CN1293615C - 半导体制造系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能将多个半导体片装到垂直反应管中进行热处理的半导体制造系统。该半导体制造系统包括：第一载片器皿、第二载片器皿、板盖、门板和升降系统。第一载片器皿安装在反应管中，并包括多个用于支撑板状晶片台的台架，所述晶片台以预定间隔垂直装载且上面放置半导体片。第二载片器皿位于第一载片器皿之内或之外并具有用于支撑半导体片的晶片支架。升降系统垂直移动第一载片器皿或第二载片器皿，使晶片台上的半导体片离开晶片台预定高度。该半导体制造系统能够容易地在载片器皿中装载或卸载半导体片而不需要附加的机械手结构。该系统还使得半导体片与晶片台之间的间隙能够在热处理开始阶段进行静态控制，在热处理过程中进行动态控制，以便消除由应力导致的对晶片的任何机械损坏。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造系统，具体涉及下面的半导体制造系统，该系统具有垂直反应管，通过该反应管每次能处理多个半导体片。
背景技术
由于在半导体制造过程中需要长时间的热处理，所以优选同时处理多个半导体片。在半导体制造系统中，在热处理工程中通常使用上面放置有半导体片的、作为载片结构的载片器皿和管子形状的垂直反应管，这是因为热处理的均匀性受反应气体的流动均匀性的影响。在载片器皿中，以垂直间隔形成槽缝以支撑半导体片，然后将半导体片的至少一个或两个边缘安装于槽缝内。
然而在传统的半导体制造系统中，由于半导体片是通过安置在槽缝内的边缘来支撑的，所以支撑力集中在半导体片与槽缝相接触的边缘区域。在高温热处理过程中，大部分支撑力都集中在半导体片的边缘，由晶片重量引起的重力应力和由不同热膨胀引起的热应力作用到半导体片上，从而产生半导体片的最终机械变形，例如歪斜、弯曲和错位形式的变形。在直径为300毫米(12英寸)或更大的大尺寸半导体片中，这种机械变形是很严重的问题，这会降低加工的可靠性。为了防止在高温处理晶片时产生这种机械变形以及均匀分布重力应力和热应力，需要一种能够支撑半导体片的整个底部或一部分表面的载片器皿。然而，具有附加支撑装置的半导体制造系统不仅结构复杂，而且除了昂贵的处理费用之外，仍然无法避免机械变形，并且使用者在装载和卸载半导体片时也有困难。
发明内容
为了解决上述及相关问题，本发明的目的是提供这样一种半导体制造系统，它能在热处理过程中防止大直径半导体片的机械变形，通过该系统能降低在使用晶片台的板上装载和卸载半导体片的时间，从而降低半导体的制造成本。
一方面，本发明提供的半导体制造系统能将多个半导体片装入垂直反应管内进行热处理，该系统包含：第一载片器皿，安装在反应管内，且包括多个用于支撑板状晶片台的台架，该晶片台以预定间隔垂直装入并且其上放置半导体片；第二载片器皿，位于第一载片器皿之内或之外，且具有位于半导体片的下面以支撑半导体片的晶片台；板盖，位于第一载片器皿和第二载片器皿的下部，用来支撑第一载片器皿和第二载片器皿；门板，位于板盖的下部，用来支撑板盖；和升降系统，至少垂直移动第一载片器皿和第二载片器皿之一，使放置在晶片台上的半导体片离开晶片台预定高度。
第二载片器皿向内靠近第一载片器皿。第一载片器皿包含：第一支柱，排列在第一载片器皿形成圆柱形的接收空间；第一上板和第一下板，用于固定第一支柱的两端；和台架，以预定垂直间隔形成在第一支柱上，用以水平支撑晶片台。晶片支架是通过在第一支柱内开槽而形成的槽缝。台架是以直角相对于第一支柱向接收空间的中心伸出预定长度的突起。
第二载片器皿包含：第二支柱，排列在第二载片器皿内形成圆柱形的接收空间；第二上板和第二下板，用于固定支柱的两端；和台架，以预定垂直间隔形成在第二支柱上，用以水平支撑半导体片。晶片支架是从第二支柱伸出预定长度的突起。该突起应当(或可以)倾斜预定角度。
晶片支架还包括支撑突起，从突起的末端向上延伸预定高度。该支撑突起的末端朝着接收空间的中心向内或向外倾斜。晶片支架是通过在第二支柱内开槽而形成的槽缝。放置半导体片的槽缝底面向下倾斜预定角度。相对于水平面倾斜的该预定角度的范围在0.1°～45°之间。
晶片台包含主板，该主板是一块圆形板。在圆形板的边缘制作开口部分，使第二载片器皿和晶片支架、突起、或支柱从中自由地垂直移动。开口部分从主板周围向主板中心延伸预定长度和形状。
板盖支撑第一载片器皿和第二载片器皿的下部。
升降系统通过精确控制电机进行电驱动，或通过液压进行液压驱动。升降系统连接第一载片器皿的下部，垂直移动第一载片器皿。升降系统包括升降控制器，用于控制第一载片器皿和第二载片器皿在台架的每个槽缝节点内垂直移动的高度。
第二载片器皿靠近第一载片器皿，第二载片器皿的晶片支架为突起。本发明的半导体制造系统包括双器皿，该双器皿具有能装载晶片台的第一载片器皿和位于第一载片器皿之内或之外的、能装载半导体片的第二载片器皿，该第二载片器皿能将半导体片从晶片台上升预定高度。因此，在装载或卸载半导体片时不需要将晶片台从第一载片器皿中取出。从而，能在较短的时间内完成半导体片的装载或卸载。
另外，由于在装载半导体片时是将半导体片放置在通常由导热材料制成的晶片台上，所以半导体片中的热量能均匀分布。从而，能提高半导体制造过程的均匀性。
此外，当晶片在高温热处理过程中弯曲时，通过在开始处理之前调整第一载片器皿与第二载片器皿之间的间隙，能使晶片中心以最佳的接触面积理想地触及晶片台的中心，以便使机械变形最小化。即使在处理过程中也能动态调节间隙。
最后，可以改变晶片台的形状，以优化半导体片与晶片台之间的接触面积。因此，在热处理过程中能防止接触区域产生任何的机械或物理缺陷。
附图说明
通过结合附图对优选实施方式的详细说明，使本发明的上述目的和优点变的更加清楚，附图中：
图1是本发明的半导体制造系统的截面图；
图2A是图1中“A”部分的放大侧剖视图；
图2B是根据本发明一种实施方式的安装在半导体片中的双器皿的侧剖视图；
图3是根据本发明一种实施方式的安装在半导体片中的双器皿的俯视图；
图4是根据本发明一种实施方式的安装在半导体片中的双器皿的俯视分解图；
图5是根据本发明一种实施方式的安装在半导体制造系统中的双器皿的俯视图；
图6是用于图5中实施方式的晶片台的平面图；
图7是从图5的实施方式中获取的双器皿的放大平面图；
图8是图7中“B”部分的放大平面图；
图9A到9D是根据本发明一种实施方式的半导体制造系统中第二载片器皿的晶片支架的截面图；
图10A是根据本发明一种实施方式的半导体制造系统中第二载片器皿的晶片支架的截面图；
图10B是在高温热处理之后，在图10A中第二载片器皿的晶片支架上的弯曲半导体片的截面图；
图11是根据本发明一种实施方式的安装在半导体制造系统中的双器皿的平面截面图；
图12A是安装在反应管中的根据本发明实施方式的双器皿的侧剖视图；
图12B是装载和卸载半导体片时双器皿的侧剖视图；
图12C是根据本发明实施方式的双器皿中半导体片机械手的横截面图。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明进行全面说明，附图中显示了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以多种不同形式来实施，而不限于所列举的实施方式；并且，提供这些实施方式是为了充分、全面地公开本发明，向本领域的技术人员传递本发明的原理。
图1是本发明的半导体制造系统的截面图。图2是图1中“A”部分的放大截面图。图2B是根据本发明实施方式的、安装在半导体片中的双器皿的横截面图。
参照图1，半导体制造系统包括进行热处理的反应管30。反应管30内包括双器皿，双器皿包括其中装入半导体片100的第一载片器皿10和第二载片器皿20。第一载片器皿10包括多个水平装入的晶片支架和支撑双器皿下部的板盖40。另外，半导体制造系统还包括：门板50，它从下面支撑着板盖40，并将双器皿插入反应管30内以及从反应管30中拉出双器皿；和升降系统50，用于在受限高度内垂直移动双器皿中的一个板。
参照图2A和2B，双器皿包括第一载片器皿10和位于第一载片器皿10之内的第二载片器皿20。
在第一载片器皿10中，至少有3个第一支柱11彼此平行排列，形成柱形空间以容纳半导体片100。在该实施方式中，提供4个第一支柱11。第一上板12a和第一下板12b连接到第一支柱11的两端，用于分别在相同的水平面内固定第一支柱11。第一支柱11的每端包括台架11a，其中在每个第一支柱11内形成有一定深度的槽缝，从而能将圆板放置在台架11a上。台架11a形成为槽缝形状。圆板形状的晶片台25被放置在台架11a上。台架11a可以是从每个第一支柱11的内部中心伸出预定长度的部分。台架11a之间间隔的长度足以使载片叶片(未示出)插入到半导体片100的下面。
在第二载片器皿20中，至少有3个第二支柱21彼此平行排列，形成柱形空间以接收半导体片100。第二上板22a和第二下板22b连接到第二支柱21的两端，用于分别在相同的水平面内固定第二支柱21。在每个第二支柱21内，晶片支架20a从每个第二支柱21的内部伸出预定长度，以便升起半导体片100的两边。此处，晶片支架20a位于晶片台25的下部，并且当升起半导体片时，其位置改变到台架11a之间的部分。
第一支柱11和第二支柱21的排列彼此不重叠，所以能防止下面的情况，即当晶片支架20a渗透到晶片台25的开口部分25a而与其重叠时，晶片台25无法支撑半导体片100。
第一载片器皿10和第二载片器皿20通过它们下面的一个板盖40支撑。升降系统70经过板盖40延伸，与第一载片器皿10或第二载片器皿20的下部连接，移动第一载片器皿10或第二载片器皿20之一，使半导体片100从晶片台25上升预定高度。
第一载片器皿10和第二载片器皿20由耐高温的石英或碳化硅(SiC)形成。同样地，晶片台25也是由石英或碳化硅(SiC)形成。但考虑到导热性能或吸热性能，优选使用碳化硅(SiC)来形成晶片台25。特别地，当热处理的温度非常高时，优选使用碳化硅(SiC)来形成第一、第二载片器皿和晶片台25。
图3是根据本发明的、安装在半导体片中的双器皿实施方式的俯视图。图4是根据本发明实施方式的、安装在半导体片中的双器皿的分解俯视图。
参照图3和4，第一载片器皿10作为最外环安装，晶片台25被放置在第一载片器皿10内的台架11a上。
晶片台25包括圆板形状的主板25b和从主板周围向主板中心延伸的开口部分25a。开口部分25a如此形成，使第二载片器皿20的第二支柱21能够从开口部分25a垂直上升微小距离。开口部分25a的宽度大于晶片支架20a的尺寸。
第二载片器皿20形成于第一载片器皿10之内。半导体片100则形成于第二载片器皿20之内。半导体片100的一部分圆周通过第二载片器皿20的晶片支架20a来支撑。因此，晶片台25仅通过第一载片器皿10的台架11a来支撑，半导体片100则通过第一载片器皿10的台架11a和第二载片器皿20共同支撑。通过垂直移动第一载片器皿10或第二载片器皿20能使半导体片100从晶片台25上升一定高度。此处，优选将半导体片100上升到台架11a之间间隔的中间部分。因此，半导体片100在其上下都具有空间，从而在装卸时不必接触相邻的半导体片。
图5是根据本发明的、安装在半导体制造系统中的双器皿的另一种实施方式的俯视图。
参照图5，第一支柱11的中心具有凹槽，面向容纳空间的中心。第二支柱21在圆周上的排列位置与第一支柱11相似。在第二支柱21中形成有预定间隔的槽缝，如同晶片支架20a内的槽缝。台架11a如此形成，使晶片台25通过第一支柱11的下端来支撑。由于不需要将第一支柱11与第二支柱21彼此交叉排列，所以这种双器皿的结构和制造都很简单。
图6是图5的实施方式中使用的晶片台的平面图。参照图6，在主板25b内形成有正方形的开口部分25a，第二支柱21围绕主板25b设置，以便当第一支柱11的截面为正方形时能保持一致。优选是开口部分25a的形状与第二支柱21的截面形状相同。
图7是从图5中实施方式获得的双器皿的平面图。图8是图7中“B”部分的平面图。
参照图7和8，第一载片器皿10的第一支柱11与图5中的相似。但是，第二支柱21的晶片支架20a的形状为突出型的，而不是槽缝。
图9A到9D是本发明半导体制造系统的第二载片器皿的晶片支架的实施方式的截面图。
参照图9A，晶片支架20a以直角从第二支柱21水平伸出。晶片台20a的表面是水平的，上面放置半导体片100，使半导体片100能被稳定地支撑。特别地，晶片支架20a的顶面也是正方形的，从而使半导体片100能稳定地放置在晶片支架20a的表面上。
图9B到9D显示图9A中晶片支架20a的变化，其中晶片支架20a与水平位置之间向上或向下成一定的角度。若晶片支架20a向上倾斜，如图9B所示，其用于放置半导体片100的端部为圆形或平面，以防止半导体片100在与晶片支架20a相接触的区域被擦伤。
这种晶片支架20a通过减小半导体片100与晶片支架20a相接触的面积，能防止半导体片100在与晶片支架20a接触时所发生的滑动或擦伤。
参照图9D，晶片支架20a进一步包括从晶片支架20a的末端向上突出的突出支架201a。在这种晶片支架20a中，半导体片100是通过突出支架201a的末端而不是通过晶片支架20a的表面来支撑。突出支架201a的末端能水平形成或者向上或向下倾斜。因此，在热处理的温度很高时可以使用具有倾斜末端的突出支架201a；当处理温度适中时可以使用具有平面末端的突出支架201a。
图10A是本发明半导体制造系统的第二个载片器皿的晶片支架的另一种实施方式的截面图。图10B是说明经过高温热处理之后，位于图10A的第二个载片器皿的晶片支架上的弯曲半导体片的截面图。
参照图10A，通过在第二支柱21内开槽，使晶片支架20a呈槽缝形状。此处，晶片支架20a向下倾斜预定角度，角度范围在0.1°～45°之间，以减小半导体片100与晶片支架20a之间的接触面积，使半导体片100仅有很小的一部分末端支撑在晶片支架20a上。
参照图10B，在高温热处理过程中，半导体片100被加热，半导体片100的中间部分由于重力而向下弯曲。这种机械变形导致半导体片100的边缘同样发生弯曲，从而增加了半导体片100与晶片支架20a之间的接触面积。然后，支点向半导体片100的中间移动，使弯曲半导体片100的支撑力作用在接触面上，而不是作用在接触点上，从而降低了半导体片100中的应力。
图11是本发明半导体制造系统中双器皿的另一种实施方式的平面截面图。
参照图11，每个第一支柱11都具有二个支柱，它们彼此平行排列且彼此分开预定间隔。预定间隔的宽度大于第二支柱21的截面宽度。因此，当晶片台25的开口部分25a与第一支柱11的台架11a彼此重叠时，能防止晶片台25不被支撑的情况发生。另外，该第一支柱11的优点还在于第一支柱11和第二支柱21能对称排列。此处，第一和第二支柱11和21能形成圆柱形、正方形或具有多边形截面的其它形状。
图12是安装在反应管中的、根据本发明实施方式的双器皿的侧剖视图。图12B是根据本发明实施方式的在装载和卸载半导体片的双器皿的侧剖视图。
参照图12A，在热处理过程中将半导体片100装到双器皿上时，第二载片器皿20的晶片支架20a与第一载片器皿10的台架11a平行排列。因此，半导体片100在与晶片台25相接触时通过晶片台25来支撑。然后，向反应管30内供应反应气体，对半导体片100进行热处理。
参照图12B，在进行热处理前后装载或卸载半导体片100时，降低图1中的门板50，将双器皿从反应管30内拉出到能装载或卸载半导体片100的位置。然后，利用升降系统70使第一载片器皿10或第二载片器皿20上升到预定高度，从而使半导体片100从晶片台25上升预定高度。因此，使半导体片100位于台架11a之间，在其上下都有一定的空间。
图12C说明使用晶片机械手150从双器皿中取出半导体片100的过程。
参照图12C，若半导体片100的上下都有空间，如图12B所示，将晶片机械手150的叶片151插入到半导体片100的下面，将半导体片100从第二载片器皿20中取出，装到放置在外面的盒子(未示出)内。也可以从外部的盒子中取出半导体片100而将其装入到第二载片器皿20的晶片支架20a中。
在双器皿下面的板盖40和门板50内安装升降系统70。升降系统70为圆柱形，其一端与第二下板22b相连，另一端则通过门板50支撑。因此，通过微微上升第二载片器皿20来上升半导体片100。此处，为了防止半导体片100撞击晶片台25，优选是升降系统70的移动宽度小于台架11a之间间隔的宽度。升降系统70能通过精确控制电机进行电驱动，或通过加压或负压进行液压驱动，这能平稳地提供大的升力。
升降系统70可以与第一载片器皿10的第一下板12b连接。因此，通过垂直移动第一载片器皿10能使半导体片100从晶片台25上升。对于这种情况，第一载片器皿10必须向下移动。
如上所述，本发明的半导体制造系统包括通过重叠第一载片器皿10与第二载片器皿20所形成的双器皿，并使用晶片台25来支撑半导体片100。从而，直径大于12英寸，即300毫米，的半导体片在进行热处理时也不会在高温下弯曲。另外，半导体片100下面的晶片台25充当成膜过程和退火过程中的散热装置，使热量均匀分布在半导体片100中，其中成膜过程通过加热氧化或化学汽相沉积(CVD)来完成。从而，能改进半导体制造过程的均匀性。
另外，通过将第一载片器皿10和第二载片器皿20设计成能上升预定高度，可以直接从双器皿中装载或卸载半导体片100而不需要将晶片台25从双器皿中取出。因此，当双器皿中的晶片台25正在使用时，也能装载或卸载半导体片100。
考虑到操作的安全性，在装载或卸载半导体片100时，优选是上升第一载片器皿10和第二载片器皿20中较轻的那一个。
在板盖40下面或门板50内设置升降系统70，用来上升第一载片器皿10或第二载片器皿20。在不需要这个附加升降系统70的情况下，通过使门板50降低而移出到反应管30之外，并将门板50放置在地板上，可以使第二载片器皿20的位置高于第一载片器皿10的位置。然后，由于双器皿受到重力的影响，所以将第二载片器皿20相对于第一载片器皿10上升到预定高度。因此，使半导体片100从晶片台25上分离。此处，为了精确控制上升高度，升降系统70包括用于控制高度的电机如步进电机(未示出)。因此，升降控制器(未示出)能精确控制半导体片100从晶片台25上升的高度。
控制器(未示出)还与半导体制造系统的中央控制单元(未示出)相连，并能通过为处理单元创建的专用文件进行控制。然后，可以对半导体制造系统进行编程以控制热处理过程中半导体片100离开晶片台25的高度。
在本发明中，第一载片器皿10放置在第二载片器皿20之外。但是，第二载片器皿20也能放置在第一载片器皿10之外。对于这种情况，也能应用上述实施方式。但是，优选的是，晶片台20a为突起形状，从第二支柱21向半导体片的下面延伸，而不是通过在第二支柱21中开槽而形成的槽缝形状。
在本发明的半导体制造系统中，半导体片通过它下面的晶片台来支撑，因此能支撑具有大直径的半导体片而不会产生机械变形。
另外，由于晶片台充当热处理过程中的散热装置，所以能均匀控制温度，从而提高处理的可靠性。
本发明的半导体制造系统包括双器皿，该双器皿具有用于支撑晶片台的第一载片器皿和用于使半导体片从晶片台上升到预定高度的第二载片器皿。因此，在不移去晶片台的情况下能装载或卸载半导体片。因此，能缩短装载或卸载半导体片所需的时间。
另外，可以改变晶片台的形状以减小半导体片与支架的接触面积。因此，在热处理过程中能防止接触区域发生任何机械或物理缺陷。
尽管参照本发明的优选实施方式对本发明进行具体说明，本领域的普通技术人员应该明白，在不背离由附属权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明作出各种形式和细节方面的变化。
Claims (23)
1、一种能将多个半导体片装到垂直反应管中进行热处理的半导体制造系统，该系统包含：
第一载片器皿，其安装在反应管中，并包括多个用于支撑板状晶片台的台架，所述晶片台以预定间隔垂直装载且上面放置半导体片；
第二载片器皿，其位于第一载片器皿之内或之外并具有晶片支架，该支架位于半导体片的下面以支撑半导体片；
板盖，其在第一载片器皿和第二载片器皿的下部支撑第一载片器皿和第二载片器皿；
门板，其在板盖的下部支撑该板盖；和
升降系统，其至少能垂直移动第一载片器皿和第二载片器皿之一，在晶片的装载和卸载周期中，使晶片台上的半导体片离开晶片台预定高度。
2、如权利要求1所述的系统，其中第二载片器皿向内靠近第一载片器皿。
3、如权利要求1所述的系统，其中第一载片器皿包含：
至少一组第一支柱，排列在第一载片器皿内形成圆柱形接收空间；
第一上板和第一下板，用于固定第一支柱的两端；和
台架，以预定垂直间隔形成在第一支柱上，用于水平支撑晶片台。
4、如权利要求3所述的系统，其中台架是通过在第一支柱内开槽而形成的槽缝。
5、如权利要求3所述的系统，其中台架是以直角相对于第一支柱向接收空间伸出预定长度和形状的突起。
6、如权利要求3所述的系统，其中第一支柱的数量至少是二个，它们彼此分开预定距离。
7、如权利要求1所述的系统，其中第二载片器皿包含：
至少一组第二支柱，排列在第二载片器皿内形成圆柱形接收空间；
第二上板和第二下板，用于固定第二支柱的两端；和
晶片支架，以预定垂直间隔形成在第二支柱上，用于水平支撑半导体片。
8、如权利要求7所述的系统，其中晶片支架是从第二支柱伸出预定长度和形状的突起。
9、如权利要求8所述的系统，其中突起倾斜预定角度。
10、如权利要求8所述的系统，其中晶片支架还包括从突起末端向上延伸预定高度的支撑突起。
11、如权利要求10所述的系统，其中支撑突起的末端朝着接收空间的中心向内或向外倾斜。
12、如权利要求8所述的系统，其中晶片支架是通过在第二支柱中开槽而形成的槽缝。
13、如权利要求12所述的系统，其中上面用于放置半导体片的槽缝底面以预定角度向下倾斜。
14、如权利要求13所述的系统，其中预定角度的范围是从水平面向下成0.1°～45°之间。
15、如权利要求1所述的系统，其中晶片台包含：
为一圆形板的主板；和
在圆形板的边缘形成的开口部分，允许第二载片器皿和晶片支架、突起、或支柱从中自由地垂直移动。
16、如权利要求15所述的系统，其中开口部分从主板周围向主板中心延伸预定长度和形状。
17、如权利要求15所述的系统，其中晶片台的表面具有凹槽形或突起形图案，该图案是对简单的圆形板上进行附加处理而形成。
18、如权利要求1所述的系统，其中板盖支撑第一载片器皿和第二载片器皿的下部。
19、如权利要求1所述的系统，其中升降系统通过精确控制电机的方法进行电驱动，或通过液压进行液压驱动。
20、如权利要求1所述的系统，其中升降系统连接到第二载片器皿的下部，以垂直移动第二载片器皿。
21、如权利要求1所述的系统，其中升降系统连接到第一载片器皿的下部，以垂直移动第一载片器皿。
22、如权利要求1所述的系统，其中升降系统包括升降控制器，用于控制第一载片器皿和第二载片器皿在台架的节点距离内垂直移动的高度。
23、如权利要求1所述的系统，其中第二载片器皿靠近第一载片器皿，并且第二载片器皿的晶片支架为突起。
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