MOCVD設(shè)備射頻感應(yīng)加熱原理與故障分析

劉成群，程壹濤，劉宇寧

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊050051）

金屬有機物化學(xué)氣相淀積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）是外延生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體薄膜以及其多元固溶體薄層單晶材料的主流工藝。MOCVD工藝要求設(shè)備加熱系統(tǒng)準(zhǔn)確控制襯底溫度，并滿足加熱均勻、升降溫速度快、溫度穩(wěn)定時間短等多方面要求，這些指標(biāo)影響外延生長的速度、厚度一致性，最終影響芯片的性能。

反應(yīng)室加熱系統(tǒng)是MOCVD設(shè)備的重要組成部分，主要有輻射加熱和射頻感應(yīng)加熱兩種方式[1]。輻射加熱采用電阻絲、電阻片、紅外燈管等作為加熱器，通過熱輻射方式加熱放置襯底的石墨盤，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，缺點是加熱效率低、升降溫轉(zhuǎn)換滯后量大，同時輻射加熱方式將大電流直接加載到加熱器上，導(dǎo)致加熱器易損壞，影響設(shè)備長期穩(wěn)定運行，也存在維修量大的弊端。射頻感應(yīng)加熱方式采用電磁感應(yīng)原理直接加熱石墨盤，具有熱效率高、溫度均勻性好、升降溫轉(zhuǎn)換快、使用壽命長等優(yōu)點，缺點是需要射頻功率源，電路復(fù)雜，裝配要求高，需要進(jìn)行電磁屏蔽。目前，國內(nèi)高端MOCVD設(shè)備多為進(jìn)口產(chǎn)品，絕大多數(shù)都采用射頻感應(yīng)加熱方式，國內(nèi)對其維修技術(shù)的研究報道較少。本文以AIXTRON公司某型MOCVD為例進(jìn)行分析。

1 MOCVD設(shè)備射頻感應(yīng)加熱原理

MOCVD設(shè)備射頻感應(yīng)加熱，主要依據(jù)電磁感應(yīng)、交流電流趨膚效應(yīng)和熱傳導(dǎo)這三項基本原理[2]。射頻功率源將380 V工頻、50 Hz的交流電壓，轉(zhuǎn)換成最高600 V、100 kHz的正弦高頻高電壓，施加到反應(yīng)室內(nèi)的感應(yīng)線圈（coil）上，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生高頻變化的電流，高頻電流產(chǎn)生高頻強磁場。通過電磁感應(yīng)作用，在放置襯底的石墨盤內(nèi)產(chǎn)生與感應(yīng)線圈內(nèi)電流方向相反的渦電流，交變電流存在趨膚效應(yīng)，渦流存在于石墨盤下表面。由于石墨盤內(nèi)阻的存在，渦電流的分布處會產(chǎn)生焦耳熱，使得石墨盤的溫度迅速上升，通過熱傳導(dǎo)作用實現(xiàn)基片襯底加熱。射頻感應(yīng)加熱方式直接在石墨盤內(nèi)產(chǎn)生熱量，能量利用率高，加熱效率高，升降溫轉(zhuǎn)換快。

感應(yīng)線圈在石墨盤內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

其中，ε為石墨盤內(nèi)感應(yīng)電動勢，石墨的相對磁導(dǎo)率μr=1，真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，H為磁場強度，與感應(yīng)線圈中的電流、頻率大小成正比；r是感應(yīng)線圈半徑，△t是時間變化值。

石墨盤內(nèi)渦流If大小見公式（2）：

式（2）中，E為石墨盤內(nèi)感應(yīng)電動勢有效值；Z為石墨盤阻抗，R為石墨盤內(nèi)阻，XL為石墨盤感抗。石墨的阻抗Z很小，渦流If會很大：

綜上，基片襯底升降溫快慢與石墨盤內(nèi)渦流大小有關(guān)，取決于感應(yīng)線圈半徑大小、匝數(shù)和感應(yīng)線圈內(nèi)射頻電流、頻率大小，另外石墨盤與感應(yīng)線圈間距、石墨盤的內(nèi)阻大小也對基片襯底加熱有影響。感應(yīng)線圈內(nèi)電流大小取決于射頻功率源的輸出功率和振蕩器的阻抗。

基片襯底溫度均勻性與加熱效率及石墨盤趨膚效應(yīng)有關(guān)[3]，趨膚深度公式為：

式中，μ為磁導(dǎo)率，γ為電導(dǎo)率（石墨為6.5），f為射頻功率源輸出電流頻率，在趨膚深度δ處，渦流電流密度為表面電流密度的36.8%，而焦耳熱與電流的平方成正比，因此石墨盤大部分的熱功率是由其下表面區(qū)的趨膚層產(chǎn)生。

基片襯底熱源來自石墨盤上表面，石墨盤上表面受熱來自石墨盤下表面渦流焦耳熱的熱傳導(dǎo)作用[3]。熱傳導(dǎo)的基本定律公式為：

式中，Qcond為熱傳導(dǎo)量，k為導(dǎo)熱系數(shù)，石墨導(dǎo)熱系數(shù)為129 W/（m·k），△T為溫度差，式（5）是選擇石墨盤厚度的依據(jù)。

2 MOCVD設(shè)備射頻感應(yīng)加熱裝置組成

MOCVD設(shè)備射頻感應(yīng)加熱裝置由溫度測控組件、射頻功率源（RF Power unit）、振蕩器、石墨盤組成，如圖1所示。

圖1 射頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)圖

2.1 溫度測控組件

溫度測量控制組件包括溫度控制器、溫度及雙反射率測量信號盒、光學(xué)測量頭。溫控器接收控制計算機發(fā)送的溫度設(shè)定信號，同時接收溫度及雙反射率測量信號盒發(fā)送的溫度反饋信號，輸出控制信號給射頻功率源。光學(xué)測量頭發(fā)射800 nm波長的紅外線測量放置于石墨盤上的晶片的溫度及上下表面反射率，經(jīng)溫度及雙反射率測量信號盒處理后，發(fā)送給溫度控制器和上位機。

2.2 射頻功率源

射頻功率源是MOCVD射頻加熱系統(tǒng)最復(fù)雜的部分，原理如圖2所示。它是采用電力電子技術(shù)的電壓頻率轉(zhuǎn)換裝置，輸入380 V工頻、50 Hz的交流電壓，輸出最高600 V、100 kHz的高頻可變電壓。射頻功率源由輸入電路單元、直流電路單元、逆變電路單元、控制檢測電路單元、通訊接口電路單元、冷卻系統(tǒng)組成。射頻功率源輸出功率大，電路復(fù)雜，結(jié)構(gòu)緊湊，為一個單獨機柜。

圖2 RF射頻功率發(fā)生器電路原理圖

輸入電路單元由主斷路器、接觸器、單/雙繞組功率變壓器、控制電源及驅(qū)動電源電路、輸入電路檢測控制板等組成，實現(xiàn)輸入交流電路的通斷控制、檢測及保護(hù)。

直流電路單元由整流濾波電路、斬波降壓電路、諧波吸收電路組成，將來自功率變壓器次級繞組的交流電壓變成直流可變電壓，實現(xiàn)輸出電壓、電流、功率值連續(xù)可控。諧波吸收電路為逆變電路、振蕩電路產(chǎn)生的諧波提供通道。斬波電路、吸收電路都采用大功率IGBT器件。

逆變電路將來自DC/DC斬波電路的直流電壓，變成最高100 kHz的交流電壓，輸出至振蕩器。逆變電路采用大功率MOSFET功率器件、二極管組件組成的雙臂橋式電路結(jié)構(gòu)，電路通斷采用自激振蕩式，由振蕩控制電路板輸出信號控制。

控制檢測保護(hù)電路單元與通訊接口單元實現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程設(shè)定射頻功率源參數(shù)、模式選擇、運行控制，并完成電路運行參數(shù)檢測、保護(hù)、故障報警顯示。

2.3 振蕩器

振蕩器由電容匹配網(wǎng)絡(luò)、前置電感和感應(yīng)線圈（coil）組成。電容匹配網(wǎng)絡(luò)和前置電感安裝在MOCVD設(shè)備反應(yīng)室外后下方，感應(yīng)線圈（coil）位于反應(yīng)室內(nèi)，是內(nèi)部通水的銅制多圈環(huán)形線圈，根據(jù)阻抗匹配及振蕩頻率要求設(shè)置短路卡座。射頻功率源和振蕩器之間通過四根功率電纜和一根控制電纜連接。

2.4 石墨盤

石墨盤是感應(yīng)線圈的感應(yīng)器，其上安裝基片襯底載片臺，石墨盤內(nèi)產(chǎn)生渦電流使其發(fā)熱并將熱量傳導(dǎo)至晶片。石墨盤采用行星旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，晶片自轉(zhuǎn)同時隨石墨盤一起公轉(zhuǎn)，保證襯底溫度場的均勻性。石墨盤與采用水冷卻的反應(yīng)室上蓋之間，采用石英盤分隔，阻隔石墨盤向上蓋的熱傳導(dǎo)，保護(hù)反應(yīng)室溫度場。

3 射頻感應(yīng)加熱裝置典型故障及維修技術(shù)

3.1 射頻功率源典型故障及維修

直流電源斬波電路和逆變電路單元是射頻功率源電壓頻率轉(zhuǎn)換的核心，兩者均采用大功率模塊，由于電壓高，功率大，頻率快，所以故障相對較多，也很難處理，下面進(jìn)行重點介紹。

3.1.1 斬波電路無直流輸出故障

射頻功率源斬波電路是直流降壓電路，在直流整流電路的輸出兩端各串聯(lián)一個IGBT器件，采用脈寬調(diào)制方式，保持周期Ts不變，改變IGBT導(dǎo)通時間Ton，實現(xiàn)直流電壓0～100%的調(diào)整。

出現(xiàn)斬波器無輸出故障時，首先在斷電狀態(tài)下確認(rèn)整流電路和斬波器電路保護(hù)熔斷器好壞，然后檢查控制電路板、斬波器驅(qū)動信號放大器和斬波器IGBT模塊的信號通路。接通電源，檢查控制信號和驅(qū)動放大器工作電源，確保直流24 V、±15 V電壓正常。在此前提下，斷開斬波器負(fù)載，在本地控制模式下，設(shè)置功率源UDC輸出為100 V，用示波器檢查IGBT的驅(qū)動脈沖，應(yīng)有幅度不低于±5 V方波，且兩組驅(qū)動脈沖信號相位一致。IGBT模塊無驅(qū)動脈沖時，重點檢查驅(qū)動信號放大器電路及輸出電路的光耦器件。如果驅(qū)動脈沖正常，但斬波器無輸出，則是IGBT模塊故障，安裝新的IGBT模塊時應(yīng)保證模塊貼緊水冷散熱器安裝面，緊固力矩為9 N·m。更換損壞的IGBT模塊后，不要急于通電，要確保驅(qū)動信號正常，并對斬波器電路后的ARC吸收回路、逆變回路等負(fù)載進(jìn)行全面檢查，防止負(fù)載短路導(dǎo)致功率器件再次損壞。

3.1.2 斬波電路過電流故障

斬波電路輸出電流大于對應(yīng)值的1.25倍或設(shè)定限值，射頻功率源保護(hù)電路會動作，輸出停止，并顯示斬波器過電流報警或電流超限報警。

斬波器輸出過電流故障多為負(fù)載短路引起，應(yīng)檢查斬波器電路后的ARC吸收回路、逆變回路等負(fù)載。在負(fù)載正常的前提下，檢查斬波器IGBT器件無擊穿短路，測試電流傳感器霍爾元件及信號通道是否正常。

3.1.3 逆變電路無輸出、輸出正負(fù)半波不對稱、逆變橋不對稱故障

逆變橋電路工作不正常是逆變電路最典型的故障，逆變橋驅(qū)動信號從逆變控制器電路板經(jīng)驅(qū)動放大器加到逆變橋臂的MOSFET模塊上，首先要確認(rèn)驅(qū)動信號通道正常，再檢查逆變模塊及其冷卻水溫度傳感器（Pt100）、冷卻水流量傳感器信號；維修模式下，設(shè)置直流輸出100 V，測量逆變控制器工作電源15 V及逆變信號放大器24 V應(yīng)正常，確認(rèn)逆變信號放大器輸出的四路驅(qū)動信號幅值±5 V，相位正常，在此基礎(chǔ)上判斷MOSFET模塊及二極管好壞。驅(qū)動信號不正常，多為驅(qū)動電源、逆變信號驅(qū)動放大板故障，逆變控制器跳線接觸不良也會造成導(dǎo)致驅(qū)動信號異常。MOSFET模塊損壞是逆變電路常見故障，除了驅(qū)動信號異常原因，多數(shù)是由于振蕩器電路短路造成電流擊穿或電感線圈異常引起的過壓擊穿。通常采用數(shù)字絕緣表800 V檔測試振蕩器電路絕緣狀況，電阻不應(yīng)低于5 MΩ。在加電測試逆變電路橋臂過程中，去除負(fù)載，設(shè)置為低電壓小功率工況時十分必要的。

3.2 射頻感應(yīng)加熱阻抗失配故障及維修

MOCVD射頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)采用水冷銅質(zhì)感應(yīng)線圈（coil），根據(jù)石墨盤厚度及線圈與石墨盤間隙等因素，在感應(yīng)線圈上設(shè)置短路卡塊，實現(xiàn)電路工作頻率下振蕩器阻抗與被加熱器件的感應(yīng)阻抗匹配一致。更換感應(yīng)線圈、更換及調(diào)整石墨盤都可能改變振蕩器頻率，導(dǎo)致阻抗失配故障。需要進(jìn)行電路調(diào)整。

調(diào)整目標(biāo)：使振蕩器在理想頻率值工作，此時射頻功率源電流和電壓的輸出百分比相同，振蕩器電路的阻抗與被加熱器件的感應(yīng)阻抗匹配一致，能得到最大輸出功率。

振蕩器的電路模型如圖3所示。

圖3 振蕩器的電路模型

射頻功率源的工作頻率取決于振蕩電路中每一個器件的實際參數(shù)。工作頻率的計算公式為：

3.2.1 頻率匹配方法

根據(jù)工藝需要，首先選擇需要的工作頻率f。然后用LCR電橋測量加熱線感應(yīng)圈（coil）的電感值；再根據(jù)公式（6）計算振蕩器總電容值，用幾個電容并聯(lián)得到該計算值（如果出現(xiàn)增加一個電容，組合值大于計算值，減少一個電容就小于計算值的情況，電容數(shù)量多一個或少一個都可以）。在上述基礎(chǔ)上，施加功率，檢查是否得到期望的功率輸出。如果不能達(dá)到期望的功率值或輸出電流過高，則按此過程中實際輸出最大功率來匹配阻抗。

3.2.2 按功率匹配阻抗方法

功率匹配阻抗的原則是：在該功率輸出時，使輸出電流和輸出電壓的相對值（百分?jǐn)?shù)）相同。

如果IAC

如果IAC>UAC（輸出電流百分?jǐn)?shù)大于輸出電壓的百分?jǐn)?shù)），說明振蕩電路的阻抗值過小。增加阻抗的方法有：減小振蕩電路的電感值，即改變加熱感應(yīng)線圈上短路卡位置增加電感值，或增加前置電感Lpre的電感值。與此同步，相應(yīng)減少振蕩器電容值，以防止工作頻率值降低。

改變振蕩器電容、電感參數(shù)對射頻發(fā)生器阻抗、輸出頻率、輸出電流的影響如表1所示。

表1 振蕩器參數(shù)與阻抗及輸出之間關(guān)系表

3.3 射頻感應(yīng)線圈構(gòu)件及冷卻水系統(tǒng)故障維修

3.3.1 射頻感應(yīng)線圈

射頻感應(yīng)線圈是射頻功率源的負(fù)載，又是射頻感應(yīng)加熱的激勵源，性能好壞非常關(guān)鍵。射頻感應(yīng)線圈常見問題是線圈變形、線圈漏水、短路卡失效。射頻感應(yīng)線圈多圈環(huán)繞成圓形平面，在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)靠陶瓷支座支撐，用陶瓷卡座固定，呈水平安裝。射頻感應(yīng)線圈和固定陶瓷構(gòu)件長期在高溫環(huán)境下工作，陶瓷構(gòu)件會出現(xiàn)開裂，射頻線圈通過射頻電流，在電磁感應(yīng)作用下有輕微振動，二者相互作用，一方面感應(yīng)線圈與固定卡接觸面會磨損，存在滲漏隱患；另一方面導(dǎo)致感應(yīng)線圈松動后變形，各圈之間間距不一致，且不在一個水平面上，改變公式（1）中的H和r，影響加熱效率和溫度均勻性。因此，要經(jīng)常檢查更換感應(yīng)線圈安裝固定陶瓷構(gòu)件，檢查接觸面的磨損狀況，防止感應(yīng)線圈變形和滲漏。

為實現(xiàn)阻抗匹配，通常在感應(yīng)線圈上設(shè)置短路卡，將感應(yīng)線圈多余的部分短路，得到符合要求的電感值。短路卡是銅質(zhì)壓塊，用螺栓通過陶瓷座壓緊在感應(yīng)線圈兩圈之間。感應(yīng)線圈振動及長期高溫環(huán)境的影響，會出現(xiàn)壓緊螺栓松動、斷裂，導(dǎo)致短路卡失效。其結(jié)果是阻抗失配，射頻電流遠(yuǎn)滯后電壓，加熱效率低，影響工藝制程。

MOCVD工藝通常的加熱模式是：控制射頻功率源以恒定的電壓輸出百分比（通常為50%～55%），使反應(yīng)室溫度達(dá)到300℃，然后設(shè)定反應(yīng)室溫升曲線以最小超調(diào)最少振蕩次數(shù)方式（通常為反S曲線）到達(dá)工藝溫度，開始薄膜生長，一層生長結(jié)束，射頻功率源輸出關(guān)閉（OFF）直至反應(yīng)室溫度350℃，進(jìn)入保溫階段，等待下一層生長。無論是感應(yīng)線圈變形故障，還是短路卡失效故障，都是一個漸變的過程，在故障的發(fā)展階段，經(jīng)常是設(shè)備時好時壞，難以判定原因。通過觀察工藝制程界面顯示的工作頻率、輸出功率、反應(yīng)室溫度曲線，分析電流、電壓超前滯后關(guān)系，是解決問題的最有效方法。

3.3.2 水冷卻系統(tǒng)

RF射頻加熱部件采用水冷方式，射頻功率源和振蕩器回水管路共有3個流量傳感器、一個水壓傳感器，射頻功率源整流、斬波、逆變電路功率模塊安裝有6個溫度傳感器，構(gòu)成了完善的冷卻檢測保護(hù)系統(tǒng)。水垢沉積堵塞管路，是最常見問題。要保證冷卻水無雜質(zhì)，定期檢查清理各組過濾器，出現(xiàn)堵塞后選擇合適的除垢劑，分段用壓縮空氣反向強力吹掃。發(fā)生模塊超溫報警故障，要綜合冷卻水傳感器、溫度傳感器狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷。MOCVD設(shè)備射頻加熱系統(tǒng)常見故障及解決方法如表2所示。

表2 MOCVD設(shè)備射頻加熱系統(tǒng)常見故障及解決方法

4 結(jié)束語

本文介紹了MOCVD設(shè)備射頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的原理、技術(shù)特點及組成，總結(jié)了射頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的典型故障及維修技術(shù)。隨著化合物半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，MOCVD設(shè)備射頻感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用會更加廣泛，其維修也會越來越復(fù)雜。維修人員需要具備電力電子、控制、通訊技術(shù)等多方面的知識，熟悉工藝過程，精心做好維護(hù)保養(yǎng)，維修時視野開闊、思路縝密。只有這樣，才能保證設(shè)備平穩(wěn)高效地運行。