行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
快速熱機台設備及製程研發
子計畫三：快速熱機台內流場重整與暫態熱傳研究
Investigation of Flow Relaminarization and
Transient Heat Transfer in a Rapid Thermal Processor
計畫編號:
NSC 90-2212-E-002-227執行期限: 90 / 8 / 1～91 / 7 /31
主持人：翁宗賢 臺灣大學應用力學研究所副教授
中文摘要 本計畫探討水平式快速熱處理機台內 的暫態熱流現象，建構熱模擬機台，能以 鹵素燈管快速加熱八吋晶圓，由晶圓背面 觀測紅外線影像，推測溫度分佈。本計畫 並建立數值模式，經由計算以瞭解半導體 快速熱製程中的參數效應，期以提高晶圓 製程中的溫度均勻性。由數值計算探討發 現在晶圓上方加裝鍍金的反射環，能最有 效地補償熱輻射損失；若在反射環選擇區 域鍍金時，則晶圓表面的溫差可控制在攝 氏數度之內。 關鍵詞：快速熱製程、暫態熱流、熱輻射、 混合熱對流 Abstr actThis project investigated transient heat transfer in a RPT. A thermal model was built which can simulate rapid thermal proc-essing up to 8-inch wafer. Temperature distribution of the wafer can be deduced from infrared images acquired through a backside window. Numerical computations also car-ried out to explore parametric influences. Results show that a gold platted ring reflector can effectively compensate radiation heat losses. A ring reflector with properly re-gional platted can reduce temperature varia-tion down to a few degrees.
Keywor ds: rapid thermal processing,
tran-sient flow, thermal radiation, mixed convec-tion 二、緣由與目的 在半導體的快速熱製程中，高溫熱輻 射促使晶圓表面氧化，氧化層的厚度及均 勻性決定於受熱晶圓的溫度分佈，若能縮 小製程中的晶圓表面溫差，可使氧化層平 整且均勻，是提高製品良率、達到電特性 一致的要件。但由於處理爐的幾何形狀與 熱輻射特性，使得輻射熱源照射至晶圓的 強度無法均一。Dilhac 等人[1] 尋求對晶圓 最佳的溫度補償效果；Lee 等人[2]在晶圓 與承載台間放置不同矽環，改善氧化層厚 度及均勻性。Rao 等人[3]探討升溫速率對 晶圓表面的熱應力及氧化層的影響。Hong 等人[4] 在晶圓上方放置石英圓板，以抑制 中心上升氣流，改善超薄氧化層之均勻度。 為瞭解並改善晶圓溫度均勻性，本計 畫以台大電機系半導體實驗室中的水平式 八吋晶圓快速熱處理爐為模擬對象，設計 並建造適合熱流實驗的模型機台，以觀測 晶圓的溫度分佈，並藉由實驗方法來尋求 達到溫度均勻的最佳方法。本計畫同時以 數值計算方法探討在快速熱程中，處理爐 內的暫態熱流場與晶圓的溫度變化，以補 足實驗量測的不足，提供完整的熱流場變 化資訊。再者，數值計算時的參數調整範 圍非常大，很適合控制參數的尋優，並預 測超出實驗範圍的系統性能。 三、結果與討論 本計畫所建熱流摹擬機台如圖 1 所 示，反應爐內部長 300 mm，較實體短 400 mm，寬度及高度分別為 300 mm 及 60 mm，壁面由不銹鋼構成，壁內有冷卻水通 道，加熱燈管組合在石英窗的上方，如圖 2 所示。本機台與實體機台最大的不同是在 晶圓的下方另設一觀測用的石英窗，用來
攝取晶圓的近紅外線影像，經由影像處理 與比對，可據以推算出晶圓的相對溫度變 化。真實的晶圓溫度需要高價位的紅外線 溫度影像儀量測，並經精確的晶圓表面放 射率校準，雖然無法在本計畫核定的經費 內建置，但可經由單點測溫與相對溫度資 訊，加上數值計算的熱流場，因而可推知 晶圓的溫度變化歷程。本實驗機台亦具備 加熱燈管功率控制與爐內壓力控制，故可 摹擬相當接近於實際的快熱製程；不過為 了操作安全與建造成本考慮，本機台設計 的操作溫度為 600°C，也不需在無塵室作 業，因此尚無法應用於晶圓的氧化層生長。 由於紅外線 CCD 攝影機價位超出本 計畫設備經費，但一般以矽晶製作的 CCD 攝影機對波長 1µm 以內的近紅外線仍有感 應，故本計畫配合紅外線特殊鏡頭，以攝 取晶圓影像。整套數位影像系統與溫度校 準在組裝測試中，晶圓動態溫度擷取與分 析將持續進行之。 為探尋晶圓在快速熱處理爐內的合宜 操作條件，以改善溫度均勻性，本計畫同 時以三維數值模擬計算晶圓溫度及爐內流 場，在處理爐內晶圓與加熱石英窗之間放 置石英擋板，以及在晶圓上方放置環型反 射鏡，並改變擋板大小與直徑，變化反射 環之控制參數，決定最佳操作狀況。 數值摹擬結果的比較是以處理爐內壓 力為 1atm，等高溫 1100K 加熱 9 秒時的製 程。首先將與晶圓相同直徑 20.32cm、厚度 0.2cm 之石英擋板安置於晶圓上方，石英擋 板與晶圓間之間距分別設定為 2cm、1.75 cm、1.5cm、1.25cm 及 1cm。由圖 3 的晶 圓表面溫度分佈可知，石英擋板與晶圓之 間距縮小時，儘管晶圓邊緣之溫差逐漸增 大，但在固定溫差內的區域增大，晶圓中 心區域溫度均勻也愈高。表一統計晶圓溫 差在ΔT 範圍內之面積比：在±5K 及±10K 溫差範圍內，石英擋板置於晶圓上方 1cm 處，晶圓面積使用率比沒有放置石英擋板 時分別增加了 11%及 3.3%。 圖 4 為石英擋板與晶圓在不同間距下 反應過程中第 9 秒時爐內流場速度向量剖 面圖，及其 X 方向及 Z 方向的速度分量等 位圖。當晶圓與石英擋板的間距為 1cm， 此時的 Rayleigh 數為 520，兩平板之間無 對流胞之形成，X 方向及 Z 方向速度分量 都很小，這與理論上 Ra 值小於 1700 時兩 平板間無對流胞組織之情況是吻合的。在 晶圓之兩旁氣體，受到熱源燈管的加熱與 晶圓表面的加溫，形成向上流動氣流；當 上升氣流碰到爐頂及爐壁時，氣體溫度降 低，密度變大而往下沉，因而在晶圓兩旁 形成兩個對稱之對流胞。 兩平板之間距為 1.25cm 時，其 Ra 數 為 1014，由於擋板與晶圓之間距小，使得 對流胞受到擠壓，並受到晶圓兩旁大型對 流胞的牽引，此時石英擋板與晶圓之間則 有數個微弱之對流胞。隨著石英擋板與晶 圓之間距逐漸加大，對流胞組織強度增 大，且數目逐漸減少，而在 Ra 數為 4140 (間 距 2cm)時，石英擋板與晶圓之間形成 7 個 旺盛之對流胞。當 Ra 數值介於 1700 及 47000 時，兩平板間會形成對流胞，可以驗 證數值模擬已可適當計算出擋板與晶圓間 形成 Bernard 熱對流胞。 接著在晶圓上方固定間距 1cm 處，分 別放置直徑 20.32cm、23.32cm、26.32cm、 28.32cm (厚度仍為 0.2cm)石英擋板，比較 擋板直徑對晶圓溫度均勻性之影響。由圖 5 顯示：石英擋板直徑的增大能提升晶圓整 體之溫度，又由於進入晶圓邊緣之輻射熱 通量較多，所以晶圓邊緣溫度的提高，使 得中心與邊緣之溫差逐漸減小。 以數量化計算晶圓在溫差ΔT 範圍內 之面積比率顯示，放置直徑 23.32cm、26.32 cm 及 28.32cm 之石英擋板，在±10K 溫差 範圍內，面積比率較直徑 20.32cm 之石英 擋板分別增加了 19%、30.6%及 31.8%。直 徑 28.32cm 之擋板，在±16K 溫差範圍內面 積使用率即可達 100%，而直徑 20.32cm 之 擋板須在±26K 範圍內才能達到。 因此，放置直徑愈大之石英擋板，在 晶圓溫度均勻性有明顯的提升，主要原因 為直徑愈長之擋板其表面積愈大，吸收燈 管大部分之輻射能量後，放射出均勻之輻 射能量也就愈多，晶圓表面輻射均勻度及 溫度均勻性也就提高。 應用石英擋板來改善晶圓的溫度均勻
性效果仍有限，為增加晶圓邊緣的入射熱 輻射量，本計畫經嘗試多種改進方案後， 採用比晶圓直徑大 2 cm 的柱狀環，環高 1.8cm，內面鍍金，可將燈管輻射照至晶圓 上。衡量加熱燈管為直管狀，故反射環內 緣的並非全部鍍金，而是在與燈管垂直的 X 方向的區域全部鍍金，亦即鍍金面積比 為 100%，在與燈管平行的 Y 方向則有不 同面積比之鍍金層，面積比分別為 25%、 50%、75%、100%，如圖 6 所示。經由數 值計算來探討反射環在 Y 方向鍍上不同面 積比之鍍金層，對晶圓溫度分佈之影響。 觀察圖 7 可發覺，鍍金面積比 25%與 100%之反射環在 Y 方向晶圓邊緣溫度分 別過低及過高，鍍金面積比 50%、75%之 反射環的晶圓中心與邊緣溫差較小。比較 四組晶圓面積之使用率，如表二所示，在 ±3K 溫差範圍內，在 Y 方向鍍金面積比為 50%之反射環，面積使用率可達 100%，鍍 金面積比 50%比均勻性次佳之，鍍金面積 比 75%，在面積使用率上提高了 14.8%。 由以上結果可知：鍍金面積比 50%之 反射環可將晶圓面積使用率在 100%時，將 晶圓的溫差可控制在±3K 溫差範圍內，遠 較於其他面積比之反射環在±6K、±8K 溫差 範圍內還來的好。 選擇 Y 方向鍍金面積比 50%之反射環 作為設計參考，然後在 Y 方向方面分別在 底部、中間、頂部三種不同之區域鍍上面 積比 50%、62.5%之鍍金層，如圖 8 所示， 以比較對晶圓溫度均勻性之影響。由圖 9 發現，中間區域鍍上面積比 50%及 62.5% 之鍍金層可使晶圓整體之溫度較為均勻。 由表三中晶圓面積使用率來看，在±3K 溫 差範圍內，底部區域面積比 50%、中間區 域面積比 50%、62.5%之鍍金層，在面積使 用率上皆可達 100%。在±2K 溫差範圍內， 在中間區域面積比 62.5%比 50%之鍍金層 在面積使用率上提高 4.6%。因此中間區域 面積比 50%之鍍金層在下方再鍍上 12.5% 之金，可補償晶圓邊緣較低之溫度分佈。 由以上計算結果可知：晶圓表面溫度 不均勻的主要因素是受到熱輻射的影響， 晶圓之輻射熱量損失主要為燈管部分之輻 射熱量與晶圓邊緣與底部之能量為爐壁所 吸收，少部分由自然對流所引起之損失。 在晶圓上方放置石英擋板及鍍金環形反射 面，並調整擋板與反射環參數，對晶圓表 面溫度均勻性及邊緣溫度有明顯的補償效 果。由數值模擬結果顯示，石英擋板能使 晶圓中心區域的溫差縮小，但對晶圓邊緣 的熱輻射補償效果有限，而環狀鍍金反射 環能增加燈管入射至晶圓邊緣的輻射量， 可有效地縮小晶圓表面溫差至數度之內。 四、計畫成果自評 本研究計畫旨在探討快速熱處理爐內 的熱流現象，瞭解晶圓在快速熱製程中的 溫度歷程，據以改善晶圓溫度分佈的均勻 性。經由熱流分析可知：輻射熱傳掌控高 溫製程的溫度分佈，對流與傳導的影響較 小。因此，在晶圓與加熱石英窗間加一石 英擋板，雖可抑制對流熱傳量，但無法有 效改善晶圓邊緣的輻射熱損失。熱流場經 過眾多變數組合計算比較，最後以適當設 計的環形部份鍍金反射環能最有效率改善 晶圓的溫度，可將溫差縮小至數度之內。 此部份之數值摹擬結果業已整理成文，並 將在國內的學術會議中發表[6]。本計畫摹 擬實體機台所建構的熱流實驗機台，雖然 工作溫度設計至 600°C，但在晶圓下方另 開設觀測用的石英窗，並嘗試組合紅外線 數位影像系統，攝取晶圓的近紅外線影 像，再經校準後，推測晶圓的溫度歷程。 本項研究將持續進行，並與數值計算結果 驗證，以確定鍍金反射環的功效。若能達 成預期目標，則本研究將極其實用價值。 五、參考文獻
1. J. M. Dilhac, N. Nolhier, and C. Ganibal, “Thermal Modeling of a Wafer in a Rapid Thermal Processor,” IEEE Trans. Semicond. Manufact., 8(4), 432-439, Nov 1995.
2. K. C. Lee, H. Y. Chang, J. G. Hwu, and T. S. Wung, “The Effect of Patterned Susceptor on the Thickness Uniformity of Rapid Thermal Oxides,” IEEE Trans. Semicond. Manufact.,
12 (3), 340-344, Aug 1999.
3. V. S. Rao, T. J. R. Hughes, and K. Garikipati, “On Modeling Oxidation of Silicon II: Nu-merical Aspects,” Int. J . Numer . Meth,
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4. C.-C. Hong, Y.-R. Yen, J.-L. Su, and J.-G. Hwu, “Improvement in Ultrathin Rapid Thermal Oxide Uniformity by the Control of Gas Flow,” IEEE Trans. Semicond. Manufact., 15 (1) 102-107, Feb 2002.
圖 2 水平式快速熱處理爐熱流模型
5. FLUENT 5 User’s “Guide, Fluent Inc. July 1998. 6. 李志鵬、林志恂、翁宗賢，“水平式晶圓 快速熱處理爐晶圓溫度均勻性之改良與 補償分析”，投稿至第二十六屆全國力學 會議。 圖 6 在反射環 Y 方向不同鍍金面積比處理 爐與反射環之橫剖面圖
area ratio 25% area ratio 50%
area ratio 75% area ratio 100%
圖 4 擋板與晶圓在不同間距下第 9 秒爐內 流場速度向量剖面圖 圖 5 放置不同直徑之擋板時晶圓表面溫度 分佈等位圖 圖 3 石英擋板與晶圓在不同間距下晶圓表 面溫度分佈等位圖 圖 1 水平式快速熱處理爐構造圖 石英窗 氣體入口 反射鏡面 加熱燈管 晶圓 反應爐壁 X Y Z 氣體出口
晶圓 擋板 距離 ∆T (K) 晶圓 無擋板 2.00 cm 1.75 cm 1.50 cm 1.25 cm 擋板 1.00 cm 1 8.6 9.5 8.7 13.3 17.3 21.0 2 14.8 15.1 15.3 19.6 23.9 27.6 3 20.1 19.8 20.7 24.8 28.8 32.6 4 25.1 24.2 25.4 29.0 32.9 36.9 5 29.6 28.3 29.6 33.1 36.6 40.5 6 34.3 32.2 33.5 36.9 40.2 44.0 7 39.0 36.0 37.3 40.5 43.4 47.1 8 44.0 39.9 41.0 43.9 46.6 50.3 9 49.3 44.1 44.9 47.4 49.8 53.3 10 55.8 48.4 48.8 50.8 53.0 57.1 Y 方向 ∆T (±K) 鍍金面積比 25% 鍍金面積比 50% 鍍金面積比 75% 鍍金面積比 100% 1 47.3 67.3 64.9 42.3 2 59.4 88.2 76.4 58.4 3 66.6 100.0 85.2 70.4 4 72.8 92.4 79.2 5 78.8 98.1 86.1 6 86.7 100.0 92.0 7 99.5 96.8 8 100.0 100.0 位置與 比率 ∆T (±K) 底部區域 鍍金面積比 50% 中間區域 鍍金面積比 50% 頂部區域 鍍金面積比 50% 中間區域 鍍金面積比 62.5% 1 67.3 76.8 68.8 73.4 2 88.2 92.8 78.6 97.4 3 100.0 100.0 83.5 100.0 4 87.4 5 91.4 6 96.6 7 100.0 表三 晶圓表面溫差在∆T 範圍內之面積使用 率(反射環 Y 方向鍍金層面積比為 50% 及 62.5%在不同區域時) 表二 晶圓表面溫差在∆T 範圍內之面積使 用率(反射環 Y 方向不同鍍金面積比) 表一 晶圓表面溫差在∆T 範圍內之面積使 用率(擋板與晶圓間距不同時) 圖 9 在反射環 Y 方向不同位置鍍上反射面 時之晶圓表面溫度分佈等位圖 圖 8 在反射環 Y 方向不同位置鍍上面積比 為 50%及 62.5%之反射面
bottom area ratio 50% middle area ratio 50%
top area ratio 50% middle area ratio 62.5%
圖 7 在反射環 Y 方向不同鍍金面積比晶 圓表面溫度分佈等位圖
