原创 The Furnace[高温炉管]

 2008-7-16 00:49  2242 2 2 分类: 工程师职场

作者:Alexander Braun, Semiconductor International高级编辑<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　氧化膜的生长主要是一种批量处理工艺。150片晶片可以同时加载入高温炉内进行氧化生长。由于该工艺与温度有密切关系，因此要严格控制沿氧化石英管长度方向上的温度。这就使高温炉在IC制造中成为非常关键的因素。高温炉有三种：传统的水平方向式高温炉、垂直式高温炉和快速热处理器（RTP，rapid thermal processors）。

　　直到上世纪80年代中期，半导体工业主要采用热墙水平式扩散高温炉。之后，垂直式高温炉开始取代水平式高温炉。现在，RTP在某些应用中正逐步取代垂直式高温炉。而在热预算容量和产率要求很重要的一些工艺中，现在又出现了一种快速升温、小批量生产用的垂直式高温炉，并和RTP系统开始相互竞争。

　　水平式高温炉内含高温炉反应室、加热器、温度测量和控制热电耦、熔融石英管、石英舟、温度控制系统、加载站、进气和排气系统等。
　　湿法氧化通常用于较厚氧化膜的生长，因为其生长速度比干法氧化快。反应所需的H2O由起泡室或H2和O2的直接高温反应来提供。在直接高温反应法中，氢气和氧气分别被导入已加热的高温炉中。氢气在有氧存在的情况下大约在<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />400℃时就能反应燃烧，生成水蒸汽。
　　尽管垂直式高温炉的成本比水平高温炉高，在许多应用中人们还是会优先选择垂直高温炉，因为垂直高温炉的工艺控制更出色、污染更小、与自动化兼容的程度更高，垂直式高温炉中的温度分布更加均匀。而且，晶片被平放在石英舟的中央，优化了气流的动力学行为。此外，石英舟还可以转动，使温度和气流的波动可以平均掉，从而使它更均匀。
　　垂直式高温炉中，它具有双层熔融石英管，惰性气体或氯化物气体可以在内外管之间流动，防止污染物扩散到内管工艺处理区域内。石英晶舟每批可容纳150片晶片。晶片从晶片盒（Cassette）通过机械手加载到石英舟后，石英舟被送入到高温炉的加热区。在工艺处理步骤之间，加热区保持在相对较低的温度下（700-800℃），然后被慢慢升高到工艺处理温度(约950℃)。之后慢慢降低温度，直至晶片足够凉，可被取出来为止。

高温炉可用于氧化膜的生长。通过改变其基本结构特征，高温炉技术和半导体工业在同步前进。其永远的目标是：生成出最好的薄膜。（资料来源：Stanley Wolf, Microchip Manufacturing）。
　　最近出现了一种新的垂直式高温炉：一种可快速升温的小批量高温炉。它能将50片/批的晶片温度快速提高到工艺处理所需温度，然后快速冷却。升温速度从传统高温炉的升温速度l0-20℃/min提高到100℃/min ，降温速度从5℃/min提高到60℃/min。因此它能够在更短的循环周期内对小批量的晶片进行热处理。
　　RTP是一种对一单晶片处理方法，它能以75-200℃/sec的速度快速升温或快速降温，比高温炉的速度（<1℃/sec）要快得多。RTP可以在几秒种之内将晶片从室温加热到1100" UnitName="℃">1100℃。和高温炉相比较，RPT有很多优点，包括热的预算容量更低、处理温度更高、工艺控制更好、处理时间更短等。RTP技术通常用于离子注入后的退火和活化、硅化钛和硅化钴的合金退火和活化以及快速热氧化生成超薄栅极氧化层等。
　　然而，对于有些应用来说，高温炉的性能已经足够满足要求而且价格更便宜。对于300mm晶片和0.18um生产工艺来说，对RTP的需求则会逐渐增加。
　　热氧化的目的是生长零缺陷、分布均匀、具有一定厚度的SiO₂层。与厚氧化膜不同，薄氧化膜通常采用干法氧化进行生长。在氧化炉中生长厚度为50~100A氧化膜的典型工艺中，首先将晶片进行清洗。当高温炉升温等待时，要先往管内通氮气进行清洗并将其温度设置在约800℃。在继续通氮气的情况下，将石英舟慢慢推入至反应室，防止温度变化引起晶片翘曲变形。
　　当晶片进入反应室后，以10-20℃/min的速度升高炉子的温度。到达工艺处理所需温度 (例如 950℃) 后，在 N2 气流下保持几分钟以稳定其温度。然后打开干氧气（也许是含氯气的混合气体），停止通氮气。在氧气流动的过程中，氧化膜开始生长。到达规定的厚度后，关掉气体。
　　然后在工艺设定温度下通氮气大约30min，对晶片进行氧化后退火处理。接着，将温度慢慢降低到室温，取出石英舟和片子。