Введение к работе
Актуальность темы. Базовые технологии производства полупроводниковых приборов (СБИС, СВЧ, и др.) основаны на «пленарной технологии», включающей эпитаксиальную. Последняя позволяет получить подложки с заданной концентрацией легирующей примеси и с управляемой толщиной эпитаксиального слоя. Объем используемых подложек с эпитаксиальным слоем (ЭС) в планарной технологии составляет 20-30%. Диаметр подложек, используемых в России, в основном 100 мм.
В производстве новых приборов широкое распространение получили эпитаксиальные структуры (ЭС) Si-Si, Si-Ge, Si-GaAs, Si-сапфир и др. Переход к приборам с субмикронными структурами сопровождается ужесточением требований к качеству ЭС по дефектности, по толщине и электрофизическим характеристикам и др.
Существующее отечественное эпитаксиальное оборудование в основной массе предназначено для групповой обработки подложек с присущими ей недостатками, объективно сдерживающими усовершенствование установок. К числу основных недостатков относятся ограничение диаметра обрабатываемых подложек, трудности автоматизации процесса перефузки подложек, ручные операции, высокая энергоемкость, повышенный расход газовых реагентов, вскрываемый реактор и др.
В связи с ростом требований к качеству ЭС назрела необходимость перехода на обработку одиночных подложек диаметром 150, 200 и 300 мм в реакторах с жестко контролируемыми газовым потоком и температурой. Это позволит повысить качество, включая минимизацию числа структурных дефектов. В случае различия решеток подложки и ЭС должен быть минимум дислокаций несоответствия на гетерогенной границе.
Для субмикронных структур, где толщина эпитаксиального слоя составляет 0,1-0,3 мкм, требования к однородности толщины резко возрастают.
Задача получения равномерной толщины и стабильных физических свойств ЭС решается оптимизацией температуры и формированием ламинарного газового потока по подложке в реакционной камере. Вопросам исследования температурных полей в реакторе и на подложке посвящены многочисленные работы, в основном в применении к фупповой эпитаксии.
Разница температур между подложкой и подложкодержателем в реакторе приводит к перепаду температур по толщине и по площади. При достижении критического перепада по площади образование термонапряжений ведет к генерации дислокаций на дефектах структуры, а следовательно и к пластической деформации, проявляющейся формированием линий скольжения. Эта проблема приобретает особую остроту в связи с ростом размера подложек и их стоимости.
Для выполнения указанных требований необходимо решить четыре важные задачи, определяющие работу эпитаксиального оборудования для одиночных подложек:
-
Детальный анализ механизма пластической деформации при перепаде температуры по подложке и получение конкретного критерия допустимого перепада температур, сводящего к минимуму пластическую деформацию подложки.
-
Разработка геометрии реактора на основе анализа параметров газодинамического процесса, протекающего при эпитаксии, и анализа напряженно-деформированного состояния реактора.
-
Разработка новых прецизионных с высоким быстродействием газовых дозаторов.
-
Оптимизация геометрии гнезда для подложки на подложкодержателе в реакторе с целью формирования минимального перепада температур по радиусу подложки.
Большое количество информации по организации процесса групповой газофазной эпитаксии не дает четкого подхода к разработке реактора эпитаксии одиночных подложек. Исходя из вышеизложенного, актуальность разработки рекомендаций и принципов построения реакторов эпитаксиального наращивания одиночных подложек большого диаметра очевидна.
Цель работы - Разработка эпитаксиальных реакторов наращивания одиночных подложек больших диаметров в условиях нормального и пониженного давления газа.
В работе решаются следующие задачи:
1. Исследование распределения поля температур по подложке в условиях высокотемпературного нагружения при эпитаксиальном росте в реакционной камере.
-
Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния подложки при эпитаксиальном наращивании с учетом поля температур.
-
Разработка модели пластической деформации подложки по результатам анализа распределения напряжений и исследования структуры материала.
-
Разработка программ расчета газодинамических параметров потока в реакторе, позволяющих построить распределение линий тока, полей скоростей и температур, выявить аномальные зоны течения.
-
Разработка методики расчета деформации подложки при действии массовых сил в условиях высокотемпературного нагружения.
-
Разработка методики выбора параметров движения подложки относительно газового потока с целью выравнивания толщины эпитаксиального слоя в процессе роста.
Научная новизна работы:
-
Построены поля распределения температуры по поверхности подложки в процессе эпитаксии. Определены причины, вызывающие неравномерность распределения температуры по поверхности. Впервые показано влияние суммарного прогиба подложки (температурного и массовых сил) на перепад температур по радиусу.
-
По результатам анализа напряженно-деформированного состояния подложек впервые показано определяющее влияние тангенциального напряжения на формирование линий скольжения. Определены границы развития линий скольжения по поверхности подложки.
-
Построена модель механизма формирования линий скольжения в процессе эпитаксии с учетом анизотропии свойств. Определен источник генерации дислокаций, формирующих линию скольжения.
-
Проведен анализ влияния геометрии гнезда в подложкодержателе на распределение температуры и напряжений в подложке. Определена оптимальная геометрия гнезда подложек большого диаметра, позволяющая получить минимум линий скольжения.
Практическая значимость
-
Предложены методики расчета напряженно-деформированного состояния подложек в реакторе эпитаксиальной установки. Построен механизм пластической деформации, позволяющий оценивать допустимый перепад температуры на подложке.
-
Разработаны универсальные программы расчета параметров газового потока в реакторе, применимые при проектировании высокотемпературного оборудования, в том числе эпитаксиальных установок для одиночной обработки подложек, установок быстрого термического отжига (БТО), проточных газовых реакторов газоплазменной обработки и др.
-
Предложена методика расчета на прочность реакторов эпитаксиальных установок для одиночной обработки подложек, работающих в условиях низкого давления рабочего газа. Даны рекомендации по выбору толщин и геометрии элементов реактора.
-
Проведен анализ газодинамических параметров потока в реакторе. Установлено распределение температуры в потоке, определены толщины пограничных слоев газового потока у стенок реактора, установлена аномальность течения газа на входе в реактор.
-
Разработана конструкторская документация и изготовлен макет роботизированной установки эпитаксии одиночных подложек диаметром 150 и 200 мм.
-
Определены расчетные параметры реактора для работы в условиях пониженного давления.
Личный вклад соискателя
Автору принадлежит постановка задач исследования, выполнение значительной части экспериментов, расчетов, систематизация и анализ результатов. По инициативе автора был осуществлен комплекс работ по моделированию газодинамического процесса в реакторе. Им совместно с сотрудниками разработаны компьютерные программы расчета параметров течения газа в реакторе. Автором проведен анализ влияния движения подложки в газовом потоке на скорость роста эпитаксиального слоя. Основной объем исследований и разработок, вошедших в диссертацию, получен в
соавторстве с СВ. Сажневым, В.Х. Файзулиным, Н.С. Волковым, которым автор благодарен за тесное и плодотворное научное сотрудничество.
