快速热处理
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5.2 高强度光源和反应腔设计
RTP 设备的加热元件大部分采用钨-卤灯或惰 性气体长弧放电灯，一般充氪或氙。 用灯光加热有明显的好处： 1.无污染，主要利用辐射； 2.可以快速升、降温； 3.省电，无电阻元件； 4.体积小。
高强度光源和加热腔体设计
钨卤灯:Halogen lamp， 白炽灯的加强版 与白炽灯的区别 钨卤灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或溴) 其工作原理为
引入，快速热处理，RTP, Rapid Thermal Processing
降低温度和缩短时间，或者只缩短时间（快速） 离子注入后 杂质激活 晶格损伤修复
2
本章的两个关键问题
1. 温度的均匀性
晶圆片加热、冷却过程中，如何保持温度均匀
2. 晶圆片温度的测量 RTP 升温速度有多快
Rapid thermal processing (RTP) provides a way to rapidly heat wafers to an elevated temperature to perform relatively short processes, typically less than 1-2 minutes. up to 1,200oC or greater, at the rate of 20250oC/sec
3
快速热处理最初的开发是用于离子注入 后的退火，现在已扩展到氧化、化学汽相 淀积、外延、硅化物生长等。
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4
快速热处理的分类
根据加热类型进行分类 绝热型、热流型、等温型 绝热型：宽束相干光源，如准分子激光器 加热时间最短 温度、退火时间难于控制，纵向的温度梯度大，成 本高 热流型：高强度点光源，如电子束、聚焦激光 对晶圆片扫描加热，横向温度不均匀，不适用于IC 等温型：宽束辐射加热，采用非相干光源，如钨-卤灯 加热数秒，横向、纵向的温度梯度都很小 现行的商用RTP都采用这种类型，本章重点介绍
问题引出
问题：杂质在高温下再分布，如何解决？
方案一：降低温度，减小扩散; 方案二：缩短保温时间，减小扩散
方案一，降低温度
矛盾1：离子注入后，为消除晶格损伤，需要高温，低温效果不好 矛盾2：为完全激活杂质，需要高温1000℃退火 因此，不得不使用高温
方案二，缩短保温时间
升温、降温速率的考量 传统的管式加热，从外向内，温度变化太快，形成温度梯度很大， 容易导致晶圆片翘曲，所以需要缓慢升温和降温→导致明显扩散 因此，不但要缩短保温时间，还要减小升温、降温时间
热辐射
黑体热辐射的辐出度有普朗克辐射定律确定：
M λ (T) ε(λ)
c1
λ 5 (ec2 / λT 1)
式中，（）是黑体的辐射率，c1=3.714210-16 Wm2，为第一辐射常数；c2=1.438810-2mK为第 二辐射常数。对绝对黑体 =1， 0< <1 为灰体。 总的辐出度有斯忒潘-波尔兹蔓公式给出： = 5.6710-8W/cm2K4 为波尔兹曼常数，可见，热辐 射比热传导对温度的依赖高三个数量级。高温下，热 辐射是主要传热机制，也是RTP的主要传热机制。
q(T) Βιβλιοθήκη Baidu kth (T)AT
kth是材料的热导率
快速热处理中，大部分光能由硅片表面几微米内吸 收，然后由热传导进入深处。另外，当考虑气体中的 热传导时要把气流考虑进去。这种由外加气压梯度造 成的气流热传导成为强制热流。有效传热量为： T--远离硅片的气温；
q h(T T )
h—有效传热系数
北极狐
北极狐
主要内容
5.1 灰体辐射、热交换和热吸收；
5.2 高强度光源和反应腔设计；
5.3 温度均匀性；
5.4 热塑应力；
5.5 几种典型的RTP工艺应用; 5.6 其他快速热处理系统.
5.1 灰体辐射、热交换和热吸收
半导体工艺过程中有意义的四种传热方式为：热 传导、热对流、强制热流和热辐射。当一段静止的 气体或液体，截面积为A，流过它的热量为：
M(T) εσT
4
净传输能量计算
辐射能量最大处的波长可由下式给出： b 0.2898(cm K) λT b λmax T T 可以利用上式由辐射波长确定RTP的温度。 当辐射入射圆片表面时，可发生反射、吸收或透 射。若（，T）为反射率，（，T）为透射率， 则根据基尔霍夫定律，能量吸收率为： 对不透明材料， （，T）=0，有： ε(λ,T) 1 ρ(λ,T) 当知道两个物体的辐射率，就可计算它们之间的净传 输能量： 4 4
当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近 玻璃管壁时，钨蒸气被冷却到大约800℃并和卤素原子结合在一 起，形成卤化钨(碘化钨或溴化钨)。 卤化钨因热流向玻璃管中央继续移动，又重新回到被氧化的灯 丝上，由于卤化钨是一种很不稳定的化合物，其遇热后又会重 新分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被 蒸发掉的部分。 通过这种再生循环过程，灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长( 几乎是白炽灯的4倍)，同时由于灯丝可以工作在更高温度下， 从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。
ε(λ,T) 1 ρ(λ,T) τ(λ,T)
s q 12 q 21 σ(ε1T1 ε2T2 )A1 FA1 A2
式中，A1、A2分别为物体1，2的面积，FA1-A2是位置 因子，即表面A2对着A1的全部立体角的百分比：
FA1 A2
1 A1
cosβ1cosβ2 2 π r A2 A1
快速热处理
集成电路制造工艺的某些工序需要高温，如扩 散、氧化、离子注入后的退火、薄膜淀积等。 但是高温会使已经进入硅片的杂质发生不希望的 再分布，对小尺寸器件的影响特别严重。 减小杂质再分布的方法是快速热处理，即在极短 的时间内使硅片表面加热到极高的温度，从而在 较短的时间（10–3 ~ 102 s）内完成热处理。
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高强度光源和加热腔体设计
5.2 高强度光源和反应腔设计
RTP 设备的加热元件大部分采用钨-卤灯或惰 性气体长弧放电灯，一般充氪或氙。 用灯光加热有明显的好处： 1.无污染，主要利用辐射； 2.可以快速升、降温； 3.省电，无电阻元件； 4.体积小。
高强度光源和加热腔体设计
钨卤灯:Halogen lamp， 白炽灯的加强版 与白炽灯的区别 钨卤灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或溴) 其工作原理为
引入，快速热处理，RTP, Rapid Thermal Processing
降低温度和缩短时间，或者只缩短时间（快速） 离子注入后 杂质激活 晶格损伤修复
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本章的两个关键问题
1. 温度的均匀性
晶圆片加热、冷却过程中，如何保持温度均匀
2. 晶圆片温度的测量 RTP 升温速度有多快
Rapid thermal processing (RTP) provides a way to rapidly heat wafers to an elevated temperature to perform relatively short processes, typically less than 1-2 minutes. up to 1,200oC or greater, at the rate of 20250oC/sec
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快速热处理最初的开发是用于离子注入 后的退火，现在已扩展到氧化、化学汽相 淀积、外延、硅化物生长等。
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快速热处理的分类
根据加热类型进行分类 绝热型、热流型、等温型 绝热型：宽束相干光源，如准分子激光器 加热时间最短 温度、退火时间难于控制，纵向的温度梯度大，成 本高 热流型：高强度点光源，如电子束、聚焦激光 对晶圆片扫描加热，横向温度不均匀，不适用于IC 等温型：宽束辐射加热，采用非相干光源，如钨-卤灯 加热数秒，横向、纵向的温度梯度都很小 现行的商用RTP都采用这种类型，本章重点介绍
问题引出
问题：杂质在高温下再分布，如何解决？
方案一：降低温度，减小扩散; 方案二：缩短保温时间，减小扩散
方案一，降低温度
矛盾1：离子注入后，为消除晶格损伤，需要高温，低温效果不好 矛盾2：为完全激活杂质，需要高温1000℃退火 因此，不得不使用高温
方案二，缩短保温时间
升温、降温速率的考量 传统的管式加热，从外向内，温度变化太快，形成温度梯度很大， 容易导致晶圆片翘曲，所以需要缓慢升温和降温→导致明显扩散 因此，不但要缩短保温时间，还要减小升温、降温时间
热辐射
黑体热辐射的辐出度有普朗克辐射定律确定：
M λ (T) ε(λ)
c1
λ 5 (ec2 / λT 1)
式中，（）是黑体的辐射率，c1=3.714210-16 Wm2，为第一辐射常数；c2=1.438810-2mK为第 二辐射常数。对绝对黑体 =1， 0< <1 为灰体。 总的辐出度有斯忒潘-波尔兹蔓公式给出： = 5.6710-8W/cm2K4 为波尔兹曼常数，可见，热辐 射比热传导对温度的依赖高三个数量级。高温下，热 辐射是主要传热机制，也是RTP的主要传热机制。
q(T) Βιβλιοθήκη Baidu kth (T)AT
kth是材料的热导率
快速热处理中，大部分光能由硅片表面几微米内吸 收，然后由热传导进入深处。另外，当考虑气体中的 热传导时要把气流考虑进去。这种由外加气压梯度造 成的气流热传导成为强制热流。有效传热量为： T--远离硅片的气温；
q h(T T )
h—有效传热系数
北极狐
北极狐
主要内容
5.1 灰体辐射、热交换和热吸收；
5.2 高强度光源和反应腔设计；
5.3 温度均匀性；
5.4 热塑应力；
5.5 几种典型的RTP工艺应用; 5.6 其他快速热处理系统.
5.1 灰体辐射、热交换和热吸收
半导体工艺过程中有意义的四种传热方式为：热 传导、热对流、强制热流和热辐射。当一段静止的 气体或液体，截面积为A，流过它的热量为：
M(T) εσT
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净传输能量计算
辐射能量最大处的波长可由下式给出： b 0.2898(cm K) λT b λmax T T 可以利用上式由辐射波长确定RTP的温度。 当辐射入射圆片表面时，可发生反射、吸收或透 射。若（，T）为反射率，（，T）为透射率， 则根据基尔霍夫定律，能量吸收率为： 对不透明材料， （，T）=0，有： ε(λ,T) 1 ρ(λ,T) 当知道两个物体的辐射率，就可计算它们之间的净传 输能量： 4 4
当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近 玻璃管壁时，钨蒸气被冷却到大约800℃并和卤素原子结合在一 起，形成卤化钨(碘化钨或溴化钨)。 卤化钨因热流向玻璃管中央继续移动，又重新回到被氧化的灯 丝上，由于卤化钨是一种很不稳定的化合物，其遇热后又会重 新分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被 蒸发掉的部分。 通过这种再生循环过程，灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长( 几乎是白炽灯的4倍)，同时由于灯丝可以工作在更高温度下， 从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。
ε(λ,T) 1 ρ(λ,T) τ(λ,T)
s q 12 q 21 σ(ε1T1 ε2T2 )A1 FA1 A2
式中，A1、A2分别为物体1，2的面积，FA1-A2是位置 因子，即表面A2对着A1的全部立体角的百分比：
FA1 A2
1 A1
cosβ1cosβ2 2 π r A2 A1
快速热处理
集成电路制造工艺的某些工序需要高温，如扩 散、氧化、离子注入后的退火、薄膜淀积等。 但是高温会使已经进入硅片的杂质发生不希望的 再分布，对小尺寸器件的影响特别严重。 减小杂质再分布的方法是快速热处理，即在极短 的时间内使硅片表面加热到极高的温度，从而在 较短的时间（10–3 ~ 102 s）内完成热处理。
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高强度光源和加热腔体设计