半導(dǎo)體制造設(shè)備系列(10)-熱處理設(shè)備

在半導(dǎo)體工藝中，熱處理是不可或缺的重要工藝之一。熱處理過(guò)程是指將晶圓放置在充滿特定氣體的環(huán)境中對(duì)其施加熱能的過(guò)程，包括氧化/擴(kuò)散/退火等。

熱處理應(yīng)用：

熱處理設(shè)備主要應(yīng)用于氧化、擴(kuò)散、退火以及合金四類(lèi)工藝。

1、氧化（Oxidation）是將硅片放置于氧氣或水汽等氧化劑的氛圍中進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，在硅片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化膜的過(guò)程，是集成電路工藝中應(yīng)用較廣泛的基礎(chǔ)工藝之一。氧化膜的用途廣泛，可作為離子注入的阻擋層及注入穿透層（損傷緩沖層）、表面鈍化、絕緣柵材料以及器件保護(hù)層、隔離層、器件結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層等。

圖1：氧化原理圖

2、擴(kuò)散(Diffusion)是在高溫條件下，利用熱擴(kuò)散原理將雜質(zhì)元素按工藝要求摻入硅襯底中，使其具有特定的濃度分布，達(dá)到改變材料的電學(xué)特性，形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的目的。在硅集成電路工藝中，擴(kuò)散工藝用于制作PN結(jié)或構(gòu)成集成電路中的電阻、電容、互連布線、二極管和晶體管等器件。

3、退火(Anneal)也叫熱退火，集成電路工藝中所有在氮?dú)獾炔换顫姎夥罩羞M(jìn)行熱處理的過(guò)程都可稱(chēng)為退火，其作用主要是消除晶格缺陷和消除硅結(jié)構(gòu)的晶格損傷。

圖2：擴(kuò)散/退火原理圖

4、合金（Alloy）是為了使金屬（Al和Cu）和硅基形成良好的基礎(chǔ)，以及穩(wěn)定Cu配線的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并去除雜質(zhì)，從而提高配線的可靠性，通常需要把硅片放置在惰性氣體或氬氣的環(huán)境中進(jìn)行低溫?zé)崽幚怼?/p>

熱處理設(shè)備分類(lèi)：

按照設(shè)備形態(tài)劃分，熱處理設(shè)備可以分為立式爐、臥式爐以及快速熱處理爐(Rapid Thermal Processing，RTP)。

1、立式爐：立式爐的主要控制系統(tǒng)分為五部分：爐管、硅片傳輸系統(tǒng)、氣體分配系統(tǒng)、尾氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。爐管是對(duì)硅片加熱的場(chǎng)所，由垂直的石英鐘罩、多區(qū)加熱電阻絲和加熱管套組成。硅片傳輸系統(tǒng)的主要功能是在爐管中裝卸硅片，硅片裝卸由自動(dòng)機(jī)械完成，自動(dòng)機(jī)械在片架臺(tái)、爐臺(tái)、裝片臺(tái)、冷卻臺(tái)之間運(yùn)動(dòng)。氣體分配系統(tǒng)將正確的氣流傳送到爐管，維持爐內(nèi)的氣氛。尾氣系統(tǒng)位于爐管一端的通孔，用來(lái)徹底清除氣體及其副產(chǎn)物。控制系統(tǒng)（微控制器）控制著爐子的所有操作，包括工藝時(shí)間和溫度控制、工藝步驟的順序、氣體種類(lèi)、氣流速率、升降溫的速率、裝卸硅片等，每個(gè)微控制器都是一臺(tái)主計(jì)算機(jī)的接口。與臥式爐相比，立式爐減少占地面積，并可以更好地控制溫度和均勻性。

2、、臥式爐：其石英管是水平放置的，用來(lái)放置和加熱硅片。其主要控制系統(tǒng)和立式爐一樣分為5個(gè)部分。

圖3：立式爐系統(tǒng)示意圖

3、快速熱處理爐（ RTP )：快速升溫爐（ RTP ）是一種小型的快速加熱系統(tǒng)，利用鹵素紅外燈作為熱源，能迅速將硅片溫度升到加工溫度，減少工藝穩(wěn)定需要的時(shí)間，工藝結(jié)束后快速冷卻。相比傳統(tǒng)立式爐，快速升溫爐（ RTP ）的溫度控制更先進(jìn)，主要差別在于其快速升溫原件、特殊的硅片裝載裝置、強(qiáng)迫空氣冷卻和更好的溫度控制器。其中特殊的硅片裝載裝置加大了硅片之間的空隙，使得硅片間更均勻地加熱或冷卻。傳統(tǒng)立式爐的溫度測(cè)量和控制使用熱電偶，快速升溫爐（ RTP ）使用模塊式溫度控制，允許控制對(duì)硅片單獨(dú)加熱和冷卻，而不僅是控制爐內(nèi)的氣氛。此外，在大批量硅片（150-200片）和升溫速率之間存在折中，快速升溫爐（ RTP ）適用于較小批量（50-100片）提高升溫速率，因?yàn)橥瑫r(shí)處理的硅片變少了，這種小批量還能改善工藝中的局部氣流。

圖4：RTP示意圖

熱處理設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模：

根據(jù) Gartner 數(shù)據(jù)， 2020 年全球熱處理設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模 15.37 億美元， 其中快速熱處理設(shè)備7.19 億美元， 占比 46.8%， 氧化/擴(kuò)散爐 5.52 億美元， 占比 35.9%， 柵極堆疊設(shè)備 2.66 億美元，占比 17.3%。

圖5：全球熱處理設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模（億美元）

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