THERMCO水平氧化炉外点火系统保护措施分析

李志成

(重庆中科渝芯电子有限公司，重庆 401332)

0 引言

现阶段在硅片上用热生长法制备氧化膜时常用的有干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化。干氧氧化制作的SiO2结构致密，均匀性好，但生长速率较慢；水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷；湿氧氧化的生长速率介于干氧氧化和水汽氧化之间。在今天的工艺中，H2O的形成通常是由H2和O2在外点火系统中反应得到。通过H2和O2的流量比例来调节O2和H2O的分压比例，从而调节氧化速率。湿氧氧化的氧化层对杂质掩蔽能力以及均匀性均能满足工艺要求，并且氧化速率比干氧氧化有明显提高，因此在厚层氧化中得到了较为广泛的应用。本文描述了THERMCO9000水平氧化炉中湿氧氧化工艺所用到的外点火系统的结构及其保护措施。

1 THERMCO外点火系统的结构

THERMCO水平氧化炉外点火系统由加热器、点火器以及保护措施组成，如图1所示。加热器包括外点火炉体、加热电源以及温度控制单元；点火器包括石英点火枪及石英点火腔室；保护措施包括温度保护、流量保护以及火焰保护等。

图1 外点火结构图

2 THERMCO外点火系统的保护措施

THERMCO水平氧化炉氢氧合成工艺中的保护分为软件保护和硬件保护。

软件方面可触发的保护事件有29、30、37、46四个事件，硬件保护有37、38、42、46四个事件。29号 H2事件；30号 O2事件；37号 RATIO H2事件；38号HIH2FL事件；42号NO TORCH事件；46号PYRO LOW事件。

29号H2事件为氢气流量超范围。氢气流量检测值偏离设定值一定的百分比，管计算机通过将H2的设定值改为0而切断H2的供应并且同时关断氢气管路的气动阀。偏离误差的百分比可通过“MFCTOL”命令进行0%～100%的调整，系统默认值为5%。这种安全互锁是系统软件程序进行判断的，必须在气体控制表中的第一项命名且必须用“H2”命名才能触发该互锁。

30号O2事件为氧气流量超范围。氧气流量检测值偏离设定值一定的百分比，管计算机通过将H2的设定值改为0而切断H2的供应，同时关断氢气管路的气动阀。

37号RATIO H2事件为H2：O2比例错误。氢气流量检测值与氧气流量检测值的比值不能超过一定的临界比例（最大2:1），如果超过了，管计算机通过将H2的设定值改为0而切断H2的供应，同时关断氢气管路的气动阀。临界比例可通过“H2 RATIO”命令进行（0～2）：1 之间的调整，系统默认值为1.88:1。该比例值还在气体接口板上通过电路进行硬件设定最大比例值，调节电路如图2所示。

图2 H2/O2比例设定电路

H2/O2比例硬件调节方法：（1）主炉至少加热到 750℃；（2）外点火炉加热到 850℃；（3）设定 4L氧气流量（氧气必须为MFC2#通道）；（4）设定2L氮气流量吹扫氢气管道至少10秒；（5）关闭氮气；（6）等待 30 秒；（7）设定氢气 4L，斜率为 10SLPM（氢气必须为 MFC1# 通道）；（8）等待火焰稳定；（9）测量并记录电路U27-3脚的电压值；（10）用该电压值除以 1.95得到“X”值；（11）测量电路U27-2脚的电压值，该电压值应等于“X”值；（12）如果不相等，则调节R32直到相等；（13）如果要求其他的氢氧比例，则需用要求的值替代10步中的1.95即可。

正常情况下，U27的2脚的电压值大于U27的3脚的电压值，U27的7脚输出为低电平。

38号HIH2 FL事件为氢气流量过大，该事件由硬件进行设定，调节电路如图3所示。

图3 HI H2设定电路

图4 火焰检测原理

该硬件保护主要是为了防止氢气质量流量计失控而引起的危险。气体质量流量计使用范围一般为其满量程的20%～80%。高H2设定电路把其值设定为80%。设定方法：调节R66，直到U31的6脚检测电压为4DCV。

42号NOTORCH事件为未检测到火焰。火焰探测传感器未检测到火焰，程序可通过采集NO TROCH事件运行保护程序，火焰检测原理如图4所示。

火焰探测传感器可进行检查时间的调节。

火焰探测时间调节方法：（1）通氮气至少2slpm；（2）主炉加热至少 750℃；（3）外点火炉加热到 850℃；（4）关闭氮气通 4slpm 氧气；（5）关闭氢气手动阀门；（6）打开火焰探测器的盖子；（7）模拟通入4slpm氢气 （拔出MFC1的控制线，短接JP28，计算机设置4slpm氢气，实际上无氢气流量）；（8）观察火焰探测器上“H2 ON”灯亮后保持的时间；（9）该时间正确为8～9秒，如果有必要则调节火焰探测器上标注“T”孔对应的可调电位器；（10）：重复7到9步，直到时间正确；（11）系统复原，合上火焰探测器盖子，拔出JP28短接跳线，插回MFC1的控制线。

46号PYRO LOW事件为点火点温度低。如果点火点温度低于630℃，管计算机通过将H2的设定值改为0而切断H2的供应并且同时关断氢气管路的气动阀。点火点温度采集在点火前由热偶3提供信号，在点火完成30秒后由继电器板转为热偶2提供。

3 THERMCO外点火系统常见故障

THERMCO外点火系统常见故障可分为温度故障、流量故障和火焰检测故障3类。

引起温度故障的原因主要有加热炉丝断裂、加热控制可控硅损坏、温度检测热偶损坏以及点火板损坏；引起流量故障的原因主要是氢气、氧气气体流量控制器损坏以及气体接口板损坏；引起火焰检测故障的主要是火焰探头受高温烘烤位置变化以及火焰检测传感器损坏。

加热炉炉丝断裂一般情况下都是加热炉炉体上半部分的炉丝由于温度高而造成的，点火板损坏如图5中红圈所示。这种损坏情况通常是由于可控硅击穿损坏后串入高电压到点火板而引起的，通常损坏的还有稳压管、光耦等电子元件。

图5 点火PCB板

4 结语

现阶段湿氧氧化设备的外点火系统中加热的方式方法有多种，比如炉丝加热、灯管加热等，但其保护措施基本都相同，即流量、温度、火焰保护等。

[1]SVG SYSTEMS LIMITED Products Processes，ThermcoSystemsDivisionOrange[M].California，1988.

[2]Silicon Valley Group Inc.，Thermco Systems HTR 10K System MaintenanceModules[A].Thermco Systems Division Orange[M].California，1997.