氮化硅立式爐硬件改造提升顆粒表現(xiàn)

彭新華，潘昭海，江冰松，尚 可

（新型功率半導(dǎo)體器件國家重點實驗室，湖南株洲 412001）

氮化硅立式爐硬件改造提升顆粒表現(xiàn)

彭新華，潘昭海，江冰松，尚 可

（新型功率半導(dǎo)體器件國家重點實驗室，湖南株洲 412001）

氮化硅工藝的特點以及立式爐各個系統(tǒng)的工作原理。分析氮化硅立式爐顆粒頻繁超標(biāo)的問題，通過設(shè)備改造來提升機臺顆粒表現(xiàn)，同時總結(jié)了近幾年的設(shè)備使用以及維護經(jīng)驗。

氮化硅；立式爐；顆粒；底座；LPCVD

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.75

1 LPCVD氮化硅工藝簡介

低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)（LPCVD）早在1962年Sandor等人就做了報道。LPCVD的設(shè)計就是將反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)進行沉積反應(yīng)時的壓力降低到大約27～270 Pa的一種CVD（化學(xué)汽相淀積）反應(yīng)。

氮化硅是一種超硬固體物質(zhì)、重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，本身具有潤滑性和耐磨性。氮化硅薄膜具有結(jié)構(gòu)致密、針孔密度小、化學(xué)穩(wěn)定性好、介電常數(shù)大等優(yōu)良特性，在半導(dǎo)體、微電子學(xué)和MEMS領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，應(yīng)用于鈍化、隔離、電容介質(zhì)、結(jié)構(gòu)材料等。由于其自身特性，氮化硅很適合作為鈍化層。

氮化硅反應(yīng)式：SiH2Cl2+NH3—Si3N4+HCl+H2

SiH2Cl2本身易分解和易液化的特性，以及氮化硅大應(yīng)力易剝落的特性，使制備氮化硅薄膜的微粒污染水平遠遠高于制備其他薄膜。這也使得其停機時間加長，機臺利用率無法提高，從而影響產(chǎn)能?？刂坪玫桀w粒表現(xiàn)是目前新型功率半導(dǎo)體器件國家重點實驗室LPCVD設(shè)備維護中迫切需要解決的問題。

2 立式爐硬件簡要介紹

立式爐管機臺由于其良好的均勻度和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，從20世紀(jì)90年代開始一直是半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域必備的設(shè)備之一。普遍應(yīng)用于制備二氧化硅、多晶硅、氮化硅等工藝領(lǐng)域。立式爐系統(tǒng)大體可以分為氣體控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、晶圓傳輸系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)。

反應(yīng)爐管前端組網(wǎng)布置了較多氣體管路，輔以氣動閥關(guān)斷，可以使特定工藝氣體通過不同的路徑到達工藝腔或尾氣處理系統(tǒng)。特定管路上配有不同量程的MFC，對流量進行精準(zhǔn)控制。同時，氣體控制器對特氣的流向有相應(yīng)的互鎖設(shè)置，避免誤操作觸發(fā)特氣泄漏風(fēng)險。

反應(yīng)爐管后端是排氣系統(tǒng)，通過主閥對整個反應(yīng)爐管進行大抽和小抽操作，不同位置配備有不同精度和量程的真空計，使得反應(yīng)腔體內(nèi)的壓力時時監(jiān)控，時時可控。同時主閥后面配備了冷阱和氮氣旁路：冷阱用來俘獲副產(chǎn)物，這樣可以減少真空管道的堵塞；氮氣旁路則通過控制進入排氣管路的氮氣進行控壓。

3 立式爐底座改造

3.1 底座改造的背景介紹

由于氮化硅工藝的特點，氮化硅設(shè)備經(jīng)常顆粒超標(biāo)，統(tǒng)計了2個月內(nèi)設(shè)備顆粒表現(xiàn)（圖1）。

圖1 2個月顆粒統(tǒng)計數(shù)據(jù)

通過前期對氮化硅立式爐結(jié)構(gòu)的深入研究了解，結(jié)合數(shù)月的顆粒數(shù)據(jù)來看，發(fā)現(xiàn)位于工藝舟（BOAT）最下區(qū)域的顆粒超標(biāo)數(shù)量和頻率最高。與BOAT下端區(qū)域相關(guān)的影響因素是進氣管、BOAT隔熱擋片的底座3個。通過清洗進氣管，更換新的隔熱擋片等動作對顆粒沒有明顯改善效果。突破方向聚焦在底座方面。

氮化硅立式爐底座有承載BOAT和帶動BOAT旋轉(zhuǎn)的功能，同時兼顧在工藝運行時密封爐口的作用。底座之所以可以帶動BOAT旋轉(zhuǎn)同時又可以保持真空密封效果，是因為其核心組件——磁流體密封件（Seal unit）。磁流體密封件內(nèi)部含有磁流體可以提供動態(tài)密封作用，其軸桿可以聯(lián)動其底部的電機與上面的BOAT承載盤。

進行氮化硅淀積工藝時，腔體處于高溫低真空的狀態(tài)，內(nèi)部充滿了反應(yīng)氣體、生成物、副生成物等。這些物質(zhì)在高溫低真空的環(huán)境下分子運動更加劇烈，不可避免粘附在整個工藝腔的內(nèi)壁和底座縫隙中。工藝腔內(nèi)壁上的粘附物因為一直處于高溫的待機狀態(tài)，所以形態(tài)不會產(chǎn)生明顯變化。磁流體密封件隨著BOAT晶圓的上傳下載會在高溫與常溫間多次往返。使得高溫環(huán)境粘附在縫隙中的氣態(tài)物質(zhì)在常溫下變成固態(tài)，如此反復(fù)，磁流體密封件中積攢了大量粉塵。雖然磁流體密封件配備了氮氣吹掃管路和冷卻水回路，但經(jīng)過一定時間運行后，并不能抵消掉積攢在其內(nèi)部的粉塵，反而會把其內(nèi)部的粉塵吹回工藝腔體，進而影響到晶圓顆粒表現(xiàn)。以當(dāng)前環(huán)境的技術(shù)手段不能對其進行下一步的拆解或組裝，只能通過委托原廠對其進行翻新或直接更換全新的，這就存在采購周期長和費用高的問題。

3.2 提出改造設(shè)想并進行評估

基于前文對顆粒超標(biāo)現(xiàn)象的描述和分析，再結(jié)合機臺實際構(gòu)造和程序設(shè)定情況，提出如果取消磁流體密封件組件，更換為全封閉的底座，應(yīng)該對顆粒改善會所有效果。因為工作一定時間后磁流體密封件就是個顆粒源，移除這個顆粒源理論上對顆粒會有改善效果，但需對其可能帶來的影響進行綜合評估。

（1）停止磁流體密封件其自身的氮氣吹掃管路，使得粉塵不會被吹出，觀察其顆粒表現(xiàn)。

（2）如果改造，那BOAT就不能旋轉(zhuǎn)，這樣理論上使得膜厚均勻性變差，可以在工藝制作程序（recipe）的設(shè)定中停掉BOAT的旋轉(zhuǎn)功能，模擬改造后的效果。

評估實驗1：在氮化硅立式爐顆粒持續(xù)超標(biāo)的情況下，采用P-SIN-1800A的產(chǎn)品制作程序，4片監(jiān)控片，全程對AV14和AV52閥進行關(guān)閉動作，等同于停掉磁流體密封件其自身的氮氣吹掃氣路。連續(xù)跑3爐，監(jiān)控顆粒表現(xiàn)。結(jié)果表明顆粒改善比較明顯，改動前一爐顆粒平均值有420顆，改動后3爐的顆粒平均值為98顆，下降了76.7%。

評估實驗2：在氮化硅立式爐顆粒持續(xù)超標(biāo)的情況下，全程對N2吹掃底座的氣路，同時全程停止BOAT旋轉(zhuǎn)功能，連續(xù)跑3爐，監(jiān)控顆粒及膜厚均勻性表現(xiàn)。

實驗2前1爐的顆粒均值為848，均勻性均值為1.78；實驗2中3爐的顆粒均值為118，均勻性均值為1.86。顆粒下降了86.1%，膜厚均勻性變差不明顯，完全在工藝需求規(guī)格以內(nèi)。

通過以上實驗可得出：設(shè)備底座改造可以帶來顆粒改善，同時也會存在犧牲膜厚均勻性小幅度變差的附帶影響。

3.3 設(shè)備改造并驗證效果

為了盡可能提高效率和保障機臺的整體運行效果，選擇原廠定制相關(guān)配件，改造前后的設(shè)備底座如圖2所示。

改造后取消了磁流體密封件組件，底座更加簡潔。原先對應(yīng)磁流體密封件的氮氣吹掃管路進行了封堵，冷卻水回路進行了短接。因為之前磁流體密封件要帶動BOAT選擇，所有存在一個傳動桿連接到BOAT承載盤，底座中心也有一個圓形孔洞。改造后，新的底座中心是實心的，BOAT承載盤直接焊接到底座中心，從底座下面觀察，是一個實心平面。

圖2 設(shè)備底座示意

對設(shè)備硬件進行改造后，對所有制作程序進行了更新，全程取消了BOAT的旋轉(zhuǎn)設(shè)定。連續(xù)跑5爐數(shù)據(jù)合格就投入正常運行中，收集了改造后一個月的數(shù)據(jù)整理如圖3、圖4所示。

圖3 改造后30天內(nèi)顆粒表現(xiàn)

圖4 改造后膜厚均勻性表現(xiàn)

從圖中可知，顆粒仍偶有超標(biāo)發(fā)生（其中有空擋片污染、到了內(nèi)管維護管理周期等因素影響），均勻性表現(xiàn)符合預(yù)期判斷，有上升但符合監(jiān)控要求。設(shè)備改造后，節(jié)省了維護管理周期，省掉了磁流體密封件這一個高價值的易耗品，達到降本增效的效果。

4 結(jié)語

通過這幾年對氮化硅立式爐的了解，結(jié)合各種資料，充分利用日?？茖W(xué)整理的監(jiān)控數(shù)據(jù)，找到顆粒超標(biāo)的主要來源。針對來源進行系統(tǒng)分析并做對應(yīng)的評估實驗，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行修正并最終確定設(shè)備改造方案。對改造后的效果再進行跟蹤評估，形成一個對潤滑油中顆粒監(jiān)測與消除的閉環(huán)改進系統(tǒng)。顆粒超標(biāo)是設(shè)備維護中的“癢點”，忽視這些顆粒的存在，設(shè)備也能運行，但隔三差五地會出點小故障。針對這種狀況，從設(shè)備維護角度出發(fā)，建議對潤滑油中的顆粒進行根本性的過濾，以便提高設(shè)備運行效率。

［1］張廣英.氮化硅薄膜制備及其相關(guān)特性研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［2］Armin G.Aberle.Overview on SIN surface passivation of crystalline silicon solar cells［J］.Solar Energy Materials&Solar Cells,2001（65）：239-248.

［3］張化福，祁康成，吳健.氮化硅薄膜的制備方法及主要應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報，2004（18）：298-300.

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〔編輯 吳建卿〕