專利名稱：防滑移臥式半導體晶片舟皿的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在半導體晶片處理和制造中使用的設備領域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種改進的臥式晶片舟皿。
背景技術：
在半導體的制造過程中，要對硅片進行熱處理。處理硅片的一種方法是使用臥式爐管。處理晶片來改變晶片的電學特性和構造電路。這些處理的溫度范圍從600℃到近1400℃。
半導體的生產是一個需要嚴格控制的過程。作為此過程的一部分，對硅片進行爐子操作，以構造晶片上的各層并將材料摻入晶片來改變其電學特性。形成分立的電介質和通路，以構成電容器和晶體管。通過精確構造可構成器件。
爐子加熱操作一般可分為兩類，常壓和低壓化學氣相淀積(LPCVD)。常壓操作用于退火，把雜質擴散到晶片中或形成氧化層。這些處理過程大多是在高溫下進行，例如，大于約900℃。一些高純度或深擴散的常壓操作可以達到1350℃的溫度。
LPCVD操作用于在晶片上構造多晶硅或氮化硅層。這些操作是在局部真空下，且通常在約600℃和900℃之間的較低溫度范圍內進行的。
上述操作的組合用于在晶片上構成三維器件。諸如功率芯片等簡單的器件可有兩層，而復雜的邏輯電路就可要不止七層。
可有幾種不同的爐子加熱晶片的方法，稱為臥式、立式和快速熱處理(RTP)方法。RTP方法是單個晶片工藝，而臥式和立式爐子加熱是批量工藝。更具體地說，臥式爐子加熱指把許多晶片放置在晶片支架或“舟皿”上，后者插入臥式爐管內。諸如晶片舟皿(也稱為conti舟皿)等器具經過半導體晶片處理過程中的爐子操作，這里把它們稱為“爐子加熱器皿(furnaceware)”。
用于制作晶片舟皿的材料一定要耐高溫且不能把雜質引入操作。當?shù)谝淮翁幚砉杵瑫r，支撐設備主要由石英制成。然而，石英在用于晶片舟皿的生產中有一些缺陷。特別是，在1000℃以上的溫度時，石英易于出現(xiàn)蠕變。在重復的爐期后，石英舟皿就會變形到難以接受的程度。晶片傳送操作一般是自動的，很關鍵的是將晶片插入到具有經適當限定的形狀的爐子加熱器皿內。如果存在不匹配，晶片可能與加熱器皿碰撞，從而沾污整個晶片裝載并常引起破裂。破裂的晶片可能把微粒引入清潔的室內環(huán)境，也會影響其它工藝。
另一個弊端是微粒的產生。在LPCVD操作中，把一層諸如氮化硅等淀積材料做在晶片的表面上。在LPCVD操作中，晶片表面形成的材料與晶片本身具有可比的熱膨脹率，從而存在良好的機械和化學結合。然而，LPCVD淀積不能與石英很好地粘合，這是由于不匹配的熱膨脹系數(shù)會在加熱器皿承受溫度變化時在這些層上產生應力。此應力會引起這些層剝落，并將危害器件的微粒帶入系統(tǒng)。
化學蝕刻也會產生與石英有關的問題。按正常的周期清洗加熱器皿，以除去淀積在上面的各層。典型的是，常用酸浴來除去這些層?？墒褂们逑慈芤夯瘜W蝕刻石英，這會引起石英加熱器皿失去強度以及尺寸穩(wěn)定性。
在石英加熱器皿中存在的許多眾所周知的缺點可以通過其它材料的替代來避免，諸如以碳化硅(SiC)替代石英。SiC可具有類似于LPCVD淀積的熱膨脹系數(shù)，LPCVD淀積可形成與SiC的機械和化學結合。一種有用的替代材料是再結晶SiC(碳化硅)，它是由馬薩諸塞州的Saint-Gobain Industrial Ceramicsof Worcester以CRYSTAR商標銷售的。這種材料是一種注入高純度硅金屬的碳化硅陶瓷。由于其在寬的溫度和純度特性范圍內具有穩(wěn)定的機械性能，所以CRYSTAR陶瓷已成為石英的優(yōu)良替代品。CRYSTAR可用于在爐子加熱操作中支撐晶片，也能用作為爐腔。
隨著晶片尺寸的增大，以及晶片上特征尺寸的減小，需要對光刻、檢查、爐子加熱、清潔室和其它領域進行技術上的改進。目前，半導體器件的生產設備可利用直徑從100mm到200mm范圍的晶片?，F(xiàn)在，也需要處理直徑大至300mm的晶片，因為這種晶片尺寸將允許在每塊晶片上制造出的芯片和電路不止兩倍。由于特征尺寸精細的器件都要求采用嚴格的處理參數(shù)，因此，強烈要求能減少所處理晶片的數(shù)目以及能更嚴密的控制生產環(huán)境。不幸的是，由于存在著大量與處理大晶片有關的技術問題，因此轉到300mm的晶片是一個緩慢的過程。
臥式晶片制造涉及一系列構造器件的熱處理步驟。對于一些制造步驟而言，超過約1000℃的臥式處理溫度是不可避免的。由于高溫和晶片的應力，會發(fā)生晶片滑移(slip)。晶片是單塊晶體圓片。晶片滑移是晶片晶格的永久性塑性變形。晶片從脆性到可延展性的轉變溫度約720℃。因此，在720℃以上的處理溫度時可發(fā)生滑移。
對制造來說，晶片滑移是很重要的，因為它會對器件的性能產生負面影響。一個器件是由一系列可切換狀態(tài)的門構成的。這些門都具有必須保持的精細特征。如果產生滑移面，則這些門就會變壞且不能起到適當?shù)墓δ?。即使滑移面很小，但由于介電特性的改變也會使器件的性能受到影響。一般來說，與其在處理中花費更多的時間，還不如廢棄有滑移的晶片。
晶片滑移的產生受到多種因素的影響，這些因素包括溫度、重力應力、熱應力、晶片類型、晶片缺陷(邊緣芯片、存在的位錯、氧含量)以及先前的處理步驟。隨著晶片內熱能的增加，引入滑移所需要的能量就會減小。一旦達到720℃的可延展性閾值，就相對容易產生滑移線。作為主導組成部分的剪切應力就會在面內起作用并推動晶格而產生位錯。實驗和理論研究已分析了在所允許的剪切應力下的溫度效應。所允許的剪切應力被定義為在滑移開始之前的最大應力。
晶片的機械應力和熱應力受到晶片舟皿的直接影響。因此，要求晶片舟皿能減少各種應力從而使獲得的晶片滑移最小。
早先的技術已經披露了用于半導體晶片制造和處理的晶片舟皿。然而，不同于本發(fā)明的是，這些早先的技術即沒能指出上述缺點也沒法克服上述缺點。例如，在JP6124911中，披露了一個具有可安放多塊晶片的多個切口(slot)的臥式晶片舟皿。然而，晶片舟皿的各個切口都包含多個被稱為“晶片跌落防止部件”的穩(wěn)定或支撐部件，它們設有防止晶片跌落的槽(groove)。晶片舟皿還包含平坦的支撐部分，用來支撐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撐部分都不利于置于切口中的晶片，這是因為多個晶片跌落防止部件和平坦支撐部分都對晶片的應力和晶片的滑移有貢獻。另外，如JP6124911中所討論的舟皿構成適應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撐，這樣使得晶片可在切口中左右移動，例如，在舟皿進出爐子的過程中。這種晶片運動會在晶片上產生應力，從而增加微粒的形成和降低器件的成品率。
因此，需要能夠消除已有技術的晶片舟皿所存在的缺點的晶片舟皿。

發(fā)明內容
本發(fā)明的晶片舟皿構成可減少在把晶片加熱到超過約1000℃的處理溫度時的可能晶片滑移。本發(fā)明的晶片舟皿包括用于保持晶片垂直取向的兩個上支撐導板(guide)以及一用于支撐晶片重量的下支撐槽。如此選擇舟皿的材料并使槽如此成型，從而在晶片和舟皿承受約1000℃及更高的晶片處理溫度時，槽的形狀將基本上與接觸槽的晶片的形狀相對應，從而沿著晶片與槽相接觸的整個弧度來支撐晶片。
附圖概述

圖1是裝載了晶片的臥式晶片舟皿的示意圖；圖2是從一端觀察到的本發(fā)明晶片舟皿的示意圖；圖3是從上面以一傾斜的角度觀察到的本發(fā)明的晶片舟皿的示意圖；圖4示出用于確定本發(fā)明的晶片舟皿的相關尺寸的角度α；以及，圖5是本發(fā)明晶片舟皿的半徑和晶片半徑作為溫度函數(shù)的曲線。
本發(fā)明的較佳實施方式本發(fā)明涉及構成減小晶片滑移的臥式碳化硅晶片舟皿。在開發(fā)本發(fā)明的晶片舟皿的過程中已經考慮到了幾個因素。特別是，本發(fā)明意識到以下幾個原則a)硅的強度在約600℃以上的溫度明顯下降，并在900℃以上的溫度急劇下降；b)在約為720℃以下的溫度，硅是脆性的且不會形成滑移面；c)剪切應力是引入滑移的主導應力；以及d)總的晶片應力必須低于滑移產生應力的閾值。
晶片機械應力可來源于重力、晶片收縮(pinching)以及晶片-舟皿的摩擦力等三個原因。晶片收縮和晶片-舟皿的摩擦力是舟皿和晶片熱膨脹之間差異的結果。所有這些因素都與晶片舟皿的設計直接有關。如圖1所示，在早先技術的臥式晶片舟皿10中，晶片12以平行的本質上垂直面的方式放置。每塊晶片12的形狀一般為圓形，相互間以恒定間隔偏移。晶片12以預定的間距放置在晶片舟皿10中，以避免晶片的傾翻。出于加工和熱方面的考慮，晶片越大就需要越長的間距。對直徑大至150mm的晶片來說，最佳間距是2.38125mm，對于直徑大至200mm的晶片，其最佳間距是4.7625mm。
在圖1所示的臥式晶片舟皿10中，晶片12適應精密加工的切口14。晶片12由底部支撐部件16a、16b支撐，并由上支撐部件18a、18b導向。切口14防止晶片的傾翻及與其他相接觸或變得明顯偏離垂直平面。已發(fā)現(xiàn)在每個支撐上的重力反作用力等于晶片重量的一半。因此，在每個支撐上的法向力可以下式來表示Fnormal＝0.5(晶片重量)/cos(α)因此，角度α的余弦與晶片應力成反比。
要分析的機械應力的另一個部分是晶片收縮。當晶片在晶片切口熱膨脹而受到其限制時，就會發(fā)生晶片的收縮。當把晶片負載插入爐子中進行處理時，由于晶片舟皿具有較大的質量，因此，晶片和碳化硅晶片舟皿基本上不能以相同的速率膨脹。晶片變熱要快得多因而向外膨脹。因此，晶片舟皿必須提供足夠的空間來滿足晶片和舟皿之間熱膨脹差異。需要把上切口設計成具有充足的空間來滿足這樣的膨脹。此外，當上切口的位置高于晶片中心的位置時，必須對晶片膨脹給出更多的余量。該余量是上切口所形成的弦的長度與上切口高度兩者的函數(shù)。這樣，必須提供與上切口有關的晶片膨脹余量并且該余量必須隨著上切口的高度增加而增加。
如上所述，由于晶片的質量較小，因此，晶片的熱響應比舟皿靈敏，使得晶片以不同于舟皿的速率膨脹和縮小。這種膨脹過程中的不匹配意味著晶片肯定會在下切口的表面上有滑移。當晶片在支撐上滑移時，必須克服靜摩擦而使晶片移動。此靜摩擦在晶片上產生切向力。該摩擦力是支撐點上的法向力的函數(shù)Fstatic friction＝μFnormal代入法向力的關系式來說產生了Fstatic friction＝μ0.5(晶片重量)/cosα克服靜摩擦所需的力也會受下切口的表面粗糙度和形狀的影響。表面粗糙度相對容易通過好的加工作業(yè)來控制。1到2微米Ra的表面粗糙度是可實現(xiàn)的且已被證明是成功的。下切口的形狀不應該是會插入晶片的尖銳的點，也應該不允許晶片平滑地移動。
在以上關系中也可確定另一個性能。為了減少摩擦效應，應把晶片支撐角減到最小，應把切口表面加工到小于2微米Ra，且支撐應近似于與晶片相切或連續(xù)。
對從爐子到晶片的熱傳遞的分析已經驗證了輻射是高溫下熱傳遞的主導方式。也就是說，暴露在輻射中的晶片會被快速地加熱。
在輻射熱傳遞中，存在源、靶(target)和阻斷器(blocker)。源定義為在高溫下釋放出輻射的物質。靶定義為被分析熱傳遞的物質。阻斷器定義為阻斷源和靶之間視線的物質。
在源和靶的表面之間，存在著一個被稱為輻射視角因子的幾何關系。輻射視角因子定義了有多少離開源的輻射能量將真正擊中靶的實體。由于包含彎曲形狀的復雜幾何形狀，因此100％的靶實體并不都是100％的源實體直接可見的。由于不總是有直的視線，因此靶也不能接收所有的輻射能量。
在臥式爐子系統(tǒng)中，爐管是源，而晶片則作為靶和阻斷器。隨著負載的加熱，晶片相互間也起著源的作用，熱通過晶片負載從晶片的表面向晶片的表面雙向傳輸。從對晶片熱傳遞的不同模式的理解中，可限定本發(fā)明的晶片舟皿的其他特性。舟皿應最大化晶片表面和爐管之間的視線。另外，舟皿的設計不應具有在熱學上明顯滯后于晶片的大的熱質量。
本發(fā)明的晶片舟皿是采用粉漿澆鑄技術和生(green)加工來制造的。從未加工狀態(tài)，對舟皿進行加熱，然后使其經受最終的加工步驟。早先的制造經驗已經表明，壁薄的舟皿在此過程中沒能很高的成品率。另外，對于邊緣附近有窗口或開口的舟皿來說，它在制造和隨后的使用過程中也容易受到機械損傷。
考慮到上述效應，舟皿壁的額定厚度應不小于約5mm。同樣，窗口的位置至少要離開舟皿的兩端或任何尖銳過渡區(qū)10mm。
將以上所述的幾個考慮綜合起來，便開發(fā)了本發(fā)明的晶片舟皿。圖2和3是從不同角度觀察到的依據(jù)本發(fā)明的晶片舟皿10的實施例的示意圖。特別是，目前的晶片舟皿在四個點上對每塊晶片提供支撐(兩個下面的點支撐晶片的重量，而兩個上面的點保持晶片的垂直取向，如圖1所示)，與目前的晶片舟皿不同的是，本發(fā)明的晶片舟皿設有兩個上支撐導板18a、18b以保持晶片12的垂直取向，單個下支撐開槽部分20來支撐晶片12的重量。一旦選定了制造晶片舟皿的材料，則使處于比上支撐導板18a、18b低的平面上的支撐開槽部分20成形為弧形結構，從而在晶片12和晶片舟皿10經歷約1000℃或更高的晶片處理溫度時，支撐開槽部分20的形狀基本上對應于與支撐開槽部分20接觸的晶片12部分的形狀，從而橫過與支撐開槽部分接觸的圓形晶片圓周的整個弧形部分來支撐晶片12。也就是說，當把晶片12放置在晶片舟皿10的切口14中并且由上支撐導板18a、18b保持在垂直位置時，圓形晶片的下部弧形周邊擱在支撐開槽部分20上并由其支撐。具有這種結構的晶片舟皿10對置于切口14中的晶片12提供了格外的支持和穩(wěn)定性。另外，與早先技術中所知的舟皿相比，本發(fā)明的晶片舟皿10包括位于舟皿各端之間的一個或多個大的開口或窗口22，以增加輻射視野因素并減少由舟皿引起的輻射阻斷。
由于晶片12和晶片舟皿10用不同材料制成，所以它們具有不同的熱膨脹系數(shù)。在一個實施例中，本發(fā)明的晶片舟皿是用SiC制成。一種較好的SiC包括馬薩諸塞州Worcester的Saint-Gobain Industrial Ceramics Inc.以商標CRYSTAR銷售的再結晶SiC。這種材料可包括再結晶的SiC或注入硅SiC，這里使用半導體等級的硅來填充主體中的空隙。注入硅的材料可進一步設有一層CVD-SiC，以密封其表面并防止在晶片處理中使用器件時的硅遷移。
再結晶SiC(無論是否注入硅)因其在高溫下的強度而成為晶片舟皿的較好材料。具體來說，已發(fā)現(xiàn)在整個半導體加工溫度范圍內，CRYSTAR材料與石英相比強度明顯地更強且尺寸更穩(wěn)定。結果，使用可在舟皿的工作壽命內防止熱變形和下垂的材料來制作晶片舟皿。
已發(fā)現(xiàn)采用再結晶碳化硅(如，CRYSTAR材料)制成的舟皿表現(xiàn)出比多晶硅晶片的熱膨脹系數(shù)高約27％的熱膨脹系數(shù)。圖5示出本發(fā)明的舟皿和晶片的半徑與溫度的函數(shù)。事實上，CRYSTAR再結晶碳化硅被用作一種“聰明(smart)”材料，這種材料將能量從一種形式轉化為另一種形式以實現(xiàn)所需的狀態(tài)，它還響應于其環(huán)境條件的變化改變其化學、機械、光、磁或熱性質之一。
最適合使用與舟皿的下側接觸的自動設備來移動300mm晶片使用的舟皿?；谶@類舟皿移動，分析該設計來確定裝載產生的應力。舟皿的可允許晶片總容量被定為25塊晶片(約3.38kg)。安全系數(shù)選為十。雖然，此安全系數(shù)較高，但經驗表明晶片舟皿經常受到惡劣加工的影響。陶瓷材料的脆性以及舟皿與自動和剛性夾具之間的界面都要求有高的安全系數(shù)。
如上所述，本發(fā)明的舟皿將由300mm的晶片所使用。當然，本發(fā)明并不希望被嚴格地限制于這種尺寸的晶片。相反，本發(fā)明希望既能適用于現(xiàn)在小尺寸的晶片結構，也能適用于未來開發(fā)的大尺寸的晶片結構。
在晶片舟皿用于300mm晶片的情況下，在一個實施例中，舟皿包括能容納10塊晶片的10個切口。這種舟皿大約長11cm。上部支撐置于槽的最低點上方約6.8cm處，相互之間隔開約10.4cm。每個切口的寬度約0.89mm。槽的弧長約20.82mm。圖4示出一三角形，把從晶片的中心延伸到晶片周邊或邊緣上的某一點處的晶片半徑定義為斜邊“A”，在該點處，上支撐導板之一將晶片固定在切口內，把斜邊“A”與半徑“B”之間的角定義為α，半徑“B”從鏡片的中心開始并向下延伸到晶片周邊上的某一點處，該點位于擱置有晶片的開槽部分的中間。第三半徑“C”從晶片的中心延伸到晶片周邊上的某一點，在該點處，第二上支撐導板將晶片固定在切口中。在本發(fā)明的舟皿中，角度α在10度到80度的范圍內，最好約37度。在半徑“A”和半徑“C”之間所限定的整個角度約74度。
應理解，以上所提供的各個尺寸都是在室溫下給出的，并且適用于采用CRYSTAR再結晶SiC形成的舟皿。對于不同材料制成的舟皿，根據(jù)這些材料的熱膨脹系數(shù)，舟皿的尺寸也不同。同樣，這些尺寸在約1000℃-1400℃之間的晶片處理溫度下也會不同。
依據(jù)正常使用方法對本發(fā)明的晶片舟皿進行了測試，獲得以下的結果-測試了150塊晶片。沒有一塊晶片顯示出任何滑移線。
-一塊晶片有使用Hologenix幻鏡才可以檢測出的非常模糊的滑移線。
-兩塊晶片有使用Hologenix幻鏡才可以看到的劃傷或非常模糊的滑移線。
-這結果相當于采用標準的conti晶片舟皿所得到的滑移線的20％。
從以上本發(fā)明所推薦得實施例的詳細討論中，新型晶片舟皿的特性是顯而易見的。雖然，這里僅僅詳細披露了個別的實施例，但這樣做的目的只是為了說明例子，并不希望局限于以下權利要求的范圍。特別是，應該注意到發(fā)明者的各種替代、替換或改進都不背離權利要求書所限定的發(fā)明范圍。
權利要求
1.一種用于在溫度升高的晶片處理期間固定半導體晶片的晶片舟皿，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間的多個切口，用于在其中容納半導體晶片，每個切口都包括第一和第二上支撐導板，以保持半導體晶片的垂直取向；以及b)與晶片的一部分接觸的下開槽部分，當把晶片放置在所述下開槽部分上時所述下開槽部分支撐晶片的重量，開槽部分具有一弧形結構，該結構在約1000℃至1400℃之間的半導體處理溫度下與支撐在其上的晶片部分基本相符。
2.如權利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于舟皿是用碳化硅制成的。
3.如權利要求2所述的晶片舟皿，其特征在于碳化硅包含再結晶碳化硅。
4.如權利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于其結構能固定至少一塊直徑約300mm的半導體晶片。
5.如權利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于限定從晶片中心延伸到最接近第一上支撐導板的晶片周邊的晶片第一半徑與從晶片中心垂直向下延伸到晶片周邊上的某一點的第二半徑之間的角∝，該點對應于開槽部分的中心，其中角∝在10-80度的范圍內。
6.如權利要求5所述的晶片舟皿，其特征在于角度∝約37度。
7.如權利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于舟皿包括多達支撐25塊半導體晶片的切口。
8.如權利要求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.如權利要求1所述的晶片舟皿，其特征在于還包括一個或多個窗口，所述窗口離舟皿的第一端和第二端不大于10mm。
10.如權利要求9所述的晶片舟皿，其特征在于在舟皿經歷溫度升高的處理時，一個或多個窗口增強了晶片周圍的輻射分布。
11.一種用于在溫度升高的晶片處理期間固定半導體晶片的晶片舟皿，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間的多個切口，用于在其中容納半導體晶片，每個切口都包括第一和第二上支撐導板，以保持半導體晶片的垂直取向；b)與晶片的一部分接觸的下開槽部分，當把晶片放置在所述下開槽部分上時所述下開槽部分支撐晶片的重量，開槽部分具有一弧形結構，該結構在約1000℃至1400℃之間的半導體處理溫度下與支撐在其上的晶片部分基本相符；以及c)位于離舟皿的第一端和第二端不大于10mm處的一個或多個窗口。
12.如權利要求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.如權利要求12所述的晶片舟皿，其特征在于碳化硅包含再結晶碳化硅。
全文摘要
披露了在晶片處理過程中保持半導體晶片的臥式晶片舟皿。晶片舟皿構成可減少在把晶片加熱到約1000℃或更高的處理溫度時可能發(fā)生的晶片滑移。
文檔編號H01L21/67GK1401133SQ01801602
公開日2003年3月5日 申請日期2001年5月30日 優(yōu)先權日2000年6月6日
發(fā)明者R·F·巴克雷 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司