大尺寸外延片表面暗點(diǎn)現(xiàn)象的工藝研究

付國森

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

1 表面暗點(diǎn)成因分析

生長大尺寸外延片所用的外延爐，設(shè)備結(jié)構(gòu)是桶式外延爐，采用線圈感應(yīng)加熱的方式，生長溫度一般在1110～1200℃之間；基座為桶式結(jié)構(gòu)，每爐的裝片量較大，產(chǎn)能較高。

由于外延工藝要求在外延生長前將外延爐內(nèi)的空氣置換干凈，必須將桶式基座內(nèi)、外側(cè)的空氣用安全氣體氮?dú)庵脫Q充分后方可進(jìn)行外延生長[1-3]。加熱前的氣體置換分為基座外側(cè)從上向下吹掃，基座內(nèi)側(cè)從下而上的方式吹掃。桶式外延爐反應(yīng)室結(jié)構(gòu)主要由石英鐘罩、石墨基座、支承筒、升降底盤等組成，整個(gè)基座由支承筒支承并旋轉(zhuǎn)，為防止兩種不同材料的熱應(yīng)力差異引起支承筒破裂。在支承筒的設(shè)計(jì)上整個(gè)筒壁不是閉合的，而是整個(gè)支承筒從上到下保留有一個(gè)約3mm的縫隙。

由于支承筒縫隙的存在，吹掃的氣體有部分從這條縫隙處吹出，從而擴(kuò)散到基座放置晶片的區(qū)域。隨著外延工藝的開展，反應(yīng)腔體內(nèi)的沉積物也相應(yīng)增加，尤其在下部旋轉(zhuǎn)軸附近顆粒物會(huì)逐漸增多。這些顆粒會(huì)隨著吹掃氣流，從支承筒的縫隙處擴(kuò)散到晶片區(qū)域，附著在晶片上，在外延生長后形成暗點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格[4-6]。暗點(diǎn)形成后需要對旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行清潔甚至更換，才可緩解暗點(diǎn)的形成，

2 工藝試驗(yàn)

桶式外延爐長期以來存在著較為嚴(yán)重的暗點(diǎn)問題，表1為一年中所生長外延片中出現(xiàn)的暗點(diǎn)片數(shù)及對旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行的維護(hù)更換統(tǒng)計(jì)記錄。從表1可以看出，在一年的外延片生產(chǎn)中，因暗點(diǎn)造成的不合格外延片近500片，同時(shí)清潔及更換旋轉(zhuǎn)軸也極大增加了設(shè)備的維護(hù)成本，并影響正常的生產(chǎn)效率，打亂正常 的生產(chǎn)秩序。如何有效解決暗點(diǎn)問題成為當(dāng)務(wù)之急。

表1 外延片暗點(diǎn)及維護(hù)情況Tab.1 Epitaxial film dark spots and maintenance

經(jīng)過長期觀察與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)暗點(diǎn)出現(xiàn)位置與支承筒的縫隙位置對應(yīng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論是否正確，針對性地進(jìn)行了三爐實(shí)驗(yàn)，將支承筒的縫隙分別對應(yīng)到基座的第1、3、6列，進(jìn)行外延工藝生長實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢查外延片表面暗點(diǎn)在基座上的位置分布情況發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)暗點(diǎn)的位置與支承筒縫隙對應(yīng)的位置一致，即支承筒縫隙對應(yīng)的基座一列晶片表面暗點(diǎn)最為嚴(yán)重。由此驗(yàn)證了暗點(diǎn)是在吹掃時(shí)將顆粒從旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)支承筒縫隙處擴(kuò)散到對應(yīng)的晶片表面所致。

據(jù)此項(xiàng)目組提出了對支承筒進(jìn)行改造。改造思路為在不影響支承筒安全使用的前提下，在支承筒內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)檔板，防止顆粒從縫隙處擴(kuò)散而出，既阻擋顆粒從縫隙中擴(kuò)散到晶片表面，又具備緩解支承筒與基座之間的熱應(yīng)力差異。設(shè)計(jì)方案如圖1所示，采用此方案改造后的支承筒，在內(nèi)側(cè)擋板的作用下，可阻擋顆粒從縫隙中流出，從而解決暗點(diǎn)問題，提高外延產(chǎn)品合格率。

圖1 支承筒改造圖Fig.1 Support cylinder reconstruction diagram

為了驗(yàn)證支承筒改造后的效果，進(jìn)行了2種支承筒對應(yīng)基座實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件見表2，

表2 兩種支承筒對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件Tab.2 Experimental conditions corresponding to the two support cylinders

通過以上實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)出的外延片，經(jīng)過在200KLX的強(qiáng)光燈下觀測，出現(xiàn)暗點(diǎn)情況見表3。

從表3可以看出，使用原支承筒，每爐外延片表面均出現(xiàn)不同數(shù)量的暗點(diǎn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)暗點(diǎn)出現(xiàn)的位置與支承筒縫隙相對應(yīng)，從而進(jìn)一步確定了暗點(diǎn)的來源。使用改造后的支承筒則沒有暗點(diǎn)產(chǎn)生，說明改造方案很好地解決了暗點(diǎn)問題。采用改造后支承筒后暗點(diǎn)和設(shè)備維護(hù)情況見表4。

表3 兩種支承筒對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results corresponding to the two support cylinders

表4 采用改造支承筒暗點(diǎn)和設(shè)備維護(hù)情況Tab.4 Modified support cylinder dark point and maintenance

從表4可以看出，應(yīng)用改造后的支承筒連續(xù)生產(chǎn)一年來，暗點(diǎn)片數(shù)從近500片降到0片，清軸次數(shù)由27次減少到2次，換軸次數(shù)由7次減少到2次。

3 結(jié) 論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改造后的支承筒可以有效地解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的暗點(diǎn)問題，項(xiàng)目組將此支承筒運(yùn)用于生產(chǎn)中，通過一年的使用發(fā)現(xiàn)，不僅解決了暗點(diǎn)問題，提高了產(chǎn)品的成品率，同時(shí)使得清軸與換軸的維護(hù)次數(shù)大幅下降，極大降低了設(shè)備維護(hù)成本，提高了設(shè)備的開機(jī)效率。