戴科峰，仇禮欽，盛飛龍，高桑田，王 鑫

（季華實(shí)驗(yàn)室，廣東佛山 528200）

0 引言

第三代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度明顯大于硅（Si，1.1～1.3 V）和砷化鎵（GaAs，1.4 V）的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具備擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能[1]，可工作在第一代和第二代半導(dǎo)體材料無法勝任的高溫、高電壓、抗輻射等應(yīng)用領(lǐng)域，并能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化和高效率。碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，包括美國、歐洲、日本等國家政府及其巨頭企業(yè)都投入巨資發(fā)展。在新一代雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通訊基站、航天、軍工、核能等重要領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略競爭高地。

碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈如圖1 所示，包括：碳化硅原料-晶錠-襯底-外延-芯片-器件-模塊-應(yīng)用等幾個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)金字塔形的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，美國在碳化硅（SiC）領(lǐng)域擁有科銳（Cree）、貳陸（II-VI）等企業(yè)。歐洲在SiC 電力電子市場具備完善的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，其強(qiáng)勢領(lǐng)域集中在器件環(huán)節(jié)，擁有德國英飛凌、愛思強(qiáng)、瑞士意法半導(dǎo)體、ABB 等半導(dǎo)體制造商。日本在模塊和半導(dǎo)體制造設(shè)備開發(fā)主要有羅姆、三菱電機(jī)、新日鐵、東芝等企業(yè)。韓國通過SK 集團(tuán)收購美國杜邦公司的SiC 晶圓業(yè)務(wù)，完善其國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈[2-4]。

圖1 碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

碳化硅外延材料的質(zhì)量是碳化硅功率器件制造的關(guān)鍵與瓶頸，季華實(shí)驗(yàn)室“寬禁帶半導(dǎo)體SiC 高溫外延生長裝備開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目旨在針對大尺寸碳化硅芯片制造裝備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)攻關(guān)，打破國外技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，促進(jìn)我國碳化硅產(chǎn)業(yè)健康、繁榮發(fā)展。自動化碳化硅外延設(shè)備控制技術(shù)是碳化硅外延裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文研究和設(shè)計(jì)了一套碳化硅外延設(shè)備控制系統(tǒng)，直觀便捷，功能完備，運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)工藝驗(yàn)證，能很好地滿足碳化硅外延生長的要求。

1 外延設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

碳化硅同質(zhì)外延的基本原理是載氣攜帶摻雜和外延工藝氣體，在對應(yīng)的溫度下發(fā)生反應(yīng)沉積在碳化硅晶圓表面形成一層外延層[5]。設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等幾大部分。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工藝流程

碳化硅外延設(shè)備工藝流程較復(fù)雜，晶片需經(jīng)過上料、定向、預(yù)熱、通氣、反應(yīng)、降溫、下料等一系列工藝流程。碳化硅外延設(shè)備工藝具體步驟[6]如圖3所示。

圖3 碳化硅外延設(shè)備工藝示意圖

2 外延設(shè)備控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

外延設(shè)備控制系統(tǒng)主要通過工控機(jī)（IPC）和可編程邏輯控制器（PLC）的控制模式。PLC 主要用來控制泵、蝶閥、閥島、電機(jī)、機(jī)械手、流量計(jì)等器件，檢測狀態(tài)信息并反饋給上層軟件系統(tǒng)即上位機(jī)，包含DI/DO 控制、AD/DA 控制、伺服運(yùn)動系統(tǒng)、溫度控制、氣流控制和傳輸控制等?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)高度模塊化，從端口到零件再到模塊逐級封裝；抽象出具有共同特性的零部件類別，利于代碼重復(fù)利用與維護(hù)。零件端口地址、模塊屬性參數(shù)、是否啟用均可配置。此外，獨(dú)立的安全聯(lián)鎖模塊，聯(lián)鎖條件可通過聯(lián)鎖文件表進(jìn)行配置；設(shè)備控制與人機(jī)操作完全獨(dú)立；模塊具有高內(nèi)聚，低耦合特性，利于團(tuán)隊(duì)分工合作開發(fā)。控制軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 控制軟件架構(gòu)

2 .2 控制系統(tǒng)的性能要求

根據(jù)外延設(shè)備的項(xiàng)目目標(biāo)，控制系統(tǒng)性能如下。

（1）功率和溫度的精確控制

設(shè)備控溫精度要求在±1 ℃，最高溫度達(dá)到1 700 ℃。項(xiàng)目采用感應(yīng)加熱的方式進(jìn)行，加熱器同時(shí)也是反應(yīng)室。選用石墨材料做為加熱器。在使用過程中，為了滿足實(shí)驗(yàn)要求和測試條件，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整感應(yīng)加熱的參數(shù)。

（2）工藝氣體流量的精確控制

研究表明，在4H-SiC 外延生長時(shí)向反應(yīng)室通入HCl，通過引入HCl，有效降低了生長源中Si 濃度較高（Si/H2＞0.05%）時(shí)氣相中Si 的成核現(xiàn)象，生長速率得到提高[6]。F La Via等人報(bào)道了采用TCS和乙烯作為生長源進(jìn)行SiC的外延生長的研究，他們通過進(jìn)一步優(yōu)化工藝，將生長速率提高到100μm/h 以上[7]。而這些得以實(shí)現(xiàn)都依賴于反應(yīng)過程中精準(zhǔn)地控制Si/H2比、C/Si比等工藝氣體的比例。

（3）機(jī)械臂的高效調(diào)度

外延過程中，襯底從Loadlock、緩存腔、反應(yīng)室等頻繁調(diào)度，傳片過程中需要準(zhǔn)確地控制機(jī)械臂避免損壞石墨配件、襯底移位等，也需要統(tǒng)籌考慮加熱、外延和冷卻等過程，做到外延片的高效調(diào)度。

（4）設(shè)備穩(wěn)定性

在設(shè)備運(yùn)行過程中，一方面要實(shí)時(shí)地監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警，保證設(shè)備和人員的安全；更要能夠自動處理和恢復(fù)部分故障，確保工藝能順利完成。設(shè)備可靠性指標(biāo)：MTBF≥150 h，MTTR≤8 h。

3 外延設(shè)備控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

外延設(shè)備控制系統(tǒng)的功能主要包括氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、用戶管理等。

3.1 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行源氣體的精確混合與輸送，其氣體流量的精密控制對于SiC 外延工藝的重復(fù)性、穩(wěn)定性非常重要。

設(shè)備工藝過程中需要通入氫氣、氬氣、氮?dú)狻⒙然瘹?、三氯氫硅、硅烷等特定的氣體維持一定的氣壓，氣路系統(tǒng)由4 路氣體組成，均通過工藝氣體閥門和質(zhì)量流量控制器（MFC）控制工藝氣體的精度。通過AD 模塊檢測氣體通過MFC 的流量，DA模塊用于設(shè)定氣體流量攝入值。

（1）TCS（三氯氫硅）流量的控制

TCS 在常溫下為液態(tài)，一般情況下裝在不銹鋼鋼瓶中。需要引入一路載氣進(jìn)入鋼瓶產(chǎn)生鼓泡效應(yīng)將TCS源帶出鋼瓶，如圖6所示。

圖6 鼓泡效應(yīng)示意圖

其被載氣所攜帶出的流量由以下條件決定：載氣的氣體流量、液態(tài)源的蒸汽壓力、鋼瓶內(nèi)的絕對壓力。液態(tài)源的輸送流量與經(jīng)過鋼瓶的載氣流量成正比，與液態(tài)源的蒸汽壓力成正比，對于一給定的質(zhì)量流量，液態(tài)源的量取決于鋼瓶內(nèi)的壓力。表達(dá)式如下：

式中：PTCS為源的飽和蒸汽壓；PAbs為鼓泡瓶的絕對壓力；F為載氣流量（sccm-cm3/min）

因此系統(tǒng)需要精確的控制質(zhì)量流量控制器（MFC）來控制載氣的流量，利用壓力控制器（PC）來控制源瓶的壓力，TCS的飽和蒸汽壓是一個(gè)定值來實(shí)現(xiàn)對TCS源注入流量的精確控制。

（2）TMA（三甲基鋁）流量的控制

TMA 為一種典型的Ⅲ族MO 源，常溫下為液態(tài)，同樣需要根據(jù)系統(tǒng)雙稀釋管路的設(shè)計(jì)來精確控制流量。因?yàn)榭刂品椒愃?，此處不再贅述?/p>

（3）氣體無擾動快速切換的控制

由于TMA、TCS瞬間啟動時(shí)，鋼瓶內(nèi)的飽和蒸汽壓還未穩(wěn)定，這會直接影響進(jìn)入反應(yīng)室液態(tài)源的注入流量，從而影響薄膜的生長質(zhì)量。為了消除這種瞬態(tài)啟動狀態(tài)對生長的影響，SIC氣路系統(tǒng)中有著特殊設(shè)計(jì)的生長/放空（run/vent）管路。

在SiC 外延生長工藝時(shí)，必須保持run 管路和vent 管路的壓力相同。當(dāng)run管路壓力高于vent管路，MO源從vent管路切入run 管路時(shí)，run 管路氣體會反灌入MO 管路中，可能會導(dǎo)致污染物進(jìn)入MO源鼓泡瓶中，污染MO源。反之，當(dāng)run管路壓力低于vent 管路，MO 源從vent 管路切入run 管路時(shí)，會有vent管路其他雜質(zhì)元素進(jìn)入run 管路，影響外延生長層的質(zhì)量。因此，run 管路和vent 管路之間的壓力平衡控制非常重要。為了保證兩條管道的壓力一致，通過利用一個(gè)差壓傳感器來檢測兩條管路之間的壓力差，并將信號反饋給上位機(jī)，上位機(jī)通過改變流量計(jì)的流量以達(dá)到兩條管路的壓力平衡。

對于這種壓差控制采用軟件PID 控制的方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖7所示。

圖7 PID控制原理圖

3.2 真空系統(tǒng)

SiC 的生長必須在低真空環(huán)境下完成，工作壓力一般在80～200 mbar 之間，因此真空系統(tǒng)是SiC 外延設(shè)備的必要組成部分。在外延生長工藝過程中，各路工藝氣體、MO源切換迅速，加上溫度高達(dá)1 600 ℃對氣流產(chǎn)生的熱浮力等，都會對反應(yīng)室的壓力產(chǎn)生影響；而壓力的變化有可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的湍流，破壞SiC 生長所要求的層流環(huán)境。如何保證在生長過程反應(yīng)室的壓力在60～760Torr范圍內(nèi)任意設(shè)置點(diǎn)保持控制穩(wěn)定，是SiC外延設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

設(shè)備真空系統(tǒng)主要指標(biāo)有：反應(yīng)室極限壓力5×10-6mbar，反應(yīng)室工藝壓力80～200 mbar，傳送腔和loadlock 的極限壓力0.1 mbar 等。同時(shí)真空系統(tǒng)還包含特氣的排氣，極端情況的保護(hù)措施等。

為了保證反應(yīng)室的壓力控制穩(wěn)定，采用高精度的閉環(huán)壓力控制儀表以及傳感器，并采用PID 調(diào)節(jié)，通過DeviceNet 總線對儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。主要的實(shí)現(xiàn)過程：薄膜規(guī)（壓力傳感器）實(shí)時(shí)采集反應(yīng)室的壓力；壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給蝶閥控制器；控制器改變蝶閥的開度來調(diào)節(jié)反應(yīng)室的壓力。通過動態(tài)調(diào)節(jié)，使壓力控制在一個(gè)穩(wěn)定值。壓力閉環(huán)控制如圖8所示。

圖8 壓力閉環(huán)控制

3.3 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)主要由感應(yīng)線圈、中頻電源和匹配器3 部分組成，根據(jù)加熱器的外形尺寸及工藝溫度值等設(shè)計(jì)計(jì)算感應(yīng)線圈的外形尺寸、匝數(shù)及電源頻率、功率、電流等參數(shù)。

加熱控制主要通過MINI8溫控儀實(shí)現(xiàn)，控制過程主要為對MINI8 的MODBUS/TCP 通信以及邏輯和設(shè)定值的控制。通信需借助工具通信協(xié)議支持功能，預(yù)先編輯好需要執(zhí)行的協(xié)議及其數(shù)據(jù)地址。程序塊首先初始化通信過程的地址和數(shù)據(jù)等參數(shù)，之后打開通信通道，執(zhí)行通訊協(xié)議。正常工藝中，默認(rèn)按周期執(zhí)行讀取PV 值和寫入設(shè)定值2 個(gè)協(xié)議；若有串級狀態(tài)改變，增加執(zhí)行串級設(shè)置命令；若有設(shè)置串級參數(shù)命令，則增加執(zhí)行設(shè)置串級參數(shù)協(xié)議。若有斜率控制命令，則使能TemperatureRamp 功能塊，根據(jù)當(dāng)前溫度、目標(biāo)溫度以及步時(shí)間來計(jì)算輸出當(dāng)前的設(shè)定溫度，若步時(shí)間缺省，則按照默認(rèn)斜率計(jì)算。在溫度調(diào)試模式下，按加長周期默認(rèn)讀取PV值、PID參數(shù)及自整定狀態(tài)，當(dāng)有設(shè)置自整定命令或?qū)懭隤ID 參數(shù)命令時(shí)，不執(zhí)行讀取協(xié)議，立即執(zhí)行寫入命令協(xié)議。協(xié)議的執(zhí)行通過請求觸發(fā)，在有請求的情況下不設(shè)置執(zhí)行協(xié)議控制數(shù)據(jù)，在協(xié)議執(zhí)行過程中不中斷，協(xié)議執(zhí)行完后復(fù)位請求標(biāo)志，可進(jìn)行下一次通信。

3.4 傳送系統(tǒng)

傳送系統(tǒng)主要功能是將SiC 襯底從外界傳送到反應(yīng)室的反應(yīng)工位生產(chǎn)SiC外延，生長完成后，將成品傳送到外界。

傳送過程的主要難點(diǎn)在于：（1）外界環(huán)境的空氣不能進(jìn)入生長環(huán)境，會引響外延生長質(zhì)量；生長環(huán)境的氣體也不能泄漏到大氣環(huán)境，會污染環(huán)境，同時(shí)還會有燃爆的危險(xiǎn)；（2）生長完成的外延片處于高溫狀態(tài)，需要在高溫處取出放在密閉環(huán)境下冷卻；（3）傳送過程中，不能產(chǎn)生粉塵顆粒等，因?yàn)榉蹓m顆粒附著在襯底上，會引響外延片的質(zhì)量。

該傳送系統(tǒng)的為實(shí)現(xiàn)其傳片功能，其整個(gè)傳片過程的工藝控制流程如圖9所示。

圖9 傳片過程的工藝控制流程

3.5 輔助系統(tǒng)

設(shè)備輔助系統(tǒng)主要用于監(jiān)控設(shè)備的水、電、氣、安全等外圍設(shè)備的狀態(tài)信息，主要包括設(shè)備的反應(yīng)系統(tǒng)水路狀態(tài)、外圍冷卻水路狀態(tài)、門閥風(fēng)機(jī)、報(bào)警信號狀態(tài)等外圍信號及相關(guān)操作。

水路系統(tǒng)的主要作用是通過循環(huán)冷卻水帶走各功能部件在工作過程中產(chǎn)生的多余熱量，保證溫控系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等一系列功能部件，尤其是反應(yīng)系統(tǒng)的石英腔體，在合理溫度下安全運(yùn)行。在設(shè)備異常停機(jī)時(shí)，保證石英腔體冷卻回路繼續(xù)運(yùn)行0.5 h 以上，以防止出現(xiàn)因散熱不及時(shí)而導(dǎo)致石英腔體異常升溫，產(chǎn)生爆裂風(fēng)險(xiǎn)等。

石英管內(nèi)部為高溫外延生長的核心工作區(qū)域，最高溫度高達(dá)1 700 ℃以上。如散熱不及時(shí)，可能導(dǎo)致高溫區(qū)域外擴(kuò)，石英管溫度突增。為防止出現(xiàn)因散熱不及時(shí)而導(dǎo)致石英腔體異常升溫，產(chǎn)生爆裂等風(fēng)險(xiǎn)，采用以下保護(hù)措施。

（1）冷水機(jī)供水泵冗余設(shè)置：水泵采用一備一用當(dāng)水泵出現(xiàn)異常，立即切換至另一臺泵供水，并同時(shí)報(bào)告水泵異常報(bào)警。

（2）冷水機(jī)帶UPS功能：在設(shè)備異常停電時(shí)，立即自動啟用UPS電源，并保證石英腔體冷卻回路繼續(xù)運(yùn)行0.5 h以上。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測冷卻回路水溫與流量：在冷卻回路上安裝水溫與流量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，當(dāng)水溫或流量異常時(shí)，立即報(bào)警以通知操作人員調(diào)整應(yīng)對。

3.6 用戶管理

外延控制系統(tǒng)屬于專業(yè)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，為了保證設(shè)備和系統(tǒng)的安全，需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員才能夠獲得授權(quán)并使用。同時(shí)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)上保證了對使用者進(jìn)行權(quán)限控制。

能夠使用外延控制系統(tǒng)的使用者分為3 類：管理員、工藝員和操作員。不同的角色的人員要求分配不同的權(quán)限，在對應(yīng)功能模塊的查看和編輯等方面進(jìn)行對應(yīng)的限制。具體權(quán)限的控制配置如表1和表2所示。

表1 角色查看權(quán)限配置表

表2 角色編輯權(quán)限配置表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

SiC外延是一個(gè)氣相-固態(tài)表面復(fù)相反應(yīng)的機(jī)構(gòu)，其基本過程分以下步驟進(jìn)行：（1）反應(yīng)源氣的混合物向襯底輸運(yùn)；（2）反應(yīng)物分子吸附在高溫的襯底表面；（3）吸附的分子之間或吸附的分子與襯底材料分子在襯底表面發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，形成晶粒和氣態(tài)副產(chǎn)物；（4）成型的晶粒在襯底表面擴(kuò)散和遷移，形成島或團(tuán)簇并排入晶體點(diǎn)陣中；（5）氣態(tài)副產(chǎn)物從襯底表面解吸，離開沉積區(qū)，隨源氣排出反應(yīng)室[9]。

經(jīng)過對基礎(chǔ)工藝的摸索和驗(yàn)證，外延反應(yīng)1 h，生長出符合要求的4H-SiC 同質(zhì)外延層，說明設(shè)備和控制能力已經(jīng)基本達(dá)到工藝要求，后續(xù)也會通過器件和工藝的具體要求持續(xù)優(yōu)化設(shè)備和控制程序。

5 結(jié)束語

本文通過研究碳化硅外延設(shè)備的控制系統(tǒng)，介紹了碳化硅外延設(shè)備控制系統(tǒng)的架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，各個(gè)主要模塊的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。攻克了高溫感應(yīng)加熱方式下對溫度的精確控制、工藝氣體和壓力的協(xié)調(diào)、機(jī)械傳送的可靠性和穩(wěn)定性和高真空下反應(yīng)室的壓力控制和安全等問題。設(shè)計(jì)了一套高效能的外延自動傳輸控制系統(tǒng)，并已穩(wěn)定運(yùn)行。