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引言
? ? ? 在半導體熱處理應用中，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、處理時間、晶片處理方法和速度的函數。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常觀察到滑移的產生。使用光學顯微鏡和x光形貌來表征在RTP期間產生的晶體缺陷的尺寸、形狀和空間分布。發(fā)現在給定的工藝條件下，晶片處理方法和速度對于減少RTP期間的缺陷產生非常重要。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的、無滑動的實時處理結果。
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實驗
? ? ? 用大尺寸(直徑200 mm和300mm)Si(100)晶片在預熱的SWF處理室中在800–1150℃的溫度范圍內退火。眾所周知，si晶片的機械強度受雜質類型和濃度的強烈影響。詳細研究并發(fā)表了硅中氧和硼對機械強度的影響。在本方法中，使用低氧濃度的硅晶片作為對照樣品。硅晶片在退火過程中產生的晶體缺陷通過視覺檢測和光學顯微鏡作為溫度、壓力、處理時間、晶片處理方法和速度的函數進行研究。
? ? ? 對于200毫米直徑的硅晶片，使用60秒的固定單位處理時間?？偺幚頃r間通過重復60 s單位處理而變化。晶片被重復處理1到10次，以研究硅晶片的熱行為和缺陷產生機制。對于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，單位處理時間在60秒和300秒之間變化。熱處理后，使用肉眼、光學顯微鏡和偏振紅外顯微鏡進行視覺檢查。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系統中，處理室保持在預定溫度。晶片被移入和移出預熱的處理室，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，該系統可用于氧化和退火。
? ? ? 晶片是用一個連接在三軸機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)晶片處理機器人拾取晶片，(2)處理室閘閥打開，(3)機器人將晶片進入預熱的處理室，(4)機器人將晶片放置在支座上，(5)機器人離開處理室，(6)閘閥關閉，(7)晶片在給定的處理時間內留在處理室中，(8)閘閥打開，(9)機器人進入處理室，(10)機器人拾取處理過的晶片， (11)機器人在處理溫度下從處理室中取出晶片，(12)閘閥關閉，(13)晶片在石英末端執(zhí)行器上自然冷卻。在系統正常運行中，晶片經過熱處理后放置在冷卻站，使晶圓快速冷卻。機器人將加工過的晶圓從處理室轉移到冷卻站需要5秒。在1100℃下從工藝室卸載的晶片通過輻射和對流快速冷卻。對于直徑為200mm和300mm的硅晶圓，晶片溫度在5秒內遠低于900℃，這不是本研究中關注的溫度范圍。因此，在本方法中，所有的晶片都通過自然輻射和對流在端效應器上冷卻。
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圖1 晶圓處理順序示意圖
結果和討論
? ? ? 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視圖照片和退火后晶片移除過程中晶片的俯視照片。當在冷卻站中進行冷卻時，從1100℃的晶片回收開始，晶片溫度在不到60秒的時間內達到60℃。由于晶片溫度在1100℃下在20秒內飽和，因此選擇60秒的單位處理時間來避免與處理時間相關的晶片溫度變化。
? ? ? 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間流逝側視圖。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。由于晶片內的熱傳導，當晶片溫度在處理室溫度附近飽和時，晶片溫度變得均勻。結果，彈性變形隨著時間而松弛。
? ? ? 直徑為300毫米的晶片無滑動熱處理的可行性：在SWF系統中，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部部分環(huán)支撐或三點支撐的重力應力均勻分布的組合，可以減少直徑300mm晶圓的缺陷產生。鑒于所有的硅晶片都是從1420C的硅熔體切片的，我們認為300毫米直徑硅晶片高達1100C的無滑熱處理可以通過這個簡單的RTP技術使用SWF系統進行。
? ? ? 300毫米直徑硅片的快速熱處理：圖8中繪制了SWF系統在1000℃退火180s時，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。該系統的能源效率遠高于基于燈的RTP系統。因此，利用SWF系統對直徑300毫米硅片的RTA作為一種非常有前途的替代RTA方法。如果需要嚴格的重力和熱應力管理，在晶片采集之前進行輕微的晶片冷卻將顯著有助于防止直徑300mm的硅晶片產生滑移（塑性變形）。隨著晶圓溫度的降低，晶圓的機械強度顯著增加。在拾取晶圓之前，通過降低晶圓的溫度，可以大大降低熱應力和沖擊。通過在端效應器結構中引入隔熱機構，可以實現工藝室中晶圓拾起之前的晶片冷卻。
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總結
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、工藝時間、晶圓處理方法和速度的函數。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。當工藝參數沒有得到優(yōu)化時，在1050℃以上處理的晶片中經常觀察到滑動的產生。利用光學顯微鏡和x射線形貌對RTP過程中產生的晶體缺陷的尺寸、形狀和空間分布進行了表征。在給定的工藝條件下，晶片處理方法（末端效應器形狀和接觸面積）和速度在減少缺陷產生方面非常重要。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的無滑RTP結果。
SWF系統在RTP應用中非常有前景，如：屏障金屬退火、硅化、氧化、薄膜形成、玻璃密度化、玻璃回流、摻雜擴散、熱供體湮滅和植入物退火高達1150℃?；谥暗睦碚撚嬎?、實驗結果以及直徑從200mm到300mm的硅晶片進行快速熱處理的可行性。