THERMCO水平氧化爐外點火系統(tǒng)保護措施分析

李志成

(重慶中科渝芯電子有限公司，重慶 401332)

0 引言

現(xiàn)階段在硅片上用熱生長法制備氧化膜時常用的有干氧氧化、水汽氧化和濕氧氧化。干氧氧化制作的SiO2結(jié)構(gòu)致密，均勻性好，但生長速率較慢；水汽氧化生長速率快，但結(jié)構(gòu)疏松，掩蔽能力差，有較多缺陷；濕氧氧化的生長速率介于干氧氧化和水汽氧化之間。在今天的工藝中，H2O的形成通常是由H2和O2在外點火系統(tǒng)中反應(yīng)得到。通過H2和O2的流量比例來調(diào)節(jié)O2和H2O的分壓比例，從而調(diào)節(jié)氧化速率。濕氧氧化的氧化層對雜質(zhì)掩蔽能力以及均勻性均能滿足工藝要求，并且氧化速率比干氧氧化有明顯提高，因此在厚層氧化中得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文描述了THERMCO9000水平氧化爐中濕氧氧化工藝所用到的外點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其保護措施。

1 THERMCO外點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

THERMCO水平氧化爐外點火系統(tǒng)由加熱器、點火器以及保護措施組成，如圖1所示。加熱器包括外點火爐體、加熱電源以及溫度控制單元；點火器包括石英點火槍及石英點火腔室；保護措施包括溫度保護、流量保護以及火焰保護等。

圖1 外點火結(jié)構(gòu)圖

2 THERMCO外點火系統(tǒng)的保護措施

THERMCO水平氧化爐氫氧合成工藝中的保護分為軟件保護和硬件保護。

軟件方面可觸發(fā)的保護事件有29、30、37、46四個事件，硬件保護有37、38、42、46四個事件。29號 H2事件；30號 O2事件；37號 RATIO H2事件；38號HIH2FL事件；42號NO TORCH事件；46號PYRO LOW事件。

29號H2事件為氫氣流量超范圍。氫氣流量檢測值偏離設(shè)定值一定的百分比，管計算機通過將H2的設(shè)定值改為0而切斷H2的供應(yīng)并且同時關(guān)斷氫氣管路的氣動閥。偏離誤差的百分比可通過“MFCTOL”命令進行0%～100%的調(diào)整，系統(tǒng)默認值為5%。這種安全互鎖是系統(tǒng)軟件程序進行判斷的，必須在氣體控制表中的第一項命名且必須用“H2”命名才能觸發(fā)該互鎖。

30號O2事件為氧氣流量超范圍。氧氣流量檢測值偏離設(shè)定值一定的百分比，管計算機通過將H2的設(shè)定值改為0而切斷H2的供應(yīng)，同時關(guān)斷氫氣管路的氣動閥。

37號RATIO H2事件為H2：O2比例錯誤。氫氣流量檢測值與氧氣流量檢測值的比值不能超過一定的臨界比例（最大2:1），如果超過了，管計算機通過將H2的設(shè)定值改為0而切斷H2的供應(yīng)，同時關(guān)斷氫氣管路的氣動閥。臨界比例可通過“H2 RATIO”命令進行（0～2）：1 之間的調(diào)整，系統(tǒng)默認值為1.88:1。該比例值還在氣體接口板上通過電路進行硬件設(shè)定最大比例值，調(diào)節(jié)電路如圖2所示。

圖2 H2/O2比例設(shè)定電路

H2/O2比例硬件調(diào)節(jié)方法：（1）主爐至少加熱到 750℃；（2）外點火爐加熱到 850℃；（3）設(shè)定 4L氧氣流量（氧氣必須為MFC2#通道）；（4）設(shè)定2L氮氣流量吹掃氫氣管道至少10秒；（5）關(guān)閉氮氣；（6）等待 30 秒；（7）設(shè)定氫氣 4L，斜率為 10SLPM（氫氣必須為 MFC1# 通道）；（8）等待火焰穩(wěn)定；（9）測量并記錄電路U27-3腳的電壓值；（10）用該電壓值除以 1.95得到“X”值；（11）測量電路U27-2腳的電壓值，該電壓值應(yīng)等于“X”值；（12）如果不相等，則調(diào)節(jié)R32直到相等；（13）如果要求其他的氫氧比例，則需用要求的值替代10步中的1.95即可。

正常情況下，U27的2腳的電壓值大于U27的3腳的電壓值，U27的7腳輸出為低電平。

38號HIH2 FL事件為氫氣流量過大，該事件由硬件進行設(shè)定，調(diào)節(jié)電路如圖3所示。

圖3 HI H2設(shè)定電路

圖4 火焰檢測原理

該硬件保護主要是為了防止氫氣質(zhì)量流量計失控而引起的危險。氣體質(zhì)量流量計使用范圍一般為其滿量程的20%～80%。高H2設(shè)定電路把其值設(shè)定為80%。設(shè)定方法：調(diào)節(jié)R66，直到U31的6腳檢測電壓為4DCV。

42號NOTORCH事件為未檢測到火焰?；鹧嫣綔y傳感器未檢測到火焰，程序可通過采集NO TROCH事件運行保護程序，火焰檢測原理如圖4所示。

火焰探測傳感器可進行檢查時間的調(diào)節(jié)。

火焰探測時間調(diào)節(jié)方法：（1）通氮氣至少2slpm；（2）主爐加熱至少 750℃；（3）外點火爐加熱到 850℃；（4）關(guān)閉氮氣通 4slpm 氧氣；（5）關(guān)閉氫氣手動閥門；（6）打開火焰探測器的蓋子；（7）模擬通入4slpm氫氣 （拔出MFC1的控制線，短接JP28，計算機設(shè)置4slpm氫氣，實際上無氫氣流量）；（8）觀察火焰探測器上“H2 ON”燈亮后保持的時間；（9）該時間正確為8～9秒，如果有必要則調(diào)節(jié)火焰探測器上標注“T”孔對應(yīng)的可調(diào)電位器；（10）：重復7到9步，直到時間正確；（11）系統(tǒng)復原，合上火焰探測器蓋子，拔出JP28短接跳線，插回MFC1的控制線。

46號PYRO LOW事件為點火點溫度低。如果點火點溫度低于630℃，管計算機通過將H2的設(shè)定值改為0而切斷H2的供應(yīng)并且同時關(guān)斷氫氣管路的氣動閥。點火點溫度采集在點火前由熱偶3提供信號，在點火完成30秒后由繼電器板轉(zhuǎn)為熱偶2提供。

3 THERMCO外點火系統(tǒng)常見故障

THERMCO外點火系統(tǒng)常見故障可分為溫度故障、流量故障和火焰檢測故障3類。

引起溫度故障的原因主要有加熱爐絲斷裂、加熱控制可控硅損壞、溫度檢測熱偶損壞以及點火板損壞；引起流量故障的原因主要是氫氣、氧氣氣體流量控制器損壞以及氣體接口板損壞；引起火焰檢測故障的主要是火焰探頭受高溫烘烤位置變化以及火焰檢測傳感器損壞。

加熱爐爐絲斷裂一般情況下都是加熱爐爐體上半部分的爐絲由于溫度高而造成的，點火板損壞如圖5中紅圈所示。這種損壞情況通常是由于可控硅擊穿損壞后串入高電壓到點火板而引起的，通常損壞的還有穩(wěn)壓管、光耦等電子元件。

圖5 點火PCB板

4 結(jié)語

現(xiàn)階段濕氧氧化設(shè)備的外點火系統(tǒng)中加熱的方式方法有多種，比如爐絲加熱、燈管加熱等，但其保護措施基本都相同，即流量、溫度、火焰保護等。

[1]SVG SYSTEMS LIMITED Products Processes，ThermcoSystemsDivisionOrange[M].California，1988.

[2]Silicon Valley Group Inc.，Thermco Systems HTR 10K System MaintenanceModules[A].Thermco Systems Division Orange[M].California，1997.