立式氧化爐中氣流場的仿真設計與分析

萬喜新，鄧斌，姬常曉，李蘋

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

0 引言

立式氧化爐主要用于晶圓直徑150mm以上的集成電路芯片制程中的柵極氧化層、犧牲氧化層、推阱、退火等高溫熱氧化工序，是深亞微米IC生產線的關鍵設備之一[1]。目前，晶圓直徑不斷增大，特征尺寸不斷縮小，對IC電性能的要求不斷提高。同時，直徑越大，同一片晶圓上可制備的IC越多，為保證量產后的IC性能一致性，對材料和生產技術提出了極高的要求[2]。

與傳統臥式氧化爐相比，在工藝性能上，立式氧化爐的優點主要包括：①反應室內氧氣濃度低、自然氧化層薄；②片間溫度均勻性好、硅片翹曲小；③顆粒污染低，片內氧化膜質量一致性好；④工藝管內氣流場自上而下，晶圓表面片內接觸氣體分子的幾率基本一致性，利于提高片內膜厚均勻性；⑤同等進氣流量條件下，對片內、片間氣流均勻性的影響相對較小（可適用于較小氣流量條件下）。

鑒于立式氧化爐的上述諸多優點，其在新的IC線上得到了更廣泛的應用。立式氧化設備需求量大，機械、電氣和軟件等方面技術較復雜，國際上自80年代末到90年代初許多設備制造商就已經研制成功了立式氧化爐，到現在已經非常成熟，在8英寸硅片生產線上已經基本取代臥式氧化爐[3-4]。鑒于技術、財力等多方面的限制，國內8英寸及12英寸集成電路生產線上使用的立式氧化爐均以國外TEL、KE等品牌為主。國產立式氧化爐雖有一些技術突破，但僅應用于非關鍵制程工序，在高端芯片的制程工序，氧化工藝效果仍然難以達到技術要求。

1 立式氧化爐的技術難點

1.1 氧化工藝技術要求

在芯片氧化工序中，以柵極氧化層工藝為例，為提高芯片產品的電性能（耐擊穿電壓、閾值電壓和漏電流大小等），并保證其性能穩定一致性，對氧化工藝的進氣量大小、溫度大小、保壓效果及其可變動幅度都有著極高的限制。具體要求就是：①氣體流量精確可控；②升降溫速率及溫度穩定性精確可控；③工藝管保壓效果精確可控；④可適用于多種工藝菜單，同時氧化膜厚度均勻性和一致性精確可控。

在此要求下，國產氧化爐不僅在氧化膜片內和片間均勻性方面很難滿足工藝要求，而且由于氣流場和溫度場的耦合波動，致使芯片產品的電性能參差不齊，難以滿足產品量產化需求，這成為了制約國產立式氧化爐推廣應用的關鍵技術瓶頸。

1.2 高溫氧化爐技術研究方法

立式氧化爐的溫度場、氣流場是決定氧化膜厚度均勻性的關鍵因素，溫度場和氣流場既相互獨立，又相互作用。在工藝生產過程中，高溫氧化過程涉及氣動力學、流體力學、熱力學等多個學科，在具體氧化工藝過程中，難以實際把控溫度場和氣流場的耦合作用及效果。在生產實踐過程中，從業者通常根據實際工藝效果，對可能的影響因素進行逐一排查并進行試驗驗證，針對多重耦合因素，難以短時間內得到體系化結論。

溫度場主要由爐體加熱絲的結構和加熱器控溫效果（升降溫速率、穩定性）決定，其主要影響氧化膜的片間厚度一致性。爐體加熱絲的設計原理通常采用乘子法和脈沖變分原理從數學上進行研究分析，二者都是處理極值問題的有效工具， 經常應用于最優控制的研究中。

在工藝管的氣流場中，氣流場均勻性主要指工藝管橫截面和徑向的濃度分布一致性，本質是氣體流動性問題，影響因素主要包括進氣氣體溫度、進出氣口結構及空間分布、氣體流速、管內壓強等，特別是進氣流量和管內壓強的耦合作用，其直接決定工藝管橫截面的氣體濃度分布。氣流場主要影響片內氧化膜的膜厚均勻性。在氣流場研究方面，通常采用理論分析、實驗驗證和數值模擬這三種基本方法[5]。目前，計算流體力學（CFD）也已經發展成為相對成熟的學科，并已廣泛應用于流體機械、水利、海洋、環境等各種科學技術領域[6]。

1.3 高溫氧化爐氣流場技術難點

工藝管內的氣流分布比較復雜，不同區域有不同的流動狀態。常溫氣體進入高溫工藝管時，氣體快速膨脹且流速加大。對于臥式氧化爐，為便于分析，根據氣體的流動狀態，通常將工藝管分為爐尾紊流區、爐尾層流區、工藝反應恒溫區、爐口層流區、爐口紊流區5個區域[7]。在紊流區，常溫氣體以一定流速進入高溫爐管時，氣體快速膨脹且流速迅速增加，高流速氣體與周圍介質不斷發生動能交換，帶動原本靜止狀態的氣體沿軸線方向流動，當射流寬度及流量增大到一定程度后，由于管壁的限制作用，射流氣體容易形成沿管壁的反方向流動，該區域的氣體流動狀態很不穩定。在沒有任何阻力的狀態下，經過一段距離的穩定后，向前流動的氣體氣流逐步穩定，從而形成層流區。

對于立式氧化爐，氣體通過緊貼工藝管內壁的細管進入，在頂部進氣口進入工藝管時，假定氣體溫度為工藝管溫度，則在工藝管頂部不會出現氣體快速膨脹、流速加速的現象。但是在工藝管頂部的進氣端，工藝氣體通過進氣口進入工藝管后，直接噴射到晶圓表面，在工藝管軸線方向，氣體因晶圓阻擋而使該方向的流速降低，同時氣體在工藝管橫截面上向管壁方向擴散流動，該過程因與周圍靜態氣體交換能量而使流速降低，在流動時因碰撞管壁而向反方向運動。同時，氣體持續通過進氣口進入而在工藝管頂部形成正壓，迫使氣體向下流動。通過迭代反方向的氣體流動，在頂部形成整體向下流動的氣體渦流，該渦流氣體在晶圓邊緣區域濃度高，在晶圓中心位置濃度低，進而在水平晶圓表面形成氣體濃度梯度，從而影響了片內氧化膜的厚度均勻性。鑒于此氣體流動狀態，可將立式氧化爐的工藝管分為頂部紊流區、工藝反應恒溫區、底部紊流區3個區域。

目前，立式氧化爐的氣流場普遍存在這種3個區域的現象，針對這一問題，為有效分析頂部出現的紊流現象和嚴重程度，并進而通過改變進氣方式來解決這一問題，本文采用流體力學仿真方式，通過建立爐體工藝管的物理和數學模型，對氣流場進行數值模擬分析，從而提出有效的改進方案。

2 爐體氣流場場仿真方法

2.1 物理模型

根據立式氧化爐的實際結構進行簡化，忽略放片裝置、傳動裝置對氣流阻礙作用，將進、排氣系統用進氣、排氣通道表示，簡化模型如圖1（a）所示。氣流由頂部兩伸入爐內的進氣通道進入立式氧化爐頂部，自上而下流動，由底部排氣通道流出。數值計算前通過網格劃分對模型計算區域進行離散化處理，本文采用非結構網格對立式氧化爐進行劃分，結果如圖1（b）所示。

圖1 立式氧化爐物理模型與網格劃分

2.2 數學模型

對立式氧化爐內流場模擬時作如下假設：①爐內氣體不可壓縮且滿足 Boussinesq假設[8]；②爐內氣體流動狀態為湍流且為穩態；③爐內氣流速度較小，視為不可壓縮流動；4）爐內氣流的湍流粘性為各向同性。爐內氣流在穩定運行時流動狀態滿足的連續性方程、動量守恒方程分別用式（1）、（2）描述：

式中：t為時間；ρ為流體密度；u、v、w為各方向速度，p為壓力；μ為流體動力黏度；Sx、Sy、Sz為不同方向的廣義源項。

2.3 邊界條件

邊界條件體現計算區域與外部環境間的相互聯系與作用，合理的邊界和初始條件是模擬求解的前提，是保證計算結果精準性的基礎。模擬過程中涉及的邊界條件如下所示。

入口邊界采用速度邊界條件，兩進氣通道入口流速均為12.73m/s，總流量為5×10-4m3。出口采用壓力邊界條件，出口壓力為20Pa。進氣管路壁面設置為內部壁面。

2.4 仿真結果分析

圖2為利用所建立的物理模型，按上述數學模型及邊界條件進行仿真計算得出的流線圖及爐內各截面的速度分布情況。由圖可知，氣流自出口噴出后，流速較大，并沿爐壁環形向下流動，近壁面流速較大，環流中心流速較小，使得立式氧化爐上半部分的水平橫截面存在流速分布不均的現象，從而影響了該部分晶圓表面接觸氣體的濃度一致性，進而影響了氧化膜厚度的均勻性。

圖2 立式氧化爐流線圖及爐內各截面流速分布情況

當氣流流動自上而下至爐內下半部分時，環形流動逐漸轉變為豎直向下的流動狀態，水平截面流速均勻性明顯提高，但是仍存在局部流速較大的情況。這是由于立式氧化爐氣流出口通道設置在進口通道側壁面，出口通道與兩進口通道中心位置呈80°夾角，進、出口通道不對稱分布使得爐內下半部分氣流流動過程中出現局部流速大的情況。

3 立式氧化爐內流場結構優化

3.1 改進后的結構

針對環形流動造成的爐內上半部分流速分布不均的問題，在爐頂安裝多孔薄板改善流場流動情況，孔板結構如圖3所示，薄板上不同半徑處設有多排沿圓周分布的小孔。

圖3 孔板結構示意圖

3.2 仿真結果分析

分別模擬在距爐頂16m設置一層多孔薄板、在距爐頂16m及46m各設置一層多孔薄板的情況，得到圖4所示的爐內上半部分不同高度水平截面處爐內無多孔薄板、設置一層多孔薄板和設置兩層多孔薄板時的流動速度分布情況。

從圖中可以看出，當頂部增設多孔薄板后，同一高度的水平截面的平均流速明顯降低。這是由于使得噴出氣流首先進入多孔薄板間隔而成的頂部區域，形成的環狀氣流主要集中在該區域內，氣流再經由孔板進入爐內時，流速水平方向分量減少、豎直方向分量增加，孔板結構有效抑制了氣流環狀流動，使得從孔板進入爐內的氣流更傾向于垂直向下流動狀態，呈現水平截面流速降低的現象。

由于孔板孔洞沿不同半徑圓周均勻分布，氣流由孔洞進入爐內，提高了立式氧化爐來流均勻性，使得各水平截面流速分布均勻性明顯提高。且較設置單層孔板的情況，氣流經由兩層孔板后各水平截面流速分布均勻性更高，局部流速高的現象也明顯改善。

此外，對比分析三種結構下爐內上半部分豎直方向高度由1230mm至930mm各截面的流速分布，未設孔板時爐內上半部分流場均勻性隨豎直高度降低改善并不顯著，而增設孔板后，隨豎直高度的降低流場均勻性得到明顯提高。

4 結語

本文根據流體力學仿真軟件建立了氣體流動的數學和仿真模型，對立式氧化爐原結構和增加孔板后的工藝管內部的氣流場進行了模擬計算，通過仿真數據分析結果，得出以下結論：①原結構下爐內氣流沿爐壁環形向下流動，爐內上半部分氣流在水平橫截面上流速分布極不均勻，工藝氣體從頂部進入后，晶圓表面接觸氣體的表面濃度相差很大，直接影響了晶圓表面氧化膜厚度的均勻性。且隨著氣流向下流動，水平截面流速均勻性有一定提高，但是仍存在局部流速較大的情況，難以滿足高端制程工藝對氧化膜厚度均勻性的指標要求。②增設孔板后，有效抑制了氣流環狀流動，且爐內氣流均勻性得到有效改善，使得各水平截面及豎直方向上的流速均勻性明顯提高，設制兩塊孔板后的改善效果更為顯著。