碳化硅外延設備控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

戴科峰，仇禮欽，盛飛龍，高桑田，王 鑫

（季華實驗室，廣東佛山 528200）

0 引言

第三代半導體材料是指帶隙寬度明顯大于硅（Si，1.1～1.3 V）和砷化鎵（GaAs，1.4 V）的寬禁帶半導體材料，具備擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性能[1]，可工作在第一代和第二代半導體材料無法勝任的高溫、高電壓、抗輻射等應用領域，并能實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化和高效率。碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的第三代半導體材料，包括美國、歐洲、日本等國家政府及其巨頭企業(yè)都投入巨資發(fā)展。在新一代雷達、衛(wèi)星通訊、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通訊基站、航天、軍工、核能等重要領域具有重要的應用價值和廣闊的應用前景，已經成為全球半導體產業(yè)新的戰(zhàn)略競爭高地。

碳化硅半導體產業(yè)鏈如圖1 所示，包括：碳化硅原料-晶錠-襯底-外延-芯片-器件-模塊-應用等幾個環(huán)節(jié)。整個碳化硅半導體產業(yè)呈現(xiàn)金字塔形的產業(yè)結構，美國在碳化硅（SiC）領域擁有科銳（Cree）、貳陸（II-VI）等企業(yè)。歐洲在SiC 電力電子市場具備完善的第三代半導體產業(yè)鏈，其強勢領域集中在器件環(huán)節(jié)，擁有德國英飛凌、愛思強、瑞士意法半導體、ABB 等半導體制造商。日本在模塊和半導體制造設備開發(fā)主要有羅姆、三菱電機、新日鐵、東芝等企業(yè)。韓國通過SK 集團收購美國杜邦公司的SiC 晶圓業(yè)務，完善其國內第三代半導體產業(yè)鏈[2-4]。

圖1 碳化硅半導體產業(yè)鏈

碳化硅外延材料的質量是碳化硅功率器件制造的關鍵與瓶頸，季華實驗室“寬禁帶半導體SiC 高溫外延生長裝備開發(fā)和產業(yè)化”項目旨在針對大尺寸碳化硅芯片制造裝備關鍵技術進行產業(yè)攻關，打破國外技術封鎖和產品壟斷，促進我國碳化硅產業(yè)健康、繁榮發(fā)展。自動化碳化硅外延設備控制技術是碳化硅外延裝備的關鍵技術之一，本文研究和設計了一套碳化硅外延設備控制系統(tǒng)，直觀便捷，功能完備，運行穩(wěn)定，經工藝驗證，能很好地滿足碳化硅外延生長的要求。

1 外延設備系統(tǒng)結構及工藝流程

1.1 系統(tǒng)結構組成

碳化硅同質外延的基本原理是載氣攜帶摻雜和外延工藝氣體，在對應的溫度下發(fā)生反應沉積在碳化硅晶圓表面形成一層外延層[5]。設備系統(tǒng)結構組成包括氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等幾大部分。整機結構如圖2所示。

圖2 整機結構

1.2 工藝流程

碳化硅外延設備工藝流程較復雜，晶片需經過上料、定向、預熱、通氣、反應、降溫、下料等一系列工藝流程。碳化硅外延設備工藝具體步驟[6]如圖3所示。

圖3 碳化硅外延設備工藝示意圖

2 外延設備控制系統(tǒng)總體設計

外延設備控制系統(tǒng)主要通過工控機（IPC）和可編程邏輯控制器（PLC）的控制模式。PLC 主要用來控制泵、蝶閥、閥島、電機、機械手、流量計等器件，檢測狀態(tài)信息并反饋給上層軟件系統(tǒng)即上位機，包含DI/DO 控制、AD/DA 控制、伺服運動系統(tǒng)、溫度控制、氣流控制和傳輸控制等。控制系統(tǒng)總體設計如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)總體架構設計

2.1 控制系統(tǒng)的軟件架構

控制系統(tǒng)軟件設計高度模塊化，從端口到零件再到模塊逐級封裝；抽象出具有共同特性的零部件類別，利于代碼重復利用與維護。零件端口地址、模塊屬性參數(shù)、是否啟用均可配置。此外，獨立的安全聯(lián)鎖模塊，聯(lián)鎖條件可通過聯(lián)鎖文件表進行配置；設備控制與人機操作完全獨立；模塊具有高內聚，低耦合特性，利于團隊分工合作開發(fā)?？刂栖浖軜嬙O計如圖5 所示。

圖5 控制軟件架構

2 .2 控制系統(tǒng)的性能要求

根據(jù)外延設備的項目目標，控制系統(tǒng)性能如下。

（1）功率和溫度的精確控制

設備控溫精度要求在±1 ℃，最高溫度達到1 700 ℃。項目采用感應加熱的方式進行，加熱器同時也是反應室。選用石墨材料做為加熱器。在使用過程中，為了滿足實驗要求和測試條件，需要實時監(jiān)測和調整感應加熱的參數(shù)。

（2）工藝氣體流量的精確控制

研究表明，在4H-SiC 外延生長時向反應室通入HCl，通過引入HCl，有效降低了生長源中Si 濃度較高（Si/H2＞0.05%）時氣相中Si 的成核現(xiàn)象，生長速率得到提高[6]。F La Via等人報道了采用TCS和乙烯作為生長源進行SiC的外延生長的研究，他們通過進一步優(yōu)化工藝，將生長速率提高到100μm/h 以上[7]。而這些得以實現(xiàn)都依賴于反應過程中精準地控制Si/H2比、C/Si比等工藝氣體的比例。

（3）機械臂的高效調度

外延過程中，襯底從Loadlock、緩存腔、反應室等頻繁調度，傳片過程中需要準確地控制機械臂避免損壞石墨配件、襯底移位等，也需要統(tǒng)籌考慮加熱、外延和冷卻等過程，做到外延片的高效調度。

（4）設備穩(wěn)定性

在設備運行過程中，一方面要實時地監(jiān)測整個系統(tǒng)各個參數(shù)指標，發(fā)現(xiàn)異常及時報警，保證設備和人員的安全；更要能夠自動處理和恢復部分故障，確保工藝能順利完成。設備可靠性指標：MTBF≥150 h，MTTR≤8 h。

3 外延設備控制系統(tǒng)功能設計和實現(xiàn)

外延設備控制系統(tǒng)的功能主要包括氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、用戶管理等。

3.1 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)的主要功能是進行源氣體的精確混合與輸送，其氣體流量的精密控制對于SiC 外延工藝的重復性、穩(wěn)定性非常重要。

設備工藝過程中需要通入氫氣、氬氣、氮氣、氯化氫、三氯氫硅、硅烷等特定的氣體維持一定的氣壓，氣路系統(tǒng)由4 路氣體組成，均通過工藝氣體閥門和質量流量控制器（MFC）控制工藝氣體的精度。通過AD 模塊檢測氣體通過MFC 的流量，DA模塊用于設定氣體流量攝入值。

（1）TCS（三氯氫硅）流量的控制

TCS 在常溫下為液態(tài)，一般情況下裝在不銹鋼鋼瓶中。需要引入一路載氣進入鋼瓶產生鼓泡效應將TCS源帶出鋼瓶，如圖6所示。

圖6 鼓泡效應示意圖

其被載氣所攜帶出的流量由以下條件決定：載氣的氣體流量、液態(tài)源的蒸汽壓力、鋼瓶內的絕對壓力。液態(tài)源的輸送流量與經過鋼瓶的載氣流量成正比，與液態(tài)源的蒸汽壓力成正比，對于一給定的質量流量，液態(tài)源的量取決于鋼瓶內的壓力。表達式如下：

式中：PTCS為源的飽和蒸汽壓；PAbs為鼓泡瓶的絕對壓力；F為載氣流量（sccm-cm3/min）

因此系統(tǒng)需要精確的控制質量流量控制器（MFC）來控制載氣的流量，利用壓力控制器（PC）來控制源瓶的壓力，TCS的飽和蒸汽壓是一個定值來實現(xiàn)對TCS源注入流量的精確控制。

（2）TMA（三甲基鋁）流量的控制

TMA 為一種典型的Ⅲ族MO 源，常溫下為液態(tài)，同樣需要根據(jù)系統(tǒng)雙稀釋管路的設計來精確控制流量。因為控制方法類似，此處不再贅述。

（3）氣體無擾動快速切換的控制

由于TMA、TCS瞬間啟動時，鋼瓶內的飽和蒸汽壓還未穩(wěn)定，這會直接影響進入反應室液態(tài)源的注入流量，從而影響薄膜的生長質量。為了消除這種瞬態(tài)啟動狀態(tài)對生長的影響，SIC氣路系統(tǒng)中有著特殊設計的生長/放空（run/vent）管路。

在SiC 外延生長工藝時，必須保持run 管路和vent 管路的壓力相同。當run管路壓力高于vent管路，MO源從vent管路切入run 管路時，run 管路氣體會反灌入MO 管路中，可能會導致污染物進入MO源鼓泡瓶中，污染MO源。反之，當run管路壓力低于vent 管路，MO 源從vent 管路切入run 管路時，會有vent管路其他雜質元素進入run 管路，影響外延生長層的質量。因此，run 管路和vent 管路之間的壓力平衡控制非常重要。為了保證兩條管道的壓力一致，通過利用一個差壓傳感器來檢測兩條管路之間的壓力差，并將信號反饋給上位機，上位機通過改變流量計的流量以達到兩條管路的壓力平衡。

對于這種壓差控制采用軟件PID 控制的方式來進行調節(jié)，如圖7所示。

圖7 PID控制原理圖

3.2 真空系統(tǒng)

SiC 的生長必須在低真空環(huán)境下完成，工作壓力一般在80～200 mbar 之間，因此真空系統(tǒng)是SiC 外延設備的必要組成部分。在外延生長工藝過程中，各路工藝氣體、MO源切換迅速，加上溫度高達1 600 ℃對氣流產生的熱浮力等，都會對反應室的壓力產生影響；而壓力的變化有可能會產生嚴重的湍流，破壞SiC 生長所要求的層流環(huán)境。如何保證在生長過程反應室的壓力在60～760Torr范圍內任意設置點保持控制穩(wěn)定，是SiC外延設備中的關鍵技術之一。

設備真空系統(tǒng)主要指標有：反應室極限壓力5×10-6mbar，反應室工藝壓力80～200 mbar，傳送腔和loadlock 的極限壓力0.1 mbar 等。同時真空系統(tǒng)還包含特氣的排氣，極端情況的保護措施等。

為了保證反應室的壓力控制穩(wěn)定，采用高精度的閉環(huán)壓力控制儀表以及傳感器，并采用PID 調節(jié)，通過DeviceNet 總線對儀表進行實時監(jiān)控。主要的實現(xiàn)過程：薄膜規(guī)（壓力傳感器）實時采集反應室的壓力；壓力數(shù)據(jù)實時傳送給蝶閥控制器；控制器改變蝶閥的開度來調節(jié)反應室的壓力。通過動態(tài)調節(jié)，使壓力控制在一個穩(wěn)定值。壓力閉環(huán)控制如圖8所示。

圖8 壓力閉環(huán)控制

3.3 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)主要由感應線圈、中頻電源和匹配器3 部分組成，根據(jù)加熱器的外形尺寸及工藝溫度值等設計計算感應線圈的外形尺寸、匝數(shù)及電源頻率、功率、電流等參數(shù)。

加熱控制主要通過MINI8溫控儀實現(xiàn)，控制過程主要為對MINI8 的MODBUS/TCP 通信以及邏輯和設定值的控制。通信需借助工具通信協(xié)議支持功能，預先編輯好需要執(zhí)行的協(xié)議及其數(shù)據(jù)地址。程序塊首先初始化通信過程的地址和數(shù)據(jù)等參數(shù)，之后打開通信通道，執(zhí)行通訊協(xié)議。正常工藝中，默認按周期執(zhí)行讀取PV 值和寫入設定值2 個協(xié)議；若有串級狀態(tài)改變，增加執(zhí)行串級設置命令；若有設置串級參數(shù)命令，則增加執(zhí)行設置串級參數(shù)協(xié)議。若有斜率控制命令，則使能TemperatureRamp 功能塊，根據(jù)當前溫度、目標溫度以及步時間來計算輸出當前的設定溫度，若步時間缺省，則按照默認斜率計算。在溫度調試模式下，按加長周期默認讀取PV值、PID參數(shù)及自整定狀態(tài)，當有設置自整定命令或寫入PID 參數(shù)命令時，不執(zhí)行讀取協(xié)議，立即執(zhí)行寫入命令協(xié)議。協(xié)議的執(zhí)行通過請求觸發(fā)，在有請求的情況下不設置執(zhí)行協(xié)議控制數(shù)據(jù)，在協(xié)議執(zhí)行過程中不中斷，協(xié)議執(zhí)行完后復位請求標志，可進行下一次通信。

3.4 傳送系統(tǒng)

傳送系統(tǒng)主要功能是將SiC 襯底從外界傳送到反應室的反應工位生產SiC外延，生長完成后，將成品傳送到外界。

傳送過程的主要難點在于：（1）外界環(huán)境的空氣不能進入生長環(huán)境，會引響外延生長質量；生長環(huán)境的氣體也不能泄漏到大氣環(huán)境，會污染環(huán)境，同時還會有燃爆的危險；（2）生長完成的外延片處于高溫狀態(tài)，需要在高溫處取出放在密閉環(huán)境下冷卻；（3）傳送過程中，不能產生粉塵顆粒等，因為粉塵顆粒附著在襯底上，會引響外延片的質量。

該傳送系統(tǒng)的為實現(xiàn)其傳片功能，其整個傳片過程的工藝控制流程如圖9所示。

圖9 傳片過程的工藝控制流程

3.5 輔助系統(tǒng)

設備輔助系統(tǒng)主要用于監(jiān)控設備的水、電、氣、安全等外圍設備的狀態(tài)信息，主要包括設備的反應系統(tǒng)水路狀態(tài)、外圍冷卻水路狀態(tài)、門閥風機、報警信號狀態(tài)等外圍信號及相關操作。

水路系統(tǒng)的主要作用是通過循環(huán)冷卻水帶走各功能部件在工作過程中產生的多余熱量，保證溫控系統(tǒng)、反應系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等一系列功能部件，尤其是反應系統(tǒng)的石英腔體，在合理溫度下安全運行。在設備異常停機時，保證石英腔體冷卻回路繼續(xù)運行0.5 h 以上，以防止出現(xiàn)因散熱不及時而導致石英腔體異常升溫，產生爆裂風險等。

石英管內部為高溫外延生長的核心工作區(qū)域，最高溫度高達1 700 ℃以上。如散熱不及時，可能導致高溫區(qū)域外擴，石英管溫度突增。為防止出現(xiàn)因散熱不及時而導致石英腔體異常升溫，產生爆裂等風險，采用以下保護措施。

（1）冷水機供水泵冗余設置：水泵采用一備一用當水泵出現(xiàn)異常，立即切換至另一臺泵供水，并同時報告水泵異常報警。

（2）冷水機帶UPS功能：在設備異常停電時，立即自動啟用UPS電源，并保證石英腔體冷卻回路繼續(xù)運行0.5 h以上。

（3）實時監(jiān)測冷卻回路水溫與流量：在冷卻回路上安裝水溫與流量實時監(jiān)測裝置，當水溫或流量異常時，立即報警以通知操作人員調整應對。

3.6 用戶管理

外延控制系統(tǒng)屬于專業(yè)性很強的系統(tǒng)，為了保證設備和系統(tǒng)的安全，需要經過專業(yè)培訓的人員才能夠獲得授權并使用。同時系統(tǒng)從設計上保證了對使用者進行權限控制。

能夠使用外延控制系統(tǒng)的使用者分為3 類：管理員、工藝員和操作員。不同的角色的人員要求分配不同的權限，在對應功能模塊的查看和編輯等方面進行對應的限制。具體權限的控制配置如表1和表2所示。

表1 角色查看權限配置表

表2 角色編輯權限配置表

4 實驗結果和分析

SiC外延是一個氣相-固態(tài)表面復相反應的機構，其基本過程分以下步驟進行：（1）反應源氣的混合物向襯底輸運；（2）反應物分子吸附在高溫的襯底表面；（3）吸附的分子之間或吸附的分子與襯底材料分子在襯底表面發(fā)生復雜的物理、化學反應，形成晶粒和氣態(tài)副產物；（4）成型的晶粒在襯底表面擴散和遷移，形成島或團簇并排入晶體點陣中；（5）氣態(tài)副產物從襯底表面解吸，離開沉積區(qū)，隨源氣排出反應室[9]。

經過對基礎工藝的摸索和驗證，外延反應1 h，生長出符合要求的4H-SiC 同質外延層，說明設備和控制能力已經基本達到工藝要求，后續(xù)也會通過器件和工藝的具體要求持續(xù)優(yōu)化設備和控制程序。

5 結束語

本文通過研究碳化硅外延設備的控制系統(tǒng)，介紹了碳化硅外延設備控制系統(tǒng)的架構及功能設計，各個主要模塊的特點和關鍵技術點。攻克了高溫感應加熱方式下對溫度的精確控制、工藝氣體和壓力的協(xié)調、機械傳送的可靠性和穩(wěn)定性和高真空下反應室的壓力控制和安全等問題。設計了一套高效能的外延自動傳輸控制系統(tǒng)，并已穩(wěn)定運行。