硅晶圓蝕刻過程中的化學反應研究

引言

硅晶圓作為硅半導體制造的基礎材料，是極其重要的，將作為鑄錠成長的硅單晶加工成晶圓階段的切斷、研磨、研磨中，晶圓表面會產(chǎn)生加工變質層。為了去除該加工變質層，進行化學蝕刻，在硅晶片的制造工序中，使共有旋轉軸的多片晶片在蝕刻溶液中旋轉，通過化學反應進行蝕刻的表面處理。在化學處理之后，晶片的平坦度，因此為了控制作為旋轉圓板的晶圓周邊的蝕刻溶液的流動，實際上進行了各種改進。例如圖1所示的同軸旋轉的多個圓板的配置為基礎，旋轉圓板和靜止圓板交替配置等。

圖1 晶片蝕刻工藝概念圖

作為分析對象的流場，設想了實際的蝕刻工程。如圖2所示，蝕刻溶液從水槽的下部供給，從水槽的上部溢出流出，由于旋轉圓板和靜止圓板配置了極多張，因此圓板間的流動在圓板的旋轉軸（Z軸）方向上是周期性的，如圖2左側所示，將1張旋轉圓板夾在2張靜止圓板之間的區(qū)域作為數(shù)值分析的對象。

圖2

對于旋轉圓板，假設為8英寸晶圓，半徑R=0.1m（直徑D=0.2m）,該旋轉圓板的旋轉角速度為O=4.21 rad/s（=0.670 rps）。圖3中顯示了XY平面的代表性網(wǎng)格分割的例子。另一方面，圓板軸方向的網(wǎng)格分割，在預備計算的結果的基礎上，將圓板間隔進行20分割，由此可以充分評價圓板上形成的邊界層。

圖3

圖中在旋轉圓板和靜止圓板的半徑相同的情況下（R=0.1m），旋轉圓板和靜止圓板之間的配置間隔S中，從旋轉圓板到距離Z/S―1/4以及3/4的XY平面內的流動速度矢量。在旋轉圓板附近，由于圓板的旋轉產(chǎn)生的離心力，流體畫出螺旋流出。另一方面，靠近靜止圓板的流場，靜止圓板周圍的流體畫出緩慢的螺旋流入圓板間的領域。

在實際的晶圓制造中，使用半徑稍小的圓板，其大小約為旋轉圓板的95%左右，為了定量地把握這種影響，通過改變靜止圓板的半徑Rs，明確了旋轉圓板周圍的流場的影響。結果， 圓板間的周方向的一次流以及子午面內二次流的基本構造是，不受靜止圓板大小的影響。

對于圓板的旋轉來說很重要的旋轉圓板表面上的全剪切應力T、γ的半徑方向分布。橫軸與圓板的直徑相對應，在圓板的中心部分，圓板間的流動為剛體旋轉，因此，總剪切應力與X一起幾乎呈直線增加。另外，靜止圓板的半徑Rs的變化的影響很小，但是在旋轉圓板端的附近，圓板間流動的二次流動增強，從剛體旋轉開始不同。因此，總剪切應力急劇增大。

從蝕刻水槽下部流入的流體要素在平面內的流跡線（因為是固定流，所以成為流線）。這些流入邊界中的流體的流入速度Vy=0·00146m/S，與旋轉圓板端的周速度V―0·421 m/S相比，極其緩慢。流體要素在圓板間的區(qū)域中螺旋流動，因此，在該范圍內的蝕刻溶液不會從圓板的附近區(qū)域向外流出。

圖4

等值線的間隔是10―7kgmoum2·S.等值線是和圖4同樣的同心圓狀的分布，在圓板中心部變小，在圓板端變大，其變化與Ro的分布相比不太顯著。但是，靜止圓板的半徑對RF的分布產(chǎn)生了極大的影響，靜止圓板的半徑如果變小，RF就會大幅降低。因此，靜態(tài)圓板的半徑的影響在氟化反應中顯著地表現(xiàn)出來，并且通過數(shù)值模擬定量地揭示了該效果。特別是在晶圓生產(chǎn)現(xiàn)場，靜態(tài)圓板的半徑根據(jù)經(jīng)驗被設定為旋轉圓板半徑的約95%。因此，本研究的結果表明，在晶圓生產(chǎn)現(xiàn)場，靜態(tài)圓板的半徑被設定為旋轉圓板半徑的約95%。

討論和結果

在本研究中，通過使用熱流體分析軟件FLUENT，分析了實驗困難的硅晶圓的蝕刻過程中的流程和化學反應。其主要結果如下所示。這些結論與現(xiàn)實的蝕刻過程中晶圓的完成情況也是一致的：（1）晶圓的氧化反應在旋轉圓板（晶圓）的圓板端附近，反應急劇推進；（2）通過縮小靜止圓板的半徑L，氟化反應速度提高；（3）從蝕刻水槽下部流入的流體，由于旋轉圓板的旋轉較強，通過圓板間的區(qū)域，不經(jīng)過從水槽上部流出；（4）旋轉圓板上的Si和Si02的被覆率的半徑方向分布，成為在中央有峰的形狀。

　　審核編輯：湯梓紅