероховатость ПД, требования повышенной прецизионности термообработки (разброс температуры по поверхности подложки не должен превышать ± 3 град на уровне 1200 °С) приводят к необходимости разработки моделей теплообмена между П и ПД в реакторе.

Важными задачами при организации рентабельного производств ЭС кремния на подложках большого диаметра в ректорах поштучной обработки являются:

организация полностью автоматизированных операций загрузки/выгрузки пластин;

организация автоматического входного и выходного контроля параметров осаждаемых ЭС

выбор и обоснование максимально допустимых скоростей нагрева и охлаждения обрабатываемых пластин В главе приводятся и анализируются существующие отечественные и зарубежные установки газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния.

На основании анализа различных вариантов организации рентабельного производства ЭС кремния на подложках диаметром 300мм выбрано решение многореакторной установки с индивидуальной обработкой подложек.

Проведено обоснование выбора комбинированного лучисто-индукционного нагрева, каждый их которых выполняет поставленные ему задачи.

Вторая глава посвящена анализу причин возникновения и путей минимизации термоупругих напряжений в кремниевых пластинах при высокотемпературном газо-фазном осаждении эпитаксиальных слоев в реакторах различной модификации.

Как известно, в процессах газофазной эпитаксии кремния П размещаются на ПД, нагреваемом в реакционной камере до высокой температуры. Однородность температурного поля П, определяемая условиями теплообмена с окружающими её поверхностями и идентичность состава парогазовой смеси (ПГС) у каждой из точек поверхности П гарантируют высокое качество получаемых эпитаксиальных структур (ЭС).

Однако естественная шероховатость поверхности ПД и волнистость П приводят к появлению зазора между ними. В процессах газофазной эпитаксии при температуре около 1200 °С и (типичном) ВЧ методе нагрева величина плотности теплового потока проходящего от ПД через П, достигает значения порядка (50-140)103 Вт/м2 . Это обстоятельство приводит к появлению перепада температуры по толщине П, который, в свою очередь, вызывает дополнительный прогиб её, что увеличивает величину зазора между П и ПД. Такая геометрия контактирующих поверхностей нарушает однородность теплового контакта, вызывает искажение температурного поля П, приводит к образованию радиального градиента температуры, являющегося одной из первопричин возникновения термических напряжений в кремниевых подложках.

Так, например, при плотности теплового потока, проходящего через подложку и равного « 105Вт/м2 , термический прогиб кремниевой подложки диаметром с1п =150 мм составит 8 пр=54 мкм, а радиальный перепад температуры ДТ_ ~6,5°С, для с1„ =200 мм - 5пр = 98

мкм и ДТ_ ~ 12°С,, для с1п = 300 мм - 51ф = 225 мкм и ДТ= ~ 26°С.

Радиальное изменение температуры дт_, в отличие от

нормального АТХ, описывается законом близким к параболическому. Следовательно, наибольших значений радиальный градиент температуры УТ= достигнет в периферической области П.

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 не только крайне важную, но и трудную задачу.

Понижение величины градиентов температуры не является единственной возможностью понижения дефектности подложек при проведении высокотемпературных процессов. Показано, что дислокации в кремнии не возникают при температурах ниже 900 °С даже при высоких значениях радиальных градиентов температуры (более 103 град/м). При уровне температур ниже порога пластичности подложки могут охлаждаться с достаточно высокой скоростью без снижения качества

Так, критическое напряжение ас, выше которого проявляются

термопластические эффекты, является функцией физических свойств материала, локальной температуры и скорости изменения деформации

где Еа - энергия активации скольжения; (1 - скорость изменения деформации; Сит- константы, зависящие от материала.

Температура в центре пластины кремния, при достижении которой начинают проявляться термопластические эффекты, зависит от диаметра пластины кремния и находится в диапазоне 1273... 1323 К. Эта оценка хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Для определения величины радиального градиента температуры, в том числе и критического его значения, необходимо владеть методами определения локальных значений температуры П Эта задача может быть выполнена на основе анализа результатов решения уравнений, описывающих сложный теплообмен между П, ПД, источниками нагрева (ИН) и стенками реакционной камеры (СРК), т.е. теплообмен в системе «П - ПД - СРК - ИН»

Третья глава посвящена анализу теплового состояния подложки в системе «подложка - подложкодержатель - стенка реакционной камеры».

При проведении теоретических исследований были рассмотрены различные схемы размещения П на ПД, начиная от наиболее простого - П лежит на ПД без гнезда (рис 1.1) и заканчивая наиболее сложной формой посадочного гнезда со сферической поверхностью дна и периферийным экраном (рис 1.7)

Помимо различных схем посадочного гнезда ПД рассматривалась возможность профилирования тыльной стороны ПД (рис 1.8) с целью компенсации неравномерности температурного поля

путём локального изменения выделяемой тепловой мощности (для ВЧ нагрева).

Рис. 1. Схемы расположения П на ПД

1 - плоский горизонтальный ПД без посадочного гнезда; 2, 3 -вертикальные и горизонтальные реакторы с утопленной подложкой; 4, 5 -размещение П на ПД с применением периферического буртика; б — размещение П на буртике с применением торцевого экрана и без профилирования дна гнезда; 7 - размещение П на буртике с профилированием дна гнезда ПД; 8 - размещение П на буртике с профилированием дна гнезда и тыльной стороны ПД;

Подложкодержатель с профилированными посадочным схема А гнездом и тыльной стороной

Рис. 2. Схема теплообмена в системе «П-ПД-С»

Для решения задачи - формирование температурного поля П с высокой однородностью - была разработана математическая модель сложного теплообмена в системе «П - ПД - СРК - ИН», описываемая совокупностью уравнений сохранения и переноса энергии.

На рис. 2(А) представлено сечение подложкодержателя с установленной на нем подложкой. Подложкодержатель профилирован как с лицевой, так и с тыльной сторон. На основании схемы теплообмена, представленной на рис. 2(Б), уравнение теплового баланса для элемента подложки записываются в следующем виде

в^ +•••

+W(HПД)=0

где:^ - лучистый тепловой поток между подложкой и верхней стенкой реактора; @л - лучистый тепловой поток между подложкой и боковой стенкой реактора; ()л - лучистый тепловой

пт~бс

поток между торцевой 'поверхностью подложки 11 боковой стенкой реактора;- лучистый тепловой. . поток между

подложкодержателем и подложкой; <2тп - тепловой поток

теплопроводностью материала подложки между рассматриваемым

элементом и последующим (по направлению расчёта); | -

тепловой поток теплопроводностью материала подложки между рассматриваемым элементом и предыдущим (по направлению расчёта);

<^)тп ^ - тепловой поток, определяемый теплопроводностью газовой

прослойкой в зазоре между П и ПД.

Тепловыделение W(Hпд(b)) в элементе подложкодержателя толщиной Нпд определяется эмпирически через локальное удельное электрическое сопротивление участка подложкодержателя и является величиной обратно пропорциональной толщине ПД.

Модель обладает широким диапазоном возможностей и позволяет определять:

распределение температуры по П и ПД; радиальные градиенты температуры; распределение термоупругих напряжений по П; профиль посадочного гнезда ПД; профиль тыльной стороны ПД;

радиус прогиба П;

зазоры между П и ПД;

лучистые и кондуктивные тепловые потоки.

На основании разработанной математической модели были определены распределения температуры и оценены величины термоупругих напряжений для подложек различного диаметра (рис. 3).

Проведено сопоставление величин действующих и критических термических напряжений в подложках кремния различного диаметра, свободно лежащих на поверхности ПД в системе с ВЧ нагревом.

20 18 16

ев

i14

su 12

а

я 10 v

« 8 &

Я 6

К 0

4

2 О

L_ 1 1

6и мм мм 150 мм 200 мм f

r

—i —

- - 25( -Р к мм р t

t

4 tf

/ /

-i-М--А / — t

t * —

-с,......

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ПО 120 130 Радиус подложки, мм

Рис. 3 Сопоставление критического (Р кр) и рассчитанных (Р) термических напряжений для подложек диаметром 60,100,150,200 и 250 мм (метод нагрева - ВЧ; ТпдСре(} — 1473К)

Как можно заметить, доли поверхности подложек (диаметром 100,150,200 и 250 мм), свободных от термоупругих напряжений, находятся в соотношении 0,9: 0,77: 0,68: 0,61 соответственно. В подложках диаметром менее 100 мм термоупругие напряжения практически отсутствуют.

Адекватность модельных представлений была подтверждена серией эпитаксиальных структур, изготовленных на ЗАО «ЭпиЭЛ».

Сопоставление (рис. 4, рис. 5) экспериментальных данных (точки) с расчетными (линии), полученными из модельных представлений, свидетельствует об их достаточно хорошей адекватности.

С учётом вышеизложенного можно сделать выводы: модель адекватно отражает реально происходящие процессы теплообмена между П и ПД; позволяет судить от причинах появления отклонений температурного поля; без дорогостоящих натурных экспериментов профилировать форму посадочного гнезда П и тыльной стороны ПД.

Е-

св

8-0,99

Б £ 8

0,98

£

и

ё н О

0,97

-1

■ Эксперимент. Верхний ярус О Эксперимент. Средний ярус А Эксперимент. Нижний ярус —Расчёт. Средний ярус " - Расчёт. Нижний ярус — ~ Расчёт, верхний ярус

1-

-0,5 0 0,5

Относительный радиус подложки Л'

V

Рис. 4 Зависимость температуры Т'=- от радиуса ¡р-Л- для

модельных и экспериментальных данных для установки УНЭС-121.

Относительный радиус подложки Я'

Рис. 5 Зависимость температуры Т от радиуса Я' для модельных и экспериментальных данных для установки ЬРЕ 206.

Четвертая глава посвящена разработке и оценке потенциальных возможностей (по удовлетворению новым технологическим требованиям) трех типов нагревательных камер. В качестве источников нагрева в этих камерах используются галогенные лампы накаливания (ГЛН) линейного и точечного типов.

На основании разработанных математических моделей рассчитывается температурное поле обрабатываемой поверхности П.

~~В~схемах с "линейными" ГЛН расчет проводится для двух вариантов геометрической формы поверхностей отражателей -плоской и цилиндрической.

Для расчёта облучённости поверхности от линейной ГЛН в системе плоскопараллельных экранов было получено следующее выражение:

кмах ^сп р(р\ д/72 ,

Е(Х,¥,г)= ХМ«)- 4 -г-с!*

п=0 0 ^ Ь

где - координаты положения облучаемого элемента площадью (йз; п - число отражений, претерпеваемых лучом; К - число отражений от рефлектора; г сп , Ь сп - радиус и длина спирали тела накала; р -отражательная способность материала рефлектора; Я(Р) - плотность потока падающего (с поверхности спирали) излучения.

Условная (адиабатическая) температура нагреваемой лучистым потоком поверхности определяется из следующего выражения:

Т{Х,Г) = '

V V

где 8 щ, - приведенная излучательная способность рассматриваемой системы; а - постоянная Стефана-Больцмана.

Расчёт облучённости поверхности от линейной лампы накаливания, расположенной в системе цилиндрических экранов, выполнялся с использованием следующего выражения:

ди.г.г)-^.,.-^.^';*'

-• Н „ • (к +

о £4

О * (А + 2-/-э)4

Нв - расстояние (по нормали) от тела накала до поверхности нагрева.

На рис. 6 представлены зависимости изменения температуры Т в зоне расположения подложки (диаметром 300 мм) для реакторов ИК нагрева с отражателями различной геометрии.

На основании результатов расчета можно сделать следующие выводы:

для большинства практически важных случаев существенный вклад (« 35 + 40 %) в результирующий тепловой поток вносит первое отражение;

в зоне расположения обрабатываемой подложки отклонение температуры периферийных областей подложки составляет

порядка 7 град для плоской (рис. 6.3) и менее 3 град для цилиндрической формы отражателей (рис. 6.2); с точки зрения надежности обе схемы имеют существенный недостаток - при выходе из строя одной из ламп обрабатываемая пластина вероятнее всего будет забракована. Сложность регулировки и управления малым количеством мощных ламп, необходимость в использовании специальных блоков ламп (для компенсации торцевых и боковых потерь) и сложность распределения температуры привели к необходимость поиска более динамичных и надёжных систем.

Была предложена схема и разработана модель расчета температуры в системе квазиточечных источников ИК - нагрева (пальчиковые ГЛН) и сферического отражателя.

Для расчёта облучённости элемента поверхности ск от всех лучей падающих на него в рассматриваемой системе выполнялся с использованием следующего выражения:

Величина неоднородности температуры по рабочей зоне для схемы с пальчиковыми лампами (рис. 6.1) не превышает 0,6 градуса, что свидетельствует о высокой прецизионности термообработки подложек в установках ИК - нагрева, выполненных по данной схеме.

Сопоставление результатов сравниваемых систем показывает явные преимущества (надёжность, достаточно простой способ компенсации торцевых потерь, исключает необходимость вращения подложки и т.п.) варианта квазиточечных источников, расположенных в сферическом отражателе.

Лл

Л Ы

\

Радиус подложки Я, мм

Рис. б Изменение температуры Т (К) в зоне расположения подложки (диаметром до 300 мм) для реакторов ИК нагрева с отражателями различной геометрии.

Пятая глава посвящена разработке узлов и компонентов установки газофазного осаждения эпитаксиальных слоёв кремния на подложки большого диаметра.

Как было показано в предыдущих главах наиболее эффективной с точки зрения качества производимых структур и производительности является система кластерного типа с несколькими реакторами для поштучной или малопартионной загрузкой. Устройство нагрева комбинированного типа с точечными источниками ИК излучения расположенными в сферическом отражателе имеет лучшие возможности по поддержанию температурного поля с заданной точностью и динамического управления им при изменении внешних воздействий.

На основе предложенных в работе схем реакторов с квазиточечными источниками излучения и сферическими отражателям, результатов моделирования и анализа информации

разработаны несколько принципиально новых схем установок газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния, работающих при пониженном давлении.

Разработана модульная компоновка установки, представляющая собой комбинацию центрального модуля с пристыкованными к нему реакционными камерами, и камерой загрузки-выгрузки.

В зависимости от геометрических размеров реакционной камеры в установке могут быть использованы две модификации подложкодержателей (ПД): диаметром - 520 и 720 мм. Время рабочего цикла установки составляет менее 20 минут.

Первая модификация установки с ПД диаметром 520 мм имеет производительность 52 подложки диаметром 150 мм в час. Наибольшая эффективности (в том числе и энергетическая) установка имеет место при обработке подложек диаметром 150 мм.

Вторая модификация установки (диаметр подложкодержателя -720 мм) дает возможность увеличить эффективный диаметр подложки до 200 мм и достичь производительности 46 подложек в час при диаметре 200 мм или 105 подложек диаметром 150мм.

Приводятся устройства и описаны принципы работы основных узлов установки.

Кассета с пластинами из транспортного туннеля загружается в модуль загрузки-выгрузки. Из этого модуля, в котором после продувки устанавливается избыточное давление азота, с помощью манипулятора пластины из кассеты поштучно перекладываются на контрольную позицию, где осуществляется контроль веса и электрофизических параметров. Затем центральным манипулятором транспортного модуля, подложка перекладывается на подложкодержатель в один из пяти реакторов, находящийся в данный момент в положении «загрузка».

В реакционной камере, после загрузки всех пластин и закрытия шлюза,"осуществляется продувкгГазбтом и водородом. Как в процессе обработки, так и при загрузке/выгрузке давление в реакторе поддерживается несколько выше давления в транспортном модуле, что позволяет не нарушать чистоту реакционной камеры и уменьшить до минимума время на продувку.

За последующие 120 сек со скоростью до 10 1рад/«к производится подъём температуры и осуществляются технологические операции газофазного осаждения эпитаксиальных слоев кремния. Продолжительность операции осаждения слоя составляет примерно 500 -600 сек.

По завершении процесса осаждения начинается управляемое охлаждение со скоростью 2 грвд/с до уровня температуры транспортировки - 400-500°С.

После охлаждения реактор переходит в состояние «загрузка», после чего цикл повторяется.

Контроль температуры осуществляется матрицей пирометрических датчиков, вынесенных из зоны высоких температур. Система управление нагревателями учитывает показания пирометров, сверяя их с данными встроенной компьютерной программы управления и ответными сигналами ламп.

Обратный путь до кассеты подложка проходит через камеру охлаждения и стол выходного контроля.

Одновременно в процессе участвуют от 12 пластин диаметром 300 мм до 48 пластин диаметром 150 мм.

Загрузочный модуль рассчитан на 2 или 4 стандартные транспортные кассеты, которые располагаются на держателе, поступательно смещающемся по вертикали.

Подложка го транспортной кассеты поступает на стол входного контроля, где производятся измерения электрофизических параметров и массы подложки до и после процесса осаждения. Контроль массы подложки осуществляется с абсолютной погрешностью не более 10"2 г, что позволяет в дальнейшем, при сравнении с массой обработанной пластины, контролировать интегральную толщину эпитаксиального слоя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что причиной появление термопластических дефектов на П является возникающие при высокотемпературной обработке температурные неравномерности, а причиной образования радиального градиента температуры по подложке является не столько разница в радиационных характеристиках материалов П и ПД, сколько условия внешнего теплообмена ПД и реактора.

2. Для П диаметром 100 мм расположенной на ПД фактором, определяющим появления термоупругих напряжений, являются краевые теплопотери граней ПД.

3. При увеличении диаметра подложек более 100 мм одной из существенных причин образования радиального градиента температуры становится, возрастающий пропорционально

квадрату радиуса подложки, термическое сопротивление газового зазора между П и ПД. Для П находящихся на равномерно нагретом ПД зона со сверхкритическими значениями термоупругих напряжений при увеличении диаметра подложек увеличивается за счет термического сопротивления газового зазора между П и ПД: с 0% - для подложек диаметром 76 и менее мм, до 66,4% для подложек диаметром 200 мм.

Показано, что профилирование дна гнезда ПД позволяет минимизировать дт_- Так для П диаметром 100 мм,

находящейся на ПД пирамидального типа на среднем ярусе при радиусе дна гнезда ПД R равном 2.8м ДТ_ составляет менее 2°,

тогда как на стандартном ПД ДТ_ составляет более 30°.

Для рабочей зоны диаметром 300 мм в реакторах с устройствами ИК нагрева различных конструкций отклонение температуры по поверхности П составляет: более 7 град.- для системы с плоским отражателем; более 3 град,- с цилиндрическим; и менее 0,6 град, для сферической формы отражателя.

Предложена принципиально новая схема ректора с двумя источниками нагрева - фоновым, использующим ВЧ - нагрев, и прецизионным, использующим ИК - нагрев. Данная схема позволяет создавать температурное поле в зоне обрабатываемой подложки (диаметром до 300мм) с равномерностью необходимой для получения эпитаксиальных структур свободных от термопластических дефектов. Разработана концепция принципиально нового типа установок для газофазной эпитаксии. Предложены варианты технической реализации установок эпитаксиалыюго наращивания кремния. Проведена оценка окупаемости предложенного варианта установки. При обработке 300 мм подложек с годовым выпуском 96 тысяч пластин срок окупаемости составит менее трёх лет, для подложек диаметром 150 мм с годовым выпуском 864 т. подложек в год - менее полутора лет.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Каблуков A.JI. Самойликов В.К. Курчьев A.A. Компьютерное моделирование тепловых процессов в установках БТО // Тезисы доклада. Вторая всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электроника и информатика - 97» Москва 97 т.1 С. 193-194

2. Каблуков A.J1. Исследование однородности нагрева подложек в установках БТО. // Тезисы доклада. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 98» Москва 98 т.1 с. 218

3. Каблуков A.JI. Самойликов В.К. Исследование однородности нагрева подложек в установках быстрой термической обработки. // Сб. научных трудов "Научные основы разработки новых технологий и технологического оборудования производства СБИС" Москва 98 с. 51-62

4. Каблуков A.JI. Распределение температурного поля по поверхности подложки в реакторах индивидуальной обработки с использованием ИК нагрева //Тезисы доклада. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 99" Москва 99 с. 225

5. Каблуков A.JI. Исследование тепломассообмена в реакторах газофазного осаждения визуально-оптическим методом //Тезисы доклада. Седьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2000" Москва 2000 с. 207

6. Самойликов В.К. Каблуков A.JI. Исследование тепломассообмена в реакторах быстрой термической обработки кремниевых подложек // Труды конференции IV Минский международный форум "Тепломассообмен ММФ 2000" Минск 2000 т.4/12 с. 269-273

7. Самойликов В.К., Каблуков A.JI Особенности тепломассообмена в реакторах быстрой термической обработки кремниевых подложек // Сб. научных трудов. МИЭТ 2000 г.

8. Каблуков АЛ., Самойликов В.К., Кандыба П.Е. Моделирование устройств ИК нагрева для обработки подложек большого диаметра // Межвузовский сборник «Научные основы

технологий, материалов, приборов и систем электронной техники» МИЭТ 2002г.

9. Каблуков А.Л., Самойликов В.К., Кандыба П.Е. Оптимизация температурного поля поверхности осаждения в процессах газофазной эпитаксии кремния // Тезисы доклада. Четвёртая международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика 2002" Москва 2002

10. Самойликов В.К., Каблуков А.Л. Оптимизация теплообмена в условиях контакта подложки с подложкодержателем. // Труды конференции. IV Минский международный форум "Тепломассообмен ММФ 2004" (Минск 2004)

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА Все результаты, составляющие основное содержание

диссертации, получены автором самостоятельно, при этом личный

вклад автора работы, состоит в следующем;

• Проанализированы причины возникновения термопластических дефектов в подложках и эпитаксиальных слоях кремния и определены методы их минимизации.

• Разработана математическая модель теплообмена между ПД, П и стенкой реактора с учётом термического прогиба подложки, различных физических свойств материалов П и ПД, а также формы гнезда под подложку и тыльной стороны ПД.

• Разработаны математические модели для расчёта температуры в реакторах ИК нагрева с линейными лампами и различными конструкциями отражателей.

• Разработана конструкция реакционной камеры с использованием источников нагрева на базе пальчиковых ИК ламп, расположенных в сферическом отражателе.

• Разработана математическая модель для расчёта температуры в разработанной конструкции реактора.

• Разработаны три схемы компоновки установок эпитаксиального наращивания с применением разработанной реакционной камеры.

• Разработаны концепции основных узлов и компонентов установок (газофазного осаждения эпитаксиальных слоёв кремния), работающих при атмосферном и пониженном давлениях с учетом современных требований.

Подписано в печать «03».июля.2003г. Заказ №206 Тираж 100 экз. Объем 1.1 п.л. Уч.-изд. л. 1.4 Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии МИЭТ (ТУ) 124498, Москва, МИЭТ (ТУ)

р20A3®

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КРЕМНИЕВОЙ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Введение

1.2. Отличительные особенности и задачи газофазной эпитаксии кремния

1.3. Классификация и краткая характеристика эпитаксиальных реакторов

1.4. Постановка задачи

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКЕ.

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

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

2.3. Тепловое состояние подложек в процессе газофазной эпитаксии кремния.

2.4. Выводы

ГЛАВА 3. ТЕПЛООБМЕН В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКОДЕРЖАТЕЛЬ - ПОДЛОЖКА - СТЕНКА РЕАКТОРА»

3.1. Некоторые особенности контактирования шероховато-волнистых поверхностей

3.2. Модель теплообмена между подложкой и подложкодержателем.

3.3. Результаты моделирования и их анализ

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

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА В УСТРОЙСТВАХ ИК-НАГРЕВА

4.1. Модель реактора с плоскими отражателями.

4.2. Модель реактора с цилиндрическими отражателями

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

4.4. Модель сферического реактора с квазиточечными источниками излучения.

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

4.6. Схема реакционной камеры с двойным нагревом.

4.7. Выводы

• ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ УСТАНОВКИ ГАЗОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ КРЕМНИЯ НА ПОДЛОЖКИ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

5.1. Общая компоновка разрабатываемой установки

5.2. Реакционная камера.

5.3. Производительность установки.

5.4. Оценка окупаемости установки

5.5. Выводы

• 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 слоёв (ЭС), является логичный, последовательный путь перехода эпитаксиальной 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 Ф 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, ф 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:

Ф 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 ИК ламп, расположенных в сферическом отражателе. Установка позволяет:

-значительно (до ± 1 град, при диаметре пластины 300 мм и средней температуре нагрева 1000 — 1200 0 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 (K3JIC) 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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ф 1. Показано что причиной появление термопластических дефектов на П является возникающие при высокотемпературной обработке температурные неравномерности, а причиной образования радиального градиента температуры по подложке является не столько разница в радиационных характеристиках материалов П и ПД сколько условия внешнего теплообмена ПД и реактора.

2. При увеличении диаметра подложек более 100 мм одной из существенных причин образования радиального градиента температуры становится, возрастающий пропорционально квадрату радиуса подложки, термическое сопротивление газового зазора между П и ПД.

3. Для П диаметром 100 мм расположенной на ПД определяющим фактором появления термоупругих напряжений являются краевые теплопотери граней ПД. Так для подложки диаметром 100 мм, расположенной на среднем ярусе ПД ATr=30°. Полученные модельные данные были подтверждены в условиях серийного производства эпитаксиальных структур на установках УНЭС-121. ф 4. Для П находящихся на равномерно нагретом ПД зона с запредельными значениями термоупругих напряжений при увеличении диаметра подложек увеличивается за счет термического сопротивления газового зазора между П и ПД: с 0% - для подложек диаметром 76 и менее мм, до 66,4% для подложек диаметром 200 мм.

5. На основании разработанной математической модели показано, что профилирование дна гнезда ПД позволяет минимизировать ATR. Так для П диаметром 100 мм, находящейся на ПД пирамидального типа на среднем ф ярусе при радиусе дна гнезда ПД R равном 2.8м ATr составляет менее 2°, тогда как на стандартном ПД ATr составляет более 30 °

6. Сопоставление результатов моделирования температурного поля создаваемого устройствами нагрева ИК типа различных конструкций показало, что для рабочей зоны диаметром 300 мм отклонение температуры по поверхности П от средней составляет: более 7 град.-для системы с плоским отражателем; более 3 град.- с цилиндрическим; и менее 0,6 град, для сферической формы отражателя.

7. Проведенная оценка доли отраженных составляющих в результирующее поле облучённости показала, что для большинства практически важных случаев существенный вклад («35+40%) в результирующий тепловой поток вносит прямой луч и первое отражение.

8. Предложена принципиально новая схема ректора с двумя источниками нагрева - фоновым, использующим ВЧ - нагрев, и прецизионным, использующим ИК - нагрев. Данная схема позволяет создавать температурное поле в зоне обрабатываемой подложки (диаметром до 300мм) с равномерностью необходимой для получения эпитаксиальных структур свободных от термопластических дефектов.

9. Разработана концепция принципиально нового типа установок для газофазной эпитаксии. Предложены варианты технической реализации установок эпитаксиального наращивания кремния, которые являются конкурентоспособными не только на внутреннем, но и на внешнем рынке.

10. Проведена оценка окупаемости предлагаемого варианта установки. Показано, что при обработке 300 мм подложек с годовым выпуском 96 тысяч пластин около трёх лет. Для подложек диаметром 150 мм с годовым выпуском 864 т. подложек в год срок окупаемости составит менее полутора лет.

1. Авдонин Б.Н., Макушин М.В. Современное состояние и перспективы развития мирового рынка п/п приборов / Зарубежная электронная техника, ЦНИИ Электроника, вып. 2, 1999, 3-43

2. Макушин М.В. Заводы по обработке пластин диаметром 300 мм: переход от опытного к массовому производству /Зарубежная электронная техника, ЦНИИ Электроника, вып. 4,2000, З -15

3. World News" Solid State Technology July 2001 p.24-30

4. Kem W., Ban V.S., Chemical Vapour Deposition of Inorganic Thin Film Processes./ Eds. J.I.Vossen, W.Kem // N.Y.:Academ. Press. 1978. P.258-331

5. З.Чистяков Ю.Д. Райнова Ю.П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М.(Металлургия. 1979.408 с

6. Тау1ог Р.А. Silicon Source Gases for Chemical Vapour Deposition // SST. 1989. Vol.32, N 5. P.143-148. IS.Ogirima М. Takahashi R., Some Problems and Future in Silicon Epitaxial Technol // 10th Int.Conf. Vapour Deposit. 1987. N 5. P.204-213.

7. Pogge H.B. Vapour Phase Epitaxy / Eds S.P.Keller Handbook Semicond. V.3. IBM T.J.Watson Research Center. Yorktown Heights. USA. N.Holland Publish. Сотр. 1980. P.390

8. Иванов В.И. Николайкин Н.И. Сигалов Э.Б. Реакторы для осаждения слоев кремния из газовой фазы (Обзоры по электронной технике. Сер.7. Технология организация производства и оборудование. М.(ЦНРШИ "Электроника" 1971. Вып. 14 .35с.

9. Увеличение диаметра пластин и связанные с этим проблемы технологических процессов // Дэнси Дзайре. 1983. Vol.22. Р. 16-22 19.0гирима М. Установки для эпитаксиального выращивания // Дэнси Дзайре. - 1983. -V. 22 СВ. -Р.63-68.

10. Семенченко А.Н. Райнова Ю.П. Чистяков Ю.Д. Тенденции развития оборудования для газофазной эпитаксии кремния ( Сер.7. Технология. Организация производства и оборудование. М.( ЦНИИ "Электроника" 1989. Вып.8. 46 с.

11. Single-Wafer Epi Reaktor// SST. 1988. Vol.31.N 8. P.72.

12. First Automated Single Wafer Epi Reactor// Semicond. Int. 1988. Vol.ll,N6P.338.

13. Langer P.H. et al. Impurity Redistributions During Silicon Growth and Semiconductor Divice Proccesing // J. Electrochem. Soc. 1974. Vol.12, N14.P.563-571.

14. Langer P.H. et al. Boron Autodoping During Silan Epitaxy // J.Electrochem. Soc. 1977. Vol.124, N3. P.592-598

15. Технология СБИС / Под ред.С.Зи ч.1 М.: Мир. 1986. 405 с.

16. Hammond М. Epitaxial Selicon Reactor Technology - A Reviw, pt.II //SST. 1988.N5.P.159-164;

17. Diens J.L. et al. Extended Abstracts Electrochem. Soc. 1974. .Abstr. N

18. P.161-162. 28.0girima M. et al. Low Pressure Silicon Epitaxy // J.Electrochem. Soc. 1977. Vol.124, N 6. P.903-908.

19. Duchemin M.J.P. et al. Kinetics of Silicon Growth under Low Hydrogen Pressure//J.Elektrochem.Soc.-1978. Vol. 125, N 4. P.637-644.

20. Herring R.B. Advences in Reduced-Pressure Silicon Epitaxy // SST. 1979.N11.P.75-80.

21. I.Fischer S.V. et al. Reduced-Pressure Epitaxy in Induction Heating Vertical Reactor// SST. 1986. N 1. P. 107-112

22. Reif R. et al. A Model for Doping Incoфoration in situ Growth Silicon Epitaxial Films .P.S.Theory // J.Electrochem.Soc. 1979. Vol.126, N 4. P.644-653.

23. Bolzer C.O. Reduction of Autudoping // J.Electrochem.Soc. 1975. Vol.122, N 9. P.1705-1709.

24. Самойликов В.К. "Оптимизация технологического оборудования и процесса газофазной эпитаксии кремния производства СБИС" докторская диссертация, Москва, МИЭТ 1996 . 420 с.

25. Борисенко В.Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве. Мн.: Навука i тэхшка. 1992. 240 с. Зб.Сигалов Э.Б. Волков Н.С. Установки ЭПИКВАР для эпитаксии кремния // Электрон, пром. 1989. N 11. 27-39.

26. Технические условия ЕТО.035.037 ТУ,

27. Стандарт SEMI М2-1296 STD,

29. Стандарт SEMI М17, F523, F80.

30. Bentini G., Correra L. Analysis of termal stresses induced in silicon during xenon arc lamp flash anneling // J. Appl. Phys 1983. Vol. 54, N

32. Bentini G., Correra L., Donalato C. Defects Introduced in Silicon Wafers During Rapid Isothermal Annealing: Thermoelastic and Thermoplastic effects // J.Appl Phys 1984. Vol.56, N 10. P.2922-2929.

33. Akiyama N.,Inoue Y.,Suzuki T. Critical Radial Temperature Gradient g Slip Dislocations in Silicon Epitaxy Using Dual Heating of the Two Surfaces of a Wafer//Jap.J.Appl.Phys. 1986. Vol.25, N 11 P. 1619-1622.

34. Tu K.N.,AhnK.Y.,Herd S.R. Silicon films for arhival optical storage // Apll. Phys. Lett. 1981. Vol.39, N 11. P 927 - 92

35. Schroter W. Yeld point and dislocation mobility in silicon and germanium//J. Appl. Phys. 1983. Vol. 54, N4 . P. 1816- 1820.

36. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.( Изд-во АН СССР 1962. 111с.

37. Папков Н.С., Волков Ф.Ф., Панков B.C. Измерение неоднородности температурных полей подложек в эпитаксиальном реакторе // Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1978. Вып. 10. 83-87

38. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. // М.: Радио и связь. 1982. 239 с

39. Сажнев СВ., Тимофеев В.Н., Миркурбанов X. А. Расчет собственных напряжений в круглой двухслойной п/п пластине // Межвузовский сб. «Научные основы технологии материалов, приборов и систем электронной техники» . М.:- МГИЭТ. -2002.-С. 72-78

40. Сажнев СВ., Тимофеев В.Н., Миркурбанов X. А. Влияние закона распределения температуры по радиусу п/п пластины на размер зоны пластической деформации при высокотемпературном нагружении // Материаловедение , 2003, № 1.

41. Dyer L.D., Huff H.R., Boyd W.W. Plastic deformation in central regions of epitaxial silicon slices // J. Appl. Phys. 1971. V. 42, N 13. P.5680-5688

42. Lax M. Temperature tise induset by a laser beam // J Appl. Phys. 1977. Vol. 48, N8. P. 3919-3924..

43. Сигалов Э.Б Волков Н.С Иванов В.И. Подложкодержатели высокопроизводительных реакторов для эпитаксии кремния // Технология п/п приборов. Тал. Валгус 1982. С93-96

44. Сигалов Э.Б. Волков Н.С. Иванов В.И. Совершенствование подложкодержателей. // В сб. Физико-термическое оборуд. и автоматизация технол. процессов. Ч.З М.: ЦНИИ "Электроника" 1981.С.11-12.

45. Иванов В.И. Сигалов Э.Б. Костромин А.А. Подложкодержатель для газовой эпитаксии. // А.С. N 760547 СССР МКИ HOI 17/32. бО.Волков Н.С. Сигалов Э.Б. Иванов В.И. Устройство для термической обработки пластин. // А.С. N 93105 СССР МКИ HOI 21/00.

46. Волков Н.С. Сигалов Э.Б. Чумак В.Д. Установка наращивания эпитаксиальных слоев кремния УНЭС-150. Некоторые особенности горизонтального реактора. // В сб. Физико-термич. оборуд. и автоматизация технол. процессов. Ч.З. М.: ЦНИИ "Элктроника" 1981.С.6-8.

47. Способ химического осаждения пленок из парогазовой фазы и держатель используемый при этом способе. // Europen Patent Application n 0092435 AI.-20.04.83.

48. Sparks D.R., Dahlquist D.M. et al. A Comparison between Radiant and Induction Heated Epitaxial Reactors // SST. 1987. N 8. P. 101-104..

49. Тимошенко СП. Войковский-Кригер Пластины и оболочки. М.(Физматгиз 1963. 636 с

50. Каблуков А.Л. "Исследование однородности нагрева подложек в установках БТО" Тезисы доклада. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 98" Москва 98 т. 1 с. 218

51. Самойликов В.К. Каблуков А.Л. "Исследование тепломассообмена в реакторах быстрой термической обработки кремниевых подложек" Труды конференции IV Минский международный форум "Тепломассообмен ММФ 2000" Минск 2000 т.4/12 с. 269-

52. Самойликов В.К., А.Л. Каблуков "Особенности тепломассообмена в реакторах быстрой термической обработки кремниевых подложек" Статья. Сборник научных трудов. МИЭТ 2000 г.

53. Самойликов В.К Теплообмен излучением и его использование в физико-термическом оборудовании /Учеб. пособие. РИО МИЭТ. М.: 1981.113 с.

54. Исаченко В.П. Осипова В.А. Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат. 1981.417 с.

55. CENTURA ТМ" Applied Materials technical information 80."EPI CENTURA TM" Applied Materials technical information