CN1145692A - 不夹持的真空传热站 - Google Patents

Abstract

一种用在真空室内用于半导体晶片(5)的不夹持的热交换站，真空室内用工业等级的惰性气体，压力为2乇至30乇。所述热交换支承件(1)在用于放置晶片(5)的区域内具有诸多通孔(2)，以起一微型气体增压室的作用，从而使晶片(5)的顶侧和底侧的压力相等。这种结构可避免了因使用夹具会产生的晶片边缘破碎和颗粒的沉积，并且可提高传热速率和晶片温度的均匀性。

Description

不夹持的真空传热站

本发明的技术领域

本发明涉及半导体晶片的真空加工，特别涉及半导体晶片的热加工，即在一真空环境中对所述晶片进行加热或冷却。

本发明的背景

在许多的集成电路器件制造工艺过程中，经常需要在真空环境中对半导体晶片进行加热和冷却。由于在这些加工过程中对清洁度有极其严格的要求，以避免杂质混入和颗粒沉积在晶片上，因此对集成电路的制造工艺进行改进变得越来越重要，即要使几乎所有这些传热作业均在一抽真空的净室内进行。通常，晶片和其环境之间的传热机理涉及辐射、晶片和其支承件之间的接触点处的传导以及通过晶片和其支承件之间的气体进行的传导。辐射在所论温度范围的内所起的作用非常小。而且，在真空压力下进行的传热是一种复杂的现象，它在很大程度上取决于所采用的真空压力、

因此，在已有技术中，人们已经采用了各种手段来提高晶片和其支承夹具之间在真空中的传热速率。人们已经成功地通过施加较大的夹持压力提高了接触导热性，但是它不可避免地要求接触晶片的边缘，这往往导致晶片颗粒的形成以及晶片边缘的碎裂。还有，人们也经常在夹具和晶片之间采用一种柔软的导热材料来改善实际接触表面的面积。但这种柔软材料易于粘连在晶片上而使晶片的处理和传送更加复杂。

当今半导体工业中最常用的冷却方法称为“背面”冷却，它是将晶片的边缘夹持于一夹具并仅对晶片的下侧施加一增大的气体压力，从而通过向高压气体的分子传热、气体分子在晶片和夹具之间来回撞击而把热量传递给较冷的零件，来大大提高加热/冷却速率。这种结构通常将晶片作为一隔板，用其阻止压力稍高的传热气体进入真空压力较低的真空室内。如果想要保持晶片的正在进行诸如沉积、蚀刻和插入加工的低压表面的清洁度，以往一直是必须采用这种结构。

应该理解，在已有技术中，对于想要使晶片和夹具之间的间隙尽可能小以提高气体分子的撞击频率来说，“背面冷却”是有利的。但是，较高的背面气压会使晶片拱起，进而这会使间隙沿晶片直径具有不同的尺寸。为了消除这一问题，一直是将夹具表面制成拱形的。而且，背面压力不能高于真空室压力10乇以上，否则晶片会发生破裂。在限制于约为10乇或更低的最大背面压力下，传热速率对压力极其敏感。因此，由于晶片和支承件之间间隙的局部不同以及对压力的依赖性，横跨晶片的传热速率有空间变化。

在由Anthony等人申请的美国专利3,895,967中揭示了一种与本发明有某一些表面上类似的装置。具体地说，晶片背面加热是在一真空室内通过加热板和晶片之间的一个大间隙内的气体传导加热来完成的。一个重要差别在于，An-thony的专利用一个大气压的压力。在一个大气压力下，按Anthony的说法，采用市售的氦气，由氦气产生的杂质浓度如此之高，以致使这一工艺过程由于杂质扩散入晶片而变得不实用。Anthony采用较高压力工况以提高传热速率。在这样一个大气压力范围内，由于气体传热对压力的变化不敏感，因此如Anthony专利所用的晶片和加热板之间的较大间隙的影响是可以接受的。

本发明的目的

本发明的一个目的在于提供一种具有高传热装置和方法的真空工艺过程，它允许使用超过10乇但低于30乇的压力而不会使晶片发生破裂。

本发明的另一目的在于消除对晶片的夹持接触，从而避免颗粒的形成和对晶片沾染以及晶片边缘的破碎。

附图简要说明

图1是本发明中使用的一晶片和一夹具的示意剖视图。

图2是图1中A-A区域的剖视图，用以表明所述晶片的背面和所述夹具的顶面的微观表面粗糙度，进而说明在该区域内这些表面之间的传热机构。

图3是本发明的一传热室和夹具的一实施例的俯视图。

图4是本发明的传热室和夹具的侧视图。

图5A是另一传热处的俯视图。

图5B是图5A的方案的侧视图。

本发明的具体描述

在一真空室内对一半导体晶片进行热处理的过程中，人们已经知道，两个彼此间隔并相互平行的板之间的热传导取决于板间气体的压力和两板之间的间距。在高压力下，由于平均自由路径短小，大多数气体分子互相碰撞。这就是所谓的粘性区，一般认为在这一区域内传热速率与压力无关。另一极端状态，是所谓的“自由分子区”，在这一区域内大多数气体分子首先与晶片和支承板相撞。但是，在这些较低的压力下，由于只携带有极少量的分子，传热速率较低。在这一区域内，传热速率较大程度地取决于压力。由于有晶片夹持和晶片弯曲的问题，所谓的“背面”传热机构必须限用于低压区，而在低压区，传热速率对压力非常敏感。在采用背面气体热交换技术进行加热或冷却的过程中，这导致传热速率有很大差异以及晶片温度不均匀。

本发明通过提供不限制工作在低于10乇的背面压力的压力区域内的晶片除气装置，能克服以上这些缺陷。这是通过将相同压力的气体作用在晶片的两侧来实现。这种结构可允许在任何压力下工作。但是，在高于30乇的压力下，气体内的极微量杂质也会成为严重的问题。在更高的压力下，杂质的浓度会导致传热过程中的杂质扩散。此外，由于传热速率在粘性状态不会有明显增加，因此使用高于30乇的压力没有任何益处。

本发明的装置仅利用重力来实现夹持而不用夹子来增加传热板的直接接触压力。而且，这种结构有意思地消除了晶片和传热板之间的背面空间内的任何固定间隙。将所述传热板加工成在一足以容纳晶片的很大区域内具有很好的平直度，以通过增加分子振动速率来改善传热。当传热板的平直度为0.010英寸时，可获得良好的效果，当然传热板的平直度为0.005英寸更好。这一平整的区域与表面粗糙度小于125微英寸的晶片的背面相互作用。

请具体参阅图1。待处理的半导体晶片5被放置入传热板1的表面上的一凹部7内，用来限制晶片的水平运动。所述晶片搁靠在传热板1的表面6上，不用任何夹子或其它装置来增加晶片和传热板1之间的超过晶片5之重量的压力。所述传热板也可以做成具有如图4A所示的、向上凸起的凸耳7’以限制晶片的水平运动。穿过传热板1钻制多个紧公差直径的孔2，并且最好等距离分布，通向晶片支承区以提供一气体增压室，以便将压力相同的气体施加于晶片5的上下两表面。如显微放大图图2所示，气体可以进入孔2并流过整个接触区6’，并与从凹部7附近的晶片边缘区域进入区域6’的气体进行自由交换。通过加热嵌入或固定于板背面的镍铬耐热合金盘绕丝3使传热板起加热板的作用，或者加热板可以由诸如石墨的电阻加热材料制成。对于一种板，孔2最好选择为具有固定的直径并且其最好在1/16英寸至1/8英寸范围内。由于氩气或氦气能很容易地穿过极小直径的孔，因此这些孔的直径可以非常小而不会降低初始流量。

通过设置导槽4，使制冷剂气体或液体冷却剂流过导槽并引至一设在外部的泵和热交换器，可使所述传热板成为一冷却站，或者，所述传热板可以做成兼有加热器和冷却器的性能，能起两种作用，并且可以同时地流过制冷剂和进行加热，以便能更迅速地进行温度校正。

更具体地说，图3示出了设在传热板上的诸孔2，这些孔彼此隔开地设置在第一半径12和第二半径13处以及传热板1的圆形凹部的中心2’处。微小增压孔的结构不是很关键的，但是这些孔应该是大致等距分布的，在使用分子非常小的氦气时更应如此。对于大多数普通界面表面来说，氩气和氦气都能在区域6’内的微观缝隙内表现出几乎自由流动的特性。

传热板支承管14用来将传热板1支承在真空室壁10的底壁上方。支承管14的侧壁上设有一孔18，用来使气体自由流动至传热板的中心孔2’，如图4所示。

对于想获得由本发明得到的较高的传热速率来说，重要的是，所述装置要使位于直接面对晶片的背面面积的传热板的平面传热顶面区域内的传热板整体表面面积为最大。这是为了能提供最大固态材料，以便于与界面区域内的惰性气体分子相互作用。这一要求当然意味着必须将作为部分通气口的平面传热顶面区域的面积减至最小值，所述最小值刚只足以使传热板的两表面上的压力迅速达到平衡。我们相信只要满足以下条件这是能够达到的： $\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{A_n}{A}<<0.1$

式中：A_n是一孔的横截面面积，A是整个晶片的直径，n是传热板上的孔或通气口的数目。

将气体从一氦气供给源17通过阀门21再通过质量流控制器15供给至真空室10内。把晶片放入和取出加热室是通过门11进行的，所述门密封地抵靠在表面22上。真空泵20与加热室10相连通，用来维持室内所需的低的基压。或者，所述真空泵可通过阀门24打循环，但通常阀门24是关闭的，阀门23是打开的，以便将所述泵排出到一真空粗抽泵，从而使粗抽泵的油类杂质不会进入腔室10内。

用本发明的一加热器实施例进行的晶片加热试验表明，与已有技术相比，传热速率有明显的改善。已有技术的最大温度升高速率是7.5℃/秒，而本发明的最大速率是12℃/秒。

本发明更具特征性的改善在于，本发明中传热板1和晶片之间的温度差降低了4倍。具体地说，在已有技术中，对于一温度为550℃的传热板来说，晶片到达的稳态温度为440℃，因此温度差为110℃。而在本发明中，对于同样的温度为550℃的传热板来说，温度差是25℃。

此外，在不进行夹持的情况下，遍及一六英寸晶片的稳态温度均匀性从±3％改善到±1.5％。

虽然已结合附图的几个实施例对本发明进行了描述，但是应该理解，这些实施例都是说明性的，本发明并不限制于这些实施例，本发明的保护范围应由所附的权利要求书来确定。

Claims (11)

1.一种用来与一半导体晶片的第一表面的宽面面积W进行热交换的传热装置，包括：

(a)一真空室，所述真空室包括一基底和围壁，所述围壁具有用于将所述半导体晶片放入和取出所述真空室的一门开口和闸门装置，所述闸门装置包括一在所述闸门装置抵靠到所述门开口上时能将所述闸门装置真空密封于所述门开口的装置，所述真空室还包括能将所述腔室内的压力抽低至真空压力的装置；

(b)一传热板，所述传热板安装在所述真空室内，所述传热板具有相反的第一和第二表面，所述传热板的第一表面具有一面积为A的平面区域，用来容纳和支承所述半导体晶片的所述第一表面，所述平面区域的平直度在0.010英寸范围内，所述面积A大于所述半导体晶片的所述面积W，所述平面区域用来容纳和支承所述半导体晶片且其内有通气装置，所述通气装置是一种通路，以使所述真空室内的气体能自由地通过所述通气口而扩散，从而使位于所述传热板的所述第一和第二两相反表面附近的气体能在所有时间始终处于自由层流气体连通状态，所述所有时间包括把所述半导体晶片放置在用来容纳和支撑所述半导体晶片的所述第一表面的所述平面区域内的那些时间；

(c)一惰性气体压力源，有输送装置将所述惰性气体压力源连通于所述真空室，以使所述惰性气体能计量地流至所述真空室，以产生一腔室压力P，这里P＞2乇；

(d)连接于所述传热板以提供热量来升高所述晶片的温度或抽出热量来降低所述晶片的温度的装置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传热板的所述第一表面的所述平面区域的所述通气装置是n个分布的孔，每一所述孔具有一横截面积An，其中n是一等于或大于1的整数，并且满足以下条件： $\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{A_n}{A}<<0.1$

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，用来容纳所述半导体晶片的所述第一表面的所述传热板区域包括一位于所述传热板的所述第一表面的侧向运动限制器。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述侧向运动限制器是一围绕所述平面区域的边缘延伸至所述平面区域以上的斜面。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述侧向运动限制器是多个延伸至所述平面区域以上的凸耳。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述n等于1。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传热板自所述真空室基底起由连接于所述传热板的所述第二表面的一支承装置支承。

8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传热板包括一热源，所述热源包括一镍铬耐热合金丝盘绕的加热线圈。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述传热板包括诸多冷却槽，所述冷却槽是一些用来容纳流动的液体冷却介质的通道。

10.一种用来在一真空室内在一传热板和一半导体晶片之间进行热能交换的方法，所述传热板具有一顶面和一底面，所述半导体晶片具有一宽顶面和一底面，其特征在于，所述晶片的所述底面的粗糙度为125微英寸左右，该方法包括：

使所述传热板的所述顶面具有一经机械加工、平直度在0.010英寸范围内的的平整表面区域，并使所述平面区域具有一通气口，从而使气体能通过所述通气口在毗邻所述传热板的所述底面的容积和其所述顶面之间自由连通；

在不施加外部夹持力的情况下，将所述半导体晶片的所述底面直接放置在具有所述通气口的所述传热板的所述经加工的平整表面区域上，从而除了背面粗糙度间隙之外在该两者之间没有任何间隙，因此，即使是在所述半导体晶片被放置在所述传热板顶面上的所述平面区域上时，所述半导体晶片和所述机械加工表面之间的区域与所述传热板的所述底面仍保持气体连通；

用一种压力为P的惰性气体对所述真空室进行加压，其中，30乇＞P＞2乇；

通过所述惰性气体的所述气体分子与所述半导体晶片和所述传热板在所述接触区域内的碰撞，将热量从所述传热板传递至所述半导体晶片或从所述半导体晶片传递至所述传热板。

11.一种用来在一真空室内在一具有一顶面和一底面的传热板和一具有一宽顶面和底面的半导体晶片之间进行热能交换的方法，包括：

使所述传热板具有一区域，使该区域具有多个其直径被控制的离散的孔，这些孔穿过所述传热板从而使所述气体能穿过所述诸孔从所述传热板的底面通到其顶面；

除了所述半导体晶片的自身重量之外，在不施加外部夹持力的情况下，将所述半导体晶片的所述底面直接放置在所述传热板的所述顶面上且在所述孔区域内，从而除了背面粗糙度间隙之外在该两者之间没有任何间隙，由此，提供了一个所述半导体晶片和所述孔表面之间的接触区域，而所述孔表面与所述腔室内部呈气体自由连通状态；

用一种压力为P的惰性气体对所述真空室进行加压，其中，30乇＞P＞2乇；以及

通过冷却介质在设置于所述传热板内的诸通道内的流动来冷却所述传热板；并通过所述气体分子与所述半导体晶片和所述传热板在所述接触区域内的碰撞，将热量从所述半导体晶片传递至所述传热板，藉以冷却所述半导体晶片。

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