고효율 원자층 증착 설비를 위한 수치해석적 연구
A Numerical Study on the Highly Effective Atomic Layer Deposition System
초록/요약
원자층 증착(Atomic Layer Deposition)은 기존 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)의 한계로 지적되온 고 종횡비(High Aspect Ratio)에서의 단차피복성(Step Coverage) 및 증착막의 균일성(Uniformity) 저하를 개선하는 증착 기법이다. 마이크로 칩은 매년 Device가 미세화 되고 있으며, 이로 인해 CVD 기술로 증착 하는데 막의 균일성을 더 이상 확보하기 어려워 ALD로 전환되는 추세이다. 본 연구는 ALD설비에서의 최대 단점으로 지적되 온 CVD 대비 낮은 생산성을 개선하기 위해 반응기(Reactor) 구조와 유량 및 압력 조건을 Parameter화 하여 수치해석을 통해 비교 및 연구하는데 목적이 있다. 연구는 크게 두가지 방향으로 진행하였다. 첫번째는 비교적 선행 연구가 활발히 이루어졌던 Tungsten 화학 반응식을 적용하여 막의 성장률을 비교하는 내용이다. 막 성장에 주요하게 작용하는 Diffusion Gap, Showerhead 두께, Process Gap 등을 조절해, 막이 균일해지는 Parameter를 비교하였다. 온도는 열원인 Heater에서 반응기와 Showerhead를 통과해 외부 대기로 빠져나가며, 반응기 내부는 진공에 가까운 상태로 유지되기 때문에(약 10torr 미만) 복사열전달이 가장 주요한 열전달 과정이라 판단하여 이를 적용하였다. 두번째는 Parameter에 따른 Purge Time을 비교하는 해석이다. Purge Time은 ALD 공정 생산성에 가장 중요한 역할을 하는 인자이며, 이를 줄이기 위해서 산업계에서도 활발하게 관련 Item을 개발하고 있다. 본 연구에서는 Purge 이후 Main Gas의 농도분포를 시간 변화에 따라 어떻게 변화되는지 가시화하고 수치화하여 비교할 수 있었다. 그 과정에서 Parameter별 Purge Time 변화를 관측할 수 있었고, 적절한 Purge 유량이 수반되어야 Purge Time을 최적화할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
more초록/요약
ALD(Atomic Layer Deposition) is a deposition technique that improves the step coverage and the uniformity deterioration of the deposition film in the high aspect ratio, which is pointed out as a limitation of the conventional CVD(Chemical Vapor Deposition). Microchips are becoming more and more miniaturized every year, and as a result, it is difficult to secure uniformity of film to deposit by CVD technology, and it is turning to ALD. The purpose of this study is to compare and study the reactor structure, flow rate and pressure conditions by numerical analysis in order to improve the low productivity compared to CVD which is pointed out as the biggest disadvantage in ALD process. The study was conducted in two major directions. The first is the comparison of the growth rates of the films by applying the Tungsten chemical equation, which was relatively active in previous studies. Diffusion gap, showerhead thickness, and process gap, which play a major role in film growth, were compared to compare the film uniformity. The temperature is passed through the reactor and showerhead to the outside atmosphere in the heater, which is the heat source, and since the inside of the reactor is kept close to vacuum (less than about 10 torr), radiative heat transfer is considered to be the most important heat transfer process. The second is an analysis that compares the purge time with the parameter. Purge Time is the most important factor in ALD process productivity. To reduce this, Purge Time is actively developing related items in industry. In this study, we can visualize and quantify the changes of the concentration distribution of Main Gas after purge with time. In the process, we could observe the purge time variation according to the parameters and conclude that the purge time can be optimized with proper purge flow.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 국내 및 국외 연구 동향 4
1.2.1 국내 동향 4
1.2.2 국외 동향 4
1.3 ALD 증착 기법 소개 6
1.3.1 ALD Step 소개 6
1.3.2 ALD 증착 방식 구분 8
1.3.3 ALD 적용 분야 8
제 2 장 원자층 증착 설비 평가를 위한 수치해석 절차 10
2.1 개요 10
2.2 지배 방정식 10
2.2.1 연속 방정식 및 Navier-stokes 방정식 10
2.2.2 화학종 방정식 13
2.2.3 복사열전달 모델 14
2.3 격자 의존성 평가 15
2.4 계산 영역 및 경계조건 21
2.5.1 계산 영역 21
2.5.2 경계 조건 26
2.5.3 Parameter 소개 30
제 3 장 계산 결과 및 토의 33
3.1 저압 환경에서의 수치해석 가능 여부 판단. 33
3.2 초기 모델에서의 온도 해석 결과 34
3.2.1. 온도 해석 34
3.2.2. 유동 해석 39
3.2.3. 화학 반응 해석 41
3.3 Parameter에 따른 온도, 유동 및 반응 해석 결과 43
3.3.1. 온도해석 Parametric Study 43
3.3.2. 유동 및 화학 반응 해석 Parametric Study 47
3.4 시간에 따른 Purge Time 평가 50
3.4.1. 평가 방법 소개 및 Time Step 선정 50
3.4.2. Base Model에서의 Purge Time 평가 51
3.4.3. Gap 변화에 따른 Purge Time 비교 [Case-5,6] 55
3.4.4. 유량 및 압력 변화에 따른 Purge Time 비교 [Case-7,8,9] 58
제 4 장 결 론 65
참고 문헌 67
ABSTRACT 68
