半導(dǎo)體設(shè)備AMAT P5000 PETEOS 打火異常分析及處理方法

周建平

（無錫華潤上華科技有限公司，江蘇 無錫 214035）

等離子增強(qiáng)CVD（PECVD）機(jī)臺我們公司使用的是美國應(yīng)用材料P5000 系列設(shè)備，是世界上第一臺成功地以單晶片、多反應(yīng)室理念而設(shè)計成的量產(chǎn)及研發(fā)均適用的半導(dǎo)體制程設(shè)備，6 寸8 寸設(shè)備共用相同的主機(jī)構(gòu)架。其中PETEOS 工藝是PECVD 中的一種用作金屬間的介質(zhì)層工藝，材料源（TEOS，O2）以氣體形式進(jìn)入真空工藝腔體內(nèi)，在一定真空壓力和RF 加功率的情況下，反應(yīng)氣體(TEOS，O2)從輝光放電（Plasma：等離子場）中獲得激活能，激活并增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣象淀積。（TEOS+O2——plasma、heat、pressure——SiO2（H）+volatiles）。Plasma 也可被用于清洗腔體。（C2F6 +SiO2——plasma、heat、pressure——SiF（volatile）+CO2（volatile）+others volatiles）。

在生產(chǎn)過程中TEOS 打火發(fā)花嚴(yán)重影響了產(chǎn)品良率和備件壽命。本文就針對此異常進(jìn)行分析并提供解決方案。

1 壓力、氣體流量和功率分析

從淀積和清洗參數(shù)來看，主要是壓力、氣體流量和功率三方面。如下對這三個方面進(jìn)行分析。

1.1 壓力分析

壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣流不均勻，當(dāng) 加Plasma 時 會局部打火。如案例CBP5K4B。 原 因 為SLIT 閥 的ORING 有 一處有破損的現(xiàn)象(如圖1 所示)。

圖1

圖2

1.2 氣體流量分析

CVD 工藝氣體從氣體管道通過cvg 組件→gas box 孔→blocker →showerhead 氣體噴射到圓片表面。如果blocker 和showerhead 哪個孔異常，會導(dǎo)致氣流不均，當(dāng)加Plasma 時引起備件和圓片局部打火。如CPP5K9B QC 片打火。原因?yàn)閟howerhead 和blocker 之間有顆粒堵住洞，如圖2。

當(dāng)gas box 表面異常，showerhead 和blocker 與它接觸會產(chǎn)生電位差而打火。如CPP5K3A QC 片打火，原因?yàn)間as box 表面白粉沒打磨掉，導(dǎo)致blocker 接觸電阻變大產(chǎn)生壓差打火，如圖3 所示。

圖3

圖4

圖5

1.3 功率分析

P5000 設(shè)備的射頻源在設(shè)計上都以50 歐姆為額定輸出電阻，但腔體在淀積和清洗過程中其電阻是不斷變化的，因此，需要在RF Generator與腔體之間加一匹配器，用以使RF Generator 的負(fù)載電阻穩(wěn)定在50 歐姆。RF POWER 過大或不穩(wěn)，會影響淀積和刻蝕均勻性。如CPP5K8B。原因?yàn)镽F Generator 漏電使RF MATCH 與 腔 體BODY 接 觸的絕緣桿表面聚集電荷與腔體導(dǎo)通影響CVG 電阻導(dǎo)致RF 功率波動，更換RF Generator 后正常。

2 壓力、氣體流量和功率改善

2.1 壓力改善

根據(jù)壓力控制流程，定期校準(zhǔn)Throttle valve，換截止閥O-RING 和SLIT ORING，檢查壓力計MKS 壓力穩(wěn)定性（圖4）。

2.2 清洗菜單改善

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過修改原清洗菜單壓力、流量，可以改善gas box，showerhead、susceptor 表面的清洗，達(dá)到防止過清洗和清洗不均勻的目的，預(yù)防了showerhead 和blocker之間由于顆粒原因引起的打火。

2.3 功率改善

校準(zhǔn)RF POWER，確認(rèn)設(shè)定值與實(shí)際值一致。定期檢查CVG 電阻。

3 工藝腔體備件和水路分析

從腔體目前狀況來看，主要是Lift hoop、Chamber body、Pump plate和熱交換器水比較臟。如下對這些臟的危害進(jìn)行分析。

3.1 備件臟分析

（1）Chamber body 覆蓋一層SiO2 導(dǎo)致絕緣，影響Susceptor 接地。（2）Lift hoop 及螺絲生銹，會產(chǎn)生金屬顆粒，增加離子沖擊，提高溫度，損傷Susceptor。（3）Pump plate 臟，影響抽速，導(dǎo)致壓力異常。

3.2 熱交換器水臟分析

熱交換器水臟，影響CVG 電阻，從而影響氣流導(dǎo)致打火。

圖6

4 工藝腔體備件和水路改善

4.1 備件臟改善

（1）打磨Chamber body。確認(rèn)Chamber body 的地線與AC BOX 地線一致。

（2）清洗Lift hoop，更換螺絲。

Pump plate 外送清洗。

4.2 熱交換器水臟改善

定期更換DI TANK，濾芯。加乙二醇。

日檢熱交換器水電阻值。

圖7

5 設(shè)備參數(shù)管控分析

通過以上的改善措施我們可以定時定量地預(yù)防性維修，由于不能保證實(shí)時監(jiān)控，不可避免地還會有圓片打火發(fā)生。如CPP5K04 三腔在2018 年偶有圓片打火發(fā)生，一旦打火RF LOAD 波動很大，由于偶發(fā)性，增加了排查故障的周期。需要實(shí)時監(jiān)控RF LOAD。

6 設(shè)備參數(shù)管控改善

與IT 協(xié)作引進(jìn)FDC SYSTEM，如圖8。

圖8

由于有FDC SYSTEM 的實(shí)時監(jiān)控，一旦RF LOAD 波動報警，圓片就被HOLD，設(shè)備停下處理，避免打火剔片。如CPP5K04加入了FDC SYSTEM，設(shè)備及時停下排除故障，原因?yàn)镈C POWER 15V 電壓波動不穩(wěn)引起模擬量RF POWER 波動打火。

7 結(jié)論

PM 時關(guān)注確認(rèn)關(guān)鍵備件gas box 表面接觸的導(dǎo)電性，CVG 組件的電阻大小，設(shè)備參數(shù)熱交換器水電阻值。生產(chǎn)工藝時運(yùn)用FDC 系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控RF LOAD 波動范圍，異常報警時及時HOLD 圓片，停機(jī)檢查。采取這些手段和工具，TEOS 打火是可控的，從而有力地保證了生產(chǎn)的流通和產(chǎn)品的良率。

8 成果

通過2019 年的改善措施，該年度由于TEOS 發(fā)花剔片數(shù)相對于2018 年減少15 片，由原來的20 片到現(xiàn)在的5片，提高75%（數(shù)據(jù)來源于公司YE 日報）。