外延爐對稱性特點及其應用研究

張文

河北普興電子科技股份有限公司

【摘 要】外延爐內部對稱性是爐子設計中非常重要的因素，本文主要從對稱性出發來說明2061氣流和溫度的分布特點，及其在調試爐子中的應用。

【關鍵詞】硅外延；對稱性；氣流；溫度

引言

外延是晶體襯底上按規律和一定方向生長晶體的過程，在現代微電子工藝中，硅外延是絕大多數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鍵指標，十分重要。硅外延部分最重要的指標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間、生長速率、反應腔氣流分布等。

1.實驗設備及原理分析

1.1 實驗設備

實驗采用筒式外延爐為意大利產 LPE 2061S 型外延爐，如圖所示：

反應氣體從鐘罩頂部氣體入口處進入反應室，從排成一圈的六個石英噴嘴噴出，經石英擋板阻擋，沿基座與鐘罩之間向下，在高溫下反應而在硅片表面沉積生長，反應尾氣在下部排出。

①溫度分布

2061 加熱原理：感應線圈內通過高頻大電流，制造渦旋磁場；基座是導體，處于渦旋磁場中，產生感生電流，電流加熱基座。

LPE 2061 采用中心軸對稱設計，它的對稱性表現在如下幾個方面：

⑴ 感應線圈是圓筒狀，中心軸對稱設計的；它產生的磁場也是中心軸對稱的。

⑵ 鐘罩是中心軸對稱設計的。

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

⑷ 基座上片槽的對稱性。片槽是平面結構，片槽內各點距離基座中心線的距離與它們和片槽中心的位置有關系。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剖面。AB 線上，和圓心 O距離相等的點距離感應線圈距離相等，故在渦旋磁場中受到的加熱是一樣的，所以溫度應該相等。這就是說，片槽內溫度分布是沿著中心軸 CD 鏡面對稱的。（電阻率和溫度相關，故電阻率也應該是鏡像對稱的） 。

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，在基座上加熱反應，最后從基座下邊緣流出。故影響氣流中心軸對稱的因素有：石英頂盤的位置、基座和石英鐘罩的位置關系、基座左右旋轉的影響。

⑴ 石英頂盤：石英頂盤是中心對稱的平面圓盤，隨著基座繞中心軸旋轉。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：鐘罩是中心軸對稱設計的。鐘罩的形狀及其與基座的位置關系決定了氣流的分布及流速。

⑶ 基座：基座是中心軸對稱設計的。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稱分布的。 基座處于中心且左右旋轉速度和時間相同時，同一水平線上的同樣位置的點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系只影響氣流上下分布。

⑷ 基座左右旋轉速度及時間：基座左右旋轉速度及時間相等時，能夠彌補鐘罩形狀缺陷造成的不對稱性。

破壞對稱性因素及應對辦法：

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

⑵基座偏離中心，使某一列距離感應線圈更近，氣流通道變窄。這時需要調整基座到中心位置。

⑶ 基座本身對稱性有問題。需要采購和基座廠家聯系，改進加工或調整設計。

⑷ 轉軸偏轉，導致基座不能中心對稱旋轉。需要設備工程師維護轉軸。

綜上，因為氣流和溫度對稱中心的重合，所以兩者同樣是中心軸對稱的，兩者偏離中心軸對稱會同時發生，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稱分布的，相對列電阻率和厚度分布是一樣的。而 1 片外延片內部的電阻率和厚度應該是鏡面對稱的。在測量中，代表性外延片和外延片上代表性點的選取要考慮對稱性特點。我們可以選一列外延片測量電阻率來代表溫度在基座上的分布，可以測量相對列 1列厚度數據代表氣流在基座上的分布， 測量相對列 2 片厚度數據代表相對基座是否處在中心軸線上。并根據測試數據來調整感應線圈、氣流和基座。目前我們外延片上代表性點的選取如圖 2，中心點設為 1 點，5 點為參考面 10mm點，2、4 點對稱。如果要測量出對稱性的特點，那么必須要求裝片過程中 2、4 點也處于基座上對稱性位置。而基座上片槽內是鏡面對稱的， 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。

因為左右旋轉幾乎相等，所以厚度分布近乎理想的鏡面對稱。從圖中看，因為裝片角度的問題，對稱軸并不嚴格平行于 Y 軸方向。上下層厚度各有四個高峰和四個低谷：上下左右四個極點是峰，偏離45 度方向的四個斜角方向是低谷。1、2 層四高峰四低谷的分布各有特點，但大致位置一致的。

圖 4 是 L9 49 點測量數據所繪等高線圖。6 inch 外延片，旋轉設置 4.5*5.08。

從圖 4 看，對稱性遠不如圖 2，這是因為它的旋轉設置，左右相差 0.58，嚴重破壞了左右旋轉對稱性。同時裝片時參考面傾斜，導致對稱軸和 Y 軸偏離比較大的角度。上下 49 點數據比較粗略，但大致也能看出四高四低的特點。此時2、4 點不具有對稱性的特點。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.結論與分析

工程師判斷左右旋轉是否合適非常重要的一個判據是 2、4 點厚度和 1點厚度之間的關系。同時調整旋轉速度和時間也是調整均勻性的一個重要手段。那么如果參考面不是按照圖 2 的裝片方式， 而是習慣性的傾斜一個角度，如 15 度，那么2、4 點將不再有對稱性關系。此時還按照 2、4 點和 1 點的厚度關系調整旋轉速度，將會得到錯誤的結果。所以，要求工人師傅們裝片按照圖 2 所示正上或正下裝片，厚度均勻性會好很多。