臺灣博碩士論文加值系統

快速熱處理爐內的氣體受熱或通氣引起的自然對流或強制對流，將導致晶圓上的溫度不均勻分佈。由於實體機台無法進行熱流類比實驗，若能建立參數相同的縮尺模型，可用於觀測處理爐內暫態熱流場的發展，將有助於了解並精確操控熱製程與參數設定。本文使用相似模型理論，將垂直式晶圓快速熱處理爐縮尺，以設計專用於流場顯影的類比實驗，並且利用數值模擬來比較縮尺後的模型流場與全尺寸原型流場的異同。本文的第二個主題是以數值模擬探討實體機台中快速熱氧化、清滌換氣過程與快速熱回火製程時，爐內流場與溫度場變化，並且分析換氣過程中晶圓表面溫度、氮氣與氧氣濃度的變化歷程，以做為製程設計的參考。
藉由Gr、Re與St三個參數相似類比，可將以空氣為工作流體，燈管加熱6秒，溫度由300K加熱至600K的原型流場，縮尺二分之一，轉換為以水為工作流體，熱壁加熱75秒，溫度由310K升溫至318K的類比模型。由於顯影質點選用更便利且加熱時間長達75秒，將有更充分的時間觀察流場的發展。
數值模擬顯示：在低溫工作時的原型流場和相對應的類比流場發展歷程非常類似，流體因晶圓和處理爐壁溫度的不同引起密度差，形成了占據晶圓和燈管間絕大部分空間的環形對流胞。模型流場的晶圓整體表面若設為等溫分佈，在流場發展歷程中，晶圓外徑首先引發的對流胞會在晶圓中央再牽引出較小的對流胞，但最後仍會發展出如原型流場的大環狀對流胞分佈。
模擬實體機台熱氧化製程結束後的抽氣時，第1秒晶圓吸收了流體自燈管附近帶來的熱能，晶圓中心溫度由813.4K上升至815.4K，之後流體的流動帶走晶圓的熱量，至抽氣結束為止晶圓表面的中心溫度仍有809.6K，晶圓表面溫度變化幅度不大。
實體機台充氮氣時，晶圓表面溫度由充氣前的809.6K下降到第19秒的698.1K，後25秒(入口維持等壓)因冷流進入爐內的質量減少，充氣結束時，晶圓中心的溫度上升至748.4K。晶圓最高溫和最低溫的溫差由第0秒的35.58K減少至第44秒的8.754K。晶圓表面的氧氣濃度，在充氣前約為0.001kg/m3左右，充氣結束時氧氣濃度可降至10-7的層級。晶圓表面的氮氣濃度由第0秒的0kg/m3上升至第30秒的0.311kg/m3，第30秒之後由0.311kg/m3下降至第44秒的0.29kg/m3左右。
模擬實體機台快速熱回火製程時，在軸對稱截面上顯示，流場最後會發展出兩個和充氣時迴流胞轉向完全相反的自然對流胞。由於入口封閉與燈管開始升溫，晶圓馬上就接收到來自燈管的輻射能，晶圓中心的溫度在第1秒之內就上升了43.34K，第12秒時晶圓中心溫度達最高溫886.6K，而最後一秒(第19秒)則降至812.2K，此時爐內流場已達到穩定狀態。

目錄
目次 頁次
摘要………………………………………………………………… Ⅰ
目錄………………………………………………………………….Ⅲ
附圖目錄…………………………………………………………… Ⅵ
附表目錄…………………………………………………………… XⅠ
符號說明…………………………………………………………… ⅩⅡ
第一章緒論………………………………………………………... 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 快速熱製程機台與模型相似理論…………………. 6
2.1 快速熱製程………………………………………………….. 6
2.2實體機台…………………………………………………….. 8
2.3模型相似理論……………………………………………….. 8
第三章 熱傳分析與數值模擬……………………………… 12
3.1 熱傳分析……………………………………………………. 12
3.1.1 能量守恆…………………………………………… 12
3.1.2 熱傳導……………………………………………… 12
3.1.3 熱對流……………………………………………… 13
3.1.4 熱輻射……………………………………………..14
3.2 網格建立………………………………………………….. 16
3.3統御方程式……………………………………………….. 16
3.4數值求解流程…………………………………………….. 19
第四章 熱流類比結果與討論…………………………………. 21
4.1 原型流場………………………………………………….. 21
4.1.1 基本假設與邊界條件…………………………….. 21
4.1.2 網格獨立性……………………………………….. 23
4.1.3 原型流場熱流分析……………………………….. 23
4.2 模型流場………………………………………………….. 25
4.2.1 無因次參數相似………………………………….. 25
4.2.2 類比模型機台與邊界條件……………………….. 26
4.2.3 網格獨立性……………………………………….. 27
4.2.4 熱流分析………………………………………….. 28
4.3 原型流場與模型流場的比較……………………………. 29
4.4 晶圓表面溫度區段設定的影響…………………………. 31
第五章 換氣清滌過程模擬結果與討論………………….. 32
5.1 模擬流程…………………………………………………. 32
5.2 快速熱氧化之熱流分析…………………………………. 33
5.3 抽氣真空過程之熱流分析………………………………. 34
5.4 充氣過程之熱流分析…………………………………….36
5.5 快速熱回火之熱流分析…………………………………. 39
第六章 結論與未來展望………………………………………. 42
6.1 結論……………………………………………………… 42
6.2 未來展望………………………………………………… 45
參考文獻…………………………………………………………… 46
附圖……..………………………………………………………….49
附表……………………………………………………………….. 119

參考文獻
1.M. T. Boyle, “Similitude in Electronics Cooling：Scaling and Design of Experiments”, Sixth Annual IEEE EMI-THERM VI Proceedings, pp. 49, 1990.
2.M. J. Marongiu,“Simulation of Large Outdoor Enclosures Using Model Laws and Similitud”, 18th International Telecommunications Energy Conference, pp. 137-144, 1996.
3.Jian Wei, D. Kondrashov, K. Vakhshoori, and A. Colorado,“The Performance of Two Purification Media in Their Removal of Impurities from Inert Gases”, Twenty-Fourth IEEE/CPMT Electronics Manufacturing Technology Symposium, pp. 370-377, 1999.
4.E. Quilantang, A. Sharif, A. Hosein, T. Yokum, and R. Cartwright, “Contamination Control in Semiconductor Industry Using Laminar Barrier Inerting Technology”, 1994 IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference and Workshop, pp. 112-114, 1994.
5.N. K. Verma, Ce Ma, E. Shero, and F. Shadman,“Sources and Transport Mechanisms of Gaseous Impurities in Vertical Thermal Reactors”, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol. 9 , Issue 3, pp. 312-319, Aug. 1996.
6.K. Maeda, H. Okuchi, S. Nadahara, K. Okumura, and Y. Muraoka,“The Development of Batch Type Low Pressure Spin Dryer for Water Mark-less Wafers”, 1999 IEEE International Symposium on Semiconductor Manufacturing Conference Proceedings, pp. 449-452, 1999.
7.J. Frickinger, J. Bugler, G. Zielonka, L. Pfitzner, H. Ryssel, S. Hollemann, and H. Schneider, “Reducing Airborne Molecular Contamination by Efficient Purging of FOUPs for 300-mm Wafers-The Influence of Materials Properties”, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol. 13, Issue 4, pp. 427-433, Nov. 2000.
8.J. Nulman, J. P. Krusius, and P. Renteln,“Material and Electrical Properties of Gate Dielectrics Grown by Thermal Processing”, Mat. Res. Soc., symp. Proc. 52, pp. 341, 1985.
9.張俊彥, 積體電路製程及設備技術手冊, 經濟部技術處, 1997.
10.邱銘漢, 晶圓快速熱處理爐之軸對稱熱流分析, 國立台灣大學應用力學研究所碩士班論文, 1998.
11.左明正, “垂直式晶圓快速熱處理爐之三維暫態熱流分析”, 國立台灣大學應用力學研究所碩士班論文, 1999.
12.E. M. Sparrow and R. D. Cess, Radiation Heat Transfer, Belmont, CA：Books/Cole, 1996, ch3.
13.FLUENT 5 User’s Guide, Fluent Inc. July 1998.
14.J. Liu, H. M. Shang, Y. S. Chen and T. S. Wang, “Prediction of Radiative Transfer in General Body-Fitted Coordinates”, Numerical Heat Transfer, Part B, pp.423-439, 1997.
15.鄭永群,“垂直式晶圓快速熱處理爐脈衝加熱之暫態熱流分析”, 國立台灣大學應用力學研究所碩士班論文, 2000.
16.T. S. Wung, K. S. Shyu, and S. W. Lee, “A Quantitative Visualization Technique for Slowly Unsteady Flows”, Journal of Chinese Society of Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 5, pp.431~442, 1994.