LPCVD設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的重要性分析

董軍恒，高 丹

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津 300220)

0 引 言

LPCVD設(shè)備是目前國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體集成電路，半導(dǎo)體光電器件制備工藝中常用的 CVD設(shè)備之一。為防止在硅外延過程中雜質(zhì)對(duì)正在生長(zhǎng)的外延層的“自摻雜”，在外延片背面上淀積一層 SiO2以封閉雜質(zhì)的擴(kuò)散，從而使外延層的質(zhì)量得以控制。采用LPCVD設(shè)備來制備半導(dǎo)體工藝中所需薄膜具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如均勻性好、可控性及重復(fù)性高、成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)等，使得 LPCVD的使用十分廣泛，但同時(shí)，其使用中出現(xiàn)的問題也日益凸顯。

本文簡(jiǎn)要分析了 TEOS源 LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)法淀積 SiO2膜過程中產(chǎn)生的問題，并根據(jù)實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)，對(duì) LPCVD在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行討論，對(duì)其維護(hù)及保養(yǎng)的重要性進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 淀積工藝分析

SiO2膜的淀積采用TEOS(正硅酸乙酯)在700,℃、50,Pa左右的條件下熱分解制得。化學(xué)氣相反應(yīng)可以概括描述為：

薄膜的淀積由幾個(gè)參數(shù)共同決定，包括源溫度反應(yīng)壓力、爐內(nèi)溫度、真空度等。它們對(duì)薄膜的各方面質(zhì)量起著決定性作用。而各參數(shù)之間既相互聯(lián)系同時(shí)又能夠獨(dú)立地對(duì)薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生影響。只有綜合調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，才能得到質(zhì)量合格的薄膜。下面就薄膜質(zhì)量與工藝參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論。

1.1 淀積速率

淀積速率不僅與源溫度(氣體流量)有關(guān)，還與反應(yīng)壓力、爐內(nèi)溫度等參數(shù)有關(guān)。總體來說，淀積速率隨源溫度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力的升高而增大。目前采用TEOS源熱分解淀積二氧化硅薄膜，淀積參數(shù)如表1所示。這樣，綜合調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)就可以得到預(yù)期的淀積速率。

1.2 片內(nèi)均勻性

對(duì)于淀積 SiO2膜來說，均勻性是一個(gè)很重要的質(zhì)量參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于片內(nèi)均勻性來說，硅片的擺放是關(guān)鍵問題，因?yàn)檫@關(guān)系到爐內(nèi)氣流的均勻穩(wěn)定，而穩(wěn)定均勻的氣流才能使硅片四周有相對(duì)均勻濃度的氣態(tài)源氣氛。其次，片距同樣起重要作用。因?yàn)樵谄噍^小時(shí)，片間容易存積過多熱分解產(chǎn)生的附產(chǎn)物廢氣而使硅片間氣態(tài)TEOS源不均勻，導(dǎo)致硅片各部分淀積速率快慢不一，使片內(nèi)均勻性變差。另一方面，隨著壓力的升高，片內(nèi)均勻性也同樣變差。這是由于反應(yīng)室內(nèi)硅片表面附近氣態(tài) TEOS源所占分壓趨于不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致硅片各部分淀積速率難以控制。實(shí)驗(yàn)證明，片距在5,mm左右，壓力在50,Pa以下時(shí)對(duì)SiO2膜質(zhì)量來說可以接受。此外，片內(nèi)的不均勻性還呈現(xiàn)出上厚下薄的現(xiàn)象，這是由于硅片下部分為石英舟和石英槳，使氣態(tài)源不能快速均勻地像上半部分那樣高的濃度分布，但問題不明顯。

表l 二氧化硅膜的典型淀積條件Tab.1 Typical deposition conditions of silicon dioxide film

1.3 片間均勻性

片間呈現(xiàn)不均勻，一般用調(diào)節(jié)爐管前后溫度梯度的方法加以解決。由于氣態(tài)源由爐口處進(jìn)入，使得爐口處硅片先發(fā)生反應(yīng)。至于爐中的硅片能得到多少氣態(tài)源進(jìn)行反應(yīng)，很大程度上取決于爐口硅片的反應(yīng)速率。而爐尾硅片反應(yīng)所需的氣態(tài)源更是由前兩部分反應(yīng)速率所決定。這就是所謂的輸運(yùn)耗散。故此，為了抵消輸運(yùn)耗散對(duì)均勻性的作用，就必須調(diào)節(jié)爐內(nèi)三點(diǎn)溫度以達(dá)到各處有均勻的淀積速率。由于LPCVD淀積薄膜的工藝過程實(shí)際上是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，要確切地了解淀積過程的真實(shí)狀態(tài)需進(jìn)一步對(duì)氣體在爐內(nèi)的流體分布及表面反應(yīng)做更深入的研究。

2 故障及維護(hù)

2.1 LPCVD設(shè)備使用常見故障

2.1.1 真空度偏高

對(duì)于LPCVD設(shè)備而言，真空度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，直接關(guān)系到SiO2膜的質(zhì)量。真空度偏高有兩種情況，一種是系統(tǒng)真空燈亮，有壓力顯示(即爐內(nèi)壓力≤1,365,Pa，在低真空范圍)，這種情況常表現(xiàn)為以下幾種現(xiàn)象：

①正常檢漏不合格。有漏點(diǎn)會(huì)造成真空度偏高，包括爐門或各卡口及其他接口密封圈不干凈或接觸不嚴(yán)。應(yīng)檢查各點(diǎn)安裝狀況，如有必要可用檢漏儀檢漏，查出漏點(diǎn)后拆下重裝即可解決真空問題。此外，密封圈的老化變形也會(huì)造成這種狀況，這時(shí)需要更換一個(gè)新密封圈。值得注意的是在石英槳與退舟的連接處、蝶閥內(nèi)部轉(zhuǎn)軸的連接處都有小尺寸密封圈，檢漏時(shí)都要考慮。長(zhǎng)時(shí)間使用后，設(shè)備的各單向閥、電動(dòng)閥也會(huì)出現(xiàn)由于損壞或其他原因造成的泄露，檢漏時(shí)需注意。

②爐管清洗后(包括管路)極限真空過高且漏率過高。這是由于系統(tǒng)內(nèi)水汽未蒸發(fā)完全所致，可將爐溫升到300,℃以上，持續(xù)一點(diǎn)時(shí)間后即可使真空度達(dá)到要求。

③漏率可以達(dá)到要求，但極限真空過高。這種情況可能是因?yàn)檎婵沼?jì)零點(diǎn)漂移，使顯示壓力高于實(shí)際壓力，這會(huì)使淀積時(shí)壓力不能達(dá)到工藝要求，造成淀積速率和均勻性降低，可將真空計(jì)歸零(默認(rèn)當(dāng)時(shí)的壓力為 0,Pa)。此外，也有可能是真空計(jì)卡住了，將其拆下清理干凈即可排除故障。

④系統(tǒng)密封性無問題，但生產(chǎn)時(shí)常規(guī)檢漏漏率過高。這種情況可能是蝶閥在加熱過程中造成的。由于在生產(chǎn)時(shí)系統(tǒng)中會(huì)殘留少量未完全反應(yīng)的源，而蝶閥處亦然。加熱會(huì)使源蒸發(fā)或分解，使?fàn)t內(nèi)壓力上升，關(guān)閉加熱即可。如還不能解決，可以開啟主抽一段時(shí)間，將其抽干凈或盡量少即可達(dá)到要求。

而另一種真空度偏高的情況是慢抽一段時(shí)間后系統(tǒng)壓力不見降低，系統(tǒng)常壓燈亮，即無壓力顯示(即爐內(nèi)壓力≥1,365,Pa，在常壓范圍)，這時(shí)可能為系統(tǒng)有較大漏點(diǎn)，如爐門關(guān)不嚴(yán)、石英槳有裂痕及管路接口漏氣等，應(yīng)調(diào)整爐門、檢查石英及管路部件是否破損或漏氣。也有可能是進(jìn)限位觸發(fā)器位置偏離，使系統(tǒng)慢抽處于鎖定狀態(tài)。此時(shí)，需仔細(xì)檢查各處，直到找出原因。

2.1.2 淀積不上

在生產(chǎn)過程中，特別是在更換新源后，常常會(huì)出現(xiàn)淀積不上的現(xiàn)象。這種情況有時(shí)表現(xiàn)為淀積過程蝶閥角度較平時(shí)偏小，這時(shí)可能是源溫過低(沒有達(dá)到所需溫度)，源蒸發(fā)率幾乎為零，結(jié)果造成淀積不上；有時(shí)程序顯示一切正常，而還是淀積不上，這種情況就可能是源瓶處未旋緊，致使空氣進(jìn)入或源漏出，使?fàn)t內(nèi)無源可長(zhǎng)，造成淀積不上的現(xiàn)象。拆下源出氣端口，重新安裝即可解決這個(gè)問題。

2.1.3 淀積速率過大

正常情況下，當(dāng)爐溫、源溫及壓力等工藝參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，淀積速率基本保持不變。但實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)生長(zhǎng)過程中，有時(shí)淀積速率會(huì)明顯偏大，膜厚異常，而工藝參數(shù)一直穩(wěn)定。其原因一般為爐尾由于結(jié)晶物過多致使尾管部分越來越小，甚至堵住而造成。由于通入爐內(nèi)的氣態(tài)源過多，反應(yīng)不完全，到達(dá)尾管部分時(shí)由于溫度降低或空間變小等原因使大量氣態(tài)源聚集于此而造成堵塞。此時(shí)，需對(duì)尾管部分進(jìn)行清理才能使淀積速率恢復(fù)正常。

2.1.4 尾管結(jié)晶問題

尾管的結(jié)晶不僅影響連續(xù)生產(chǎn)，同時(shí)也表明源的利用率過低。所以如何讓更多的源轉(zhuǎn)到淀積過程，提高利用率就成了LPCVD設(shè)備的重要問題之一。對(duì)于這個(gè)問題，只能是對(duì)目前的工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，降低源溫，同時(shí)調(diào)整其他參數(shù)使淀積速率保持不降，從而最大限度地提高源的利用率，也能減少在管路中未完全反應(yīng)的源結(jié)晶。此外，也可以在爐管以后的個(gè)別部分進(jìn)行加熱，使未反應(yīng)的源被干泵抽走。另外，設(shè)計(jì)一個(gè)更為高效的冷阱來聚集這些結(jié)晶物也是一個(gè)可選的方案。

2.1.5 其他問題

除以上問題之外，還有一些在LPCVD設(shè)備使用中經(jīng)常會(huì)遇到的故障，比如退舟失敗、程序顯示異常及換源后第一爐淀積速率偏小等現(xiàn)象。有時(shí)由于充氮不足使?fàn)t內(nèi)壓力不夠就會(huì)造成舟不能退出，需停止工藝，手動(dòng)充氮至常壓后即能成功退出。若程序顯示出現(xiàn)異常，可以等淀積結(jié)束再關(guān)閉重啟。因?yàn)楸砻娉绦蝻@示異常，但實(shí)際上工藝還能照常運(yùn)行，若在淀積過程中關(guān)掉程序就會(huì)使工藝停止，使最終的膜厚不好控制。換源后第一爐一般由于源未能在短時(shí)間內(nèi)在瓶?jī)?nèi)形成足夠的蒸氣壓而使最終發(fā)生反應(yīng)的氣態(tài)源總量不足，之后源溫穩(wěn)定且源瓶?jī)?nèi)及管道已有連續(xù)的氣態(tài)源故淀積厚度保持一致。要解決此問題可以單獨(dú)增加第一爐淀積時(shí)間或等源溫穩(wěn)定一段時(shí)間后再進(jìn)行淀積即可。

2.2 LPCVD設(shè)備的維護(hù)

為了使LPCVD設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間保持良好的狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)是十分重要的，有必要采取一些習(xí)慣性的措施來使設(shè)備得到良好的維護(hù)。

2.2.1 盡可能讓LPCVD設(shè)備保持真空狀態(tài)

對(duì)于一臺(tái)真空類設(shè)備，其密封性無疑是極其重要的。在停爐后把殘余物盡量抽盡，使設(shè)備在不工作時(shí)盡量保持真空狀態(tài)。這樣再次使用時(shí)設(shè)備還能保持良好的狀態(tài)。可以定時(shí)給設(shè)備抽真空來提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

2.2.2 定期清洗、檢查密閉性

由于淀積過程中不可避免地會(huì)在管壁也淀積一層SiO2薄膜，連續(xù)生長(zhǎng)多爐后，爐管內(nèi)會(huì)存在較多的顆粒，使生長(zhǎng)的薄膜質(zhì)量下降。所以，一般生長(zhǎng)幾十爐后就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的清洗，使淀積能處在一個(gè)良好的環(huán)境之下。長(zhǎng)時(shí)間使用后，密封圈會(huì)老化變形。定期檢測(cè)真空度，更換老化的密封圈，旋緊松動(dòng)的螺絲，可以使設(shè)備保持常新的狀態(tài)。此外，對(duì)設(shè)備進(jìn)行表面清理也應(yīng)該是操作者每天的必要工作。

3 結(jié) 論

在半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，我們常常只關(guān)注工藝技術(shù)的研究，而忽視了所用設(shè)備的維護(hù)工作。而處于良好狀態(tài)的設(shè)備恰恰是工藝技術(shù)研究的基礎(chǔ)。所以，設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)是極其重要的。LPCVD設(shè)備的使用十分簡(jiǎn)單，但其維護(hù)卻十分繁瑣，實(shí)際使用過程中也會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。通過分析LPCVD設(shè)備使用常見故障及其原因，總結(jié) LPCVD設(shè)備維護(hù)關(guān)鍵，為相關(guān)工作者提供參考與借鑒。