半导体 | 热处理设备

一、什么是热处理设备?

正如离子注入设备所述，加速离子轰击影响扰乱了离子注入后的硅的结晶性质。因此，有必要恢复结晶度。所以用于晶体恢复的热处理设备是不可或缺的。

什么是晶体恢复热处理设备?

当离子被注入晶圆时，硅晶体的晶格被离子的冲击扰乱，而且注入的杂质原子并不能替代硅晶格。何为替代硅晶格可参考下图。

硅晶体的晶格被注入离子替换的例子

在晶圆初次被掺入杂质时的状态为“激活”晶体的恢复需要通过加热的方式让杂质原子转移到硅单晶中，并与硅的晶格点相适应(即实现替代硅晶格)。这个过程被称为固态扩散。固态扩散需要足够的温度和时间，需要由热处理设备来实现。相关模型在下图中显示。关于热处理设备的分类，有各种各样的方法。首先能想到的是，可以根据是批量式还是单片式这种晶圆处理方式来进行分类。另外，根据热处理的方法，也有三种主要分类。第一种是使用石英炉作为容器并从外面对其加热的热壁式处理方法。这种方法属于批量式。第二种是 RTA(Rapid Thermal Annealinge，快速热退火)方法，即使用红外线灯照射品圆，使其吸收后加热的方法。第三种是激光退火法，即用激光束照射晶圆表面，使其加热熔化的方法。后两种都是单片式的方法。RTA使用红外线(波长800nm以上)是因为品圆很容易吸收红外线的能量，可以很快地被加热，这就是红外线加热的优点，同时也是为什么会有 Rapid 这样的命名了。

离子注入后和加热后的硅结晶

构成要素和其他工艺设备基本相同。不同的是热处理设备有着加热系统和温度监控系统。而且加热系统会因为是批量式还是单片式而有很大的不同，已经属于两个系统了。这里将介绍依据加热方式的设备分类。虽然半导体工艺还有其他各种各样的加热工艺，但是使用的设备基本上是相同的。

二、历史悠久的批量式热处理设备

这部分将介绍一个可以处理大批量晶圆的热壁处理设备。

关于热处理设备

扩散层的形成是通过在晶圆表面形成一层含有杂质的薄膜，然后通过热处理进行固态扩散。所以热处理本身是一种非常传统的工艺。热壁（晶圆通过石英炉的加热被加热。相比之下，只有晶圆被加热的类型被称为冷壁。这种类型用于成膜）设备的配置与成膜设备中描述的热壁减压 CVD设备具有相同构成。当然，它不是用来贴膜的，所以不需要使用和成膜相关联的气体，而是使用氮气或者惰性气体作为包围气体。热壁热处理设备可以一次处理大量的晶圆，但加热的过程是缓慢的，所以每次处理都需要好几个小时。

如下图所示，有两种类型的热壁炉: 卧式炉和立式炉。卧式炉处理150mm 左右的品圆，立式炉处理 200mm 左右的晶圆已成为标配。卧式炉的结构决定了其占地面积会随着品圆直径的增大而变大。还有一些问题，如在装卸晶圆时，外部空气容易进入炉子，当载板接触到石英炉壁时，容易产生颗粒。此外，因为在立式炉中载板可以旋转，所以它能提供更好的工艺均匀性。

批量式热处理设备的概念图

在载板两端的晶圆处理效果很难得到保障，所以一般用虚拟晶圆进行替代。另外，如果同一批次数量不足，也会添加虚拟晶圆充数。通过炉内的晶圆数量始终保持不变，以确保气体流量和加热方式始终相同。

在大多数卧式炉中，通过石英管装载晶圆的过程是半自动的，但在立式炉中其自动化程度越来越高。如下图所示，品圆从石英炉的下方插人炉内，所以设备高度与无尘室天花板的高度可能成为设备布局和产能的瓶颈。

热处理设备的石英炉

顺便提一下，热壁炉已经存在了很长时间，也有许多不同的名称，比如石英炉。它由石英制成一个芯管或电炉，由电加热器进行加热。实际生产中有很多叫法，但它们都是一个东西，需要注意。回到主要问题上，之所以会使用石英，是因为它的高耐热性，而且它的纯度很高。不难想象，一个能够装载100块 300mm晶圆的石英炉将是相当昂贵的。石英炉是由专业石英夹具制造商制造的。

石英炉需要不定时进行清洗，当然，不可能用清洗晶圆的设备来清洗，所以在前段制程品圆厂中需要安装专门的石英炉清洗设备。这样一来，晶圆厂就配备了各种设备来清洗制造设备的夹具和零件。

三、单片式 RTA 设备

用红外线照射硅晶圆，可以迅速加热晶圆。这就是RTA(快速退火)设备的原理。

什么是 RTA 设备?

RTA使用发出红外光的灯具(例如卤素灯)。这样做的好处是，硅元素非常容易吸收红外光，因此整个晶圆的加温会很快。这就是为什么它被称为Rapid。

如上所述，热壁式可以一次加工大量的晶圆，但是很难实现快速加热，一次处理可能需要几个小时。另一方面，RTA 可以在大约10秒钟内加热一个晶圆，一个晶圆的处理包括加热和降温，只需要大约一分钟。下图显示了一个典型的双面加热式的 RTA 设备的概况。从原理就可以看出，这是一个单片式设备。

RTA 热处理设备的概要图

如下图所示，也有单面加热的 RTA 设备。单面加热是为了晶圆加热的均匀性。在高于1000℃时，温度变化即使只有几度，也会在晶圆中诱发晶体缺陷，即所谓的滑移。单面加热的方法则会测量多个点的温度，并反馈到每个区域的灯具功率的输出，以确保晶圆能获得均匀的加热。

单面加热式 RTA 设备的概要

这种方法的优点是可以旋转晶圆，以提高加热的均匀性。能够测量多点的温度是单面加热法的另一个优点。

温度测量

温度测量使用的是高温计(pyrometer)，一种用于高温测量的光学温度计。它可以测量晶圆的热辐射，并将其转换为温度。然而，如果在晶圆表面形成了一层薄膜，晶圆表面的放射率(Emissivity)就会发生变化，导致无法准确测量温度。所以需要在测量中加入一个温度补偿系统。

RTA 设备的灯具

对于RTA设备，需要一个红外灯具。通常情况下，卤素灯是最常见的。灯具可以是管状的，也可以是球状的，但现在大多数是球状的。然而，灯具本身的问题是消耗更多的电力。因为在加热过程中会使用大量的灯具。根据估计，RTA设备的功率可高达数10kW一般认为单片品圆平均下来的运行成本要高于批量式设备。如何降低能耗成为RTA设备的课题。

随着最近LSI的微型化，需要超浅的接合深度，所以使用了氙气闪光灯。这就是所谓的闪光灯退火设备。这样做的好处是，它能瞬间加热晶圆，而传统的红外灯需要几秒钟到十几秒钟来加热晶圆。超快速的加热速度使得超浅层的接合得以实现。

顺便说一句，“junction”一词也许让人联想到线与线之间的连接，如高速公路的交界处，但在英语中它也可以表示表面之间的连接，如pn结合。作为参考，下图中从斜对角的角度显示了 MOS晶体管的结构。

晶体管的接合面

四、最新的激光退火设备

当晶圆被紫外线照射时，紫外线的能量会使晶圆表面熔化。激光退火设备利用这种能量来进行热处理。

什么是激光退火?

激光退火是一种由来已久的方法。这个方法是，通过在石英或玻璃基底的表面形成一层硅薄膜并使其结晶，而不使用晶圆就可以制造硅元件。这个方法被应用于驱动LCD（Liquid Crysta Display(液晶显示器)的缩写。这是一种利用液晶的作用来显示信息的设备。）液晶而使用的 TFT生产，它也作为一种用激光使非品硅结品，以提高性能的技术而幸存下来。然而，当时并没有合适的激光设备可以用于结晶，之后到1976年才考虑将准分子激光器用于实际应用。最近，由于气体激光设备所需体积较大，固体激光设备已被投人使用。下图显示了激光退火的概况。激光源是一种使用紫外线的激光器(400nm 以下的短波长)。紫外线激光器大多是使用惰性气体和卤素气体的准分子激光器(如XeCl 308nm)。作为参考，蓝色激光使用波长为405nm的蓝光，输出功率也不同。蓝色激光器是一种用于复合半导体晶体的固态激光器。准分子激光器通过使用镜子和光学器件来缩小光束，并使能量均匀地照射到晶圆上进行扫描。如图所示，紫外线激光只被硅的最表面吸收，所以只有最表面的部分会被熔化和再结品，从而形成陡峭的杂质分布，这种陡峭的杂质分布就属于和 LSI微型化有关的超浅层接合。

准分子激光退火设备

激光退火设备和 RTA 设备的区别

如上所述，RTA使用红外辐射。这样做的好处是，硅很容易吸收红外线，因此晶圆温度可以迅速提高。此外，由于光源是灯管，可以使用多个灯管，以确保品圆受到均匀的照射。另一方面，激光退火受限于光束的大小，必须在晶圆上进行扫描。下图显示了这种差异。就产量而言，扫描激光退火设备与RTA相比处于劣势，RTA可以成批地进行照射实现热处理。

五、准分子激光源

这里将介绍激光退火设备中使用的准分子激光源。因为它也是用于光刻的光源，同时也会简单地讨论固体激光器的内容。

什么是准分子激光器?

Exeimer 是“Excited Dimer”的缩写，直接翻译为处于激发状态的双原子。这两个原子是一个惰性气体原子和一个卤素原子。顾名思义，惰性气体不具有反应性，不会与其他原子发生反应，但当它们被放电激发为离子状态时，就会变成准分子，而准分子只在激发状态下可以与卤素原子结合。这种准分子的寿命很短，会发出紫外线并返回到基态，成为原来的惰性气体原子和卤素原子，如下图所示。从能量平衡的角度来看，可以说放电的电能被转化为光能。准分子激光器使用的就是这种紫外线（这种紫外线的波长比普通紫外线(Ulra Violet)的波长短，因此在光刻领域通常被称为 DUV(DeepUV)。

准分子激光的原理

为了长期使用这种设备，就需要维持放电的状态。实际的准分子激光设备使用预放电来启动和维持放电，这是一个复杂的过程，不仅涉及放电，还涉及光轴的对准和调整，以及气流的安装。

1970年，第一台准分子激光器在实验中振荡成功，1976年，XeF(波长351nm)准分子激光器振荡成功，据说这次成功激发了工业应用。使用气体激光器的原因是可以根据所使用的气体类型来选择振荡的波长。然而，激光器中的气体也是有使用寿命的，所以需要定期更换气体。不过这与本章所述的激光退火系统关系不大，光刻设备中介绍的曝光光源有308nm的XeCl，248nm的KrF，193nm的 ArF等，应该注意的是，用于激光退火的激光的功率密度与用于光刻的激光（Laser:Light Amplification by Stimulated Emissin of Radiation 的缩写）的功率密度是不同的。

通往设备的激光路径

下图是一个从准分子激光器到晶圆的路径的一个例子。激光束由一个镜子送入光束形成系统，也叫作光束均质器。它使用复杂的透镜和狭缝组合，将激光束塑造成一个均匀的形状，并改善光束内的能量均匀性。光束内能量的均匀性对热处理过程至关重要。光束的形状可以是线性或平面的。然后，成形的光束被镜子引导到工艺室中的晶圆上。

准分子激光退火设备的概要

什么是固体激光器?

如上所述，属于气体激光器的准分子激光器可以产生高功率的激光，但它们需要大量的时间和精力来更换气体等。最近，人们考虑使用固体激光器的激光退火设备。例如，固体激光器通过向(下图所示)半导体晶体施加电压而产生激光振荡。由于单个固体激光器的输出功率不足，目前正在开发一种使用多个激光器的退火设备。

固体激光振荡的原理

参考文献：

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