大尺寸外延片表面暗點現象的工藝研究

付國森

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

1 表面暗點成因分析

生長大尺寸外延片所用的外延爐，設備結構是桶式外延爐，采用線圈感應加熱的方式，生長溫度一般在1110～1200℃之間；基座為桶式結構，每爐的裝片量較大，產能較高。

由于外延工藝要求在外延生長前將外延爐內的空氣置換干凈，必須將桶式基座內、外側的空氣用安全氣體氮氣置換充分后方可進行外延生長[1-3]。加熱前的氣體置換分為基座外側從上向下吹掃，基座內側從下而上的方式吹掃。桶式外延爐反應室結構主要由石英鐘罩、石墨基座、支承筒、升降底盤等組成，整個基座由支承筒支承并旋轉，為防止兩種不同材料的熱應力差異引起支承筒破裂。在支承筒的設計上整個筒壁不是閉合的，而是整個支承筒從上到下保留有一個約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，從而擴散到基座放置晶片的區域。隨著外延工藝的開展，反應腔體內的沉積物也相應增加，尤其在下部旋轉軸附近顆粒物會逐漸增多。這些顆粒會隨著吹掃氣流，從支承筒的縫隙處擴散到晶片區域，附著在晶片上，在外延生長后形成暗點，導致產品不合格[4-6]。暗點形成后需要對旋轉軸進行清潔甚至更換，才可緩解暗點的形成，

2 工藝試驗

桶式外延爐長期以來存在著較為嚴重的暗點問題，表1為一年中所生長外延片中出現的暗點片數及對旋轉軸進行的維護更換統計記錄。從表1可以看出，在一年的外延片生產中，因暗點造成的不合格外延片近500片，同時清潔及更換旋轉軸也極大增加了設備的維護成本，并影響正常的生產效率，打亂正常 的生產秩序。如何有效解決暗點問題成為當務之急。

表1 外延片暗點及維護情況Tab.1 Epitaxial film dark spots and maintenance

經過長期觀察與總結，發現暗點出現位置與支承筒的縫隙位置對應。為了進一步驗證這一結論是否正確，針對性地進行了三爐實驗，將支承筒的縫隙分別對應到基座的第1、3、6列，進行外延工藝生長實驗。實驗結束后檢查外延片表面暗點在基座上的位置分布情況發現，出現暗點的位置與支承筒縫隙對應的位置一致，即支承筒縫隙對應的基座一列晶片表面暗點最為嚴重。由此驗證了暗點是在吹掃時將顆粒從旋轉軸經支承筒縫隙處擴散到對應的晶片表面所致。

據此項目組提出了對支承筒進行改造。改造思路為在不影響支承筒安全使用的前提下，在支承筒內側設計一個檔板，防止顆粒從縫隙處擴散而出，既阻擋顆粒從縫隙中擴散到晶片表面，又具備緩解支承筒與基座之間的熱應力差異。設計方案如圖1所示，采用此方案改造后的支承筒，在內側擋板的作用下，可阻擋顆粒從縫隙中流出，從而解決暗點問題，提高外延產品合格率。

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

為了驗證支承筒改造后的效果，進行了2種支承筒對應基座實驗，實驗條件見表2，

表2 兩種支承筒對應的實驗條件Tab.2 Experimental conditions corresponding to the two support cylinders

通過以上實驗，生產出的外延片，經過在200KLX的強光燈下觀測，出現暗點情況見表3。

從表3可以看出，使用原支承筒，每爐外延片表面均出現不同數量的暗點，同時發現暗點出現的位置與支承筒縫隙相對應，從而進一步確定了暗點的來源。使用改造后的支承筒則沒有暗點產生，說明改造方案很好地解決了暗點問題。采用改造后支承筒后暗點和設備維護情況見表4。

表3 兩種支承筒對應的實驗結果Tab.3 Experimental results corresponding to the two support cylinders

表4 采用改造支承筒暗點和設備維護情況Tab.4 Modified support cylinder dark point and maintenance

從表4可以看出，應用改造后的支承筒連續生產一年來，暗點片數從近500片降到0片，清軸次數由27次減少到2次，換軸次數由7次減少到2次。

3 結 論

經過實驗驗證，改造后的支承筒可以有效地解決生產中出現的暗點問題，項目組將此支承筒運用于生產中，通過一年的使用發現，不僅解決了暗點問題，提高了產品的成品率，同時使得清軸與換軸的維護次數大幅下降，極大降低了設備維護成本，提高了設備的開機效率。