CN1292148A - 具有圆形的水平臂的自由滑动垂直架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体晶片处理的垂直架,具有严格水平设备的臂,其中每一个臂具有圆形顶部和平滑(Ra小于1μm)的上表面。

Description

具有圆形的水平臂的自由滑动垂直架

诸如集成电路之类的半导体装置的制造典型地需要在活性气体中对硅晶片进行热处理。在这个处理中，由于装置常常包含尺寸小于1μm的电路元件(这容易受到处理环境中微小变化的影响)，必须仔细地控制装置暴露于其中的温度和气体的浓度。

典型地，半导体制造行业以水平或垂直载体处理这些晶片。水平的载体(典型地称为“盘”)具有三个或四个水平设置的隔板，它们以半圆形设置排列，每一个隔板中以规定的间隔设置有面朝内的凹槽。每一组凹槽确定一个垂直的空间，用于承载垂直设置的晶片。垂直载体(典型地，称为“垂直架”)具有三个或四个垂直设置的杆(或柱子)，它们以半圆形设计安排，其中，每一个柱子中以规定间隔设置有缝隙，以确定用于支撑水平设置的晶片的空间。为了确保这个领域中所需要的几何精度，将这三个或四个杆固定到顶部平板和底部平板。每一个缝隙之间的柱子部分，称为“齿”，间隔相等，以与底部平板相距规定距离并与其平行。将整个的架子放置在垂直的炉子中以对晶片进行处理。

由于在垂直架上进行处理的晶片在其整个表面上经受小的温度的梯度(和在水平盘上进行处理的晶片相比)，半导体制造日益转向垂直炉子。

但是，对于垂直炉子有一个缺点。设置在传统的垂直架上的晶片仅仅被支撑在它们的外部边缘处。同样地，搁在这些齿上的晶片的区域比晶片其余的区域受到更高的压力。当炉子中的温度超过大约1000摄氏度时，这些压力常常变得非常大，单个晶片的各部分沿结晶板的方向，响应这种应力而互相相对移动。这种现象(称为“滑动”)事实上毁坏位于发生滑动的晶片区域中的半导体装置的价值。

对应于滑动的问题，现有技术已经开发了一种主垂直架，它具有延长的，垂直-倾斜的齿，由此，被支撑在其上的水平设置的晶片仅在其中心部分被支持。见例如，第5，492，229号美国专利(“Tanaka”)，WO 96／35228(“Tomanovich”)的图2b和第5，586，880号美国专利(“Ohsawa”)的图5-7。这些配置提供了现有技术称为“近中心支持”。虽然产生“近中心支撑”的架子在许多晶片处理应用中消除了滑动，但是有些低效，因为它的从水平的平面升起以产生近中心支撑的臂部分必须增加架子的垂直间隔周期，即，晶片到晶片的距离。例如，Tanaka具体提出了其升起部分自齿的平的部分垂直延伸大约0．3mm。相应地，垂直架的近中心支撑类型典型地可以容纳只有典型地由传统的垂直架容纳的大约90％的晶片。

Tomanovich的图3(b)揭示了一种垂直架，其中臂严格水平，并且不上升。虽然已经发现这种架子消除有些高温半导体晶片处理应用中的滑动，但它在要求更高的应用中实现得不好。

EP 0807961 Al揭示了一种垂直架，其中，水平臂具有圆形的边缘。但是，在Nakajima中没有认识到需要使水平部分的表面粗糙度低到1μm，以防止在极端条件下的滑动。事实上，作为Nakajima提出的例子1，即5-58μm的表面粗糙度相当完美，Nakajima提出远离提供其中水平臂具有不大于1μm的表面粗糙度的架子。

因此，需要一种垂直架，它和传统类型的架子一样有效，并且消除了在要求更高的晶片处理应用中的滑动。

申请人发现，为了防止极端条件下的滑动，既要具有十分平滑的上表面又要有圆形边缘的水平臂。所要求的这两方面特征的理解丝毫没有被所引证的技术所认识。

本发明的架子包含一个臂，它先从垂直杆子严格水平地伸出，然后逐渐向下倾斜，并具有平滑的上表面。包括本发明的架子的初期的试验已经示出，它已经在1200摄氏度晶片处理应用中大大消除了200mm硅晶片的滑动，相反，具有严格水平臂的尺寸类似的垂直架(Tomanovich的图3b)在相同的试验中，在50％的晶片中产生滑动。

由此，本发明的架子比近中心支撑架子更紧凑，并且更有效(由于它没有升起部分)，并且比严格水平臂架子在防止滑动方面更加有效。

这种架子的特殊的性能的令人惊讶的在于，它的设计可能出现鼓励滑动，但是事实上却是防止滑动。具体地说，近中心支撑架子想通过防止晶片的内部的过度下陷而防止滑动。通过设置一般的朝下倾斜的边缘(或“圆形的”)部分，本发明的架子在晶片内部出现促进下陷。但是，这种设计在防止滑动中已经证明了有效性。

不希望被理论束缚，相信本发明的设计利用硅晶片的单晶性质的优点。具体地说，硅晶片有弹性地对应半导体晶片，它是通过在其暴露于高温下时稍稍下陷，然后在其冷却时恢复其出示平直度而进行处理的。发现，只有当下陷的晶片也和应力集中区域对抗时(即，其下陷被其锐利的支撑边缘所阻止)，它才产生滑动。

由于本发明的支撑臂的边缘是圆形的，稍稍倾斜的晶片在增加的表面积周围被支撑，其斜度大大消除了(或基本上减小了)应力集中。相信增加的表面积(为下陷晶片提供更多支撑)和边缘的圆形性质(防止应力集中)，每一个在成功地应用这种架子中都起了作用。

虽然Ohsawa的图5-6揭示了一种架子，其臂具有向下倾斜的边缘，所附的文字清楚表明这种架子仅提供近中心支撑。即，文字说明了通过首先制造一个通过杆的横向孔，然后制造连接到孔的水平台，而产生的臂的结构，但是如此做，孔的底部将产生升起部分。由于上面揭示的原因，这个升起部分使架子低效。Ohsawa没有提出或提议孔制作的第一步骤，以消除其升起部分。

因此，根据本发明，提供了一种垂直架子，它由具有铁的含量不大约50ppm的陶瓷制成，并且包含：

a)垂直支撑装置，包含一般的水平的底部和从底部垂直延伸的垂直部分，

b)多个垂直隔开的水平支持装置，它们从垂直部分水平延伸，其中至少一个水平支持装置包含：

i)水平的上表面部分，它从垂直部分水平地连续延伸，并具有不大于1微米(μm)的表面粗糙度，和

ii)从水平的上表面部分朝下倾斜的圆形的上表面部分。

较好地，垂直架的垂直部分还包含弓形的水平横截面，它确定了最大半径Rmax，具有中心点，多个垂直间隔的水平支持装置水平地从垂直部分基本上朝着中心点延伸，水平的上表面部分从垂直部分朝中心点连续地水平延伸至少Rmax的20％的距离，并且圆形的上表面部分从水平的上表面部分朝中心点向下倾斜。

根据本发明，还提供了一种组合物，包含：

a)上述架子；和

b)多个晶片，具有不大于Rmax的晶片半径，其中，每一个晶片由多个水平支持装置之一水平支撑。

根据本发明，还提供了一种处理半导体晶片的方法，其特征在于包含步骤：

a)设置上述组合物，其中，每一个晶片具有至少200mm的Rmax，和

b)将半导体晶片的温度升高到大约1000摄氏度至少15分钟。

图1是本发明的垂直架的侧视图，它支撑水平放置的晶片。

图2是图1的较好的垂直架／晶片的组合物的顶视图。

图3表现了由本发明的如图2所示的较好的垂直架产生的阴影的区域。

参照图1，提供了一种较好的垂直架11／晶片W组合物，垂直架包含：

a)顶部平板12

b)底部平板13，和

c)多个垂直杆14，每一个杆的上端15固定在顶部平板12的大致周围，每一个杆的低端16固定在底部平板13的周围，每一个垂直杆具有多个水平臂17，它们与底部平板13等距分开，以确定多个支撑位，以水平支撑晶片W，每一个晶片具有中心点C，其中每一个臂包含：

a)水平的上表面部分18，它从杆连续水平延伸，并从晶片边缘连续接触晶片W，从而在臂和晶片之间最内部接触点19，(从晶片半径测量)在晶片半径的20％和80％之间的区域内，和

b)圆形的上表面部分20，从水平的上表面部分18朝着晶片中心点C向下倾斜。

图2示出了杆14如何定向以形成确定最大半径Rmax(由虚线示出)的水平横截面，该水平横截面具有中心点C。在该图中，虚线还可以对应于可以由架子容纳的最大的晶片。

在一个较佳实施例中，接触至少三个臂的至少一个而最好是每一个，与它们的支撑的晶片之间的最内部接触在晶片半径的33％和66％之间的区域内。另外，一个支撑位的臂与它们支撑的晶片之间的总的接触的面积典型地在接触臂的面的晶片的表面积的大约1％和大约5％之间。

为了使滑动引起应力最小化，支撑晶片的臂的表面(即臂的两个水平部分及其向下倾斜的边缘)具有不大于1μm的表面粗糙度Ra，如由B46．1-1985ANSI／ASME National Standard的3．9．1节确定的。如果水平部分的平滑度是大约2μm，然后当晶片在加热期间膨胀时，臂的顶部将防止晶片的平滑膨胀，这种现象将引起滑动。

当滑动的频率随着产业上朝着更大的直径的晶片发展时普遍增加，使用本发明的架子的优点在具有这些更大的直径的晶片的应用中清楚地得到证明。

相应地，当处理直径为至少200mm(大约8inch)的晶片时，本发明的架子更加有利地使用，对于直径为至少250mm(大约10inch)的晶片更加有利，对于直径至少300mm(约12inch)的晶片最为有利。相应地，本发明的垂直架(其垂直杆确定晶片支撑的直径至少200mm)提供特别的优点。当垂直杆确定晶片支持直径为至少250mm时更加有利，并且当垂直杆确定晶片支持直径为至少300mm时提供甚至更大优点。

类似地，当滑动的频率随着工业上朝更高的处理温度发展而普遍增加，在具有这些更高的处理温度的应用中使用本发明的架子的利益将更加清楚地得到证明。相应地，当晶片的温度至少是1000摄氏度至少15分钟时，更加有利地使用本发明的架子。当晶片的温度为至少1100摄氏度时提供更好的优点，当晶片的温度至少1200摄氏度时提供甚至更大的优点。

虽然希望臂以理想的水平角度从杆延伸，商业上很少达到这样完美。相应地，臂的水平的上表面部分偏离水平的角度典型地在大约0度到0．2度。通过维持在这一容差内，保持平的臂的效率。

臂的圆形的边缘不但在晶片严重下垂的状态为其提供增加的支持面积，还不受到应力集中特点影响。圆形的边缘的曲率最好基本上是半球形，并确定半径R在3mm和50mm之间，更好地在5mm和20mm之间。其表面粗糙度Ra一般不超过大约2μm更好地不超过1μm。在一个较佳实施例中，圆形的边缘提供了朝下倾斜的支撑面，它具有的大约1／10的梯度(即，它在的斜率至少5mm上向下倾斜大约0．5mm)。通常，圆形的边缘提供向下倾斜支撑面，它具有大约1／30和1／3之间的梯度。

在一些实施例中，如图2所示，臂的侧棱21是圆形的。

水平的上表面部分典型地从其垂直杆延伸的距离(通过测量突出部分的端部和杆之间的最短距离得到，并在图中示为“A”)一般依赖于要处理的晶片的尺寸。例如，当要处理的晶片的直径为6inch时，水平的上表面部分典型地在离开杆边缘至少15mm的地方终止(通常在离开杆大约20mm和大约40mm之间)，最好离开杆大约27mm。当要处理的晶片的直径为8inch时，水平的上表面部分典型的在离开杆的边缘至少22mm的地方终止(通常离开杆在大约30mm和大约50mm之间)，最好是离开杆的边缘大约36mm。当要处理的晶片直径为12inch时，水平的上表面部分典型地在离开杆的边缘至少30m的地方终止(通常在离开杆大约40mm和大约70mm之间)，最好离开杆的边缘大约54mm。

典型地，臂的水平的上表面部分从其周围到对应于支撑的晶片的半径的20％和80％之间，更典型地，在晶片半径的33％和66％之间支撑晶片。

本发明的垂直架可以由任何一种具有允许其用于半导体处理的垂直架的高温制造中的铁的纯度的陶瓷材料制成，较好地，材料是再结晶的碳化硅。更具体地说，再结晶碳化硅成份具有少于10ppm的铁。架子的材料还可以是涂敷有难熔材料(诸如碳化硅、氮化硅或钻石)的CVD。较好地，架子包含CRYSTAR、再结晶碳化硅(可以从Worcester，MP的Norton公司买到)。在较佳实施例中，架子材料包含硅化的碳化硅。在较佳实施例中，架子材料1200摄氏度的抗弯强度(四点)至少是150MPa。

已经发现，垂直架的臂典型地屏蔽或遮荫来自柱子内侧或其附近的晶片部分的辐射热和／或活性气体(它从垂直炉子周围进入)。

相应地，在晶片的“被遮荫”部分和晶片的其余部分之间产生大的温度和／或气体浓度变化。

这些变化构成滑动引起应力。由此，在一些实施例中，臂放射状定向，从而它们在晶片不超过30％的区域上投射阴影，最好是在不超过晶片的10％的区域中。为了本发明，阴影的百分比由确定以不受到臂的阻碍的途径，反应性气体和／或热可以直接地从架子周围发生的的百分比计算。图3的阴影部分表示由图2的杆在晶片上产生的影子。

Claims (14)

1．一种由铁的含量不超过大约50ppm的陶瓷制成的垂直架，其特征在于包含：

a)垂直支撑装置，包含通常水平的底部，以及从所述水平的底部垂直延伸的垂直部分，

b)多个垂直方向隔开的水平支持装置，水平地从所述垂直部分延伸，其中至少一个所述水平支持装置包含：

i)水平的上表面部分，它从所述垂直部分连续地水平延伸，并具有不超过1微米的表面粗糙度Ra；和

ii)圆形的上表面部分，从所述水平的上表面部分向下倾斜。

2．如权利要求1所述的垂直架，其特征在于垂直部分还包含弓形的水平横截面，它确定最大半径Rmax，具有中心点，其中所述多个垂直隔开的水平支持装置从垂直部分基本上朝着中心点水平延伸，其中，水平的上表面部分从垂直部分朝着中心点连续水平地延伸至少Rmax的20％的距离，以及，其中圆形的上表面部分从水平的上表面部分朝着中心点向下倾斜。

3．如权利要求2所述的架子，其特征在于底部是平板，并且垂直支撑装置包含至少三个垂直杆。

4．如权利要求3所述的架子，其特征在于每一个垂直隔开的水平支持装置包含多个臂，其中一个臂从单个的对应的杆水平地延伸。

5．如权利要求4所述的架子，其特征在于垂直支撑装置包含不超过三个的垂直杆。

6．如权利要求1所述的架子，其特征在于每一个垂直隔开的水平支持装置包含多个臂，其中一个臂从所述至少三个垂直杆中的每一个连续的水平延伸，并且至少一个臂具有圆形的侧棱。

7．如权利要求1所述的架子，其特征在于Rmax至少大约200mm，并且陶瓷的四点抗弯强度在1200摄氏度至少大约150MPa。

8．如权利要求1所述的架子，其特征在于圆形的上表面部分确定了的半径在3mm和50mm之间。

9．一种组合，其特征在于包含：

a)由铁的含量不超过大约50ppm的陶瓷制成的垂直架，它包含：

i)垂直支撑装置，包含通常水平的底部和从所述水平底部垂直延伸的垂直部分；

ii)多个垂直方向隔开的水平支持装置，从所述垂直部分水平延伸，其中至少一个水平支持装置包含：

(1)水平的上表面部分，它从所述垂直部分连续水平延伸，并且表面粗糙度Ra不大于1μm，和

(2)圆形的上表面部分，从所述水平的上表面部分向下倾斜，

b)多个晶片，其晶片的半径稍小于Rmax，

其中，每一个晶片由所述多个水平支持装置中的一个水平支撑。

10．如权利要求9所述的组合物，其特征在于架子的垂直部分还包含确定最大半径Rmax的弓形的水平截面，它具有中心点，其中多个垂直隔开的水平支撑装置从垂直部分基本上朝着中心点水平延伸，其中，所述水平的上表面部分连续地从所述垂直部分朝着中心点连续水平延伸至少Rmax的20％的距离，并且，其中圆形的上表面部分从水平的上表面部分朝着中心点向下倾斜，每一个晶片的水平支撑确定每一个水平支持装置及其支撑的晶片之间最内部的接触点，其中，最内部接触点在晶片半径的20％和80％之间的范围内。

11．如权利要求10所述的组合物，其特征在于每一个晶片具有至少200mm的半径。

12．如权利要求9所述的组合物，其特征在于架子由四点抗弯强度在1200摄氏度时为至少150MPa的陶瓷制成。

13．一种处理半导体晶片的方法，其特征在于包含以下步骤：

设置组合，它包含：

a)垂直架由含铁量不大于50ppm的陶瓷制成，并包含：

i)垂直支撑装置，包含通常水平的底部，以及从所述水平的底部垂直地延伸的垂直部分，

ii)多个垂直方向隔开的水平支持装置，水平地从所述垂直部分延伸，其中至少一个所述水平支持装置包含：

(1)水平的上表面部分，它从所述垂直部分连续地水平延伸，并具有不超过1微米的表面粗糙度Ra；和

(2)圆形的上表面部分，从所述水平的上表面部分向下倾斜，和

b)多个晶片，晶片半径稍小于Rmax，其中每一个晶片由多个水平支持装置的一个水平支撑，每一个晶片的直径至少200mm，并且

升高半导体晶片的温度，至至少1000摄氏度至少15分钟。

14．如权利要求13所述的方法，其特征在于晶片的温度升高至至少1200摄氏度至少30分钟。

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