CN1401133A - 防滑移卧式半导体晶片舟皿 - Google Patents

Abstract

披露了在晶片处理过程中保持半导体晶片的卧式晶片舟皿。晶片舟皿构成可减少在把晶片加热到约1000℃或更高的处理温度时可能发生的晶片滑移。

Description

防滑移卧式半导体晶片舟皿

技术领域

本发明涉及在半导体晶片处理和制造中使用的设备领域。更具体地说，本发明涉及一种改进的卧式晶片舟皿。

背景技术

在半导体的制造过程中，要对硅片进行热处理。处理硅片的一种方法是使用卧式炉管。处理晶片来改变晶片的电学特性和构造电路。这些处理的温度范围从600℃到近1400℃。

半导体的生产是一个需要严格控制的过程。作为此过程的一部分，对硅片进行炉子操作，以构造晶片上的各层并将材料掺入晶片来改变其电学特性。形成分立的电介质和通路，以构成电容器和晶体管。通过精确构造可构成器件。

炉子加热操作一般可分为两类，常压和低压化学气相淀积(LPCVD)。常压操作用于退火，把杂质扩散到晶片中或形成氧化层。这些处理过程大多是在高温下进行，例如，大于约900℃。一些高纯度或深扩散的常压操作可以达到1350℃的温度。

LPCVD操作用于在晶片上构造多晶硅或氮化硅层。这些操作是在局部真空下，且通常在约600℃和900℃之间的较低温度范围内进行的。

上述操作的组合用于在晶片上构成三维器件。诸如功率芯片等简单的器件可有两层，而复杂的逻辑电路就可要不止七层。

可有几种不同的炉子加热晶片的方法，称为卧式、立式和快速热处理(RTP)方法。RTP方法是单个晶片工艺，而卧式和立式炉子加热是批量工艺。更具体地说，卧式炉子加热指把许多晶片放置在晶片支架或“舟皿”上，后者插入卧式炉管内。诸如晶片舟皿(也称为conti舟皿)等器具经过半导体晶片处理过程中的炉子操作，这里把它们称为“炉子加热器皿(furnaceware)”。

用于制作晶片舟皿的材料一定要耐高温且不能把杂质引入操作。当第一次处理硅片时，支撑设备主要由石英制成。然而，石英在用于晶片舟皿的生产中有一些缺陷。特别是，在1000℃以上的温度时，石英易于出现蠕变。在重复的炉期后，石英舟皿就会变形到难以接受的程度。晶片传送操作一般是自动的，很关键的是将晶片插入到具有经适当限定的形状的炉子加热器皿内。如果存在不匹配，晶片可能与加热器皿碰撞，从而沾污整个晶片装载并常引起破裂。破裂的晶片可能把微粒引入清洁的室内环境，也会影响其它工艺。

另一个弊端是微粒的产生。在LPCVD操作中，把一层诸如氮化硅等淀积材料做在晶片的表面上。在LPCVD操作中，晶片表面形成的材料与晶片本身具有可比的热膨胀率，从而存在良好的机械和化学结合。然而，LPCVD淀积不能与石英很好地粘合，这是由于不匹配的热膨胀系数会在加热器皿承受温度变化时在这些层上产生应力。此应力会引起这些层剥落，并将危害器件的微粒带入系统。

化学蚀刻也会产生与石英有关的问题。按正常的周期清洗加热器皿，以除去淀积在上面的各层。典型的是，常用酸浴来除去这些层。可使用清洗溶液化学蚀刻石英，这会引起石英加热器皿失去强度以及尺寸稳定性。

在石英加热器皿中存在的许多众所周知的缺点可以通过其它材料的替代来避免，诸如以碳化硅(SiC)替代石英。SiC可具有类似于LPCVD淀积的热膨胀系数，LPCVD淀积可形成与SiC的机械和化学结合。一种有用的替代材料是再结晶SiC(碳化硅)，它是由马萨诸塞州的Saint-Gobain Industrial Ceramicsof Worcester以CRYSTAR^商标销售的。这种材料是一种注入高纯度硅金属的碳化硅陶瓷。由于其在宽的温度和纯度特性范围内具有稳定的机械性能，所以CRYSTAR^陶瓷已成为石英的优良替代品。CRYSTAR^可用于在炉子加热操作中支撑晶片，也能用作为炉腔。

随着晶片尺寸的增大，以及晶片上特征尺寸的减小，需要对光刻、检查、炉子加热、清洁室和其它领域进行技术上的改进。目前，半导体器件的生产设备可利用直径从100mm到200mm范围的晶片。现在，也需要处理直径大至300mm的晶片，因为这种晶片尺寸将允许在每块晶片上制造出的芯片和电路不止两倍。由于特征尺寸精细的器件都要求采用严格的处理参数，因此，强烈要求能减少所处理晶片的数目以及能更严密的控制生产环境。不幸的是，由于存在着大量与处理大晶片有关的技术问题，因此转到300mm的晶片是一个缓慢的过程。

卧式晶片制造涉及一系列构造器件的热处理步骤。对于一些制造步骤而言，超过约1000℃的卧式处理温度是不可避免的。由于高温和晶片的应力，会发生晶片滑移(slip)。晶片是单块晶体圆片。晶片滑移是晶片晶格的永久性塑性变形。晶片从脆性到可延展性的转变温度约720℃。因此，在720℃以上的处理温度时可发生滑移。

对制造来说，晶片滑移是很重要的，因为它会对器件的性能产生负面影响。一个器件是由一系列可切换状态的门构成的。这些门都具有必须保持的精细特征。如果产生滑移面，则这些门就会变坏且不能起到适当的功能。即使滑移面很小，但由于介电特性的改变也会使器件的性能受到影响。一般来说，与其在处理中花费更多的时间，还不如废弃有滑移的晶片。

晶片滑移的产生受到多种因素的影响，这些因素包括温度、重力应力、热应力、晶片类型、晶片缺陷(边缘芯片、存在的位错、氧含量)以及先前的处理步骤。随着晶片内热能的增加，引入滑移所需要的能量就会减小。一旦达到720℃的可延展性阈值，就相对容易产生滑移线。作为主导组成部分的剪切应力就会在面内起作用并推动晶格而产生位错。实验和理论研究已分析了在所允许的剪切应力下的温度效应。所允许的剪切应力被定义为在滑移开始之前的最大应力。

晶片的机械应力和热应力受到晶片舟皿的直接影响。因此，要求晶片舟皿能减少各种应力从而使获得的晶片滑移最小。

早先的技术已经披露了用于半导体晶片制造和处理的晶片舟皿。然而，不同于本发明的是，这些早先的技术即没能指出上述缺点也没法克服上述缺点。例如，在JP6124911中，披露了一个具有可安放多块晶片的多个切口(slot)的卧式晶片舟皿。然而，晶片舟皿的各个切口都包含多个被称为“晶片跌落防止部件”的稳定或支撑部件，它们设有防止晶片跌落的槽(groove)。晶片舟皿还包含平坦的支撑部分，用来支撑晶片位于切口中的平坦部分的重量。然而，晶片跌落防止部件和平坦支撑部分都不利于置于切口中的晶片，这是因为多个晶片跌落防止部件和平坦支撑部分都对晶片的应力和晶片的滑移有贡献。另外，如JP6124911中所讨论的舟皿构成适应于把晶片的平坦部分置于切口中。把晶片置于切口中，其平坦部分由舟皿所支撑，这样使得晶片可在切口中左右移动，例如，在舟皿进出炉子的过程中。这种晶片运动会在晶片上产生应力，从而增加微粒的形成和降低器件的成品率。

因此，需要能够消除已有技术的晶片舟皿所存在的缺点的晶片舟皿。

发明内容

本发明的晶片舟皿构成可减少在把晶片加热到超过约1000℃的处理温度时的可能晶片滑移。本发明的晶片舟皿包括用于保持晶片垂直取向的两个上支撑导板(guide)以及一用于支撑晶片重量的下支撑槽。如此选择舟皿的材料并使槽如此成型，从而在晶片和舟皿承受约1000℃及更高的晶片处理温度时，槽的形状将基本上与接触槽的晶片的形状相对应，从而沿着晶片与槽相接触的整个弧度来支撑晶片。

附图概述

图1是装载了晶片的卧式晶片舟皿的示意图；

图2是从一端观察到的本发明晶片舟皿的示意图；

图3是从上面以一倾斜的角度观察到的本发明的晶片舟皿的示意图；

图4示出用于确定本发明的晶片舟皿的相关尺寸的角度α；以及，

图5是本发明晶片舟皿的半径和晶片半径作为温度函数的曲线。

本发明的较佳实施方式

本发明涉及构成减小晶片滑移的卧式碳化硅晶片舟皿。在开发本发明的晶片舟皿的过程中已经考虑到了几个因素。特别是，本发明意识到以下几个原则：a)硅的强度在约600℃以上的温度明显下降，并在900℃以上的温度急剧下降；b)在约为720℃以下的温度，硅是脆性的且不会形成滑移面；c)剪切应力是引入滑移的主导应力；以及d)总的晶片应力必须低于滑移产生应力的阈值。

晶片机械应力可来源于重力、晶片收缩(pinching)以及晶片-舟皿的摩擦力等三个原因。晶片收缩和晶片-舟皿的摩擦力是舟皿和晶片热膨胀之间差异的结果。所有这些因素都与晶片舟皿的设计直接有关。如图1所示，在早先技术的卧式晶片舟皿10中，晶片12以平行的本质上垂直面的方式放置。每块晶片12的形状一般为圆形，相互间以恒定间隔偏移。晶片12以预定的间距放置在晶片舟皿10中，以避免晶片的倾翻。出于加工和热方面的考虑，晶片越大就需要越长的间距。对直径大至150mm的晶片来说，最佳间距是2.38125mm，对于直径大至200mm的晶片，其最佳间距是4.7625mm。

在图1所示的卧式晶片舟皿10中，晶片12适应精密加工的切口14。晶片12由底部支撑部件16a、16b支撑，并由上支撑部件18a、18b导向。切口14防止晶片的倾翻及与其他相接触或变得明显偏离垂直平面。已发现在每个支撑上的重力反作用力等于晶片重量的一半。因此，在每个支撑上的法向力可以下式来表示：

F_normal＝0.5(晶片重量)/cos(α)

因此，角度α的余弦与晶片应力成反比。

要分析的机械应力的另一个部分是晶片收缩。当晶片在晶片切口热膨胀而受到其限制时，就会发生晶片的收缩。当把晶片负载插入炉子中进行处理时，由于晶片舟皿具有较大的质量，因此，晶片和碳化硅晶片舟皿基本上不能以相同的速率膨胀。晶片变热要快得多因而向外膨胀。因此，晶片舟皿必须提供足够的空间来满足晶片和舟皿之间热膨胀差异。需要把上切口设计成具有充足的空间来满足这样的膨胀。此外，当上切口的位置高于晶片中心的位置时，必须对晶片膨胀给出更多的余量。该余量是上切口所形成的弦的长度与上切口高度两者的函数。这样，必须提供与上切口有关的晶片膨胀余量并且该余量必须随着上切口的高度增加而增加。

如上所述，由于晶片的质量较小，因此，晶片的热响应比舟皿灵敏，使得晶片以不同于舟皿的速率膨胀和缩小。这种膨胀过程中的不匹配意味着晶片肯定会在下切口的表面上有滑移。当晶片在支撑上滑移时，必须克服静摩擦而使晶片移动。此静摩擦在晶片上产生切向力。该摩擦力是支撑点上的法向力的函数：

F_{static friction}＝μF_normal

代入法向力的关系式来说产生了：

F_{static friction}＝μ0.5(晶片重量)/cosα

克服静摩擦所需的力也会受下切口的表面粗糙度和形状的影响。表面粗糙度相对容易通过好的加工作业来控制。1到2微米Ra的表面粗糙度是可实现的且已被证明是成功的。下切口的形状不应该是会插入晶片的尖锐的点，也应该不允许晶片平滑地移动。

在以上关系中也可确定另一个性能。为了减少摩擦效应，应把晶片支撑角减到最小，应把切口表面加工到小于2微米Ra，且支撑应近似于与晶片相切或连续。

对从炉子到晶片的热传递的分析已经验证了辐射是高温下热传递的主导方式。也就是说，暴露在辐射中的晶片会被快速地加热。

在辐射热传递中，存在源、靶(target)和阻断器(blocker)。源定义为在高温下释放出辐射的物质。靶定义为被分析热传递的物质。阻断器定义为阻断源和靶之间视线的物质。

在源和靶的表面之间，存在着一个被称为辐射视角因子的几何关系。辐射视角因子定义了有多少离开源的辐射能量将真正击中靶的实体。由于包含弯曲形状的复杂几何形状，因此100％的靶实体并不都是100％的源实体直接可见的。由于不总是有直的视线，因此靶也不能接收所有的辐射能量。

在卧式炉子系统中，炉管是源，而晶片则作为靶和阻断器。随着负载的加热，晶片相互间也起着源的作用，热通过晶片负载从晶片的表面向晶片的表面双向传输。从对晶片热传递的不同模式的理解中，可限定本发明的晶片舟皿的其他特性。舟皿应最大化晶片表面和炉管之间的视线。另外，舟皿的设计不应具有在热学上明显滞后于晶片的大的热质量。

本发明的晶片舟皿是采用粉浆浇铸技术和生(green)加工来制造的。从未加工状态，对舟皿进行加热，然后使其经受最终的加工步骤。早先的制造经验已经表明，壁薄的舟皿在此过程中没能很高的成品率。另外，对于边缘附近有窗口或开口的舟皿来说，它在制造和随后的使用过程中也容易受到机械损伤。

考虑到上述效应，舟皿壁的额定厚度应不小于约5mm。同样，窗口的位置至少要离开舟皿的两端或任何尖锐过渡区10mm。

将以上所述的几个考虑综合起来，便开发了本发明的晶片舟皿。图2和3是从不同角度观察到的依据本发明的晶片舟皿10的实施例的示意图。特别是，目前的晶片舟皿在四个点上对每块晶片提供支撑(两个下面的点支撑晶片的重量，而两个上面的点保持晶片的垂直取向，如图1所示)，与目前的晶片舟皿不同的是，本发明的晶片舟皿设有两个上支撑导板18a、18b以保持晶片12的垂直取向，单个下支撑开槽部分20来支撑晶片12的重量。一旦选定了制造晶片舟皿的材料，则使处于比上支撑导板18a、18b低的平面上的支撑开槽部分20成形为弧形结构，从而在晶片12和晶片舟皿10经历约1000℃或更高的晶片处理温度时，支撑开槽部分20的形状基本上对应于与支撑开槽部分20接触的晶片12部分的形状，从而横过与支撑开槽部分接触的圆形晶片圆周的整个弧形部分来支撑晶片12。也就是说，当把晶片12放置在晶片舟皿10的切口14中并且由上支撑导板18a、18b保持在垂直位置时，圆形晶片的下部弧形周边搁在支撑开槽部分20上并由其支撑。具有这种结构的晶片舟皿10对置于切口14中的晶片12提供了格外的支持和稳定性。另外，与早先技术中所知的舟皿相比，本发明的晶片舟皿10包括位于舟皿各端之间的一个或多个大的开口或窗口22，以增加辐射视野因素并减少由舟皿引起的辐射阻断。

由于晶片12和晶片舟皿10用不同材料制成，所以它们具有不同的热膨胀系数。在一个实施例中，本发明的晶片舟皿是用SiC制成。一种较好的SiC包括马萨诸塞州Worcester的Saint-Gobain Industrial Ceramics Inc.以商标CRYSTAR^销售的再结晶SiC。这种材料可包括再结晶的SiC或注入硅SiC，这里使用半导体等级的硅来填充主体中的空隙。注入硅的材料可进一步设有一层CVD-SiC，以密封其表面并防止在晶片处理中使用器件时的硅迁移。

再结晶SiC(无论是否注入硅)因其在高温下的强度而成为晶片舟皿的较好材料。具体来说，已发现在整个半导体加工温度范围内，CRYSTAR^材料与石英相比强度明显地更强且尺寸更稳定。结果，使用可在舟皿的工作寿命内防止热变形和下垂的材料来制作晶片舟皿。

已发现采用再结晶碳化硅(如，CRYSTAR^材料)制成的舟皿表现出比多晶硅晶片的热膨胀系数高约27％的热膨胀系数。图5示出本发明的舟皿和晶片的半径与温度的函数。事实上，CRYSTAR^再结晶碳化硅被用作一种“聪明(smart)”材料，这种材料将能量从一种形式转化为另一种形式以实现所需的状态，它还响应于其环境条件的变化改变其化学、机械、光、磁或热性质之一。

最适合使用与舟皿的下侧接触的自动设备来移动300mm晶片使用的舟皿。基于这类舟皿移动，分析该设计来确定装载产生的应力。舟皿的可允许晶片总容量被定为25块晶片(约3.38kg)。安全系数选为十。虽然，此安全系数较高，但经验表明晶片舟皿经常受到恶劣加工的影响。陶瓷材料的脆性以及舟皿与自动和刚性夹具之间的界面都要求有高的安全系数。

如上所述，本发明的舟皿将由300mm的晶片所使用。当然，本发明并不希望被严格地限制于这种尺寸的晶片。相反，本发明希望既能适用于现在小尺寸的晶片结构，也能适用于未来开发的大尺寸的晶片结构。

在晶片舟皿用于300mm晶片的情况下，在一个实施例中，舟皿包括能容纳10块晶片的10个切口。这种舟皿大约长11cm。上部支撑置于槽的最低点上方约6.8cm处，相互之间隔开约10.4cm。每个切口的宽度约0.89mm。槽的弧长约20.82mm。图4示出一三角形，把从晶片的中心延伸到晶片周边或边缘上的某一点处的晶片半径定义为斜边“A”，在该点处，上支撑导板之一将晶片固定在切口内，把斜边“A”与半径“B”之间的角定义为α，半径“B”从镜片的中心开始并向下延伸到晶片周边上的某一点处，该点位于搁置有晶片的开槽部分的中间。第三半径“C”从晶片的中心延伸到晶片周边上的某一点，在该点处，第二上支撑导板将晶片固定在切口中。在本发明的舟皿中，角度α在10度到80度的范围内，最好约37度。在半径“A”和半径“C”之间所限定的整个角度约74度。

应理解，以上所提供的各个尺寸都是在室温下给出的，并且适用于采用CRYSTAR^再结晶SiC形成的舟皿。对于不同材料制成的舟皿，根据这些材料的热膨胀系数，舟皿的尺寸也不同。同样，这些尺寸在约1000℃-1400℃之间的晶片处理温度下也会不同。

依据正常使用方法对本发明的晶片舟皿进行了测试，获得以下的结果：

-测试了150块晶片。没有一块晶片显示出任何滑移线。

-一块晶片有使用Hologenix幻镜才可以检测出的非常模糊的滑移线。

-两块晶片有使用Hologenix幻镜才可以看到的划伤或非常模糊的滑移线。

-这结果相当于采用标准的conti晶片舟皿所得到的滑移线的20％。

从以上本发明所推荐得实施例的详细讨论中，新型晶片舟皿的特性是显而易见的。虽然，这里仅仅详细披露了个别的实施例，但这样做的目的只是为了说明例子，并不希望局限于以下权利要求的范围。特别是，应该注意到发明者的各种替代、替换或改进都不背离权利要求书所限定的发明范围。

Claims (13)

1.一种用于在温度升高的晶片处理期间固定半导体晶片的晶片舟皿，晶片舟皿具有第一端和第二端，且包括：

a)位于第一端和第二端之间的多个切口，用于在其中容纳半导体晶片，每个切口都包括第一和第二上支撑导板，以保持半导体晶片的垂直取向；以及

b)与晶片的一部分接触的下开槽部分，当把晶片放置在所述下开槽部分上时所述下开槽部分支撑晶片的重量，开槽部分具有一弧形结构，该结构在约1000℃至1400℃之间的半导体处理温度下与支撑在其上的晶片部分基本相符。

2.如权利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于舟皿是用碳化硅制成的。

3.如权利要求2所述的晶片舟皿，其特征在于碳化硅包含再结晶碳化硅。

4.如权利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于其结构能固定至少一块直径约300mm的半导体晶片。

5.如权利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于限定从晶片中心延伸到最接近第一上支撑导板的晶片周边的晶片第一半径与从晶片中心垂直向下延伸到晶片周边上的某一点的第二半径之间的角∝，该点对应于开槽部分的中心，其中角∝在10-80度的范围内。

6.如权利要求5所述的晶片舟皿，其特征在于：角度∝约37度。

7.如权利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于：舟皿包括多达支撑25块半导体晶片的切口。

8.如权利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于：舟皿具有不小于5mm的厚度。

9.如权利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于还包括一个或多个窗口，所述窗口离舟皿的第一端和第二端不大于10mm。

10.如权利要求9所述的晶片舟皿，其特征在于：在舟皿经历温度升高的处理时，一个或多个窗口增强了晶片周围的辐射分布。

11.一种用于在温度升高的晶片处理期间固定半导体晶片的晶片舟皿，晶片舟皿具有第一端和第二端，且包括：

a)位于第一端和第二端之间的多个切口，用于在其中容纳半导体晶片，每个切口都包括第一和第二上支撑导板，以保持半导体晶片的垂直取向；

b)与晶片的一部分接触的下开槽部分，当把晶片放置在所述下开槽部分上时所述下开槽部分支撑晶片的重量，开槽部分具有一弧形结构，该结构在约1000℃至1400℃之间的半导体处理温度下与支撑在其上的晶片部分基本相符；以及

c)位于离舟皿的第一端和第二端不大于10mm处的一个或多个窗口。

12.如权利要求11所述的晶片舟皿，其特征在于：舟皿是采用碳化硅制成的。

13.如权利要求12所述的晶片舟皿，其特征在于：碳化硅包含再结晶碳化硅。

Images