CN100412489C - 带有弧形晶片支承臂的晶片架 - Google Patents

带有弧形晶片支承臂的晶片架 Download PDF

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Abstract

一种用于支承具有一预定半径R的晶片的立式陶瓷晶片架(20)。该晶片架包括一底座(24)和一对立柱支架(22)。立柱支架从底座大体垂直地向上延伸。每一立柱支架包括至少个具有一弧形段(50)的臂部(24)。各弧形段的尺寸构造成为晶片的一0.7R的边界区域提供实际支承，并跨越一小于180度的弧。

Description

带有弧形晶片支承臂的晶片架
在下文的名称为“带有Y形立柱支架的单体铸造立式晶片架(A Single CastVertical Wafer Boat With A Y Shaped Column Rack)”的R.Buckley等人的美国专利申请(代理案卷第6096-02号，美国序列号第09/904,143号)中揭示了和对其要求权利要求的这里所揭示的材料中的一些，该申请结合于此以供参考，且与本申请同时提交申请。
技术领域
本发明涉及半导体的制造。更具体地说，本发明涉及具有沿着一圆弧接触和支承晶片的晶片支承臂的晶片架。
背景技术
尽管也可以使用其它的材料，例如硅-锗(SiGe)或砷化镓(GaAs)，但目前，硅(Si)是用于电子工业的最重要的半导体材料。大规模集成(VLSI)电路技术(亦即每一芯片有多达100,000个器件)和超大规模集成(ULSI)电路技术(亦即每一芯片有多于100,000、并在某些情况下超过十亿个器件)几乎完全基于硅。
十分关键的是，在硅基片上进行的VLSI和ULSI电路制作具有十分高的晶体完整性或纯度。也就是说，在晶体固体中，构成固体的原子以周期性的方式空间地排布。如果在整个固体中都存在周期性结构，则基片就被定义成由单晶形成。在晶体中的原子周期性结构被称为晶格。十分高的晶体完整性要求硅基片在其整个单晶体硅晶格中具有最少的杂质和结构缺陷。
通常，将例如石英之类的原材料提纯成电子级的多晶硅(EGS)并熔化。而后使用硅晶种来从熔化的EGS生长出一单晶硅块。然后，再将该硅块精确地切成薄片，并将它们磨光成硅晶片。硅晶片形成基片，在这些基片上通过复杂的一系列晶片制作工艺最终做成VLSI和ULSI电路。
在硅材料技术中一个最明显的趋势是硅晶片的尺寸不断增大。目前，300毫米直径晶片预期会最终替代大多数150毫米和200毫米的晶片应用。也有预期，在不久的将来可能会引入400毫米的晶片。使用大尺寸的晶片对于保持生产率来说，对半导体制造者们提出了若干重要的挑战。例如，必须建造带有能处理这些较大晶片的装置(例如立式炉)的设备。必须研制出新型的制作布线图案的技术，以在整个较大的区域中印刷出较小的特征尺寸。较大的晶片还必须更厚一些，以增加它们抵抗歪曲或其它结构变形的能力。此外，较大的晶片也较重，要求使用自动的晶片传送系统。
当晶片变得较大和较厚时，防止晶格有杂质和结构缺陷的问题、亦即保持高度的晶格完整性的问题就变得更为关键。一种在300毫米的硅晶片或更大的硅晶片中尤为成问题的两个这样的结构缺陷是晶格结构中的“背侧损伤”和“滑移”。
背侧损伤是当晶片移过一晶片支承装置的表面时在晶片的背侧上所导致的划痕。
硅晶片中的滑移是施加于晶片的应力作用的结果。该应力可能是机械的(例如由于摩擦产生)和/或由于热而产生的。当晶片承受应力时，晶格发生弹性变形，且当固定晶体在释放应力后回复到其原始位置时就消失。但较大的应力导致滑移，滑移是晶格中的塑性或永久变形，它在应力释放后仍残留。当超过硅的弹性极限(或屈服强度)时，就会发生滑移，且晶格就永久地错位。
在热处理炉中高温处理硅晶片(焙烧处理)的过程中，滑移是很普遍的，因为热应力是与处理温度成正比的。晶片从脆性到可塑性的过渡温度通常在约720至1000摄氏度的范围内。因此无论是由于热应力或者机械应力所产生的滑移，在高于720摄氏度的处理温度下就变得尤为成问题。
晶片架是晶片支承装置，它在半导体晶片处理的过程中经受焙烧操作。水平式晶片架通常设计成支承一水平排的晶片，它们被插入水平炉管内以进行高温处理。立式晶片架通常设计成支承一竖叠的晶片，它们被插入垂直炉管中。一般来说，对于大尺寸的硅晶片，例如300毫米，立式晶片架更加常用。这是因为，立式炉的占地比水平式炉小，因而占用较少的昂贵的制造空间。此外，立式炉通常表现出比水平炉更好的温度控制。
晶片架一般是用陶瓷材料制成的。由离子键或共价键连结的陶瓷材料通常由同时包含金属和非金属元素的复杂化合物构成。陶瓷通常是硬质、脆性、高熔化点的材料，且它们的导电性和导热性差，机械和热稳定性好，并具有高抗压强度。陶瓷材料的例子是石英、金刚砂(SiC)以及再结晶的SiC。从马萨诸塞州Worcester的Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.可以获得一种这样的再结晶SiC，其商标名称为CRUSTAR
Figure C0281393300061
。这种材料是注入了高纯度硅金属的金刚砂陶瓷。
请参见图1，一典型的现有技术的立式晶片架10大体包括三根或四根支承杆12，诸支承杆从一大体呈圆形的水平底座14垂直地向上延伸，并沿着底座的周缘径向地间隔开。支承杆12具有多个仅在一端支承的悬臂的晶片支承臂(或齿部)16，它们朝向底座14的中心向内延伸，以在其间形成一组狭槽。诸狭槽的尺寸被构造成接纳硅晶片，在焙烧处理的过程中就由诸臂部16来支承晶片。
对于较大的晶片成问题的是，现有技术的晶片支承臂16多半在晶片的外周缘处提供它们的支承。因此，晶体的大部分重量是无支承的，并且朝向其中心分布。因而，在高温热处理的过程中，晶片的中心易于下垂，促使晶片的晶格中发生滑移。
由于圆形晶片的几何形状，大致晶片重量的一半、亦即内部的晶片重量在一圆形的区域中分布，该圆形区域为晶片半径(R)的70％。相反地，晶片重量的一半、亦即外部的晶片重量分布在一圆环形的区域上，该圆环形的区域的内径为0.7R、外径为1.0R。结果，在晶片的0.7R的圆形边界区域处或附近(例如0.6R至0.8R)对晶片的支承平衡内部和外部的晶片重量，并极大地减小了在高温热处理的过程中发生下垂的可能性。
目前的现有技术的晶片架设计要求较深的狭槽，以藉此来使支承杆12的臂部16足够长以延伸至0.7R的位置。但是，由于需要精确的机加工以及其固有的低生产率，制造这种几何形状是较为麻烦的。加大的悬臂长度也在臂部连接至杆主体的单个支承部位处施加一较大的力矩，过度地增加了发生破坏或断裂的可能性。此外，因为诸臂部仅在晶片上的三个或四个小的离散的区域处提供支承，所以对于较重的晶片，发生背侧损伤的可能性就增大。
一种尝试解决该问题的现有技术是提供多个离散的圆形陶瓷环，该环的内径小于0.7R且外径大于0.7R。将这些环滑入各狭槽，这样晶片就支靠在各陶瓷环上。
但是，通常需要花费一千至两千美元来制造每一个环，极大地增加了晶片架的成本。此外，诸环基本封闭了晶片所支靠的支承区域。这使传统的传送设备难以进入到诸环和晶片之间以将晶片从狭槽中取出。此外，封闭的设计妨碍了气体的自由流动，而气体的自由流动对于晶片处理来说通常是很重要的。还有，由于环通常对晶片架增加了多达100个的额外的离散可动零件(每一狭槽一个)，所以极大地增加了产生颗粒或其它杂质的可能性。亦即，陶瓷环可能会在处理或搬运的过程中擦刮在晶片支承臂上，并摩擦地擦刮下微小的颗粒，这可能会对晶片的半导体电路造成损伤。
因此，需要一种改进的晶片架，它能提供加强的支承，以减小晶片下垂，并使大直径硅晶片中的滑移尽可能小，并同时能以合理的成本提供用以材料搬运的最大限度的敞开。
发明内容
本发明通过提供一种用于支承具有预定半径R的硅晶片的晶片架来提供优于现有技术的优点和对现有技术可替换选用的技术。该晶片架具有晶片支承臂，诸支承臂沿着一圆弧支承晶片，该圆弧大致为0.7R，且跨越小于180度的弧。
本发明提供了许多优于现有技术的优点。由于各晶片是沿着一大致其0.7边界区域的部分支承的，所以极大地减小了晶片中心部分的下垂。此外，弧形段50不封闭成一完整的圆，因此为气体流动和材料搬运设备留出了相当大的敞开的区域。
在本发明的一个示例性实施例中，通过提供用于支承具有一预定半径R的晶片的立式陶瓷晶片架来实现这些和其它的优点。该晶片架包括一底座和一对立柱支架。所述立柱支架从底座大体垂直地向上延伸。每一立柱支架包括至少一个具有一弧形段的臂部。各弧形段的尺寸构造成大致为晶片的一0.7R的边界区域提供支承，并跨越一小于180度的弧。
在本发明的一个可选实施例中，弧形段包括一从0.6R至0.8R的半径，或者跨越一从90至135度的弧。
在本发明的另一实施例中，晶片架的底座和所述一对立柱支架形成用于支承晶片的一单个的整体结构。
在本发明的另一可选实施例中，对于每个一立柱支架的弧形部分，在另一立柱支架上有一相对的弧形段，以用来支承同一晶片。各相对的弧形段定向成大致支承晶片的一半重量。
附图简述
图1是一现有技术的立式晶片架的示例性实施例的立体图；
图2是根据本发明的一立式晶片架的示例性实施例的立体图；
图3是图2所示晶片架的前侧视图；
图4是图2所示的晶片架的左侧视图；
图5是图4所示的晶片架沿着线5-5截取的横截面图；
图6是根据本发明的一弧形支承臂的示例性实施例的俯视图；
图7是根据本发明的一带有高起的晶片支承垫的弧形支承臂的示例性实施例的俯视图；以及
图8是根据本发明的一晶片架的一可选择的示例性实施例的横截面图。
具体实施方式
请参见图2-5，总体以20示出了根据本发明的一立式晶片架。该整个晶片架20、亦即晶片架的主体用铸造的再结晶SiC制成，并包括一对相对的立柱支架22、一底座24以及一大体呈圆形的顶板26。如下文将更加详细地描述的，整体的立柱支架22的尺寸被构造成，在仍保持使传送设备能易于搬运晶片的一敞开区域的同时，有利地在硅晶片的0.7R边界区域中向硅晶片提供弧形支承。
底座24的形状大体呈圆形，并包括具有一预定直径的一大体水平的平底板28。底座24还包括一垂直凸缘30，其从底板28的下表面向下延伸。凸缘30与底板28同心，且直径比底板28小，以使水平底板28的外周缘延伸过垂直凸缘30，以形成一圆形唇缘31。从一中心孔34径向向外地切出一膨胀槽(在图5中最清楚地示出)32。该膨胀槽32延伸穿过底板28的外周缘以及凸缘30。槽32允许底座24在热处理过程、例如一焙烧处理中发生膨胀和收缩。垂直的凸缘30还包括一矩形的定位凹口36，在晶片架在焙烧操作的过程中放置在一立式炉(未图示)中时，该定位凹口正确地定向晶片架20。
支承立柱支架22是具有大体呈弧形的横截面的细长结构(在图5中最清楚地示出)。立柱支架22的外边缘37定向成与底板28的外周缘平齐，并且立柱支架22在底板28上定向成接受一预定直径、例如300毫米的硅晶片。立柱支架22在其下末端38处焊接至底板28的上表面，并从其大体垂直地向上延伸。立柱支架22的上末端40焊接至顶板26的下表面上，顶板26是一圆形的平板，且大致平行于底板28延伸。
尽管立柱支架22、底座24以及顶板26描述为焊接在一起以形成一单个的整体结构，但其它的装配技术，例如螺栓连接、压配合或者化学方法将诸零件粘合在一起的装配技术也落入本发明的保护范围。在底座24中可形成额外的安装槽，诸立柱支架22可以压配合于其中并相对彼此保持固定的位置关系。
每一立柱支架22包括一对连续的垂直部分42，它们位于各外边缘37的附近，且多个陶瓷臂部44从所示垂直部分42朝向底板28的中心延伸，以形成一柱式的支架。陶瓷臂部44包括一对固定的末端部46，它们为陶瓷臂部44提供双份的支承。一对笔直的臂段48从固定的末端部46沿着大体朝向底板28的中心部分的方向延伸，并大体平行于底板28。该对笔直的臂段48一体地连接至陶瓷臂部的一弧形段50(参见图5)。
弧形段50设计成大致为预定半径为R的晶片的0.7R的边界区域提供支承。对于每一立柱支架22的弧形段50都有在另一立柱支架22上的一相对的弧形段。该两相对的弧形段50定向成大致支承晶片一半的重量。在本实施例中的弧形段50通常包括一0.6R至0.8R的半径。还有，该弧形段通常跨越从90至135度的一弧，但必须总是跨越小于180度的一弧，以为如下所述的气体流动和材料搬运留出一敞开的区域。
该臂部44设计提供了相当多的优于现有技术的优点。由于各晶片是沿着一大致其0.7边界区域的部分支承的，所以极大地减小了晶片中心部分的下垂。因为各臂部44在两个固定末端部46处、而不是在一个处支承，所以可更易于支承较重的晶片，并且极大地减小了臂部44发生断裂的可能性。此外，弧形段50不封闭成一完整的圆，亦即每一弧跨越小于180度，因此为气体流动和材料搬运设备留出了相当大的敞开的区域。还有，每一立柱支架22是用来在晶片的0.7R边界区域处支承晶片的一个整体结构。因此，与采用大量离散的可动零件(诸如环)的现有技术设计相比，极大地减小了产生损伤颗粒的可能性。
请参见图6至7，示出了陶瓷臂部44的两个不同的实施例。在晶片架20的陶瓷臂部44上的、与硅晶片接触并支承硅晶片重量的表面通常被称为晶片接触表面。在图6中，晶片接触表面大体是陶瓷臂部44的整个的顶部平直的表面52。这在一大的表面区域上提供了最大的支承。在图7中，在臂部44的顶上设置了一高起的垫子54，并且垫子54的顶表面56是晶片接触表面。在这种情况下，减小了“背侧损伤”(例如划痕)发生的可能性，并仍保持在0.7R的边界区域处的支承。
参见图8，在60处示出了一可选择的示例性实施例，其示出为一横截面几何形状不同的晶片架。该晶片架60包括从一底座64大体垂直地延伸的一对相对的立柱支架62。立柱支架62包括多个陶瓷臂部66。各陶瓷臂部有一弧形段68以及一对笔直的支承臂段70和72。诸支承臂段72位于晶片架60的后侧，自动焙烧设备就可以利用它们来在处理的过程中获得晶片定位的反馈信息。
尽管这些示例性实施例讨论了一尺寸构造成用于300毫米直径的晶片的晶片架，但是根据本发明的晶片架的尺寸可以也构造成用于其它的晶片直径，例如150毫米、200毫米、或400毫米。此外，该晶片架也可以用除了再结晶SiC之外的陶瓷制成，如石英、烧结的SiC或者多晶硅。
尽管已经示出和描述了较佳的实施例，但还可不超出本发明原理和保护范围地对其进行各种修改和替代。因此，应予理解的是，本发明是以说明而非限制的方式来进行描述的。

Claims (11)

1. 一种用于支承具有一预定半径R的晶片的立式陶瓷晶片架，该晶片架包括：
一底座；和
从底座大体垂直地向上延伸的一对立柱支架，每一立柱支架包括一垂直部分和至少一个从相应的垂直部分延伸的臂部，至少一个臂部具有多个部分，所述部分包括从所述垂直部分延伸的第一和第二臂段和一弧形段，每个臂部的诸部分限定臂部的外周，并且所述诸部分限定一内部敞开区域；
其中，各弧形段的尺寸构造成为晶片的一0.7R的边界区域提供实际支承，并跨越一小于180度的弧。
2. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，弧形段包括一从0.6R至0.8R的半径。
3. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，弧形段跨越一从90至135度的弧。
4. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，底座和所述一对立柱支架形成用于支承晶片的一单个的整体结构。
5. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，臂部的弧形段包括形成用于支承晶片的一晶片接触表面的一顶面。
6. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，臂部的弧形段包括一高起的垫子，该垫子具有形成用于支承晶片的一晶片接触表面的一顶面。
7. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，陶瓷是石英、金刚砂(SiC)以及再结晶SiC之一。
8. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，对于每一所述一对立柱支架中的一立柱支架的弧形段，在所述一对立柱支架中的另一立柱支架上有一相对的弧形段，以用来支承同一晶片。
9. 如权利要求8所述的晶片架，其特征在于，诸相对的弧形段的各弧形段大致支承晶片的一半重量。
10. 如权利要求1所述的晶片架，其特征在于，立柱支架包括：
从底座向上延伸的一对连续的、大致垂直的部分；以及
每一臂部包括一对连接至各垂直部分的固定末端部。
11. 如权利要求10所述的晶片架，其特征在于，各臂部包括一对大致笔直的臂段，所述臂段从固定末端部大致平行于底座地延伸，且笔直臂段连接至弧形臂段。
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