TWI513848B - 混合氣體注射器 - Google Patents

Description

混合氣體注射器

本發明大致關於半導體晶圓的熱處理。尤其是，本發明係關於在一熱處理爐中的氣體注射器。

在矽積體電路之製造中的若干階段持續使用著批次熱處理。一低溫熱製程藉由化學汽相沈積來沈積一層矽氮化物，通常在大約700℃的溫度範圍內使用氯矽烷及氨作為前驅物氣體。其他的低溫製程包含多晶矽或二氧化矽之沈積或其他利用低溫之製程。高溫製程包含氧化、退火、矽化及其他通常用到高溫的製程，例如1000℃以上或甚至1200℃。

大規模的商用生產通常用垂直爐及垂直配置的晶圓塔以支撐爐中的大量晶圓，通常在如圖1所繪示之截面圖的結構中。該爐包含一熱絕緣加熱器筒12，其係用於支撐一電阻加熱線圈14，該電阻加熱線圈由一如圖示之電源供應供電。通常由石英組成之一鐘罩16包含一頂部且裝配於該加熱線圈14中。一具開啟端之內襯18可被使用，其係裝配於該鐘罩16中。一支撐塔20坐落於一台座22上並且在處理期間該台座22及支撐塔20大致被該內襯18圍繞。該塔20包含垂直配置的狹槽，其係用於固持待於批次模式中進行熱處理之多個水平地佈置的晶圓。主要佈置於該塔20與該內襯18之間的一氣體注射器24在其上端有一出口，用於注射製程氣體於該內襯18內。通常而言，在沿著多個高度處之不同長度的多個氣體注射器24注射該製程氣體。未繪示之一真空幫浦移除通過該鐘罩16之底部的該製程氣體。該加熱器筒12，鐘罩16及內襯18可被垂直抬起以允許晶圓被轉移至該塔20及自該塔20轉移出來，雖然在一些組態中此等元件保持靜止而一升降機提升及降低該台座22及經負載之塔20進出該爐10之底部。

鐘罩18在其上端上封閉，導致爐10在其中間及上面部分趨於具有一大致一致的熱溫度。這被稱為熱區，在該熱區中溫度被控制用於最優化熱製程。然而，該內襯18之開啟底端及該台座22之機械式支架導致該爐之低端具有一較低的溫度，通常足夠低使得如化學汽相沈積之製程不能完全有效。該熱區可排除該塔20之一些較低狹槽。

習知在低溫應用中，該塔、內襯及注射器由石英或熔融矽石組成。然而，石英塔及石英注射器正被矽塔及矽注射器所取代。圖2之正視圖繪示可購自美國加州Sunnyvale之Integrated Materials公司的一矽塔之一組態。此一塔的製造係由Boyle等人描述於美國專利第6,455,395號中，其係藉由引用併入本文。矽內襯已經由Boyle等人在美國經公告之專利申請案第2002/0170486號中提出。

Zehavi等人揭示一矽注射器24，其係繪示於圖2之正視圖中，且其製造方法揭示於美國經公告之專利申請案第2006/0185589號中。其包含一注射器桿26(亦稱為一管)及一連接器28(亦已知為一關節)。該連接器28包含一供應管20及一肘管32，該肘管具有一凹部以接收該注射器桿26。該供應管30可具有一大約4毫米至8毫米的外直徑並具有一相應大小的內圓孔34。該供應管30穿過該爐之下歧管。

該供應管30之末端可透過一真空配件及O型環(諸如一Ultratorr配件)連接至氣體供應管線，該氣體供應管線供應所需的氣體或氣體混合物進入該爐，例如，用於矽氮化物之CVD沈積的氨及矽烷。根據Boyle等人的美國專利第6,450,346號中描述之方法，該整個一體之連接器28可由經退火的原生多晶矽機械加工而來。該機械加工包含將該供應孔34連接至接收該桿的凹部。或者，將一分離管30裝入且結合至經分開機械加工之肘管32來組裝連接器28。

注射器桿26形成有一注射孔36，例如，具有與該供應管30之圓孔34直徑相似的直徑並且沿注射器桿26整個長度延伸之一圓形孔。如所示，該注射管24可具有一斜端，例如面向該腔室內襯或其可能具有一與該桿26之軸垂直的一平坦端。該注射器桿26的截面形狀可能大體呈正方形(如圖示)或可能呈八邊形或圓形或根據該爐製造者及生產線需要而定形狀。該注射器桿52可由兩殼54、56組成，該兩殼透過未繪示的沿著桿軸向延伸之榫槽結構接合在一起。

Zehavi等人的注射器40之所有的零件係由矽(較佳多晶矽及最佳係原生多晶矽)構成的。該等零件可使用由旋塗玻璃(SOG)及矽粉構成的一可固化黏着劑融合一起，如Boyle等人的美國專利第7,083,694號所描述。可流動的黏著劑被施加於該等零件的接合區域，接著該等零件被組裝成為所示之結構。接著該結構在900至1100℃的範圍內之一溫度下退火以將該旋塗玻璃轉換成一矽基質，其緊密地結合至該等矽零件並併入矽粉末。

該矽氣體注射器在減少爐中產生的微粒數量方面極有效，這些微粒掉落至經處理晶圓上變得有害並且降低良率。

不幸的是，以上描述的習知單一矽氣體注射器存在若干缺陷。製造複雜的矽注射器是一個單調且昂貴之製程。結果，即使藉由增加生產良率且延長注射器使用壽命使得該注射器的費用減少但該矽注射器依然很貴。另外，該矽結構較長，有時其長度遠超過一米，易碎且易斷裂。運送經組裝之注射器需要十分小心以防止該注射器在運輸中斷裂。只要該長桿斷裂時，該注射器很明顯就需要以一新注射器取代。同樣的，當該注射器主要由於沈積產物的堆積使得晶圓缺陷增加或沈積率或均勻性改變致使其達到使用壽命之末端時，該注射器通常會被扔掉並由一個昂貴的新注射器取代。

雖然全矽氣體注射器已提供優異之性能，但是本發明者已經意識到了僅僅是注射器的桿延伸進入熱區的處理區域且經受藉由製程氣體的密集塗佈。該連接器或關節位於處理區域的下面且經歷一較低的溫度以致該連接器沒有經歷明顯沈積。

根據本發明之一態樣，一混合氣體注射器包含由如矽之高純度材料構成之一桿及另一材料之一連接器，其中該桿延伸通過該爐之熱區，且該連接器係佈置於大致由該爐之加熱線圈14所定界的熱區的外面。該桿或者可由石英或矽碳化物構成。

連接器之材料比桿的材料更強健且更便宜是較佳的。對於矽桿，石英及矽碳化物能用於連接器。然而，由於諸如不鏽鋼或者鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金(Inconel)之強金屬的優異的強度並且容易機械加工，其用於製造連接器是較佳的。鑒於氣體供應管線通常由不鏽鋼構成之事實，一不鏽鋼的連接器在不影響其純度位準的情況下明顯能被使用。

有優勢的是，該桿可透過一可分離的聯結器接合至連接器，例如，使用諸如螺絲之螺紋元件。結果，該桿及連接器可因為較不複雜的結構且易於就地安裝能被分開運送。另外，該桿的更換不需要一新連接器。如果桿斷裂或者變成過度塗佈，則可用一新桿接合至之前用過的連接器。之前提到過的該連接器經受更少之沈積。如果該連接器需要被清理，其更小的尺寸，降低的複雜性及強健的組成會促進清理。

例如，一實施例係關於一種氣體注射器，其用於將製程氣體注射進入至一垂直爐的介於支撐多個晶圓之一塔與一管形內襯之間的一空間內。該氣體注射器包含一管形桿，其具有一開啟末端及一沿著一第一軸延伸之第一孔且由一第一單一材料構成，該第一材料係選自由矽、石英及矽碳化物組成的群組；及一連接器，其可分離地連接至該桿區段，該連接器由除該第一材料外之一第二材料構成，並且包含一供應管，該供應管具有一第二孔及一末端，該第二孔沿著與該第一軸垂直的一第二軸延伸並且與該第一孔流體連通，而該末端可連接至一氣體供應管線。

本發明之較佳實施例如圖1至4繪示。

一混合氣體注射器50之一實施例(如圖3之正視圖繪示)包含一矽桿52，其類似於Zehavi等人所描述，其由兩個多晶矽殼54、56融合在一起所形成且在該兩個多晶矽殼之間具有一中心孔58。該桿52之下端結合至一配接器60，該配接器60亦具有一中心孔，其延伸通過該配接器並且與該桿52之中心孔58對齊。兩個缺口62、64經機械加工進入至配接器60以沿著垂直於該桿52之軸的兩個相對側延伸。該桿52可由多晶矽構成，在需要小尺寸時多晶矽可易於機械加工。該配接器60相對較小且形狀簡單且能由一單一部件機械加工。經機械加工的該桿52能用相同的SOG/矽融合操作融合至多晶矽殼54、56，其形成桿52的主要部分，或者在一分開之操作中融合。

一連接器66由一金屬(較佳地不鏽鋼或者鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金)構成且包含一供應管68，該供應管的中心孔用於連接氣體供應管線。例如，該供應管68藉由熔接接合至一不鏽鋼肘管70，該肘管具有兩個連接且垂直配置的垂直孔和水平孔，該等孔經機械加工進入肘管以連接於桿52之中心孔58與供應管68的孔之間。該肘管70具有使配接器60靜置於其上的一平坦的上表面72，配接器60之中心孔與肘管70中的垂直孔對齊。兩個固持器74、76具有各別之水平的延伸齒，該等齒可接合該調節器60之缺口62、64。螺絲78、80可自由地穿過該肘管70之凸緣82、84並旋轉進固持器74、76中。由此，該等螺絲78、80能將該配接器60抵於圍繞垂直肘管孔的肘管70之平坦表面72上緊。該等螺絲78、80能被旋鬆以從桿52釋放該連接器66。由此，如果桿52由於斷裂或老化需要被替換時，該連接器66能再用於一新桿52。較佳地是該等固持器74、76及該等螺絲78、80亦能由不鏽鋼構成。

該等零件之間的密封無須提供一高壓密封。矽似乎可充分密封至一金屬。然而，已預想到有一種密封材料可有優勢地使用，諸如像C形密封件之一金屬密封件或者諸如Kalrez之一高溫彈性密封件。該密封件需要適應不同材料的零件間之不同熱膨脹同時維持用於氣體密封的零件之接近性。

在圖4之正視圖中繪示一混合氣體注射器90的另一實施例，該混合氣體注射器90包含類似於圖3之桿的一桿92，該桿92包含第一及第二殼94、96，其中沿著該等殼軸向形成一中心孔98。然而，該第二殼96在其下端附近但偏離其下端處包含一未繪示的側孔隙。另外，一端板94經結合並密封至該等殼94、96之底端以堵塞該中心孔98。該等殼94、96及端板94由相同材料(例如，石英、矽碳化物或矽，但多晶矽係較佳，原始多晶矽係最佳)形成。在該等殼94、96融合在一起的同時該矽端板94可融合至該等殼94、96。

一配接器100包含一供應管102，該供應管102係(例如)藉由焊接接合至一夾鉗結構的一基座104。該基座104包含一未繪示的孔隙，該孔隙與供應管的中心孔連通並與該第二殼96中的側孔隙對齊。兩個可移動的夾具106、108包含凸耳110、112，該等凸耳對接於該第一殼94而與該第二殼96中的孔隙相對。該第一殼94的隅角可為圓形以符合該等凸耳110、112之凹形內表面。穿過該等夾具中的孔的螺絲114、116被旋進該基座104內。因此，該等螺絲114、116可抵著該第一殼94上緊該等凸耳110、112以將該桿92之底端固持於該配接器100並將至該基座104之孔的該第二殼96中之孔隙密封以提供該桿92之中心孔98至該供應管102之孔之間流體相通。若該等螺絲114、116被旋鬆，則該桿92可自該連接器100拆卸。

本發明提供很多優勢。暴露於高溫中之該注射器零件(亦即，該桿)具有一簡單形狀以容許該桿可更容易地由諸如矽的關鍵性材料所形成。該注射器之其他部分可更容易地由非關鍵性材料形成(尤其係不鏽鋼)，不鏽鋼可更容易地形成所需的形狀。該連接器及尤其是所需的90度彎度可由更加耐用的材料形成。簡單之零件可經運送並且可容易地就地安裝。若一桿需被替換，則該連接器可附接至一新桿而無須自其氣體線斷開，由此降低維修成本。該桿之更簡單的設計促進該桿的清潔，而無須拋棄整個部件及難以清潔的單一注射器。由於由價廉的材料製成的可再使用連接器，消耗與擁有總成本減少。

雖然本發明之較佳實施例已描述於本文中，但以上之描述僅是說明性的。本文中揭示之發明之進一步的修改將發生於熟習此各別技術者中且所有此等修改都會藉由附加請求項界定而被認為是在本發明之範圍內。

10．．．爐

12．．．絕緣加熱器筒

14．．．電阻加熱線圈

16．．．鐘罩

18．．．內襯

20．．．支撐塔

22．．．台座

24．．．氣體注射器

26．．．注射器桿

28．．．注射器

30．．．供應管

32．．．肘管

34．．．孔

36．．．注射孔

38．．．殼

40．．．殼

50．．．混合氣體注射器

52．．．桿

54．．．殼

56．．．殼

58．．．中心孔

60．．．配接器

62．．．缺口

64．．．缺口

66．．．連接器

68．．．供應管

70．．．肘管

72．．．上表面

74．．．固持器

76．．．固持器

78．．．螺絲

80．．．螺絲

82．．．凸緣

84．．．凸緣

90．．．混合氣體注射器

92．．．桿

94．．．殼

96．．．殼

98．．．中心孔

100．．．配接器

102．．．供應管

104．．．基座

106．．．夾具

108．．．夾具

110．．．凸耳

112．．．凸耳

114．．．螺絲

116．．．螺絲

圖1係一垂直爐之一截面圖。

圖2係一全矽氣體注射器之一正視圖。

圖3係本發明之一氣體注射器的一第一實施例之一正視圖。

圖4係本發明之一氣體注射器的一第二實施例之一正視圖。

50．．．混合氣體注射器

52．．．桿

54．．．殼

56．．．殼

58．．．中心孔

60．．．配接器

62．．．缺口

64．．．缺口

66．．．連接器

68．．．供應管

70．．．肘管

72．．．上表面

74．．．固持器

76．．．固持器

78．．．螺絲

80．．．螺絲

82．．．凸緣

84．．．凸緣

Claims (7)

1. 一種氣體注射器，其用於將製程氣體注射進入一垂直爐中介於支撐多個晶圓的一塔與一管形內襯之間的一熱區內，該氣體注射器包括：一管形桿，其界定一第一孔，該第一孔沿著該管形桿之一第一軸自一第一末端延伸至一第一近端，一第一近端部分，其界定沿著該管形桿的兩相對側之缺口，其中該管形桿由矽或矽碳化物製成；及一連接器，其界定一第二孔，該第二孔係與該管形桿之該第一孔實質垂直，該連接器由金屬製成且可分離地連接至該管形桿該第二孔並與該管形桿之該第一孔流體連通，該連接器經構形及配置以(i)於該第二孔之一第二末端接收自一氣體供應管線傳出之該製程氣體，及(ii)自該第二孔之一第二近端傳送該製程氣體至該管形桿之該第一近端；固持器，具有各別之水平的延伸齒，該等齒經構形以接合在該管形桿之該第一近端部分之該等缺口；及一螺絲，其在兩固持器之各者與該連接器之間延伸並螺旋連接該兩固持器之各者至該連接器，藉此將該管形桿夾持至該連接器。
2. 如請求項1之氣體注射器，其中該金屬係鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金。
3. 如請求項1之氣體注射器，其中該金屬係不鏽鋼。
4. 如請求項1之氣體注射器，其中該管形桿係由多晶矽製 成。
5. 如請求項4之氣體注射器，其中該金屬係不鏽鋼或鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金。
6. 如請求項1之氣體注射器，其中該管形桿之該第一近端部分進一步包含一矽配接器，該矽配接器融合至該管形桿之該第一近端，其中該等缺口係界定在該矽配接器中。
7. 如請求項1之氣體注射器，其中該管形桿進一步包含一端板，該端板融合至該管形桿之該第一近端。