一种精细调控PECVD晶圆温度的设计及其仿真分析
                                                     张〓瀚，向〓东，杨〓旺
                                              清华大学机械工程系，北京〓100084)
    为在等离子增强型化学气相沉积工艺过程中，实现对晶圆平均温度及温度分布轮廓的精细化调控。采用Comsol软件建立热流仿真模型，通过调节冷却气体的进气流量，调节晶圆平均温度；通过调节布气板环形气道宽度，调节晶圆的温度分布轮廓。结果表明，与不通冷却气体时相比，当气体流量为70 000mL/min时，晶圆表面平均温度从430℃降到预设温度220℃；当布气板环形气道宽度从中心到边缘分别为0.5mm、8.0mm、2.0mm、1.0mm、0.5mm时，晶圆表面温度分布变异系数小于2%。该方法实现了在工艺过程中对晶圆平均温度及分布轮廓的有效控制，为薄膜沉积工艺提供了均匀的热场分布。
 等离子增强型化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）在太阳能电池、集成电路元件等领域已得到广泛应用。与传统化学气相沉积工艺相比，PECVD通过射频放电引入等离子体，使反应具有更低的工艺温度（200～400℃）和更好的薄膜性能。但是PECVD设备在放电过程中，产生的等离子体中的带电粒子的轰击作用造成晶圆表面温度持续升高，甚至高于最佳反应温度，影响薄膜性能。如何在射频放电产生等离子的情况下控制腔室温度，尤其是控制晶圆的温度，成为现在PECVD工艺面临的重要问题。PECVD的传热仿真问题被广泛研究。针对PECVD工艺热流仿真问题，Jae-Sang Baek等通过建模仿真，研究了不同工艺条件下PECVD的热流场,但上述研究并未考虑等离子体放电产生的热量，也未给出精细调控晶圆表面温度分布的解决方案。目前工业界的解决方法是通过定时开关等离子射频，进行温度控制，但这种方法却大大降低了薄膜沉积的效率。因此，在持续施加等离子射频的情况下使用气体控制晶圆温度的方法对提升薄膜沉积的效率具有重要的现实意义。

1理论分析及建模仿真
1.1仿真几何模型
    本文针对PECVD工艺射频放电导致晶圆温度升高的问题，采用在加热盘内部设置冷却气体通道，在加热盘表面设置布气板的方式，使冷却气体在加热盘和晶圆之间的间隙流动，对晶圆进行冷却。在实际应用时，通过控制冷却气体流量调节晶圆平均温度，通过调整布气板结构改善晶圆表面温度分布。反应腔室的气体流动模型简化后如图1所示，晶圆与加热盘之间有1mm左右的缝隙，并由边缘的卡盘固定。加热盘布气板的气道采用等间距环形布置。冷却气体从下端进气口进入加热盘内部的布气空间中，然后通过加热盘表面的布气板流向晶圆的下表面，气体对晶圆进行冷却后从周边流出。布气板起到2个作用：一是使气体更为均匀地流向晶圆；二是可通过调节布气板环形气道的宽度来控制冷却气体流向晶圆不同位置的流量大小。......

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基金项目：国家科技重大专项02专项资助项目(2011ZX02403)
作者简介：张瀚(1990—)，男，北京人，清华大学硕士研究生，主要研究方向为机械工程。


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