Теплофизические исследования и разработка реакторного блока установки быстрой термической обработки

• Автор: Сосунов, Александр Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.27.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 193 с. : ил.

Введение.
1. Проблемы разработки и использования установок быстрой термической обработки.
1.1 Технологические процессы в установках БТО.
1.2 Блоки нагрева пластин в установках БТО.
1.3 Контроль быстрого термического процесса.
1.4 Оценка современных установок БТО.
Выводы по 1 разделу.
2. Теоретическое исследование тепловых полей в камере БТО.
2.1 Расчёт температуры пластины в установке БТО при импульсном нагреве.
2.2 Светотехнический расчёт реактора с ИК- нагревом.
2.3 Расчёт мощности ламп для ИК-нагрева.
2.4 Температурные напряжения в полупроводниковой пластине при обработке в камере БТО.
Выводы по 2 разделу.
3. Экспериментальные исследования температурных полей в камере БТО.
3.1 Методики контроля и регулирования температуры в реакторе установки БТО.
3.2 Расположение тепловых источников в реакторе установки БТО.
3.3 Результаты измерения температуры в реакторе.
Выводы по 3 разделу.
4. Установка быстрой термической обработки, конструкция и применение.
4.1 Описание работы промышленной установки, её конструктивные особенности.
4.2 Технологические испытания установки.
4.3 Экспериментальное исследование образцов ионнолегированных структур после операций термообработки.
Выводы по 4 разделу.
Общие выводы.
Литература.
Приложения:
Приложение 1. Результаты измерения поверхностного сопротивления партии кремниевых пластин.
Приложение 2. Программа расчёта неравномерности облучённости и геометрических параметров камеры установки БТО.
Приложение 3. Маршрут формирования активной структуры БиКМОП
СБИС.
Приложение 4. Акты приёмки-сдачи установки БТО.
Введение.
Быстрая термическая обработка (БТО) полупроводниковых структур является одним из методов импульсной термообработки, характеризующейся длительностью теплового импульса от единиц до десятков секунд. Нагрев полупроводниковых пластин осуществляется мощными тепловыми потоками до равновесной температуры, определяемой тепловым балансом.
Технология быстрой термической обработки достигла в последнее время значительных успехов. Динамическая обратная связь, многозонный контроль и осесимметричная конструкция камеры позволили повысить технологичность и усовершенствовать управление процессом. [1-3]
Исследования показали [3], что БТО обеспечивает высокое качество отжига ионно-легированных слоев (ИЛС), формирование омических контактов, получение силицидов металлов, тонких окисных и диэлектрических плёнок, оплавление плёнок фосфоросиликатного и боросиликатного стекол, рекристаллизацию аморфных и поликристаллических плёнок. Необходимым условием получения качественной обработки БТО является равномерность, стабильность поля температур в реакторе, а так же управление величиной теплового потока. [4-6]
В производстве полупроводниковых приборов прослеживается тенденция к индивидуальной обработке пластин, за исключением процессов предварительного термического окисления, отжига и процессов осаждения слоев из газовой фазы при пониженном давлении (БРСУЮ). Индивидуальная обработка пластин облегчает кластеризацию, снижает время цикла, уменьшает риск появления дефектов в операции вследствие малого количества обрабатываемых пластин, обеспечивает более чистую среду благодаря уменьшенному объему реактора, позволяет создать более совершенное управление процессом.
В течение нескольких лет установки БТО, заявляя о перечисленных преимуществах, пытались пробиться на рынок печей периодического действия. Хотя увеличение размеров пластин от 150 до 200 мм предоставила установкам БТО возможность конкурировать с печами групповой обработки пластин, контроль температур все же оставался проблемой. В настоящее время по мере перехода промышленности к большим размерам пластин и по мере ужесточения требований, предъявляемых к термическому балансу, толщине и равномерности пленок,

ряд серьезных недостатков. К ним относятся значительные механические напряжения, возникающие при локальном нагреве кристалла, а также большие температурные градиенты и скорости охлаждения, вызывающие высокие термонапряжения и недопустимые концентрации точечных дефектов, для ликвидации которых необходим последующий низкотемпературный отжиг в печи [38]. Поэтому адиабатический режим не обсуждается.
Рассмотрим процессы, происходящие в пластине при импульсной обработке в режиме теплового баланса. Условие теплового баланса
м>=оЯТ*+аЯТ* (2.1)
где - поглощаемая пластиной мощность излучения, Вт/м2; То,Ты - температуры передней и задней поверхностей соответственно; а коэффициент Стефана-Больцмана; Я - излучательная способность.
В кремнии коэффициент поглощения света в видимой области при Т (Т?. «1700 °К - температура плавления) порядка 10 мкм’1. Поэтому для пластин толщиной более 10 мкм областью выделения тепловой мощности при облучении является узкий приповерхностный слой. Часть выделяющейся мощности диффундирует к тыльной поверхности пластины и переизлучается:
0(го-)=аАГ4 (2.2)

где в - коэффициент теплопроводности, Вт/м*К; с! - толщина пластины.
Очевидно, что при тепловом балансе распределение температуры по толщине образца является линейным, а ее градиент С(Г}г—То)/Т1 постоянен и отрицателен. В соответствии с (2.2) разность температур между поверхностями вблизи температуры плавления составляет Тц - То = -7°К ((1=380 мкм, в =26 Вт/м*К ). Полученный перепад температур мал, что позволяет не учитывать температурную зависимость. Распределение температуры, установившееся к моменту окончания импульса нагрева, приведено на рис.2.1 (кривая 1).
Для расчета профилей распределения температуры в образце проводилось численное решение уравнения теплопроводности: