基于VCSEL技术的9.6 kW晶圆加热系统.docx

基于VCSEL技术的9.6kW晶加热系统01晶圆加热的挑战在将晶圆切割成单个芯片之前，半导体器件的生产需要在晶圆上进行许多不同的生产步骤。在晶圆加工过程中，对温度的要求需要不同程度，卓越需达到1000°C且具有非常好的均匀性。为了达到预期的工艺效果，通常必须快速加热晶圆。此外，使用VCSEL加热系统，可以在制造过程中节省大量时间，减少副作用，从而提高良率。加工件和VCSEL加热模块的灵活安装性，可以满足不同的应用需求。与客户一起进行可行性测试,可以让客户现场体验大功率VCSEL模块。从2.4到9.6kW的标准模块均可进行测试。并可满足特殊模块需求。对于接下来要讨论的晶圆加热应用，我们建立了一个专用的9.6kW加热模块。I；WillkommenWelcome图3:带有特定排列发射器的晶圆加热器布局。虚线圆图4:在不同工作距离下使用外反射镜进行光学模拟:30/200/450mm0圈代表一个0300mm的晶圆。图5:9.6kw晶圆加热器的VCSEL加热系统04晶圆加热的实验装置在亚琛互联技术中心，配备了9.6kW的晶圆加热器（图6和图7）。首次测试使用的是0300mm黑色涂层不锈钢仿真晶圆和0300mm裸硅晶片；使用导热系数低的支架将晶圆安装在三个点上。所有实验均在正常气压下进行。在加热过程中，用红外摄像机记录温度和均匀性。相机的发射率设置是按照裸硅或黑色钢涂层来进行校准的。05硅晶片加热用9.12kN代替仿真时的9.6kN的红外功率来辐射硅晶片。对VCSEL加热模块的激光功率分布进行微调，从而提高了硅晶片温度的均匀性。为了防止中间过热和补偿由于从晶片底部到顶部的热空气流动造成的对流损失，功率分布的调整是必要的。低温（25230°C）时，升温速率为51K/s；在625oC时，由于热晶圆重新发射的对流和长波长辐射，升热速率降低到16Kso垂直安装的晶圆在空气中的平均升温速率为32K/s,具有良好的均匀性。平均晶圆温度达到640oC需要20秒。垂直安装的0300mm晶圆在空气中的温度均匀性为±8K。图8:红外相机在峰值温度下拍摄的二维图像和水平温度廓线。图中还显示了ROT1到5的位置。图9:温度-时间图：平均值和ROI1到5。在测量过程中，红外相机使用快门进行定期校准，从而出现温度曲线扭结。06结论（一）一种新型可应用于大面积区域加热的VCSEL模块，它被证实了具有很高的加热速率和非常好的均匀性。该系统配备了24个精心分布的VCSEL发射器，总红外功率为9.6kWo对于0300mm硅晶片，可以实现高达51K/s的升温速率，空气中的温度均匀性为土8Ko这个模块概念可以通过更密集的发射器封装来扩展到更高的性能。0300皿n晶圆加热器可使用的大发射器数量为188个，这意味着总红外功率为75.2kW0该模块的光学模拟如图10到13所示。图中的圆圈代表0300mm晶圆。图10展示了在20mm工作距离下的红外功率分布模拟。此配置可适用于旋转晶圆的应用。为了获得更均匀的照射，应在侧面增加镜子，工作距离也应该会更大。图11展示了工作距离约为250mm的模拟，适用于70W/cn?的均匀红外辐照。这可使硅晶片的升温速率高达260K/so然而，均匀的照明不一定会得到均匀的温度分布，例如，由于与应用相关的冷却效应。VCSEL加热系统的一大优势是：188个发射器的每个区域的功率水平可以单独控制。由于每个发射器有两个区域，所以每个模块可以有376个不同的功率设置。图12和图13演示了这一优势。在模拟中，发射器的一圈被关闭。图12展示了在20mm距离处的强度分布.和被关闭的发射器。图13着重展示了在250mm工作距离下的强度模式。Mh3丽IlEl现测师阿洲则州删帏蛔扁腼腑耐|侬侧阙帆硼忡则硼肺则翻襦I蠲嘲Ki图10:VCSEL模块应用于晶圆加热的光学模拟：具有188个发射器，工作距盾为20nio图11:VCSEL模块应用于晶圆加热的光学模拟：具有188个发射器，工作距离为250mm。图12（左）/13（右）：VCSEL模块应用于晶圆加热的光学模拟：具有188个发射器，工作距离为20mm和250mmo06结论（二）取决于应用，较低密度封装的发射器也同样具有优势。较低密度的包装会产生更多空间，可用于集成光学计量，用于在加工过程中对晶圆进行温度测量。因此，在使用VCSEL系统对晶圆进行辐照时，测量可以从同一侧进行。辐照可以来自顶部或底部，总之，VCSEL仅发射特定波长的激光辐射（在本应用示例中为980nm）o因此，通过适当过滤VCSEL的辐射，可以抑制对光学计量的干扰。从晶圆背面测量温度将排除晶圆正面发射率不均匀性的负面影响，不均匀性是由于结构造成的。使用VCSEL高功率加热系统加热晶圆的更多优势： 选择性加热：通过激光辐射，硅晶片选择性加热，在980nm时，硅可以有较高的吸收性。 VCSEL芯片寿命长，可靠性高。 激光模块的纤薄设计。 非常低的服务投入。 易于定制：总功率以及系统成本可以在9.6到75kW'之间选择，只需安装适当数量的发射器即可。 通过这些晶圆加热的应用测试和模拟，已经证实了可以使用高功率VCSEL发射器进行大面积加热。它是可行的、可扩展的、具有成本效益且可靠的。此外，它还为快速热处理（RTP）提供了新的可能性。