Rapid Thermal Processing A „Nanoelektronika” című tantárgy hallgatói előadása Készítette: Hantos Gusztáv.

Az előadások a következő témára: "Rapid Thermal Processing A „Nanoelektronika” című tantárgy hallgatói előadása Készítette: Hantos Gusztáv."— Előadás másolata:

1 Rapid Thermal Processing A „Nanoelektronika” című tantárgy hallgatói előadása Készítette: Hantos Gusztáv

2 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 2/26 Mi is az RTP? Szeletek rövid utólagos hőkezelése Szeletek rövid utólagos hőkezelése Inkoherens fényforrás használata Inkoherens fényforrás használata UV-IR tartományig terjedő spektrumUV-IR tartományig terjedő spektrum Rövid technológia lépés (<1-100sec) Rövid technológia lépés (<1-100sec) Számos alkalmazásban használják Számos alkalmazásban használják Donor aktiváció, élettartam növelésDonor aktiváció, élettartam növelés Termikus oxidációTermikus oxidáció Fém reflow, kontaktus készítésFém reflow, kontaktus készítés

3 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 3/26 Tartalom Prototípusok Prototípusok RTP csoportosítása hőközlés szerint RTP csoportosítása hőközlés szerint AdiabatikusAdiabatikus HőterjedésesHőterjedéses IzotermikusIzotermikus Fűtési eljárások csoportosítása Fűtési eljárások csoportosítása Fix hőfok, kemence, szelet transzportFix hőfok, kemence, szelet transzport Optikai fűtés, zárt kör, teljesítmény szabályzásOptikai fűtés, zárt kör, teljesítmény szabályzás Különbségek kemencés és RTP hőkezelés között Különbségek kemencés és RTP hőkezelés között Alkalmazások Alkalmazások

4 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 4/26 Első próbálkozások 1966 - Western Electric Company 1966 - Western Electric Company Szelet gyors behelyezése felfűtött kemencébeSzelet gyors behelyezése felfűtött kemencébe NPN tranzisztorok gyártási kihozatalának javítása arany diffúzióval – „gold spiking”NPN tranzisztorok gyártási kihozatalának javítása arany diffúzióval – „gold spiking” Former Electrical Engineering Research Center Former Electrical Engineering Research Center Izzólámpás alternatív megoldásIzzólámpás alternatív megoldás

5 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 5/26 A prototípusok buktatói Homogén hőeloszlás problémája Homogén hőeloszlás problémája Izzó lámpa helyett reflektor alkalmazásaIzzó lámpa helyett reflektor alkalmazása Minél gyorsabb felfűtési idő Minél gyorsabb felfűtési idő Nagyhőmérsékletű izzószál (>2000K)Nagyhőmérsékletű izzószál (>2000K) Szelet lebegtetése N 2 -vel, forgatás Szelet lebegtetése N 2 -vel, forgatás Termikus szigetelésTermikus szigetelés Egyenletes felületi hőmérsékletEgyenletes felületi hőmérséklet

6 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 6/26 Folyamat karakterizálás Nyílt szabályzás használata Nyílt szabályzás használata Előre beállított teljesítményElőre beállított teljesítmény Fix 5sec többféle teljesítményenFix 5sec többféle teljesítményen Szenzorok alkalmazása, zárt szabályzás Szenzorok alkalmazása, zárt szabályzás Automatizálás iránti igényAutomatizálás iránti igény Tervezhető, modellezhető végeredmény eléréseTervezhető, modellezhető végeredmény elérése

7 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 7/26 Hőközlés szerinti csoportosítás Energiatranszfer módjai Energiatranszfer módjai Látható és IR fény lézerrelLátható és IR fény lézerrel Inkoherens fényInkoherens fény Elektron és ion sugárElektron és ion sugár Fekete-test sugárzásFekete-test sugárzás Si termikus válaszidejéhez képest az RTP időtartama a legmeghatározóbb Si termikus válaszidejéhez képest az RTP időtartama a legmeghatározóbb

8 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 8/26 Si termikus válaszideje t = s 2 * k -1 t = s 2 * k -1 s ~ termikus diffúzió mélység (v. minta mérete) s ~ termikus diffúzió mélység (v. minta mérete) k ~ termikus diffúziós állandó k ~ termikus diffúziós állandó 0,8 cm 2 /sec @ 25°C0,8 cm 2 /sec @ 25°C 0,1 cm 2 /sec @ 1400°C0,1 cm 2 /sec @ 1400°C t ~ micro-millisec tartományban van t ~ micro-millisec tartományban van Például: Például: s = 10 um, k = 0,2 cm 2 /sec, t = 5*10 -6 ss = 10 um, k = 0,2 cm 2 /sec, t = 5*10 -6 s

9 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 9/26 RTP időtartama A hőkezelés időtartama és a Si termikus válaszának viszonya szerint lehet az eljárás: A hőkezelés időtartama és a Si termikus válaszának viszonya szerint lehet az eljárás: AdiabatikusAdiabatikus HőterjedésesHőterjedéses IzotermikusIzotermikus

10 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 10/26 Adiabatikus eljárás Nagyteljesítményű lézer használata Nagyteljesítményű lézer használata 10-100 nsec fűtési idő < t10-100 nsec fűtési idő < t Extrém felfűtési idő Extrém felfűtési idő Megolvad a mintaMegolvad a minta Nem alkalmas VLSI technológiában Nem alkalmas VLSI technológiában Impulzus lézer, elektron- és ionsugár Impulzus lézer, elektron- és ionsugár

11 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 11/26 Hőterjedéses eljárás Összemérhető fűtési idő a Si válaszidejével: Összemérhető fűtési idő a Si válaszidejével: 10 -4 -10 -2 sec fűtési idő ~ t10 -4 -10 -2 sec fűtési idő ~ t Pont vagy vonal pásztázott fűtés Pont vagy vonal pásztázott fűtés CW lézer és elektronsugár megvilágítóCW lézer és elektronsugár megvilágító Hátránya Hátránya A fűtött terület közepén kristályhibák eltűnnekA fűtött terület közepén kristályhibák eltűnnek A kezelt rész körül új hibák alakulnak kiA kezelt rész körül új hibák alakulnak ki

12 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 12/26 Izotermikus eljárás Nagyságrendekkel nagyobb hőkezelési idő a Si válaszidejénél Nagyságrendekkel nagyobb hőkezelési idő a Si válaszidejénél 1-100 sec >> t1-100 sec >> t Azonos hőmérséklet laterálisan és mélységben Azonos hőmérséklet laterálisan és mélységben Megőrzi a kialakított struktúrát, áramköröketMegőrzi a kialakított struktúrát, áramköröket Nagyobb gyártási mennyiség a pásztázásos technológiáknál Nagyobb gyártási mennyiség a pásztázásos technológiáknál Nagyobb hatásfok a pulzált fényforrásnál Nagyobb hatásfok a pulzált fényforrásnál Halogén lámpaHalogén lámpa Plazma, elektronsugárPlazma, elektronsugár

13 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 13/26 Időskála Kezelési idő, mélységfüggés, hőeloszlás Kezelési idő, mélységfüggés, hőeloszlás

14 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 14/26 Fűtési eljárások I. Alapvetően két csoportba oszthatóak Alapvetően két csoportba oszthatóak Állandó hőmérsékletű kemence szelet mozgatássalÁllandó hőmérsékletű kemence szelet mozgatással Izzószálas vagy ívkisüléses megvilágítás szabályzott kimeneti teljesítménnyelIzzószálas vagy ívkisüléses megvilágítás szabályzott kimeneti teljesítménnyel

15 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 15/26 Fűtési eljárások II. A: ívkisülésI: izzószál A: ívkisülésI: izzószál F:harang kemence S: susceptor kemence F:harang kemence S: susceptor kemence

16 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 16/26 A jó technológia kulcsa A kemencés eljárásokban A kemencés eljárásokban A termikus egyensúly fenntartása a kemencébe helyezett szeletenA termikus egyensúly fenntartása a kemencébe helyezett szeleten A világítótest alapú eljárásokban A világítótest alapú eljárásokban A környezeti tényezők kézbentartása egy messze nem egyensúlyi folyamatnálA környezeti tényezők kézbentartása egy messze nem egyensúlyi folyamatnál Jóval bonyolultabb vezérlés, de sokkal pontosabb fűtésJóval bonyolultabb vezérlés, de sokkal pontosabb fűtés

17 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 17/26 Kemencés RTP Nyílt szabályzási kör Nyílt szabályzási kör Fekete test környezetFekete test környezet Si alacsony fajlagos sugárzásaSi alacsony fajlagos sugárzása T max +200°C T max +200°C Szelet emisszió kompenzálható Szelet emisszió kompenzálható

18 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 18/26 Izzólámpás RTP I. Lehet 1 illetve 2 oldalas megvilágítás Lehet 1 illetve 2 oldalas megvilágítás Quartz-halogén-izzótest használata Quartz-halogén-izzótest használata Szögben elhelyezett izzótestekSzögben elhelyezett izzótestek Lineáris izzótestek és szelet forgatásLineáris izzótestek és szelet forgatás A két oldalas megvilágítás durván kétszeres teljesítményt közöl A két oldalas megvilágítás durván kétszeres teljesítményt közöl Quartz szelet befogó veszteségeQuartz szelet befogó vesztesége

19 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 19/26 Izzólámpás RTP II. Fényforrással ellenoldalon a hőszenzor Fényforrással ellenoldalon a hőszenzor Fényvisszaverő felület a szelet alatt Fényvisszaverő felület a szelet alatt Párban használt szenzor, eltérő R plate Párban használt szenzor, eltérő R plate E: kisugárzott hő extrapolálható a két szenzorral E: kisugárzott hő extrapolálható a két szenzorral

20 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 20/26 Izzólámpás RTP III. AC gerjesztés AC gerjesztés Szenzorok különbségi jele a szelet kisugárzása, fekete-test közelítéssel számolható T szelet Szenzorok különbségi jele a szelet kisugárzása, fekete-test közelítéssel számolható T szelet

21 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 21/26 Ívlámpás RTP Hátoldali fűtés Hátoldali fűtés Struktúra védettStruktúra védett Magas fényáram Magas fényáram Gyors válaszidő Gyors válaszidő Keskeny impulzusKeskeny impulzus Fény elnyelő kamra Fény elnyelő kamra Reflexió csökkentésReflexió csökkentés Lehűlés elősegítéseLehűlés elősegítése Digitális kép a teljes szeletről Digitális kép a teljes szeletről Másodlagos fűtés az állandó hőmérséklet eléréséreMásodlagos fűtés az állandó hőmérséklet elérésére

22 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 22/26 Si emissziós függvénye Spectrális sugárzás Spectrális sugárzás 1000°C1000°C Si szeleten 250nm SiO 2 + 70nm poly-SiSi szeleten 250nm SiO 2 + 70nm poly-Si Helyes fényforrás megválasztása a felülethez Helyes fényforrás megválasztása a felülethez Izzószálas intenzitásának fele 1-2 um tartományba esik! Izzószálas intenzitásának fele 1-2 um tartományba esik!

23 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 23/26 RTP vs. Classic TP I. Kisebb termelési költségek Kisebb termelési költségek Kis hőmennyiség használata Kis hőmennyiség használata Gyors eljárás, tömeggyártásra alkalmasGyors eljárás, tömeggyártásra alkalmas Mind IC mind napelem gyártásban alkalmasMind IC mind napelem gyártásban alkalmas Nagyságrendekkel kisebb teljesítményű berendezések Nagyságrendekkel kisebb teljesítményű berendezések <10kW<10kW

24 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 24/26 RTP vs. Classic TP II. Különbségek: Különbségek: Kemence falának hőmérsékleteKemence falának hőmérséklete Rendszer hőkapacitásaRendszer hőkapacitása Hőkezelés időtartamaHőkezelés időtartama Foton spektrum (UV-IR, IR)Foton spektrum (UV-IR, IR)

25 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 25/26 Alkalmazás Mikro- és nanotechnikában általában Mikro- és nanotechnikában általában Donor aktivációDonor aktiváció Élettartam növelésÉlettartam növelés Termikus oxidációTermikus oxidáció Egyéb fém reflowEgyéb fém reflow Napelem gyártásban Napelem gyártásban Foszfor diffúzió PN átmenet formálásáraFoszfor diffúzió PN átmenet formálására Hidrogén diffúzió hibahely passziválásraHidrogén diffúzió hibahely passziválásra Ag-Al kivezetések kontaktálásaAg-Al kivezetések kontaktálása LED gyártásban LED gyártásban Réteg előkészítés CVD eljárásokhozRéteg előkészítés CVD eljárásokhoz Mozgékonyság növelés, ellenállás csökkentésMozgékonyság növelés, ellenállás csökkentés

26 Hantos Gusztáv Rapid Thermal Processing 26/26 Köszönöm a figyelmet!