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引言
硅晶圓作為硅半導(dǎo)體制造的基礎(chǔ)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(huì)產(chǎn)生加工變質(zhì)層。為了去除該加工變質(zhì)層，進(jìn)行化學(xué)蝕刻，在硅晶片的制造工序中，使共有旋轉(zhuǎn)軸的多片晶片在蝕刻溶液中旋轉(zhuǎn)，通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行蝕刻的表面處理。在化學(xué)處理之后，晶片的平坦度，因此為了控制作為旋轉(zhuǎn)圓板的晶圓周邊的蝕刻溶液的流動(dòng)，實(shí)際上進(jìn)行了各種改進(jìn)。例如圖1所示的同軸旋轉(zhuǎn)的多個(gè)圓板的配置為基礎(chǔ)，旋轉(zhuǎn)圓板和靜止圓板交替配置等。
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圖1 晶片蝕刻工藝概念圖
作為分析對(duì)象的流場(chǎng)，設(shè)想了實(shí)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(zhuǎn)圓板和靜止圓板配置了極多張，因此圓板間的流動(dòng)在圓板的旋轉(zhuǎn)軸（Z軸）方向上是周期性的，如圖2左側(cè)所示，將1張旋轉(zhuǎn)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(duì)象。
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圖2
對(duì)于旋轉(zhuǎn)圓板，假設(shè)為8英寸晶圓，半徑R=0.1m（直徑D=0.2m）,該旋轉(zhuǎn)圓板的旋轉(zhuǎn)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(yù)備計(jì)算的結(jié)果的基礎(chǔ)上，將圓板間隔進(jìn)行20分割，由此可以充分評(píng)價(jià)圓板上形成的邊界層。
圖中在旋轉(zhuǎn)圓板和靜止圓板的半徑相同的情況下（R=0.1m），旋轉(zhuǎn)圓板和靜止圓板之間的配置間隔S中，從旋轉(zhuǎn)圓板到距離Z/S―1/4以及3/4的XY平面內(nèi)的流動(dòng)速度矢量。在旋轉(zhuǎn)圓板附近，由于圓板的旋轉(zhuǎn)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(chǎng)，靜止圓板周圍的流體畫出緩慢的螺旋流入圓板間的領(lǐng)域。
在實(shí)際的晶圓制造中，使用半徑稍小的圓板，其大小約為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)圓板周圍的流場(chǎng)的影響。結(jié)果， 圓板間的周方向的一次流以及子午面內(nèi)二次流的基本構(gòu)造是，不受靜止圓板大小的影響。
對(duì)于圓板的旋轉(zhuǎn)來說很重要的旋轉(zhuǎn)圓板表面上的全剪切應(yīng)力T、γ的半徑方向分布。橫軸與圓板的直徑相對(duì)應(yīng)，在圓板的中心部分，圓板間的流動(dòng)為剛體旋轉(zhuǎn)，因此，總剪切應(yīng)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(zhuǎn)圓板端的附近，圓板間流動(dòng)的二次流動(dòng)增強(qiáng)，從剛體旋轉(zhuǎn)開始不同。因此，總剪切應(yīng)力急劇增大。
從蝕刻水槽下部流入的流體要素在平面內(nèi)的流跡線（因?yàn)槭枪潭?，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(zhuǎn)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(dòng)，因此，在該范圍內(nèi)的蝕刻溶液不會(huì)從圓板的附近區(qū)域向外流出。
等值線的間隔是10―7kgmoum2·S.等值線是和圖12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(duì)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(huì)大幅降低。因此，靜態(tài)圓板的半徑的影響在氟化反應(yīng)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(chǎng)，靜態(tài)圓板的半徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)被設(shè)定為旋轉(zhuǎn)圓板半徑的約95%。因此，本研究的結(jié)果表明，在晶圓生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，靜態(tài)圓板的半徑被設(shè)定為旋轉(zhuǎn)圓板半徑的約95%。
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討論和結(jié)果
在本研究中，通過使用熱流體分析軟件FLUENT，分析了實(shí)驗(yàn)困難的硅晶圓的蝕刻過程中的流程和化學(xué)反應(yīng)。其主要結(jié)果如下所示。這些結(jié)論與現(xiàn)實(shí)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(yīng)在旋轉(zhuǎn)圓板（晶圓）的圓板端附近，反應(yīng)急劇推進(jìn)；（2）通過縮小靜止圓板的半徑L，氟化反應(yīng)速度提高；（3）從蝕刻水槽下部流入的流體，由于旋轉(zhuǎn)圓板的旋轉(zhuǎn)較強(qiáng)，通過圓板間的區(qū)域，不經(jīng)過從水槽上部流出；（4）旋轉(zhuǎn)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。