Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est utilisé dans quasiment tous les procédés de fabrication de semi-conducteurs, et est indispensable à la plupart des dispositifs électroniques modernes. Ce procédé est notamment utilisé pour produire des films uniformément minces pour les micropuces. D’autres procédés qui intègrent le CVD concernent la protection contre la corrosion, le revêtement du verre et la production de diamants synthétiques. Dans cet article de blog, nous introduirons brièvement le CVD et nous illustrerons comment la modélisation peut améliorer nos connaissances de ce procédé à l’aide un modèle de réacteur à bateau.
Qu’est ce que le CVD?
Dans le procédé CVD, un substrat solide est placé dans une chambre de réaction remplie d’un mélange gazeux contenant des précurseurs chimiques. Il s’agit d’un processus réactif, ce qui le distingue d’un processus physique comme l’évaporation et la pulvérisation cathodique. Il existe différentes méthodes CVD, chacune utilisant différents produits chimiques, matériaux de substrat et températures. En fonction des conditions opératoires, il existe plusieurs types de réacteurs CVD, tels que les réacteurs CVD assistés par plasma, à pression atmosphérique, à basse pression ou encore à ultra-vide.
Les réacteurs à basse pression, comme le réacteur à bateau, fonctionnent à des pressions subatmosphériques et sont généralement utilisés dans les procédés CVD pour obtenir une diffusivité plus élevée des espèces gazeuses et éliminer les réactions indésirables en phase gazeuse. Cela entraîne le dépôt d’une couche d’épaisseur uniforme, car le procédé est limité par la cinétique de dépôt. Le réacteur à bateau est donc particulièrement adapté à la fabrication de puces, où l’on souhaite le dépôt d’une couche mince et uniforme de silicium.
Un réacteur à bateau typique est composé des éléments suivants:
- Un support en forme de bateau en quartz ou en silicium destinée à maintenir le wafer à revêtir
- Une entrée pour introduire les précurseurs chimiques dans la chambre du réacteur
- Une source de chaleur pour fournir la température nécessaire à la réaction
- Un substrat sur lequel le matériau désiré doit être déposé
- Une sortie pour évacuer les gaz résiduels du réacteur
Un schéma d’un réacteur à bateau est présenté ci-dessous.
Configuration typique d’un réacteur CVD basse pression à bateau .
Le gaz réactif, en l’occurrence du silane (SiH4), pénètre dans le réacteur par l’entrée et réagit sur le groupe de wafers pour former de l’hydrogène et du silicium. Le mélange restant quitte le réacteur par la sortie. Le dépôt de silicium sur les wafers est directement proportionnel à la concentration de silane dans le mélange gazeux entrant.
Examinons maintenant les différentes parties d’un modèle de réacteur à bateau, créé à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics®.
Aperçu des composants du modèle
La géométrie du réacteur modélisé est illustré dans la figure ci-dessous. Afin d’optimiser le calcul, le modèle est simplifié en considérant une géométrie 2D axisymétrique et le groupe de wafers est modélisé comme un milieu poreux anisotrope permettant uniquement le transport dans la direction radiale. La température dans le réacteur CVD est supposée constante.
La géométrie du réacteur à bateau modélisé dans COMSOL Multiphysics®.
L’objectif du modèle est de décrire la vitesse de dépôt en fonction de la mécanique des fluides et de la cinétique dans ce type de système. Le modèle couple les transports de masse et de quantité de mouvement avec les cinétiques de réaction pour le procédé de dépôt souhaité. Dans ce cas, les trois phénomènes physiques suivants sont pris en compte:
- Chimie
- Ecoulement de fluides
- Transport de masse
Vous trouverez, ci-dessous, plus de détails sur ces phénomènes.
Chimie
Tout d’abord, examinons la chimie. Le principal précurseur chimique dans le modèle est le gaz silane. Le gaz pénètre dans le réacteur par l’entrée, entraînant le dépôt de silicium solide sur le groupe de wafers. Cette réaction peut être décrite comme suit:
Dans le cas présent, le gaz réactif est dilué dans de l’azote inerte, qui est supposé représenter de manière adéquate les propriétés du mélange.
Ecoulement de fluides
L’écoulement dans le réacteur est modélisé comme un écoulement laminaire, mais celui à l’intérieur du groupe de wafers est négligé car il ne permet le transport que dans la direction radiale. Par conséquent, le mélange gazeux réactif est considéré comme étant transporté par diffusion et une vitesse d’entrée moyenne est considérée sans chute de vitesse au niveau des parois du réacteur, au voisinage du support en forme de bateau ou autour du groupe de wafers.
Transport de masse
La diffusion, la convection et la réaction de chaque espèce gazeuse dans la solution diluée sont prises en compte. La réaction n’est définie que dans le domaine du groupe de wafers, par conséquent, la vitesse de réaction dans la zone d’écoulement libre est nulle.
Concentration et vitesse du silane dans la chambre de réaction.
Résultats
Le premier graphique de cette section montre le profil de concentration du silane dans le groupe de wafers, qui influence fortement la vitesse de dépôt ainsi que l’épaisseur de la couche de silicium déposée. Ce profil est utilisé pour estimer la vitesse de dépôt du silicium sur le groupe de wafers. La concentration maximale est observée près de l’entrée et dans la zone d’écoulement libre. Bien que l’on souhaite généralement que la concentration soit aussi uniforme que possible, une concentration élevée présente l’avantage de réduire le temps de dépôt. Pour augmenter la concentration dans le gaz diffusant dans le groupe de wafers, il est possible d’augmenter le débit du gaz circulant autour du wafer.
Profil de concentration du silicium, les lignes représentant des isovaleurs.
Le graphique ci-dessous illustre la variation de la vitesse de dépôt du silicium en fonction de la température, de la pression et de l’emplacement dans le groupe de wafers. Chaque paire de courbes d’une couleur spécifique indique les vitesses de dépôt minimale et maximale attendues lors du fonctionnement à différentes pressions dans le procédé CVD.
Les minimum et maximum des vitesses de dépôt attendus pour différentes valeurs de pression.
Ce graphique montre que la variation de la vitesse de dépôt du silicium augmente avec la température de fonctionnement et la pression du réacteur. À partir de ces résultats, nous pouvons déterminer que, pour garantir une vitesse de dépôt uniforme sur l’ensemble des wafers, il est préférable de fonctionner à des pressions plus basses et à des températures plus élevées en raison de la diffusivité plus élevée du silane.
Prochaine étape
Le CVD est une étape importante dans le procédé de fabrication des micropuces. Ce procédé peut être ajusté avec précision, mais il nécessite beaucoup de contrôle. L’épaisseur et l’uniformité des revêtements peuvent être contrôlées en ajustant la température, la pression et le temps de dépôt. De plus, les réacteurs CVD peuvent être coûteux, et l’équipement et les gaz précurseurs peuvent être dangereux. COMSOL Multiphysics® peut être utilisé pour modéliser le procédé, mieux comprendre les différents facteurs qui influencent le CVD et optimiser le rendement.
Pour vous familiariser avec le modèle présenté ici, cliquez sur le bouton ci-dessous.
Commentaires (0)