8英寸硅外延片表面质量提升

仇光寅 冯永平 孙健

（南京国盛电子有限公司）

摘要：

表面质量是8英寸硅外延片的关键技术指标，也是影响下游芯片、器件成品率的重要因素。本文通过设备工艺改进、强化现场6S管理、重点突出标准化作业指导，不断提升8英寸硅外延片表面质量，扩大产业化成果，开创国内国际市场，以科技创新促进企业高质量发展，在保证国产芯片、器件供应链安全的同时也带动了产业链上下游企业的产业整合与提升。

1 选题理由

1.1 国家集成电路发展战略的需要

随着中美贸易战的不断升级，提高8寸硅外延片产品质量、保障国内半导体产业不受制于人、实现民族半导体自主化可控迫在眉睫。

1.2 顾客需求牵引

市场情况迫切要求8英寸硅外延片表面质量尽快提升。国盛公司成立了“8英寸硅外延片表面质量改善”跨部门专题小组。

2 问题状况及原因分析

从人、机、料、法、环五个方面分析，考虑各大器件厂对8英寸量产产品严禁原材料变更和工艺变更，通过提高原材料颗粒采购标准和增加气相化学抛光减少外延层颗粒的方案首先被排出，并且硅外延层表面颗粒更多的是由于操作不良外来引入的，因此重点排查外延设备管理、现场6S管理以及操作员的标准化操作。

国盛公司生产的8英寸硅外延片设备型号有两种：LPE 3061机台和ASM 2000机台，由于两种型号机台有较大差异，针对两种机型分别成立研究小组，同时组织动力部、行政部针对洁净室环境进行改善。

2.1 LPE 3061机台8寸产品表面质量缺陷分析

LPE 3061机台8寸产品表面质量问题包括：机械类损伤、工艺类缺陷以及复合类异常。

（1）机械性硬物与外延片表面不当接触包括是影响LPE 3061机台8寸产品表面质量的原因之一，具体现象为：表面划伤、表面重压伤以及背面污印（见图1~图6）。

（2）外延生长过程中温度控制不当或是生长速率控制不当，容易造成外延片表面产生滑移线、橘皮等可视缺陷（见图7~图10）。

（3）外延生长前衬底沾污和外延生长过程中温度、生长速率控制不当，容易造成LPE 3061机台8寸外延片表面产生层错、角锥、外延片表面多晶、乳突等微观缺陷（见图12~图19）。

2.2 ASM 2000机台8寸产品表面质量缺陷分析

ASM 2000机台8寸产品表面质量缺陷主要有：表面颗粒缺陷、划伤缺陷、背面反应圈异常等（见图20~图23）。

分析影响ASM 2000机台8寸产品表面质量各项问题，颗粒主要是机台腔体内存在杂质，在生长过程中，杂质吸附在片子表面，形成表面颗粒，包括气源中存在的杂质、人工操作引入的杂质、机械零部件磨损产生的杂质、过滤器失效引入的杂质以及密封圈失效引入的杂质等；机械手下垂、机械手安装位置不正确、装片时发生跳片等造成外延片划伤；装片位置以及反应腔温度不匹配是造成背面异常的主要因素。

2.3 洁净室环境对8寸产品表面质量的影响分析

国盛公司洁净室依照ISO 14644-1洁净室及其相关控制环境国际标准进行管控，各区域均有相应的温湿度实时监测和颗粒定期监测，洁净室环境得到较好保障。洁净室环境的质量直接影响到产品的环境，QC小组展开了全方位的专项审核，包括洁净服的洁净有效性、设备灰区的洁净度、洁净室酸碱度、各类片盒管理等，逐一对洁净室环境中对于8寸产品表面质量易产生 影响的风险点进行盘点。

3 方法应用对策制定

3.1 LPE 3061机台8寸产品表面质量问题改进措施

（1）针对机械类损伤，建立设备调试标准，提高设备人员机台调试能力，同时，通过改善机械手调节标准，修改吸盘尺寸等措施，取得了成效。

（2）针对工艺类表面异常，建立工艺规范，同时也开发了多个新产品新工艺。

（3）针对复合类表面异常，加强供应商供货质量的管理、改善厂务条件等方式多管齐下。

（4）建立设备SPC管理系统，制定生产过程控制，设备监控能力提升，特别是SPC系统的应用，通过监控机台功率，有效监控机台的温度，一旦功率异常，立即启动OCAP流程，大大降低异常出现概率（见图24、图25）。

3.2 ASM 2000机台8寸产品表面质量问题改善对策

（1）加强备件管理，选择性能稳定的产品，保证产品的可靠性。做好机台端过滤器的更换管理，在保证质量的同时减小成本。

（2）购置并推广自动倒片机的使用，减少人为操作影响，提高稳定性。

（3）日常维护标准化提升：针对表面质量问题进行研究，建立多个标准化项目，包括机械手位置调整标准化、基座水平调整标准化、温度控制元器件标准化等。

（4）机械运行在线监测项目：在线监测和实时监控两个项目。

（5）SPC机台参数在线监控：通过 对机台各个系统参数进行在线监测，提高系统运行的稳定性，如图26所示，SPC监控包含了各个部分的温度、功率、尾气、基座转速等参数，通过对参数进行规范，提高了机台运行的稳定性。

3.3 洁净室环境对8寸产品表面质量影响的改善措施

（1）升级人员超净鞋服管理：更换新款一体式超净服，增加鞋子的粘尘垫，将超净服清洗频次由每月一次提高为两周一次，并将超净服的清洗交给有资质的客户指定清洗厂家，增加洗后颗粒监控，从而优化环境颗粒。

（2）在设备灰区加装FFU，将灰区提高为百级超净间。

（3）建立环境铵根和B/P过滤及监控系统：在新风系统末端加装铵根过滤器和B/P过滤器，并购置AMC测试设备建立环境中铵根含量实时监控系统，从而监控环境中的酸碱含量，减少产品表面酸雾发生的可能性。

（4）增加片盒清洗管理：购置片盒清洗机，对外延过程中使用的传递片盒进行清洗并测试颗粒，从而减少产品表面颗粒。

4 改进成效

4.1 LPE 3061机台8寸产品表面质量改善成果

通过LPE 3061机台8寸产品表面质量专题改善活动，8寸产品表面质量问题造成的设备检查频次大大减少，在产能大幅提高的同时，产品报废率大幅下降（见图27、图28）。

4.2 ASM 2000机台8寸产品表面质量改善成果

ASM 2000机台8寸产品表面质量改善效果明显（见图29）。

4.3 洁净室环境改善效果

旧款超净服为分体式，拉链在正面；新款超净服为一体式，拉链在侧面。在风淋前增加粘尘垫，减少鞋底的颗粒及污物（见图30、图31）。

设备灰 区 加 装 F F U，使 灰 区 环 境 颗 粒 达 到class100（见图32、图33）。

加装铵根过滤器和B/P过滤器，建立铵根含量监控系统（见图34、图35）。

增加片盒清洗机，增加片盒清洗前后颗粒 对比。提 供片盒清洗先后片盒中0.2 μ m颗粒数 对比（见表1）。

4.4 经济效益

通过8尺寸硅外延片表面质量改进，公司进一步提升了8英寸外延片生产能力，提升了大尺寸外延片生产规模，广泛开拓海外市场，提高市场占有率，8尺寸硅外延片成为了国盛公司新的经济增长点，取得了良好的经济效益。2014年至2018年，8寸硅外延片销量超过35万片，新增销售收入15,898万元，创汇7559万元。2019年，在国内/国际半导体市场略处于低潮的大环境下，国盛公司的8英寸硅外延片经济指标较2018年再攀升30%，下表2为历年8英寸外延片销售统计。

4.5 社会效益

针对8英寸外延片表面改进所需要的专用制造设备与备件、生产洁净环境、检测设备、应用该外延片的器件制造工艺等关键技术点不断研发，近年来，国盛公司围绕8英寸硅外延片完成了9项发明专利（其中7项8英寸硅外延产品的发明专利）、3项实用新型专利，是国内仅有的拥有8英寸硅外延片产品发明专利的厂家，通过技术创新形成了具有民族自主知识产权的专有技术。其中：

●《一种8 英寸肖特基管用硅 外延片的制造方法》荣获了中国电子科技集团有限公司2018年科学技术优秀奖；

●《电磁感应加热外延炉的双面基座结构》荣获了南京市2019年优秀专利奖；

●“8英寸1200V IGBT用硅外延片”荣获第十三届（2018年度）中国半导体创新产品和技术奖；

● 根据8英寸硅外延片表面改进的技术经验，国盛公司主导编写的GB/T 39145-2020《硅片表面金属元素含量的测定 电感耦合等离子体质谱法》，荣获了2019年度全国半导体设备和材料标准化技术委员会技术标准优秀奖二等奖；参与编写的GB/T 19921-2018《硅抛光片表面颗粒测试方法》，荣获了2018年度全国半导体设备和材料标准化技术委员会技术标准优秀奖一等奖。

5 总 结

技术创新与管理创新的质量提升，促进了国盛公司高质量发展，国内排名前三的华润微电子公司2018年授予国盛公司“最佳质量供应商”称号。

国盛公司8英寸硅外延片的质量提升，迅速成为国盛公司新的经济增长点，为国盛公司向高端半导体材料扩张奠定了技术与管理基础，国盛公司已连续6年荣获“中国半导体材料十强企业”称号。

国盛公司8英寸硅外延片的质量提升，也促进国内大尺寸半导体硅外延材料的产业化应用推广，打破了国外技术壁垒，填补了我国在集成电路材料产业链中的空白，极大地促进了半导体原材料的国产化发展，完成了我国半导体支撑基础材料产业结构的调整，同时带动上游配套原材料的技术进步。随着国内工业转型升级，8英寸硅外延片的产业化应用空间广阔，具有长远的经济和社会效益