适用于器件制程的立式扩散/ 氧化设备设计与验证

陈庆广，赵 ，黄 升，曾裕民，姬常晓，刘洪文，王成宇，彭 浩，易文杰

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所， 湖南 长沙 410111；2.湖南杰楚微半导体科技有限公司， 湖南 长沙 410205)

立式扩散/ 氧化设备主要用于直径150 mm以上晶圆的半导体器件工艺制程中的初始氧化层、牺牲氧化层、栅氧化层等氧化膜生产工序，是深亚微米IC 生产线的关键设备之一[1]。目前，晶圆直径日益增大、特征尺寸不断缩小、栅氧化层趋薄。晶圆越大，同一片上可生产的IC 越多，成本越低，但对材料和生产技术的要求越高[2]。

与卧式炉相比，立式炉具有5 个方面的优点：（1）反应室内氧气浓度低、自然氧化层薄；（2）片间温度均匀性好、硅片翘曲小；（3）颗粒污染低，片内膜厚均匀性更好；（4）自动化程度高、系统可靠性好；（5）占地面积小，且功耗更小。鉴于立式炉的诸多优点，其在新的IC 线上得到了广泛使用。立式炉设备用量大，机械、电气和软件方面设计复杂，在20 世纪80 年代末到90 年代初，国际上许多设备制造厂商研制成功了立式扩散，到现在已非常成熟，在200 mm（8 英寸）晶圆器件生产线上已取代卧式炉[3，4]。由于技术、财力、供应链等多方面条件的限制，国内200 mm 及以上集成电路生产线上使用的立式扩散均以国外品牌为主。国产立式扩散虽然有一些“点”的突破，但仅停留在非关键工艺制程环节，关键环节仍依赖进口设备。为提高我国集成电路产业的自主可控水平，需要加快立式扩散/氧化设备的国产化进程。

1 设备技术指标

对标国际领先，本文研究的立式扩散/氧化设备的主要技术指标如表1、工艺指标如表2 所示。

表1 主要技术指标

表2 工艺指标

2 设备整体设计

设备整体由炉体系统、传送系统、水气系统和电控系统等组成，采用分离式结构，如图1 所示。炉体及传送系统放置在主机柜中，气路及电控系统放置在气源柜中，两柜通过桥架连接。

图1 立式扩散实物图

2.1 炉体系统

炉体系统是设备的核心，主要由工艺炉体、炉口密封罩和存储舟架组成。

2.1.1 工艺炉体

炉体安装于炉体底座上，炉体内部各装有1层碳化硅管和石英管，碳化硅管装于多晶莫来石纤维材料的底座上，石英管装于水冷法兰上，在水冷法兰上和水冷法兰下之间装有石英领，石英领具有高强度、低热膨胀系数、良好伸展性等特点。连接石英点火器的是反应气体入口，炉体结构布局如图2 所示。

图2 工艺炉体三维图

2.1.2 炉口密封罩

炉口密封罩的作用是提高炉口的保温效果，其组成材料除橡胶密封垫外均采用316 不锈钢，结构采用双层设计，摆动炉门处于两层之间，其内壁上焊有2 个水管接头，用于炉体水冷法兰上、下和摆动炉门的冷却循环水的进出。左部设计为可拆卸维修板，方便对炉口和摆动炉门进行检修。炉口抽风罩是炉口密封罩内的气体排出口，同时也是水路的中转口。

2.1.3 存储舟架

储片舟架是晶圆进入炉体的载体，如图3 所示，舟架为石英或碳化硅材质。舟架置于舟架底座上，舟架底座安装在升降模组的滑块上。

图3 储片舟架三维图

舟架底座装有电机通过同步带轮带动旋转盘旋转，旋转盘上设计有一槽口与舟架配合，使得舟架随旋转盘同步旋转，在舟架随升降模组进入炉体后，旋转电机驱动舟架旋转，保证晶圆水平面方向受热均匀；底托盘不仅托起整个舟架，且内部还设有一冷却水路，其顶部设有一密封圈，在舟架升至炉体内部时与炉体下水冷法兰对接。

2.2 传送系统

针对高自动化和高洁净度的生产要求，晶圆传送过程由机械手完成，如图4 所示，传送系统主要由取盒机械手、取片机械手、缓存架和出料架组成。

图4 传送系统三维图

取盒机械手安装于一垂直模组上，垂直模组底部安装于水平模组上，故取盒机械手能同时竖直和水平移动，垂直模组的顶部还设有导向机构，用于保持其运动平稳性。

取片机械手安装于另一个竖直模组上，底座只做垂直运动，负责缓存架和舟架之间的晶圆传输，取片机械手拥有两只手臂，其中一只手臂有5个手指，可一次取5 片晶圆，另一只手臂有1 个手指，用于抓取单片晶圆。为控制方便，取片机械手只抓取缓存架第二层和第三层中间片盒的晶圆，两片盒下方均设有对射式光电开关。

2.3 净化系统

净化系统包括3 个独立的循环系统和1 个排气装置，循环系统包括料架（缓存架和出料架）净化、晶圆传输净化（取片机械手和舟架）和片盒净化（取盒机械手和小机架）三部分。

每个系统配备独立离心风机和高效过滤器，高效过滤器外为一块均风板，均风板上开有1 万个以上的φ5 mm 通孔，使离心分机带进的风均匀分布。晶圆过滤单元配备4 个离心风机，自下而上吹进高效过滤器；片盒过滤单元配备4 个离心风机，自上而下吹进高效过滤器，小机架过滤单元配备一个离心风机，自右向左吹。

工艺排气装置共有3 个排气口，均在炉体柜上。一个接点火器，排气装置末端配有1 个氢气探测器，检测氢气是否泄漏。工艺排气装置，管路和连接块均用聚四氟乙烯制成，工艺排气口连接工艺石英管的输出口，并由顶部输入一路水，将可溶气体溶于水进入排水桶。另外一个接炉口抽风罩，用于把炉口散失的热量和工艺泄露的气体排出炉体。

2.4 水气系统

水路用于设备各高温结构的冷却，冷却循环水由入水口统一进入，排水系统分成4 路，分别用于炉体、炉口、炉门和承载台的冷却。炉体水路用于高温炉体的冷却；炉口水路用于水冷法兰、炉口隔热板、工艺排气管的冷却，各支路串接在一起；炉门水路用于摆动炉门和点火枪的冷却，两支路串接在一起；承载台水路用于边缘密封圈和不锈钢底座的冷却。

气路分为动力气路和工艺气路，动力气路包括小机架上2 个气缸、取片机械手上的吸片气。摆动炉门顶缸和摆缸为动力气，通过软管接于气源柜的阀岛上，气管均为不锈钢管。顶部3 根管为氢气、氧气和氮气进气口，为工艺气路，经由气盘控制分流，各支路配有压差表和数显压力计等仪器实时检测各气路情况。

2.5 电控系统

分为操作界面和查看界面（见图5），为用户提供2 个接口，系统采用EtherCAT 总线通讯，用于实现片盒传送、晶圆传送、舟架升降旋转、炉内温度控制、工艺气体控制、气流压力监控及相关互锁等功能。

图5 电控系统原理图

3 关键技术及解决措施

3.1 热场设计与制造技术

热场设计洁净度高，均匀性好。在保证恒温区长度的前提下，尽量减小炉体高度，以降低设备整体高度。另外，如何减少热损失，提高热效率，改善升降温特性，都是研制炉体时需要统筹兼顾的问题。针对控温精度及升降温速率的要求，在保证热负荷和保温特性的前提下，根据炉体热分布特性改进热场。

采取的技术路线：采用双层腔体结构，加热腔采用圆形钟罩式结构，加热器沿圆周呈环形均匀分布。采用模拟仿真方式，合理设计炉丝分布、加热段数量以及反应管尺寸。为提高降温速率，炉体外部及顶部设有水冷系统。根据调研及模拟仿真结果，采用石英或碳化硅作为腔体材料，炉体系统设计与制造风险小。

3.2 温度场及气流场控制技术

恒温区温度均匀性直接影响工艺效果，进而影响产品良率。针对控温精度及升降温速率的要求，在保证热负荷和保温特性的前提下，根据炉体热分布特性提高温度控制精度。此外，进气端通过流量计控制进气量大小，出气端和尾气系统相连，一定程度上炉管压强取决于尾气系统，炉管压强无法自主可控，从而影响气流场稳定性，进而产生工艺效果不均匀问题。

采取的技术路线：炉体采取分段加热方式，每个温区均采用串级控温方式独自控温，PLC 为主控制器，串级温度控制器依据设定的温度值，经内部PID 模块计算后输出信号给加热电源，实现温度的闭环自动控制。在气流场控制方面，在炉管进气端、出气端和尾气系统衔接处均设置压强检测传感器，在出气端设置压力调节气路，通过分析各处压力变化的关系找出三者间的内在联系，设置合适的功能参数，达到高灵敏性调控气流场的目的。

3.3 晶圆智能化传输系统

传送系统决定了设备自动化水平，其关键技术点在于传送效率、精度和污染控制。

采取的技术路线：系统功能采用Loadport（片盒接口）、片盒搬运机械手、片盒储存装置、晶圆搬运机械手、电机模组、气缸、传感器等功能模块，并通过计算分析其在智能化传输系统中的功能、作用和结构衔接性，优化其衔接匹配性，经组装后实际应用验证达到智能化传输要求。

4 工艺测试

立式扩散/氧化设备完成装配调试后，搭建工艺验证平台，工艺试验条件：温度1 000 ℃、氧气流量10 L/min、DCE 流量235 mL/min。经膜厚测试，二氧化硅膜厚为50 nm 左右，并炉尾、炉中、炉口3 个位置的晶圆生长的二氧化硅薄膜厚度均匀性进行了监控测量。连续三批的测试结果如表3 所示。

表3 氧化工艺试验结果

其中第二批的氧化膜厚度的具体测试结果如图6 所述。

图6 炉尾/ 炉中/ 炉口的氧化膜厚度均匀性表征图

由表3 可以看出，氧化生长的二氧化硅无论是晶圆片内、片间、还是批间的膜厚均匀性均优于2%的工艺指标要求，可以满足某器件产品的工艺制程要求。

5 结 论

本文研究的立式扩散/ 氧化设备已在用户端产线上完成调试并进行了流片工艺试验。设备结构紧凑、体积小，各部件均采用模块化设计，方便整体拆装；控制系统独自开发，人机界面直观，易操作，设备自动化效率、精度高，工艺效果良好，达到了IC 的工艺制程要求。