快速退火

热处理工艺

快速热退火是用各种热辐照源，直接照射在样品表面上，迅速将样品加热至700~1200℃左右在几秒~几十秒的时间内完成退火。

介绍

随着集成电路的发展，对损伤区、电学参数恢复程度，以及注入离子电激活率的要求也越来越高，常规的热退火方法已经不能满足要求。因为它不能完全消除缺陷，对高剂量注入晶片的电激活率也不够高，而且又能产生二次缺陷。同时，在热退火过程中，整个晶片（包括注入层和衬底）都要经受一次高温处理，增加了表面污染，特别是高温长时间的热退火会导致明显的杂质再分布，破坏了离子注入技术固有的优点，限制了它在VLSI中的应用。为了解决上述问题，多年来对退火方法进行了广泛研究，导致激光退火等快速退火技术的出现。

快速退火技术目前有脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光以及非相干宽带光源（例如：卤灯、电弧灯、石墨加热器）等。它们的共同特点是瞬时内使晶片的某个区域加热到极高的温度，并在较短的时间内（10-8~102s）完成退火。

脉冲激光退火

主要是利用高能量密度的激光束辐照退火材料表面，从而引起被照区域的温度突然升高，达到退火效果。具体退火情况，与激光束的能量密度、材料的吸收系数、热传导系数、反射系数和注入层的厚度等有关．如果激光辐照的区域，温度虽然很高，但仍为固相，非晶区是通过外延再生长过程转变为晶体结构，这样的退火模型，称为固相外延模型。例如，一个厚度为1000的非晶区，经激光辐照后，损伤区温度达到800℃时，只要几秒钟的时间，通过固相外延方式就可以完成退火效果，而且杂质的扩散长度只有几个埃。如果激光束辐照区域，吸收的能量足够高，因而变为液相，在这样情况下的退火过程，为液相外延。液相外延模型的退火效果比固相的好，但因注入区己变为液相，其杂质扩散情况较固相要严重。

激光退火的主要特点是退火区域受热时间非常短，因而损伤区中杂质几乎不扩散，衬底材料中的少数载流子寿命及其它电学参数基本不受影响．利用聚焦得到细微的激光束，可对样品进行局部选择退火，通过选择激光的波长和改变能量密度，可在注入深度上和横截面上进行不同的退火过程，因而可以在同一硅片上制造出不同结深或者不同击穿电压的器件。

连续波激光退火过程是固-固外延再结晶过程，使用的能量密度为1~100J/cm2，照射时间约100μs。由于样品不发生熔化，而且时间又短，因此注入杂质的分布几乎不受任何影响。激光退火虽可以较好地消除缺陷，而且注入杂质的电激活率很高，对注入杂质的分布影响很小，但能量转换率很低，只有1%左右，生产效率低，退火均匀性较差，故目前还未应用于生产中。

电子束退火

电子束退火也是近年来发展起来的一种退火技术，其退火机理与激光退火一样，只是闲电子束照射损伤区，使损伤区在极短时间内升到较高温串．通过固相或液相外延过程，使非晶区转化为结晶区达到退火目的。电子束退火的束斑均匀性较激光好，能量转换率可达50%左右，但电子束能在氧化层中产生中性缺陷。

目前用得较多的快速退火光源是宽带非相干光源，主要是卤灯和高频加热方式。这是一种很有前途的退火技术，其设备简单、生产效率高，没有光干涉效应，而又能保持快速退火技术的所有优点。退火时间一般为10~100s。各种快速退火方法所用功率密度与退火时间的关系如图《快速退火方法所用功率密度与退火时间关系》所示，大部分方法所需的能量密度落在1.0J·cm-2的线上。

工艺

为了加速石墨化过程，缩短退火时间，可以采用如下几种工艺进行快速退火：

低温入炉和低温保温法

在完全石墨化退火时，采用300~350℃低温入炉并在此温度下保温4～8小时。这样，原始石墨结晶核心可增加15倍，使石墨化过程，特别是石墨化的第二阶段。大为缩短，整个生产周期可缩短到25~27小时。

新的快速退火工艺特点如下：

1、采用了铋铝复合孕育剂因此进行低温孕育以增加石墨核心，低温孕育温度为380~420℃，炉温要均匀，保温2小时。

2、第一阶段石墨化原工艺炉温不均匀，部分铸件长期过热，石墨核心数量减少，影响第二阶段石墨化珠光体分解。新工艺在低温孕育后以较快速度升温，当温度达750~850℃时，控制炉内各点温差在50~60℃，使所有铸件性在同一时间达到高温，在960~980℃保温阶段要严格控制炉内温差在20℃左右，防止局部过熟。

3、为减少退火时间，第一阶段石墨化后采用吹风降温到760℃，然后以10℃/时的速度冷却至720℃，经过4小时后停炉降温到680℃出炉。由于低温孕育阶段及第一阶段石墨化良好，第二阶段石墨化时间缩短到4小时。

淬火法

铸坯在退火前先进行一次淬火。例如直径为20毫米左右的铸件可装入900~950℃炉中，升温到950~970℃保温15~20分钟，淬入20~60℃油中，当铸件冷至150~200℃时取出空冷，以减少淬火应力。淬火过程中沿滑移面析出的碳，形成极细致的石墨夹杂分布在基体中。它们便成为石墨化退火时的辅助结晶核心，从而缩短了退火时间。快速石墨化退火是将上述处理过的工件以普通退火加热速度加热到950~970℃保温5~6小时，以50℃/时速度降至780℃保温4小时，再以20℃/时降至760℃保温4小时，再降至740℃保温4小时，然后连箱一起取出空冷。整个退火过程为28~30小时，比一般退火时间缩短70%。

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