半導體制造設備系列(10)-熱處理設備

在半導體工藝中，熱處理是不可或缺的重要工藝之一。熱處理過程是指將晶圓放置在充滿特定氣體的環境中對其施加熱能的過程，包括氧化/擴散/退火等。

熱處理應用：

熱處理設備主要應用于氧化、擴散、退火以及合金四類工藝。

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行高溫熱處理，在硅片表面發生化學反應形成氧化膜的過程，是集成電路工藝中應用較廣泛的基礎工藝之一。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層、隔離層、器件結構的介質層等。

圖1：氧化原理圖

2、擴散(Diffusion)是在高溫條件下，利用熱擴散原理將雜質元素按工藝要求摻入硅襯底中，使其具有特定的濃度分布，達到改變材料的電學特性，形成半導體器件結構的目的。在硅集成電路工藝中，擴散工藝用于制作PN結或構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氣等不活潑氣氛中進行熱處理的過程都可稱為退火，其作用主要是消除晶格缺陷和消除硅結構的晶格損傷。

圖2：擴散/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，以及穩定Cu配線的結晶結構并去除雜質，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境中進行低溫熱處理。

熱處理設備分類：

按照設備形態劃分，熱處理設備可以分為立式爐、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分為五部分：爐管、硅片傳輸系統、氣體分配系統、尾氣系統、控制系統。爐管是對硅片加熱的場所，由垂直的石英鐘罩、多區加熱電阻絲和加熱管套組成。硅片傳輸系統的主要功能是在爐管中裝卸硅片，硅片裝卸由自動機械完成，自動機械在片架臺、爐臺、裝片臺、冷卻臺之間運動。氣體分配系統將正確的氣流傳送到爐管，維持爐內的氣氛。尾氣系統位于爐管一端的通孔，用來徹底清除氣體及其副產物。控制系統（微控制器）控制著爐子的所有操作，包括工藝時間和溫度控制、工藝步驟的順序、氣體種類、氣流速率、升降溫的速率、裝卸硅片等，每個微控制器都是一臺主計算機的接口。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，用來放置和加熱硅片。其主要控制系統和立式爐一樣分為5個部分。

圖3：立式爐系統示意圖

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，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，減少工藝穩定需要的時間，工藝結束后快速冷卻。相比傳統立式爐，快速升溫爐（ RTP ）的溫度控制更先進，主要差別在于其快速升溫原件、特殊的硅片裝載裝置、強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。傳統立式爐的溫度測量和控制使用熱電偶，快速升溫爐（ RTP ）使用模塊式溫度控制，允許控制對硅片單獨加熱和冷卻，而不僅是控制爐內的氣氛。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，因為同時處理的硅片變少了，這種小批量還能改善工藝中的局部氣流。

圖4：RTP示意圖

熱處理設備市場規模：

根據 Gartner 數據， 2020 年全球熱處理設備市場規模 15.37 億美元， 其中快速熱處理設備7.19 億美元， 占比 46.8%， 氧化/擴散爐 5.52 億美元， 占比 35.9%， 柵極堆疊設備 2.66 億美元，占比 17.3%。

圖5：全球熱處理設備市場規模（億美元）

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