施国政和金龙：探讨硅外延膜厚波动的控制对策 |
| 2012-09-28 22:27 作者：施国政，金 龙 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网9月28日讯】原文载于《科技与生活》杂志2012年第15期，文章称，新型硅功率器件对厚膜的硅外延材料需求日益增加，硅片的外延层厚度的波动会导致后道工艺的异常失效，严重影响了后道的客户收益。本文从作者长年在生产制造型企业总结的经验出发，提出了膜厚波动的控制对策，有效减少了厚度的波动。文中从工艺和设备方面探讨研究了生产过程中的外延层膜厚波动的影响因素及控制对策。并以某品种硅外延片在LPE3061D的机台量产品种为改进案例，演示了改进方法及实际效果，该案例提高了后道工艺的成品率，给客户带来更好的盈利能力。本文侧重生产型企业实践，对生产型企业的技术人员或打算将研究成果产业化的研究人员具有实际参考价值。
关键词硅外延；膜厚波动；控制
近年来，随着新能源新材料技术不断开发，新型硅功率器件不断研发并投入量产，同时新型硅功率器件对厚膜的硅外延材料需求日益增加。硅片的外延层厚度的波动会导致后道工艺的异常失效，如外延层的膜厚偏厚，会导致功率器件导通电阻（RDSON）变高，管芯后期使用过程中器件的发热变高，有效寿命变短，耐用寿命试验中容易不良，而膜厚偏薄，会直接导致击穿（VDS）不够，管芯直接失效。这两种（偏厚，偏薄）造成功率器件不良，严重影响了后道客户的收益。
企业的价值在于他的产品能够在客户那里体现他的产品价值，生产型企业的价值在于能够有更好的成品率。众所周知，制造企业的成品率从90%到98%提升较容易，而98%到99.8%，后面每提高0.1%都需要付出巨大的努力，需要不断挖掘各种生产过程控制的潜力，进而提高大批量生产过程控制的能力。本文从作者长年在生产制造型企业实践的经验出发，提出了膜厚波动的控制对策，有效减少了厚度的波动，以某品种硅外延片在LPE3061D的机台量产为案例，探讨研究生产过程中的外延层膜厚波动的控制对策，以及如何采取措施不断改进，从而不断提高外延膜厚的过程控制能力。通过客户反馈，该方法提高了后道工艺的成品率，给客户带来更好的盈利能力。本文侧重生产型企业实践，对生产性企业的技术人员或打算将研究成果产业化的研究人员具有实际参考价值。
为了工艺的成品率，客户对前道的外延工厂提出了更高的要求，外延产品均匀性一致性的要求不断提高。外延片是一炉一炉的生产的，改善设备的炉与炉间均匀性，即提高批次内的一致性就变得非常重要。均匀性的提高可以通过各种工艺手段解决，但达到了设备的设计能力后，每提高1个百分点都非常困难。这时候，稳定性就成为提高工艺控制能力的另一个关键因素。例如，某客户要求产品批次片内总体厚度波动小于8%，而设备的单炉内的满炉均匀性通过工艺已经调整到4%，接近设备的能力临界，这样一种情况下，提高炉与炉的一致性，减少外延膜厚的波动，将从另一个方面减少批次内产品膜厚的波动，达到并更好满足客户的要求。下面就从硅外延生产过程的设备控制方面、工艺控制方面这来探讨生产过程膜厚的影响因素及对应的控制方法。
设备是外延生产过程的基础，需要讨论设备方面可能影响外延膜厚波动的原因及对应控制对策。本文从反应气体的流量控制、反应腔内的气流分布及外延淀积过程控制三个方面讨论。首先，反应气体的流量控制方法在于反应气体的流量必须稳定，一般采用质量流量计（MFC）来进行流量控制，为了保证气体的流量稳定，对气体的流量计前端要用减压阀进行定压控制，对实际流量的读数与设定值之间进行比对，确认其数值一致。反应过程的H2，硅源是关注的重点。其次，反应腔内的气流分布对波动的影响也可以通过细心地安装及检测加以控制，例如：碳化硅石墨基座的旋转要平稳并平衡，同时旋转速度稳定。最后，外延淀积过程控制要点在于反应腔内温度要精确控制并保持稳定的温度曲线，反应腔的气体压力要保持微量的负压且在外延淀积过程中前后不能有变化。
外延过程工艺控制的参数也将影响外延膜厚的波动，这里分为反应腔内的气流分布、生长速率的控制及外延衬底材料三个方面讨论。首先，反应腔内的气流分布对厚度影响最大，反应腔体内的石墨基座的位置要固定，配套石英件的位置要对照石墨基座的位置相对固定，同时不能有破损以及基座旋转的转速保持工艺的一致性等。其次，生长速率的参数也很重要，过高或过低的生产速率，均会导致异常的厚度波动，而正常生长速率表现稳定，这主要在于流量计的控制点在其控制范围中端部分会更稳定，一般我们建议把流量设定在固定的工作点，若实际需要很低的生长速率，可以通过更换小量程流量计来解决。最后，外延衬底材料也会影响外延层的过渡区，如高浓度的衬底，高迁移的衬底掺杂元素均会导致外延层到衬底的过渡区变宽，同时也会造成表象上的厚度波动，这点我们可以在通过分品种分析剔除干扰。
为了体现持续改进的效果，本文通过一个实例来示范改进的实际收益。当然，工艺、设备的稳定也是本案例非常重要的前提因素，通常当生产型企业中成品率达到98%或更高以后，工艺和设备都是比较稳定的。这里我们假定工艺和外延设备主体都是稳定的，不考虑这两方面因素的变化导致的外延膜厚波动，单从设备原料气供给方面非常重要也较易被忽视的一点，即硅源混合气体组分的浓度波动来分析该原因导致的膜厚波动实际的控制对策。
案例：某品种硅外延片在LPE3061D的机台量产，采用TCS硅料及H2载气作为设备硅源的原料气体，通过对硅源TCS浓度的精确控制，提高生产过程膜厚波动控制能力。硅源原料气体中TCS组分的实际浓度控制是本案例的分析及控制重点。实际生产中外延膜厚的波动也可能因淀积时间的微调而变化，为了剔除该影响因素，我们用生长速率来评价改进，理论上LPE3061D正常的硅源流量与生长速率关系如下图：
图1硅源流量与生长速率关系图
实际上硅源流量设定虽然不变，但因硅源TCS浓度会导致异常的波动，为了达到精确控制目的，本案例从硅源TCS浓度波动的预防及浓度波动的补救两个方面来考虑控制对策。控制并保持鼓泡器源头TCS浓度稳定可以看作预防性措施。相对大料桶直接生产的原始方式，用恒温恒液面鼓泡器控制鼓泡温度及TCS液位，可以基本消除源头的TCS浓度波动。但单纯对鼓泡环节控制并非完美，在原料气体的输送环节我们也采取了一种特殊的方式，保证输送环节没有TCS浓度的变化。在实际厚膜的生产过程仍然会产生TCS浓度轻微的波动，因为厚膜淀积需要较多的硅源，如50u外延的生产过程中鼓泡器的液位下降约1.3cm，导致轻微的TCS浓度波动，而在淀积过程中加TCS料会导致更大的TCS浓度波动。因此，用TCS浓度分析控制器量测设备进气端的TCS浓度波动并控制微调质量流量计的控制设定点，可以作为TCS浓度波动后补救性控制的方法。这两种方法的同时运用，可以非常稳定的保持设备硅源的流量，从而提高控制能力。
图2恒温恒液面鼓泡器示意图
图3流量组分分析控制器示意图
本案例我们应用过程能力指数CPK（=Min[(USL-Mu)/3σ，(Mu-LSL)/3σ]）来量化评价案例改进对生产过程的控制能力提高值。CPK是SPC（统计过程控制）的一个重要参数，主要用来评价产品的品质能符合或超出客户要求的程度。该指数越高，说明企业生产过程控制能力越强。本案例中生长速率σ变小，Cp值变大，而工艺控制的中心值接近客户规范中心值，CPK基本等于或略低于CP。因保密原因，本文不列出实际的控制图及客户的膜厚参数，最终改进的CPK参数如下表。本案例的实施获得了较好的收益，提高了客户满意度，客户增加了订单，为公司实现了高投资回报。
表1实施案例过程能力指数变化表
作者简介
施国政，南京国盛电子有限公司，研究方向：生产管理；金龙，南京国盛电子有限公司，研究方向：企业管理。
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