CVD腔室结构对流场的影响分析

陈英男

摘 要：CVD工艺是半导体芯片进行薄膜沉积加工的重要工艺，薄膜沉积的均匀性对最终芯片产品的良率有着至关重要的影响。CVD腔室是沉积反应进行的场所。反应气体从进入腔室进行沉积反应到最后从腔室排出，整个过程中流场分布所影响的不仅仅是沉积的均匀性，还有气体的扰动，流向，压力等变化所带来颗粒度问题。本文主要使用Solidworks Flow Simulation软件进行腔室流场仿真，分析CVD腔室结构变化对流场均匀性带来的影响及对应变化趋势。

关键词：CVD 流场；均匀性；喷头；腔室

半导体芯片的制造过程中需要在衬底上生长固体材料层。CVD（化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）是通过化学反应方式将气态反应物生成固态物质并沉积在晶圆表面的薄膜沉积技术。是半导体芯片制造的重要工艺，其薄膜沉积的均匀性对最终产品的良率有着至关重要的影响。CVD腔室是整个沉积反应进行的场所，在沉积过程中存在着流场，温场及等离子体场等的多场耦合。反应腔室结构的变化直接影响着整个物理场变化。其中流场对沉积均匀性的影响最大。反应气体从进入腔室进行沉积反应到最后从腔室排出，整个过程中流场的分布所影响的不仅仅是沉积的均匀性，还有气体的扰动，流向等变化所带来颗粒度问题。芯片的生产加工以及工艺设备的组装都选择在成本高额的洁净环境进行，就是为了降低颗粒度对产品良率的影响。由此可知由流场不均匀性所带来的颗粒度问题，代价是昂贵的。本文使用Solidworks Flow Simulation软件进行腔室流场仿真，分析CVD腔室结构变化时对流场带来的影响及对应变化趋势。

1 仿真条件

CVD反应腔室结构示意如图1所示，气体从进气口经挡板及喷头进入腔室，经过承载晶圆的热盘表面进行沉积反应后从腔室下方的抽气口排出。当腔室内结构改变时，整个流场将会随之进行相应的变化，当然有些变化是有利的，有些是不利的。通过软件仿真分析结可以直观的展示出表1所示的结构变化时对应的流场变化趋势（注：本文中腔室结构仅为说明结构变化而建立，并非真实产品结构），为了方便比较，所有仿真边界条件保持一致，即流体为氮气，温度293K，入口体积流量：0.008 m3 /s；出口压力：133 Pa。

2 仿真结果对比

结构对比1：喷头孔分布方式的影响（图2及图3）

图2腔室内流场在热盘表面为矩形分布，孔距不一致时，两对称切面流线稀疏分布区别明显，与孔距趋势一致；

图3腔室内流场在热盘表面为圆形分布，两垂直截面气流分布疏密程度相当；

结构对比2：有无挡板的影响（图3及图4）

图3无挡板结构，中心区域因气流进入时无阻挡，而以较大流速直接冲入腔室，从而产生流场扰动，且中心区域孔密度较高，边缘孔密度小，边缘流线较稀疏；

图4有挡板结构中心区域扰流状况明显改善。

结构对比3：喷头孔数的影响（图4及图5）

图4孔数约3000个，气流分布较均匀，热盘表面流场接近同心圆分布；

图5孔数约1000个，孔数较少时气流无法均匀到达热盘表面，在径向流动过程中产生较大的相互干扰，整个腔室内流场混乱无规则。

结构对比4：不对称结构的影响（图4及图6）

图4没有传输口特征时流场分布较均匀；

图6增加传输口后，由于结构不对称引起流场扰动。

结构对比5：出口控制结构的影响（图6及图7）

图6，没有出口控制结构时流场状态混乱；

图7采用出口控制结构后流场趋势好转。

3 仿真结论

通过仿真分析可以很直观的看出腔室结构变化时对流场的影响，从而进行结构的调整及优化。从上述几项单变量的结构对比中可以发现，晶圆表面气流分布方式与喷头孔分布方式趋势一致，喷头孔采用圆周分布方式更符合晶圆沉积的结构特点；孔按圆周分布的喷头采用挡板结构时，因挡板的阻挡使从中心进入的高速气流减速，并迫使其向边缘流动，其中心位置的流动状态及均匀性明显好转；孔数较多的喷头能使气体及时的分布在热盘表面，而减少径向传输过程的干扰，其对应的腔室流动状态要好于孔数少的喷头；尽量不要采用不对称的结构设计，不对称的结构可能引起流场的偏置及扰动等现象；如不对称结构设计不可避免时，需增加控制结构以改善腔室流场均匀性。

4 结语

仿真结构仅仅是简化过后的理论模型，实际的反应腔室结构要复杂的多，每一个结构、间隙、或微小尺寸的变化都会对流场的不均匀性造成影响，产生流场偏置、气流扰动以及死区等。同時工艺参数的变化如进气流量、工艺压力、极板间距、工艺温度、等离子体轰击等都会对流场及沉积均匀性造成影响。对于多物理场的耦合我们还要面对更多的挑战，需要从多角度综合考虑采用仿真与实验相结合的方式去实践探索。

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