立式氧化爐中氣流場的仿真設(shè)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?zé)嵫趸ば颍巧顏單⒚譏C生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)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(chǎn)后的IC性能一致性，對材料和生產(chǎn)技術(shù)提出了極高的要求[2]。

與傳統(tǒng)臥式氧化爐相比，在工藝性能上，立式氧化爐的優(yōu)點主要包括：①反應(yīng)室內(nèi)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(nèi)氧化膜質(zhì)量一致性好；④工藝管內(nèi)氣流場自上而下，晶圓表面片內(nèi)接觸氣體分子的幾率基本一致性，利于提高片內(nèi)膜厚均勻性；⑤同等進氣流量條件下，對片內(nèi)、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(yōu)點，其在新的IC線上得到了更廣泛的應(yīng)用。立式氧化設(shè)備需求量大，機械、電氣和軟件等方面技術(shù)較復(fù)雜，國際上自80年代末到90年代初許多設(shè)備制造商就已經(jīng)研制成功了立式氧化爐，到現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，在8英寸硅片生產(chǎn)線上已經(jīng)基本取代臥式氧化爐[3-4]。鑒于技術(shù)、財力等多方面的限制，國內(nèi)8英寸及12英寸集成電路生產(chǎn)線上使用的立式氧化爐均以國外TEL、KE等品牌為主。國產(chǎn)立式氧化爐雖有一些技術(shù)突破，但僅應(yīng)用于非關(guān)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(shù)要求。

1 立式氧化爐的技術(shù)難點

1.1 氧化工藝技術(shù)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(chǎn)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(wěn)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(wěn)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(chǎn)氧化爐不僅在氧化膜片內(nèi)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(chǎn)品的電性能參差不齊，難以滿足產(chǎn)品量產(chǎn)化需求，這成為了制約國產(chǎn)立式氧化爐推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

1.2 高溫氧化爐技術(shù)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(guān)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(chǎn)過程中，高溫氧化過程涉及氣動力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等多個學(xué)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(chǎn)實踐過程中，從業(yè)者通常根據(jù)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(nèi)得到體系化結(jié)論。

溫度場主要由爐體加熱絲的結(jié)構(gòu)和加熱器控溫效果（升降溫速率、穩(wěn)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(shè)計原理通常采用乘子法和脈沖變分原理從數(shù)學(xué)上進行研究分析，二者都是處理極值問題的有效工具， 經(jīng)常應(yīng)用于最優(yōu)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(zhì)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(jié)構(gòu)及空間分布、氣體流速、管內(nèi)壓強等，特別是進氣流量和管內(nèi)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(nèi)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(shù)值模擬這三種基本方法[5]。目前，計算流體力學(xué)（CFD）也已經(jīng)發(fā)展成為相對成熟的學(xué)科，并已廣泛應(yīng)用于流體機械、水利、海洋、環(huán)境等各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[6]。

1.3 高溫氧化爐氣流場技術(shù)難點

工藝管內(nèi)的氣流分布比較復(fù)雜，不同區(qū)域有不同的流動狀態(tài)。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(jù)氣體的流動狀態(tài)，通常將工藝管分為爐尾紊流區(qū)、爐尾層流區(qū)、工藝反應(yīng)恒溫區(qū)、爐口層流區(qū)、爐口紊流區(qū)5個區(qū)域[7]。在紊流區(qū)，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(zhì)不斷發(fā)生動能交換，帶動原本靜止?fàn)顟B(tài)的氣體沿軸線方向流動，當(dāng)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(qū)域的氣體流動狀態(tài)很不穩(wěn)定。在沒有任何阻力的狀態(tài)下，經(jīng)過一段距離的穩(wěn)定后，向前流動的氣體氣流逐步穩(wěn)定，從而形成層流區(qū)。

對于立式氧化爐，氣體通過緊貼工藝管內(nèi)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(xiàn)氣體快速膨脹、流速加速的現(xiàn)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(tài)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(xù)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(qū)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(nèi)氧化膜的厚度均勻性。鑒于此氣體流動狀態(tài)，可將立式氧化爐的工藝管分為頂部紊流區(qū)、工藝反應(yīng)恒溫區(qū)、底部紊流區(qū)3個區(qū)域。

目前，立式氧化爐的氣流場普遍存在這種3個區(qū)域的現(xiàn)象，針對這一問題，為有效分析頂部出現(xiàn)的紊流現(xiàn)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(xué)仿真方式，通過建立爐體工藝管的物理和數(shù)學(xué)模型，對氣流場進行數(shù)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(jù)立式氧化爐的實際結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(nèi)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(shù)值計算前通過網(wǎng)格劃分對模型計算區(qū)域進行離散化處理，本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對立式氧化爐進行劃分，結(jié)果如圖1（b）所示。

圖1 立式氧化爐物理模型與網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)學(xué)模型

對立式氧化爐內(nèi)流場模擬時作如下假設(shè)：①爐內(nèi)氣體不可壓縮且滿足 Boussinesq假設(shè)[8]；②爐內(nèi)氣體流動狀態(tài)為湍流且為穩(wěn)態(tài)；③爐內(nèi)氣流速度較小，視為不可壓縮流動；4）爐內(nèi)氣流的湍流粘性為各向同性。爐內(nèi)氣流在穩(wěn)定運行時流動狀態(tài)滿足的連續(xù)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(xiàn)計算區(qū)域與外部環(huán)境間的相互聯(lián)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(jié)果精準性的基礎(chǔ)。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(shè)置為內(nèi)部壁面。

2.4 仿真結(jié)果分析

圖2為利用所建立的物理模型，按上述數(shù)學(xué)模型及邊界條件進行仿真計算得出的流線圖及爐內(nèi)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(huán)形向下流動，近壁面流速較大，環(huán)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(xiàn)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(nèi)各截面流速分布情況

當(dāng)氣流流動自上而下至爐內(nèi)下半部分時，環(huán)形流動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向下的流動狀態(tài)，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(shè)置在進口通道側(cè)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(nèi)下半部分氣流流動過程中出現(xiàn)局部流速大的情況。

3 立式氧化爐內(nèi)流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 改進后的結(jié)構(gòu)

針對環(huán)形流動造成的爐內(nèi)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(jié)構(gòu)如圖3所示，薄板上不同半徑處設(shè)有多排沿圓周分布的小孔。

圖3 孔板結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 仿真結(jié)果分析

分別模擬在距爐頂16m設(shè)置一層多孔薄板、在距爐頂16m及46m各設(shè)置一層多孔薄板的情況，得到圖4所示的爐內(nèi)上半部分不同高度水平截面處爐內(nèi)無多孔薄板、設(shè)置一層多孔薄板和設(shè)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(dāng)頂部增設(shè)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(qū)域，形成的環(huán)狀氣流主要集中在該區(qū)域內(nèi)，氣流再經(jīng)由孔板進入爐內(nèi)時，流速水平方向分量減少、豎直方向分量增加，孔板結(jié)構(gòu)有效抑制了氣流環(huán)狀流動，使得從孔板進入爐內(nèi)的氣流更傾向于垂直向下流動狀態(tài)，呈現(xiàn)水平截面流速降低的現(xiàn)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(nèi)，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(shè)置單層孔板的情況，氣流經(jīng)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(xiàn)象也明顯改善。

此外，對比分析三種結(jié)構(gòu)下爐內(nèi)上半部分豎直方向高度由1230mm至930mm各截面的流速分布，未設(shè)孔板時爐內(nèi)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(shè)孔板后，隨豎直高度的降低流場均勻性得到明顯提高。

4 結(jié)語

本文根據(jù)流體力學(xué)仿真軟件建立了氣體流動的數(shù)學(xué)和仿真模型，對立式氧化爐原結(jié)構(gòu)和增加孔板后的工藝管內(nèi)部的氣流場進行了模擬計算，通過仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：①原結(jié)構(gòu)下爐內(nèi)氣流沿爐壁環(huán)形向下流動，爐內(nèi)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(shè)孔板后，有效抑制了氣流環(huán)狀流動，且爐內(nèi)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(shè)制兩塊孔板后的改善效果更為顯著。