一、什么是熱處理設(shè)備?

正如離子注入設(shè)備所述，加速離子轟擊影響擾亂了離子注入后的硅的結(jié)晶性質(zhì)。因此，有必要恢復(fù)結(jié)晶度。所以用于晶體恢復(fù)的熱處理設(shè)備是不可或缺的。

什么是晶體恢復(fù)熱處理設(shè)備?

當(dāng)離子被注入晶圓時，硅晶體的晶格被離子的沖擊擾亂，而且注入的雜質(zhì)原子并不能替代硅晶格。何為替代硅晶格可參考下圖。

硅晶體的晶格被注入離子替換的例子

在晶圓初次被摻入雜質(zhì)時的狀態(tài)為“激活”晶體的恢復(fù)需要通過加熱的方式讓雜質(zhì)原子轉(zhuǎn)移到硅單晶中，并與硅的晶格點相適應(yīng)(即實現(xiàn)替代硅晶格)。這個過程被稱為固態(tài)擴散。固態(tài)擴散需要足夠的溫度和時間，需要由熱處理設(shè)備來實現(xiàn)。相關(guān)模型在下圖中顯示。關(guān)于熱處理設(shè)備的分類，有各種各樣的方法。首先能想到的是，可以根據(jù)是批量式還是單片式這種晶圓處理方式來進行分類。另外，根據(jù)熱處理的方法，也有三種主要分類。第一種是使用石英爐作為容器并從外面對其加熱的熱壁式處理方法。這種方法屬于批量式。第二種是 RTA(Rapid Thermal Annealinge，快速熱退火)方法，即使用紅外線燈照射品圓，使其吸收后加熱的方法。第三種是激光退火法，即用激光束照射晶圓表面，使其加熱熔化的方法。后兩種都是單片式的方法。RTA使用紅外線(波長800nm以上)是因為品圓很容易吸收紅外線的能量，可以很快地被加熱，這就是紅外線加熱的優(yōu)點，同時也是為什么會有 Rapid 這樣的命名了。

離子注入后和加熱后的硅結(jié)晶

構(gòu)成要素和其他工藝設(shè)備基本相同。不同的是熱處理設(shè)備有著加熱系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)。而且加熱系統(tǒng)會因為是批量式還是單片式而有很大的不同，已經(jīng)屬于兩個系統(tǒng)了。這里將介紹依據(jù)加熱方式的設(shè)備分類。雖然半導(dǎo)體工藝還有其他各種各樣的加熱工藝，但是使用的設(shè)備基本上是相同的。

二、歷史悠久的批量式熱處理設(shè)備

這部分將介紹一個可以處理大批量晶圓的熱壁處理設(shè)備。

關(guān)于熱處理設(shè)備

擴散層的形成是通過在晶圓表面形成一層含有雜質(zhì)的薄膜，然后通過熱處理進行固態(tài)擴散。所以熱處理本身是一種非常傳統(tǒng)的工藝。熱壁（晶圓通過石英爐的加熱被加熱。相比之下，只有晶圓被加熱的類型被稱為冷壁。這種類型用于成膜）設(shè)備的配置與成膜設(shè)備中描述的熱壁減壓 CVD設(shè)備具有相同構(gòu)成。當(dāng)然，它不是用來貼膜的，所以不需要使用和成膜相關(guān)聯(lián)的氣體，而是使用氮氣或者惰性氣體作為包圍氣體。熱壁熱處理設(shè)備可以一次處理大量的晶圓，但加熱的過程是緩慢的，所以每次處理都需要好幾個小時。

如下圖所示，有兩種類型的熱壁爐: 臥式爐和立式爐。臥式爐處理150mm 左右的品圓，立式爐處理 200mm 左右的晶圓已成為標(biāo)配。臥式爐的結(jié)構(gòu)決定了其占地面積會隨著品圓直徑的增大而變大。還有一些問題，如在裝卸晶圓時，外部空氣容易進入爐子，當(dāng)載板接觸到石英爐壁時，容易產(chǎn)生顆粒。此外，因為在立式爐中載板可以旋轉(zhuǎn)，所以它能提供更好的工藝均勻性。

批量式熱處理設(shè)備的概念圖

在載板兩端的晶圓處理效果很難得到保障，所以一般用虛擬晶圓進行替代。另外，如果同一批次數(shù)量不足，也會添加虛擬晶圓充數(shù)。通過爐內(nèi)的晶圓數(shù)量始終保持不變，以確保氣體流量和加熱方式始終相同。

在大多數(shù)臥式爐中，通過石英管裝載晶圓的過程是半自動的，但在立式爐中其自動化程度越來越高。如下圖所示，品圓從石英爐的下方插人爐內(nèi)，所以設(shè)備高度與無塵室天花板的高度可能成為設(shè)備布局和產(chǎn)能的瓶頸。

熱處理設(shè)備的石英爐

順便提一下，熱壁爐已經(jīng)存在了很長時間，也有許多不同的名稱，比如石英爐。它由石英制成一個芯管或電爐，由電加熱器進行加熱。實際生產(chǎn)中有很多叫法，但它們都是一個東西，需要注意。回到主要問題上，之所以會使用石英，是因為它的高耐熱性，而且它的純度很高。不難想象，一個能夠裝載100塊 300mm晶圓的石英爐將是相當(dāng)昂貴的。石英爐是由專業(yè)石英夾具制造商制造的。

石英爐需要不定時進行清洗，當(dāng)然，不可能用清洗晶圓的設(shè)備來清洗，所以在前段制程品圓廠中需要安裝專門的石英爐清洗設(shè)備。這樣一來，晶圓廠就配備了各種設(shè)備來清洗制造設(shè)備的夾具和零件。

三、單片式 RTA 設(shè)備

用紅外線照射硅晶圓，可以迅速加熱晶圓。這就是RTA(快速退火)設(shè)備的原理。

什么是 RTA 設(shè)備?

RTA使用發(fā)出紅外光的燈具(例如鹵素?zé)?。這樣做的好處是，硅元素非常容易吸收紅外光，因此整個晶圓的加溫會很快。這就是為什么它被稱為Rapid。

如上所述，熱壁式可以一次加工大量的晶圓，但是很難實現(xiàn)快速加熱，一次處理可能需要幾個小時。另一方面，RTA 可以在大約10秒鐘內(nèi)加熱一個晶圓，一個晶圓的處理包括加熱和降溫，只需要大約一分鐘。下圖顯示了一個典型的雙面加熱式的 RTA 設(shè)備的概況。從原理就可以看出，這是一個單片式設(shè)備。

RTA 熱處理設(shè)備的概要圖

如下圖所示，也有單面加熱的 RTA 設(shè)備。單面加熱是為了晶圓加熱的均勻性。在高于1000℃時，溫度變化即使只有幾度，也會在晶圓中誘發(fā)晶體缺陷，即所謂的滑移。單面加熱的方法則會測量多個點的溫度，并反饋到每個區(qū)域的燈具功率的輸出，以確保晶圓能獲得均勻的加熱。

單面加熱式 RTA 設(shè)備的概要

這種方法的優(yōu)點是可以旋轉(zhuǎn)晶圓，以提高加熱的均勻性。能夠測量多點的溫度是單面加熱法的另一個優(yōu)點。

溫度測量

溫度測量使用的是高溫計(pyrometer)，一種用于高溫測量的光學(xué)溫度計。它可以測量晶圓的熱輻射，并將其轉(zhuǎn)換為溫度。然而，如果在晶圓表面形成了一層薄膜，晶圓表面的放射率(Emissivity)就會發(fā)生變化，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測量溫度。所以需要在測量中加入一個溫度補償系統(tǒng)。

RTA 設(shè)備的燈具

對于RTA設(shè)備，需要一個紅外燈具。通常情況下，鹵素?zé)羰亲畛Ｒ姷?。燈具可以是管狀的，也可以是球狀的，但現(xiàn)在大多數(shù)是球狀的。然而，燈具本身的問題是消耗更多的電力。因為在加熱過程中會使用大量的燈具。根據(jù)估計，RTA設(shè)備的功率可高達數(shù)10kW一般認(rèn)為單片品圓平均下來的運行成本要高于批量式設(shè)備。如何降低能耗成為RTA設(shè)備的課題。

隨著最近LSI的微型化，需要超淺的接合深度，所以使用了氙氣閃光燈。這就是所謂的閃光燈退火設(shè)備。這樣做的好處是，它能瞬間加熱晶圓，而傳統(tǒng)的紅外燈需要幾秒鐘到十幾秒鐘來加熱晶圓。超快速的加熱速度使得超淺層的接合得以實現(xiàn)。

順便說一句，“junction”一詞也許讓人聯(lián)想到線與線之間的連接，如高速公路的交界處，但在英語中它也可以表示表面之間的連接，如pn結(jié)合。作為參考，下圖中從斜對角的角度顯示了 MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。

晶體管的接合面

四、最新的激光退火設(shè)備

當(dāng)晶圓被紫外線照射時，紫外線的能量會使晶圓表面熔化。激光退火設(shè)備利用這種能量來進行熱處理。

什么是激光退火?

激光退火是一種由來已久的方法。這個方法是，通過在石英或玻璃基底的表面形成一層硅薄膜并使其結(jié)晶，而不使用晶圓就可以制造硅元件。這個方法被應(yīng)用于驅(qū)動LCD（Liquid Crysta Display(液晶顯示器)的縮寫。這是一種利用液晶的作用來顯示信息的設(shè)備。）液晶而使用的 TFT生產(chǎn)，它也作為一種用激光使非品硅結(jié)品，以提高性能的技術(shù)而幸存下來。然而，當(dāng)時并沒有合適的激光設(shè)備可以用于結(jié)晶，之后到1976年才考慮將準(zhǔn)分子激光器用于實際應(yīng)用。最近，由于氣體激光設(shè)備所需體積較大，固體激光設(shè)備已被投人使用。下圖顯示了激光退火的概況。激光源是一種使用紫外線的激光器(400nm 以下的短波長)。紫外線激光器大多是使用惰性氣體和鹵素氣體的準(zhǔn)分子激光器(如XeCl 308nm)。作為參考，藍色激光使用波長為405nm的藍光，輸出功率也不同。藍色激光器是一種用于復(fù)合半導(dǎo)體晶體的固態(tài)激光器。準(zhǔn)分子激光器通過使用鏡子和光學(xué)器件來縮小光束，并使能量均勻地照射到晶圓上進行掃描。如圖所示，紫外線激光只被硅的最表面吸收，所以只有最表面的部分會被熔化和再結(jié)品，從而形成陡峭的雜質(zhì)分布，這種陡峭的雜質(zhì)分布就屬于和 LSI微型化有關(guān)的超淺層接合。

準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備

激光退火設(shè)備和 RTA 設(shè)備的區(qū)別

如上所述，RTA使用紅外輻射。這樣做的好處是，硅很容易吸收紅外線，因此晶圓溫度可以迅速提高。此外，由于光源是燈管，可以使用多個燈管，以確保品圓受到均勻的照射。另一方面，激光退火受限于光束的大小，必須在晶圓上進行掃描。下圖顯示了這種差異。就產(chǎn)量而言，掃描激光退火設(shè)備與RTA相比處于劣勢，RTA可以成批地進行照射實現(xiàn)熱處理。

五、準(zhǔn)分子激光源

這里將介紹激光退火設(shè)備中使用的準(zhǔn)分子激光源。因為它也是用于光刻的光源，同時也會簡單地討論固體激光器的內(nèi)容。

什么是準(zhǔn)分子激光器?

Exeimer 是“Excited Dimer”的縮寫，直接翻譯為處于激發(fā)狀態(tài)的雙原子。這兩個原子是一個惰性氣體原子和一個鹵素原子。顧名思義，惰性氣體不具有反應(yīng)性，不會與其他原子發(fā)生反應(yīng)，但當(dāng)它們被放電激發(fā)為離子狀態(tài)時，就會變成準(zhǔn)分子，而準(zhǔn)分子只在激發(fā)狀態(tài)下可以與鹵素原子結(jié)合。這種準(zhǔn)分子的壽命很短，會發(fā)出紫外線并返回到基態(tài)，成為原來的惰性氣體原子和鹵素原子，如下圖所示。從能量平衡的角度來看，可以說放電的電能被轉(zhuǎn)化為光能。準(zhǔn)分子激光器使用的就是這種紫外線（這種紫外線的波長比普通紫外線(Ulra Violet)的波長短，因此在光刻領(lǐng)域通常被稱為 DUV(DeepUV)。

準(zhǔn)分子激光的原理

為了長期使用這種設(shè)備，就需要維持放電的狀態(tài)。實際的準(zhǔn)分子激光設(shè)備使用預(yù)放電來啟動和維持放電，這是一個復(fù)雜的過程，不僅涉及放電，還涉及光軸的對準(zhǔn)和調(diào)整，以及氣流的安裝。

1970年，第一臺準(zhǔn)分子激光器在實驗中振蕩成功，1976年，XeF(波長351nm)準(zhǔn)分子激光器振蕩成功，據(jù)說這次成功激發(fā)了工業(yè)應(yīng)用。使用氣體激光器的原因是可以根據(jù)所使用的氣體類型來選擇振蕩的波長。然而，激光器中的氣體也是有使用壽命的，所以需要定期更換氣體。不過這與本章所述的激光退火系統(tǒng)關(guān)系不大，光刻設(shè)備中介紹的曝光光源有308nm的XeCl，248nm的KrF，193nm的 ArF等，應(yīng)該注意的是，用于激光退火的激光的功率密度與用于光刻的激光（Laser:Light Amplification by Stimulated Emissin of Radiation 的縮寫）的功率密度是不同的。

通往設(shè)備的激光路徑

下圖是一個從準(zhǔn)分子激光器到晶圓的路徑的一個例子。激光束由一個鏡子送入光束形成系統(tǒng)，也叫作光束均質(zhì)器。它使用復(fù)雜的透鏡和狹縫組合，將激光束塑造成一個均勻的形狀，并改善光束內(nèi)的能量均勻性。光束內(nèi)能量的均勻性對熱處理過程至關(guān)重要。光束的形狀可以是線性或平面的。然后，成形的光束被鏡子引導(dǎo)到工藝室中的晶圓上。

準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備的概要

什么是固體激光器?

如上所述，屬于氣體激光器的準(zhǔn)分子激光器可以產(chǎn)生高功率的激光，但它們需要大量的時間和精力來更換氣體等。最近，人們考慮使用固體激光器的激光退火設(shè)備。例如，固體激光器通過向(下圖所示)半導(dǎo)體晶體施加電壓而產(chǎn)生激光振蕩。由于單個固體激光器的輸出功率不足，目前正在開發(fā)一種使用多個激光器的退火設(shè)備。

固體激光振蕩的原理

參考文獻：

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