半导体设备AMAT P5000 PETEOS 打火异常分析及处理方法

周建平

（无锡华润上华科技有限公司，江苏 无锡 214035）

等离子增强CVD（PECVD）机台我们公司使用的是美国应用材料P5000 系列设备，是世界上第一台成功地以单晶片、多反应室理念而设计成的量产及研发均适用的半导体制程设备，6 寸8 寸设备共用相同的主机构架。其中PETEOS 工艺是PECVD 中的一种用作金属间的介质层工艺，材料源（TEOS，O2）以气体形式进入真空工艺腔体内，在一定真空压力和RF 加功率的情况下，反应气体(TEOS，O2)从辉光放电（Plasma：等离子场）中获得激活能，激活并增强化学反应，从而实现化学气象淀积。（TEOS+O2——plasma、heat、pressure——SiO2（H）+volatiles）。Plasma 也可被用于清洗腔体。（C2F6 +SiO2——plasma、heat、pressure——SiF（volatile）+CO2（volatile）+others volatiles）。

在生产过程中TEOS 打火发花严重影响了产品良率和备件寿命。本文就针对此异常进行分析并提供解决方案。

1 压力、气体流量和功率分析

从淀积和清洗参数来看，主要是压力、气体流量和功率三方面。如下对这三个方面进行分析。

1.1 压力分析

压力不稳定，导致气流不均匀，当 加Plasma 时 会局部打火。如案例CBP5K4B。 原 因 为SLIT 阀 的ORING 有 一处有破损的现象(如图1 所示)。

图1

图2

1.2 气体流量分析

CVD 工艺气体从气体管道通过cvg 组件→gas box 孔→blocker →showerhead 气体喷射到圆片表面。如果blocker 和showerhead 哪个孔异常，会导致气流不均，当加Plasma 时引起备件和圆片局部打火。如CPP5K9B QC 片打火。原因为showerhead 和blocker 之间有颗粒堵住洞，如图2。

当gas box 表面异常，showerhead 和blocker 与它接触会产生电位差而打火。如CPP5K3A QC 片打火，原因为gas box 表面白粉没打磨掉，导致blocker 接触电阻变大产生压差打火，如图3 所示。

图3

图4

图5

1.3 功率分析

P5000 设备的射频源在设计上都以50 欧姆为额定输出电阻，但腔体在淀积和清洗过程中其电阻是不断变化的，因此，需要在RF Generator与腔体之间加一匹配器，用以使RF Generator 的负载电阻稳定在50 欧姆。RF POWER 过大或不稳，会影响淀积和刻蚀均匀性。如CPP5K8B。原因为RF Generator 漏电使RF MATCH 与 腔 体BODY 接 触的绝缘杆表面聚集电荷与腔体导通影响CVG 电阻导致RF 功率波动，更换RF Generator 后正常。

2 压力、气体流量和功率改善

2.1 压力改善

根据压力控制流程，定期校准Throttle valve，换截止阀O-RING 和SLIT ORING，检查压力计MKS 压力稳定性（图4）。

2.2 清洗菜单改善

实验验证通过修改原清洗菜单压力、流量，可以改善gas box，showerhead、susceptor 表面的清洗，达到防止过清洗和清洗不均匀的目的，预防了showerhead 和blocker之间由于颗粒原因引起的打火。

2.3 功率改善

校准RF POWER，确认设定值与实际值一致。定期检查CVG 电阻。

3 工艺腔体备件和水路分析

从腔体目前状况来看，主要是Lift hoop、Chamber body、Pump plate和热交换器水比较脏。如下对这些脏的危害进行分析。

3.1 备件脏分析

（1）Chamber body 覆盖一层SiO2 导致绝缘，影响Susceptor 接地。（2）Lift hoop 及螺丝生锈，会产生金属颗粒，增加离子冲击，提高温度，损伤Susceptor。（3）Pump plate 脏，影响抽速，导致压力异常。

3.2 热交换器水脏分析

热交换器水脏，影响CVG 电阻，从而影响气流导致打火。

图6

4 工艺腔体备件和水路改善

4.1 备件脏改善

（1）打磨Chamber body。确认Chamber body 的地线与AC BOX 地线一致。

（2）清洗Lift hoop，更换螺丝。

Pump plate 外送清洗。

4.2 热交换器水脏改善

定期更换DI TANK，滤芯。加乙二醇。

日检热交换器水电阻值。

图7

5 设备参数管控分析

通过以上的改善措施我们可以定时定量地预防性维修，由于不能保证实时监控，不可避免地还会有圆片打火发生。如CPP5K04 三腔在2018 年偶有圆片打火发生，一旦打火RF LOAD 波动很大，由于偶发性，增加了排查故障的周期。需要实时监控RF LOAD。

6 设备参数管控改善

与IT 协作引进FDC SYSTEM，如图8。

图8

由于有FDC SYSTEM 的实时监控，一旦RF LOAD 波动报警，圆片就被HOLD，设备停下处理，避免打火剔片。如CPP5K04加入了FDC SYSTEM，设备及时停下排除故障，原因为DC POWER 15V 电压波动不稳引起模拟量RF POWER 波动打火。

7 结论

PM 时关注确认关键备件gas box 表面接触的导电性，CVG 组件的电阻大小，设备参数热交换器水电阻值。生产工艺时运用FDC 系统实时监控RF LOAD 波动范围，异常报警时及时HOLD 圆片，停机检查。采取这些手段和工具，TEOS 打火是可控的，从而有力地保证了生产的流通和产品的良率。

8 成果

通过2019 年的改善措施，该年度由于TEOS 发花剔片数相对于2018 年减少15 片，由原来的20 片到现在的5片，提高75%（数据来源于公司YE 日报）。