RTP 是以一套加熱系統經由各種不同的過程來處理微電子元件，晶圓於 RTP 加熱爐中 以極短的時間快速加熱製程所需溫度，而使用的加熱源來自於燈泡組之可見及紅外光範圍 的輻射。
在 RTP 中，輻射熱傳是最主要的能量傳送機制，所有的材料在高溫的環境下持續的放 射和吸收電磁波或光子，藉以提高或降低本身分子的能階[2]。然而，RTP 技術最初發展的 目的在於以極短時間內提高材料溫度，藉由高溫環境下進行物理或化學反應，Singh 等人[3]
於 1991 年指出，RTP 中光學效應在改善製程之基材的品質上扮演了一個很重要的角色，但 在加熱源及製程基材的熱輻射性質分析卻是具有相當的困難度[4]。
RTP 最早期的運用出現在 60 年代，美國 IBM 公司發展出以脈波雷射運用在回火的技 術上，這便是快速熱程序的最早起源。由於近十幾年來半導體業的發展，快速熱程序已經 在製程中嶄露頭角。目前所知道 RTP 應用在半導體製程的技術包括快速熱氧化製程(Rapid Thermal Oxidization ， RTO) 、 快 速 熱 化 學 氣 相 沈 積 (Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition，RTCVD)和快速回火製程(Rapid Thermal Annealing，RTA)等相關技術[5，6]，圖 1-2 為 RTP 的示意圖。其在結構方面可分成熱源系統與爐壁主體結構兩個方面，以下將分
別加以說明。
1.2.1 RTP 的熱源系統
在熱源系統方面，一般商業用來加熱 RTP 系統之熱源主要有三種形式：鎢絲鹵素燈泡
(The Tungsten-Halogen Lamp)、鈍氣長弧燈泡(The Noble Gas Long-Arc Lamp)及阻抗式鐘狀 加熱燈源(Resistively Heated Bell Jar)。這三種加熱燈源各有相異之處，包括其加熱時的頻譜 溫度，分別為 3300，6200 及 1700K 左右；起始時的加熱速率(到 600℃之後速率便相差不 多)；以及價格、壽命、熱質量等，而最主要的便是其對稱性。三種燈源的特性分別敘述如 下：
1. 鎢絲鹵素燈泡(The Tungsten-Halogen Lamp)
鎢絲鹵素燈泡為一般 RTP 最常使用的加熱燈源，此種燈泡就外型通常可分為兩類，一 為類似日光燈兩端有封口的石英外殼燈管，內以鎢絲作為發光熱阻；另外一種為僅有一端 封口的石英球，外面配裝有拋物面的反射鏡或者光管(Light Pipe)反射器。在石英管內以鹵 素氣體充填，通常為 PNBr2，其主要的用意在於增加燈絲的溫度及壽命。當石英壁溫度超 過 250℃時，由於鎢會和鹵素化合物產生循環再生作用，因此防止鹵素化合物粒子在石英 壁上的沈積，此結果可以抑制因石英壁上沈積所造成燈源放射不均勻。此外石英在 4 到 5 µm 之間有個吸收波長，因此當石英受熱到 400℃(最高可達 900℃)時，會導致波長大於 5 µm 的溫度量測受到影響，因為波長大於 5 µm 時，石英會吸收能量而成為第二個輻射熱源，此
為此形燈源的缺點之一。此外，鎢絲鹵素燈泡的優點在於其壽命與價格及能量與燈絲長度 的比值很高，且就能源的經濟性來說也較其它兩種燈原來的好。
2. 鈍氣長弧燈泡(The Noble Gas Long-Arc Lamp)
在經濟因素的考量下，我們通常只使用兩種此型的燈泡，一為直流式氬氣燈(Vortek DC
Water-Wall Argon Lamp)，另一種為交流式氙氣燈(AC Xenon Lamp)。
直流式氬氣燈其結構包含一根石英管，內部充以冷卻水及氬放電氣體(Argon Discharge
Gas)，因此水在管內面形成一層薄渦流壁(Vortex Wall)，此渦流壁可以有效的冷卻燈管內 部，且抑制被注入管中的氬氣產生渦流。
交流式氙氣燈它包含了兩個同心圓管，內圈的矽管充以氙氣，而外圍的 Pyrex 管(一種 耐熱玻璃)則作為冷卻內管的水套。
此兩種燈管內的水柱會吸收 1.4 µm 以上的所有輻射，因此此種燈源只能放射 1.4 µm 以
下的波長，且長弧燈源在放光之前需要一個初始電壓，用來激發兩電極間的氣體放電，所 以耗費了一些能量。而此型燈泡的主要優點在於，它對矽的有效輸出連結(Efficient output coupling)低於 600℃，且它的熱質量低。
3. 阻抗式鐘狀加熱燈源(Resistively Heated Bell Jar)
此種燈源是以碳化矽或石英所製成，可以當做一個輻射熱源也可以當做一個加熱爐。
其加熱部只佔鐘狀結構的上半部，而所產生的溫度通常比實際製程所需溫度高約 300℃，
鐘狀結構的下半部則與熱傳室連結，在加熱爐中有昇降機可將晶圓上下移動到所需溫度的 位置，而加熱與冷卻的速率也受升降機移動速度影響。
此種燈源主要的優點在於它可以提供一個極為中心軸對稱的溫度場，且可用的晶圓尺 寸可達 300mm 而不需額外加裝其它的燈源或反射鏡；另一個優點是此燈源可視為灰體，亦
即爐壁的放射率等於晶圓本身的放射率，且提高爐體的縱橫比(Aspect Ratio)可以增加晶圓 的有效放射率，降低對放射率變化的敏感度；而其缺點則是碳化矽對某些氣體容易產生化
學反應，造成爐壁的腐蝕或者粒子的沈積。
1.2.2 RTP 的爐壁結構
商業上 RTP 系統的爐壁設計主要有三種，分別為冷壁式、暖壁式以及熱壁式，而由於 每種設計因為光學及幾合上的差異，所以在溫度的量測上及溫度的均勻性都有所不同，下 面就將就將針對此三種結構分別加以說明：
1. 冷壁式(Cool Wall Chamber)
圖 1-3 為冷壁式的外型結構，冷壁式的反應器主要是以可用水來冷卻的金屬製成，如 不鏽鋼、鋁或者其他材料等，其外型通常以圓柱形及方形為主，而反應器的內面金屬表面 則以陽極電鍍或漆上一層薄石英膜，目的是在使其不易產生化學反應。在爐體內置有一個 石英平板窗，它可以讓熱源的加熱光源通過來加熱晶圓，而此石英平板可以水冷或氣冷的 方式來冷卻，一般而言水冷的效果比氣冷來得好，尤其是在高產率過程(High-Throughput
Processing)中，石英會因受晶圓加熱而使溫度提高，造成在熱場(Hot Spot)中產生粒子的沈 積，而降低溫度的均勻性。
而水冷方式也有其缺點，因為在冷卻水中可能有氣泡或污染物的產生，更重要的是它 會降低熱源傳到晶圓的能量，這是由於水會吸收 1.4µm 以上的能量，然而這個問題可以藉
由在近紅外線區沒有能量吸收且熱容較大的冷卻液來取代水而得到改善。在其它方面，我 們也可以以其它材料取代石英，例如青玉(Sapphire)，它的熱傳導率約為石英的 20 倍，這
可以降低平板的熱記憶。另一方面壁溫太低亦會帶來問題，因為壁溫過低會使得爐內的反 應物凝結或沈積，但若可以控制壁溫範圍在室溫到 100℃之間則可以有效的解決這個問題。
2. 暖壁式(Warm Wall Chamber)
暖壁式反應器的結構包括一個將晶圓包圍起來得石英封罩，其外形通常為方形、圓柱 形、橢圓形或鐘形，如圖 1-4 所示。在爐體方面它是以高反射率且可用水冷卻的金屬製成。
此型的石英封罩是以強制對流來加以冷卻，但其效率不如以水冷方式冷卻來得好，所以石 英反應器的溫度就很容易昇高到 200 至 400℃，這也就是"暖壁"式名稱的由來。而在整個處 理過程中，爐壁的溫度都明顯地低於晶圓溫度。
暖壁式反應器有幾項優點，即藉由石英封罩的阻隔可以降低來自爐壁的金屬污染，且 在反射結構材料的選擇方面有較大的自由；此外它還可使凝結物被吸收而降低化學反應的 發生機率。然而它的缺點在於，熱記憶的影響又會再度的浮現，而這只能藉由預熱的方式 有解決這個問題，且重複的以蝕刻劑來清潔亦會使得石英的熱傳性質降低。
3. 熱壁式(Hot Wall Chamber)
熱壁式反應器的加熱方式類似傳統的熱爐管，除了一者是每次僅處理一片晶圓，另一 者每次處理上百片的晶圓之外，其不同之處還有在處理的過程中熱壁式的爐壁溫度都高於 晶圓的溫度。此型的反應爐其加熱燈源是用阻抗式鐘狀燈源，外型如圖 1-5 所示，而爐壁 是以碳化矽或石英所製成，而它也可以當作均勻的輻射熱源。
1.2.3 RTP 的溫度量測
一般來說，RTP 系統所用的溫度感應裝置主要分為兩種，一種為熱感應式偵測器，另 一種為光子感應式偵測器或稱為量子式偵測器。熱感應式偵測器主要是藉由將入射的輻射 通量轉換成溫度的提升，而溫度的改變可以幾種方式來測量。舉例來說，有藉由不同金屬 接點的溫差所產生的電壓來量測的，如熱電偶、熱電堆，或者是利用焦熱電效應來量測，
如焦熱電式偵測器。
光子感應式的工作原理則是將入射的光子通量量子化，藉由半導體元件的對光子的吸 收而產生載波，在理想的狀況之下，反應元件對單一光子只會產生單一的反應。而此反應 可以多種的形式表現，例如，以偵測器中的光電放射感應器將光子轉變成光電子的光電倍 增管；利用連結光電二極體中的電洞對分離的矽偵測器；或者將光電導體中的電子從價電 子躍升到傳導帶的硫化鋁偵測器等等，而通常這些結果是以電流或電壓的方式，經由放大 器或其它電子儀器輸出。圖 1-6 為各種偵測器所適用的波長量測範圍。
舉例來說，熱反應式與光子反應式偵測器的主要不同之處在於，同樣 1 瓦的能量以 200nm 的紫外線光子和 10µm 的紅外線光子傳送，在熱反應式偵測器所得到的結果是相同
的，這是因為所造成的溫度改變相同的緣故，然而在光子反應式偵測器中因為不同光子所 帶能量不同的關係，因此得到的結果便有所不同。一般來說，熱反應式的優點在於它的價 格較便宜，且量測溫度的頻譜範圍也較大，約從零點多個µm 到數十µm 左右，但它的反應
時間卻較光子反應式來得長，且在某狹小的波段，光子反應式的準確度也較熱反應式來得 好。
而實際在 RTP 的應用上，紅外線高溫計是最常用來量測晶圓溫度的量測工具[7]，它主 要是利用光感測元件吸收晶圓放射的光譜，藉由晶圓溫度的改變所造成光譜的偏移來分析
而實際在 RTP 的應用上，紅外線高溫計是最常用來量測晶圓溫度的量測工具[7]，它主 要是利用光感測元件吸收晶圓放射的光譜，藉由晶圓溫度的改變所造成光譜的偏移來分析