專利名稱：混合氣體注射器的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及半導體晶片的熱處理。具體地，本發明涉及熱處理爐中的氣體注射器。
2.現有技術
在制造硅集成電路的若干階段持續使用批次熱處理。一低溫熱過程通過化學汽相沉積來沉積層氮化硅，通常在大約700°C的溫度范圍內使用氯硅烷及氨作為前體氣體。其他的低溫過程包括多晶硅或ニ氧化硅的沉積或其他利用低溫的過程。高溫過程包括氧化、退火、硅化及其他通常用到高溫的過程，例如1000°C以上或甚至1200°C。大規模大批生產通常使用井式爐及縱向安排的、支撐爐中的大量晶片的晶片塔，通常為如圖I的示意性截面圖所示的結構。爐包括絕熱加熱器筒12，用于支撐由未示出的電源供電的電阻加熱線圈14。通常由石英組成的鐘罩16包括頂部且裝配在加熱線圈14中。可使用端部開ロ的內襯18，其裝配在鐘罩16中。支撐塔20位于臺座22上并且在處理期間臺座22及支撐塔20大致被內襯18圍繞。塔20包括垂直排列的狹槽，用于固定將要按批次模式進行熱處理的多個水平布置的晶片。主要布置在塔20與內襯18之間的氣體注射器24在其上端具有出口，用于將生產用氣體注入內襯18內。通常，多個不同長度的氣體注射器24將生產用氣體注射在多個高度處。未繪示的真空泵通過鐘罩16的底部去除生產用氣體。加熱器筒12、鐘罩16及內襯18可被垂直抬起以使晶片能轉移至塔20及自塔20轉移出來，雖然在一些結構中，這些組件保持靜止而升降機將臺座22及帶負載的塔20提升到爐10的底部內或降低到其外面。鐘罩18的上端封閉導致爐10在其中間及上面部分趨于具有大致均勻的熱溫度。這被稱為熱區，熱區中的溫度針對最優化熱過程進行控制。然而，鐘罩18的開ロ底端及臺座22的機械支架導致爐的下端具有較低的溫度，通常足夠低以至于如化學汽相沉積這樣的過程不能完全有效。熱區可排除塔20的部分下部狹槽。通常在低溫應用中，塔、內襯及注射器由石英或熔融硅石組成。然而，石英塔及石英注射器正被硅塔及硅注射器取代。圖2的正視圖繪示可自美國加州Sunnyvale的Integrated Materials公司獲得的娃塔的結構。此塔的制造在Boyle等人的美國專利6，455，395中描述,其通過引用并入本文。娃內襯已經由Boyle等人在美國公布的專利申請2002/0170486 中提出。Zehavi等人公開了硅注射器24，如圖2的正視圖所示，其制造方法在美國公布的專利申請2006/0185589中描述。其包括注射器桿26 (亦稱為管)及連接器28 (亦已知為關節)。連接器28包括供應管30及肘形件32，肘形件具有凹部以接收注射器桿26。供應管30可具有大約4毫米至8毫米的外徑并具有相應大小的內圓孔34。供應管30穿過爐的下歧管。供應管30的末端可通過真空配件及O形環(如Ultratorr配件)連接至氣體源管線，氣體源管線將所需的氣體或氣體混合物供應到爐內，例如，用于氮化硅的CVD沉積的氨及硅烷。根據Boyle等人的美國專利6，450，346描述的方法，完全一體的連接器28可由經退火的原生多晶硅機械加工而成。機械加工包括將供應孔34連接至接收桿的凹部。或者，將分開的管30裝入且結合至単獨機械加工的肘形件32來組裝連接器28。注射器桿26形成為具有注射孔36，例如，具有與供應管30的圓孔34相似直徑的且沿注射器桿26整個長度延伸的圓形孔。如圖所示，注射器桿24可具有斜面端，例如面 向腔室內襯，或其可具有與桿26的軸垂直的平坦端。注射器桿26的截面形狀可為正方形(如圖示)，或可為八邊形或圓形或根據爐制造商及生產線需要成形。注射器桿42可由兩殼54、56組成,兩殼通過未繪示的、沿桿軸向延伸的舌榫結構接合在一起。Zehavi等人的注射器40的所有零件均由娃(優選多晶娃，原生多晶娃最佳)構成。這些零件可使用由旋涂玻璃(SOG)及硅粉構成的可固化黏合劑融合在一起，如Boyle等人的美國專利7，083，694所述。可流動的黏合劑施加在這些零件的接合區域，之后這些零件組裝成所示結構。接著，該結構在900至1100°C范圍內的溫度下退火以將旋涂玻璃轉換成硅基體，其與硅零件緊密結合并包含硅粉末。硅氣體注射器在減少爐中產生的微粒數量方面非常有效，這些微粒掉落至處理過的晶片上時有害并且降低產量。
發明內容
遺憾的是，以上描述的常規單硅氣體注射器存在若干缺陷。制造復合硅注射器是個單調且昂貴的過程。因此，即使通過增加生產產量及延長注射器使用壽命使得費用減少，硅注射器依然很貴。另外，硅結構較長，有時其長度超過ー米，及易碎、易斷裂。運送組裝好的注射器需要十分小心以防止注射器在運輸中斷裂。只要長桿斷裂，注射器顯然就需要用新注射器替換。同樣，當注射器主要因沉積產物堆積使得晶片缺陷增加或沉積率或均勻性改變而壽命終止時，該注射器通常會被扔掉并用昂貴的新注射器取代。雖然全硅氣體注射器相較先前使用的結構在減少不想要的微粒產生方面具有提高的性能，但該提高的性能僅對暴露于非常高溫度的注射器部分必要。實際上，只有注射器的桿延伸到熱區的處理區域內并經受生產用氣體的密集涂布。連接器或關節位于處理區域的下面且經歷較低的溫度，使得連接器并未經歷明顯沉積。與上面描述的常規氣體注射器相比，改善的氣體注射器包括混合結構，該結構具有(i)由高純度材料如硅構成的桿，其構造并安排成延伸通過爐的熱區同時阻止微粒形成；及Qi)由另外材料構成的連接器，其不易碎、制造成本更低及構造并安排成位于能夠產生不想要的微粒形成的熱區(大致由爐的加熱線圈14定界)外面。作為備選，桿可由石英或碳化娃構成。示例性連接器可由不銹鋼或鎳鉻鐵合金(Inconel)制成。連接器的材料優選比桿的材料更堅固，且優選成本更低。對于硅桿，石英及碳化硅可用于連接器。然而，由于其優異的強度及易于機械加工，優選諸如不銹鋼或者鎳鉻鐵合金的強金屬用于制造連接器。另外，不銹鋼及鎳鉻鐵合金不影響將要泵送的氣體的純度水平。 有利地，桿可通過可分離連接而與連接器結合，例如，使用螺紋件如螺絲。因此，桿及連接器可因為不太復雜的結構且易于現場組裝而可分開運送。另外，桿的更換不需要新連接器。如果桿斷裂或者被過度涂布，則可將新桿與先前使用的連接器結合。如先前所述，連接器經受少得多的沉積。如果需要進行清理，其更小的尺寸、降低的復雜性及堅固的組成有助于清理。例如，一實施例致力于將生產用氣體注入井式爐的支撐多個晶片的塔與管形內襯之間的熱區內的氣體注射器。氣體注射器包括管形桿，該桿具有沿其第一軸從第一遠端延伸到第一近端的第一孔。管形桿由選自硅、石英及碳化硅中的至少ー個的第一材料制成。氣體注射器還包括可分離地連接到管形桿并與其流體連通的連接器。連接器由不同于第ー材料的第二材料制成，連接器包括供應管，供應管具有沿其第二軸延伸的第二孔。第二軸與第ー軸垂直。連接器構造并安排成(i)在供應管的第二遠端處接收來自氣體源管線的生產用氣體；及(ii)在供應管的第二近端處將生產用氣體傳輸給管形桿的第一近端。
圖I為井式爐的截面圖。圖2為全硅氣體注射器的正視圖。圖3為本發明的氣體注射器的第一實施例的正視圖。圖4為本發明的氣體注射器的第二實施例的正視圖。
具體實施例方式本發明的優選實施例如圖I至4所示。改善的氣體注射器包括混合結構，該結構具有(i)由高純度材料(如硅、石英或碳化硅)構成的桿，其構造并安排成延伸通過爐的熱區同時阻止微粒形成；及(ii)由另外的材料(如不銹鋼或鎳鉻鐵合金)構成的連接器，其不易碎、制造成本更低及構造并安排成位于能夠產生不想要的微粒形成的熱區外面。混合氣體注射器的一實施例50，如圖3的正視圖所示，包括硅桿52，由融合在一起的兩個多晶硅殼54、56形成并具有在其間形成的中心孔58。桿52的下端結合至配接器60，配接器60也具有中心孔，該中心孔延伸穿過配接器并且與桿52的中心孔58對齊。在配接器60內機械加工兩個槽ロ 62、64以沿垂直于桿52的軸的兩個相對側延伸。配接器60可由多晶硅構成，其在需要小尺寸時易于機械加工。配接器60相對較小、簡單成形且可由單一部件機械加工而成。經機械加工的配接器60可在同一 SOG/硅融合操作中融合至多晶硅殼54、56，其形成桿52的主要部分，或者在分開的操作中進行融合。連接器66由金屬(優選不銹鋼或者鎳鉻鐵合金)構成且包括供應管68，供應管的中心孔連接到氣體源管線。例如，供應管68通過焊接與不銹鋼肘形件70結合，肘形件內機械加工有兩個連接且垂直安排的縱向孔和水平孔，以在桿52的中心孔58與供應管68的中心孔之間進行連接。肘形件70具有平坦的上表面72，配接器60擱在該上表面上且其中心孔與肘形件70中的縱向孔對齊。兩個支座74、76具有各自水平延伸的齒，該齒可與配接器60的槽ロ 62、64嚙合。螺絲78、80可自由地穿過肘形件70的凸緣82、84并旋轉進支座74、76中。由此，螺絲78、80可將配接器60緊靠肘形件70的包圍縱向孔的平坦表面72固定。螺絲78、80可被旋松以從桿52釋放連接器66。由此，如果桿52因斷裂或老化需要替換時，連接器66可再用于新桿52。優選地，支座74、76及螺絲78、80也由不銹鋼構成。零件之間的密封無須提供高壓密封。硅似乎可充分密封至金屬。然而，可以預見，密封材料可有利地進行使用，例如金屬密封件如C形密封件或者高溫弾性體密封件如Kalrez0密封件需要適應不同材料零件之間的不同熱膨脹同時保持這些零件接近氣體密封。如圖4的正視圖所示的混合氣體注射器的另ー實施例90包括類似于圖3的桿92，桿92包括第一及第ニ殼94、96并具有沿殼軸向形成的中心孔98。然而，第二殼96在其下端附近但偏離其下端處包括未繪示的側孔。另外，端板94結合并密封至殼94、96的底部以 堵塞中心孔98。殼94、96及端板94由相同材料形成，例如，石英、碳化硅或硅，但優選多晶娃，原生多晶娃最佳。娃端板94可在殼94、96融合在一起的同時融合至殼94、96。配接器100包括供應管102，供應管102例如通過焊接與夾鉗結構的基座104結合。基座104包括未繪示的孔，該孔與供應管的中心孔連通并與第二殼96中的側孔對齊。兩個可移動的夾具106、108包括凸耳110、112，凸耳與第一殼94鄰接并與第二殼96中的孔相対。第一殼94的拐角可圓化以與凸耳110、112的凹形內表面一致。穿過夾具中的孔的螺絲114、116旋進基座104內。因此，螺絲114、116可緊靠第一殼94固定凸耳110、112以將桿92的底部固定在配接器100上并將第二殼96中的孔與基座104的孔密封以在桿92的中心孔98至供應管102的孔之間提供流體相通。如果螺絲114、116被旋松，則桿92可與連接器100分尚。本發明具有許多優點。暴露在高溫下的注射器零件即桿具有簡單的形狀以使桿更容易由關鍵性材料如硅形成。注射器的其他部分可更容易由非關鍵性材料形成，尤其是不銹鋼，其更容易形成為所需形狀。連接器尤其是所需的90度彎度可由更加堅固的材料形成。較簡單的零件可運送并且易于現場組裝。若桿需被替換，則連接器可連到新桿而無須與其氣體管線斷開連接，由此降低維修成本。更簡單的桿設計有助于桿的清潔，而不是丟棄整個復雜且難以清潔的單式注射器。由于由價廉的材料制成可再使用的連接器，消耗品的總成本與擁有成本均得以降低。雖然本發明的優選實施例已在此進行描述，但以上的描述僅是說明性的。相應領域的技術人員可對在此公開的發明進行進一歩修改，所有這些修改均視為在所附權利要求限定的發明范圍內。
權利要求
1.一種氣體注射器，用于將生產用氣體注入井式爐中支撐多個晶片的塔與管形內襯之間的熱區內，所述氣體注射器包括 管形桿，具有沿其第一軸從第一遠端延伸到第一近端的第一孔，所述管形桿由選自硅、石英及碳化硅中的至少一種的第一材料制成；及 可分離地連接到所述管形桿并與其流體連通的連接器，所述連接器由不同于第一材料的第二材料制成，所述連接器包括供應管，所述供應管具有沿其第二軸延伸的第二孔，第二軸與第一軸垂直，所述連接器構造并安排成(i)在供應管的第二遠端處接收來自氣體源管線的生產用氣體；及(ii)在供應管的第二近端處將生產用氣體傳輸給管形桿的第一近端。
2.如權利要求I的氣體注射器，其中所述第二材料為金屬。
3.如權利要求2的氣體注射器，其中所述金屬為不銹鋼。
4.如權利要求I的氣體注射器，其中所述第一材料為多晶娃。
5.如權利要求4的氣體注射器，其中所述第二材料為不銹鋼。
6.如權利要求I的氣體注射器，還包括擰入連接器并將桿部夾緊到連接器的螺絲。
全文摘要
本發明公開了一種氣體注射器，用于將生產用氣體注入井式爐中支撐多個晶片的塔與管形內襯之間的空間內，包括管形桿，其具有開口遠端及沿第一軸延伸的第一孔并由第一單一材料構成，該單一材料選自由硅、石英及碳化硅組成的組；及連接器，其可分離地連接至桿部，且其由不同于第一材料的第二材料構成并且包括供應管，供應管具有沿與第一軸垂直的第二軸延伸并與第一孔流體連通的第二孔，及具有可連接到氣體源管線的遠端。
文檔編號H01L21/205GK102656666SQ201080042558
公開日2012年9月5日 申請日期2010年9月24日 優先權日2009年9月25日
發明者F·歐莫爾, K·威廉姆斯, N·樂, V·布朗 申請人:磁性流體技術(美國)公司