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外延炉对称性特点及其应用研究

2017-06-05张文

大陆桥视野·下 2017年4期
关键词:对称性气流温度

张文

河北普兴电子科技股份有限公司

【摘 要】外延炉内部对称性是炉子设计中非常重要的因素,本文主要从对称性出发来说明2061气流和温度的分布特点,及其在调试炉子中的应用。

【关键词】硅外延;对称性;气流;温度

引言

外延是晶体衬底上按规律和一定方向生长晶体的过程,在现代微电子工艺中,硅外延是绝大多数器件制造过程的第一步。因此,硅外延直接影响到器件的性能、可靠性和成品率等关键指标,十分重要。硅外延部分最重要的指标为厚度和电阻率及其均匀性。影响厚度及厚度均匀性的因素主要有淀积时间、生长速率、反应腔气流分布等。

1.实验设备及原理分析

1.1 实验设备

实验采用筒式外延炉为意大利产 LPE 2061S 型外延炉,如图所示:

反应气体从钟罩顶部气体入口处进入反应室,从排成一圈的六个石英喷嘴喷出,经石英挡板阻挡,沿基座与钟罩之间向下,在高温下反应而在硅片表面沉积生长,反应尾气在下部排出。

①温度分布

2061 加热原理:感应线圈内通过高频大电流,制造涡旋磁场;基座是导体,处于涡旋磁场中,产生感生电流,电流加热基座。

LPE 2061 采用中心轴对称设计,它的对称性表现在如下几个方面:

⑴ 感应线圈是圆筒状,中心轴对称设计的;它产生的磁场也是中心轴对称的。

⑵ 钟罩是中心轴对称设计的。

⑶ 基座(包括它上面的顶盘)是中心轴对称设计的,它的几个面几何形状和电阻是一样的。如果基座和线圈是理想状态,且中心轴重合,那么基座在感应线圈制造的中心轴对称的涡旋电场里受热, 基座上温度分布也会是中心轴对称分布的。

⑷ 基座上片槽的对称性。片槽是平面结构,片槽内各点距离基座中心线的距离与它们和片槽中心的位置有关系。如图 1(c)和(d)所示。图 1(d)为沿着垂直于基座中心轴线过片槽直径的一个剖面。AB 线上,和圆心 O距离相等的点距离感应线圈距离相等,故在涡旋磁场中受到的加热是一样的,所以温度应该相等。这就是说,片槽内温度分布是沿着中心轴 CD 镜面对称的。(电阻率和温度相关,故电阻率也应该是镜像对称的) 。

②气流分布

气流从喷嘴喷出,打到石英顶盘,而后顺着石英钟罩和基座的间隙向下流动,在基座上加热反应,最后从基座下边缘流出。故影响气流中心轴对称的因素有:石英顶盘的位置、基座和石英钟罩的位置关系、基座左右旋转的影响。

⑴ 石英顶盘:石英顶盘是中心对称的平面圆盘,随着基座绕中心轴旋转。喷嘴喷出的气流垂直打在石英顶盘上,而后反射气流顺着石英钟罩和基座间隙流下。

⑵ 钟罩:钟罩是中心轴对称设计的。钟罩的形状及其与基座的位置关系决定了气流的分布及流速。

⑶ 基座:基座是中心轴对称设计的。钟罩和基座配合,使得它们之间的间隙作为气流通道也是中心轴对称分布的。 基座处于中心且左右旋转速度和时间相同时,同一水平线上的同样位置的点受到的气流作用是相同的。钟罩的形状及其与基座的位置关系只影响气流上下分布。

⑷ 基座左右旋转速度及时间:基座左右旋转速度及时间相等时,能够弥补钟罩形状缺陷造成的不对称性。

破坏对称性因素及应对办法:

⑴ 石英顶盘:几何对称性被破坏,这时需要更换顶盘;石英顶盘没有放置在中心位置,这时需要重置顶盘位置。

⑵基座偏离中心,使某一列距离感应线圈更近,气流通道变窄。这时需要调整基座到中心位置。

⑶ 基座本身对称性有问题。需要采购和基座厂家联系,改进加工或调整设计。

⑷ 转轴偏转,导致基座不能中心对称旋转。需要设备工程师维护转轴。

综上,因为气流和温度对称中心的重合,所以两者同样是中心轴对称的,两者偏离中心轴对称會同时发生,这就给了我们分析和解决问题提供了便利。温度分布和电阻率分布紧密相连,因此,我们可以把上文的温度分布近似看作电阻率分布;同样,我们也近似把气流分布看作厚度分布。所以,在基座上,厚度和电阻率是中心轴对称分布的,相对列电阻率和厚度分布是一样的。而 1 片外延片内部的电阻率和厚度应该是镜面对称的。在测量中,代表性外延片和外延片上代表性点的选取要考虑对称性特点。我们可以选一列外延片测量电阻率来代表温度在基座上的分布,可以测量相对列 1列厚度数据代表气流在基座上的分布, 测量相对列 2 片厚度数据代表相对基座是否处在中心轴线上。并根据测试数据来调整感应线圈、气流和基座。目前我们外延片上代表性点的选取如图 2,中心点设为 1 点,5 点为参考面 10mm点,2、4 点对称。如果要测量出对称性的特点,那么必须要求装片过程中 2、4 点也处于基座上对称性位置。而基座上片槽内是镜面对称的, 所以我们装片只能装成正上或者正下两种装片方式,如图 2 所示。

因为左右旋转几乎相等,所以厚度分布近乎理想的镜面对称。从图中看,因为装片角度的问题,对称轴并不严格平行于 Y 轴方向。上下层厚度各有四个高峰和四个低谷:上下左右四个极点是峰,偏离45 度方向的四个斜角方向是低谷。1、2 层四高峰四低谷的分布各有特点,但大致位置一致的。

图 4 是 L9 49 点测量数据所绘等高线图。6 inch 外延片,旋转设置 4.5*5.08。

从图 4 看,对称性远不如图 2,这是因为它的旋转设置,左右相差 0.58,严重破坏了左右旋转对称性。同时装片时参考面倾斜,导致对称轴和 Y 轴偏离比较大的角度。上下 49 点数据比较粗略,但大致也能看出四高四低的特点。此时2、4 点不具有对称性的特点。从图 3、4 看,图 4 外延片表面总体均匀性不如图3 所示外延片。

2.结论与分析

工程师判断左右旋转是否合适非常重要的一个判据是 2、4 点厚度和 1点厚度之间的关系。同时调整旋转速度和时间也是调整均匀性的一个重要手段。那么如果参考面不是按照图 2 的装片方式, 而是习惯性的倾斜一个角度,如 15 度,那么2、4 点将不再有对称性关系。此时还按照 2、4 点和 1 点的厚度关系调整旋转速度,将会得到错误的结果。所以,要求工人师傅们装片按照图 2 所示正上或正下装片,厚度均匀性会好很多。

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