專利名稱：硅氣體注射器及其制造方法
技術領域：
本發明主要涉及半導體晶圓的熱處理。更明確而言，本發明涉及在熱處理 爐中的氣體注射器。
背景技術：
批式熱處理持續使用于硅集成電路制作的數個階段中。一種低溫熱處理通 常使用氯化硅烷(chlorosilane)與氨為前驅物氣體并在溫度大約700°C的范圍 內利用化學氣相沉積以沉積氮化硅層。其它低溫工藝包含多晶硅或二氧化硅的 沉積工藝或其它使用較低溫的工藝。高溫工藝包含氧化、退火、硅化反應 (silicidation)、以及其它通常使用較高溫的工藝，例如高于100(TC或甚至1200 。C。
大規模商業生產通常使用垂直爐與支撐大量晶圓于爐中的垂直排列的晶 圓塔，該多個組件的裝配繪示于圖1的概要剖面圖中。爐io包含熱絕緣加熱 器容器(thermally insulating heater canister) 12，其支撐電阻加熱線圈14，而 電阻加熱線圈14則由圖中未顯示的電源來供予能源。通常由石英所組成的鐘 型罩(bell jar) 16包含一個頂部且安裝于加熱線圈14內。可使用一個安裝于 鐘型罩16內的開放式襯墊(open-ended liner) 18。支持塔20位于基座22上， 且在工藝中基座22與支持塔22通常被襯墊18所包圍。塔20包含垂直設置的 溝槽，用以容納多個水平設置的晶圓，以進行批式熱處理。主要設置在塔20 與襯墊19之間的氣體注射器24在其上端具有一出口 ，以將工藝氣體注射到襯 墊18以內。未繪示出的真空泵將工藝氣體經由鐘型罩16的底部移除。加熱器 容器12、鐘型罩16與襯墊18可垂直升高，以傳送晶圓進出塔20，不過在一 些組態中，當升降機升高與降低基座22及載入塔20進出爐10的底部時，上 述組件維持固定不動。上端密封的鐘型罩18容易使爐10在爐的中間與上層部分有大致均勻的高
溫。此即為熱區(hotzone)，在此熱區的溫度受到控制，以供最佳化熱處理。 然而，鐘型罩18的開放底端與基座22的機械支持會使得爐下端具有較低溫度， 此低溫經常會使諸如化學氣相沉積之類的工藝無法完全地有效進行。因此，熱 區可能不包含塔20中的一些較低溝槽。
公知的低溫應用中，塔、襯墊與注射器由石英或融熔硅(fUsed silica)所 構成。然而，石英塔與注射器可被硅塔與注射器所取代。圖2中所顯示的便是 一種硅塔構型的正交投射視圖，其可從美國加州森尼維耳市(Sunnyvale)的 Integrated Material公司所購得。上述硅塔的制造闡述于由Boyle等人所申請的 美國專利號6455395中，在此引入其全部內容作為參考。硅襯墊的說明則闡述 于2001年5月18日由Boyle等人申請的美國專利申請案09/860392中，該案 的美國公開號為US 2002/170486。
硅注射器已可于Integrated Materials公司所購得。然而，上述裝置中的形 成長管(long straw)的兩個殼層(shell)之間是使用含鉛的黏著劑。雖然鉛的 使用量相當低，但是最好能完全避免在工藝爐中使用鉛，因為鉛在爐中會嚴重 降低已形成的半導體硅結構。要在兩個殼層的長度上形成縫密封(seam leak tight)黏結也是一大挑戰。
發明內容
本發明包含一種可在爐中使用的硅注射器系統，其中注射器套管(tube) 或長管(straw)由以旋涂玻璃(SOG)基的黏著劑接合在一起的兩個硅殼層 所組成，此黏著劑較佳地包含硅粉體。本發明也包含硅彎管(elbow)以及供 給套管(supply tube)，此二者以含SOG的黏著劑而黏接在一起。
本發明更包含制作上述硅注射器系統的方法。
本發明的另一個態樣包含利用超音波攪拌氧化硅形成劑與硅粉體的混合 物，以在施加該混合物至待接合與退火的硅組件之前，先使其均勻混入含SOG 的黏著劑中。
本發明更包含一種具有全硅(all-silicon)熱區的退火爐，該熱區包含塔、 注射器與緩沖板晶圓(baffle wafer)，以及利用該退火爐來制作硅集成電路的 用途。
圖1為包含塔、注射器套管(injectortube)與襯墊的退火爐的剖面圖2為具有端出口的本發明的注射器套管實施例的正交投射視圖3為圖2的注射器套管的連接器零件的正交投射視圖4為圖2的注射器套管的出口端的正交投射視圖5為用于形成本發明注射器套管實施例的殼層的正交投射視圖5為兩個準備黏結在一起的殼層的剖面圖6為圖5殼層實施例中已黏合的殼層剖面圖7至圖10為殼層的其它實施例中，不同形式的接合殼層界面的剖面圖； 圖11為本發明的注射器套管另一個實施例的正交投射視圖，該注射器套 管具有多個側排氣孔(outlets);
圖12為用以熔接注射器套管零件的夾具(jig)的正交投射視圖。
具體實施例方式
圖1的正交視圖中示出的本發明的注射器40的一個實施例包含一注射器 長管42 (也稱為套管(tube))與一關節(knuckle) 44 (也稱為連接器)。 在圖3的正交視圖中詳細示出的關節44包含一供給套管46與一彎管48，該 彎管具有凹槽50，以接收注射器長管42。供給套管46可具有約4至8毫米(mm) 的外徑，并有相應大小的圓形內孔(bore) 51。
供給套管46的一端可透過真空組件(vacuum fitting)與O型環而連接至 氣體供給線路上，該供給線路可供應所需的氣體或氣體混合物進入爐中，例如， 氨與硅烷以供氮化硅的CVD沉積使用。根據由Boyle等人所申請的美國專利 號6450346中的工藝，可將已退火的未經處理多晶硅(anealed virgin silicon) 加工形成此一體成型的關節44。機械加工包含連接該供給孔51至凹槽50上。 或者，可將獨立的套管48套入并連接至獨立加工而成的彎管48來組合成關節 44。
注射器長管42形成有一圓形注射器孔52，例如，該孔的直徑類似套管46 沿著整個長度延伸的圓形孔52的直徑。如圖所示，注射器長管42可具有一個 面向腔體襯墊的斜面端(beveled end);或是其可具有一與長管42的軸垂直的平面端。注射器長管42的剖面形狀可如圖所示般地實質為方形，或可為八
邊形或圓形或可根據爐制造者與工廠線路的需求而為其它形狀。注射器長管
42由兩殼層54、 56結合在一起所組成。該等殼層54、 56可具有傾斜的兩末 端，使得在圖4的正交視圖中詳細示出的孔徑52的出口可部分朝向側邊，例 如，以其操作方向朝向襯墊18。
或者，長管42可具有垂直狀出口，其由兩殼層60、 62 (或54、 56)所組 成，其中一殼層在圖5的正交投射視圖中示出。每個殼層60、 62分別以未經 處理的多晶硅(virgin polysilicon)經過Boyle專利中所述的退火工藝處理后所 加工而成，以包含一半圓形或其它形狀的凹槽64與兩個縱向延伸的面66、 68。 可以形成如圖6的剖面圖所示的殼層60、 62，此兩個殼層60、 62分別具有相 對面66、 68與66'、 68'，當這些相對面如同圖7的剖面圖所示般地黏合在一 起時，會圍出一個軸向孔70。然而，與接合面成直角相交的特征可改進黏合 的耐久性。上述的特征如圖8剖面圖中所示具有榫槽結構(tongue-and-groove)， 其具有兩軸向延伸的舌狀突出物(tongue) 72形成在殼層60上，且與形成在 另一個殼層62上的兩個軸向延伸的凹槽74相接合。如圖9中所示的相關結構 為分別在每一個接合殼層60與62上形成一個舌狀突出物72與一個凹槽74。 或者，可以為如圖10的剖面圖所示的階梯狀結構(stepped structure)，其包 含互補且相對應的階梯76形成在每個殼層60、 62上，且較佳情況為在大致順 著孔直徑的方向上具有鄰近該孔70的階梯76高度。凹槽深度或階梯高度x 應該大于熔接粒子的最大直徑，例如大于10或100微米(nm)。
圖2的注射器套管40在其末端包含單一出口 。在一些應用中，延伸至接 近圖1的塔20頂端的上述注射器套管即可滿足需求。在其它應用中，可能需 要在沿著塔20的多個高度上注射氣體。在此實例中，可在同一個爐10中使用 多個具有不同高度的注射器套管40。然而，在注射器80的另一個實施例中， 在圖11的正交投射視圖中示出，其長管82包含兩個類似圖5的殼層的方形末 端(square-ended)殼層60、 62，，并具有選自圖7至圖IO實施例中的表面。 然而，例如，面朝外的套管62'經由加工以包含至少一個且較佳為多個的出口 孔洞84，該出口孔洞84由暴露的殼層面延伸至包圍在長管82內的孔70中。 最簡單的方法，為出口孔洞84經由鉆孔方式而具有圓形形狀。殼層60、 62， 接合在一起，以及一個硅末端蓋(silicon end cap) 86接合至殼層60、 62，的末端上以密封該孔70。因此，可由一個或多個出口孔洞84側向注射氣體。若有 多個出口孔洞84，即可在爐中以不同高度注射氣體。在多個，特別是三個或 多個出口孔洞84的最簡單實施例中，出口孔洞84具有相同直徑且沿著長管 82的操作部分上均等地分隔設置。然而，利用改變上述出口孔洞的直徑或其 沿著長管82上的間距，氣體流可以例如指數方式加以調整，以解決在長管82 中的壓降、在爐10內的抽氣差異以及其它效應。
可使用繪示于圖12中的夾具90來組裝與膠黏該多個注射器，該夾具在注 射器組裝的不同階段可為垂直或水平方向擺置。夾具90具有一個或多個水平 延伸的凹槽72，其形狀可至少容納底部殼層60與彎管44。然而，上述夾具同 樣可應用在其它形式殼層的組裝。納米粉體(nano-powder)旋涂玻璃(SOG) 黏著劑沿著成對的相對面66、 68的兩面涂敷，或者涂在每對相對面的其中一 面66上，而另一面則涂施無粉體SOG以使其濕潤。在涂施硅粉體SOG之前， 可施加無粉體SOG的潤濕層或其它潤濕劑至該多個面上。納米粉體使兩個殼 層60、 62之間具有非常薄且連續的緊密密封。兩個殼層60、 62壓合在一起。 在一膠合的方法中，兩個殼層放置于夾具90的凹槽92內。使用水平延伸的夾 具90，可放置夾具90與支撐的殼層60、 62于水平的爐中。因此，SOG黏著 劑經由退火，并使殼層60、 62接合在一起以形成長管42。
在黏著劑固化之后，含粉體的SOG黏著劑涂施至在長管42與關節44之 間接合面的一個面或兩個面上，且長管42置于彎管48的凹槽50內。微米粉 體SOG膠可用以在關節接合處提供較厚黏接且可避免較薄的納米粉體SOG膠 在退火以及黏接組件的過程中，泄露至夾具90上，但是若能適當處理，納米 粉體SOG膠仍可使用于關節接合步驟中。若欲使用末端蓋86，則可在此時或 其它時間以類似方式膠黏此末端蓋。接著將組件放回夾具90中，然后使用垂 直延伸的夾具90而將組件置于垂直的爐中以固化成成品注射器40。第二個方 法中，重新設計夾具以避免泄漏問題，并將未固化的長管42膠黏至關節44 中，使得所有的接合同時經歷退火步驟。若夾具可容納多個注射器，則上述組 裝步驟可重復以處理所有注射器。多個導件(guides)94置于已組合的殼層60、 62上方，以將其支撐在各自的凹槽92內。較佳地，夾具90與導件94由硅所 構成。雖然并非一定要使用未經處理的多晶硅，但是多晶硅為較經濟的選擇。
微米粉體與納米粉體硅SOG黏著劑闡述于2003年9月25日申請的美國專利申請號10/670990中，其以美國專利公開號2004/213955公開，在此將該 申請的內容引入本文中作為參考。微米粉體可由商業上可購得的硅粉體研磨而 成，且估計其具有的尺寸分布為所有粒子中99%的粒子具有小于75微米的直 徑，且有些可小于10微米。該納米粉體可如購自美國蒙大拿洲銀弓市(Silver Bow)的Advanced Silicon Material公司的NanoSiTM多晶硅。該納米粉體可利 用包含激光活化等還原工藝加以生產，并具有粒子尺寸分布為所有粒子中至少 99%的粒子具有小于100納米的直徑，至少90%的粒子具有小于50納米直徑， 以及中間大小介于10與25納米之間。然而，納米硅粉體可以其它方式制造。 硅粉體與旋涂玻璃(SOG)前驅物混合，例如與由Dow Corning公司所購得的 FOX 25或FOX 16混合。這些前驅物主要為氫硅酸鹽類(hydrogen silesquixoane, HSQ)，不過其它形式的硅烷與其它形式的玻璃形成劑也可以使用。將含有 SOG前驅物與粉體混合物的塑料測試管(plastic test tube)置于超音波浴設備 中，以使此混合物在超音波震動中二至三分鐘，由此均質化(homogenize)該 混合物。超音波浴設備可包含鄰近水浴且以高頻(例如，40千赫；雖然高達 兆赫范圍內的其它頻率也可以使用)電性驅動的壓電轉換器(piezoelectric transducers) 。 SOG黏著劑混合物(較佳地已先均質化，雖然也可在其它應用 之后再進行均質化)施加至一個或兩個的接合面上，并將這些部位接合在一起。 組合的結構在足以玻璃化該氧化硅形成劑成為陶瓷的高溫中退火，而使兩個部 位接合在一起。根據SOG黏著劑的形式可決定各種退火溫度。然而，發現較 佳的退火溫度介于85(TC與100(TC之間，例如接近90(TC。硅注射器允許位于襯墊內的熱區被僅由硅主體材料與部分所占用，除了形 成在生產晶圓上的沉積材料薄層之外，以及其它在熱區中的硅部分與或許少量 的黏合劑，例如SOG為主的黏著劑。襯墊、支持塔與注射器的主體部分由SOG 黏著劑以外的純硅所組成，不過該多個組件可由薄表面層所覆蓋，例如氮化硅 等等材料。緩沖板晶圓(baffle wafer)經常設置在塔的空溝槽中以填滿生產運 作或提供熱緩沖。如同在2005年3月3日由Boyle等人申請的美國專利臨時 申請案60/658075 —文中所闡述的緩沖板晶圓可由硅所組成，較佳地是由多晶 硅所組成，更佳地是由無定向(randomly oriented) Czochralski多晶硅所組成。根據爐中要完成的退火或熱處理，可決定在爐中使用一個注射器便已足 夠，或使用多個具有不同高度的注射器。本發明并未限制在本文中所例舉的注射器上。例如，長管可具有一個底座， 該底座經由加工而具有孔徑，且一個接近平面覆蓋物黏接在上面。再者， 一個 或多個注射器噴口可由延著該注射器軸延伸的實質上圈圍住的孔上橫向延伸， 而不是由長管的末端延伸。本發明的SOG黏著劑態樣除了可黏著硅注射器也可用以接合硅零件。
權利要求
1、一種硅氣體注射器，包含一注射器套管，其由包含實質純硅的兩個殼層所形成，所述殼層由一種由硅粉體與一種氧化硅形成劑所形成的黏著劑而接合在一起，并在所述殼層之間形成一第一中央孔。
2、 根據權利要求1所述的注射器，其特征在于，進一步包含一第二硅套 管組件，其由一種由硅粉體與一種氧化硅形成劑所形成的黏著劑而黏接至所述 兩個殼層，以及包含垂直地延伸至所述注射器套管的一供給套管，并且包含一 與所述第一中央孔連通的第二中央孔。
3、 根據權利要求1所述的注射器，其特征在于，所述硅粉體的尺寸分布為所有粒子中99%的粒子的直徑小于75微米。
4、 根據權利要求3所述的注射器，其特征在于，所述尺寸分布為所有粒 子中99%的粒子的直徑小于IO微米。
5、 根據權利要求4所述的注射器，其特征在于，所述尺寸分布為所有粒 子中99%的粒子的直徑小于100納米。
6、 根據權利要求2所述的注射器，其特征在于，所述第二硅套管組件包 含所述供給套管以及一體成型的一彎管。
7、 根據權利要求1所述的注射器，其特征在于，所述兩個殼層由未經處 理的多晶硅所形成。
8、 根據權利要求1至7任意之一所述的注射器，其特征在于，所述兩個 殼層包含位于所述兩個殼層之間的界面處的多個接合舌狀突出物與凹槽。
9、 根據權利要求1至7任意之一所述的注射器，其特征在于，所述兩個 殼層包含在所述兩個殼層之間的界面處的接合階梯。
10、 根據權利要求1至7任意之一所述的注射器，其特征在于，所述兩個 殼層包含在所述兩個殼層之間的界面處的多個階梯狀接合表面。
11、 根據權利要求1至7任意之一所述的注射器，其特征在于，進一步包 含一蓋件，其密封至所述接合殼層的一端上；以及更包含至少一孔洞，形成于 所述殼層其中之一的一軸向延伸側上，并且延伸至所述套管的一孔。
12、 根據權利要求11所述的注射器，其特征在于，多個所述孔洞軸向地 沿著所述軸向延伸側間隔設置。
13、 根據權利要求12所述的注射器，其特征在于，所述孔洞的直徑或在至少三個孔洞之間的間距沿著所述軸向延伸側而改變。
14、 一種組裝一氣體注射器的方法，包含下列步驟提供兩個殼層，所述兩個殼層包含實質純硅，并且當所述兩個殼層組裝在一起之后會在兩個殼層之間形成一軸向孔徑；施加一黏著劑至所述兩個殼層的至少一些接合面上，所述黏著劑包含硅粉體與一可固化的氧化硅形成劑；通過將所述兩個殼層的接合面并置在一起以組裝所述兩個殼層；以及 利用 一足以玻璃化所述黏著劑的溫度來退火所述已組合的殼層。
15、 根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述溫度至少為40(TC。
16、 根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述溫度介于85(TC與 IOO(TC之間。
17、 根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述提供步驟包含由至少一種已退火且未經處理的多晶硅構件加工成所述殼層。
18、 根據權利要求14所述的方法，其特征在于，進一步包含在施加所述 黏著劑之前，先施加一無粉體潤濕劑至所述至少一些接合面上。
19、 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述潤濕劑包含一可固 化的氧化硅形成劑。
20、 根據權利要求14至19任意之一所述的方法，其特征在于，進一步包含混合所述氧化硅形成劑與所述硅粉體形成一混合物；以及 超音波攪動所述混合物以形成所述黏著劑。
21、 一種將兩個硅部分結合在一起的方法，包含下列步驟 將硅粉體與一氧化硅形成劑混合在一起； 超音波攪動所述混合物；將所述攪動后的混合物施加至兩個獨立硅構件的兩個接合面至少其中之 一上；以及以所述接合面之間的所述攪動后的混合物，沿著所述兩個接合面來接合所 述硅構件。
22、 根據權利要求21所述的方法，其特征在于，進一步包含退火所述已 接合的硅構件，以通過固化所述氧化硅形成劑。
23、 一種熱處理硅晶圓的方法，包含支撐多個硅生產晶圓于一硅塔上；將所述硅塔與支撐在所述硅塔上的所述晶圓安置于一爐中，所述爐包含一包圍所述塔的硅襯墊；以及流入一工藝氣體通過至少一個硅注射器中，所述注射器具有設置在所述塔 與所述襯墊之間的一出口，以在所述襯墊內所述爐的一熱區中處理所述生產晶 圓；其中所述塔、所述襯墊與設置在所述熱區中的所述注射器的所有體積部分 實質上不具有硅以外的材料，以及用于所述注射器的黏著劑排除任何含鉛黏著 劑。
24、 、根據權利要求23所述的方法，其特征在于，所述注射器包含一套管， 該套管由兩個實質純硅殼層所形成，所述殼層是以一種由硅粉體與一種氧化硅 形成劑所形成的黏著劑所接合在一起，并在所述殼層之間形成一中央軸向孔。
全文摘要
一種可用于批式熱處理爐(batch thermal treatment oven)中的氣體注射器套管(40)，其包含兩個硅殼層(54、56)，所述殼層利用由微致的硅粉與可固化的氧化硅形成劑(curable silica-forming agent)所形成的黏著劑而接合在一起，該黏著劑例如為經過超音波均質化的旋涂玻璃。該套管在其末端上可具有一氣體出口(52)，或可由硅蓋件(86)所密封，且該套管在其側邊上具有側面出口孔洞(84)。該硅注射器套管可與一硅塔(silicon tower)以及一硅襯墊結合使用，使得位于爐熱區中的所有主體部分(bulk parts)是由硅所形成。
文檔編號B32B37/00GK101321890SQ200680004839
公開日2008年12月10日 申請日期2006年2月13日 優先權日2005年2月23日
發明者拉南·扎哈維, 里斯·雷諾茲 申請人:統合材料股份有限公司