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(shè)備結(jié)構(gòu)是桶式外延爐，采用線圈感應(yīng)加熱的方式，生長溫度一般在1110～1200℃之間；基座為桶式結(jié)構(gòu)，每爐的裝片量較大，產(chǎn)能較高。

由于外延工藝要求在外延生長前將外延爐內(nèi)的空氣置換干凈，必須將桶式基座內(nèi)、外側(cè)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(cè)從上向下吹掃，基座內(nèi)側(cè)從下而上的方式吹掃。桶式外延爐反應(yīng)室結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，為防止兩種不同材料的熱應(yīng)力差異引起支承筒破裂。在支承筒的設(shè)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(qū)域。隨著外延工藝的開展，反應(yīng)腔體內(nèi)的沉積物也相應(yīng)增加，尤其在下部旋轉(zhuǎn)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(qū)域，附著在晶片上，在外延生長后形成暗點，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格[4-6]。暗點形成后需要對旋轉(zhuǎn)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(xiàn)的暗點片數(shù)及對旋轉(zhuǎn)軸進行的維護更換統(tǒng)計記錄。從表1可以看出，在一年的外延片生產(chǎn)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(zhuǎn)軸也極大增加了設(shè)備的維護成本，并影響正常的生產(chǎn)效率，打亂正常 的生產(chǎn)秩序。如何有效解決暗點問題成為當(dāng)務(wù)之急。

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

經(jīng)過長期觀察與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)暗點出現(xiàn)位置與支承筒的縫隙位置對應(yīng)。為了進一步驗證這一結(jié)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(yīng)到基座的第1、3、6列，進行外延工藝生長實驗。實驗結(jié)束后檢查外延片表面暗點在基座上的位置分布情況發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)暗點的位置與支承筒縫隙對應(yīng)的位置一致，即支承筒縫隙對應(yīng)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(zhuǎn)軸經(jīng)支承筒縫隙處擴散到對應(yīng)的晶片表面所致。

據(jù)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(nèi)側(cè)設(shè)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(yīng)力差異。設(shè)計方案如圖1所示，采用此方案改造后的支承筒，在內(nèi)側(cè)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(chǎn)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(yīng)基座實驗，實驗條件見表2，

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

通過以上實驗，生產(chǎn)出的外延片，經(jīng)過在200KLX的強光燈下觀測，出現(xiàn)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(xiàn)不同數(shù)量的暗點，同時發(fā)現(xiàn)暗點出現(xiàn)的位置與支承筒縫隙相對應(yīng)，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(chǎn)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(shè)備維護情況見表4。

表3 兩種支承筒對應(yīng)的實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results corresponding to the two support cylinders

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

從表4可以看出，應(yīng)用改造后的支承筒連續(xù)生產(chǎn)一年來，暗點片數(shù)從近500片降到0片，清軸次數(shù)由27次減少到2次，換軸次數(shù)由7次減少到2次。

3 結(jié) 論

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