MOCVD设备射频感应加热原理与故障分析

刘成群，程壹涛，刘宇宁

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051）

金属有机物化学气相淀积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）是外延生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体薄膜以及其多元固溶体薄层单晶材料的主流工艺。MOCVD工艺要求设备加热系统准确控制衬底温度，并满足加热均匀、升降温速度快、温度稳定时间短等多方面要求，这些指标影响外延生长的速度、厚度一致性，最终影响芯片的性能。

反应室加热系统是MOCVD设备的重要组成部分，主要有辐射加热和射频感应加热两种方式[1]。辐射加热采用电阻丝、电阻片、红外灯管等作为加热器，通过热辐射方式加热放置衬底的石墨盘，其优点是结构简单、容易实现，缺点是加热效率低、升降温转换滞后量大，同时辐射加热方式将大电流直接加载到加热器上，导致加热器易损坏，影响设备长期稳定运行，也存在维修量大的弊端。射频感应加热方式采用电磁感应原理直接加热石墨盘，具有热效率高、温度均匀性好、升降温转换快、使用寿命长等优点，缺点是需要射频功率源，电路复杂，装配要求高，需要进行电磁屏蔽。目前，国内高端MOCVD设备多为进口产品，绝大多数都采用射频感应加热方式，国内对其维修技术的研究报道较少。本文以AIXTRON公司某型MOCVD为例进行分析。

1 MOCVD设备射频感应加热原理

MOCVD设备射频感应加热，主要依据电磁感应、交流电流趋肤效应和热传导这三项基本原理[2]。射频功率源将380 V工频、50 Hz的交流电压，转换成最高600 V、100 kHz的正弦高频高电压，施加到反应室内的感应线圈（coil）上，在感应线圈内产生高频变化的电流，高频电流产生高频强磁场。通过电磁感应作用，在放置衬底的石墨盘内产生与感应线圈内电流方向相反的涡电流，交变电流存在趋肤效应，涡流存在于石墨盘下表面。由于石墨盘内阻的存在，涡电流的分布处会产生焦耳热，使得石墨盘的温度迅速上升，通过热传导作用实现基片衬底加热。射频感应加热方式直接在石墨盘内产生热量，能量利用率高，加热效率高，升降温转换快。

感应线圈在石墨盘内产生的感应电动势为：

其中，ε为石墨盘内感应电动势，石墨的相对磁导率μr=1，真空磁导率μ0=4π×10-7H/m，H为磁场强度，与感应线圈中的电流、频率大小成正比；r是感应线圈半径，△t是时间变化值。

石墨盘内涡流If大小见公式（2）：

式（2）中，E为石墨盘内感应电动势有效值；Z为石墨盘阻抗，R为石墨盘内阻，XL为石墨盘感抗。石墨的阻抗Z很小，涡流If会很大：

综上，基片衬底升降温快慢与石墨盘内涡流大小有关，取决于感应线圈半径大小、匝数和感应线圈内射频电流、频率大小，另外石墨盘与感应线圈间距、石墨盘的内阻大小也对基片衬底加热有影响。感应线圈内电流大小取决于射频功率源的输出功率和振荡器的阻抗。

基片衬底温度均匀性与加热效率及石墨盘趋肤效应有关[3]，趋肤深度公式为：

式中，μ为磁导率，γ为电导率（石墨为6.5），f为射频功率源输出电流频率，在趋肤深度δ处，涡流电流密度为表面电流密度的36.8%，而焦耳热与电流的平方成正比，因此石墨盘大部分的热功率是由其下表面区的趋肤层产生。

基片衬底热源来自石墨盘上表面，石墨盘上表面受热来自石墨盘下表面涡流焦耳热的热传导作用[3]。热传导的基本定律公式为：

式中，Qcond为热传导量，k为导热系数，石墨导热系数为129 W/（m·k），△T为温度差，式（5）是选择石墨盘厚度的依据。

2 MOCVD设备射频感应加热装置组成

MOCVD设备射频感应加热装置由温度测控组件、射频功率源（RF Power unit）、振荡器、石墨盘组成，如图1所示。

图1 射频感应加热系统图

2.1 温度测控组件

温度测量控制组件包括温度控制器、温度及双反射率测量信号盒、光学测量头。温控器接收控制计算机发送的温度设定信号，同时接收温度及双反射率测量信号盒发送的温度反馈信号，输出控制信号给射频功率源。光学测量头发射800 nm波长的红外线测量放置于石墨盘上的晶片的温度及上下表面反射率，经温度及双反射率测量信号盒处理后，发送给温度控制器和上位机。

2.2 射频功率源

射频功率源是MOCVD射频加热系统最复杂的部分，原理如图2所示。它是采用电力电子技术的电压频率转换装置，输入380 V工频、50 Hz的交流电压，输出最高600 V、100 kHz的高频可变电压。射频功率源由输入电路单元、直流电路单元、逆变电路单元、控制检测电路单元、通讯接口电路单元、冷却系统组成。射频功率源输出功率大，电路复杂，结构紧凑，为一个单独机柜。

图2 RF射频功率发生器电路原理图

输入电路单元由主断路器、接触器、单/双绕组功率变压器、控制电源及驱动电源电路、输入电路检测控制板等组成，实现输入交流电路的通断控制、检测及保护。

直流电路单元由整流滤波电路、斩波降压电路、谐波吸收电路组成，将来自功率变压器次级绕组的交流电压变成直流可变电压，实现输出电压、电流、功率值连续可控。谐波吸收电路为逆变电路、振荡电路产生的谐波提供通道。斩波电路、吸收电路都采用大功率IGBT器件。

逆变电路将来自DC/DC斩波电路的直流电压，变成最高100 kHz的交流电压，输出至振荡器。逆变电路采用大功率MOSFET功率器件、二极管组件组成的双臂桥式电路结构，电路通断采用自激振荡式，由振荡控制电路板输出信号控制。

控制检测保护电路单元与通讯接口单元实现本地及远程设定射频功率源参数、模式选择、运行控制，并完成电路运行参数检测、保护、故障报警显示。

2.3 振荡器

振荡器由电容匹配网络、前置电感和感应线圈（coil）组成。电容匹配网络和前置电感安装在MOCVD设备反应室外后下方，感应线圈（coil）位于反应室内，是内部通水的铜制多圈环形线圈，根据阻抗匹配及振荡频率要求设置短路卡座。射频功率源和振荡器之间通过四根功率电缆和一根控制电缆连接。

2.4 石墨盘

石墨盘是感应线圈的感应器，其上安装基片衬底载片台，石墨盘内产生涡电流使其发热并将热量传导至晶片。石墨盘采用行星旋转结构，晶片自转同时随石墨盘一起公转，保证衬底温度场的均匀性。石墨盘与采用水冷却的反应室上盖之间，采用石英盘分隔，阻隔石墨盘向上盖的热传导，保护反应室温度场。

3 射频感应加热装置典型故障及维修技术

3.1 射频功率源典型故障及维修

直流电源斩波电路和逆变电路单元是射频功率源电压频率转换的核心，两者均采用大功率模块，由于电压高，功率大，频率快，所以故障相对较多，也很难处理，下面进行重点介绍。

3.1.1 斩波电路无直流输出故障

射频功率源斩波电路是直流降压电路，在直流整流电路的输出两端各串联一个IGBT器件，采用脉宽调制方式，保持周期Ts不变，改变IGBT导通时间Ton，实现直流电压0～100%的调整。

出现斩波器无输出故障时，首先在断电状态下确认整流电路和斩波器电路保护熔断器好坏，然后检查控制电路板、斩波器驱动信号放大器和斩波器IGBT模块的信号通路。接通电源，检查控制信号和驱动放大器工作电源，确保直流24 V、±15 V电压正常。在此前提下，断开斩波器负载，在本地控制模式下，设置功率源UDC输出为100 V，用示波器检查IGBT的驱动脉冲，应有幅度不低于±5 V方波，且两组驱动脉冲信号相位一致。IGBT模块无驱动脉冲时，重点检查驱动信号放大器电路及输出电路的光耦器件。如果驱动脉冲正常，但斩波器无输出，则是IGBT模块故障，安装新的IGBT模块时应保证模块贴紧水冷散热器安装面，紧固力矩为9 N·m。更换损坏的IGBT模块后，不要急于通电，要确保驱动信号正常，并对斩波器电路后的ARC吸收回路、逆变回路等负载进行全面检查，防止负载短路导致功率器件再次损坏。

3.1.2 斩波电路过电流故障

斩波电路输出电流大于对应值的1.25倍或设定限值，射频功率源保护电路会动作，输出停止，并显示斩波器过电流报警或电流超限报警。

斩波器输出过电流故障多为负载短路引起，应检查斩波器电路后的ARC吸收回路、逆变回路等负载。在负载正常的前提下，检查斩波器IGBT器件无击穿短路，测试电流传感器霍尔元件及信号通道是否正常。

3.1.3 逆变电路无输出、输出正负半波不对称、逆变桥不对称故障

逆变桥电路工作不正常是逆变电路最典型的故障，逆变桥驱动信号从逆变控制器电路板经驱动放大器加到逆变桥臂的MOSFET模块上，首先要确认驱动信号通道正常，再检查逆变模块及其冷却水温度传感器（Pt100）、冷却水流量传感器信号；维修模式下，设置直流输出100 V，测量逆变控制器工作电源15 V及逆变信号放大器24 V应正常，确认逆变信号放大器输出的四路驱动信号幅值±5 V，相位正常，在此基础上判断MOSFET模块及二极管好坏。驱动信号不正常，多为驱动电源、逆变信号驱动放大板故障，逆变控制器跳线接触不良也会造成导致驱动信号异常。MOSFET模块损坏是逆变电路常见故障，除了驱动信号异常原因，多数是由于振荡器电路短路造成电流击穿或电感线圈异常引起的过压击穿。通常采用数字绝缘表800 V档测试振荡器电路绝缘状况，电阻不应低于5 MΩ。在加电测试逆变电路桥臂过程中，去除负载，设置为低电压小功率工况时十分必要的。

3.2 射频感应加热阻抗失配故障及维修

MOCVD射频感应加热系统采用水冷铜质感应线圈（coil），根据石墨盘厚度及线圈与石墨盘间隙等因素，在感应线圈上设置短路卡块，实现电路工作频率下振荡器阻抗与被加热器件的感应阻抗匹配一致。更换感应线圈、更换及调整石墨盘都可能改变振荡器频率，导致阻抗失配故障。需要进行电路调整。

调整目标：使振荡器在理想频率值工作，此时射频功率源电流和电压的输出百分比相同，振荡器电路的阻抗与被加热器件的感应阻抗匹配一致，能得到最大输出功率。

振荡器的电路模型如图3所示。

图3 振荡器的电路模型

射频功率源的工作频率取决于振荡电路中每一个器件的实际参数。工作频率的计算公式为：

3.2.1 频率匹配方法

根据工艺需要，首先选择需要的工作频率f。然后用LCR电桥测量加热线感应圈（coil）的电感值；再根据公式（6）计算振荡器总电容值，用几个电容并联得到该计算值（如果出现增加一个电容，组合值大于计算值，减少一个电容就小于计算值的情况，电容数量多一个或少一个都可以）。在上述基础上，施加功率，检查是否得到期望的功率输出。如果不能达到期望的功率值或输出电流过高，则按此过程中实际输出最大功率来匹配阻抗。

3.2.2 按功率匹配阻抗方法

功率匹配阻抗的原则是：在该功率输出时，使输出电流和输出电压的相对值（百分数）相同。

如果IAC

如果IAC>UAC（输出电流百分数大于输出电压的百分数），说明振荡电路的阻抗值过小。增加阻抗的方法有：减小振荡电路的电感值，即改变加热感应线圈上短路卡位置增加电感值，或增加前置电感Lpre的电感值。与此同步，相应减少振荡器电容值，以防止工作频率值降低。

改变振荡器电容、电感参数对射频发生器阻抗、输出频率、输出电流的影响如表1所示。

表1 振荡器参数与阻抗及输出之间关系表

3.3 射频感应线圈构件及冷却水系统故障维修

3.3.1 射频感应线圈

射频感应线圈是射频功率源的负载，又是射频感应加热的激励源，性能好坏非常关键。射频感应线圈常见问题是线圈变形、线圈漏水、短路卡失效。射频感应线圈多圈环绕成圆形平面，在MOCVD反应室内靠陶瓷支座支撑，用陶瓷卡座固定，呈水平安装。射频感应线圈和固定陶瓷构件长期在高温环境下工作，陶瓷构件会出现开裂，射频线圈通过射频电流，在电磁感应作用下有轻微振动，二者相互作用，一方面感应线圈与固定卡接触面会磨损，存在渗漏隐患；另一方面导致感应线圈松动后变形，各圈之间间距不一致，且不在一个水平面上，改变公式（1）中的H和r，影响加热效率和温度均匀性。因此，要经常检查更换感应线圈安装固定陶瓷构件，检查接触面的磨损状况，防止感应线圈变形和渗漏。

为实现阻抗匹配，通常在感应线圈上设置短路卡，将感应线圈多余的部分短路，得到符合要求的电感值。短路卡是铜质压块，用螺栓通过陶瓷座压紧在感应线圈两圈之间。感应线圈振动及长期高温环境的影响，会出现压紧螺栓松动、断裂，导致短路卡失效。其结果是阻抗失配，射频电流远滞后电压，加热效率低，影响工艺制程。

MOCVD工艺通常的加热模式是：控制射频功率源以恒定的电压输出百分比（通常为50%～55%），使反应室温度达到300℃，然后设定反应室温升曲线以最小超调最少振荡次数方式（通常为反S曲线）到达工艺温度，开始薄膜生长，一层生长结束，射频功率源输出关闭（OFF）直至反应室温度350℃，进入保温阶段，等待下一层生长。无论是感应线圈变形故障，还是短路卡失效故障，都是一个渐变的过程，在故障的发展阶段，经常是设备时好时坏，难以判定原因。通过观察工艺制程界面显示的工作频率、输出功率、反应室温度曲线，分析电流、电压超前滞后关系，是解决问题的最有效方法。

3.3.2 水冷却系统

RF射频加热部件采用水冷方式，射频功率源和振荡器回水管路共有3个流量传感器、一个水压传感器，射频功率源整流、斩波、逆变电路功率模块安装有6个温度传感器，构成了完善的冷却检测保护系统。水垢沉积堵塞管路，是最常见问题。要保证冷却水无杂质，定期检查清理各组过滤器，出现堵塞后选择合适的除垢剂，分段用压缩空气反向强力吹扫。发生模块超温报警故障，要综合冷却水传感器、温度传感器状态做出准确判断。MOCVD设备射频加热系统常见故障及解决方法如表2所示。

表2 MOCVD设备射频加热系统常见故障及解决方法

4 结束语

本文介绍了MOCVD设备射频感应加热系统的原理、技术特点及组成，总结了射频感应加热系统的典型故障及维修技术。随着化合物半导体制造技术的发展，MOCVD设备射频感应加热技术应用会更加广泛，其维修也会越来越复杂。维修人员需要具备电力电子、控制、通讯技术等多方面的知识，熟悉工艺过程，精心做好维护保养，维修时视野开阔、思路缜密。只有这样，才能保证设备平稳高效地运行。