对影响外延片表面质量的若干问题的研究

李普生

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

对影响外延片表面质量的若干问题的研究

李普生

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

外延片作为制造多种分立器件的必须材料，其地位已愈发重要。外延片的表面质量对外延片整体质量有很大影响。本文对在外延片生产中，影响外延片表面，引起外延生产大部分不合格率的颗粒、暗点、滑移线等主要问题进行了研究，总结了批量生产中针对此类问题采取的预防改进措施。关注产品表面质量，减少或根除这些因素对外延片表面的影响，将对保证产品质量、提升产品合格率起到积极作用。

半导体硅外延材料；表面质量；颗粒；暗点；滑移线

外延片是制造多种分立器件的基础材料，其地位愈来愈重要。它作为笔者部门科研及生产的主要产品，严格把控其各项参数指标、表面质量，不断提升外延产品的质量与合格率是我们的责任也是我们不变的目标。目前我们的生产设备都是采用气相沉积法［1］进行外延生产。这种产品有其独特的工艺特点，这些工艺特点也是产生问题的关键点。在日常生产中，引起外延片表面质量缺陷的原因共有3种：

1）操作原因。国内大部分外延生产设备型号相对老旧，衬底及外延片的装取还依靠人工操作。由于人工操作容易受到外界因素的影响，存在不稳定性，在装取片过程中会造成对外延片表面的损伤，产生簇、划痕、颗粒超标等问题出现。

2）工艺原因。外延生长过程的工艺设计对外延片最终参数起主要作用，其表面情况也会随工艺参数设计有所变化。

3）设备原因。由于外延材料制备过程中要求环境洁净程度高，不允许有任何颗粒灰尘沾污，但设备长时间的运行会产生或者引入一些颗粒，对内部生产环境造成破坏；另一方面工艺气体的纯净度［2］也会造成表面质量的不达标。

1　外延片表面的颗粒问题

当前采用的两台设备都是应用气相沉积法生长硅外延，由于钟罩的热壁效应［3］会在钟罩内表面下部形成一层硅的附着，随着外延生长的不断进行，这层附着硅会随着外延生长厚度的增加而增加。达到一定厚度后就会产生碎裂形成硅渣颗粒并与钟罩内表面脱离，掉落在基座上的硅渣就会参与到硅片表面的外延生长中。随着外延层厚度生长，这种颗粒的表象也会随之增强，最终形成较明显的表面质量缺陷，强光灯下显像为大亮点或小亮点，如图1、图2所示。

图1　外延表面大亮点

图2　外延表面小亮点

为解决该项能够导致外延表面不合格的问题，需要每隔一段时间对钟罩内表面进行清洁。清洁周期可以参考基座累积包硅厚度，每当基座累积包硅厚度达到1000μm时即需要对钟罩内环境进行检查。检查时应停炉，充分降温后卸下基座与石英件，使用照明灯仔细检查整个钟罩内壁，若出现脱皮、硅层碎裂、大块硅渣悬挂内壁等情况时需要清洁钟罩。

钟罩清洁方式应以无尘布蘸异丙醇或无水乙醇擦拭，并结合无尘吸尘器吸取硅渣。洁净标准以清洁钟罩后擦拭内壁，无尘布上无色变与硅渣残留为准。清洁完成后重新安装石英件与基座并开炉运行，观察前5炉外延片表面质量，作为钟罩是否清洁干净的标准。由于首炉实验的不稳定性，首炉外延片表面质量不作为可参考的检验因素。

另一方面，基台转轴也会引起外延片表面颗粒超标。外延生长的掺杂剂气体是由中空转轴吹扫至钟罩腔体内部的，设备运行一段时间后转轴顶部同样会沉积少量硅质。当硅的沉积达到一定厚度后会发生碎裂，形成硅渣随掺杂气进入腔体，落在硅片表面后被外延层扩大表象，形成明显的表面缺陷［4］。由这种原因形成的质量缺陷有其特殊的位置特点。掺杂气由转轴中孔吹出后进入石英支撑桶再进入腔体。由于石英支撑桶的本身设计，桶身卷曲接触的位置存在一道宽约3mm的缝隙，气体会从这道缝隙中吹出，其直接后果是缝隙附近的2-3片外延片表面颗粒数量明显多于其他位置的外延片。针对由这个原因产生的表面质量问题，解决办法在于清洁或更换转轴及轴套。设备正常运行时设定该周期为一个月，即每月对转轴及轴套进行一次清洁；并且由于旋转磨损，每三个月需更换一根新的转轴。该维护周期的设定即可满足要求，可保证不会因转轴原因产生产品的不合格。

2　外延片暗点问题

暗点，顾名思义，在强光灯下显示颜色发暗，大小与小亮点相当或更小。暗点的形成原因与颗粒形成原因相似，都是由直径特别小的颗粒导致。转轴、尾气、尾气管长久不维护均能导致外延片表面暗点出现。

最易导致暗点出现的就是转轴的原因，转轴过久不清洁问题比较严重，颗粒暗点均会产生，按照设定周期对转轴进行维护能够降低或者消除其对外延片表面质量的影响。

尾气处理部分也会造成外延片表面出现暗点。以EpiPro5000外延炉为例，尾气监视表压力读数过高时，表示尾气管路或尾气处理器压力过高，尾气处理器处理能力降低，可能会导致气体排放不畅，尾气倒流等问题。因尾气中所含气体杂质含量较高，会对腔体造成污染，从而导致外延表面产生暗点、雾及氧化等缺陷问题。时刻监视腔体压力、尾气管路压力，并每隔一段时间对尾气处理器进行维护都是解决尾气引发暗点问题的有效手段。

3　外延片滑移线问题

硅片在外延生长过程中有时会产生滑移线问题，通过近期的观察发现，滑移线一般出现在外延片的参考面附近或对面，线长随外延层的厚度有所区别。薄层外延产生滑移线较少，厚层滑移线问题较严重，主要表现在滑移线数量多，单条线长较长等。滑移线的图形表征如图3、图4所示。

图3　外延片表面滑移线

图4　外延片表面滑移线

滑移线问题的产生可由以下几方面因素引起：

1）外延炉线圈温场不均匀。外延生长温度场［5］对外延生长过程影响很大，设置温度与实际温度偏差过大、硅片片内温度（硅片直径两端及中心点三点间温度）偏差过大都会导致滑移线的产生。当因此原因出现滑移线时需要根据外延炉实际的温场特点对外延炉线圈进行调节，以达到最佳温场效果，解决滑移线产生的问题。

2）硅片倒角质量不达标。此项因素属于由硅片的质量问题引起，若硅片在倒角过程中倒角质量［6］不合格，即使温场良好也会很容易导致外延片表面滑移线的产生。改善硅片倒角质量则是解决因此问题导致的滑移线问题。

3）基座原因。基座超期服役或长时间使用，会导致基座内部及表面应力［7］发生改变，进而影响硅片的表面特性，导致表面滑移线的产生。

4）其他原因。

4　其他问题

除了作为外延生长必须存在的条件因素外，外延片制造流程中的操作、包装及运输过程也会对外延片造成损伤。

硅片在完成外延生长后需要由操作人员使用吸笔和顶笔将其由基座上取下装入片盒，顶笔头过钝或过于锋利均会导致硅片表面受损，形成簇、划痕、点等缺陷，因此需要每天对操作工具进行检查，一旦工具出现磨损、损坏，需要及时对其维修或更换新的笔头，以避免造成外延片表面损伤；超净间洁净情况同样影响外延片的表面质量。能够造成沾污的因素一方面是超净间环境自身的洁净度，另一方面是操作者身着服装的洁净度。每隔一定时间需要对操作台及其附近区域重点清洁，并要对超净间进行颗粒度检测，超过标准则需采取整改措施以改善环境洁净度；超净服装每周必须清洗，员工进出超净间必须通过足够时间的风淋等；盛装外延片的花篮、片盒必须保证干净清洁，在未做两层封装的情况下不得进入低等级超净环境，以免空气环境对其造成污染［8］。

5　结论

能够引起外延片表面质量缺陷的因素除了以上列出的几项外还有很多，要想保证外延片的表面质量，生产制造出优质合格的外延产品就需要对这些因素全部掌握，确定每个因素发生的条件、表现及周期，然后根据这些特点制定具体详尽的实施方案，及时进行生产管理或生产设备的调整。不断细化所有生产细节，探索新的生产方法，提高产品质量与合格率，创造更高的社会与经济价值将是我们现阶段和未来阶段将要一直致力的方向与目标！

［1］ 浦树德，王旗，雪崩探测器用硅材料中微缺陷的初步探讨［J］.半导体光电，1995，16（1）：35-39.

［2］ 梁创廖静梁冰，等，硅雪崩光电二极管单光子探测器［J］.光子学报，2000，29（12）：1142-1147.

［3］ 王向武，赵仲铺，陆春一，等，用于硅双漂移雪崩二极管的n十/np多层外延材料［J］.稀有金属，1992（3）：218-222.

［4］ 孙懋珩，丁燕，雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用［J］.电子测量技术，2007，30（2）：121-124.

［5］ 王巍，冯其，武逶，等.硅基APD器件的工艺及性能仿真分析［J］.红 外与激光工程，2004，43（1）：140-144.

［6］ 王志伟．降低硅基微元阵APD暗电流结构优化的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学.2014.

［7］ 顾怀奇.Si基微元APD雪崩增益与结构参数优化的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学.2012.

［8］ 李杨王文林薛兵等，CCD成像器件用P型外延材料的工艺研究［J］.电子制作，2014（13）：38-39.

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