Моделирование и оптимизация параметров технологических процессов химического осаждения тонких пленок из газовой фазы в производстве приборов электронной техники

Актуальность исследования.

Моделирование процессов во всех сферах производственной деятельности человеческого общества — быстро расширяющаяся область науки и количество научных работ, посвященных этому вопросу в последнее время, чрезвычайно велико и быстро растет.

Математическое моделирование сравнительно более дешевый и в отношении затрат времени более быстрый процесс, нежели натурное моделирование. Моделирование технологических процессов стало столь же распространенным, как и схемотехническое моделирование и моделирование элементов, компонентов и приборов электронной техники. Все дело в том, что расчеты параметров микроприборов, микросхем и микросистем основаны на знании параметров всех операций, составляющих технологический маршрут их производства, то есть для расчетов реальных параметров приборов необходимо иметь входную информацию, основанную на знании параметров реальных технологических операций и их сочетания. Точность расчетов определяется адекватностью физико-математических и физико-химических моделей технологических процессов.

Наибольшие успехи к настоящему времени достигнуты при моделировании таких операций производства изделий электронной техники и изделий микроэлектроники как эпитаксия, окисление кремния, диффузия, ионное легирование, термовакуумное и ионно-плазменное напыление, литографические операции. Все более новые и все более совершенные и точные модели указанных технологических операций предлагалось по мере развития и применения этих операций в качестве составляющих различных технологических маршрутов в высоких электронных технологиях. Существует даже некоторая закономерность: чем раньше изучена и освоена та или иная технологическая операция, тем более совершенна соответствующая ей математическая модель, как правило, прошедшая несколько стадий модификации.

Химическое осаждение тонких пленок из газовой фазы для большого числа материалов электронной техники получило широкое распространение лишь в последние годы в производстве различных типов изделий микрои оптоэлектроники, сенсоров, детекторов, и высокотемпературных защитных покрытий. Существенное запаздывание с внедрением процессов химического осаждения тонких пленок в технологии приборов электронной техники связано со сложностью управления и большим числом кинетических, геометрических, внешних, внутренних, входных и выходных параметров процессов, сложностью и многоступенчатостью протекания химических реакций. Соответственно и моделирование процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы находится в стадии развития и становления. Имеются модели частного характера для отдельных пленкообразующих веществ в ограниченном диапазоне параметров осаждения в реакторах различного типа. Отсутствует научно-обоснованная методика построения моделей химического осаждения тонких пленок на поверхность подложек и изделий элеюронной техники.

В то же время тонкие пленки диэлектрических, полупроводниковых, проводящих материалов входят как неотъемлемая часть физической структуры и конструкций элементов и приборов электронной техники, в частности таких технологически сложных как БИС и СБИС.

Существенная доля технологических операций производственного маршрута изготовления СБИС (10−15%) являются операциями нанесения пленкообразующих веществ методами химического осаждения из газовой фазы.

Разработка методики построения и научнообоснованного подхода к построению аналитических моделей процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы и создание таких моделей для химических реакций имеющих различную кинетику является таким образом задачей современной и актуальной.

Цель и задача исследования.

Целью данной научно-исследовательской работы является построение математических моделей процессов химического осаждения тонких пленок в производстве приборов электронной техники, изделий микроэлектроники и микросистемотехники. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы:

— основные этапы построения модели,.

— основные требования к параметрам растущей пленки,.

— выходные, входные и управляемые параметры процесса осаждения.

Основной задачей исследования является установление аналитической зависимости между выходными параметрами, входными и управляемыми параметрами процесса химического осаждения тонких пленок и подтверждение адекватности установленного математического выражения имеющимся научными, экспериментальными и производственным данными.

Научная новизна, научная и практическая значимость исследования.

Научной новизной исследования является создание метода построения математической модели основанный на сочетании:

— составления уравнений материального баланса процессов осаждения тонких пленок и получения систем дифференциальных уравнений, описывающих кинетику реакций осаждения;

— решения полученных дифференциальных уравнений с учетом требований минимального разброса осаждаемых пленок по толщине в пределах одной подложки (пластины) и в пределах партии обрабатываемых подложек.

Научное значение работы заключается в создании математических моделей процессов химического осаждения однородных по толщине тонких пленок различных веществ, химические реакции пленкообразования которых протекают как реакции первого или как реакции второго порядков.

Практическая значимость выполненного исследования заключается в том, что на основе полученных формул для величины относительной неоднородности толщины осажденных пленок можно провести параметрическую оптимизацию процесса осаждения, позволяющую выбрать режимы процесса осаждения (набор значений управляемых параметров осаждения, форм и размеров реактора осаждения) при которых разброс толщины пленок не превышает допустимой, заранее заданной величины.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика построения математических моделей процессов химического осаждения тонких пленок полупроводниковых, диэлектрических и проводящих материалов в цилиндрическом проточном реакторе с горячими стенками, основанная на составлении уравнений материального баланса реакции образования пленкообразующих веществ и решения полученных уравнений с наложением условия максимальной однородности пленок по толщине в пределах площади одной пластины и в партии пластин.

2. Вывод аналитических выражений связывающих скорость роста пленок и равномерность их толщины (выходные параметры) с входными и управляемыми параметрами процесса химического осаждения для реакций формирования пленкообразующих веществ, протекающих как реакции первого и второго порядков. Эти выражения и являются математической моделью процессов осаждения тонких пленок.

3. Результаты анализа математической модели процесса, определяющие характер влияния входных и управляющих параметров процесса осаждения на толщину пленки и ее распределение по площади полупроводниковых пластин и иных подложек.

4. Ранжирование параметров и степени их влияния на скорость осаждения, толщину и равномерность толщины осажденных тонких пленок.

5. Доказательство адекватности полученных моделей путем сравнения с экспериментальными данными и иными методами.

6. Алгоритм и программное обеспечение расчетов толщины и однородности по толщине осаждаемых при различных условиях тонких пленок материалов электронной техники.

Достоверность, апробация и публикация результатов работы.

Достоверность результатов исследования и адекватность модели подтверждается имеющимися в научно-технической литературе экспериментальными данными, проверкой размерности полученных теоретических формул и переходом этих формул в известные выражения в предельных случаях.

Апробация результатов работы. Научные результаты работы доведены до сведения научной общественности и работников производства. Они докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

— Третья международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика — XXI век», Зеленоград — МГИЭТ ТУ, 2000 г.

— Международная научно-техническая конференция «Российская научная школа молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий», Москва-МГИЭМ-Сочи, 2001 г.

— Девятая всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2002», Зеленоград, МГИЭТ ТУ, 2002 г.

— Четвертая международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика — 2002», Зеленоград-Москва, МГИЭТ ТУ, 2002 г.

— Десятая всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2003», Зеленоград, МГИЭТ ТУ, 2003 г.

Публикации: результаты диссертационной работы опубликованы в двух статьях двух межвузовских сборников «Научные основы разработки технологий и оборудования микроэлектроники» 2000 г. и «Научные основы разработки технологий, материалов, приборов и систем электронной техники» 2002 г. ив шести тезисах докладов.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 51 рисунок, 3 таблицы, список используемой и цитируемой литературы из 68 наименований.

Заключение

.

В результате проведенных исследований получена аналитическая модель процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы на поверхности подложек (пластин) в проточных реакторах с горячими стенками пригодная для адекватного описания скорости осаждения тонких пленок в любой точке любой подложки, входящей в партию обрабатываемых изделий.

В основу построения модели положено требование максимальной однородности толщины формируемой на подложке пленки, что характерно для процессов осаждения в производстве изделий электронной техники и, в частности, при обработке партии полупроводниковых пластин в производстве БИС и СБИС. Модель построена на основе следующих предположений и допущений:

— Реактор химического осаждения представляет собой аксиальносимметричную систему, температура которой в процессе осаждения поддерживается постоянной, поток газовой смеси в зазоре между подложками и стенками реактора ламинарен.

— Скорость процесса осаждения тонкой пленки не зависит от кристаллографической ориентации подложки, структуры растущей пленки.

— Потерями исходных реагентов за счет реакции осаждения на стенках реактора можно пренебречь.

На основе разработанной модели возможна параметрическая оптимизация процесса осаждения, позволяющая выбрать режимы процесса (набор значений параметров осаждения), при котором разброс толщины пленок не превышает допустимой, заранее заданной величины.