Σχεδιασμός ομοιόμορφων υμενίων μέσω υπολογισμών πολλαπλών χωρικών κλιμάκων σε διεργασίες χημικής απόθεσης από ατμό

Abstract

Στην παρούσα εργασία μελετάται η ανάπτυξη υμενίων, μέσω της διεργασίας της χημικής απόθεσης από ατμό, σε δισκία με μικρο-τοπογραφία. Το ομοιόμορφο πάχος των υμενίων σε όλη την έκταση του δισκίου είναι μια τυπική προδιαγραφή που πρέπει να πληρούν, ιδίως σε εφαρμογές μικρο-ηλεκτρονικής και μικρο-ηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Οι βαθμοί ελευθερίας που χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της ομοιομορφίας είναι οι λειτουργικές παράμετροι του αντιδραστήρα. Στην εργασία αυτή διερευνάται η δυνατότητα βελτίωσης της ομοιομορφίας των υμενίων μέσω ενός πρόσθετου βαθμού ελευθερίας, ο οποίος είναι η μη-ομοιόμορφη κατανομή των αυλακιών επάνω στο δισκίο. Η κατανομή αυτή σχεδιάζεται έτσι ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη δυνατή ομοιομορφία απόθεσης. Ο σχεδιασμός στηρίζεται σε υπολογιστικό πλαίσιο πολλαπλών χωρικών κλιμάκων, το οποίο υλοποιεί σύζευξη μοντέλου της μακρο-κλίμακας στον κύριο όγκο του αντιδραστήρα ΧΑΑ, με μοντέλο που περιγράφει τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στη μικρο-κλίμακα της μικρο-τοπογραφίας στο δισκίο. Η βάση των υπολογισμών είναι ο προσδιορισμός τοπικών συντελεστών διόρθωσης της συνοριακής συνθήκης των εξισώσεων διατήρησης των συστατικών στο δισκίο. Οι τοπικοί συντελεστές διόρθωσης σχετίζονται με την αύξηση της διαθέσιμης προς απόθεση επιφάνειας ή με την τοπική αύξηση της επιφανειακής πυκνότητας των αυλακιών στο δισκίο. Το υπό μελέτη σύστημα αφορά στην απόθεση αλουμινίου σε συνθήκες χαμηλής ομοιομορφίας. Διαπιστώνεται ότι η σχεδιασμένη, μη ομοιόμορφη, μικρο-τοπογραφία οδηγεί σε έντονη βελτίωση της ομοιομορφίας απόθεσης σε σχέση με την περίπτωση ομοιόμορφης κατανομής του ίδιου πλήθους αυλακιών στο δισκίο. Μελετάται επίσης η επίδραση της θερμοκρασίας του δισκίου καθώς και η γεωμετρία των αυλακιών επάνω στην αποτελεσματικότητα του σχεδιασμού.

This thesis investigates film deposition on wafers with pre-defined micro-topography, through chemical vapor deposition (CVD) processes. Film uniformity is a usual specification especially in micro-electronic applications. Typically, the operational conditions of the CVD reactor are used to improve film uniformity. In this thesis, the potential of an additional degree of freedom in the effort to meet film uniformity along the wafer is investigated. The additional degree of freedom is the feature density along the wafer. A non-uniform density is designed with the objective to improve the uniformity. A multiscale modeling framework is utilized for the design. The framework consists of a reactor scale model, used for the description of the macro-scale in the bulk, a feature scale model, used for the description of the topography evolution of the micro-scale features on the wafer, and the coupling methodology between the two models. The case study is aluminum metal-organic CVD from dimethylethylamine alane at conditions of low uniformity. Compared to a uniform density of the same number of trenches, the multiscale computations predict that the designed density of features induces a remarkable improvement of film uniformity. The impact of wafer temperature and feature geometry on the design methodology is also investigated.