RU2684335C2

RU2684335C2 - Console device for horizontal contactless driving of semiconductor plates in diffusion furnace

Info

Publication number: RU2684335C2
Application number: RU2017131177A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Васильевич Перов
Original assignee: Акционерное Общество "Новосибирский Завод Полупроводниковых Приборов С Окб" (Ао "Нзпп С Окб")
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-04-08
Also published as: RU2017131177A3; RU2017131177A

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to a cantilever device for horizontal non-contact loading of semiconductor plates into a diffusion furnace. Device comprises a tubular cantilever for loading cassettes with semiconductor wafers and a movable in a horizontal direction mechanism for moving the cantilever mounted on one side thereof, at that, the cantilever movement mechanism is made in the form of a platform fixed with the possibility of movement along the horizontal guides made in the form of cylindrical pipes, which are fixed by the cross bar on one side to the vertical posts, and on the other side - to diffusion furnace base, and is equipped with step motor, pusher with separate guide for its movement and hook for engagement with cantilever through hole made in it, wherein console is fixed in suspended state with possibility to control position of cantilever in vertical plane by means of fixed support on one side, movable support on other side, handles and arranged at specified distance from each other composite rings, with which said supports are completed, and in the tubular cantilever on the loading side there is a horizontal cut on 1/4-1/3 of the diameter of the console tube, the size of which corresponds to the length of the cassette with semiconductor plates.EFFECT: higher reliability of non-contact loading of semiconductor plates into horizontal furnace for heat treatment of plates and pressure leveling of gases flow along working zone due to detachable plug and holes in inoperative part of console.1 cl, 2 dwg

Description

Консольное устройство для горизонтальной бесконтактной загрузки полупроводниковых пластин в диффузионную печьCantilever device for horizontal non-contact loading of semiconductor wafers into a diffusion furnace

Область технологии, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention relates

Изобретение «Консольное устройство для горизонтальной безконтактной загрузки полупроводниковых пластин в диффузионную печь» относится к области технологии изготовления полупроводниковых микросхем, в частности групповым операциям термических обработок в горизонтальных термических печах.The invention "A cantilever device for horizontal non-contact loading of semiconductor wafers into a diffusion furnace" relates to the field of manufacturing technology of semiconductor microcircuits, in particular group operations of heat treatments in horizontal thermal furnaces.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Современный технологический цикл изготовления микросхем включает несколько групповых операций, связанных с доставкой пакета кремниевых пластин в высокотемпературную термическую Т=500-1200°С. Это и операции диффузионного легирования, термического окисления кремния или поликремния, осаждения диэлектрических и металлизированных слоев из газовой фазы. Промышленный вариант доставки с полупроводниковыми пластинами в диффузионную печь - горизонтальный: путем постепенного заталкивания кассеты из зоны загрузки в высокотемпературную зону.The modern technological cycle for the manufacture of microcircuits includes several group operations associated with the delivery of a package of silicon wafers to high-temperature thermal T = 500-1200 ° C. These are the operations of diffusion alloying, thermal oxidation of silicon or polysilicon, and deposition of dielectric and metallized layers from the gas phase. The industrial version of delivery with semiconductor wafers to a diffusion furnace is horizontal: by gradually pushing the cartridge from the loading zone to the high temperature zone.

Перемещение пакета пластин происходит в два этапа. На предварительном первом этапе подача пластин производится автоматически металлическим толкателем с крючком, попадающим в паз кассеты-подложкодержателя в рабочей зоне оператора при комнатной температуре по специальной плоской подставке. Когда кассета с пластинами вдвинется в кварцевую рабочую трубу, происходит автоматическое отклонение металлического толкателя и опускание кварцевого толкателя в управляющий паз кассеты с пластинами. После этого происходит горизонтальное вдвижение пакета кремниевых пластин на подложкодержателе по нижней поверхности кварцевого реактора в высокотемпературную рабочую зону. Подача реактивных газов в рабочую зону (кислорода, аргона, паров воды, азота) кварцевого или кремниевого реактора происходит из блока распределения в горизонтальном направлении, в т.ч. с добавками хлорсодержащих очищающих компонентов.The movement of the package of plates occurs in two stages. At the preliminary first stage, the plates are automatically fed with a metal pusher with a hook falling into the groove of the substrate holder in the operator’s working area at room temperature using a special flat stand. When the cassette with the plates moves into the quartz working tube, the metal pusher is automatically deflected and the quartz pusher is lowered into the control groove of the cassette with the plates. After that, a horizontal movement of the package of silicon wafers on the substrate holder occurs along the lower surface of the quartz reactor into the high-temperature working zone. The supply of reactive gases to the working zone (oxygen, argon, water vapor, nitrogen) of a quartz or silicon reactor occurs from the distribution unit in the horizontal direction, incl. with the addition of chlorine-containing cleansing components.

Недостатком типового загрузчика является появление механических загрязнений, возникающих по причине трения кварцевой кассеты с пластинами о поверхность рабочей кварцевой трубы.A disadvantage of a typical loader is the appearance of mechanical impurities arising from the friction of a quartz cassette with plates on the surface of a working quartz tube.

Известны промышленные горизонтальные диффузионные печи для групповой термической обработки пластин кантилеверного (балочного) типа производственного цикла изготовления полупроводниковых приборов и солнечных элементов компаний SVCS (Чехия) [1].Known industrial horizontal diffusion furnaces for group heat treatment of cantilever plates (beam) type production cycle for the manufacture of semiconductor devices and solar cells companies SVCS (Czech Republic) [1].

Размер пластин: 50 мм, 75 мм, 100 мм, 150 мм, 200 мм, 300 мм.Plate size: 50 mm, 75 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm.

Загрузка пластин 100 и более.Loading plates 100 or more.

Отклонение конца балки кантилевера (балочной структуры) (консоли) δ в зависимости от свойств материала, его геометрических размеров и нагрузки а определяет формула Стони [2]:The deviation of the end of the cantilever beam (beam structure) (cantilever) δ depending on the properties of the material, its geometrical dimensions and load a is determined by the Stoney formula [2]:

,

где ν - коэффициент Пуассона, Е - модуль Юнга, L - длина балки, t - толщина балки кантилевера.where ν is the Poisson's ratio, E is the Young's modulus, L is the beam length, t is the thickness of the cantilever beam.

Соотношение относится к случаю закрепления кантилевера по одной из крайних плоскостей.The ratio refers to the case of cantilever fastening along one of the extreme planes.

Детальные разработки кантилеверных, или точнее консольных, горизонтальных загрузчиков полупроводниковых пластин учитывают, прежде всего, выбор материала (кварц, кремний, карбид кремния) и не затрагивают способы крепления его в перемещающем блоке.Detailed designs of cantilever, or rather console, horizontal loaders of semiconductor wafers take into account, first of all, the choice of material (quartz, silicon, silicon carbide) and do not affect the ways of fastening it in the moving block.

Одним из стандартных вариантов консольного автозагрузчика полупроводниковых пластин является загрузчик в составе модульной V-CVD диффузионной печи для осаждения пленок диэлектриков (окисла и нитрида кремния) и поликремния и представляет собой продольную балочную структуру (на Фиг. 1 [3] под №48), на которую размещаются кремниевые пластины. Пластины после размещения их в пазах балочной структуры на первоначальном этапе загружаются в рабочую зону при отсутствии ее контакта с поверхностью реактора. Крепление консоли происходит по фиксированной плоскости со стороны ее нерабочего края, а перемещение консоли обеспечивается движением автопогрузчика (на Фиг. 1 [3] под №46).One of the standard options for the cantilever autoloader of semiconductor wafers is a loader as part of a modular V-CVD diffusion furnace for the deposition of films of dielectrics (silicon oxide and nitride) and polysilicon and is a longitudinal beam structure (in Fig. 1 [3] under No. 48), which are placed silicon wafers. The plates after placing them in the grooves of the beam structure at the initial stage are loaded into the working zone in the absence of its contact with the surface of the reactor. The console is mounted on a fixed plane from the side of its idle edge, and the console is moved by the movement of the forklift (Fig. 1 [3] under No. 46).

Техническое решение относится к горизонтальной V-CVD системе в целом и ее недостатком можно считать возникающие критические механические напряжения на излом в месте крепления консоли, что может нарушить ее механическую целостность. Другим недостатком загрузчика является то, что он ориентирован только на V-CVD реактор с вертикальной подачей газовых реагентов в зоне реакции. В диффузионной печи с горизонтальной подачей газовых реагентов подобное размещение пластин не обеспечивает управление газовой динамикой вдоль рабочей зоны.The technical solution relates to the horizontal V-CVD system as a whole and its drawback can be considered emerging critical mechanical stresses at a break in the attachment point of the console, which may violate its mechanical integrity. Another disadvantage of the loader is that it focuses only on the V-CVD reactor with a vertical feed of gas reagents in the reaction zone. In a diffusion furnace with a horizontal supply of gas reagents, such a placement of the plates does not provide control of gas dynamics along the working zone.

Система консольного диффузионного погрузчика с направляющей прорезью для загрузки кассет с пластинами предложена J.S. Whang, A.F. Wollman в [4].Cantilever Diffuser Loader with Slot Guide for Loading Plate Cassettes proposed by J.S. Whang, A.F. Wollman in [4].

Патентуется консольный погрузчик в диффузионную печь с механизмом переноса в него кассет с полупроводниковыми пластинами в виде кварцевой трубы с удлиненным пазом в нижней части от открытого конца трубки консольного до заданной области, в которой расположены лодочки, примыкающие друг к другу, и герметичной крышкой до удлиненного паза. Механизм, поддерживающий кассету в системе переноса, перемещает ее к удлиненному пазу в открытой части консольной трубы. Кассета вдвигается механизмом в консольную трубу и опускает ее на нижнюю внутреннюю поверхность консоли со стороны удлиненного паза. Процедура повторяется для последующих кассет, каждая из которых упирается в предыдущую в консольной трубке. Акцент в решении делается на размещении кассеты в консоль бесконтактного загрузчика. Однако из описания и рисунка видно, что также как в предыдущем случае крепление консоли происходит по фиксированной плоскости со стороны нерабочего края (на Фиг. 1 [4] под №24), а горизонтальное перемещение консоли с пластинами происходит за счет автоматического движения держателя (на Фиг. 1 [4] под №6).A cantilever loader is patented in a diffusion furnace with a mechanism for transferring cassettes with semiconductor plates into it in the form of a quartz tube with an elongated groove in the lower part from the open end of the cantilever tube to a predetermined area in which the boats are adjacent to each other and a sealed cover to the elongated groove . The mechanism supporting the cassette in the transfer system moves it to an elongated groove in the open part of the cantilever tube. The cassette is pushed into the cantilever by a mechanism and lowers it onto the lower inner surface of the cantilever from the elongated groove side. The procedure is repeated for subsequent cassettes, each of which rests on the previous one in the cantilever tube. The emphasis in the solution is placed on placing the cassette in the console of the contactless bootloader. However, it can be seen from the description and figure that, just as in the previous case, the console is mounted on a fixed plane from the side of the non-working edge (in Fig. 1 [4] under No. 24), and the horizontal movement of the console with the plates occurs due to the automatic movement of the holder (on Fig. 1 [4] under No. 6).

Преимуществом системы является удобный механизм в движения кассеты с пластинами в трубчатую консоль. Недостатком системы бесконтактной загрузки пластин является, также как в предыдущем случае значительные напряжения в месте крепления консоли в механизме его передвижения в диффузионную трубу.The advantage of the system is a convenient mechanism in the movement of the cartridge with the plates in the tubular console. The disadvantage of the system of contactless loading of the plates is, as in the previous case, significant stresses in the place of attachment of the console in the mechanism of its movement into the diffusion pipe.

Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению является устройство для горизонтальной загрузки полупроводниковых пластин в диффузионную печь, предложенное A.F. Wollmann [5], которое включает в себя кварцевую консольную трубку (на Фиг. 2А, В [5] под №2), закрепленную с одной стороны в механизме переноса (на Фиг. 2А, В [5] под №6), подвижном в горизонтальном направлении механизме. Кассета (на Фиг. 2А, В [5] под №12) с полупроводниковыми пластинами (на Фиг. 2А, В [5] под №11) загружается в консольную трубку 6 через окно. Затем механизм переноса передвигает консольную трубку и пластины в диффузионную камеру (на Фиг. 2А, В [5] под №16). Газ-реагент подается в консольный загрузчик между нагретыми пластинами и выходит за ее пределы. Устройство коаксиально выровнено с рабочей кварцевой трубой диффузионной печи (на Фиг. 2А, В [5] под №17). Опорный конец консольной трубки герметизирован кварцевой пластиной, через которую проходит газовая трубка для подачи реагентов. Механизм переноса вдвигает консольный загрузчик с пластинами в диффузионную трубу. Затем в консольной трубке между полупроводниковыми пластинами пропускают газ для продувки. После этого консольная трубка выводится из диффузионной печи при пропускании потока продувочного газа таким образом, чтобы избежать чрезмерного термического удара и попадания загрязнений из воздуха.The closest technical solution to the present invention is a device for horizontal loading of semiconductor wafers into a diffusion furnace, proposed by A.F. Wollmann [5], which includes a quartz cantilever tube (in Fig. 2A, B [5] under No. 2), mounted on one side in the transfer mechanism (in Fig. 2A, B [5] under No. 6), movable in the horizontal direction to the mechanism. The cassette (in Fig. 2A, B [5] under No. 12) with semiconductor plates (in Fig. 2A, B [5] under No. 11) is loaded into the cantilever tube 6 through the window. Then, the transfer mechanism moves the cantilever tube and plates into the diffusion chamber (in Fig. 2A, B [5] under No. 16). The reagent gas is fed into the console loader between the heated plates and goes beyond it. The device is coaxially aligned with the working quartz tube of the diffusion furnace (in Fig. 2A, B [5] under No. 17). The supporting end of the cantilever tube is sealed with a quartz plate through which the gas tube for supplying reagents passes. The transfer mechanism pushes the cantilever loader with the plates into the diffusion pipe. Then in the cantilever tube between the semiconductor wafers pass gas for purging. After that, the cantilever tube is removed from the diffusion furnace by passing a purge gas stream in such a way as to avoid excessive thermal shock and contaminants from the air.

Задачу по бесконтактной загрузке кассет с полупроводниковыми пластинами в консольном загрузчике в диффузионную печь, поставленную перед собой, автор выполнил. Однако основным недостатком общего конструктивного решения консольного загрузчика является то, что кварцевая (кремниевая, карбид кремниевая) практически цельная консоль крепится в фиксированной плоскости механизма перемещения с нерабочей стороны. В результате возникают значительные механические нагрузки на излом в месте крепления.The task of contactless loading of cassettes with semiconductor wafers in a console loader in a diffusion furnace, set in front of him, the author fulfilled. However, the main drawback of the general constructive solution of the console loader is that the quartz (silicon, silicon carbide) almost solid console is mounted in a fixed plane of the movement mechanism from the non-working side. As a result, significant mechanical stresses arise at the fracture at the attachment point.

Формула Стони позволяет выполнить сравнительную оценку прототипа и предлагаемого изобретения при одинаковых геометрических размерах и материале консоли (кварц, кремний, карбид кремния).The Stoney formula allows a comparative assessment of the prototype and the invention with the same geometric dimensions and console material (quartz, silicon, silicon carbide).

Основной параметр в соотношении Стони, который может относиться к геометрическим характеристикам места закрепления - механическое нагрузка о на консоль. Увеличение площади крепления консоли на платформе на порядок позволяет снизить нагрузку на консоль более чем на порядок.The main parameter in the Stony ratio, which may relate to the geometric characteristics of the fixing point, is the mechanical load on the console. An increase in the mounting area of the console on the platform by an order reduces the load on the console by more than an order of magnitude.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1. Консольное устройство для горизонтальной бесконтактной загрузки полупроводниковых пластин в диффузионную печь с передвижной платформой, удерживающей консоль и позволяющей увеличить горизонтальную плоскость ее крепления (посадки) и механические нагрузки на излом в 5-10 раз.FIG. 1. A cantilever device for horizontal non-contact loading of semiconductor wafers into a diffusion furnace with a mobile platform holding the console and allowing to increase the horizontal plane of its fastening (landing) and mechanical fracture loads by 5-10 times.

Фиг. 2. Конфигурация консоли с вырезом на 1/4-1/3 диаметра со стороны загрузки кассет с полупроводниковыми пластинами, с горизонтальным размером близким к длине кассеты.FIG. 2. The configuration of the console with a cutout of 1 / 4-1 / 3 of the diameter on the loading side of the cassettes with semiconductor plates, with a horizontal size close to the length of the cassette.

Пример осуществления предлагаемого изобретенияAn example implementation of the invention

Принцип действия устройства иллюстрирует Фиг. 1.The principle of operation of the device is illustrated in FIG. one.

Консольное устройство для горизонтальной бесконтактной загрузки включает в себя механизм перемещения 2, 3 с консолью 1 на горизонтальных направляющих в виде цилиндрических труб 8, которые крепятся траверсой 6 с одной стороны к вертикальным стойкам 5, а с другой стороны к основанию диффузионной печи 7. Стойки 5 в свою очередь крепятся вертикально к полу, потолку или стенам помещения. Платформа 2 механизма перемещения, закрепляющая и перемещающая консоль 1, фиксируется и движется по горизонтальным направляющим 8. К платформе консоль крепится с одной стороны неподвижной 3, с другой стороны подвижной 4 опорами для управления ее положением в вертикальной плоскости с помощью ручки 10. Опоры комплектуются составными кольцами 9 для крепления консоли в подвешенном состоянии таким образом, чтобы нагрузки на излом в местах крепления консоли в месте крепления были минимальными.The cantilever device for horizontal contactless loading includes a movement mechanism 2, 3 with the console 1 on horizontal guides in the form of cylindrical pipes 8, which are mounted by a traverse 6 on one side to the vertical posts 5, and on the other hand to the base of the diffusion furnace 7. Racks 5 in turn, are mounted vertically to the floor, ceiling or walls of the room. The platform 2 of the movement mechanism, fixing and moving the console 1, is fixed and moves along the horizontal guides 8. To the platform, the console is mounted on one side of the fixed 3, on the other side of the movable 4 supports to control its position in the vertical plane using the handle 10. The supports are completed with composite rings 9 for mounting the console in suspension so that the fracture loads at the mounting points of the console at the mounting location are minimal.

Загрузка кассет с пластинами происходит вручную или автоматически в вырезанной части консоли.Loading cassettes with plates occurs manually or automatically in the cut out part of the console.

Горизонтальное перемещение механизма с платформой и консолью производится толкателем13, двигающегося по отдельной направляющей 12 с крючком 14, попадающим в отверстие консоли 15 и управляющим блоком электрического двигателя 11.The horizontal movement of the mechanism with the platform and the console is made by a pusher 13 moving along a separate guide 12 with a hook 14 falling into the hole of the console 15 and the control unit of the electric motor 11.

1. Консольное устройство для горизонтальной бесконтактной загрузки полупроводниковых пластин в диффузионную печь, включающее в себя механизм перемещения для крепления консоли, отличающееся тем, что с целью снижения механических нагрузок в месте крепления консоли, платформа расширена, а консоль крепится двумя кольцами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, платформа с консолью перемещается по горизонтальным направляющим с использованием шагового двигателя внешним толкателем в виде крючка, вертикально вводимого в отверстие консоли в момент загрузки и расположенного на расчетном расстоянии с использованием шагового двигателя, обеспечивающего горизонтальное перемещение конструкции.1. A cantilever device for horizontal non-contact loading of semiconductor wafers into a diffusion furnace, including a movement mechanism for mounting the console, characterized in that in order to reduce mechanical stresses in the mounting location of the console, the platform is expanded, and the console is mounted with two rings at a certain distance apart, the platform with the console moves along horizontal guides using a stepper motor with an external pusher in the form of a hook, vertically inserted into the hole TIFA console during boot and is located on the estimated distance by using a stepper motor, which provides the horizontal movement of the structure.

2. Консольное устройство для горизонтальной бесконтактной загрузки полупроводниковых пластин в диффузионную печь по п. 1, отличающаяся тем, что с целью обеспечения удобства загрузки пластин и уменьшения массы, ее конфигурацию изменяют со стороны загрузки и делают в трубе консоли горизонтальный вырез на 1/4-1/3 диаметра с горизонтальным размером близким к длине кассеты с полупроводниковыми пластинами.2. A cantilever device for horizontal non-contact loading of semiconductor wafers into a diffusion furnace according to claim 1, characterized in that in order to ensure the convenience of loading the wafers and to reduce weight, its configuration is changed from the loading side and a horizontal cut is made in the console tube by 1 / 4- 1/3 of the diameter with a horizontal size close to the length of the cassette with semiconductor wafers.

Литература:Literature:

[1] Безконтактная полностью автоматическая система загрузки полупроводниковых пластин кантилеверного типа в составе SVCS диффузионной печи. Материалы 5 международной выставки оборудования. материалов и технологии для полупроводниковой промышленности «Semicon Russia-2014» Каталог.[1] Non-contact fully automatic cantilever-type semiconductor wafer loading system as part of an SVCS diffusion furnace. Materials of the 5th international exhibition of equipment. materials and technologies for the semiconductor industry "Semicon Russia-2014" Catalog.

[2] С.П. Тимошенко. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. М.: Наука, 1971. - С. 670-730[2] S.P. Tymoshenko. Stability of rods, plates and shells. M .: Nauka, 1971. - S. 670-730

[3] Патент ЕР 0148697 A. Sarkozy, Robert R. Modular V-CVD diffusion furnace. Приоритет 16.11.84. Int C1. C23C 16/44).[3] Patent EP 0148697 A. Sarkozy, Robert R. Modular V-CVD diffusion furnace. Priority 11.16.84. Int C1. C23C 16/44).

[4] J.S. Whang, A.F. Wollmann. Patent US 4.543.059. Slotted cantilever diffusion tube system and method and apparatus for loading. Int. C1.4 F27D 3/00; F27B 9/14; F27B 5/02; F27D 5/00. Приоритет 24.09.1985.[4] J.S. Whang, A.F. Wollmann. Patent US 4,543.059. Slotted cantilever diffusion tube system and method and apparatus for loading. Int. C1.4 F27D 3/00; F27B 9/14; F27B 5/02; F27D 5/00. Priority 09.24.1985.

[5] A.F. Wollmann. Patent US 4.526.534. Cantilever diffusion tube apparatus and method. Int. C1.3 F27D 3/00; F27D 7/00; F27B 9/04; F27B 3/22. Приоритет 02.07.1985.[5] A.F. Wollmann. Patent US 4,526,534. Cantilever diffusion tube apparatus and method. Int. C1.3 F27D 3/00; F27D 7/00; F27B 9/04; F27B 3/22. Priority 07/02/1985.

Claims

1. A cantilever device for horizontal non-contact loading of semiconductor wafers into a diffusion furnace, comprising a tubular cantilever for loading cassettes with semiconductor wafers and a horizontally movable console moving mechanism fixed on one side thereof, characterized in that the console moving mechanism is made in the form of a platform, fixed with the possibility of movement along horizontal guides made in the form of cylindrical pipes, which are fixed by a traverse on one side vertical struts, and on the other hand, to the base of the diffusion furnace, and is equipped with a stepper motor, a pusher with a separate guide for moving it and a hook for engaging with the console through the hole made in it, while the console is fixed in suspension with the ability to control the position of the console in a vertical plane by means of a fixed support on one side, a movable support on the other hand, handles and composite rings located at a predetermined distance from each other, which are equipped with Supported supports.

2. The cantilever device according to claim 1, characterized in that in the tubular cantilever on the loading side, a horizontal cutout is made for 1 / 4-1 / 3 of the diameter of the cantilever tube, the size of which corresponds to the length of the cassette with semiconductor plates.