CN102656666B - 混合气体注射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体注射器，用于将生产用气体注入井式炉中支撑多个晶片的塔与管形内衬之间的空间内，包括：管形杆，其具有开口远端及沿第一轴延伸的第一孔并由第一单一材料构成，该单一材料选自由硅、石英及碳化硅组成的组；及连接器，其可分离地连接至杆部，且其由不同于第一材料的第二材料构成并且包括供应管，供应管具有沿与第一轴垂直的第二轴延伸并与第一孔流体连通的第二孔，及具有可连接到气体源管线的远端。
Description
相关申请交叉引用
本专利申请要求2009年8月25日申请的、题为“混合气体注射器”的美国临时专利申请61/277,361的权益，其内容和教导通过引用全部组合在此。
发明背景
1.技术领域
本发明总体上涉及半导体晶片的热处理。具体地，本发明涉及热处理炉中的气体注射器。
2.现有技术
在制造硅集成电路的若干阶段持续使用批次热处理。一低温热过程通过化学汽相沉积来沉积层氮化硅，通常在大约700℃的温度范围内使用氯硅烷及氨作为前体气体。其他的低温过程包括多晶硅或二氧化硅的沉积或其他利用低温的过程。高温过程包括氧化、退火、硅化及其他通常用到高温的过程，例如1000℃以上或甚至1200℃。
大规模大批生产通常使用井式炉及纵向安排的、支撑炉中的大量晶片的晶片塔，通常为如图1的示意性截面图所示的结构。炉包括绝热加热器筒12，用于支撑由未示出的电源供电的电阻加热线圈14。通常由石英组成的钟罩16包括顶部且装配在加热线圈14中。可使用端部开口的内衬18，其装配在钟罩16中。支撑塔20位于台座22上并且在处理期间台座22及支撑塔20大致被内衬18围绕。塔20包括垂直排列的狭槽，用于固定将要按批次模式进行热处理的多个水平布置的晶片。主要布置在塔20与内衬18之间的气体注射器24在其上端具有出口，用于将生产用气体注入内衬18内。通常，多个不同长度的气体注射器24将生产用气体注射在多个高度处。未绘示的真空泵通过钟罩16的底部去除生产用气体。加热器筒12、钟罩16及内衬18可被垂直抬起以使晶片能转移至塔20及自塔20转移出来，虽然在一些结构中，这些组件保持静止而升降机将台座22及带负载的塔20提升到炉10的底部内或降低到其外面。
钟罩18的上端封闭导致炉10在其中间及上面部分趋于具有大致均匀的热温度。这被称为热区，热区中的温度针对最优化热过程进行控制。然而，钟罩18的开口底端及台座22的机械支架导致炉的下端具有较低的温度，通常足够低以至于如化学汽相沉积这样的过程不能完全有效。热区可排除塔20的部分下部狭槽。
通常在低温应用中，塔、内衬及注射器由石英或熔融硅石组成。然而，石英塔及石英注射器正被硅塔及硅注射器取代。图2的正视图绘示可自美国加州Sunnyvale的Integrated Materials公司获得的硅塔的结构。此塔的制造在Boyle等人的美国专利6,455,395中描述，其通过引用并入本文。硅内衬已经由Boyle等人在美国公布的专利申请2002/0170486中提出。
Zehavi等人公开了硅注射器24，如图2的正视图所示，其制造方法在美国公布的专利申请2006/0185589中描述。其包括注射器杆26(亦称为管)及连接器28(亦已知为关节)。连接器28包括供应管30及肘形件32，肘形件具有凹部以接收注射器杆26。供应管30可具有大约4毫米至8毫米的外径并具有相应大小的内圆孔34。供应管30穿过炉的下歧管。
供应管30的末端可通过真空配件及O形环(如Ultratorr配件)连接至气体源管线，气体源管线将所需的气体或气体混合物供应到炉内，例如，用于氮化硅的CVD沉积的氨及硅烷。根据Boyle等人的美国专利6,450,346描述的方法，完全一体的连接器28可由经退火的原生多晶硅机械加工而成。机械加工包括将供应孔34连接至接收杆的凹部。或者，将分开的管30装入且结合至单独机械加工的肘形件32来组装连接器28。
注射器杆26形成为具有注射孔36，例如，具有与供应管30的圆孔34相似直径的且沿注射器杆26整个长度延伸的圆形孔。如图所示，注射器杆24可具有斜面端，例如面向腔室内衬，或其可具有与杆26的轴垂直的平坦端。注射器杆26的截面形状可为正方形(如图示)，或可为八边形或圆形或根据炉制造商及生产线需要成形。注射器杆42可由两壳54、56组成，两壳通过未绘示的、沿杆轴向延伸的舌榫结构接合在一起。
Zehavi等人的注射器40的所有零件均由硅(优选多晶硅，原生多晶硅最佳)构成。这些零件可使用由旋涂玻璃(SOG)及硅粉构成的可固化黏合剂融合在一起，如Boyle等人的美国专利7,083,694所述。可流动的黏合剂施加在这些零件的接合区域，之后这些零件组装成所示结构。接着，该结构在900至1100℃范围内的温度下退火以将旋涂玻璃转换成硅基体，其与硅零件紧密结合并包含硅粉末。
硅气体注射器在减少炉中产生的微粒数量方面非常有效，这些微粒掉落至处理过的晶片上时有害并且降低产量。
发明内容
遗憾的是，以上描述的常规单硅气体注射器存在若干缺陷。制造复合硅注射器是个单调且昂贵的过程。因此，即使通过增加生产产量及延长注射器使用寿命使得费用减少，硅注射器依然很贵。另外，硅结构较长，有时其长度超过一米，及易碎、易断裂。运送组装好的注射器需要十分小心以防止注射器在运输中断裂。只要长杆断裂，注射器显然就需要用新注射器替换。同样，当注射器主要因沉积产物堆积使得晶片缺陷增加或沉积率或均匀性改变而寿命终止时，该注射器通常会被扔掉并用昂贵的新注射器取代。
虽然全硅气体注射器相较先前使用的结构在减少不想要的微粒产生方面具有提高的性能，但该提高的性能仅对暴露于非常高温度的注射器部分必要。实际上，只有注射器的杆延伸到热区的处理区域内并经受生产用气体的密集涂布。连接器或关节位于处理区域的下面且经历较低的温度，使得连接器并未经历明显沉积。
与上面描述的常规气体注射器相比，改善的气体注射器包括混合结构，该结构具有：(i)由高纯度材料如硅构成的杆，其构造并安排成延伸通过炉的热区同时阻止微粒形成；及(ii)由另外材料构成的连接器，其不易碎、制造成本更低及构造并安排成位于能够产生不想要的微粒形成的热区(大致由炉的加热线圈14定界)外面。作为备选，杆可由石英或碳化硅构成。示例性连接器可由不锈钢或镍铬铁合金(Inconel)制成。
连接器的材料优选比杆的材料更坚固，且优选成本更低。对于硅杆，石英及碳化硅可用于连接器。然而，由于其优异的强度及易于机械加工，优选诸如不锈钢或者镍铬铁合金的强金属用于制造连接器。另外，不锈钢及镍铬铁合金不影响将要泵送的气体的纯度水平。
有利地，杆可通过可分离连接而与连接器结合，例如，使用螺纹件如螺丝。因此，杆及连接器可因为不太复杂的结构且易于现场组装而可分开运送。另外，杆的更换不需要新连接器。如果杆断裂或者被过度涂布，则可将新杆与先前使用的连接器结合。如先前所述，连接器经受少得多的沉积。如果需要进行清理，其更小的尺寸、降低的复杂性及坚固的组成有助于清理。
例如，一实施例致力于将生产用气体注入井式炉的支撑多个晶片的塔与管形内衬之间的热区内的气体注射器。气体注射器包括管形杆，该杆具有沿其第一轴从第一远端延伸到第一近端的第一孔。管形杆由选自硅、石英及碳化硅中的至少一个的第一材料制成。气体注射器还包括可分离地连接到管形杆并与其流体连通的连接器。连接器由不同于第一材料的第二材料制成，连接器包括供应管，供应管具有沿其第二轴延伸的第二孔。第二轴与第一轴垂直。连接器构造并安排成：(i)在供应管的第二远端处接收来自气体源管线的生产用气体；及(ii)在供应管的第二近端处将生产用气体传输给管形杆的第一近端。
附图说明
图1为井式炉的截面图。
图2为全硅气体注射器的正视图。
图3为本发明的气体注射器的第一实施例的正视图。
图4为本发明的气体注射器的第二实施例的正视图。
具体实施方式
本发明的优选实施例如图1至4所示。
改善的气体注射器包括混合结构，该结构具有：(i)由高纯度材料(如硅、石英或碳化硅)构成的杆，其构造并安排成延伸通过炉的热区同时阻止微粒形成；及(ii)由另外的材料(如不锈钢或镍铬铁合金)构成的连接器，其不易碎、制造成本更低及构造并安排成位于能够产生不想要的微粒形成的热区外面。
混合气体注射器的一实施例50，如图3的正视图所示，包括硅杆52，由融合在一起的两个多晶硅壳54、56形成并具有在其间形成的中心孔58。杆52的下端结合至配接器60，配接器60也具有中心孔，该中心孔延伸穿过配接器并且与杆52的中心孔58对齐。在配接器60内机械加工两个槽口62、64以沿垂直于杆52的轴的两个相对侧延伸。配接器60可由多晶硅构成，其在需要小尺寸时易于机械加工。配接器60相对较小、简单成形且可由单一部件机械加工而成。经机械加工的配接器60可在同一SOG/硅融合操作中融合至多晶硅壳54、56，其形成杆52的主要部分，或者在分开的操作中进行融合。
连接器66由金属(优选不锈钢或者镍铬铁合金)构成且包括供应管68，供应管的中心孔连接到气体源管线。例如，供应管68通过焊接与不锈钢肘形件70结合，肘形件内机械加工有两个连接且垂直安排的纵向孔和水平孔，以在杆52的中心孔58与供应管68的中心孔之间进行连接。肘形件70具有平坦的上表面72，配接器60搁在该上表面上且其中心孔与肘形件70中的纵向孔对齐。两个支座74、76具有各自水平延伸的齿，该齿可与配接器60的槽口62、64啮合。螺丝78、80可自由地穿过肘形件70的凸缘82、84并旋转进支座74、76中。由此，螺丝78、80可将配接器60紧靠肘形件70的包围纵向孔的平坦表面72固定。螺丝78、80可被旋松以从杆52释放连接器66。由此，如果杆52因断裂或老化需要替换时，连接器66可再用于新杆52。优选地，支座74、76及螺丝78、80也由不锈钢构成。
零件之间的密封无须提供高压密封。硅似乎可充分密封至金属。然而，可以预见，密封材料可有利地进行使用，例如金属密封件如C形密封件或者高温弹性体密封件如Kalrez。密封件需要适应不同材料零件之间的不同热膨胀同时保持这些零件接近气体密封。
如图4的正视图所示的混合气体注射器的另一实施例90包括类似于图3的杆92，杆92包括第一及第二壳94、96并具有沿壳轴向形成的中心孔98。然而，第二壳96在其下端附近但偏离其下端处包括未绘示的侧孔。另外，端板94结合并密封至壳94、96的底部以堵塞中心孔98。壳94、96及端板94由相同材料形成，例如，石英、碳化硅或硅，但优选多晶硅，原生多晶硅最佳。硅端板94可在壳94、96融合在一起的同时融合至壳94、96。
配接器100包括供应管102，供应管102例如通过焊接与夹钳结构的基座104结合。基座104包括未绘示的孔，该孔与供应管的中心孔连通并与第二壳96中的侧孔对齐。两个可移动的夹具106、108包括凸耳110、112，凸耳与第一壳94邻接并与第二壳96中的孔相对。第一壳94的拐角可圆化以与凸耳110、112的凹形内表面一致。穿过夹具中的孔的螺丝114、116旋进基座104内。因此，螺丝114、116可紧靠第一壳94固定凸耳110、112以将杆92的底部固定在配接器100上并将第二壳96中的孔与基座104的孔密封以在杆92的中心孔98至供应管102的孔之间提供流体相通。如果螺丝114、116被旋松，则杆92可与连接器100分离。
本发明具有许多优点。暴露在高温下的注射器零件即杆具有简单的形状以使杆更容易由关键性材料如硅形成。注射器的其他部分可更容易由非关键性材料形成，尤其是不锈钢，其更容易形成为所需形状。连接器尤其是所需的90度弯度可由更加坚固的材料形成。较简单的零件可运送并且易于现场组装。若杆需被替换，则连接器可连到新杆而无须与其气体管线断开连接，由此降低维修成本。更简单的杆设计有助于杆的清洁，而不是丢弃整个复杂且难以清洁的单式注射器。由于由价廉的材料制成可再使用的连接器，消耗品的总成本与拥有成本均得以降低。
虽然本发明的优选实施例已在此进行描述，但以上的描述仅是说明性的。相应领域的技术人员可对在此公开的发明进行进一步修改，所有这些修改均视为在所附权利要求限定的发明范围内。
Claims (7)
1.一种气体注射器，用于将生产用气体注入井式炉中支撑多个晶片的塔与管形内衬之间的热区内，所述气体注射器包括：
管形杆，具有沿其第一轴从第一远端延伸到第一近端的第一孔，所述管形杆由选自硅及碳化硅中的至少一种的第一材料制成；及
可分离地连接到所述管形杆并与其流体连通的连接器，所述连接器包括：
与供应管结合的基座，所述供应管具有沿垂直于所述第一轴的第二轴延伸的第二孔，所述基座具有与所述第一孔连通的孔；
多个可移动的夹具，每一夹具具有贯穿孔并具有构造成与所述管形杆啮合的凸耳；
穿过所述多个可移动的夹具并旋进所述基座内的螺丝，其中拧紧所述螺丝使所述多个可移动的夹具紧靠所述管形杆从而将所述管形杆固定到所述基座上，同时所述第一孔与所述第二孔连通；
其中所述连接器由不同于第一材料的第二材料制成，及其中所述连接器构造并安排成：(i)在供应管的第二远端处接收来自气体源管线的生产用气体；及(ii)在供应管的第二近端处将生产用气体传输给管形杆的第一近端。
2.如权利要求1的气体注射器，其中所述第二材料为金属。
3.如权利要求2的气体注射器，其中所述金属为不锈钢或镍铬铁合金。
4.如权利要求1的气体注射器，其中所述第一材料为多晶硅。
5.如权利要求4的气体注射器，其中所述第二材料为不锈钢或镍铬铁合金。
6.如权利要求1的气体注射器，其中所述管形杆还包括融合到其第一近端的多晶硅配接器，所述多晶硅配接器搁在所述连接器上，构造成与所述多个可移动的夹具啮合，及具有延伸穿过其并与所述管形杆的所述第一孔和所述基座的孔对准的中心孔。
7.如权利要求1的气体注射器，其中所述管形杆还包括融合到其第一近端的端板。
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