КАССЕТА ДИФФУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
CASSETTE FOR DIFFUSION TREATMENT OF SEMICONDUCTOR WAFERS

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для удержания полупроводниковых пластин во время диффузионной обработки при изготовлении полупроводниковых приборов.
Известна кассета для диффузионной обработки полупроводниковых, в частности кремниевых пластин, содержащая основание, на внутренней поверхности которого продольно расположены ребра с пазами для размещения пластин, выполненные определенным образом (см. RU 2018190, опубликовано 15.08.1994). Известная кассета имеет ряд недостатков, связанных с тем, что кассета выполнена в виде сплошного основания, что утяжеляет конструкцию и усложняет обработку из-за термических напряжений в системе. Недостатком известной кассеты является также и то, что для пластин большого диаметра применение ее затруднено тем, что для удержания пластины в вертикальном положении нужны основания, охватывающие значительную часть пластины, и узкие и глубокие пазы, при этом требуется увеличить расстояние между пазами, что снижает производительность процесса. Наличие узких пазов превращает их из опорных в заклинивающие, а это приводит к потерям пластин, как при термической обработке, так и на операциях транспортировки и перегрузки пластин.
Известна кассета для диффузионной обработки полупроводниковых, в частности кремниевых пластин, состоящая из четырех стержней с нарезанными в них пазами, причем два стержня расположены выше по отношению к двум другим стержням (FR 2248764, опубликовано 16.05.1975). Такая конструкция кассеты более проста и легка в исполнении. Основания пазов нижних стержней, в которых стоят пластины, выполняют опорную функцию для пластин, а боковые стенки пазов верхних стержней удерживают пластины в вертикальном положении, выполняют поддерживающую функцию для пластин. Такая конструкция кассеты позволила увеличить ширину пазов верхних, боковых, поддерживающих стержней, что, в свою очередь, снимает проблему загрузки пластин в лодочки с использованием загрузочных устройств, поскольку увеличивает степень свободы перемещения пластин в пазах.
К недостаткам конструкции таких кассет следует отнести недостаточную степень свободы перемещения пластин в пазах кассеты, как в процессе непосредственной диффузионной обработки, так и при загрузке или выгрузке всех пластин. А это значит, что при несоответствии проекций пазов пластина не может занять нужное положение в кассете, что приводит к потере пластин как на операции перегрузки пластин в кассеты, так и при последующей высокотемпературной диффузионной обработке. Даже при попадании пластин в пазы возможно их заклинивание в пазе при высокотемпературной обработке, следствием чего являются бой, сколы или царапины на пластинах.
Известна кассета для диффузионной обработки полупроводниковых, в частности кремниевых пластин, содержащая скрепленные по торцам три поликремниевых стержня с пазами, два боковых стержня которой размещены по бокам обрабатываемых в кассете пластин, а один нижний стержень, выполняющий роль дна кассеты, размещен внизу обрабатываемых в кассете пластин, боковые стержни размещены так, что их продольные оси и центры обрабатываемых в кассете пластин находятся в одной плоскости, пазы для размещения каждой обрабатываемой кремниевой пластины совмещены таким образом, что находятся в одной вертикальной плоскости и выполнены для размещения обрабатываемых пластин в этой плоскости перпендикулярно продольной оси стержней, пазы в обоих боковых стержнях имеют П-образную форму, при этом ширина паза больше толщины обрабатываемой пластины на 30-80%, пазы в нижнем стержне имеют в сечении форму перевернутой трапеции так, что верхнее (большее) основание трапеции больше толщины обрабатываемой пластины на 100-200%, а нижнее (меньшее) основание трапеции при этом также больше толщины обрабатываемой пластины, чтобы при размещении обрабатываемых пластин в кассете они не заклинивали, доходя до дна паза в нижнем стержне [RU 2357319].
В известной кассете для диффузионной обработки полупроводниковых пластин в основном устранены перечисленные выше недостатки и только частично исключены потери пластин на операции диффузионной термообработки.
Нами установлено, что известные формы и размеры пазов, а также количество стержней не обеспечивают 100% исключение залипания пластин в пазах нижнего стержня, при одновременной надежной фиксации их в боковых стержнях.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в исключении потерь пластин на операции диффузионной термообработки за счет исключения залипания пластин в пазах при одновременной надежной фиксации их в верхнем и боковых стержнях, а также исключить бой при перегрузке.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что в кассете для диффузионной обработки полупроводниковых пластин, содержащей четыре цилиндрических стержня, скрепленных по торцам в кассете и выполненных с пазами, продольные оси стержней параллельны между собой,
верхний из стержней выполняет функцию крышки и расположен с возможностью крепления с противоположных торцов после размещения в кассете полупроводниковых пластин, нижний стержень выполняет функцию дна кассеты и размещен внизу располагаемых в кассете полупроводниковых пластин, а пазы во всех стержнях совмещены таким образом, что обеспечивают размещение каждой обрабатываемой пластины в вертикальной плоскости, перпендикулярной продольным осям стержней, причем пазы в обоих боковых стержнях имеют в сечении П-образную форму,
стержни выполнены из нелегированного поликристаллического кремния, глубина пазов всех стержней составляет 1/2 диаметра стержней,
стержни расположены так, что поперечная плоскость сечения стержней перпендикулярна их продольным осям, а поперечное сечение каждого стержня имеет форму круга, диаметр цилиндрических стержней составляет 0,8-1,2 см,
боковые и нижний стержни размещены относительно друг друга и полупроводниковых пластин таким образом, что центры каждого круга в плоскости поперечного сечения стержней расположены в вершинах правильного пятиугольника, вписанного в окружность, диаметр которой равен диаметру полупроводниковых пластин, при этом эти вершины размещены в нижней половине окружности
ширина пазов в боковых стрежнях больше толщины обрабатываемых пластин на 60-100%, при этом пазы в нижнем стержне для размещения обрабатываемых пластин имеют в поперечном сечении форму перевернутой трапеции так, что верхнее (большее) основание трапеции больше толщины обрабатываемой пластины на 60-100%, а нижнее (меньшее) основание трапеции при этом также больше толщины пластины, так, чтобы при размещении пластин в кассете они не заклинивали, доходя до дна паза в нижнем стержне,
пазы верхнего стержня совмещены с пазами в боковых и нижнем стержнях, форма пазов в верхнем стержне является зеркальным отражением формы пазов в нижнем стержне для обеспечения фиксации пластин в процессе транспортировки и диффузионной обработки.
Организация расположения стержней в указанных положениях позволяет выбрать оптимальные условия для проведения диффузионной обработки полупроводниковых пластин. При этом соответствующим образом подобраны размеры и формы пазов во всех стержнях кассеты.
Нижний стержень выполняет функцию дна кассеты и размещен внизу располагаемых в кассете полупроводниковых пластин. При таком расположении нижнего и боковых поддерживающих стержней происходит также оптимизация процесса загрузки полупроводниковых пластин в кассету. Сначала пластины загружаются с ориентацией в боковые стержни, а затем устанавливаются и фиксируются в нижнем стержне, который является дном кассеты.
Верхний стержень является дополнительным фиксатором пластин, выполняет функцию крышки и устанавливается и фиксируется креплением с противоположных торцов уже после размещения полупроводниковых пластин на нижнем и боковых стержнях. Верхний стержень позволяет устранить возможные перекосы и смещения как в процессе самой диффузионной обработки, так и, что не менее важно, при подаче кассеты с пластинами непосредственно в диффузионную установку. При такой фиксации полупроводниковых пластин в кассете реализована возможность процесса перемещения термических газовых потоков различными средствами в процессе обработки без смещения и перекоса пластин.
Таким образом подобранные размеры и формы нижнего и верхнего стержней, являясь зеркальным отображением друг друга, также обеспечивают качество фиксации полупроводниковых пластин.
Сама кассета для диффузионной обработки полупроводниковых пластин, выполняется из нелегированного поликристаллического кремния, что обеспечивает исключение загрязнений в процессе высокотемпературной диффузионной обработки полупроводниковых, особенно кремниевых пластин. В кассете используют четыре цилиндрических стержня, которые скреплены по торцам, продольные оси стержней параллельны между собой.
Стержни расположены таким образом, что поперечная плоскость сечения стержней перпендикулярна их продольным осям, а поперечное сечение каждого стержня имеет форму круга, диаметр цилиндрических стержней составляет 0,8-1,2 см. Указанные размеры стержней подобраны из необходимости надежной фиксации без возможных перекосов и биений пластин.
Боковые и нижний стержни размещены относительно друг друга и полупроводниковых пластин таким образом, что центры каждого круга в плоскости поперечного сечения стержней расположены в вершинах правильного пятиугольника, вписанного в окружность, диаметр которой равен диаметру полупроводниковых пластин, при этом эти вершины размещены в нижней половине окружности. Именно такое расположение трех стержней, нижнего и двух боковых, позволяют наиболее надежно организовать фиксацию полупроводниковых пластин в процессе их обработки. При таком размещении указанных стержней оптимизирован процесс загрузки.
Все четыре стержня выполнены с пазами, причем пазы во всех стержнях совмещены и обеспечивают размещение каждой обрабатываемой пластины в вертикальной плоскости, перпендикулярной продольным осям стержней.
Глубина пазов всех стержней составляет 1/2 диаметра стержней. Указанная глубина является оптимальной для надежной фиксации полупроводниковых пластин в пазе при такой форме его выполнения.
Пазы в обоих боковых стержнях имеют в сечении П-образную форму, а ширина пазов в боковых стрежнях больше толщины обрабатываемых пластин на 60-100%. Пазы в нижнем стержне для размещения обрабатываемых пластин имеют в поперечном сечении форму перевернутой трапеции так, что верхнее (большее) основание трапеции больше толщины обрабатываемой пластины на 60-100%, а нижнее (меньшее) основание трапеции при этом также больше толщины пластины, так, чтобы при размещении пластин в кассете они не заклинивали, доходя до дна паза в нижнем стержне,
пазы верхнего стержня совмещены с пазами в боковых и нижнем стержнях, форма пазов в верхнем стержне является зеркальным отражением формы пазов в нижнем стержне для обеспечения фиксации пластин в процессе транспортировки диффузионной обработки.
Предлагаемая форма пазов в боковых и нижнем (и соответственно верхнем) стержнях приведет к надежной фиксации пластин в процессе операций только в том случае, когда будут определены размеры и форма пазов, а также размеры стержней и пазов будут согласованы с размером обрабатываемых пластин. А именно, необходимо однозначно задать не только ширину паза в стержнях, но и его глубину в соответствии с размером пластин.
Процесс загрузки пластин, удерживаемых в пазах держателя пластин загрузочного устройства, в поддерживающие пазы двух боковых стержней кассеты и в опорные пазы нижнего стержня кассеты происходит следующим образом. Пластины, удерживаемые в пазах держателя пластин загрузочного устройства, опускаясь вертикально вниз между боковыми стержнями, подходят к пазам нижнего стержня, одновременно углубляясь в поддерживающие пазы. Вхождение пластин в поддерживающие пазы в дальнейшем исключает выпадание пластин из поддерживающих пазов при наличии несоответствия в совмещении пластины с одним из опорных пазов нижнего стержня кассеты.
Когда пластины подходят к пазам нижнего стержня, они освобождаются от удерживающих пазов держателя пластин загрузочного устройства. Держатели пластин загрузочного устройства, освободившись от пластин, покидают пределы кассеты. Выгрузка пластин происходит в обратной последовательности.
Снижение числа одновременно загружаемых пазов за счет последовательной загрузки пластин в кассету сначала в пазы боковых стержней, а затем в пазы нижнего стержня, увеличение ширины пазов боковых стержней за счет увеличения высоты расположения боковых стержней, а также форма пазов нижнего стержня в виде перевернутой трапеции придают пластине максимальную устойчивость фиксации пластин в пазах, что позволяет пластинам занять нужное положение в кассете и в конечном итоге решает проблему по исключению брака, как на данной операции загрузки/выгрузки, так и в самом процессе диффузионной обработки полупроводниковых пластин, с учетом возможных перемешивающих газовые потоки средств.
Скрепленные по торцам стержни с пазами выполнены из нелегированного поликремния. Два боковых стержня размещены по бокам обрабатываемых в кассете полупроводниковых пластин и расположены друг от друга на расстоянии, обеспечивающем установку кремниевых пластин в пазах. Нижний стержень, выполняющий роль дна кассеты, размещен внизу обрабатываемых в кассете полупроводниковых пластин. Боковые стержни размещены так, что их продольные оси и центры обрабатываемых в кассете пластин находятся в одной плоскости. Пазы для размещения каждой обрабатываемой пластины совмещены таким образом, что находятся в одной плоскости, пазы в обоих боковых стержнях выполнены в направлении, перпендикулярном продольной оси боковых стрежней, и имеют в сечении плоскостью, содержащей обе продольные оси боковых стрежней, П-образную форму.
При этом ширина боковых пазов больше толщины обрабатываемой пластины на 60-100%, глубина пазов всех стержней составляет 1/2 диаметра стержней.
Таким образом, для определения размера пазов стержней в кассете следует ориентироваться на размеры обрабатываемых полупроводниковых пластин.
Кассету с загруженными кремниевыми пластинами диаметром 76 мм размещают в лодочке, которую загружают в реактор для диффузионной обработки. Количество обрабатываемых в кассете пластин обычно выбирают порядка 50 штук. Зазор между пластинами может быть установлен порядка 5-10 мм.
Предложенная конструкция стержней с пазами строго определенной формы в сечении исключает зависание полупроводниковых пластин в пазу нижнего стержня при минимальных его размерах, что, с одной стороны, исключает залипание и заклинивание пластин в пазах кассеты как во время диффузионной обработки, так и при перегрузке, с другой стороны, позволяет оптимизировать ширину самого паза и количество обрабатываемых пластин без брака.
Предложенная кассета для групповой диффузионной обработки полупроводниковых, в частности кремниевых пластин, предназначена для промышленного применения, проста в исполнении.
Предложенная кассета для диффузионной обработки пластин позволяет на 10% увеличить число пластин, обрабатываемых в одном процессе, и исключить их запинание и заклинивание в пазах кассеты, а также процессы смещения и биения пластин.