半导体制造设备系列(10)-热处理设备

半导体制造设备系列(10)-热处理设备

在半导体工艺中，热处理是不可或缺的重要工艺之一。热处理过程是指将晶圆放置在充满特定气体的环境中对其施加热能的过程，包括氧化/扩散/退火等。

热处理应用：

热处理设备主要应用于氧化、扩散、退火以及合金四类工艺。

1、氧化（Oxidation）是将硅片放置于氧气或水汽等氧化剂的氛围中进行高温热处理，在硅片表面发生化学反应形成氧化膜的过程，是集成电路工艺中应用较广泛的基础工艺之一。氧化膜的用途广泛，可作为离子注入的阻挡层及注入穿透层（损伤缓冲层）、表面钝化、绝缘栅材料以及器件保护层、隔离层、器件结构的介质层等。

图1：氧化原理图

2、扩散(Diffusion)是在高温条件下，利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分布，达到改变材料的电学特性，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结或构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活泼气氛中进行热处理的过程都可称为退火，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）和硅基形成良好的基础，以及稳定Cu配线的结晶结构并去除杂质，从而提高配线的可靠性，通常需要把硅片放置在惰性气体或氩气的环境中进行低温热处理。

热处理设备分类：

按照设备形态划分，热处理设备可以分为立式炉、卧式炉以及快速热处理炉(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、气体分配系统、尾气系统、控制系统。炉管是对硅片加热的场所，由垂直的石英钟罩、多区加热电阻丝和加热管套组成。硅片传输系统的主要功能是在炉管中装卸硅片，硅片装卸由自动机械完成，自动机械在片架台、炉台、装片台、冷却台之间运动。气体分配系统将正确的气流传送到炉管，维持炉内的气氛。尾气系统位于炉管一端的通孔，用来彻底清除气体及其副产物。控制系统（微控制器）控制着炉子的所有操作，包括工艺时间和温度控制、工艺步骤的顺序、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计算机的接口。与卧式炉相比，立式炉减少占地面积，并可以更好地控制温度和均匀性。

2、、卧式炉：其石英管是水平放置的，用来放置和加热硅片。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、快速热处理炉（ RTP )：快速升温炉（ RTP ）是一种小型的快速加热系统，利用卤素红外灯作为热源，能迅速将硅片温度升到加工温度，减少工艺稳定需要的时间，工艺结束后快速冷却。相比传统立式炉，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空隙，使得硅片间更均匀地加热或冷却。传统立式炉的温度测量和控制使用热电偶，快速升温炉（ RTP ）使用模块式温度控制，允许控制对硅片单独加热和冷却，而不仅是控制炉内的气氛。此外，在大批量硅片（150-200片）和升温速率之间存在折中，快速升温炉（ RTP ）适用于较小批量（50-100片）提高升温速率，因为同时处理的硅片变少了，这种小批量还能改善工艺中的局部气流。

图4：RTP示意图

热处理设备市场规模：

根据 Gartner 数据， 2020 年全球热处理设备市场规模 15.37 亿美元， 其中快速热处理设备7.19 亿美元， 占比 46.8%， 氧化/扩散炉 5.52 亿美元， 占比 35.9%， 栅极堆叠设备 2.66 亿美元，占比 17.3%。

图5：全球热处理设备市场规模（亿美元）

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