Analysis of Thermal Radiation in a Rapid Thermal Processor Using Ray Tracing

由於快速熱處理爐能在短時間內釋放高溫的熱輻射，在對晶圓進行熱製程時，有著加熱時間短、低熱預算及低雜質擴散的優點。當半導體產業逐漸以奈米元件及大尺寸晶圓製程為主後，快速熱處理製程(rapid thermal processing，簡稱RTP)便被廣泛的使用。在製程當中最常遇到的問題是晶圓溫度分佈的不均勻引發錯位的晶圓缺陷等。 本文以水平式快速熱處理機台為主，藉著數值模擬爐內的熱傳現象，忽略機台內的熱對流場與晶圓內部的熱傳導現象，利用光線追蹤法來探討入射晶圓表面的輻射通量分佈。藉著調整燈管位置與徑向發能量的調整來探討對入射晶圓不均勻度的影響，接著加入反射板與三平面反射鏡，調整其對晶圓不同的轉折角度探討對晶圓邊緣輻射損失的效果。 最後調整反射罩形狀與位置，由於反射罩導致晶圓中心區域輻射量較高，因此將反射罩設定一個可改變位置的區域，探討移動此區域的位置對晶圓邊緣補償，及入射晶圓熱輻射通量的均勻性。ABSTRACT Because the lamps can radiate high intensity of thermal radiation onto a wafer within a short time, a RTP features rapid heating, low thermal budget, and low dopant diffusion in semiconductor manufacturing. As the semiconductor industry progresses to nano size and large size of wafer, the RTP attracts varieties of applications. The most often encountered problem in RTP is the temperature nonuniformity in a wafer during processing which may cause major defects of a wafer. This thesis numerically investigates thermal radiation in a horizontal RTP with negligible conduction and convection in the chamber. Ray tracing technique is employed to compute incident radiation of a wafer during processing. Temperature nonuniformity of a wafer is explored by adjusting locations of lamps. Flat mirrors are positioned in various configurations in order to reduce radiant losses around the edge of a wafer. Finally, the shapes and locations of the lamp reflector are studied intending to increase incident radiation and uniformity of a wafer. Numerical computations provide a valuable tool for the design and improvement performance of a RTP.目錄 目次 頁次 摘要 I 目錄 III 附圖目錄 V 附表目錄.................................................... VIII 符號說明 IX 第一章 序論…………………………………………………..1 1.1 引言...............................................1 1.2 文獻回顧...........................................1 1.3 研究動機與本文內容.................................4 第二章 快速熱處理機台系統分析與簡介.............6 2.1 系統描述...........................................6 2.1.1模擬系統簡介與設定 .......................... 6 2.2 快速熱處理製程介紹.................................7 第三章 熱輻射分析與光線追蹤...................... 10 3.1 熱傳分析..........................................10 3.1.1熱輻射.......................................10 3.2 光線追蹤方法.......................................13 第四章 數值模擬結果之討論與分析................15 4.1 光源熱輻射線獨立性分析與收斂驗證..................15 4.2 立體角輻射能量分配比例的影響......................17 4.3 放置鍍金反射鏡....................................17 4.3.1 反射鏡向內傾斜角度對輻射均勻度的影響 .......18 4.3.2 反射鏡向外傾斜角度對輻射均勻度的影響........19 4.3.3 反射鏡在平行X軸方向向外傾斜對輻射均勻度 的影響......................................20 4.4 放置三面平面反射鏡................................21 4.4.1 三平面反射鏡向內轉折角度....................21 4.5 燈管陣列..........................................22 4.6 反射罩形狀設計....................................23 第五章 結論與未來展望..............................25 5.1 結論..............................................25 5.2 未來展望..........................................27 參考文獻...............................................28 附圖目錄 頁次 圖2-1 一般RTP系統......................................30 圖2-2(a) 模擬機台物理尺寸示意圖.........................30 圖2-2(b) 模擬機台外型示意圖.............................30 圖3-1 晶圓微小控制體積示意圖............................31 圖3-2 輻射能量入射物體的反射、吸收與穿透示意圖..........31 圖3-3 形狀因子示意圖....................................32 圖3-4 立體角積分示意圖..................................32 圖3-5(a) 相對於單位半體球的發射方向與立體角.............33 圖3-5(b) 燈管某單位面積上射線示意圖.....................33 圖3-6 光線追蹤模擬流程示意圖............................34 圖4-1 燈管上單位面積不同離散角度之2D俯視圖.............35 圖4-2 晶圓表面切線的定義................................35 圖4-3 原始模式(離散角度4°).............................36 圖4-4 晶圓表面X及Y切線方向入射輻射通量分佈圖..........36 圖4-5 cosθ冪次方在晶圓表面X及Y切線方向入射輻射通量 分佈圖............................................37 圖4-6 調整cosθ冪次方在晶圓表面入射輻射等位圖..........37 圖4-7 反射板向內轉折角度示意圖.........................38 圖4-8 反射鏡面向內部傾斜不同角度，晶圓表面X方向與Y方向 切線入射熱輻射通量分佈圖..........................38 圖4-9 反射鏡面向內部傾斜不同角度，晶圓表面入射熱輻射通量 等位圖............................................38 圖4-10 反射板向外轉折角度示意圖..........................39 圖4-11 反射鏡面向外部傾斜不同角度，晶圓表面X方向與Y方向 切線入射熱輻射通量分佈圖.........................39 圖4-12 反射鏡面向外部傾斜不同角度，晶圓表面入射熱輻射通量 等位圖............................................40 圖4-13 反射板向外轉折角度示意圖..........................41 圖4-14 反射鏡面向外部傾斜不同角度，晶圓表面X方向與Y方向 切線入射熱輻射通量分佈圖..........................41 圖4-15 反射鏡面向外部傾斜不同角度，晶圓表面入射熱輻射通量 等位圖............................................42 圖4-16 三平板向內轉折不同角度示意圖......................43 圖4-17 三平面反射鏡中間固定兩邊傾斜不同角度，晶圓表面X方向 與Y方向切線入射熱輻射通量分佈圖..................43 圖4-18 三平面反射鏡中間固定兩邊傾斜不同角度，對晶圓表面入射 熱輻射通量等位圖對晶圓表面入射熱輻射通量等位圖....44 圖4-19 燈管陣列模擬示意圖............................... 45 圖4-20 燈管陣列放置在不同位置，對晶圓表面X方向與Y方向切線 入射熱輻射通量分佈圖..............................45 圖4-21 燈管陣列擺放不同位置，對晶圓表面入射熱輻射通量 等位圖............................................46 圖4-22 改變反射罩中間反射區域位置示意圖..................47 圖4-23 改變反射罩中間反射區域位置，對晶圓表面X方向與Y方向 切線入射熱輻射通量分佈圖..........................47 圖4-24 燈管陣列擺放不同位置，對晶圓表面入射熱輻射通量 等位圖............................................48 附錄說明 頁次 表3-1 光源檔程式.........................................49 表4-1 燈管射線數獨立分析.................................5