КАССЕТА ДЛЯ ГРУППОВОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН
HOLDER FOR GROUP DIFFUSION TREATMENT OF SILICON WAFERS

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для удержания кремниевых пластин во время диффузионной термообработки при изготовлении полупроводниковый приборов.
Известна кассета для групповой 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 пластин, 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 групповой диффузионной обработки 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 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 и пластин 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.
Следует отметить, что в настоящее время в полупроводниковом производстве не известны конструкции кассет для групповой диффузионной обработки пластин с индивидуальной фиксацией, позволяющие решить указанные проблемы.
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, а кроме того, снижение потерь при перегрузке пластин.
Поставленная задача решается тем, что кассета для групповой диффузионной обработки кремниевых пластин, содержащая скрепленные по торцам стержни с пазами, выполнена из трех поликремневых стержней, два боковых стержня которой размещены по бокам обрабатываемых в кассете кремниевых пластин, и один нижний стержень, выполняющий роль дна кассеты, размещен внизу обрабатываемых в кассете кремниевых 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.
Увеличение высоты расположения боковых стержней до указанного уровня позволяет увеличить ширину пазов боковых стержней.
При таком расположении боковых поддерживающих стержней происходит последовательная загрузка пластин в кассету, сначала в пазы боковых стержней, а затем в пазы нижнего стержня. Используемая форма нижнего паза придает пластине максимальную степень свободы перемещения, а также решает проблему самоцентровки пластин в нижних пазах.
На практике форма паза никогда не является идеально прямоугольной: из-за технологических особенностей самого процесса нарезания пазов они имеют явно выраженную коническую форму, сужающуюся в направлении к основанию кассеты или в радиальном направлении. В результате ширина паза в его верхней части может превышать толщину обрабатываемой пластины, тогда как в глубине паза указанная пластина из-за недостаточной ширины паза "заклинивает", не доставая дна паза. Понятно, что в этом случае при термических операциях полупроводниковая пластина или заклинивает, или растрескивается в пазу кассеты, особенно если коэффициент термического (линейного) расширения материала пластины и кассеты значительно различается. Для устранения указанного недостатка приходится выполнять заведомо широкие пазы. Так как загрузка пластин в одном процессе определяется числом пазов, а число нарезанных пазов при фиксированном размере кассеты в основном определяется шириной паза (ширина разделительной перегородки на практике не зависит от толщины обрабатываемых пластин и является минимальной, обеспечивающей механическую прочность и целостность кассеты при нарезании пазов и в процессе эксплуатации), то ясно, что повышенная ширина паза приводит к существенному (на 20-30%) уменьшению числа пластин, обрабатываемых в одном процессе, с соответствующим возрастанием материальных затрат.
Кроме того, если обрабатываемая пластина "висит" на боковых ребрах кассеты, то даже максимальная ширина паза не спасает от механического воздействия кассеты на пластину, что приводит к появлению микротрещин в месте контакта пластины и кассеты с последующим снижением процента выхода годных пластин.
При этом ширину паза никогда не делают "избыточно" большой. Необходимо компромиссное соотношение между загрузкой пластин в одном процессе и повышенным механическим боем 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 лодочку 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 наклонная форма пазов нижнего стержня придают пластине максимальную степень свободы перемещения 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.
Скрепленные по торцам стержни с пазами выполнены из поликристаллического кремния. Два боковых стержня размещены по бокам обрабатываемых в кассете кремниевых 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 кремниевой 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 паза боковых стержней больше толщины обрабатываемой пластины на 30-80%. Пазы в нижнем стержне в сечении плоскостью, перпендикулярной плоскости, содержащей продольные оси обоих боковых стержней, имеют форму перевернутой трапеции так, что верхнее (большее) основание трапеции больше толщины обрабатываемой пластины на 100-200%, а нижнее (меньшее) основание трапеции при этом больше толщины обрабатываемой пластины, чтобы при размещении обрабатываемых пластин в кассете они не заклинивали, доходя до дна паза в нижнем стержне.
Стержни кассеты могут быть выполнены диаметром порядка 5-10 мм. Ширина пазов боковых стержней в кассете составляет 30-80% от стандартной толщины используемых кремниевых пластин. Для определения размера паза нижнего стержня в кассете также следует ориентироваться на толщину используемых кремниевых пластин.
Кассету с загруженными кремниевыми пластинами диаметром 76 мм размещают в лодочке, которую затем загружают в диффузионную установку для проведения непосредственно операции диффузии. Количество обрабатываемых в кассете пластин обычно выбирают порядка 50 штук. Зазор между пластинами может быть установлен порядка 3-6 мм.
Предложенная конструкция стержней с пазами строго определенной формы в сечении исключает зависание кремниевой пластины в пазу нижнего стержня при минимальных его размерах, что, с одной стороны, исключает залипание и заклинивание пластин в пазах кассеты как во время термообработки, так и при перегрузке, с другой стороны, позволяет оптимизировать ширину самого паза и количество обрабатываемых пластин без брака.
Предложенная кассета для групповой диффузионной обработки кремниевых пластин предназначена для промышленного применения, проста в исполнении.
Предложенная кассета для групповой диффузионной обработки кремниевых пластин позволяет на 20-30% увеличить число пластин, обрабатываемых в одном процессе, и исключить их залипание и заклинивание в пазах кассеты.