彭新華，潘昭海，江冰松，尚 可

（新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412001）

氮化硅立式爐硬件改造提升顆粒表現(xiàn)

彭新華，潘昭海，江冰松，尚 可

（新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412001）

氮化硅工藝的特點(diǎn)以及立式爐各個(gè)系統(tǒng)的工作原理。分析氮化硅立式爐顆粒頻繁超標(biāo)的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)備改造來(lái)提升機(jī)臺(tái)顆粒表現(xiàn)，同時(shí)總結(jié)了近幾年的設(shè)備使用以及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

氮化硅；立式爐；顆粒；底座；LPCVD

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.75

1 LPCVD氮化硅工藝簡(jiǎn)介

低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)（LPCVD）早在1962年Sandor等人就做了報(bào)道。LPCVD的設(shè)計(jì)就是將反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行沉積反應(yīng)時(shí)的壓力降低到大約27～270 Pa的一種CVD（化學(xué)汽相淀積）反應(yīng)。

氮化硅是一種超硬固體物質(zhì)、重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，本身具有潤(rùn)滑性和耐磨性。氮化硅薄膜具有結(jié)構(gòu)致密、針孔密度小、化學(xué)穩(wěn)定性好、介電常數(shù)大等優(yōu)良特性，在半導(dǎo)體、微電子學(xué)和MEMS領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，應(yīng)用于鈍化、隔離、電容介質(zhì)、結(jié)構(gòu)材料等。由于其自身特性，氮化硅很適合作為鈍化層。

氮化硅反應(yīng)式：SiH2Cl2+NH3—Si3N4+HCl+H2

SiH2Cl2本身易分解和易液化的特性，以及氮化硅大應(yīng)力易剝落的特性，使制備氮化硅薄膜的微粒污染水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于制備其他薄膜。這也使得其停機(jī)時(shí)間加長(zhǎng)，機(jī)臺(tái)利用率無(wú)法提高，從而影響產(chǎn)能?？刂坪玫桀w粒表現(xiàn)是目前新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室LPCVD設(shè)備維護(hù)中迫切需要解決的問(wèn)題。

2 立式爐硬件簡(jiǎn)要介紹

立式爐管機(jī)臺(tái)由于其良好的均勻度和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始一直是半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域必備的設(shè)備之一。普遍應(yīng)用于制備二氧化硅、多晶硅、氮化硅等工藝領(lǐng)域。立式爐系統(tǒng)大體可以分為氣體控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、晶圓傳輸系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)。

反應(yīng)爐管前端組網(wǎng)布置了較多氣體管路，輔以氣動(dòng)閥關(guān)斷，可以使特定工藝氣體通過(guò)不同的路徑到達(dá)工藝腔或尾氣處理系統(tǒng)。特定管路上配有不同量程的MFC，對(duì)流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。同時(shí)，氣體控制器對(duì)特氣的流向有相應(yīng)的互鎖設(shè)置，避免誤操作觸發(fā)特氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

反應(yīng)爐管后端是排氣系統(tǒng)，通過(guò)主閥對(duì)整個(gè)反應(yīng)爐管進(jìn)行大抽和小抽操作，不同位置配備有不同精度和量程的真空計(jì)，使得反應(yīng)腔體內(nèi)的壓力時(shí)時(shí)監(jiān)控，時(shí)時(shí)可控。同時(shí)主閥后面配備了冷阱和氮?dú)馀月罚豪溱逵脕?lái)俘獲副產(chǎn)物，這樣可以減少真空管道的堵塞；氮?dú)馀月穭t通過(guò)控制進(jìn)入排氣管路的氮?dú)膺M(jìn)行控壓。

3 立式爐底座改造

3.1 底座改造的背景介紹

由于氮化硅工藝的特點(diǎn)，氮化硅設(shè)備經(jīng)常顆粒超標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了2個(gè)月內(nèi)設(shè)備顆粒表現(xiàn)（圖1）。

圖1 2個(gè)月顆粒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

通過(guò)前期對(duì)氮化硅立式爐結(jié)構(gòu)的深入研究了解，結(jié)合數(shù)月的顆粒數(shù)據(jù)來(lái)看，發(fā)現(xiàn)位于工藝舟（BOAT）最下區(qū)域的顆粒超標(biāo)數(shù)量和頻率最高。與BOAT下端區(qū)域相關(guān)的影響因素是進(jìn)氣管、BOAT隔熱擋片的底座3個(gè)。通過(guò)清洗進(jìn)氣管，更換新的隔熱擋片等動(dòng)作對(duì)顆粒沒(méi)有明顯改善效果。突破方向聚焦在底座方面。

氮化硅立式爐底座有承載BOAT和帶動(dòng)BOAT旋轉(zhuǎn)的功能，同時(shí)兼顧在工藝運(yùn)行時(shí)密封爐口的作用。底座之所以可以帶動(dòng)BOAT旋轉(zhuǎn)同時(shí)又可以保持真空密封效果，是因?yàn)槠浜诵慕M件——磁流體密封件（Seal unit）。磁流體密封件內(nèi)部含有磁流體可以提供動(dòng)態(tài)密封作用，其軸桿可以聯(lián)動(dòng)其底部的電機(jī)與上面的BOAT承載盤(pán)。

進(jìn)行氮化硅淀積工藝時(shí)，腔體處于高溫低真空的狀態(tài)，內(nèi)部充滿了反應(yīng)氣體、生成物、副生成物等。這些物質(zhì)在高溫低真空的環(huán)境下分子運(yùn)動(dòng)更加劇烈，不可避免粘附在整個(gè)工藝腔的內(nèi)壁和底座縫隙中。工藝腔內(nèi)壁上的粘附物因?yàn)橐恢碧幱诟邷氐拇龣C(jī)狀態(tài)，所以形態(tài)不會(huì)產(chǎn)生明顯變化。磁流體密封件隨著B(niǎo)OAT晶圓的上傳下載會(huì)在高溫與常溫間多次往返。使得高溫環(huán)境粘附在縫隙中的氣態(tài)物質(zhì)在常溫下變成固態(tài)，如此反復(fù)，磁流體密封件中積攢了大量粉塵。雖然磁流體密封件配備了氮?dú)獯祾吖苈泛屠鋮s水回路，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間運(yùn)行后，并不能抵消掉積攢在其內(nèi)部的粉塵，反而會(huì)把其內(nèi)部的粉塵吹回工藝腔體，進(jìn)而影響到晶圓顆粒表現(xiàn)。以當(dāng)前環(huán)境的技術(shù)手段不能對(duì)其進(jìn)行下一步的拆解或組裝，只能通過(guò)委托原廠對(duì)其進(jìn)行翻新或直接更換全新的，這就存在采購(gòu)周期長(zhǎng)和費(fèi)用高的問(wèn)題。

3.2 提出改造設(shè)想并進(jìn)行評(píng)估

基于前文對(duì)顆粒超標(biāo)現(xiàn)象的描述和分析，再結(jié)合機(jī)臺(tái)實(shí)際構(gòu)造和程序設(shè)定情況，提出如果取消磁流體密封件組件，更換為全封閉的底座，應(yīng)該對(duì)顆粒改善會(huì)所有效果。因?yàn)楣ぷ饕欢〞r(shí)間后磁流體密封件就是個(gè)顆粒源，移除這個(gè)顆粒源理論上對(duì)顆粒會(huì)有改善效果，但需對(duì)其可能帶來(lái)的影響進(jìn)行綜合評(píng)估。

（1）停止磁流體密封件其自身的氮?dú)獯祾吖苈?，使得粉塵不會(huì)被吹出，觀察其顆粒表現(xiàn)。

（2）如果改造，那BOAT就不能旋轉(zhuǎn)，這樣理論上使得膜厚均勻性變差，可以在工藝制作程序（recipe）的設(shè)定中停掉BOAT的旋轉(zhuǎn)功能，模擬改造后的效果。

評(píng)估實(shí)驗(yàn)1：在氮化硅立式爐顆粒持續(xù)超標(biāo)的情況下，采用P-SIN-1800A的產(chǎn)品制作程序，4片監(jiān)控片，全程對(duì)AV14和AV52閥進(jìn)行關(guān)閉動(dòng)作，等同于停掉磁流體密封件其自身的氮?dú)獯祾邭饴?。連續(xù)跑3爐，監(jiān)控顆粒表現(xiàn)。結(jié)果表明顆粒改善比較明顯，改動(dòng)前一爐顆粒平均值有420顆，改動(dòng)后3爐的顆粒平均值為98顆，下降了76.7%。

評(píng)估實(shí)驗(yàn)2：在氮化硅立式爐顆粒持續(xù)超標(biāo)的情況下，全程對(duì)N2吹掃底座的氣路，同時(shí)全程停止BOAT旋轉(zhuǎn)功能，連續(xù)跑3爐，監(jiān)控顆粒及膜厚均勻性表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)2前1爐的顆粒均值為848，均勻性均值為1.78；實(shí)驗(yàn)2中3爐的顆粒均值為118，均勻性均值為1.86。顆粒下降了86.1%，膜厚均勻性變差不明顯，完全在工藝需求規(guī)格以內(nèi)。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可得出：設(shè)備底座改造可以帶來(lái)顆粒改善，同時(shí)也會(huì)存在犧牲膜厚均勻性小幅度變差的附帶影響。

3.3 設(shè)備改造并驗(yàn)證效果

為了盡可能提高效率和保障機(jī)臺(tái)的整體運(yùn)行效果，選擇原廠定制相關(guān)配件，改造前后的設(shè)備底座如圖2所示。

改造后取消了磁流體密封件組件，底座更加簡(jiǎn)潔。原先對(duì)應(yīng)磁流體密封件的氮?dú)獯祾吖苈愤M(jìn)行了封堵，冷卻水回路進(jìn)行了短接。因?yàn)橹按帕黧w密封件要帶動(dòng)BOAT選擇，所有存在一個(gè)傳動(dòng)桿連接到BOAT承載盤(pán)，底座中心也有一個(gè)圓形孔洞。改造后，新的底座中心是實(shí)心的，BOAT承載盤(pán)直接焊接到底座中心，從底座下面觀察，是一個(gè)實(shí)心平面。

圖2 設(shè)備底座示意

對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行改造后，對(duì)所有制作程序進(jìn)行了更新，全程取消了BOAT的旋轉(zhuǎn)設(shè)定。連續(xù)跑5爐數(shù)據(jù)合格就投入正常運(yùn)行中，收集了改造后一個(gè)月的數(shù)據(jù)整理如圖3、圖4所示。

圖3 改造后30天內(nèi)顆粒表現(xiàn)

圖4 改造后膜厚均勻性表現(xiàn)

從圖中可知，顆粒仍偶有超標(biāo)發(fā)生（其中有空擋片污染、到了內(nèi)管維護(hù)管理周期等因素影響），均勻性表現(xiàn)符合預(yù)期判斷，有上升但符合監(jiān)控要求。設(shè)備改造后，節(jié)省了維護(hù)管理周期，省掉了磁流體密封件這一個(gè)高價(jià)值的易耗品，達(dá)到降本增效的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)這幾年對(duì)氮化硅立式爐的了解，結(jié)合各種資料，充分利用日?？茖W(xué)整理的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，找到顆粒超標(biāo)的主要來(lái)源。針對(duì)來(lái)源進(jìn)行系統(tǒng)分析并做對(duì)應(yīng)的評(píng)估實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并最終確定設(shè)備改造方案。對(duì)改造后的效果再進(jìn)行跟蹤評(píng)估，形成一個(gè)對(duì)潤(rùn)滑油中顆粒監(jiān)測(cè)與消除的閉環(huán)改進(jìn)系統(tǒng)。顆粒超標(biāo)是設(shè)備維護(hù)中的“癢點(diǎn)”，忽視這些顆粒的存在，設(shè)備也能運(yùn)行，但隔三差五地會(huì)出點(diǎn)小故障。針對(duì)這種狀況，從設(shè)備維護(hù)角度出發(fā)，建議對(duì)潤(rùn)滑油中的顆粒進(jìn)行根本性的過(guò)濾，以便提高設(shè)備運(yùn)行效率。

［1］張廣英.氮化硅薄膜制備及其相關(guān)特性研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［2］Armin G.Aberle.Overview on SIN surface passivation of crystalline silicon solar cells［J］.Solar Energy Materials&Solar Cells,2001（65）：239-248.

［3］張化福，祁康成，吳健.氮化硅薄膜的制備方法及主要應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2004（18）：298-300.

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〔編輯 吳建卿〕