Study of the heating of a silicon wafer in a rapid thermal system (RTP: Rapid Thermal Process) - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2007

Study of the heating of a silicon wafer in a rapid thermal system (RTP: Rapid Thermal Process)

Étude du chauffage d'un substrat de silicium dans un système thermique rapide (RTP : Rapid Thermal Process)

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Abstract

Rapid Thermal Process (RTP) is very used in the manufacturing of microelectronic components. It is a key stage like annealing, silicidation, oxidation, nitruration and chemical vapour deposition (CVD). Its principle is to heat a small number of silicon wafers by infrared lamps for very short durations. Its main challenge is to obtain a uniform temperature for the wafer surface.The aim of this study is to get a better understanding of the relations between the infrared lamp heating and the silicon wafer temperature profile in a rapid thermal system, the AS-One 150 system, in order to improve the silicon wafer temperature uniformity. The system is modelled in two and three dimensions. The modelling of an infrared lamp is also realized to have a better knowledge of the parameters to enter in the two and three dimensional models. The models are realized by using the CFD'ACE software. The heat and mass conservation equations are taken into consideration and the radiative heat transfer equation is solved by using a Monte-Carlo scheme. The models are validated by comparing the wafer temperature profiles and the filament temperatures in the calculations to the experimental ones. Two dimensional simulations are thereby carried out to put into light the influence of the quartz window on the wafer temperature profile and vice-versa. Different parameters are modified in the models like the radiative properties of the wafer or the window thermal diffusivity. This correlation is then explained by the emission, absorption, reflection and transmission properties of the silicon wafer and the quartz window and by the influence of the reactor cooled wall at 300 K. The different phenomena which explain the shape of the wafer temperature profile are displayed in a four phase diagram. A discussion of the diagram leads to two ideas to improve the wafer temperature uniformity. They consist in changing the radiative properties for the lower face of the quartz window to let the radiative heat of the lamp pass and to prevent the absorption of the radiations emitted by the silicon wafer by two configurations. These two ideas are verified by numerical simulations in two dimensions. A future experimental test is finally suggested.
Le procédé thermique rapide (RTP : Rapid Thermal Process) est très utilisé dans la fabrication des composants de microélectronique. Il correspond à plusieurs étapes clés comme les recuits d'implantation, de siliciuration, d'oxydation, de nitruration et le dépôt de couches minces par CVD (Chemical Vapor Deposition). Il consiste à chauffer un nombre restreint de substrats de silicium par des lampes infrarouges permettant ainsi des durées de traitement très courtes. L'enjeu majeur est d'obtenir une température uniforme à la surface du substrat.Le but de cette étude est de mieux comprendre les relations entre le chauffage par les lampes infrarouges et le profil de température d'un substrat de silicium dans un système thermique rapide, le système AS-One 150, en vue d'améliorer l'uniformité de la température du substrat de silicium. La modélisation du système est réalisée en deux et trois dimensions. La modélisation approfondie d'une lampe infrarouge est aussi effectuée pour mieux cerner les paramètres des lampes à entrer dans les modèles en deux et trois dimensions. Les modélisations ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD'ACE. Les équations de conservation de la masse et de la chaleur ont été considérées et l'équation de transfert radiatif est résolue selon un schéma utilisant la méthode Monte-Carlo. Les modèles sont validés en confrontant les profils de température du substrat et les températures des filaments à des mesures expérimentales. Des simulations avec le modèle en deux dimensions sont par la suite réalisées pour mettre en évidence l'influence du hublot en quartz sur le profil de température du substrat et inversement. Différents paramètres du modèle sont modifiés comme les propriétés radiatives du substrat et du hublot ou la diffusivité. Cette corrélation est ensuite expliquée par les propriétés d'émission, d'absorption, de réflexion et de transmission du substrat de silicium et du hublot en quartz et par l'influence des parois froides du réacteur à 300 K. Les différents phénomènes expliquant la forme du profil de température du substrat sont alors posés dans un schéma en quatre phases. La discussion de ce schéma permet d'aboutir à deux idées pour améliorer l'uniformité de la température du substrat. Ces dernières consistent à modifier les propriétés radiatives au niveau de la surface inférieure du hublot pour laisser passer le rayonnement des lampes et éviter l'absorption du rayonnement émis par le substrat de silicium selon deux configurations. Ces idées sont alors vérifiées par des simulations numériques en deux dimensions. Une future mise en œuvre expérimentale est finalement envisagée.
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Dates and versions

pastel-00797638 , version 1 (06-03-2013)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00797638 , version 1

Cite

Pierre-Olivier Logerais. Étude du chauffage d'un substrat de silicium dans un système thermique rapide (RTP : Rapid Thermal Process). Thermique [physics.class-ph]. Arts et Métiers ParisTech, 2007. Français. ⟨NNT : 2007ENAM0024⟩. ⟨pastel-00797638⟩
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