CVD腔室結構對流場的影響分析

陳英男

摘 要：CVD工藝是半導體芯片進行薄膜沉積加工的重要工藝，薄膜沉積的均勻性對最終芯片產品的良率有著至關重要的影響。CVD腔室是沉積反應進行的場所。反應氣體從進入腔室進行沉積反應到最后從腔室排出，整個過程中流場分布所影響的不僅僅是沉積的均勻性，還有氣體的擾動，流向，壓力等變化所帶來顆粒度問題。本文主要使用Solidworks Flow Simulation軟件進行腔室流場仿真，分析CVD腔室結構變化對流場均勻性帶來的影響及對應變化趨勢。

關鍵詞：CVD 流場；均勻性；噴頭；腔室

半導體芯片的制造過程中需要在襯底上生長固體材料層。CVD（化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）是通過化學反應方式將氣態反應物生成固態物質并沉積在晶圓表面的薄膜沉積技術。是半導體芯片制造的重要工藝，其薄膜沉積的均勻性對最終產品的良率有著至關重要的影響。CVD腔室是整個沉積反應進行的場所，在沉積過程中存在著流場，溫場及等離子體場等的多場耦合。反應腔室結構的變化直接影響著整個物理場變化。其中流場對沉積均勻性的影響最大。反應氣體從進入腔室進行沉積反應到最后從腔室排出，整個過程中流場的分布所影響的不僅僅是沉積的均勻性，還有氣體的擾動，流向等變化所帶來顆粒度問題。芯片的生產加工以及工藝設備的組裝都選擇在成本高額的潔凈環境進行，就是為了降低顆粒度對產品良率的影響。由此可知由流場不均勻性所帶來的顆粒度問題，代價是昂貴的。本文使用Solidworks Flow Simulation軟件進行腔室流場仿真，分析CVD腔室結構變化時對流場帶來的影響及對應變化趨勢。

1 仿真條件

CVD反應腔室結構示意如圖1所示，氣體從進氣口經擋板及噴頭進入腔室，經過承載晶圓的熱盤表面進行沉積反應后從腔室下方的抽氣口排出。當腔室內結構改變時，整個流場將會隨之進行相應的變化，當然有些變化是有利的，有些是不利的。通過軟件仿真分析結可以直觀的展示出表1所示的結構變化時對應的流場變化趨勢（注：本文中腔室結構僅為說明結構變化而建立，并非真實產品結構），為了方便比較，所有仿真邊界條件保持一致，即流體為氮氣，溫度293K，入口體積流量：0.008 m3 /s；出口壓力：133 Pa。

2 仿真結果對比

結構對比1：噴頭孔分布方式的影響（圖2及圖3）

圖2腔室內流場在熱盤表面為矩形分布，孔距不一致時，兩對稱切面流線稀疏分布區別明顯，與孔距趨勢一致；

圖3腔室內流場在熱盤表面為圓形分布，兩垂直截面氣流分布疏密程度相當；

結構對比2：有無擋板的影響（圖3及圖4）

圖3無擋板結構，中心區域因氣流進入時無阻擋，而以較大流速直接沖入腔室，從而產生流場擾動，且中心區域孔密度較高，邊緣孔密度小，邊緣流線較稀疏；

圖4有擋板結構中心區域擾流狀況明顯改善。

結構對比3：噴頭孔數的影響（圖4及圖5）

圖4孔數約3000個，氣流分布較均勻，熱盤表面流場接近同心圓分布；

圖5孔數約1000個，孔數較少時氣流無法均勻到達熱盤表面，在徑向流動過程中產生較大的相互干擾，整個腔室內流場混亂無規則。

結構對比4：不對稱結構的影響（圖4及圖6）

圖4沒有傳輸口特征時流場分布較均勻；

圖6增加傳輸口后，由于結構不對稱引起流場擾動。

結構對比5：出口控制結構的影響（圖6及圖7）

圖6，沒有出口控制結構時流場狀態混亂；

圖7采用出口控制結構后流場趨勢好轉。

3 仿真結論

通過仿真分析可以很直觀的看出腔室結構變化時對流場的影響，從而進行結構的調整及優化。從上述幾項單變量的結構對比中可以發現，晶圓表面氣流分布方式與噴頭孔分布方式趨勢一致，噴頭孔采用圓周分布方式更符合晶圓沉積的結構特點；孔按圓周分布的噴頭采用擋板結構時，因擋板的阻擋使從中心進入的高速氣流減速，并迫使其向邊緣流動，其中心位置的流動狀態及均勻性明顯好轉；孔數較多的噴頭能使氣體及時的分布在熱盤表面，而減少徑向傳輸過程的干擾，其對應的腔室流動狀態要好于孔數少的噴頭；盡量不要采用不對稱的結構設計，不對稱的結構可能引起流場的偏置及擾動等現象；如不對稱結構設計不可避免時，需增加控制結構以改善腔室流場均勻性。

4 結語

仿真結構僅僅是簡化過后的理論模型，實際的反應腔室結構要復雜的多，每一個結構、間隙、或微小尺寸的變化都會對流場的不均勻性造成影響，產生流場偏置、氣流擾動以及死區等。同時工藝參數的變化如進氣流量、工藝壓力、極板間距、工藝溫度、等離子體轟擊等都會對流場及沉積均勻性造成影響。對于多物理場的耦合我們還要面對更多的挑戰，需要從多角度綜合考慮采用仿真與實驗相結合的方式去實踐探索。

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