外延爐對(duì)稱性特點(diǎn)及其應(yīng)用研究

張文

河北普興電子科技股份有限公司

【摘 要】外延爐內(nèi)部對(duì)稱性是爐子設(shè)計(jì)中非常重要的因素，本文主要從對(duì)稱性出發(fā)來說明2061氣流和溫度的分布特點(diǎn)，及其在調(diào)試爐子中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】硅外延；對(duì)稱性；氣流；溫度

引言

外延是晶體襯底上按規(guī)律和一定方向生長晶體的過程，在現(xiàn)代微電子工藝中，硅外延是絕大多數(shù)器件制造過程的第一步。因此，硅外延直接影響到器件的性能、可靠性和成品率等關(guān)鍵指標(biāo)，十分重要。硅外延部分最重要的指標(biāo)為厚度和電阻率及其均勻性。影響厚度及厚度均勻性的因素主要有淀積時(shí)間、生長速率、反應(yīng)腔氣流分布等。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理分析

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用筒式外延爐為意大利產(chǎn) LPE 2061S 型外延爐，如圖所示：

反應(yīng)氣體從鐘罩頂部氣體入口處進(jìn)入反應(yīng)室，從排成一圈的六個(gè)石英噴嘴噴出，經(jīng)石英擋板阻擋，沿基座與鐘罩之間向下，在高溫下反應(yīng)而在硅片表面沉積生長，反應(yīng)尾氣在下部排出。

①溫度分布

2061 加熱原理：感應(yīng)線圈內(nèi)通過高頻大電流，制造渦旋磁場(chǎng)；基座是導(dǎo)體，處于渦旋磁場(chǎng)中，產(chǎn)生感生電流，電流加熱基座。

LPE 2061 采用中心軸對(duì)稱設(shè)計(jì)，它的對(duì)稱性表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

⑴ 感應(yīng)線圈是圓筒狀，中心軸對(duì)稱設(shè)計(jì)的；它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是中心軸對(duì)稱的。

⑵ 鐘罩是中心軸對(duì)稱設(shè)計(jì)的。

⑶ 基座（包括它上面的頂盤）是中心軸對(duì)稱設(shè)計(jì)的，它的幾個(gè)面幾何形狀和電阻是一樣的。如果基座和線圈是理想狀態(tài)，且中心軸重合，那么基座在感應(yīng)線圈制造的中心軸對(duì)稱的渦旋電場(chǎng)里受熱， 基座上溫度分布也會(huì)是中心軸對(duì)稱分布的。

⑷ 基座上片槽的對(duì)稱性。片槽是平面結(jié)構(gòu)，片槽內(nèi)各點(diǎn)距離基座中心線的距離與它們和片槽中心的位置有關(guān)系。如圖 1（c）和（d）所示。圖 1（d）為沿著垂直于基座中心軸線過片槽直徑的一個(gè)剖面。AB 線上，和圓心 O距離相等的點(diǎn)距離感應(yīng)線圈距離相等，故在渦旋磁場(chǎng)中受到的加熱是一樣的，所以溫度應(yīng)該相等。這就是說，片槽內(nèi)溫度分布是沿著中心軸 CD 鏡面對(duì)稱的。（電阻率和溫度相關(guān)，故電阻率也應(yīng)該是鏡像對(duì)稱的） 。

②氣流分布

氣流從噴嘴噴出，打到石英頂盤，而后順著石英鐘罩和基座的間隙向下流動(dòng)，在基座上加熱反應(yīng)，最后從基座下邊緣流出。故影響氣流中心軸對(duì)稱的因素有：石英頂盤的位置、基座和石英鐘罩的位置關(guān)系、基座左右旋轉(zhuǎn)的影響。

⑴ 石英頂盤：石英頂盤是中心對(duì)稱的平面圓盤，隨著基座繞中心軸旋轉(zhuǎn)。噴嘴噴出的氣流垂直打在石英頂盤上，而后反射氣流順著石英鐘罩和基座間隙流下。

⑵ 鐘罩：鐘罩是中心軸對(duì)稱設(shè)計(jì)的。鐘罩的形狀及其與基座的位置關(guān)系決定了氣流的分布及流速。

⑶ 基座：基座是中心軸對(duì)稱設(shè)計(jì)的。鐘罩和基座配合，使得它們之間的間隙作為氣流通道也是中心軸對(duì)稱分布的。 基座處于中心且左右旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間相同時(shí)，同一水平線上的同樣位置的點(diǎn)受到的氣流作用是相同的。鐘罩的形狀及其與基座的位置關(guān)系只影響氣流上下分布。

⑷ 基座左右旋轉(zhuǎn)速度及時(shí)間：基座左右旋轉(zhuǎn)速度及時(shí)間相等時(shí)，能夠彌補(bǔ)鐘罩形狀缺陷造成的不對(duì)稱性。

破壞對(duì)稱性因素及應(yīng)對(duì)辦法：

⑴ 石英頂盤：幾何對(duì)稱性被破壞，這時(shí)需要更換頂盤；石英頂盤沒有放置在中心位置，這時(shí)需要重置頂盤位置。

⑵基座偏離中心，使某一列距離感應(yīng)線圈更近，氣流通道變窄。這時(shí)需要調(diào)整基座到中心位置。

⑶ 基座本身對(duì)稱性有問題。需要采購和基座廠家聯(lián)系，改進(jìn)加工或調(diào)整設(shè)計(jì)。

⑷ 轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致基座不能中心對(duì)稱旋轉(zhuǎn)。需要設(shè)備工程師維護(hù)轉(zhuǎn)軸。

綜上，因?yàn)闅饬骱蜏囟葘?duì)稱中心的重合，所以兩者同樣是中心軸對(duì)稱的，兩者偏離中心軸對(duì)稱會(huì)同時(shí)發(fā)生，這就給了我們分析和解決問題提供了便利。溫度分布和電阻率分布緊密相連，因此，我們可以把上文的溫度分布近似看作電阻率分布；同樣，我們也近似把氣流分布看作厚度分布。所以，在基座上，厚度和電阻率是中心軸對(duì)稱分布的，相對(duì)列電阻率和厚度分布是一樣的。而 1 片外延片內(nèi)部的電阻率和厚度應(yīng)該是鏡面對(duì)稱的。在測(cè)量中，代表性外延片和外延片上代表性點(diǎn)的選取要考慮對(duì)稱性特點(diǎn)。我們可以選一列外延片測(cè)量電阻率來代表溫度在基座上的分布，可以測(cè)量相對(duì)列 1列厚度數(shù)據(jù)代表氣流在基座上的分布， 測(cè)量相對(duì)列 2 片厚度數(shù)據(jù)代表相對(duì)基座是否處在中心軸線上。并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)來調(diào)整感應(yīng)線圈、氣流和基座。目前我們外延片上代表性點(diǎn)的選取如圖 2，中心點(diǎn)設(shè)為 1 點(diǎn)，5 點(diǎn)為參考面 10mm點(diǎn)，2、4 點(diǎn)對(duì)稱。如果要測(cè)量出對(duì)稱性的特點(diǎn)，那么必須要求裝片過程中 2、4 點(diǎn)也處于基座上對(duì)稱性位置。而基座上片槽內(nèi)是鏡面對(duì)稱的， 所以我們裝片只能裝成正上或者正下兩種裝片方式，如圖 2 所示。

因?yàn)樽笥倚D(zhuǎn)幾乎相等，所以厚度分布近乎理想的鏡面對(duì)稱。從圖中看，因?yàn)檠b片角度的問題，對(duì)稱軸并不嚴(yán)格平行于 Y 軸方向。上下層厚度各有四個(gè)高峰和四個(gè)低谷：上下左右四個(gè)極點(diǎn)是峰，偏離45 度方向的四個(gè)斜角方向是低谷。1、2 層四高峰四低谷的分布各有特點(diǎn)，但大致位置一致的。

圖 4 是 L9 49 點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)所繪等高線圖。6 inch 外延片，旋轉(zhuǎn)設(shè)置 4.5*5.08。

從圖 4 看，對(duì)稱性遠(yuǎn)不如圖 2，這是因?yàn)樗男D(zhuǎn)設(shè)置，左右相差 0.58，嚴(yán)重破壞了左右旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。同時(shí)裝片時(shí)參考面傾斜，導(dǎo)致對(duì)稱軸和 Y 軸偏離比較大的角度。上下 49 點(diǎn)數(shù)據(jù)比較粗略，但大致也能看出四高四低的特點(diǎn)。此時(shí)2、4 點(diǎn)不具有對(duì)稱性的特點(diǎn)。從圖 3、4 看，圖 4 外延片表面總體均勻性不如圖3 所示外延片。

2.結(jié)論與分析

工程師判斷左右旋轉(zhuǎn)是否合適非常重要的一個(gè)判據(jù)是 2、4 點(diǎn)厚度和 1點(diǎn)厚度之間的關(guān)系。同時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間也是調(diào)整均勻性的一個(gè)重要手段。那么如果參考面不是按照?qǐng)D 2 的裝片方式， 而是習(xí)慣性的傾斜一個(gè)角度，如 15 度，那么2、4 點(diǎn)將不再有對(duì)稱性關(guān)系。此時(shí)還按照 2、4 點(diǎn)和 1 點(diǎn)的厚度關(guān)系調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，將會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。所以，要求工人師傅們裝片按照?qǐng)D 2 所示正上或正下裝片，厚度均勻性會(huì)好很多。