在集成電路器件的制造工藝中，熱處理設(shè)備是必不可少的。如雜質(zhì)激活、金屬合金化、氧化層生長(zhǎng)或沉積、介質(zhì)膜致密化等，都需要熱處理工藝，用到熱處理設(shè)備。在典型的熱處理工藝如離子注入退火工藝過程中，退火可以使摻雜原子遷移到晶格空缺位置，從而使其活化。但是,任何高溫退火工藝同時(shí)也會(huì)促進(jìn)摻雜元素的擴(kuò)散，并且擴(kuò)散速度還會(huì)隨著溫度的提高而加快，因此，擴(kuò)散程度取決于熱處理總量，即溫度和時(shí)間的乘積，而非最高溫度。如果要想使結(jié)晶受很高溫度的活化處理又不發(fā)生擴(kuò)散，則晶片在高溫下的處理時(shí)間必須非常短。在這種情況下傳統(tǒng)的高溫退火爐其升溫速度（一般20℃/分鐘）就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工藝對(duì)熱處理工藝瞬變溫度精確測(cè)控技術(shù)的要求。隨著半導(dǎo)體器件集成度越來(lái)越高，半導(dǎo)體器件的特征尺寸已經(jīng)逐漸向亞微米、深亞微米以下發(fā)展時(shí)，傳統(tǒng)的熱處理設(shè)備技術(shù)由于其無(wú)法克服的熱擴(kuò)散效應(yīng)，已經(jīng)完全滿不能足高端器件制造工藝的要求。特別是當(dāng)器件尺寸進(jìn)入納米級(jí)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，半導(dǎo)體集成電路器件制造工藝線上傳統(tǒng)的熱處理設(shè)備必將為新型的快速熱處理設(shè)備所取代。

快速熱處理工藝其優(yōu)點(diǎn)在于：可以通過減少熱預(yù)算來(lái)限制擴(kuò)散和缺陷的形成，非?？斓纳郎?250℃/秒)和降溫速率(80℃/秒)，更短的工藝時(shí)間，硅中雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)最小，較小的腔體體積可以達(dá)到清潔的環(huán)境。此外，對(duì)于瞬變溫度的精確測(cè)控技術(shù)來(lái)說(shuō)，其快速升溫、短時(shí)間快速處理的能力很重要，一方面先進(jìn)半導(dǎo)體制造要求盡可能縮短熱處理時(shí)間、限制雜質(zhì)擴(kuò)散程度。另一方面用快速熱處理設(shè)備取代傳統(tǒng)的高溫爐可以大大縮短生產(chǎn)周期，減少制造耗時(shí)，因此對(duì)于良率提升階段來(lái)說(shuō)瞬變溫度的精確測(cè)控技術(shù)特別有價(jià)值?？焖贌崽幚砉に囈阎饾u成為先進(jìn)半導(dǎo)體工藝制造過程中必不可少的一項(xiàng)工藝，其工藝設(shè)備已成為先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝中與光刻機(jī)、離子注入機(jī)等設(shè)備同等重要的關(guān)鍵設(shè)備之一。

由于鹵鎢素?zé)艄β拭芏却?、發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此先進(jìn)的瞬變溫度的精確測(cè)控技術(shù)普遍采用鹵鎢素?zé)糇鳛榧訜嵩矗涔ぷ髟砜驁D如圖1所示。

圖 快速熱處理原理示意圖

從圖示可知，熱處理工藝瞬變溫度精確測(cè)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的裝置主要包括以下幾個(gè)部分：①熱處理反應(yīng)腔；②紅外測(cè)溫高溫計(jì)；③溫度控制器；④加熱燈功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路；其工作原理為：在控制計(jì)算機(jī)的指揮下，按照所設(shè)定的快速熱處理工藝溫度曲線，通過溫度控制器給熱處理反應(yīng)腔體內(nèi)的加熱燈設(shè)置初始的加熱功率；在加熱燈的輻射下，硅晶片快速升溫；紅外高溫計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硅晶片的溫度，大約0.01秒檢測(cè)一次；紅外高溫計(jì)測(cè)得的溫度值反饋給溫度控制器；在溫度控制器內(nèi)，實(shí)時(shí)溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，得出溫度差；溫度控制器根據(jù)溫度差和溫度控制算法去調(diào)整加熱燈的加熱功率適時(shí)變化，從而使硅晶片的溫度變化遵循設(shè)定的溫度曲線，完成整個(gè)快速熱處理周期。

熱處理工藝瞬變溫度精確測(cè)控技術(shù)主要技術(shù)特點(diǎn)有：

①先進(jìn)的熱處理瞬變溫度精確測(cè)控技術(shù)要求加熱系統(tǒng)的升溫速率最大能達(dá)到250℃/秒，對(duì)加熱腔體的加熱效率提出了很高的要求。因此必須對(duì)熱處理反應(yīng)腔的熱工模型進(jìn)行分析研究，充分考慮到各種因素對(duì)熱傳遞的影響，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，計(jì)算出理論的加熱功率、熱源分布情況。在具體的加熱腔體設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)加熱源，加熱源的分布以及部件采用的材料，腔體特殊涂覆層工藝進(jìn)行研究。

②溫度信號(hào)的測(cè)量：由于單晶片的快速熱處理過程對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和靜態(tài)指標(biāo)要求都很高。否則溫度的采樣信號(hào)不能及時(shí)提供給控制系統(tǒng)，造成溫度控制的滯后性，因此，溫度的測(cè)量也必須作到“快速、準(zhǔn)確”。

③由于升溫速度快，因此傳統(tǒng)的PID溫度控制算法不能適用于瞬變溫度的精確測(cè)控技術(shù)，我們尋找新的算法和實(shí)現(xiàn)途徑，建立溫度控制的新數(shù)學(xué)模型，并通過理論和實(shí)驗(yàn)的方法反復(fù)摸索、修正模型的參數(shù)，從而不斷優(yōu)化控制的模型。

瞬變溫度的精確測(cè)控技術(shù)是半導(dǎo)體集成電路制造中所需熱處理設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)，集熱工、機(jī)械、電子、控制、傳感器、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體。：

1、加熱腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前在國(guó)外的快速退火設(shè)備中，爐腔大多數(shù)為對(duì)稱設(shè)計(jì)，一般為圓形或六角形，因此大部分的燈排列都采用同心圓的形式，晶片在加熱過程中需要旋轉(zhuǎn)，由于晶片大部分是放在石英頂針上，并未夾持，以防夾持處熱集中或散失，這就必需有一套精密的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)以防止震動(dòng)和保持水平，這對(duì)設(shè)計(jì)和加工都有一定的難度

2、加熱燈的分區(qū)控制

晶片在加熱腔體內(nèi)的加熱過程中將受到燈組視野因子、氣體對(duì)流和熱傳導(dǎo)等因素的影響，這些因素將影響晶片邊緣的溫度比中心溫度低。對(duì)于一組尺寸有限的燈組，來(lái)自晶片外側(cè)的視野因子要比來(lái)自晶片中心的視野因子小，晶片的邊緣部位和燈組之間幾乎完全沒有直接的輻射交換。而且對(duì)于任何形狀的反應(yīng)腔體，與晶片中心相比較，氣流能更有效地冷卻晶片的邊緣部位?？傊@些邊緣效應(yīng)可能導(dǎo)致幾十度的溫度梯度，這些溫度梯度將導(dǎo)致工藝的不均勻性，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致滑移和晶片的翹曲。

為了盡量克服在加熱過程中可能出現(xiàn)的溫度邊緣效應(yīng)，必須采取相應(yīng)的技術(shù)手段。在設(shè)計(jì)中我們采取兩種技術(shù)手段來(lái)降低溫度邊緣效應(yīng)的影響，即將燈管功率合理分配以及將加熱燈管分成若干個(gè)可獨(dú)立控制的加熱區(qū)。加熱燈源設(shè)計(jì)為上下兩排，每排各14根，成正交方向排列，所有燈管被分為10個(gè)控溫區(qū)域（上下各5個(gè)）以保證硅片上溫度均勻度，提高晶片溫度的均勻性。由于晶片在加熱過程中，晶片本身也是一個(gè)熱源，它本身的熱量通過輻射或?qū)α鞯姆绞桨l(fā)散。而且晶片熱傳導(dǎo)的物理特性以及愈近外緣其散熱面積愈大，晶片的溫度分布會(huì)沿著半徑的方向向外遞減，因此在燈管的功率選擇上，外側(cè)的功率要大于內(nèi)側(cè)，即區(qū)域1、區(qū)域5、區(qū)域6和區(qū)域10的燈管功率要大于其余區(qū)域的燈管功率。

3、溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在快速熱處理工藝過程中，要準(zhǔn)確測(cè)到晶圓片的溫度，還要跟得上最大250℃/秒的升溫速度，測(cè)溫傳感器的選用是非常關(guān)鍵的因素。如果采用傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)溫，則熱電偶必須與晶片表面接觸才能真實(shí)可靠地測(cè)量其表面溫度，但這種方式在高溫時(shí)會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果的出現(xiàn)，一方面熱電偶會(huì)與晶片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)粘結(jié)在一起，另一方面接觸區(qū)域的溫度會(huì)因?yàn)闊犭娕嫉膶?dǎo)熱而造成局部溫度過低，造成溫度分布不均勻；除此之外熱電偶的響應(yīng)速度慢、高溫時(shí)易氧化、壽命短等特點(diǎn)決定了在快速熱處理的高溫快速升溫工藝過程中不能采用熱電偶作為溫度傳感器，必須采用紅外高溫計(jì)對(duì)晶片實(shí)行非接觸式測(cè)溫。

紅外輻射高溫計(jì)的測(cè)量原理在于：自然界一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，紅外輻射能量大小及其波長(zhǎng)的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系，通過測(cè)量物體在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)向外輻射的紅外能量的強(qiáng)度，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度。

采用紅外高溫計(jì)進(jìn)行非接觸式測(cè)量晶片表面溫度，合理選擇紅外高溫計(jì)的響應(yīng)波長(zhǎng)是至關(guān)重要的。

對(duì)于溫度高于絕對(duì)溫度的物質(zhì)，無(wú)論其形態(tài)如何都會(huì)發(fā)出紅外輻射，輻射的頻譜范圍為0.7到1000μm波長(zhǎng)范圍，物體的溫度越高，輻射的能量就越強(qiáng)，并且能量分布的峰值會(huì)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。

在測(cè)溫過程中，紅外高溫計(jì)測(cè)溫并不是收集到被測(cè)物體在整個(gè)頻譜范圍的輻射能量，而是根據(jù)測(cè)溫范圍和被測(cè)物體的性質(zhì)選定一個(gè)窄小的頻段范圍，收集該頻段上物體輻射的能量，根據(jù)能量的變化，測(cè)算出物體的溫度值。所以紅外高溫計(jì)有其特定的工作頻譜。

4、溫度測(cè)量校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

由于紅外高溫計(jì)測(cè)溫受到物體發(fā)射率的影響，因此紅外高溫計(jì)測(cè)到的晶片表面溫度如果不經(jīng)過校準(zhǔn)則不能反映晶片表面的真實(shí)溫度。即便同是硅晶片，也會(huì)由于其表面光潔度的不同、沉積層的不同，導(dǎo)致其發(fā)射率變化，而帶來(lái)測(cè)溫誤差。其次由于高溫計(jì)要透過石英腔體測(cè)量硅晶片的溫度，而在熱處理工藝中，隨著石英腔體表面微粒子的粘附，石英對(duì)紅外光的透射率也會(huì)下降，也會(huì)引起測(cè)溫誤差。因此為了消除這些因素引起的測(cè)溫誤差，專門設(shè)計(jì)測(cè)溫校準(zhǔn)程序，其校準(zhǔn)原理如下所述。

在加熱腔中放入一塊嵌有標(biāo)準(zhǔn)K型熱偶的硅晶片（TC-Wafer），該硅晶片的溫度同時(shí)可以用高溫計(jì)和TC-Wafer測(cè)到，將TC-Wafer的溫度讀值視為標(biāo)準(zhǔn)讀值,則兩高溫計(jì)讀數(shù)值、TC-Wafer讀數(shù)值三值之間的關(guān)系可擬合為一線性多項(xiàng)式：y=a0+a1x1+a2x2，y—TC-Wafer讀數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)值；X1—高溫計(jì)1的讀數(shù)值；X2—高溫計(jì)2的讀數(shù)值。計(jì)算機(jī)控制加熱燈點(diǎn)亮且調(diào)整好加熱功率，硅晶片持續(xù)升溫。在升溫過程中，計(jì)算機(jī)通過高溫計(jì)和熱偶規(guī)同時(shí)采集到三組溫度值x1i、x2i、yi，再用最小二乘法擬合法列出方程，求解得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的溫度校準(zhǔn)曲線作為系統(tǒng)文件保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)。

圖 測(cè)溫校準(zhǔn)原理圖

5、溫度的自適應(yīng)控制技術(shù)

根據(jù)溫度測(cè)量傳感器的測(cè)溫特性，在快速熱處理設(shè)備中溫度測(cè)量將采用兩種不同的傳感器，其中熱電偶用于400℃～650℃的低溫度范圍內(nèi)的溫度信號(hào)測(cè)量，在700℃～1200℃則采用光學(xué)高溫計(jì)。

溫度控制的功能就是要按照設(shè)定的工藝曲線，使放入加熱腔中的晶片按照設(shè)定的升溫速率快速加熱到設(shè)定的溫度值，然后維持這個(gè)溫度一定時(shí)間的過程。由于其溫度調(diào)節(jié)速率要快，傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器已不能滿足設(shè)備要求，必須采用新的自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)算法，為了實(shí)現(xiàn)其溫度控制，必須軟件與硬件的協(xié)調(diào)配合工作。

首先是要建立溫度控制的數(shù)學(xué)模型，但由于影響快速熱處理系統(tǒng)模型參數(shù)很多，如果想用純理論方法來(lái)獲取模型的各個(gè)參數(shù)，存在很大困難。因此在具體實(shí)施中采用了一種系統(tǒng)模型辨識(shí)的方法來(lái)獲取系統(tǒng)模型。由于快速熱處理的傳熱方式主要是通過熱幅射，且工作溫區(qū)大，使得系統(tǒng)存在高度非線性品質(zhì)。影響系統(tǒng)熱模型因素很多，其中主要包括加熱燈功率、石英腔的大小、晶片的尺寸、溫度計(jì)的測(cè)溫精度和響應(yīng)速度以及冷卻系統(tǒng)冷卻效率等幾個(gè)方面。