LPCVD设备维护保养的重要性分析

董军恒，高 丹

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津 300220)

0 引 言

LPCVD设备是目前国内外半导体集成电路，半导体光电器件制备工艺中常用的 CVD设备之一。为防止在硅外延过程中杂质对正在生长的外延层的“自掺杂”，在外延片背面上淀积一层 SiO2以封闭杂质的扩散，从而使外延层的质量得以控制。采用LPCVD设备来制备半导体工艺中所需薄膜具有很多优点，例如均匀性好、可控性及重复性高、成本低、适合大规模生产等，使得 LPCVD的使用十分广泛，但同时，其使用中出现的问题也日益凸显。

本文简要分析了 TEOS源 LPCVD(低压化学气相淀积)法淀积 SiO2膜过程中产生的问题，并根据实际使用的经验，对 LPCVD在生产过程中出现的问题进行讨论，对其维护及保养的重要性进行分析和总结。

1 淀积工艺分析

SiO2膜的淀积采用TEOS(正硅酸乙酯)在700,℃、50,Pa左右的条件下热分解制得。化学气相反应可以概括描述为：

薄膜的淀积由几个参数共同决定，包括源温度反应压力、炉内温度、真空度等。它们对薄膜的各方面质量起着决定性作用。而各参数之间既相互联系同时又能够独立地对薄膜的性质产生影响。只有综合调节各项参数，才能得到质量合格的薄膜。下面就薄膜质量与工艺参数之间的关系进行简单的讨论。

1.1 淀积速率

淀积速率不仅与源温度(气体流量)有关，还与反应压力、炉内温度等参数有关。总体来说，淀积速率随源温度、反应温度、反应压力的升高而增大。目前采用TEOS源热分解淀积二氧化硅薄膜，淀积参数如表1所示。这样，综合调节各项参数就可以得到预期的淀积速率。

1.2 片内均匀性

对于淀积 SiO2膜来说，均匀性是一个很重要的质量参数。实验证明，对于片内均匀性来说，硅片的摆放是关键问题，因为这关系到炉内气流的均匀稳定，而稳定均匀的气流才能使硅片四周有相对均匀浓度的气态源气氛。其次，片距同样起重要作用。因为在片距较小时，片间容易存积过多热分解产生的附产物废气而使硅片间气态TEOS源不均匀，导致硅片各部分淀积速率快慢不一，使片内均匀性变差。另一方面，随着压力的升高，片内均匀性也同样变差。这是由于反应室内硅片表面附近气态 TEOS源所占分压趋于不稳定，从而导致硅片各部分淀积速率难以控制。实验证明，片距在5,mm左右，压力在50,Pa以下时对SiO2膜质量来说可以接受。此外，片内的不均匀性还呈现出上厚下薄的现象，这是由于硅片下部分为石英舟和石英桨，使气态源不能快速均匀地像上半部分那样高的浓度分布，但问题不明显。

表l 二氧化硅膜的典型淀积条件Tab.1 Typical deposition conditions of silicon dioxide film

1.3 片间均匀性

片间呈现不均匀，一般用调节炉管前后温度梯度的方法加以解决。由于气态源由炉口处进入，使得炉口处硅片先发生反应。至于炉中的硅片能得到多少气态源进行反应，很大程度上取决于炉口硅片的反应速率。而炉尾硅片反应所需的气态源更是由前两部分反应速率所决定。这就是所谓的输运耗散。故此，为了抵消输运耗散对均匀性的作用，就必须调节炉内三点温度以达到各处有均匀的淀积速率。由于LPCVD淀积薄膜的工艺过程实际上是一个十分复杂的过程，要确切地了解淀积过程的真实状态需进一步对气体在炉内的流体分布及表面反应做更深入的研究。

2 故障及维护

2.1 LPCVD设备使用常见故障

2.1.1 真空度偏高

对于LPCVD设备而言，真空度是一项重要的指标，直接关系到SiO2膜的质量。真空度偏高有两种情况，一种是系统真空灯亮，有压力显示(即炉内压力≤1,365,Pa，在低真空范围)，这种情况常表现为以下几种现象：

①正常检漏不合格。有漏点会造成真空度偏高，包括炉门或各卡口及其他接口密封圈不干净或接触不严。应检查各点安装状况，如有必要可用检漏仪检漏，查出漏点后拆下重装即可解决真空问题。此外，密封圈的老化变形也会造成这种状况，这时需要更换一个新密封圈。值得注意的是在石英桨与退舟的连接处、蝶阀内部转轴的连接处都有小尺寸密封圈，检漏时都要考虑。长时间使用后，设备的各单向阀、电动阀也会出现由于损坏或其他原因造成的泄露，检漏时需注意。

②炉管清洗后(包括管路)极限真空过高且漏率过高。这是由于系统内水汽未蒸发完全所致，可将炉温升到300,℃以上，持续一点时间后即可使真空度达到要求。

③漏率可以达到要求，但极限真空过高。这种情况可能是因为真空计零点漂移，使显示压力高于实际压力，这会使淀积时压力不能达到工艺要求，造成淀积速率和均匀性降低，可将真空计归零(默认当时的压力为 0,Pa)。此外，也有可能是真空计卡住了，将其拆下清理干净即可排除故障。

④系统密封性无问题，但生产时常规检漏漏率过高。这种情况可能是蝶阀在加热过程中造成的。由于在生产时系统中会残留少量未完全反应的源，而蝶阀处亦然。加热会使源蒸发或分解，使炉内压力上升，关闭加热即可。如还不能解决，可以开启主抽一段时间，将其抽干净或尽量少即可达到要求。

而另一种真空度偏高的情况是慢抽一段时间后系统压力不见降低，系统常压灯亮，即无压力显示(即炉内压力≥1,365,Pa，在常压范围)，这时可能为系统有较大漏点，如炉门关不严、石英桨有裂痕及管路接口漏气等，应调整炉门、检查石英及管路部件是否破损或漏气。也有可能是进限位触发器位置偏离，使系统慢抽处于锁定状态。此时，需仔细检查各处，直到找出原因。

2.1.2 淀积不上

在生产过程中，特别是在更换新源后，常常会出现淀积不上的现象。这种情况有时表现为淀积过程蝶阀角度较平时偏小，这时可能是源温过低(没有达到所需温度)，源蒸发率几乎为零，结果造成淀积不上；有时程序显示一切正常，而还是淀积不上，这种情况就可能是源瓶处未旋紧，致使空气进入或源漏出，使炉内无源可长，造成淀积不上的现象。拆下源出气端口，重新安装即可解决这个问题。

2.1.3 淀积速率过大

正常情况下，当炉温、源温及压力等工艺参数稳定时，淀积速率基本保持不变。但实际工作中发现，在连续生长过程中，有时淀积速率会明显偏大，膜厚异常，而工艺参数一直稳定。其原因一般为炉尾由于结晶物过多致使尾管部分越来越小，甚至堵住而造成。由于通入炉内的气态源过多，反应不完全，到达尾管部分时由于温度降低或空间变小等原因使大量气态源聚集于此而造成堵塞。此时，需对尾管部分进行清理才能使淀积速率恢复正常。

2.1.4 尾管结晶问题

尾管的结晶不仅影响连续生产，同时也表明源的利用率过低。所以如何让更多的源转到淀积过程，提高利用率就成了LPCVD设备的重要问题之一。对于这个问题，只能是对目前的工艺参数进行改进，降低源温，同时调整其他参数使淀积速率保持不降，从而最大限度地提高源的利用率，也能减少在管路中未完全反应的源结晶。此外，也可以在炉管以后的个别部分进行加热，使未反应的源被干泵抽走。另外，设计一个更为高效的冷阱来聚集这些结晶物也是一个可选的方案。

2.1.5 其他问题

除以上问题之外，还有一些在LPCVD设备使用中经常会遇到的故障，比如退舟失败、程序显示异常及换源后第一炉淀积速率偏小等现象。有时由于充氮不足使炉内压力不够就会造成舟不能退出，需停止工艺，手动充氮至常压后即能成功退出。若程序显示出现异常，可以等淀积结束再关闭重启。因为表面程序显示异常，但实际上工艺还能照常运行，若在淀积过程中关掉程序就会使工艺停止，使最终的膜厚不好控制。换源后第一炉一般由于源未能在短时间内在瓶内形成足够的蒸气压而使最终发生反应的气态源总量不足，之后源温稳定且源瓶内及管道已有连续的气态源故淀积厚度保持一致。要解决此问题可以单独增加第一炉淀积时间或等源温稳定一段时间后再进行淀积即可。

2.2 LPCVD设备的维护

为了使LPCVD设备长时间保持良好的状态，对其进行维护与保养是十分重要的，有必要采取一些习惯性的措施来使设备得到良好的维护。

2.2.1 尽可能让LPCVD设备保持真空状态

对于一台真空类设备，其密封性无疑是极其重要的。在停炉后把残余物尽量抽尽，使设备在不工作时尽量保持真空状态。这样再次使用时设备还能保持良好的状态。可以定时给设备抽真空来提高设备的稳定性。

2.2.2 定期清洗、检查密闭性

由于淀积过程中不可避免地会在管壁也淀积一层SiO2薄膜，连续生长多炉后，炉管内会存在较多的颗粒，使生长的薄膜质量下降。所以，一般生长几十炉后就需要对系统进行全面的清洗，使淀积能处在一个良好的环境之下。长时间使用后，密封圈会老化变形。定期检测真空度，更换老化的密封圈，旋紧松动的螺丝，可以使设备保持常新的状态。此外，对设备进行表面清理也应该是操作者每天的必要工作。

3 结 论

在半导体产品生产过程中，我们常常只关注工艺技术的研究，而忽视了所用设备的维护工作。而处于良好状态的设备恰恰是工艺技术研究的基础。所以，设备的维护与保养是极其重要的。LPCVD设备的使用十分简单，但其维护却十分繁琐，实际使用过程中也会出现各种各样的问题。通过分析LPCVD设备使用常见故障及其原因，总结 LPCVD设备维护关键，为相关工作者提供参考与借鉴。