立式氧化炉中气流场的仿真设计与分析

万喜新，邓斌，姬常晓，李苹

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111）

0 引言

立式氧化炉主要用于晶圆直径150mm以上的集成电路芯片制程中的栅极氧化层、牺牲氧化层、推阱、退火等高温热氧化工序，是深亚微米IC生产线的关键设备之一[1]。目前，晶圆直径不断增大，特征尺寸不断缩小，对IC电性能的要求不断提高。同时，直径越大，同一片晶圆上可制备的IC越多，为保证量产后的IC性能一致性，对材料和生产技术提出了极高的要求[2]。

与传统卧式氧化炉相比，在工艺性能上，立式氧化炉的优点主要包括：①反应室内氧气浓度低、自然氧化层薄；②片间温度均匀性好、硅片翘曲小；③颗粒污染低，片内氧化膜质量一致性好；④工艺管内气流场自上而下，晶圆表面片内接触气体分子的几率基本一致性，利于提高片内膜厚均匀性；⑤同等进气流量条件下，对片内、片间气流均匀性的影响相对较小（可适用于较小气流量条件下）。

鉴于立式氧化炉的上述诸多优点，其在新的IC线上得到了更广泛的应用。立式氧化设备需求量大，机械、电气和软件等方面技术较复杂，国际上自80年代末到90年代初许多设备制造商就已经研制成功了立式氧化炉，到现在已经非常成熟，在8英寸硅片生产线上已经基本取代卧式氧化炉[3-4]。鉴于技术、财力等多方面的限制，国内8英寸及12英寸集成电路生产线上使用的立式氧化炉均以国外TEL、KE等品牌为主。国产立式氧化炉虽有一些技术突破，但仅应用于非关键制程工序，在高端芯片的制程工序，氧化工艺效果仍然难以达到技术要求。

1 立式氧化炉的技术难点

1.1 氧化工艺技术要求

在芯片氧化工序中，以栅极氧化层工艺为例，为提高芯片产品的电性能（耐击穿电压、阈值电压和漏电流大小等），并保证其性能稳定一致性，对氧化工艺的进气量大小、温度大小、保压效果及其可变动幅度都有着极高的限制。具体要求就是：①气体流量精确可控；②升降温速率及温度稳定性精确可控；③工艺管保压效果精确可控；④可适用于多种工艺菜单，同时氧化膜厚度均匀性和一致性精确可控。

在此要求下，国产氧化炉不仅在氧化膜片内和片间均匀性方面很难满足工艺要求，而且由于气流场和温度场的耦合波动，致使芯片产品的电性能参差不齐，难以满足产品量产化需求，这成为了制约国产立式氧化炉推广应用的关键技术瓶颈。

1.2 高温氧化炉技术研究方法

立式氧化炉的温度场、气流场是决定氧化膜厚度均匀性的关键因素，温度场和气流场既相互独立，又相互作用。在工艺生产过程中，高温氧化过程涉及气动力学、流体力学、热力学等多个学科，在具体氧化工艺过程中，难以实际把控温度场和气流场的耦合作用及效果。在生产实践过程中，从业者通常根据实际工艺效果，对可能的影响因素进行逐一排查并进行试验验证，针对多重耦合因素，难以短时间内得到体系化结论。

温度场主要由炉体加热丝的结构和加热器控温效果（升降温速率、稳定性）决定，其主要影响氧化膜的片间厚度一致性。炉体加热丝的设计原理通常采用乘子法和脉冲变分原理从数学上进行研究分析，二者都是处理极值问题的有效工具， 经常应用于最优控制的研究中。

在工艺管的气流场中，气流场均匀性主要指工艺管横截面和径向的浓度分布一致性，本质是气体流动性问题，影响因素主要包括进气气体温度、进出气口结构及空间分布、气体流速、管内压强等，特别是进气流量和管内压强的耦合作用，其直接决定工艺管横截面的气体浓度分布。气流场主要影响片内氧化膜的膜厚均匀性。在气流场研究方面，通常采用理论分析、实验验证和数值模拟这三种基本方法[5]。目前，计算流体力学（CFD）也已经发展成为相对成熟的学科，并已广泛应用于流体机械、水利、海洋、环境等各种科学技术领域[6]。

1.3 高温氧化炉气流场技术难点

工艺管内的气流分布比较复杂，不同区域有不同的流动状态。常温气体进入高温工艺管时，气体快速膨胀且流速加大。对于卧式氧化炉，为便于分析，根据气体的流动状态，通常将工艺管分为炉尾紊流区、炉尾层流区、工艺反应恒温区、炉口层流区、炉口紊流区5个区域[7]。在紊流区，常温气体以一定流速进入高温炉管时，气体快速膨胀且流速迅速增加，高流速气体与周围介质不断发生动能交换，带动原本静止状态的气体沿轴线方向流动，当射流宽度及流量增大到一定程度后，由于管壁的限制作用，射流气体容易形成沿管壁的反方向流动，该区域的气体流动状态很不稳定。在没有任何阻力的状态下，经过一段距离的稳定后，向前流动的气体气流逐步稳定，从而形成层流区。

对于立式氧化炉，气体通过紧贴工艺管内壁的细管进入，在顶部进气口进入工艺管时，假定气体温度为工艺管温度，则在工艺管顶部不会出现气体快速膨胀、流速加速的现象。但是在工艺管顶部的进气端，工艺气体通过进气口进入工艺管后，直接喷射到晶圆表面，在工艺管轴线方向，气体因晶圆阻挡而使该方向的流速降低，同时气体在工艺管横截面上向管壁方向扩散流动，该过程因与周围静态气体交换能量而使流速降低，在流动时因碰撞管壁而向反方向运动。同时，气体持续通过进气口进入而在工艺管顶部形成正压，迫使气体向下流动。通过迭代反方向的气体流动，在顶部形成整体向下流动的气体涡流，该涡流气体在晶圆边缘区域浓度高，在晶圆中心位置浓度低，进而在水平晶圆表面形成气体浓度梯度，从而影响了片内氧化膜的厚度均匀性。鉴于此气体流动状态，可将立式氧化炉的工艺管分为顶部紊流区、工艺反应恒温区、底部紊流区3个区域。

目前，立式氧化炉的气流场普遍存在这种3个区域的现象，针对这一问题，为有效分析顶部出现的紊流现象和严重程度，并进而通过改变进气方式来解决这一问题，本文采用流体力学仿真方式，通过建立炉体工艺管的物理和数学模型，对气流场进行数值模拟分析，从而提出有效的改进方案。

2 炉体气流场场仿真方法

2.1 物理模型

根据立式氧化炉的实际结构进行简化，忽略放片装置、传动装置对气流阻碍作用，将进、排气系统用进气、排气通道表示，简化模型如图1（a）所示。气流由顶部两伸入炉内的进气通道进入立式氧化炉顶部，自上而下流动，由底部排气通道流出。数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，本文采用非结构网格对立式氧化炉进行划分，结果如图1（b）所示。

图1 立式氧化炉物理模型与网格划分

2.2 数学模型

对立式氧化炉内流场模拟时作如下假设：①炉内气体不可压缩且满足 Boussinesq假设[8]；②炉内气体流动状态为湍流且为稳态；③炉内气流速度较小，视为不可压缩流动；4）炉内气流的湍流粘性为各向同性。炉内气流在稳定运行时流动状态满足的连续性方程、动量守恒方程分别用式（1）、（2）描述：

式中：t为时间；ρ为流体密度；u、v、w为各方向速度，p为压力；μ为流体动力黏度；Sx、Sy、Sz为不同方向的广义源项。

2.3 边界条件

边界条件体现计算区域与外部环境间的相互联系与作用，合理的边界和初始条件是模拟求解的前提，是保证计算结果精准性的基础。模拟过程中涉及的边界条件如下所示。

入口边界采用速度边界条件，两进气通道入口流速均为12.73m/s，总流量为5×10-4m3。出口采用压力边界条件，出口压力为20Pa。进气管路壁面设置为内部壁面。

2.4 仿真结果分析

图2为利用所建立的物理模型，按上述数学模型及边界条件进行仿真计算得出的流线图及炉内各截面的速度分布情况。由图可知，气流自出口喷出后，流速较大，并沿炉壁环形向下流动，近壁面流速较大，环流中心流速较小，使得立式氧化炉上半部分的水平横截面存在流速分布不均的现象，从而影响了该部分晶圆表面接触气体的浓度一致性，进而影响了氧化膜厚度的均匀性。

图2 立式氧化炉流线图及炉内各截面流速分布情况

当气流流动自上而下至炉内下半部分时，环形流动逐渐转变为竖直向下的流动状态，水平截面流速均匀性明显提高，但是仍存在局部流速较大的情况。这是由于立式氧化炉气流出口通道设置在进口通道侧壁面，出口通道与两进口通道中心位置呈80°夹角，进、出口通道不对称分布使得炉内下半部分气流流动过程中出现局部流速大的情况。

3 立式氧化炉内流场结构优化

3.1 改进后的结构

针对环形流动造成的炉内上半部分流速分布不均的问题，在炉顶安装多孔薄板改善流场流动情况，孔板结构如图3所示，薄板上不同半径处设有多排沿圆周分布的小孔。

图3 孔板结构示意图

3.2 仿真结果分析

分别模拟在距炉顶16m设置一层多孔薄板、在距炉顶16m及46m各设置一层多孔薄板的情况，得到图4所示的炉内上半部分不同高度水平截面处炉内无多孔薄板、设置一层多孔薄板和设置两层多孔薄板时的流动速度分布情况。

从图中可以看出，当顶部增设多孔薄板后，同一高度的水平截面的平均流速明显降低。这是由于使得喷出气流首先进入多孔薄板间隔而成的顶部区域，形成的环状气流主要集中在该区域内，气流再经由孔板进入炉内时，流速水平方向分量减少、竖直方向分量增加，孔板结构有效抑制了气流环状流动，使得从孔板进入炉内的气流更倾向于垂直向下流动状态，呈现水平截面流速降低的现象。

由于孔板孔洞沿不同半径圆周均匀分布，气流由孔洞进入炉内，提高了立式氧化炉来流均匀性，使得各水平截面流速分布均匀性明显提高。且较设置单层孔板的情况，气流经由两层孔板后各水平截面流速分布均匀性更高，局部流速高的现象也明显改善。

此外，对比分析三种结构下炉内上半部分竖直方向高度由1230mm至930mm各截面的流速分布，未设孔板时炉内上半部分流场均匀性随竖直高度降低改善并不显著，而增设孔板后，随竖直高度的降低流场均匀性得到明显提高。

4 结语

本文根据流体力学仿真软件建立了气体流动的数学和仿真模型，对立式氧化炉原结构和增加孔板后的工艺管内部的气流场进行了模拟计算，通过仿真数据分析结果，得出以下结论：①原结构下炉内气流沿炉壁环形向下流动，炉内上半部分气流在水平横截面上流速分布极不均匀，工艺气体从顶部进入后，晶圆表面接触气体的表面浓度相差很大，直接影响了晶圆表面氧化膜厚度的均匀性。且随着气流向下流动，水平截面流速均匀性有一定提高，但是仍存在局部流速较大的情况，难以满足高端制程工艺对氧化膜厚度均匀性的指标要求。②增设孔板后，有效抑制了气流环状流动，且炉内气流均匀性得到有效改善，使得各水平截面及竖直方向上的流速均匀性明显提高，设制两块孔板后的改善效果更为显著。