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河北普兴电子科技股份有限公司
【摘 要】外延炉内部对称性是炉子设计中非常重要的因素，本文主要从对称性出发来说明2061气流和温度的分布特点，及其在调试炉子中的应用。
【关键词】硅外延；对称性；气流；温度
引言
外延是晶体衬底上按规律和一定方向生长晶体的过程，在现代微电子工艺中，硅外延是绝大多数器件制造过程的第一步。因此，硅外延直接影响到器件的性能、可靠性和成品率等关键指标，十分重要。硅外延部分最重要的指标为厚度和电阻率及其均匀性。影响厚度及厚度均匀性的因素主要有淀积时间、生长速率、反应腔气流分布等。
1.实验设备及原理分析
1.1 实验设备
实验采用筒式外延炉为意大利产 LPE 2061S 型外延炉，如图所示：
反应气体从钟罩顶部气体入口处进入反应室，从排成一圈的六个石英喷嘴喷出，经石英挡板阻挡，沿基座与钟罩之间向下，在高温下反应而在硅片表面沉积生长，反应尾气在下部排出。
①温度分布
2061 加热原理：感应线圈内通过高频大电流，制造涡旋磁场；基座是导体，处于涡旋磁场中，产生感生电流，电流加热基座。
LPE 2061 采用中心轴对称设计，它的对称性表现在如下几个方面：
⑴ 感应线圈是圆筒状，中心轴对称设计的；它产生的磁场也是中心轴对称的。
⑵ 钟罩是中心轴对称设计的。
⑶ 基座（包括它上面的顶盘）是中心轴对称设计的，它的几个面几何形状和电阻是一样的。如果基座和线圈是理想状态，且中心轴重合，那么基座在感应线圈制造的中心轴对称的涡旋电场里受热， 基座上温度分布也会是中心轴对称分布的。
⑷ 基座上片槽的对称性。片槽是平面结构，片槽内各点距离基座中心线的距离与它们和片槽中心的位置有关系。如图 1（c）和（d）所示。图 1（d）为沿着垂直于基座中心轴线过片槽直径的一个剖面。AB 线上，和圆心 O’距离相等的点距离感应线圈距离相等，故在涡旋磁场中受到的加热是一样的，所以温度应该相等。这就是说，片槽内温度分布是沿着中心轴 CD 镜面对称的。（电阻率和温度相关，故电阻率也应该是镜像对称的） 。
②气流分布
气流从喷嘴喷出，打到石英頂盘，而后顺着石英钟罩和基座的间隙向下流动，在基座上加热反应，最后从基座下边缘流出。故影响气流中心轴对称的因素有：石英顶盘的位置、基座和石英钟罩的位置关系、基座左右旋转的影响。
⑴ 石英顶盘：石英顶盘是中心对称的平面圆盘，随着基座绕中心轴旋转。喷嘴喷出的气流垂直打在石英顶盘上，而后反射气流顺着石英钟罩和基座间隙流下。
⑵ 钟罩：钟罩是中心轴对称设计的。钟罩的形状及其与基座的位置关系决定了气流的分布及流速。
⑶ 基座：基座是中心轴对称设计的。钟罩和基座配合，使得它们之间的间隙作为气流通道也是中心轴对称分布的。 基座处于中心且左右旋转速度和时间相同时，同一水平线上的同样位置的点受到的气流作用是相同的。钟罩的形状及其与基座的位置关系只影响气流上下分布。
⑷ 基座左右旋转速度及时间：基座左右旋转速度及时间相等时，能够弥补钟罩形状缺陷造成的不对称性。
破坏对称性因素及应对办法：
⑴ 石英顶盘：几何对称性被破坏，这时需要更换顶盘；石英顶盘没有放置在中心位置，这时需要重置顶盘位置。
⑵基座偏离中心，使某一列距离感应线圈更近，气流通道变窄。这时需要调整基座到中心位置。
⑶ 基座本身对称性有问题。需要采购和基座厂家联系，改进加工或调整设计。
⑷ 转轴偏转，导致基座不能中心对称旋转。需要设备工程师维护转轴。
综上，因为气流和温度对称中心的重合，所以两者同样是中心轴对称的，两者偏离中心轴对称會同时发生，这就给了我们分析和解决问题提供了便利。温度分布和电阻率分布紧密相连，因此，我们可以把上文的温度分布近似看作电阻率分布；同样，我们也近似把气流分布看作厚度分布。所以，在基座上，厚度和电阻率是中心轴对称分布的，相对列电阻率和厚度分布是一样的。而 1 片外延片内部的电阻率和厚度应该是镜面对称的。在测量中，代表性外延片和外延片上代表性点的选取要考虑对称性特点。我们可以选一列外延片测量电阻率来代表温度在基座上的分布，可以测量相对列 1列厚度数据代表气流在基座上的分布， 测量相对列 2 片厚度数据代表相对基座是否处在中心轴线上。并根据测试数据来调整感应线圈、气流和基座。目前我们外延片上代表性点的选取如图 2，中心点设为 1 点，5 点为参考面 10mm点，2、4 点对称。如果要测量出对称性的特点，那么必须要求装片过程中 2、4 点也处于基座上对称性位置。而基座上片槽内是镜面对称的， 所以我们装片只能装成正上或者正下两种装片方式，如图 2 所示。
因为左右旋转几乎相等，所以厚度分布近乎理想的镜面对称。从图中看，因为装片角度的问题，对称轴并不严格平行于 Y 轴方向。上下层厚度各有四个高峰和四个低谷：上下左右四个极点是峰，偏离45 度方向的四个斜角方向是低谷。1、2 层四高峰四低谷的分布各有特点，但大致位置一致的。
图 4 是 L9 49 点测量数据所绘等高线图。6 inch 外延片，旋转设置 4.5*5.08。
从图 4 看，对称性远不如图 2，这是因为它的旋转设置，左右相差 0.58，严重破坏了左右旋转对称性。同时装片时参考面倾斜，导致对称轴和 Y 轴偏离比较大的角度。上下 49 点数据比较粗略，但大致也能看出四高四低的特点。此时2、4 点不具有对称性的特点。从图 3、4 看，图 4 外延片表面总体均匀性不如图3 所示外延片。
2.结论与分析
工程师判断左右旋转是否合适非常重要的一个判据是 2、4 点厚度和 1点厚度之间的关系。同时调整旋转速度和时间也是调整均匀性的一个重要手段。那么如果参考面不是按照图 2 的装片方式， 而是习惯性的倾斜一个角度，如 15 度，那么2、4 点将不再有对称性关系。此时还按照 2、4 点和 1 点的厚度关系调整旋转速度，将会得到错误的结果。所以，要求工人师傅们装片按照图 2 所示正上或正下装片，厚度均匀性会好很多。
【摘 要】外延炉内部对称性是炉子设计中非常重要的因素，本文主要从对称性出发来说明2061气流和温度的分布特点，及其在调试炉子中的应用。
【关键词】硅外延；对称性；气流；温度
引言
外延是晶体衬底上按规律和一定方向生长晶体的过程，在现代微电子工艺中，硅外延是绝大多数器件制造过程的第一步。因此，硅外延直接影响到器件的性能、可靠性和成品率等关键指标，十分重要。硅外延部分最重要的指标为厚度和电阻率及其均匀性。影响厚度及厚度均匀性的因素主要有淀积时间、生长速率、反应腔气流分布等。
1.实验设备及原理分析
1.1 实验设备
实验采用筒式外延炉为意大利产 LPE 2061S 型外延炉，如图所示：
反应气体从钟罩顶部气体入口处进入反应室，从排成一圈的六个石英喷嘴喷出，经石英挡板阻挡，沿基座与钟罩之间向下，在高温下反应而在硅片表面沉积生长，反应尾气在下部排出。
①温度分布
2061 加热原理：感应线圈内通过高频大电流，制造涡旋磁场；基座是导体，处于涡旋磁场中，产生感生电流，电流加热基座。
LPE 2061 采用中心轴对称设计，它的对称性表现在如下几个方面：
⑴ 感应线圈是圆筒状，中心轴对称设计的；它产生的磁场也是中心轴对称的。
⑵ 钟罩是中心轴对称设计的。
⑶ 基座（包括它上面的顶盘）是中心轴对称设计的，它的几个面几何形状和电阻是一样的。如果基座和线圈是理想状态，且中心轴重合，那么基座在感应线圈制造的中心轴对称的涡旋电场里受热， 基座上温度分布也会是中心轴对称分布的。
⑷ 基座上片槽的对称性。片槽是平面结构，片槽内各点距离基座中心线的距离与它们和片槽中心的位置有关系。如图 1（c）和（d）所示。图 1（d）为沿着垂直于基座中心轴线过片槽直径的一个剖面。AB 线上，和圆心 O’距离相等的点距离感应线圈距离相等，故在涡旋磁场中受到的加热是一样的，所以温度应该相等。这就是说，片槽内温度分布是沿着中心轴 CD 镜面对称的。（电阻率和温度相关，故电阻率也应该是镜像对称的） 。
②气流分布
气流从喷嘴喷出，打到石英頂盘，而后顺着石英钟罩和基座的间隙向下流动，在基座上加热反应，最后从基座下边缘流出。故影响气流中心轴对称的因素有：石英顶盘的位置、基座和石英钟罩的位置关系、基座左右旋转的影响。
⑴ 石英顶盘：石英顶盘是中心对称的平面圆盘，随着基座绕中心轴旋转。喷嘴喷出的气流垂直打在石英顶盘上，而后反射气流顺着石英钟罩和基座间隙流下。
⑵ 钟罩：钟罩是中心轴对称设计的。钟罩的形状及其与基座的位置关系决定了气流的分布及流速。
⑶ 基座：基座是中心轴对称设计的。钟罩和基座配合，使得它们之间的间隙作为气流通道也是中心轴对称分布的。 基座处于中心且左右旋转速度和时间相同时，同一水平线上的同样位置的点受到的气流作用是相同的。钟罩的形状及其与基座的位置关系只影响气流上下分布。
⑷ 基座左右旋转速度及时间：基座左右旋转速度及时间相等时，能够弥补钟罩形状缺陷造成的不对称性。
破坏对称性因素及应对办法：
⑴ 石英顶盘：几何对称性被破坏，这时需要更换顶盘；石英顶盘没有放置在中心位置，这时需要重置顶盘位置。
⑵基座偏离中心，使某一列距离感应线圈更近，气流通道变窄。这时需要调整基座到中心位置。
⑶ 基座本身对称性有问题。需要采购和基座厂家联系，改进加工或调整设计。
⑷ 转轴偏转，导致基座不能中心对称旋转。需要设备工程师维护转轴。
综上，因为气流和温度对称中心的重合，所以两者同样是中心轴对称的，两者偏离中心轴对称會同时发生，这就给了我们分析和解决问题提供了便利。温度分布和电阻率分布紧密相连，因此，我们可以把上文的温度分布近似看作电阻率分布；同样，我们也近似把气流分布看作厚度分布。所以，在基座上，厚度和电阻率是中心轴对称分布的，相对列电阻率和厚度分布是一样的。而 1 片外延片内部的电阻率和厚度应该是镜面对称的。在测量中，代表性外延片和外延片上代表性点的选取要考虑对称性特点。我们可以选一列外延片测量电阻率来代表温度在基座上的分布，可以测量相对列 1列厚度数据代表气流在基座上的分布， 测量相对列 2 片厚度数据代表相对基座是否处在中心轴线上。并根据测试数据来调整感应线圈、气流和基座。目前我们外延片上代表性点的选取如图 2，中心点设为 1 点，5 点为参考面 10mm点，2、4 点对称。如果要测量出对称性的特点，那么必须要求装片过程中 2、4 点也处于基座上对称性位置。而基座上片槽内是镜面对称的， 所以我们装片只能装成正上或者正下两种装片方式，如图 2 所示。
因为左右旋转几乎相等，所以厚度分布近乎理想的镜面对称。从图中看，因为装片角度的问题，对称轴并不严格平行于 Y 轴方向。上下层厚度各有四个高峰和四个低谷：上下左右四个极点是峰，偏离45 度方向的四个斜角方向是低谷。1、2 层四高峰四低谷的分布各有特点，但大致位置一致的。
图 4 是 L9 49 点测量数据所绘等高线图。6 inch 外延片，旋转设置 4.5*5.08。
从图 4 看，对称性远不如图 2，这是因为它的旋转设置，左右相差 0.58，严重破坏了左右旋转对称性。同时装片时参考面倾斜，导致对称轴和 Y 轴偏离比较大的角度。上下 49 点数据比较粗略，但大致也能看出四高四低的特点。此时2、4 点不具有对称性的特点。从图 3、4 看，图 4 外延片表面总体均匀性不如图3 所示外延片。
2.结论与分析
工程师判断左右旋转是否合适非常重要的一个判据是 2、4 点厚度和 1点厚度之间的关系。同时调整旋转速度和时间也是调整均匀性的一个重要手段。那么如果参考面不是按照图 2 的装片方式， 而是习惯性的倾斜一个角度，如 15 度，那么2、4 点将不再有对称性关系。此时还按照 2、4 点和 1 点的厚度关系调整旋转速度，将会得到错误的结果。所以，要求工人师傅们装片按照图 2 所示正上或正下装片，厚度均匀性会好很多。