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(tài)反應物生成固態(tài)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(huán)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(guī)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(tài)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(yōu)化。從上述幾項單變量的結構對比中可以發(fā)現(xiàn)，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(tài)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(tài)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(xiàn)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(qū)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(zhàn)，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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