積層大口径ウエハ均一薄膜形成のための放射熱物性計測とガス流動解析に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15560164
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 菊田 和重 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90214741)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 近久 武美 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00155300)
• Keywords: CVD / シリコンウエハ / ガス流動 / 可視化 / 放射熱物性 / 薄膜 / LPCVD / 希薄ガス

Research Abstract

積層型LPCVD(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition)におけるシリコンウエハの高速かつ均一な薄膜形成に関して,希薄原料ガスの流動が成膜に及ぼす影響を明らかにすることを目的として,装置を模擬した可視化実験装置による希薄ガスの可視化実験を行ったほか,数値シミュレーションによるガス流動解析を行った.一方,成膜時のウエハ温度制御に必要な放射熱物性に関して,FT-IRによる各種成膜ウエハの放射熱物性計測も併せて行った.
希薄ガスの可視化実験についてであるが,可視化装置内への供給ガス量が毎分100cc程度と非常に微量であり,しかも300pa程度に減圧した場であるため可視化は容易ではなかった.本研究では四塩化チタンを装置の下方に微量噴霧し,発生したトレーサー粒子(酸化チタン)をノズル孔近傍に吸引させることにより希薄なガス流動の可視化に成功した.可視化結果によれば,減圧場でのガス流動は極低Re数流れとなり動粘性が非常に高くなるためウエハやウエハを支持する支柱などから大きな抵抗を受けて,大気圧下で見られるような噴流の発達の仕方とは大きく異なることが明らかとなった.
次に,このような減圧場におけるN-S方程式に基づく流れの数値シミュレーションの妥当性について検討を行った.その結果,計算と可視化結果は良好に対応しており,300pa程度の減圧場においてもガス流動はN-S方程式による連続体として扱えることが明らかとなった.
一方,各種成膜ウエハの放射熱物性計測では,FT-IR(Fourier変換赤外分光光度計)に外部から赤外光を取り込めるように改造を行い,試料の単色垂直放射強度の計測を行った.まず,600℃と900℃における成膜のされていないウエハ(bare)と膜種・膜厚の異なったウエハとの比較を行った.試料は酸化膜および窒化膜付ウエハの膜厚がそれぞれ異なったものを用いた.その結果,膜種によらず膜厚が100Å程度と薄い場合にはbareと比較して,いずれの波長においても放射強度は若干低下することが明らかになった.また,3000Å程度と厚い場合には酸化膜,窒化膜ともに短波長での放射強度が10〜20%程度高くなること,600℃と900℃の温度ではbareと比較した放射特性は大きくは変化しないことも明らかになった.
以上,本年度の研究により積層LPCVDにおけるガス流動の基本的特性および各種成膜ウエハの放射特性の一部を明らかにすることができた.

Research Products

• [Publications] K.Kikuta, N.Saito, Y.Hishinuma, T.Chikahisa, T.Miyata, T.Yamaguchi: "Analysis of the Reactant Gas Flow and temperature Distribution on Silicon Wafer Surface Arranged in a Row in Heating Furnace"The 6^<th> ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference. (CD-ROM). 173 (2003)
• [Publications] T.Sasaki, K.Kikuta, Y.Hishinuma, T.Chikahisa, T.Miyata, T.Yamaguchi: "Heating Characteristics of Silicon Wafers Arranged in a Row in Heating Furnace"The 6^<th> ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference. (CD-ROM). 172 (2003)
• [Publications] 斎藤直子, 菊田和重, 菱沼孝夫, 近久武美, 宮田敏光, 山口天和: "積層型CVD装置におけるシリコンウエハ面上希薄ガス流動解析"第40回伝熱シンポジウム. III. 801-802 (2003)
• [Publications] 佐々木隆史, 菊田和重, 菱沼孝夫, 近久武美, 宮田敏光, 山口天和: "半透明材料を有する積層型加熱炉内シリコンウエハの加熱特性"第40回伝熱シンポジウム. III. 799-800 (2003)
• [Publications] 佐々木隆史, 斎藤直子, 菊田和重, 菱沼孝夫, 近久武美, 宮田敏光, 山口天和: "シリコンウエハ薄膜形成における希薄ガス流動解析"日本機械学会2003年度年次大会講演論文集. VI. 167-168 (2003)
• [Publications] 菊田和重, 石川温士, 佐々木隆史, 菱沼孝夫, 近久武美, 宮田敏光, 山口天和: "各種成膜シリコンウエハの放射熱物性計測"日本機械学会2003年度年次大会講演論文集. III. 9-10 (2003)
• [Publications] N.Saito, T.Sasaki, K.Kikuta, T.Chikahisa, Y.Hishinuma, K.Morimitsu, T.Yamaguchi: "Analysis of Gas Flows on Silicon-Wafer Surface in Low-Pressure CVD Reactor"The International Symposium on Micro-Mechanical Engineering. 104-109 (2003)
• [Publications] 佐々木隆史, 菊田和重, 近久武美, 菱沼孝夫, 盛満和広, 山口天和: "バッチ型LPCVDにおける気体流動とシリコンウエハ成膜厚さとの相互相関に関する検討"第41回伝熱シンポジウム(講演予定). (2004)