適用于器件制程的立式擴散/ 氧化設備設計與驗證

陳慶廣，趙 ，黃 升，曾裕民，姬常曉，劉洪文，王成宇，彭 浩，易文杰

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所， 湖南 長沙 410111；2.湖南杰楚微半導體科技有限公司， 湖南 長沙 410205)

立式擴散/ 氧化設備主要用于直徑150 mm以上晶圓的半導體器件工藝制程中的初始氧化層、犧牲氧化層、柵氧化層等氧化膜生產工序，是深亞微米IC 生產線的關鍵設備之一[1]。目前，晶圓直徑日益增大、特征尺寸不斷縮小、柵氧化層趨薄。晶圓越大，同一片上可生產的IC 越多，成本越低，但對材料和生產技術的要求越高[2]。

與臥式爐相比，立式爐具有5 個方面的優點：（1）反應室內氧氣濃度低、自然氧化層薄；（2）片間溫度均勻性好、硅片翹曲小；（3）顆粒污染低，片內膜厚均勻性更好；（4）自動化程度高、系統可靠性好；（5）占地面積小，且功耗更小。鑒于立式爐的諸多優點，其在新的IC 線上得到了廣泛使用。立式爐設備用量大，機械、電氣和軟件方面設計復雜，在20 世紀80 年代末到90 年代初，國際上許多設備制造廠商研制成功了立式擴散，到現在已非常成熟，在200 mm（8 英寸）晶圓器件生產線上已取代臥式爐[3，4]。由于技術、財力、供應鏈等多方面條件的限制，國內200 mm 及以上集成電路生產線上使用的立式擴散均以國外品牌為主。國產立式擴散雖然有一些“點”的突破，但僅停留在非關鍵工藝制程環節，關鍵環節仍依賴進口設備。為提高我國集成電路產業的自主可控水平，需要加快立式擴散/氧化設備的國產化進程。

1 設備技術指標

對標國際領先，本文研究的立式擴散/氧化設備的主要技術指標如表1、工藝指標如表2 所示。

表1 主要技術指標

表2 工藝指標

2 設備整體設計

設備整體由爐體系統、傳送系統、水氣系統和電控系統等組成，采用分離式結構，如圖1 所示。爐體及傳送系統放置在主機柜中，氣路及電控系統放置在氣源柜中，兩柜通過橋架連接。

圖1 立式擴散實物圖

2.1 爐體系統

爐體系統是設備的核心，主要由工藝爐體、爐口密封罩和存儲舟架組成。

2.1.1 工藝爐體

爐體安裝于爐體底座上，爐體內部各裝有1層碳化硅管和石英管，碳化硅管裝于多晶莫來石纖維材料的底座上，石英管裝于水冷法蘭上，在水冷法蘭上和水冷法蘭下之間裝有石英領，石英領具有高強度、低熱膨脹系數、良好伸展性等特點。連接石英點火器的是反應氣體入口，爐體結構布局如圖2 所示。

圖2 工藝爐體三維圖

2.1.2 爐口密封罩

爐口密封罩的作用是提高爐口的保溫效果，其組成材料除橡膠密封墊外均采用316 不銹鋼，結構采用雙層設計，擺動爐門處于兩層之間，其內壁上焊有2 個水管接頭，用于爐體水冷法蘭上、下和擺動爐門的冷卻循環水的進出。左部設計為可拆卸維修板，方便對爐口和擺動爐門進行檢修。爐口抽風罩是爐口密封罩內的氣體排出口，同時也是水路的中轉口。

2.1.3 存儲舟架

儲片舟架是晶圓進入爐體的載體，如圖3 所示，舟架為石英或碳化硅材質。舟架置于舟架底座上，舟架底座安裝在升降模組的滑塊上。

圖3 儲片舟架三維圖

舟架底座裝有電機通過同步帶輪帶動旋轉盤旋轉，旋轉盤上設計有一槽口與舟架配合，使得舟架隨旋轉盤同步旋轉，在舟架隨升降模組進入爐體后，旋轉電機驅動舟架旋轉，保證晶圓水平面方向受熱均勻；底托盤不僅托起整個舟架，且內部還設有一冷卻水路，其頂部設有一密封圈，在舟架升至爐體內部時與爐體下水冷法蘭對接。

2.2 傳送系統

針對高自動化和高潔凈度的生產要求，晶圓傳送過程由機械手完成，如圖4 所示，傳送系統主要由取盒機械手、取片機械手、緩存架和出料架組成。

圖4 傳送系統三維圖

取盒機械手安裝于一垂直模組上，垂直模組底部安裝于水平模組上，故取盒機械手能同時豎直和水平移動，垂直模組的頂部還設有導向機構，用于保持其運動平穩性。

取片機械手安裝于另一個豎直模組上，底座只做垂直運動，負責緩存架和舟架之間的晶圓傳輸，取片機械手擁有兩只手臂，其中一只手臂有5個手指，可一次取5 片晶圓，另一只手臂有1 個手指，用于抓取單片晶圓。為控制方便，取片機械手只抓取緩存架第二層和第三層中間片盒的晶圓，兩片盒下方均設有對射式光電開關。

2.3 凈化系統

凈化系統包括3 個獨立的循環系統和1 個排氣裝置，循環系統包括料架（緩存架和出料架）凈化、晶圓傳輸凈化（取片機械手和舟架）和片盒凈化（取盒機械手和小機架）三部分。

每個系統配備獨立離心風機和高效過濾器，高效過濾器外為一塊均風板，均風板上開有1 萬個以上的φ5 mm 通孔，使離心分機帶進的風均勻分布。晶圓過濾單元配備4 個離心風機，自下而上吹進高效過濾器；片盒過濾單元配備4 個離心風機，自上而下吹進高效過濾器，小機架過濾單元配備一個離心風機，自右向左吹。

工藝排氣裝置共有3 個排氣口，均在爐體柜上。一個接點火器，排氣裝置末端配有1 個氫氣探測器，檢測氫氣是否泄漏。工藝排氣裝置，管路和連接塊均用聚四氟乙烯制成，工藝排氣口連接工藝石英管的輸出口，并由頂部輸入一路水，將可溶氣體溶于水進入排水桶。另外一個接爐口抽風罩，用于把爐口散失的熱量和工藝泄露的氣體排出爐體。

2.4 水氣系統

水路用于設備各高溫結構的冷卻，冷卻循環水由入水口統一進入，排水系統分成4 路，分別用于爐體、爐口、爐門和承載臺的冷卻。爐體水路用于高溫爐體的冷卻；爐口水路用于水冷法蘭、爐口隔熱板、工藝排氣管的冷卻，各支路串接在一起；爐門水路用于擺動爐門和點火槍的冷卻，兩支路串接在一起；承載臺水路用于邊緣密封圈和不銹鋼底座的冷卻。

氣路分為動力氣路和工藝氣路，動力氣路包括小機架上2 個氣缸、取片機械手上的吸片氣。擺動爐門頂缸和擺缸為動力氣，通過軟管接于氣源柜的閥島上，氣管均為不銹鋼管。頂部3 根管為氫氣、氧氣和氮氣進氣口，為工藝氣路，經由氣盤控制分流，各支路配有壓差表和數顯壓力計等儀器實時檢測各氣路情況。

2.5 電控系統

分為操作界面和查看界面（見圖5），為用戶提供2 個接口，系統采用EtherCAT 總線通訊，用于實現片盒傳送、晶圓傳送、舟架升降旋轉、爐內溫度控制、工藝氣體控制、氣流壓力監控及相關互鎖等功能。

圖5 電控系統原理圖

3 關鍵技術及解決措施

3.1 熱場設計與制造技術

熱場設計潔凈度高，均勻性好。在保證恒溫區長度的前提下，盡量減小爐體高度，以降低設備整體高度。另外，如何減少熱損失，提高熱效率，改善升降溫特性，都是研制爐體時需要統籌兼顧的問題。針對控溫精度及升降溫速率的要求，在保證熱負荷和保溫特性的前提下，根據爐體熱分布特性改進熱場。

采取的技術路線：采用雙層腔體結構，加熱腔采用圓形鐘罩式結構，加熱器沿圓周呈環形均勻分布。采用模擬仿真方式，合理設計爐絲分布、加熱段數量以及反應管尺寸。為提高降溫速率，爐體外部及頂部設有水冷系統。根據調研及模擬仿真結果，采用石英或碳化硅作為腔體材料，爐體系統設計與制造風險小。

3.2 溫度場及氣流場控制技術

恒溫區溫度均勻性直接影響工藝效果，進而影響產品良率。針對控溫精度及升降溫速率的要求，在保證熱負荷和保溫特性的前提下，根據爐體熱分布特性提高溫度控制精度。此外，進氣端通過流量計控制進氣量大小，出氣端和尾氣系統相連，一定程度上爐管壓強取決于尾氣系統，爐管壓強無法自主可控，從而影響氣流場穩定性，進而產生工藝效果不均勻問題。

采取的技術路線：爐體采取分段加熱方式，每個溫區均采用串級控溫方式獨自控溫，PLC 為主控制器，串級溫度控制器依據設定的溫度值，經內部PID 模塊計算后輸出信號給加熱電源，實現溫度的閉環自動控制。在氣流場控制方面，在爐管進氣端、出氣端和尾氣系統銜接處均設置壓強檢測傳感器，在出氣端設置壓力調節氣路，通過分析各處壓力變化的關系找出三者間的內在聯系，設置合適的功能參數，達到高靈敏性調控氣流場的目的。

3.3 晶圓智能化傳輸系統

傳送系統決定了設備自動化水平，其關鍵技術點在于傳送效率、精度和污染控制。

采取的技術路線：系統功能采用Loadport（片盒接口）、片盒搬運機械手、片盒儲存裝置、晶圓搬運機械手、電機模組、氣缸、傳感器等功能模塊，并通過計算分析其在智能化傳輸系統中的功能、作用和結構銜接性，優化其銜接匹配性，經組裝后實際應用驗證達到智能化傳輸要求。

4 工藝測試

立式擴散/氧化設備完成裝配調試后，搭建工藝驗證平臺，工藝試驗條件：溫度1 000 ℃、氧氣流量10 L/min、DCE 流量235 mL/min。經膜厚測試，二氧化硅膜厚為50 nm 左右，并爐尾、爐中、爐口3 個位置的晶圓生長的二氧化硅薄膜厚度均勻性進行了監控測量。連續三批的測試結果如表3 所示。

表3 氧化工藝試驗結果

其中第二批的氧化膜厚度的具體測試結果如圖6 所述。

圖6 爐尾/ 爐中/ 爐口的氧化膜厚度均勻性表征圖

由表3 可以看出，氧化生長的二氧化硅無論是晶圓片內、片間、還是批間的膜厚均勻性均優于2%的工藝指標要求，可以滿足某器件產品的工藝制程要求。

5 結 論

本文研究的立式擴散/ 氧化設備已在用戶端產線上完成調試并進行了流片工藝試驗。設備結構緊湊、體積小，各部件均采用模塊化設計，方便整體拆裝；控制系統獨自開發，人機界面直觀，易操作，設備自動化效率、精度高，工藝效果良好，達到了IC 的工藝制程要求。