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1、第四章RTP有关 引言引言引言引言 RTPRTP设备设备介介介介绍绍 RTPRTP工工工工艺艺的的的的应应用用用用( (自学自学自学自学) )参考参考参考参考资资料：料：料：料： 微微微微电电子制造科学原理与工程技子制造科学原理与工程技子制造科学原理与工程技子制造科学原理与工程技术术第第第第6 6章章章章 快速快速快速快速热处热处理理理理( (电电子子子子讲讲稿中出稿中出稿中出稿中出现现的的的的图图号是号是号是号是该书该书中的中的中的中的图图号号号号) )RTP工工艺设备简介介 RTP RTP工工工工艺艺是一是一是一是一类单类单片片片片热处热处理工理工理工理工艺艺，其目的是通，其目的是通，其目
2、的是通，其目的是通过缩过缩短短短短热热 处处理理理理时间时间和温度或只和温度或只和温度或只和温度或只缩缩短短短短热处热处理理理理时间时间来来来来获获得最小的工得最小的工得最小的工得最小的工艺艺 热预热预算算算算(Thermal Budget)(Thermal Budget) RTP RTP工工工工艺艺的的的的发发展，是展，是展，是展，是为为了适了适了适了适应应等比例等比例等比例等比例缩缩小器件小器件小器件小器件结结构构构构对杂对杂 质质再分布的再分布的再分布的再分布的严严格要求；最早的格要求；最早的格要求；最早的格要求；最早的RTPRTP工工工工艺艺主要用于注入后主要用于注入后主要用于注入后主
3、要用于注入后 的退火的退火的退火的退火 目前，目前，目前，目前，RTPRTP工工工工艺艺的的的的应应用范用范用范用范围围已已已已扩扩展到氧化、化学气相淀展到氧化、化学气相淀展到氧化、化学气相淀展到氧化、化学气相淀 积积和外延生和外延生和外延生和外延生长长等等等等领领域域域域 一、引言一、引言1 1 1 1、ICICICIC器件尺寸的按比例器件尺寸的按比例器件尺寸的按比例器件尺寸的按比例缩缩小小小小器件最小特征尺寸的器件最小特征尺寸的器件最小特征尺寸的器件最小特征尺寸的缩缩小小小小趋势趋势 随着器件等比例随着器件等比例随着器件等比例随着器件等比例缩缩小到深小到深小到深小到深亚亚微米微米微米微米阶
4、阶段，源、漏区的段，源、漏区的段，源、漏区的段，源、漏区的PNPN 结结结结深要求做得非常浅。深要求做得非常浅。深要求做得非常浅。深要求做得非常浅。 离子注入后的离子注入后的离子注入后的离子注入后的杂质杂质，必，必，必，必须须通通通通过过足足足足够够高温度下的高温度下的高温度下的高温度下的热处热处理，理，理，理， 才能具有才能具有才能具有才能具有电电活性，同活性，同活性，同活性，同时时消除注入消除注入消除注入消除注入损伤损伤。 传统传统的高温炉管工的高温炉管工的高温炉管工的高温炉管工艺艺，由于升、降温，由于升、降温，由于升、降温，由于升、降温缓缓慢和慢和慢和慢和热处热处理理理理时时 间长间长，
5、从而造成，从而造成，从而造成，从而造成热处热处理理理理过过程中程中程中程中杂质杂质的再分布的再分布的再分布的再分布问题严问题严重，重，重，重， 难难以控制以控制以控制以控制PNPN结结结结深。深。深。深。 最早的最早的最早的最早的RTPRTP工工工工艺艺，就是，就是，就是，就是为为了离子注入后退火而开了离子注入后退火而开了离子注入后退火而开了离子注入后退火而开发发的。的。的。的。2 2 2 2、杂质杂质再分布再分布再分布再分布问题问题3 3 3 3、RTP RTP 与与与与传统传统退火工退火工退火工退火工艺艺的比的比的比的比较较 RTP设备与与传统高温炉管的区高温炉管的区别 RTP设备的快速加
6、的快速加热能力能力 RTP设备的关的关键问题二、二、RTP 设备简介介（一）（一）RTP 设备与与传统高温炉管的区高温炉管的区别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：传统传统炉管利用炉管利用炉管利用炉管利用热对热对流及流及流及流及热传导热传导原理，使原理，使原理，使原理，使 硅片与整个炉管周硅片与整个炉管周硅片与整个炉管周硅片与整个炉管周围环围环境达到境达到境达到境达到热热平衡，温度控制精确；平衡，温度控制精确；平衡，温度控制精确；平衡，温度控制精确； 而而而而RTPRTP设备设备通通通通过热辐过热辐射射射射选择选择性加性加性加性加热热硅片，硅片，硅片，硅片，较
7、难较难控制硅片控制硅片控制硅片控制硅片 的的的的实际实际温度及其均匀性。温度及其均匀性。温度及其均匀性。温度及其均匀性。 （一）（一）RTP 设备与与传统高温炉管的区高温炉管的区别1 1、 加加加加热热元件：元件：元件：元件：RTPRTP采用加采用加采用加采用加热热灯管，灯管，灯管，灯管，传统传统炉管采用炉管采用炉管采用炉管采用电电阻阻阻阻丝丝3 3、升降温速度：、升降温速度：、升降温速度：、升降温速度：RTPRTP设备设备的升、降温速度的升、降温速度的升、降温速度的升、降温速度为为10-20010-200秒，秒，秒，秒， 而而而而传统传统炉管的升、降温速度炉管的升、降温速度炉管的升、降温速度
8、炉管的升、降温速度为为5-505-50分分分分钟钟。4 4、传统传统炉管是炉管是炉管是炉管是热热壁工壁工壁工壁工艺艺，容易淀，容易淀，容易淀，容易淀积杂质积杂质；RTPRTP设备则设备则 是冷壁工是冷壁工是冷壁工是冷壁工艺艺，减少了硅片沾，减少了硅片沾，减少了硅片沾，减少了硅片沾污污。（一）（一）RTP 设备与与传统高温炉管的区高温炉管的区别6 6、传统传统炉管的致命缺点是炉管的致命缺点是炉管的致命缺点是炉管的致命缺点是热预热预算大，无法适算大，无法适算大，无法适算大，无法适应应深深深深亚亚微微微微 米工米工米工米工艺艺的需要；而的需要；而的需要；而的需要；而RTPRTP设备设备能大幅降低能大
9、幅降低能大幅降低能大幅降低热预热预算。算。算。算。5 5、生、生、生、生产产方式：方式：方式：方式：RTPRTP设备为单设备为单片工片工片工片工艺艺，而，而，而，而传统传统炉管炉管炉管炉管为为批批批批 处处理工理工理工理工艺艺。1 1、加、加、加、加热热灯管光源波灯管光源波灯管光源波灯管光源波长长在在在在0.3-40.3-4微米之微米之微米之微米之间间， 石英管壁无法有效吸收石英管壁无法有效吸收石英管壁无法有效吸收石英管壁无法有效吸收这这一波段的一波段的一波段的一波段的辐辐射，而硅片射，而硅片射，而硅片射，而硅片则则正好相反。正好相反。正好相反。正好相反。 因此，硅片可以吸收因此，硅片可以吸收
10、因此，硅片可以吸收因此，硅片可以吸收辐辐射能量快速加射能量快速加射能量快速加射能量快速加热热， 而此而此而此而此时时石英管壁仍石英管壁仍石英管壁仍石英管壁仍维维持低温，即所持低温，即所持低温，即所持低温，即所谓谓冷壁工冷壁工冷壁工冷壁工艺艺。2 2、实际实际硅片的升温速度取决于以下因素硅片的升温速度取决于以下因素硅片的升温速度取决于以下因素硅片的升温速度取决于以下因素 硅片本身的吸硅片本身的吸硅片本身的吸硅片本身的吸热热效率效率效率效率 加加加加热热灯管灯管灯管灯管辐辐射的波射的波射的波射的波长长及及及及强强度度度度 RTPRTP反反反反应应腔壁的反射率腔壁的反射率腔壁的反射率腔壁的反射率 辐
11、辐射光源的反射和折射率射光源的反射和折射率射光源的反射和折射率射光源的反射和折射率3 3、对对于一个表面于一个表面于一个表面于一个表面带带有有有有图图案的硅片，案的硅片，案的硅片，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 设备的快速加的快速加热能力能力1 1、加、加、加、加热热灯源和反灯源和反灯源和反灯源和反应应腔的腔的腔的腔的设计设计 大多数大多数大多数大多数RTPRTP设备设备采用采用采用采用钨钨- -卤卤灯或惰性气体灯或惰性气体灯或惰性气体灯或惰性气体
12、长长弧放弧放弧放弧放电电灯作灯作灯作灯作为为 加加加加热热源。前者源。前者源。前者源。前者发发光功率光功率光功率光功率较较小，但工作条件小，但工作条件小，但工作条件小，但工作条件简单简单( (普通的普通的普通的普通的 交流交流交流交流线电压线电压) )；后者；后者；后者；后者发发光功率光功率光功率光功率较较大，但需要工作在大，但需要工作在大，但需要工作在大，但需要工作在稳压稳压 直流直流直流直流电电源下，且需要水冷装置。源下，且需要水冷装置。源下，且需要水冷装置。源下，且需要水冷装置。 改改改改变变反反反反应应腔的几何形状可以腔的几何形状可以腔的几何形状可以腔的几何形状可以优优化能量收集效率、
13、使硅片化能量收集效率、使硅片化能量收集效率、使硅片化能量收集效率、使硅片 获获得并得并得并得并维维持均匀温度。早期的持均匀温度。早期的持均匀温度。早期的持均匀温度。早期的RTPRTP设备设备多采用反射腔多采用反射腔多采用反射腔多采用反射腔设设 计计。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使辐辐射在整个硅射在整个硅射在整个硅射在整个硅 片上均匀分布。片上均匀分布。片上均匀分布。片上均匀分布。 硅片的放置：在石英材料的支架上，硅片的放置：在石英材料的支架上，硅片的放置：在石英材料的支架上，硅片的放置：在石
14、英材料的支架上， 石英的化学性石英的化学性石英的化学性石英的化学性质稳质稳定且定且定且定且热导热导率低。率低。率低。率低。（三）（三）RTP设备的关的关键问题 原因原因原因原因 圆圆片片片片边缘边缘接收的接收的接收的接收的热辐热辐射比射比射比射比圆圆片中心少片中心少片中心少片中心少 圆圆片片片片边缘边缘的的的的热损热损失比失比失比失比圆圆片中心大片中心大片中心大片中心大 气流气流气流气流对圆对圆片片片片边缘边缘的冷却效果比的冷却效果比的冷却效果比的冷却效果比圆圆片中心好片中心好片中心好片中心好 危害危害危害危害 边缘边缘效效效效应应造成的温度梯度通常在几十甚至上百度，不造成的温度梯度通常在几十
15、甚至上百度，不造成的温度梯度通常在几十甚至上百度，不造成的温度梯度通常在几十甚至上百度，不仅仅 导导致致致致热处热处理工理工理工理工艺艺的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅 片的片的片的片的翘翘曲。曲。曲。曲。（三）（三）RTP设备的关的关键问题2 2、硅片的、硅片的、硅片的、硅片的热热不均匀不均匀不均匀不均匀问题问题( (硅片硅片硅片硅片边缘边缘温度比中心低温度比中心低温度比中心低温度比中心低) )：图图6.5 6.5 造成硅片造成硅片造成硅片造成硅片边缘热边缘热不均匀的三个原因不均匀的三个原
16、因不均匀的三个原因不均匀的三个原因 早期早期早期早期RTPRTP设备设备一般采用改一般采用改一般采用改一般采用改变变反射腔形状或灯泡反射腔形状或灯泡反射腔形状或灯泡反射腔形状或灯泡间间距的方法；距的方法；距的方法；距的方法； 但但但但圆圆片片片片边缘边缘所需的所需的所需的所需的额额外外外外辐辐射量与工射量与工射量与工射量与工艺艺温度有关，因此上述温度有关，因此上述温度有关，因此上述温度有关，因此上述 方法所形成的功率分布只能方法所形成的功率分布只能方法所形成的功率分布只能方法所形成的功率分布只能针对针对某一温度。另外，升温某一温度。另外，升温某一温度。另外，升温某一温度。另外，升温过过 程中易
17、造成硅片程中易造成硅片程中易造成硅片程中易造成硅片边缘过热现边缘过热现象。象。象。象。 现现在的在的在的在的RTPRTP设备设计设备设计采用分区加采用分区加采用分区加采用分区加热热概念概念概念概念实现实现：把灯泡分成：把灯泡分成：把灯泡分成：把灯泡分成 多个可独立控制的加多个可独立控制的加多个可独立控制的加多个可独立控制的加热热区，可提供多种不同的功率分布。区，可提供多种不同的功率分布。区，可提供多种不同的功率分布。区，可提供多种不同的功率分布。 最常最常最常最常见见的装置是：把每个灯泡放在的装置是：把每个灯泡放在的装置是：把每个灯泡放在的装置是：把每个灯泡放在单单独的抛物面形反射腔独的抛物面
18、形反射腔独的抛物面形反射腔独的抛物面形反射腔 ( (水冷水冷水冷水冷) )中，并以六角中，并以六角中，并以六角中，并以六角对对称形式排成平面称形式排成平面称形式排成平面称形式排成平面阵阵列。列。列。列。（三）（三）RTP设备的关的关键问题 改改改改进进硅片硅片硅片硅片热热均匀性的措施：均匀性的措施：均匀性的措施：均匀性的措施：补偿补偿硅片硅片硅片硅片边缘边缘的的的的热损热损失，提高失，提高失，提高失，提高对边缘对边缘部位的部位的部位的部位的辐辐射功率。射功率。射功率。射功率。图图6.16 RTP6.16 RTP系系系系统统中的蜂中的蜂中的蜂中的蜂窝窝状光状光状光状光 源源源源( (下面是硅下面
19、是硅下面是硅下面是硅圆圆片片片片) )(1) (1) 热电热电堆是堆是堆是堆是RTPRTP设备设备最常用的最常用的最常用的最常用的电热测电热测温温温温计计，其工作原理是，其工作原理是，其工作原理是，其工作原理是 塞塞塞塞贝贝克效克效克效克效应应，即加，即加，即加，即加热热后的金属后的金属后的金属后的金属结结会会会会产产生生生生电压电压，且与温差，且与温差，且与温差，且与温差 成正比。成正比。成正比。成正比。(2) (2) 光学高温光学高温光学高温光学高温计计的工作原理：的工作原理：的工作原理：的工作原理：对对某一波某一波某一波某一波长长范范范范围围内的内的内的内的辐辐射能量射能量射能量射能量
20、进进行行行行测测量，然后用量，然后用量，然后用量，然后用Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman关系式将能量关系式将能量关系式将能量关系式将能量值转值转 换为辐换为辐射源的温度。射源的温度。射源的温度。射源的温度。注意：光学高温注意：光学高温注意：光学高温注意：光学高温计测计测温温温温时时必必必必须须确保完全确保完全确保完全确保完全过滤过滤掉灯泡在工作波掉灯泡在工作波掉灯泡在工作波掉灯泡在工作波长长 范范范范围围内的内的内的内的辐辐射，而且必射，而且必射，而且必射，而且必须须精确确定硅片的有效精确确定硅片的有效精确确定硅片的有效精确确定硅片的有效辐辐射率。射率。射率。射率。
21、 RTP RTP设备设备中的温度中的温度中的温度中的温度测测量方法量方法量方法量方法 RTPRTP设备设备中的所有温度中的所有温度中的所有温度中的所有温度测测量都是量都是量都是量都是间间接接接接进进行的。行的。行的。行的。 最常用的最常用的最常用的最常用的测测温技温技温技温技术术是是是是电热测电热测温温温温计计和光学高温和光学高温和光学高温和光学高温计计： 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工工工工艺艺的具体的具体的具体的具体应应用状况及其他用状况及其他用状况及其他用状况及其他问题问题 自学自学自学自学资资源源源源 教材第六章，其他参考教材第六章，其他参考教材第六章，其他参考教材第六章，其他参考书书或网上或网上或网上或网上资资源源源源
