在半導體制造的快速熱退火工藝步驟中，測量晶圓的溫度是關鍵。如果測量不準確，可能會出現過熱和溫度分布不均勻的情況，這兩者都會影響工藝的效果。因此，我們需要使用 COMSOL Multiphysics? 多物理場仿真軟件來分析快速熱退火設計中的溫度分布。根據仿真結果，我們可以更好地評估傳感器組件的性能以及優化其配置，從而獲得準確的測量結果。
快速熱退火簡介
對于半導體行業的人來說，快速熱處理(RTP)被認為是生產半導體的一個重要步驟。在這種制造工藝中，硅晶圓在幾秒鐘或更短的時間內被加熱到超過 1000°C 的溫度。這是通過使用高強度的激光器或燈作為熱源來實現的。然后，硅晶圓的溫度被慢慢降低，以防止因熱沖擊而可能發生的任何變形或破裂。從激活摻雜物到化學氣相沉積，快速熱處理的應用范圍廣泛，這在我們之前的文章中討論過。
快速熱退火(RTA)是快速熱處理的一個子步驟。這個過程包括將單個晶圓從環境溫度快速加熱到 1000~1500K 的某個值。為使 RTA 有效，需要考慮以下因素。首先，該步驟必須迅速發生，否則，摻雜物可能會擴散得太多。防止過熱和不均勻的溫度分布對該步驟的成功也很重要。這有利于在快速熱處理期間對晶圓的溫度進行準確測量，這是通過熱電偶或紅外傳感器來實現。
一個常見的快速熱退火裝置示意圖。
理論上，當紅外傳感器被安裝在合適的位置時，只接收由硅圓反射和發射的輻射，也就是所謂的二次輻射。傳感器的其他理想特性還包括反應時間短和精確度高。為了設計一個最佳的紅外傳感器，我們可以在 COMSOL Multiphysics 中進行參數優化。但在進行這一步之前，與廉價的熱電偶相比，需要使用仿真來確定紅外傳感器是否是快速熱退火配置的更合適的選擇，這也是我們在這里討論的重點。
在快速熱退火配置中分析傳感器的性能和溫度分布
根據上圖所顯示的，快速熱退火在許多應用中經常使用雙面加熱。在這些設置中，紅外燈被放置在硅晶圓的上方和下方。對于本文討論的快速熱退火教程，我們選擇建立一個單面加熱裝置的模型。
快速熱退火配置的熱模型幾何結構
在上圖中，組件被儲存在一個具有溫度控制壁的腔
室中，壁的設定點溫度為400K。因為腔室是封閉的，所以腔室壁的幾何形狀被省略了。該模型進一步假設輻射和對流
冷卻在物理系統中占主導地位。使用傳熱系數來模擬晶圓和傳感器與氣體的對流冷卻。
同時，將紅外燈視為一個固體，其體積熱源為 25kW。除了頂面，固體燈其他面都設為熱絕緣。正是通過燈面向晶圓的頂面，熱量以輻射形式離開燈管。該模型使用較低的固體熱容來實現燈的快速啟動。燈的其他熱特性與金屬銅相同。
首先我們來看看加熱 10s 后燈管、晶圓和傳感器的溫度分布。在下面的模擬圖中，晶圓的溫度(約 1800K)和傳感器的溫度(約 1100K)之間存在著明顯的差異。您可能也會觀察到晶圓上的溫度分布也不均勻。重新配置熱源可以幫助解決這個問題，雖然這沒有包括在我們的例子模型中。
加熱 10 s 后的瞬態溫度場。
我們還想看看傳感器的溫度如何反映了晶圓表面的溫度。為此，繪制了晶圓表面面向燈的中心點的瞬態溫度，以及傳感器頂部表面某點的溫度。在下面的圖中，這兩個測量值分別用 Twafer 和 Tsensor 來表示。同時顯示了燈的瞬態溫度（Tlamp）和傳感器表面的輻照功率 Isensor。
比較快速熱退火配置的各個組件的瞬態溫度，以及傳感器表面的輻射功率。
從模擬結果可以看出，傳感器的溫度很難反映晶圓的溫度。因此，這個過程中調節熱電偶的信號不會很有用。但紅外探測器確實顯示出與晶圓溫度特征的良好一致性。這種對晶圓溫度的精確測量是通過尺度放大實現的。
需要提及的是，紅外傳感器也有一些缺點。例如，紅外傳感器的慣性遠遠小于晶圓。雖然晶圓需要一些時間來加熱，但傳感器一開始就能檢測到輻射。此外，紅外信號取決于晶圓的發射率。由于發射率隨溫度變化而變化，因此反應是非線性的。該信號對幾何形狀的變化也相當敏感。利用像 COMSOL Multiphysics 這樣的工具，我們可以充分研究這種現象，并更好地了解如何優化 RTA 配置來成功地進行半導體制造。
