1.绪论
1.1 RTP系统简介
大部分的RTP设备采用的是灯光福射加热法，将数以百计的齒妈灯固定在一定的控制区域上。数个齒鹤灯可为一组，将大量的(if妈灯划分成组，以方便温度控制。娃晶片加热可分为单面加热和双面加热。齒鹤灯的排布要尽可能使得石圭晶片接受更加均勻的热量以提高温度均匀性。否则，在娃晶片上产生一定的温度梯度的话，可能导致娃晶片产生翅曲。RTP对鞋晶片的温度测量有两种方式，一种以光学高温计为代表的非接触式测量，另一种以热电偶为代表的接触式测量。接触式的热电偶直接接触娃晶片测温，具有温度测量准确直接的优点，但是寿命较短，反应时间较长。非接触式的光学高温计，测量来自娃晶片表面的红外福射，具有反应速度快，测量精度高的优点，但是成本较高。两者各有优缺点，可以结合使用[1]。图1-1为快速热处理设备示意图。在RTP设备的初始阶段中，由于某种技术原因，难以保证娃晶片背面涂层厚度的均勾性，光谱发射率随着位置变化而变化，这样RTP设备中难免出现重复性差的问题。在如今ITT设备中，温度测量和温度控制是通过高温计完成的。高温计所测量的对象是晶片背面温度，并且含有复杂的发射率校正系统,故热处理重复性很好。
1.2 RTP系统与半导体加工工艺
随着半导体器件制造工艺日益成熟、日渐完善，用于通讯、计算以及数据存储的高级芯片产量也在逐渐提升。实现半导体价格工艺目标有如下四种途径：(1)减小器件尺寸（2)改变金属互联的线宽（3)改变各层的厚度（4)改变掺杂浓度。在1997年，美国的半导体工业协会预测了未来15年半导体业的总体发展。据其预测，MOS型晶体管虽然还能在电子元件中主领风骚，但是它却面临着一个趟她境地：由于技术限制，无法继续缩小半导体器件的尺寸。这意味着，当器件尺寸小于O.lum时,如下曾经占据着重要地位的工艺将要失去其作用：（1)热扩散（2)金属合金化（3)杂质激活（4)氧化生长或沉积（5)介质膜致密化（6)CVD。随着器件设计的特征尺寸越来越小，而鞋晶片的直径越来越大从4英寸增加到8英寸、12英寸甚至更大时。很显然，依然使用常规的热处理炉进行工艺处理是远远达不到预定目标的，会出现很多意想不到的缺陷。例如,器件尺寸小到某种程度时,由于不必要的原子迁移的出现，这就会改变器件的有效形状,从而产生对器件工作不利的影响。就是在这种情形下,快速热处理技术应运而生，RTP设备问世了。在未来电子技术的发展之中，成功技术必将加速其更新换代，其中最重要的两项分别是材料的革新和CMOS结构的变更。在这里面RTP技术扮演着不可或缺的至关重要的角色。RTP技术的主要应用包括离子注入退火、形成金属硅化物、氧化反应等。
(1) 活化离子注入杂质
随着大规模集成电路的快速发展，由于芯片的特征尺寸表小、面积变大，离子注入逐渐取代了热扩散，成为掺杂方式中的首选。离子注入应用较广：离子注入对环境的要求不高，准室温的条件下就可以进行。离子注入能够穿破氮化物或者氧化物等表面薄膜,可以很好地掌控注入深度，降低杂质含量，提高均匀性。但通过高能杂质离子取轰击娃原子不仅会使损伤晶体结构,还会加强沟道效应，同时具有一定的缺陷：无法激活注入杂质。为了弥补这一缺陷，需要在注入之后进行退火处理。此工艺对热处理设备提出具备快速升温和冷却的要求,在离子注入后，为其高温退火，同时活化注入的杂质。为了最大程度上避免注入的杂质的扩散，需要尽可能地缩短高温处理时间。在这种情况下，人们提出了尖峰退火的工艺,以保证使娃晶片快速升温后再急速降温。传统的退火炉难以实现上述要求，离子注入后的杂质会有一定的扩散，难以保证杂质的精度，因此快速热处理设备的优越性得以突出体现[3]。
2.加热系统的设
加热系统的确定应包括如下内容：加热方式选择、加热灯的类型确定、系统加热总功率的计算、加热灯功率与数量的计算、加热灯的排布以及灯罩设计。
2. 1加热方式选择RTP设备
与传统批量加热炉明显的不同在于，RTP设备可以快速升降温，传统加热炉的变温速度为10-20°C/s，而RTP设备可以达到50-300°C/s。因此，采用传统的热传导是不合适的。本文采用热福射的方式对娃晶片进行直接加热。当前行内RTP系统釆用的加热方式有两种即灯光加热和高频感应加热(1)灯光加热：该加热方式是由若干个加热灯或加热灯组构成加热源。加热灯的数目和尺寸随着加工商以及所要加热的娃晶片的尺寸的不同而不同。由于该加热源是由点状光源或者线状光源组成，而RTP系统所处理的娃晶片，要求温度均匀性达到较高的水平。因此，要求各个加热灯必须是完全相同的。对于娃晶片加热，可以分为单面加热和双面加热。由于加热灯的亮度会随着时间变化，所以需要RTP系统能够快速检测出差值，以便及时进行温度补偿。因此，需要一定数量的传感器。理论上，随着加热娃晶片的尺寸增加，加热灯的数量必然增加，相应的传感器数量也会增加，这样会增加温度均匀性的调控难度，成本也会上升。但是，该方案炉体反应腔体积较小，工艺反应环境较为干净，并且可以大大降低热预算[16]。石墨加热板放置于石英腔体内，该腔体外缠绕有线圈。当向线圈中通以高频电压时，线圈附近就会产生高频电磁场，位于高频交变电磁场中的石墨板受到感应后发热成为热源，由此对腔体内的娃晶片进行退火处理。虽然这种方式制造和维护成本比较低，但由于石墨板在感应时存在升温的热滞性以及降温的热惯性，这使得温度的控制相应速度较慢，控制精度也较低。
3.电磁驱动旋转系统设计...... 20
3.1系统简介......20
3.2启动力矩计算 ......21
3.3励磁磁云力势计算...... 22
3.4ANSYS 仿真 ......24
3.4.1气隙的影响 ......25
3.4.2伸入量的影响...... 27
3.5线圈参数确定...... 28
3.6影响温升因素 ......33
3.7小结......37
4.冷却系统以及气氛供给系统设计...... 38
4.1气冷方式...... 38
4.2水冷方式...... 41
4.3气氛供给系统设计...... 42
4.4小结 ......43
5.阻旋式料位计的设计...... 44
5.1应用背景...... 44
5.2研制意义...... 44
5.3电解槽送料系统结构...... 45
5.4技术要求...... 46
5.5工作原理...... 47
5.6机械系统设计......47
5.7样机实验...... 50
5.8阻尼杆的形状尺寸实验研究...... 54
5.9小结...... 56
结论
本文在对于国内外RTP相关技术和设备的研究基础上，主要解决了 RTP设备的机械结构方面的设计以及重要系统中的关键影响参数的分析。对于RTP设备的设计和开发具有重要的指导意义。本论文研究主要完成了以下内容：
1.依据实际要求，首先提出了总体方案设计图，其中包括加热系统、电磁驱动旋转系统、冷却系统和气氛供给系统。
2.对于加热系统，确定了加热方式、加热灯类型，计算出了 RTP系统热源总功率、加热灯功率与数量，确定了加热灯的排布，完成了灯罩的设计。
3.对于电磁驱动旋转系统，（1)研究了该旋转系统中关键参数对转矩的影响，确定关键参数的合理取值。（2)研究了该旋转系统中关键部件线圈的几何尺寸、导线缠绕方式、线圈匝数、线圈内通过的电流等参数。
4.对于冷却系统和气氛供给系统，（1)确定气体制冷的方式以及循环水冷却的方案，结合本RTP系统方案图，提供了冷却通道与接口等的冷却系统示意图。(2)确定了气氛供给系统组成、气路的数量，提供了气氛供给系统的示意图。
5.还介绍了阻旋式料位计传感器的研制，其中包括应用背景、研制意义、电解槽送料系统的结构、料位计的技术要求、料位计的工作原理、料位计的机械系统设计、样机实验以及阻尼杆的形状和尺寸研究。
参考文献
[1]花聚团.快速热处理在太阳电池中的应用[D].浙江：浙江大学材料系，2006.
[2]龙会跃.快速退火炉系统设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2008
[3] Laura Peters 为何需要RTP[J].微电子技术.1995.第23卷第六期
[4]李泉凤编著.电磁场数值计算与电磁铁设计[M],北京：清华大学出版社，2002
[5]罗益民，陈振华，黄培云.离子注入硅的碘钨灯快速热退火温度计算[J].中南大学学报（自然科学版），2004，35 (4)’ P548-551.
[6]龙会跃，李岳，邱小莎等.快速退火炉热源及其温度均匀性设计[P].工业加热，2009，38 (2), 2009，P43-46.
[7]颜炜.RTP系统传热学仿真与实验研究[D].北京：北方工业大学，2008.
[8]电磁铁设计手册.
[9]郭运德?半导体材料与器件快速热处理[J].河南冶金第2期总第31期.1999。
[10] Ranish. Lamphead for Rapid Thermal Processing Chamber. [P] .US6805466B1, 2004.