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引言
? ? ? 在半導(dǎo)體熱處理應(yīng)用中，批處理在工業(yè)的早期階段被采用，并且仍然非常流行。我們研究了直徑為200毫米和300毫米的硅(100)晶片在單晶片爐中高溫快速熱處理過程中的熱行為，該熱行為是溫度、壓力、處理時(shí)間、晶片處理方法和速度的函數(shù)。在晶片溫度上升期間觀察到顯著的彈性晶片形狀變形。在1050℃以上處理的晶片中經(jīng)常觀察到滑移的產(chǎn)生。使用光學(xué)顯微鏡和x光形貌來表征在RTP期間產(chǎn)生的晶體缺陷的尺寸、形狀和空間分布。發(fā)現(xiàn)在給定的工藝條件下，晶片處理方法和速度對(duì)于減少RTP期間的缺陷產(chǎn)生非常重要。通過優(yōu)化晶片處理方法和速度，在1100℃下處理的200毫米和300毫米直徑的硅(100)晶片中獲得了高度可再現(xiàn)的、無滑動(dòng)的實(shí)時(shí)處理結(jié)果。
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實(shí)驗(yàn)
? ? ? 用大尺寸(直徑200 mm和300mm)Si(100)晶片在預(yù)熱的SWF處理室中在800–1150℃的溫度范圍內(nèi)退火。眾所周知，si晶片的機(jī)械強(qiáng)度受雜質(zhì)類型和濃度的強(qiáng)烈影響。詳細(xì)研究并發(fā)表了硅中氧和硼對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的影響。在本方法中，使用低氧濃度的硅晶片作為對(duì)照樣品。硅晶片在退火過程中產(chǎn)生的晶體缺陷通過視覺檢測(cè)和光學(xué)顯微鏡作為溫度、壓力、處理時(shí)間、晶片處理方法和速度的函數(shù)進(jìn)行研究。
? ? ? 對(duì)于200毫米直徑的硅晶片，使用60秒的固定單位處理時(shí)間。總處理時(shí)間通過重復(fù)60 s單位處理而變化。晶片被重復(fù)處理1到10次，以研究硅晶片的熱行為和缺陷產(chǎn)生機(jī)制。對(duì)于300毫米直徑的硅晶片，由于與200毫米直徑的硅晶片相比晶片溫度上升速率較慢，單位處理時(shí)間在60秒和300秒之間變化。熱處理后，使用肉眼、光學(xué)顯微鏡和偏振紅外顯微鏡進(jìn)行視覺檢查。沒有可見缺陷的晶片通過x光形貌來表征。表征了RTP過程中產(chǎn)生的晶體缺陷的尺寸、形狀和空間分布。
? ? ? 在本方法中使用的SWF系統(tǒng)中，處理室保持在預(yù)定溫度。晶片被移入和移出預(yù)熱的處理室，而不是直接控制晶片溫度。SWF處理室由透明石英反應(yīng)器、碳化硅腔體、加熱器組件和鋁外殼組成。由于處理室由石英制成，該系統(tǒng)可用于氧化和退火。
? ? ? 晶片是用一個(gè)連接在三軸機(jī)器人上的透明石英末端執(zhí)行器來處理的。晶片處理順序如圖1所示。具體如下：(1)晶片處理機(jī)器人拾取晶片，(2)處理室閘閥打開，(3)機(jī)器人將晶片進(jìn)入預(yù)熱的處理室，(4)機(jī)器人將晶片放置在支座上，(5)機(jī)器人離開處理室，(6)閘閥關(guān)閉，(7)晶片在給定的處理時(shí)間內(nèi)留在處理室中，(8)閘閥打開，(9)機(jī)器人進(jìn)入處理室，(10)機(jī)器人拾取處理過的晶片， (11)機(jī)器人在處理溫度下從處理室中取出晶片，(12)閘閥關(guān)閉，(13)晶片在石英末端執(zhí)行器上自然冷卻。在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，晶片經(jīng)過熱處理后放置在冷卻站，使晶圓快速冷卻。機(jī)器人將加工過的晶圓從處理室轉(zhuǎn)移到冷卻站需要5秒。在1100℃下從工藝室卸載的晶片通過輻射和對(duì)流快速冷卻。對(duì)于直徑為200mm和300mm的硅晶圓，晶片溫度在5秒內(nèi)遠(yuǎn)低于900℃，這不是本研究中關(guān)注的溫度范圍。因此，在本方法中，所有的晶片都通過自然輻射和對(duì)流在端效應(yīng)器上冷卻。
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圖1 晶圓處理順序示意圖
結(jié)果和討論
? ? ? 200毫米直徑硅片的快速熱處理：圖2示出了直徑為200毫米的硅晶片在上升、處理和下降過程中的溫度分布，以及在上升過程中晶片的側(cè)視圖照片和退火后晶片移除過程中晶片的俯視照片。當(dāng)在冷卻站中進(jìn)行冷卻時(shí)，從1100℃的晶片回收開始，晶片溫度在不到60秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到60℃。由于晶片溫度在1100℃下在20秒內(nèi)飽和，因此選擇60秒的單位處理時(shí)間來避免與處理時(shí)間相關(guān)的晶片溫度變化。
? ? ? 圖2(b)示出了在晶片溫度上升期間從閘閥端口看到的在1100℃下處理室中晶片的時(shí)間流逝側(cè)視圖。由于晶片溫度上升期間的這種溫度不均勻性，晶片顯著變形。處理室溫度越高，彈性變形越大。由于晶片內(nèi)的熱傳導(dǎo)，當(dāng)晶片溫度在處理室溫度附近飽和時(shí)，晶片溫度變得均勻。結(jié)果，彈性變形隨著時(shí)間而松弛。
? ? ? 直徑為300毫米的晶片無滑動(dòng)熱處理的可行性：在SWF系統(tǒng)中，晶片溫度溫均勻性通過保持近等溫腔的溫度均勻性獲得。在直徑為300mm的晶圓中，增加厚度有助于熱擴(kuò)散，并在溫度上升過程中提高溫度的均勻性。它還降低了溫度上升過程中的彈性變形。即使單個(gè)直徑300mm的晶圓的重量是200mm晶圓的2.41倍，通過厚度增加增加和內(nèi)部部分環(huán)支撐或三點(diǎn)支撐的重力應(yīng)力均勻分布的組合，可以減少直徑300mm晶圓的缺陷產(chǎn)生。鑒于所有的硅晶片都是從1420C的硅熔體切片的，我們認(rèn)為300毫米直徑硅晶片高達(dá)1100C的無滑熱處理可以通過這個(gè)簡單的RTP技術(shù)使用SWF系統(tǒng)進(jìn)行。
? ? ? 300毫米直徑硅片的快速熱處理：圖8中繪制了SWF系統(tǒng)在1000℃退火180s時(shí)，直徑200mm和300mm的硅晶片的晶片溫度分布圖。由于直徑300mm的晶圓比直徑200mm的晶圓具有更高的熱容量，因此在直徑300mm的硅晶片中，晶圓處理速度對(duì)晶圓溫度均勻性的影響較小。與直徑為200毫米的晶圓相比，直徑為300毫米的晶圓的大熱容量擴(kuò)大了晶圓的處理速度邊際。
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圖8直徑為200mm和300mm的晶片在760托空氣下于1000℃退火180秒的溫度曲線
? ? ? 在1100℃下，直徑300mm的硅晶片的功耗略小于3kW。該系統(tǒng)的能源效率遠(yuǎn)高于基于燈的RTP系統(tǒng)。因此，利用SWF系統(tǒng)對(duì)直徑300毫米硅片的RTA作為一種非常有前途的替代RTA方法。如果需要嚴(yán)格的重力和熱應(yīng)力管理，在晶片采集之前進(jìn)行輕微的晶片冷卻將顯著有助于防止直徑300mm的硅晶片產(chǎn)生滑移（塑性變形）。隨著晶圓溫度的降低，晶圓的機(jī)械強(qiáng)度顯著增加。在拾取晶圓之前，通過降低晶圓的溫度，可以大大降低熱應(yīng)力和沖擊。通過在端效應(yīng)器結(jié)構(gòu)中引入隔熱機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)工藝室中晶圓拾起之前的晶片冷卻。
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總結(jié)
本文探討了在單晶圓爐(SWF)中直徑200mm和300S（100）晶片m圓在高溫快速熱處理(RTP)過程中的熱行為作為溫度、壓力、工藝時(shí)間、晶圓處理方法和速度的函數(shù)。在晶圓溫度升高的過程中，可以觀察到明顯的晶圓形狀變形。當(dāng)工藝參數(shù)沒有得到優(yōu)化時(shí)，在1050℃以上處理的晶片中經(jīng)常觀察到滑動(dòng)的產(chǎn)生。利用光學(xué)顯微鏡和x射線形貌對(duì)RTP過程中產(chǎn)生的晶體缺陷的尺寸、形狀和空間分布進(jìn)行了表征。在給定的工藝條件下，晶片處理方法（末端效應(yīng)器形狀和接觸面積）和速度在減少缺陷產(chǎn)生方面非常重要。在優(yōu)化晶片處理方法和速度后，在1100C下處理直徑200mm和300mm的Si（100）晶片中獲得了高可重復(fù)的無滑RTP結(jié)果。
SWF系統(tǒng)在RTP應(yīng)用中非常有前景，如：屏障金屬退火、硅化、氧化、薄膜形成、玻璃密度化、玻璃回流、摻雜擴(kuò)散、熱供體湮滅和植入物退火高達(dá)1150℃?；谥暗睦碚撚?jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及直徑從200mm到300mm的硅晶片進(jìn)行快速熱處理的可行性。