教学课件：第四章-单片热处理工艺RTP.ppt

第四章第四章 RTP工艺设备简介工艺设备简介(Rapid Thermal Process)引言引言引言引言 RTPRTP设备介绍设备介绍设备介绍设备介绍 RTPRTP工艺的应用工艺的应用工艺的应用工艺的应用(自学自学自学自学)参考资料：参考资料：参考资料：参考资料：微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术第第第第6 6章章章章 快速热处理快速热处理快速热处理快速热处理(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号电子讲稿中出现的图号是该书中的图号电子讲稿中出现的图号是该书中的图号电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)RTP工艺设备简介工艺设备简介 RTP RTP工艺是一类工艺是一类工艺是一类工艺是一类单片热处理单片热处理单片热处理单片热处理工艺，其目的是通过缩短热工艺，其目的是通过缩短热工艺，其目的是通过缩短热工艺，其目的是通过缩短热 处理时间和温度或只缩短热处理时间来获得最小的工艺处理时间和温度或只缩短热处理时间来获得最小的工艺处理时间和温度或只缩短热处理时间来获得最小的工艺处理时间和温度或只缩短热处理时间来获得最小的工艺 热预算热预算热预算热预算(Thermal Budget)(Thermal Budget)RTP RTP工艺的发展，是为了适应等比例缩小器件结构对工艺的发展，是为了适应等比例缩小器件结构对工艺的发展，是为了适应等比例缩小器件结构对工艺的发展，是为了适应等比例缩小器件结构对杂杂杂杂 质再分布质再分布质再分布质再分布的严格要求；最早的的严格要求；最早的的严格要求；最早的的严格要求；最早的RTPRTP工艺主要用于工艺主要用于工艺主要用于工艺主要用于注入后注入后注入后注入后 的退火的退火的退火的退火 目前，目前，目前，目前，RTPRTP工艺的工艺的工艺的工艺的应用范围应用范围应用范围应用范围已扩展到已扩展到已扩展到已扩展到氧化氧化氧化氧化、化学气相淀化学气相淀化学气相淀化学气相淀 积积积积和和和和外延生长外延生长外延生长外延生长等领域等领域等领域等领域 一、引言一、引言1 1 1 1、ICICICIC器件尺寸的按比例缩小器件尺寸的按比例缩小器件尺寸的按比例缩小器件尺寸的按比例缩小器件最小特征尺寸的缩小趋势器件最小特征尺寸的缩小趋势器件最小特征尺寸的缩小趋势器件最小特征尺寸的缩小趋势 随着器件等比例缩小到随着器件等比例缩小到随着器件等比例缩小到随着器件等比例缩小到深亚微米阶段深亚微米阶段深亚微米阶段深亚微米阶段，源、漏区的，源、漏区的，源、漏区的，源、漏区的PNPN 结结结结结深要求做得非常浅结深要求做得非常浅结深要求做得非常浅结深要求做得非常浅。离子注入后的杂质，必须通过足够离子注入后的杂质，必须通过足够离子注入后的杂质，必须通过足够离子注入后的杂质，必须通过足够高温度下的热处理高温度下的热处理高温度下的热处理高温度下的热处理，才能具有才能具有才能具有才能具有电活性电活性电活性电活性，同时，同时，同时，同时消除注入损伤消除注入损伤消除注入损伤消除注入损伤。传统的高温炉管传统的高温炉管传统的高温炉管传统的高温炉管工艺，由于升、降温缓慢和热处理时工艺，由于升、降温缓慢和热处理时工艺，由于升、降温缓慢和热处理时工艺，由于升、降温缓慢和热处理时 间长，从而造成热处理过程中间长，从而造成热处理过程中间长，从而造成热处理过程中间长，从而造成热处理过程中杂质的再分布问题严重杂质的再分布问题严重杂质的再分布问题严重杂质的再分布问题严重，难以控制难以控制难以控制难以控制PNPN结结深。结结深。结结深。结结深。最早的最早的最早的最早的RTPRTP工艺，就是为了工艺，就是为了工艺，就是为了工艺，就是为了离子注入后退火离子注入后退火离子注入后退火离子注入后退火而开发的。而开发的。而开发的。而开发的。2 2 2 2、杂质再分布问题、杂质再分布问题、杂质再分布问题、杂质再分布问题3 3 3 3、RTP RTP 与传统退火工艺的比较与传统退火工艺的比较与传统退火工艺的比较与传统退火工艺的比较 RTP设备与传统高温炉管的区别设备与传统高温炉管的区别 RTP设备的快速加热能力设备的快速加热能力 RTP设备的关键问题设备的关键问题二、二、RTP 设备简介设备简介（一）（一）RTP 设备与传统高温炉管的设备与传统高温炉管的区别区别2 2、硅片温度控制：、硅片温度控制：、硅片温度控制：、硅片温度控制：传统炉管利用传统炉管利用传统炉管利用传统炉管利用热对流及热传导原理热对流及热传导原理热对流及热传导原理热对流及热传导原理，使，使，使，使 硅片与整个炉管周围环境达到热平衡，硅片与整个炉管周围环境达到热平衡，硅片与整个炉管周围环境达到热平衡，硅片与整个炉管周围环境达到热平衡，温度控制精确温度控制精确温度控制精确温度控制精确；而而而而RTPRTP设备通过设备通过设备通过设备通过热辐射选择性加热硅片热辐射选择性加热硅片热辐射选择性加热硅片热辐射选择性加热硅片，较难控制硅片，较难控制硅片，较难控制硅片，较难控制硅片 的实际温度及其均匀性。的实际温度及其均匀性。的实际温度及其均匀性。的实际温度及其均匀性。（一）（一）RTP 设备与传统高温炉管的设备与传统高温炉管的区别区别1 1、加热元件：加热元件：加热元件：加热元件：RTPRTP采用采用采用采用加热灯管加热灯管加热灯管加热灯管，传统炉管采用，传统炉管采用，传统炉管采用，传统炉管采用电阻丝电阻丝电阻丝电阻丝3 3、升降温速度：、升降温速度：、升降温速度：、升降温速度：RTPRTP设备的升、降温速度为设备的升、降温速度为设备的升、降温速度为设备的升、降温速度为10-20010-200秒秒秒秒，而传统炉管的升、降温速度为而传统炉管的升、降温速度为而传统炉管的升、降温速度为而传统炉管的升、降温速度为5-505-50分钟分钟分钟分钟。4 4、传统炉管是传统炉管是传统炉管是传统炉管是热壁工艺热壁工艺热壁工艺热壁工艺，容易淀积杂质；，容易淀积杂质；，容易淀积杂质；，容易淀积杂质；RTPRTP设备则设备则设备则设备则 是是是是冷壁工艺冷壁工艺冷壁工艺冷壁工艺，减少了硅片沾污。，减少了硅片沾污。，减少了硅片沾污。，减少了硅片沾污。（一）（一）RTP 设备与传统高温炉管的设备与传统高温炉管的区别区别6 6、传统炉管的致命缺点是传统炉管的致命缺点是传统炉管的致命缺点是传统炉管的致命缺点是热预算大热预算大热预算大热预算大，无法适应深亚微，无法适应深亚微，无法适应深亚微，无法适应深亚微 米工艺的需要；而米工艺的需要；而米工艺的需要；而米工艺的需要；而RTPRTP设备能设备能设备能设备能大幅降低热预算大幅降低热预算大幅降低热预算大幅降低热预算。5 5、生产方式：、生产方式：、生产方式：、生产方式：RTPRTP设备为设备为设备为设备为单片工艺单片工艺单片工艺单片工艺，而传统炉管为，而传统炉管为，而传统炉管为，而传统炉管为批批批批 处理工艺处理工艺处理工艺处理工艺。1 1、加热灯管加热灯管加热灯管加热灯管光源波长在光源波长在光源波长在光源波长在0.3-40.3-4微米微米微米微米之间，之间，之间，之间，石英管壁石英管壁石英管壁石英管壁无法有效吸收这一波段的辐射，而无法有效吸收这一波段的辐射，而无法有效吸收这一波段的辐射，而无法有效吸收这一波段的辐射，而硅片硅片硅片硅片则正好相反。则正好相反。则正好相反。则正好相反。因此，硅片可以吸收辐射能量快速加热，因此，硅片可以吸收辐射能量快速加热，因此，硅片可以吸收辐射能量快速加热，因此，硅片可以吸收辐射能量快速加热，而此时石英管壁仍维持低温，即所谓而此时石英管壁仍维持低温，即所谓而此时石英管壁仍维持低温，即所谓而此时石英管壁仍维持低温，即所谓冷壁工艺冷壁工艺冷壁工艺冷壁工艺。2 2、实际硅片的、实际硅片的、实际硅片的、实际硅片的升温速度升温速度升温速度升温速度取决于以下因素取决于以下因素取决于以下因素取决于以下因素 硅片本身的硅片本身的硅片本身的硅片本身的吸热效率吸热效率吸热效率吸热效率 加热灯管辐射的加热灯管辐射的加热灯管辐射的加热灯管辐射的波长波长波长波长及及及及强度强度强度强度 RTPRTP反应腔壁的反应腔壁的反应腔壁的反应腔壁的反射率反射率反射率反射率 辐射光源的辐射光源的辐射光源的辐射光源的反射反射反射反射和和和和折射率折射率折射率折射率3 3、对于一个表面带有图案的硅片，对于一个表面带有图案的硅片，对于一个表面带有图案的硅片，对于一个表面带有图案的硅片，RTPRTP可能造成硅片表面的可能造成硅片表面的可能造成硅片表面的可能造成硅片表面的 温度分布不均匀温度分布不均匀温度分布不均匀温度分布不均匀。（二）（二）RTP 设备的设备的快速加热能力快速加热能力1 1、加热、加热、加热、加热灯源灯源灯源灯源和和和和反应腔反应腔反应腔反应腔的设计的设计的设计的设计pp 大多数大多数大多数大多数RTPRTP设备采用设备采用设备采用设备采用钨钨钨钨-卤灯卤灯卤灯卤灯或或或或惰性气体长弧放电灯惰性气体长弧放电灯惰性气体长弧放电灯惰性气体长弧放电灯作为作为作为作为 加热源。前者发光功率较小，但工作条件简单加热源。前者发光功率较小，但工作条件简单加热源。前者发光功率较小，但工作条件简单加热源。前者发光功率较小，但工作条件简单(普通的普通的普通的普通的 交流线电压交流线电压交流线电压交流线电压)；后者发光功率较大，但需要工作在稳压；后者发光功率较大，但需要工作在稳压；后者发光功率较大，但需要工作在稳压；后者发光功率较大，但需要工作在稳压 直流电源下，且需要水冷装置。直流电源下，且需要水冷装置。直流电源下，且需要水冷装置。直流电源下，且需要水冷装置。pp 改变反应腔的改变反应腔的改变反应腔的改变反应腔的几何形状几何形状几何形状几何形状可以优化能量收集效率、使硅片可以优化能量收集效率、使硅片可以优化能量收集效率、使硅片可以优化能量收集效率、使硅片 获得并维持均匀温度。早期的获得并维持均匀温度。早期的获得并维持均匀温度。早期的获得并维持均匀温度。早期的RTPRTP设备多采用设备多采用设备多采用设备多采用反射腔设反射腔设反射腔设反射腔设 计计计计。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使辐射在整个硅。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使辐射在整个硅。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使辐射在整个硅。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使辐射在整个硅 片上均匀分布。片上均匀分布。片上均匀分布。片上均匀分布。pp 硅片的放置硅片的放置硅片的放置硅片的放置：在石英材料的支架上，：在石英材料的支架上，：在石英材料的支架上，：在石英材料的支架上，石英的化学性质稳定且热导率低。石英的化学性质稳定且热导率低。石英的化学性质稳定且热导率低。石英的化学性质稳定且热导率低。（三）（三）RTP设备的设备的关键问题关键问题 原因原因原因原因 圆片边缘接收的热辐射比圆片中心少圆片边缘接收的热辐射比圆片中心少圆片边缘接收的热辐射比圆片中心少圆片边缘接收的热辐射比圆片中心少 圆片边缘的热损失比圆片中心大圆片边缘的热损失比圆片中心大圆片边缘的热损失比圆片中心大圆片边缘的热损失比圆片中心大 气流对圆片边缘的冷却效果比圆片中心好气流对圆片边缘的冷却效果比圆片中心好气流对圆片边缘的冷却效果比圆片中心好气流对圆片边缘的冷却效果比圆片中心好 危害危害危害危害 边缘效应边缘效应边缘效应边缘效应造成的温度梯度通常在造成的温度梯度通常在造成的温度梯度通常在造成的温度梯度通常在几十甚至上百度几十甚至上百度几十甚至上百度几十甚至上百度，不仅，不仅，不仅，不仅 导致热处理工艺的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅导致热处理工艺的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅导致热处理工艺的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅导致热处理工艺的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅 片的翘曲。片的翘曲。片的翘曲。片的翘曲。（三）（三）RTP设备的设备的关键问题关键问题2 2、硅片的、硅片的、硅片的、硅片的热不均匀问题热不均匀问题热不均匀问题热不均匀问题(硅片边缘温度比中心低硅片边缘温度比中心低硅片边缘温度比中心低硅片边缘温度比中心低)：图图图图6.5 6.5 造成造成造成造成硅片边缘热不均匀硅片边缘热不均匀硅片边缘热不均匀硅片边缘热不均匀的三个原因的三个原因的三个原因的三个原因pp 早期早期早期早期RTPRTP设备一般采用设备一般采用设备一般采用设备一般采用改变反射腔形状改变反射腔形状改变反射腔形状改变反射腔形状或或或或灯泡间距灯泡间距灯泡间距灯泡间距的方法；的方法；的方法；的方法；但圆片边缘所需的额外辐射量与工艺温度有关，因此上述但圆片边缘所需的额外辐射量与工艺温度有关，因此上述但圆片边缘所需的额外辐射量与工艺温度有关，因此上述但圆片边缘所需的额外辐射量与工艺温度有关，因此上述 方法所形成的功率分布方法所形成的功率分布方法所形成的功率分布方法所形成的功率分布只能针对某一温度只能针对某一温度只能针对某一温度只能针对某一温度。另外，升温过。另外，升温过。另外，升温过。另外，升温过 程中易造成硅片边缘过热现象。程中易造成硅片边缘过热现象。程中易造成硅片边缘过热现象。程中易造成硅片边缘过热现象。pp 现在的现在的现在的现在的RTPRTP设备设计采用设备设计采用设备设计采用设备设计采用分区加热分区加热分区加热分区加热概念实现：把灯泡分成概念实现：把灯泡分成概念实现：把灯泡分成概念实现：把灯泡分成 多个可多个可多个可多个可独立控制独立控制独立控制独立控制的加热区，可提供多种不同的功率分布。的加热区，可提供多种不同的功率分布。的加热区，可提供多种不同的功率分布。的加热区，可提供多种不同的功率分布。pp 最常见的装置最常见的装置最常见的装置最常见的装置是：把每个灯泡放在单独的抛物面形反射腔是：把每个灯泡放在单独的抛物面形反射腔是：把每个灯泡放在单独的抛物面形反射腔是：把每个灯泡放在单独的抛物面形反射腔 (水冷水冷水冷水冷)中，并以六角对称形式排成平面阵列。中，并以六角对称形式排成平面阵列。中，并以六角对称形式排成平面阵列。中，并以六角对称形式排成平面阵列。（三）（三）RTP设备的设备的关键问题关键问题 改进改进改进改进硅片硅片硅片硅片热均匀性热均匀性热均匀性热均匀性的措施：的措施：的措施：的措施：补偿硅片边缘的热损失，提高对边缘部位的辐射功率。补偿硅片边缘的热损失，提高对边缘部位的辐射功率。补偿硅片边缘的热损失，提高对边缘部位的辐射功率。补偿硅片边缘的热损失，提高对边缘部位的辐射功率。图图图图6.16 RTP6.16 RTP系统中的系统中的系统中的系统中的蜂窝状光蜂窝状光蜂窝状光蜂窝状光 源源源源(下面是硅圆片下面是硅圆片下面是硅圆片下面是硅圆片)硅片温度测量值被用在反馈回路中以硅片温度测量值被用在反馈回路中以硅片温度测量值被用在反馈回路中以硅片温度测量值被用在反馈回路中以控制灯泡的输出功率控制灯泡的输出功率控制灯泡的输出功率控制灯泡的输出功率pp 传统高温炉管传统高温炉管传统高温炉管传统高温炉管中，由于硅片温度与其炉管周围环境温度中，由于硅片温度与其炉管周围环境温度中，由于硅片温度与其炉管周围环境温度中，由于硅片温度与其炉管周围环境温度 一致，因此可用一致，因此可用一致，因此可用一致，因此可用热电偶热电偶热电偶热电偶测量炉管周围环境温度来准确计测量炉管周围环境温度来准确计测量炉管周围环境温度来准确计测量炉管周围环境温度来准确计 算硅片实际温度。算硅片实际温度。算硅片实际温度。算硅片实际温度。pp RTPRTP设备中设备中设备中设备中硅片温度与反应腔周围环境温度是不一致的，硅片温度与反应腔周围环境温度是不一致的，硅片温度与反应腔周围环境温度是不一致的，硅片温度与反应腔周围环境温度是不一致的，因此因此因此因此硅片温度不能用反应腔内温度计算硅片温度不能用反应腔内温度计算硅片温度不能用反应腔内温度计算硅片温度不能用反应腔内温度计算。pp RTPRTP设备中直接接触式热电偶测量的问题在于：沾污、设备中直接接触式热电偶测量的问题在于：沾污、设备中直接接触式热电偶测量的问题在于：沾污、设备中直接接触式热电偶测量的问题在于：沾污、接触热阻造成的温度差异、通过引线损失的热使硅片局接触热阻造成的温度差异、通过引线损失的热使硅片局接触热阻造成的温度差异、通过引线损失的热使硅片局接触热阻造成的温度差异、通过引线损失的热使硅片局 部被降温并导致工艺不均匀。部被降温并导致工艺不均匀。部被降温并导致工艺不均匀。部被降温并导致工艺不均匀。（三）（三）RTP设备的设备的关键问题关键问题3 3、准确和可重复的、准确和可重复的、准确和可重复的、准确和可重复的温度测量温度测量温度测量温度测量(1)(1)热电堆热电堆热电堆热电堆是是是是RTPRTP设备最常用的电热测温计，其工作原理是设备最常用的电热测温计，其工作原理是设备最常用的电热测温计，其工作原理是设备最常用的电热测温计，其工作原理是 塞贝克效应塞贝克效应塞贝克效应塞贝克效应，即加热后的金属结会产生电压，且与温差，即加热后的金属结会产生电压，且与温差，即加热后的金属结会产生电压，且与温差，即加热后的金属结会产生电压，且与温差 成正比。成正比。成正比。成正比。(2)(2)光学高温计光学高温计光学高温计光学高温计的工作原理：对某一波长范围内的辐射能量的工作原理：对某一波长范围内的辐射能量的工作原理：对某一波长范围内的辐射能量的工作原理：对某一波长范围内的辐射能量 进行测量，然后用进行测量，然后用进行测量，然后用进行测量，然后用Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman关系关系关系关系式将能量值转式将能量值转式将能量值转式将能量值转 换为辐射源的温度。换为辐射源的温度。换为辐射源的温度。换为辐射源的温度。注意：注意：注意：注意：光学高温计测温时必须确保光学高温计测温时必须确保光学高温计测温时必须确保光学高温计测温时必须确保完全过滤掉完全过滤掉完全过滤掉完全过滤掉灯泡在工作波长灯泡在工作波长灯泡在工作波长灯泡在工作波长 范围内的辐射，而且必须精确确定硅片的有效辐射率。范围内的辐射，而且必须精确确定硅片的有效辐射率。范围内的辐射，而且必须精确确定硅片的有效辐射率。范围内的辐射，而且必须精确确定硅片的有效辐射率。RTP RTP设备中的设备中的设备中的设备中的温度测量方法温度测量方法温度测量方法温度测量方法 RTPRTP设备中的所有温度测量都是设备中的所有温度测量都是设备中的所有温度测量都是设备中的所有温度测量都是间接进行间接进行间接进行间接进行的。的。的。的。最常用的测温技术是最常用的测温技术是最常用的测温技术是最常用的测温技术是电热测温计电热测温计电热测温计电热测温计和和和和光学高温计光学高温计光学高温计光学高温计：自学内容自学内容自学内容自学内容(提高部分提高部分提高部分提高部分)RTP RTP工艺的具体应用状况及其他问题工艺的具体应用状况及其他问题工艺的具体应用状况及其他问题工艺的具体应用状况及其他问题 自学资源自学资源自学资源自学资源 教材第六章，其他参考书或网上资源教材第六章，其他参考书或网上资源教材第六章，其他参考书或网上资源教材第六章，其他参考书或网上资源