半导体制造装备系列(10)-热处置惩罚装备

在半导体工艺中，热处置惩罚是不可或缺的主要工艺之一
。热处置惩罚历程是指将晶圆安排在充满特定气体的情形中对其施加热能的历程，包括氧化/扩散/退火等
。

热处置惩罚应用：

热处置惩罚装备主要应用于氧化、扩散、退火以及合金四类工艺
。

1、氧化（Oxidation）是将硅片安排于氧气或水汽等氧化剂的气氛中举行高温热处置惩罚，在硅片外貌爆发化学反应形成氧化膜的历程，是集成电路工艺中应用较普遍的基础工艺之一
。氧化膜的用途普遍，可作为离子注入的阻挡层及注入穿透层（损伤缓冲层）、外貌钝化、绝缘栅质料以及器件；げ恪⒏衾氩恪⑵骷结构的介质层等
。

图1：氧化原理图

2、扩散(Diffusion)是在高温条件下，使用热扩散原理将杂质元素按工艺要求掺入硅衬底中，使其具有特定的浓度漫衍，抵达改变质料的电学特征，形成半导体器件结构的目的
。在硅集成电路工艺中，扩散工艺用于制作PN结或组成集成电路中的电阻、电容、互连布线、二极管和晶体管等器件
。

3、退火(Anneal)也叫热退火，集成电路工艺中所有在氮气等不生动气氛中举行热处置惩罚的历程都可称为退火，其作用主要是消除晶格缺陷和消除硅结构的晶格损伤
。

图2：扩散/退火原理图

4、合金（Alloy）是为了使金属（Al和Cu）和硅基形成优异的基础，以及稳固Cu配线的结晶结构并去除杂质，从而提高配线的可靠性，通常需要把硅片安排在惰性气体或氩气的情形中举行低温热处置惩罚
。

热处置惩罚装备分类：

凭证装备形态划分，热处置惩罚装备可以分为立式炉、卧式炉以及快速热处置惩罚炉(Rapid Thermal Processing，RTP)
。

1、立式炉：立式炉的主要控制系统分为五部分：炉管、硅片传输系统、气体分派系统、尾气系统、控制系统
。炉管是对硅片加热的场合，由笔直的石英钟罩、多区加热电阻丝和加热管套组成
。硅片传输系统的主要功效是在炉管中装卸硅片，硅片装卸由自念头械完成，自念头械在片架台、炉台、装片台、冷却台之间运动
。气体分派系统将准确的气撒播送到炉管，维持炉内的气氛
。尾气系统位于炉管一端的通孔，用来彻底扫除气体及其副产品
？刂葡低常ㄎ⒖刂破鳎┛刂谱怕拥乃胁僮，包括工艺时间和温度控制、工艺办法的顺序、气体种类、气流速率、升降温的速率、装卸硅片等，每个微控制器都是一台主盘算机的接口
。与卧式炉相比，立式炉镌汰占地面积，并可以更好地控制温度和匀称性
。

2、、卧式炉：其石英管是水平安排的，用来安排和加热硅片
。其主要控制系统和立式炉一样分为5个部分
。

图3：立式炉系统示意图

3、快速热处置惩罚炉（ RTP )：快速升温炉（ RTP ）是一种小型的快速加热系统，使用卤素红外灯作为热源，能迅速将硅片温度升到加工温度，镌汰工艺稳固需要的时间，工艺竣事后快速冷却
。相比古板立式炉，快速升温炉（ RTP ）的温度控制更先进，主要差别在于其快速升温原件、特殊的硅片装载装置、强迫空气冷却和更好的温度控制器
。其中特殊的硅片装载装置加大了硅片之间的逍遥，使得硅片间更匀称地加热或冷却
。古板立式炉的温度丈量和控制使用热电偶，快速升温炉（ RTP ）使用？槭轿露瓤刂，允许控制对硅片单独加热和冷却，而不但是控制炉内的气氛
。别的，在大批量硅片（150-200片）和升温速率之间保存折中，快速升温炉（ RTP ）适用于较小批量（50-100片）提高升温速率，由于同时处置惩罚的硅片变少了，这种小批量还能改善工艺中的局部气流
。

图4：RTP示意图

热处置惩罚装备市场规模：

凭证 Gartner 数据， 2020 年全球热处置惩罚装备市场规模 15.37 亿美元， 其中快速热处置惩罚装备7.19 亿美元， 占比 46.8%， 氧化/扩散炉 5.52 亿美元， 占比 35.9%， 栅极堆叠装备 2.66 亿美元，占比 17.3%
。

图5：全球热处置惩罚装备市场规模（亿美元）

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