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研究生:陳志雄
研究生(外文):Chih-Shung Chen
論文名稱:水平式晶圓快速熱處理爐之三維暫態熱流分析
論文名稱(外文):Three Dimension Numerical Simulation of Transient Flow and Heat Transfer in a Horizontal Rapid Thermal Processor
指導教授:翁宗賢
指導教授(外文):Tzong-Shyn Wung
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:應用力學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:快速熱處理晶圓暫態熱流半導體設備
外文關鍵詞:Rapid Thermal ProcessingWaferTransientFlow and Heat TransferSemiconductor instrument
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摘要
熱處理製程在積體電路的製造上是相當重要的一環。 近年來為了朝向低線寬元件製造技術及提高產能速度,傳統熱爐管的長時間加熱方式已無法符合需求。一種以高溫輻射光源加熱晶片的快速熱處理製程(RTP)因此應運而生, 其優點在於加熱速度快、低熱預算及易於控制設備環境, 使製程深具彈性化,所以逐漸取代傳統熱爐管。然而其最大缺點在於高溫熱輻射的加熱方式容易造成溫度不均勻現象,影響產品良率。本文即針對反應爐室內的熱流行為進行數值模擬,分析晶圓表面溫度分佈狀況,並藉由改變設備控制參數,降低晶圓表面的溫度不均勻現象
本文以水平式快速熱處理設備為對象,利用數值計算方法模擬反應爐內的暫態熱流場與晶圓表面溫度,針對爐內環境以能量平衡為基礎,建立流場數學模式,考慮輻射 對流及傳導三種熱傳機制的作用,分析快速升溫歷程中晶圓表面的受熱情形。在加熱過程中,鎢-鹵素燈管熱源以50℃/sec~100℃/sec的升溫速率,由預熱溫度573K快速升溫至1373K,由於高溫輻射熱傳能量與絕對溫度呈四次方關係,所以主導了整體的熱傳現象。以往的研究報告曾針對輻射與對流的熱傳機制作探討,不過其數值模擬大多局限於二維的熱流分析。為了比較晶圓在不同角度的徑向溫度分佈,本文為晶片及反應爐室建立三維幾何模型,進行數值模擬,希望對爐內熱流場能有更真實的模
由數值計算的結果顯示:晶圓在徑向的溫差很大,晶圓表面對稱軸中心與邊緣溫差將近80℃。入射輻射能也有將近25%的落差。顯示晶圓表面溫度不均勻主要是由熱源輻射能量分佈與邊緣冷卻壁面影響所引起。本文試著改變熱源分佈及反應爐室的壁面特性,希望能藉由晶圓邊緣的能量提升達到溫度補償的效果。模擬結果顯示:加寬熱源分佈及改變壁面反射率,使得晶圓中心與邊緣溫差降到20℃~40℃左右,變化前後晶圓邊緣增溫比率為4.8%~7.5%,顯然有很大的改善;而漸增冷卻壁溫的方式,雖然對晶圓整體輻射能提升有助益,但並未達到邊緣溫度補償的效果。 改變製程壓力則對爐內熱流場影響不大;通入氣體強制對流的結果,造成晶圓迎風面邊緣有將近8%的溫度變化率,顯示強制對流對晶圓表面熱流行為影響很大;另外,為了改善強制對流對溫度的影響,本文以入口漸張及出口漸縮的管徑模擬進氣與排氣。結果顯示在入出口附近,管徑改變前後晶圓邊緣環流減弱,顯然對流場壓力變化有緩和作用。
目 錄
頁次
誌謝…………………………………………………………….I
摘要…………………………………………………………III
目錄…………………………………………………………IV
附圖目錄…………………………………………………….VI
符號說明…………………………………………………X
第一章 緒論…….…………………………………………1
1.1 引言.……….……………………………………………1
1.2 半導體製程及熱處理設備簡介.………………………1
1.3 研究動機與文獻回顧………………………………...4
1.4 本文內容.……………………………………………..…6
第二章 快速熱製程(RTP)簡介……..…...………..7
2.1 RTP之沿革………………………………………………7
2.2 RTP之設備……….…………………………………..…7
2.3 RTP之發展趨勢……….………………………………10
第三章 物理分析……………………………………13
3.1 系統描述……………………………………………….13
3.1.1 設備…….………………………………………..13
3.1.2 熱處理流程……………………………………..14
3.2 熱傳分析……………………………………………….14
3.2.1 熱傳導....………………………………………..14
3.2.2 熱對流....………………………………………..16
3.2.3 熱輻射....………………………………………..16
第四章 數值分析…………….…………………….22
4.1 網格之建立…………………………………………....22
4.2 數學模式的建立……………………………………… 22
4.2.1 流場方面……………………………………...23
4.2.2 能量傳輸方面…………………………………24
4.3 數值求解的流程……………………………………… 25
4.4 數值方法………………………………………………26
第五章 結果分析與討論…….……………………32
5.1 模擬之性質與假設……………………………………32
5.1.1 幾何形狀考量…………………………………..32
5.1.2 材料性質假設…………………………………..32
5.1.3 邊界條件假設……….………………………….33
5.2 網格獨立性分析……………………………………….33
5.3 主要現象模擬結果……………………………………34
5.4 反應爐室的考量……………………………………….36
5.4.1 改變加熱範圍..………………………………...36
5.4.2 提高壁面反射率..……………………………...37
5.4.3 漸增冷卻壁溫..………………………………...38
5.4.4 降低爐內初始壓力……..……………………...38
5.5 通入氣體強制對流………………………………….39
5.6 改變入出口管徑型式.……………..………………….40
第六章 結論與未來展望…………………………82
6.1 結論……………………………………………………..82
6.2 未來展望……………………………………………….84
參考文獻……………………………………………………..85
作者簡介……………………………………………………..88
參考文獻
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