李普生

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220）

對影響外延片表面質(zhì)量的若干問題的研究

李普生

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220）

外延片作為制造多種分立器件的必須材料，其地位已愈發(fā)重要。外延片的表面質(zhì)量對外延片整體質(zhì)量有很大影響。本文對在外延片生產(chǎn)中，影響外延片表面，引起外延生產(chǎn)大部分不合格率的顆粒、暗點(diǎn)、滑移線等主要問題進(jìn)行了研究，總結(jié)了批量生產(chǎn)中針對此類問題采取的預(yù)防改進(jìn)措施。關(guān)注產(chǎn)品表面質(zhì)量，減少或根除這些因素對外延片表面的影響，將對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提升產(chǎn)品合格率起到積極作用。

半導(dǎo)體硅外延材料；表面質(zhì)量；顆粒；暗點(diǎn)；滑移線

外延片是制造多種分立器件的基礎(chǔ)材料，其地位愈來愈重要。它作為筆者部門科研及生產(chǎn)的主要產(chǎn)品，嚴(yán)格把控其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、表面質(zhì)量，不斷提升外延產(chǎn)品的質(zhì)量與合格率是我們的責(zé)任也是我們不變的目標(biāo)。目前我們的生產(chǎn)設(shè)備都是采用氣相沉積法［1］進(jìn)行外延生產(chǎn)。這種產(chǎn)品有其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)，這些工藝特點(diǎn)也是產(chǎn)生問題的關(guān)鍵點(diǎn)。在日常生產(chǎn)中，引起外延片表面質(zhì)量缺陷的原因共有3種：

1）操作原因。國內(nèi)大部分外延生產(chǎn)設(shè)備型號相對老舊，襯底及外延片的裝取還依靠人工操作。由于人工操作容易受到外界因素的影響，存在不穩(wěn)定性，在裝取片過程中會(huì)造成對外延片表面的損傷，產(chǎn)生簇、劃痕、顆粒超標(biāo)等問題出現(xiàn)。

2）工藝原因。外延生長過程的工藝設(shè)計(jì)對外延片最終參數(shù)起主要作用，其表面情況也會(huì)隨工藝參數(shù)設(shè)計(jì)有所變化。

3）設(shè)備原因。由于外延材料制備過程中要求環(huán)境潔凈程度高，不允許有任何顆?；覊m沾污，但設(shè)備長時(shí)間的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生或者引入一些顆粒，對內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)境造成破壞；另一方面工藝氣體的純凈度［2］也會(huì)造成表面質(zhì)量的不達(dá)標(biāo)。

1　外延片表面的顆粒問題

當(dāng)前采用的兩臺設(shè)備都是應(yīng)用氣相沉積法生長硅外延，由于鐘罩的熱壁效應(yīng)［3］會(huì)在鐘罩內(nèi)表面下部形成一層硅的附著，隨著外延生長的不斷進(jìn)行，這層附著硅會(huì)隨著外延生長厚度的增加而增加。達(dá)到一定厚度后就會(huì)產(chǎn)生碎裂形成硅渣顆粒并與鐘罩內(nèi)表面脫離，掉落在基座上的硅渣就會(huì)參與到硅片表面的外延生長中。隨著外延層厚度生長，這種顆粒的表象也會(huì)隨之增強(qiáng)，最終形成較明顯的表面質(zhì)量缺陷，強(qiáng)光燈下顯像為大亮點(diǎn)或小亮點(diǎn)，如圖1、圖2所示。

圖1　外延表面大亮點(diǎn)

圖2　外延表面小亮點(diǎn)

為解決該項(xiàng)能夠?qū)е峦庋颖砻娌缓细竦膯栴}，需要每隔一段時(shí)間對鐘罩內(nèi)表面進(jìn)行清潔。清潔周期可以參考基座累積包硅厚度，每當(dāng)基座累積包硅厚度達(dá)到1000μm時(shí)即需要對鐘罩內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢查。檢查時(shí)應(yīng)停爐，充分降溫后卸下基座與石英件，使用照明燈仔細(xì)檢查整個(gè)鐘罩內(nèi)壁，若出現(xiàn)脫皮、硅層碎裂、大塊硅渣懸掛內(nèi)壁等情況時(shí)需要清潔鐘罩。

鐘罩清潔方式應(yīng)以無塵布蘸異丙醇或無水乙醇擦拭，并結(jié)合無塵吸塵器吸取硅渣。潔凈標(biāo)準(zhǔn)以清潔鐘罩后擦拭內(nèi)壁，無塵布上無色變與硅渣殘留為準(zhǔn)。清潔完成后重新安裝石英件與基座并開爐運(yùn)行，觀察前5爐外延片表面質(zhì)量，作為鐘罩是否清潔干凈的標(biāo)準(zhǔn)。由于首爐實(shí)驗(yàn)的不穩(wěn)定性，首爐外延片表面質(zhì)量不作為可參考的檢驗(yàn)因素。

另一方面，基臺轉(zhuǎn)軸也會(huì)引起外延片表面顆粒超標(biāo)。外延生長的摻雜劑氣體是由中空轉(zhuǎn)軸吹掃至鐘罩腔體內(nèi)部的，設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后轉(zhuǎn)軸頂部同樣會(huì)沉積少量硅質(zhì)。當(dāng)硅的沉積達(dá)到一定厚度后會(huì)發(fā)生碎裂，形成硅渣隨摻雜氣進(jìn)入腔體，落在硅片表面后被外延層擴(kuò)大表象，形成明顯的表面缺陷［4］。由這種原因形成的質(zhì)量缺陷有其特殊的位置特點(diǎn)。摻雜氣由轉(zhuǎn)軸中孔吹出后進(jìn)入石英支撐桶再進(jìn)入腔體。由于石英支撐桶的本身設(shè)計(jì)，桶身卷曲接觸的位置存在一道寬約3mm的縫隙，氣體會(huì)從這道縫隙中吹出，其直接后果是縫隙附近的2-3片外延片表面顆粒數(shù)量明顯多于其他位置的外延片。針對由這個(gè)原因產(chǎn)生的表面質(zhì)量問題，解決辦法在于清潔或更換轉(zhuǎn)軸及軸套。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)設(shè)定該周期為一個(gè)月，即每月對轉(zhuǎn)軸及軸套進(jìn)行一次清潔；并且由于旋轉(zhuǎn)磨損，每三個(gè)月需更換一根新的轉(zhuǎn)軸。該維護(hù)周期的設(shè)定即可滿足要求，可保證不會(huì)因轉(zhuǎn)軸原因產(chǎn)生產(chǎn)品的不合格。

2　外延片暗點(diǎn)問題

暗點(diǎn)，顧名思義，在強(qiáng)光燈下顯示顏色發(fā)暗，大小與小亮點(diǎn)相當(dāng)或更小。暗點(diǎn)的形成原因與顆粒形成原因相似，都是由直徑特別小的顆粒導(dǎo)致。轉(zhuǎn)軸、尾氣、尾氣管長久不維護(hù)均能導(dǎo)致外延片表面暗點(diǎn)出現(xiàn)。

最易導(dǎo)致暗點(diǎn)出現(xiàn)的就是轉(zhuǎn)軸的原因，轉(zhuǎn)軸過久不清潔問題比較嚴(yán)重，顆粒暗點(diǎn)均會(huì)產(chǎn)生，按照設(shè)定周期對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行維護(hù)能夠降低或者消除其對外延片表面質(zhì)量的影響。

尾氣處理部分也會(huì)造成外延片表面出現(xiàn)暗點(diǎn)。以EpiPro5000外延爐為例，尾氣監(jiān)視表壓力讀數(shù)過高時(shí)，表示尾氣管路或尾氣處理器壓力過高，尾氣處理器處理能力降低，可能會(huì)導(dǎo)致氣體排放不暢，尾氣倒流等問題。因尾氣中所含氣體雜質(zhì)含量較高，會(huì)對腔體造成污染，從而導(dǎo)致外延表面產(chǎn)生暗點(diǎn)、霧及氧化等缺陷問題。時(shí)刻監(jiān)視腔體壓力、尾氣管路壓力，并每隔一段時(shí)間對尾氣處理器進(jìn)行維護(hù)都是解決尾氣引發(fā)暗點(diǎn)問題的有效手段。

3　外延片滑移線問題

硅片在外延生長過程中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生滑移線問題，通過近期的觀察發(fā)現(xiàn)，滑移線一般出現(xiàn)在外延片的參考面附近或?qū)γ妫€長隨外延層的厚度有所區(qū)別。薄層外延產(chǎn)生滑移線較少，厚層滑移線問題較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在滑移線數(shù)量多，單條線長較長等?；凭€的圖形表征如圖3、圖4所示。

圖3　外延片表面滑移線

圖4　外延片表面滑移線

滑移線問題的產(chǎn)生可由以下幾方面因素引起：

1）外延爐線圈溫場不均勻。外延生長溫度場［5］對外延生長過程影響很大，設(shè)置溫度與實(shí)際溫度偏差過大、硅片片內(nèi)溫度（硅片直徑兩端及中心點(diǎn)三點(diǎn)間溫度）偏差過大都會(huì)導(dǎo)致滑移線的產(chǎn)生。當(dāng)因此原因出現(xiàn)滑移線時(shí)需要根據(jù)外延爐實(shí)際的溫場特點(diǎn)對外延爐線圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳溫場效果，解決滑移線產(chǎn)生的問題。

2）硅片倒角質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。此項(xiàng)因素屬于由硅片的質(zhì)量問題引起，若硅片在倒角過程中倒角質(zhì)量［6］不合格，即使溫場良好也會(huì)很容易導(dǎo)致外延片表面滑移線的產(chǎn)生。改善硅片倒角質(zhì)量則是解決因此問題導(dǎo)致的滑移線問題。

3）基座原因?；诜刍蜷L時(shí)間使用，會(huì)導(dǎo)致基座內(nèi)部及表面應(yīng)力［7］發(fā)生改變，進(jìn)而影響硅片的表面特性，導(dǎo)致表面滑移線的產(chǎn)生。

4）其他原因。

4　其他問題

除了作為外延生長必須存在的條件因素外，外延片制造流程中的操作、包裝及運(yùn)輸過程也會(huì)對外延片造成損傷。

硅片在完成外延生長后需要由操作人員使用吸筆和頂筆將其由基座上取下裝入片盒，頂筆頭過鈍或過于鋒利均會(huì)導(dǎo)致硅片表面受損，形成簇、劃痕、點(diǎn)等缺陷，因此需要每天對操作工具進(jìn)行檢查，一旦工具出現(xiàn)磨損、損壞，需要及時(shí)對其維修或更換新的筆頭，以避免造成外延片表面損傷；超凈間潔凈情況同樣影響外延片的表面質(zhì)量。能夠造成沾污的因素一方面是超凈間環(huán)境自身的潔凈度，另一方面是操作者身著服裝的潔凈度。每隔一定時(shí)間需要對操作臺及其附近區(qū)域重點(diǎn)清潔，并要對超凈間進(jìn)行顆粒度檢測，超過標(biāo)準(zhǔn)則需采取整改措施以改善環(huán)境潔凈度；超凈服裝每周必須清洗，員工進(jìn)出超凈間必須通過足夠時(shí)間的風(fēng)淋等；盛裝外延片的花籃、片盒必須保證干凈清潔，在未做兩層封裝的情況下不得進(jìn)入低等級超凈環(huán)境，以免空氣環(huán)境對其造成污染［8］。

5　結(jié)論

能夠引起外延片表面質(zhì)量缺陷的因素除了以上列出的幾項(xiàng)外還有很多，要想保證外延片的表面質(zhì)量，生產(chǎn)制造出優(yōu)質(zhì)合格的外延產(chǎn)品就需要對這些因素全部掌握，確定每個(gè)因素發(fā)生的條件、表現(xiàn)及周期，然后根據(jù)這些特點(diǎn)制定具體詳盡的實(shí)施方案，及時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)管理或生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)整。不斷細(xì)化所有生產(chǎn)細(xì)節(jié)，探索新的生產(chǎn)方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量與合格率，創(chuàng)造更高的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值將是我們現(xiàn)階段和未來階段將要一直致力的方向與目標(biāo)！

［1］ 浦樹德，王旗，雪崩探測器用硅材料中微缺陷的初步探討［J］.半導(dǎo)體光電，1995，16（1）：35-39.

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［5］ 王巍，馮其，武逶，等.硅基APD器件的工藝及性能仿真分析［J］.紅 外與激光工程，2004，43（1）：140-144.

［6］ 王志偉．降低硅基微元陣APD暗電流結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2014.

［7］ 顧懷奇.Si基微元APD雪崩增益與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2012.

［8］ 李楊王文林薛兵等，CCD成像器件用P型外延材料的工藝研究［J］.電子制作，2014（13）：38-39.

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