Общие сведения о моделируемом объекте

Установки вакуумного нанесения (УВН) пленок относятся к базовому виду технологического оборудования (ТО), определяющему качество современных изделий микроэлектроники и микросистемной техники. В частности, УВН должны обеспечивать нанесение пленочных покрытий с заданными электрофизическими характеристиками и высокой равномерностью по толщине при изготовлений тонкопленочных элементов микросхем. Качество пленок зависит от множества факторов и определяется как технологическими, так и конструктивными параметрами УВН. Поэтому в общем случае моделирование УВН по критериям качества наносимых пленок представляет собой весьма сложную задачу с большим количеством взаимосвязанных параметров.

Для проектирования ТО в условиях использования САПР разработчику необходимы достаточно эффективные и адекватные модели, т.е. обладающие возможностью реализации в приемлемое время при имеющемся объеме машинной памяти и с требуемой точностью описывающие реальную моделируемую систему. Поэтому при создании модели устройства и реализуемого с его помощью процесса необходимо конкретизировать задачу путем определения критериев оптимизации и выделения параметров, в наибольшей степени влияющих на достижение поставленной цели.

Применительно к процессу нанесения пленок в условиях производства полупроводниковых ИС одним из важнейших критериев оптимизации является равномерность наносимой пленки по толщине. Это связано с групповым методом производства, когда на одной пластине изготавливаются одновременно десятки кристаллов, и неоднородность полученной пленки приводит к неравномерности обработки на последующих операциях формирования тонкопленочных элементов микросхем, а следовательно, к разбросу параметров кристаллов, находящихся на различных участках пластины, и их браку.

Проектировщику УВН на этапе моделирования необходимо выбрать наиболее эффективный и перспективный метод нанесения пленки материала, а также оптимальное конструктивное решение внутрикамерного устройства для реализации данного метода. В настоящее время в связи с переходом на пластины большого диаметра (до 200 мм и более) наиболее рациональной становится поштучная обработка пластин с индивидуальным оперативным контролем за ходом процесса обработки. Повышение же степени интеграции ИС и переход на субмикронные размеры элементов существенно повышают требования по снижению привнесенной дефектности, одной из причин которой является пылегенерация при загрузке, выгрузке и транспортировке пластин. Это требует создания чистых (с минимальной пылегенерацией) механизмов и устройств УВН, манипулирующих пластиной, а также сокращения перегрузок и перемещений пластины в процессе обработки и при ее загрузке-выгрузке.

Учитывая вышеизложенное, можно отметить, что одной из рациональных компоновок внутрикамерных устройств УВН является конструкция, обеспечивающая нанесение качественной пленки с высокой равномерностью по толщине на неподвижную пластину, при этом требуемое качество и равномерность пленки обеспечиваются за счет оптимизации положения пластины относительно источника материала и его конструктивных и технологических параметров.

В настоящее время одним из наиболее перспективных методов нанесения пленок является магнетронное распыление материалов, относящееся к высокоэффективным методам ионно-плазменного распыления материалов в вакууме. Распыление осуществляется потоком высокоэнергетических ионов, бомбардирующих поверхность распыляемого материала, источником которых является высокоинтенсивная плазма аномального тлеющего разряда, локализованная непосредственно у распыляемой поверхности с помощью сильного магнитного поля, формирующего замкнутую магнитную ловушку для плазмы в виде области скрещенных электрического и магнитного полей.

Схематично конструкция магнетронной распылительной системы (МРС) показана на рис. 1.1. МРС состоит из водоохлаждаемого катодного блока 1, на котором с обеспечением хорошего теплового и электрического контакта установлена мишень 2 из распыляемого материала. Под катодным блоком находится магнитная система 3, а вблизи мишени - анодный блок 4. Между катодным и анодным блоками подается напряжение постоянного тока (или высокочастотное) от источника питания 5. Обрабатываемая пластина 6 устанавливается над распыляемой мишенью на подложкодержателе 7. Магнитная система формирует вблизи мишени замкнутое магнитное поле, силовые линии которого 8 в общем случае проходят через мишень и имеют форму дуги (арочное магнитное поле).

МРС работает следующим образом. После откачки рабочей камеры до высокого вакуума (для обеспечения чистоты процесса), напуска рабочего газа (обычно аргона высокой чистоты) до требуемого рабочего давления (0,1 - 1,0 Па) между катодным и анодным блоками МРС подается напряжение (400 - 600 В в режиме постоянного тока или ВЧ напряжение при распылении диэлектрических и высокоомных материалов). В результате зажигается плазма аномального тлеющего разряда (см. рис. 1.1, поз 9), которая локализуется у поверхности мишени магнитным полем, что обеспечивает высокую степень ионизации и плотность плазмы. Ионы плазмы, ускоряясь электрическим полем до высоких энергий, бомбардируют мишень и интенсивно ее распыляют. Зона распыления на мишени имеет вид замкнутой дорожки и определяется конфигурацией и величиной магнитного поля, формируемого магнитной системой. Ширина зоны распыления примерно соответствует расстоянию между полюсами магнитной системы. Распыленные в зоне эрозии мишени атомы материала пролетают расстояние между мишенью и подложкодержателем и конденсируются на обрабатываемой пластине, формируя на ней пленочное покрытие.

МРС обладает рядом существенных достоинств: высокими скоростями осаждения пленок (до 60 нм/с), сравнительно невысокими рабочими напряжениями (менее 1 кВ), низкими рабочими давлениями (0,1 Па и ниже), незначительным тепловым и радиационным воздействием на обрабатываемые структуры. Кроме того, возможность выбора самой разнообразной конфигурации и размеров зоны распыления на мишени путем подбора соответствующей формы и размеров магнитной системы позволяет наносить высококачественные пленки на пластины различной формы и размеров. Все это явилось причиной того, что в современном ТО для нанесения пленок МРС является основным видом технологических устройств, встраиваемых в существующие и вновь разрабатываемые УВН.

Постановка задачи

Для проектирования внутрикамерных устройств УВН с МРС необходимо создать модели для расчета и оптимизации их конструктивных и технологических параметров. Основными этапами моделирования являются:

- выявление параметров, характеризующих конструкцию моделируемой системы и технологический процесс, реализуемый с помощью данной системы;

- построение геометрической модели проектируемого объекта;

- классификация параметров и определение взаимосвязи между ними на основе геометрической модели и физики процесса;

- построение математической модели, определяющей аналитические зависимости между параметрами, и выбор критериев оптимизации;

- разработка алгоритмов для реализации модели и составление пакета прикладных программ расчета и оптимизации конструктивно-технологических параметров по выбранным критериям;

- реализация проектируемой системы с помощью разработанного пакета прикладных программ в виде комплекта документации.

Задача оптимизации конструкции внутрикамерного устройства будет заключаться в выборе формы и размеров распыляемой поверхности и области локализованной плазмы, а также положения обрабатываемой пластины относительно распыляемой поверхности, при которых достигается максимальная (или заданная) равномерность осаждаемой на пластине пленки по толщине.

Более простыми для моделирования и в то же время широко применяемыми для практических целей являются внутрикамерные осесимметричные системы с кольцеобразными источниками материала, представляющие собой тела вращения.

Для создания полной модели внутрикамерного устройства и процесса осаждения пленки необходимо учитывать следующие факторы:

- эмиссионную характеристику распыляемой поверхности, характеризующую угловое распределение в пространстве распыленных атомов с каждой элементарной площадки;

- кинетику процесса переноса распыленных частиц в пространстве между распыляемой поверхностью и пластиной (поверхностью конденсации) в среде разреженного рабочего газа;

- условия конденсации распыленных атомов в заданной области поверхности пластины;

- форму и размеры распыляемой поверхности, определяемые геометрическими параметрами мишени и магнитной системы;

- условия локализации плазмы, определяемые параметрами магнитной системы и мишени и определяющие, в свою очередь, распределение плотности ионного тока по зоне распыления на мишени, характеризующего скорость эмиссии распыленных атомов с участков поверхности мишени;

- параметры разряда (напряжение, ток), определяющие энергию и плотность частиц, а следовательно, скорость распыления и осаждения атомов материала мишени;

- тип распыляемого материала и рабочего газа и др.

Наиболее сложным для моделирования является учет условий конденсации на пластине, зависящих от физико-химического состояния и температуры поверхности конденсации на пластине. В частности, учет миграции и отражения от поверхности конденсирующихся атомов представляет собой сложную аналитическую задачу, не имеющую адекватного решения. Не менее сложную задачу представляет расчет и моделирование магнитной системы, определяющей условия локализации плазмы, поскольку отсутствует методика расчета как сложных магнитных систем с приемлемой точностью, так и параметров плазмы в неоднородных скрещенных электрическом и магнитном полях. Поэтому учет вышеотмеченных факторов может быть осуществлен на основе эмпирических данных при введении ряда допущений, не нарушающих в целом адекватности модели.