專利名稱：一種黏結硅部件專用的硅和氧化硅復合黏結劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明有關一種具硬化性的硅基黏結劑，詳細來說，本發(fā)明是有關于硅部件的結合，該硅部件用于半導體制造裝置。
背景技術：
批次基材處理一直被使用于制造半導體集成電路和類似的微結構數(shù)組。在批處理中，許多硅晶片和其它種類的基材被一起放置在進程室中的晶片支撐固定器具上并同時進行處理。目前大多數(shù)批處理包含長時間暴露在高溫的步驟，例如在沉積氧化物平坦層或氮化物平坦層，或在對先前的沉積層進行退火時，或對存在層植入摻雜物時。原先使用水平排列的晶片晶舟(wafer boat)，但目前大部份使用垂直排列的晶片塔(wafer tower)作為支撐固定器具，用以支撐許多晶片使其一片的上方還有另一片。
以往，該晶片塔為了能在高溫下運作，最常使用石英制成、或有時使用碳化硅制成。但是，石英及碳化硅經(jīng)證明無法滿足許多先進的制程。先進集成電路可接受的成品率視處理環(huán)境中極低程度的粒子及金屬污染而定。通常該石英塔在經(jīng)過數(shù)循環(huán)后，會產(chǎn)生過量的粒子而必須重整理或丟棄。進一步的，有許多制程需要在高于1000℃或甚至高于1250℃的高溫下進行，石英在如此高的溫度會產(chǎn)生松垂，而碳化硅在遠高于此溫度之下操作時仍可維持其強度。
但是此高溫會活化不純物而從石英或是碳化硅擴散進入半導體硅。有些碳化硅的該類問題可以經(jīng)由涂布一使用化學氣相沉積(CVD)法沉積一燒結的SiC結構其具有薄層SiC表面而得到解決。盡管此處理方法價格昂貴但仍有問題存在，若集成電路具有特征尺寸(features sizes)為0.13μm以及低于此數(shù)值時通常會失敗，這是因為硅晶片會產(chǎn)生滑動缺陷(slip defects)。一般認為此滑動是當開始熱處理時，因為硅晶片與不同材質(zhì)硅晶片支撐塔的熱膨脹系數(shù)不同所造成。
借助使用硅塔已解決了許多此類問題，特別是此類由初始聚硅(virginpolysilicon)所制成的硅塔，Boyle等人在美國專利6450346中有詳細、完整地敘述。圖1顯示了一硅塔10的正投影視圖，含有三或更多硅腳12，其端部結合于二硅基座14。每一腳12被切割有狹長孔而形成朝內(nèi)突出、稍朝上傾斜數(shù)度的齒狀物16，在該齒狀物16的內(nèi)側末端20具有水平支撐面18。數(shù)個晶片22只有其中之一被顯示，其沿著塔10中心線的平行方向由支撐面18所支撐。為適應非常高溫的處理，最好具有四個腳12，其支撐面18具有方形圖案，其位置在由中心起始的晶片半徑0.707處。
若腳12由初始聚硅加工而形成，可以得到優(yōu)良效果，該初始聚硅是經(jīng)過化學氣相沉積法沉積氣體先驅物(precursor)而形成，該先驅物典型為硅烷(SiH4)或氯硅烷(SiClH3、SiCl2H2、SiCl3H、或SiCl4)。初始聚硅是用于柴氏長晶法(Czochralski growth)制造硅塊(silicon ingots)的先驅物，而晶片是由硅塊切片而成，其具有極低的不純物。雖然基座14的材料最好為初始聚硅(virgin polysilicon)，但是通常無法得到如此大的尺寸，可以用柴氏或鑄造硅來代替。因為基座14并未接觸到晶片22，此類較高不純物水平的影響性較小。
特別地，從初始聚硅制造一硅塔需要數(shù)個分開步驟，其中一個步驟是把已加工的腳12結合到基座14。圖2為榫孔24(mortise hole)的概略圖，其一端不通為佳，但也可以貫穿，其是對每一基座14加工進入而成，具有與腳12末端26對應的形狀但稍微大一些。Boyle等人贊同使用旋涂玻璃(SoG)其使用醇類或其它類似物稀釋。該SOG使用在構件的一或兩者的接合區(qū)域，將此構件組裝后，在600℃或更高的溫度下進行退火，以便將在該構件間接縫內(nèi)的SOG玻璃化。
因為SOG被廣泛地使用于半導體工業(yè)，用來形成薄介電層內(nèi)層，所以可以在市面用較低的費用取得，并且能具有相當高的純度。SOG是一專利權已過期的商品，廣泛地被使用于半導體制造，用于在集成電路上形成硅酸鹽玻璃層。商業(yè)上的供貨商包含Allied Signal、Flimtronics of Butler、Pennsylvania、及Dow Corning等。SOG先驅物包含一或多種化學品，該化學品含有硅與氧二者以及氫并且還可以含有其它成分，比如原硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate，TEOS)或其修改物，一有機硅烷如硅氧烷或三氧化二硅。當使用于黏結劑時，SOG最好不含硼或磷，當SOG在半導體集成電路上被用來形成層時，有時會含有摻合物。
該含有硅和氧的化學品，被溶解在一揮發(fā)性液狀載體中，例如醇類、甲異丁酮、或一揮發(fā)性甲基硅氧烷混合物。該SOG先驅物的作用是作為二氧化硅交聯(lián)劑，在其中先驅物產(chǎn)生化學反應，特別是在高溫度情況下，會形成一具有接近SiO2結構的二氧化硅網(wǎng)。
被認為是該處理所產(chǎn)生的結構如圖3所顯示，其為一非常概略的剖面圖。二硅構件30、32被一空隙34隔開，該空隙34的厚度約為50μm(2mils)。圖2中該腳12的該末端26至少可以滑動安裝進入該榫孔24而該空隙34的厚度代表該腳12與該基座14的平均間隔。該空隙厚度不容易進一步地減小，因為該機械加工需要形成復雜形狀來確保校準，并考慮到被安裝的構件會有一些彎曲而需要精確地校準支撐面和其它部件。在安裝該二構件12、14之前SOG被涂布在配對表面的至少其中之一上，而該SOG充填圖3中的空隙34，接著，進行熟化及玻璃化退火，該圖非常簡單的顯示了該SOG所形成的硅酸鹽玻璃36其是硅和氧原子及其鍵結的三維網(wǎng)狀結構。注意該硅-氧鍵長度大約為1納米，與其比較，空隙(gap)長度有數(shù)十微米。該硅酸鹽玻璃36可稱為硅土，其具有近似于二氧化硅(SiO2)的結構，形成一不定形固體，其大部分的硅原子鍵結四個氧原子，大部分氧原子鍵結兩個硅原子。該圖顯示了在硅表面38、40氧原子鍵結于硅構件30、32內(nèi)的硅原子。
但實際上其結構更為復雜，因為硅構件30、32在其表面38、40可能具有一薄狀天然氧化物層，為Si02。該玻璃化退火重新排列一些該氧化物鍵，使其鍵結至硅酸鹽玻璃36中的氧或硅原子。
由此方法所制造的硅塔，具有一些優(yōu)良的應用性能，然而，該鍵結構特別是該鍵材料仍然有過量污染的可能，尤其是重金屬。根據(jù)經(jīng)驗，在非常高溫的條件下使用或清理硅塔，有時候會高于1300℃，可能使污染更為嚴重。重金屬可能來源于填有該相當大量的SOG的結合構件的結合處。當用于制造半導體時，硅氧烷SOG通常是在約400℃熟化，而該生成玻璃通常并不曝露在高溫氯中。在熟化SOG黏結劑時，有可能會用很高的溫度而從SOG中抽出少量但是仍具有相當量的重金屬不純物。
再進一步講，使用SOG黏結劑來黏結結合處并未被證實可以達到希望的強度。在循環(huán)過程和高溫中，支撐塔容易受到大量熱應力，并且在長期的使用中可能偶而會有機械沖擊，因而非常期待結合處不要成為支撐塔壽命的決定因素。

發(fā)明內(nèi)容
兩部件，特別是硅結構構件可以使用黏結劑結合，該黏結劑含有硅粉末，該硅粉末被含在二氧化硅交聯(lián)劑當中，當在高溫下退火時該黏結劑會形成二氧化硅或其它硅酸鹽玻璃。本發(fā)明便于制造一基材支撐塔或使用在半導體制程反應器中的其它部件。
在一具體實施例中，該硅粉末是由初始聚硅經(jīng)由碾磨或其它方式所形成。在另外一具體實施例中，該硅粉末是經(jīng)由化學氣相沉積(CVD)制程生長成為非常小的顆粒。碾磨粉末的顆粒尺寸最好小于100μm，最好為1-50μm。該CVD粉末也可具有更小的尺寸，例如，通常來說，球狀的尺寸小于100nm，如分布尖鋒在15和25nm之間的。
該交聯(lián)劑可以使用旋涂玻璃，其在半導體制造中用來形成半導體氧化物介電層?？梢蕴砑友泳弰﹣斫档宛そY劑在室溫的凝結速度。便利地，該CVD粉末不必添加延緩劑。該混合物被使用在該接合區(qū)域，該構件被安裝，而此結構是在一足以形成硅-氧網(wǎng)狀結構的溫度下進行退火，該退火溫度通常高于400℃。當碾磨硅粉末被用來形成支撐晶片的支撐固定器或其它的制程設備時，該退火溫度最好為1200℃以上，1300℃以上更好。但是，CVD粉末可以在1100℃或更低溫度下進行退火。
也可以使用其它的二氧化硅交聯(lián)劑。
納米硅粉末有助于設計支撐塔其具有腳并且在基座上具有相適應的榫孔，該榫孔的形狀是離開一較狹窄末端的另一側具有拱形背部，在此處，腳的末端可以緊密地裝入榫孔當中。
這種硅/二氧化硅復合物黏結劑，可以方便地用于將較小硅片段結合形成較大部件，例如，可以將數(shù)個條狀物結合形成板狀物或是將在桶內(nèi)的多數(shù)棒狀物結合形成筒狀物。
本發(fā)明包含結合結構和使用于結合處的黏結劑。
下面配合附圖和具體實施例對本發(fā)明的特征作詳細說明，但不作為對本發(fā)明的限定。


圖1為硅晶片塔的正投影視圖；圖2為塔的二構件及其如何結合的正投影視圖；圖3為由旋涂玻璃結合在一起的二硅構件的示意圖(其為使用于公知技術)；圖4為由硅顆粒和旋涂玻璃的發(fā)明復合物結合在一起的二硅構件示意圖；圖5為納米-硅顆粒的顆粒粒徑分布圖；圖6、7為二腳形狀的軸方向的剖面圖；圖8為由較小硅條狀物形成較大硅片狀物的平面圖。
其中，附圖標記10 塔 12 腳14 基座 16 齒狀物18 支撐面 20 內(nèi)側末端22 硅晶片 24 榫孔26 末端 30 硅部件32 硅部件 34 空隙36 硅酸鹽玻璃 38 硅表面40 硅表面 50 腳52 拱形末端 54 傾斜直邊56 傾斜直邊 58 拱形背面60 中間平面 70 改良腳72 第2筆直部位 74 第二筆直部位76 拱形背面 80 硅條狀物82 接縫具體實施方式
二氧化硅黏結劑的純度，特別是使用于結合硅結構構件時，可以借助將硅粉末埋入二氧化硅基質(zhì)中而到改善。該粉末通常是由硅結晶所組成，結果大量減少的二氧化硅鍵其不僅鍵結至硅結構構件上而且鍵結至硅粉末上。初始聚硅(virgin poly)的高純度是眾所周知的，這也是其被用作晶片塔結構的理由之一。使用碾磨的初始聚硅當作黏結劑的一部分用以結合硅塔部件也是非常方便的?；蛘?，借助例如化學氣相沉積法直接生成硅粉顆粒。
在本發(fā)明一具體實施例中，將初始聚硅研磨或碾磨成細粉末，MEMC有供應初始聚硅碾磨粉末的三種尺寸規(guī)格1μm以下、1~75μm、75~125μm。最大的尺寸對于通常的結合處太大，最小的尺寸雖然可以使用，但是二氧化硅的大量熱函(enthalpy)會導致如此微小的硅粉末爆炸。該中等尺寸仍然保有一些對結合處而言太大的顆粒。盡管如此，可以將一大尺寸粉末在使用前加以研磨，最好使用一硅研磨棒及硅粉碎機。估計研磨后的顆粒尺寸可以小于325篩眼(mesh)，其最大徑粒約小約75μm，這樣的尺寸適合空隙的尺寸。
將該硅粉末與例如旋涂玻璃(SOG)等硅二氧化硅交聯(lián)劑混合形成低黏度液體，該混合物要至少能夠流動才可以。該“流動(flow)”是廣義地指對其施加力量或壓力時，可以變形填入一空間，最好能形成一連續(xù)中間物，例如液體、泥漿或是觸變分散體，而且最好還能夠黏貼在潮濕的兩表面。通常的比例是三份碾磨的硅粉末和一份交聯(lián)劑。該液體施加于要結合的兩硅部件接合面的至少其中一面并潤濕?？梢允褂靡凰芰系秮韺?shù)滴涂抹在結合處。具有微量重金屬的用具或容器應避免使用。該硅部件在結合之前不可凹凸不平或使其氧化。
接著將該硅部件30、32組裝并加以退火來產(chǎn)生如圖4所示的一般結構，其中硅微晶44以不規(guī)則形狀填入該部件30、32間空隙34中相當大的部分。一由二氧化硅交聯(lián)劑所形成的硅酸鹽玻璃46與硅微晶44互相鍵結并鍵結至硅部件30、32。另外，該圖沒有依比例繪示，因為硅微晶44具有的尺寸是數(shù)十微米等級，但是硅-氧鍵是1納米等級。此外，該硅微晶44很可能互相接觸而以二氧化硅玻璃基質(zhì)46充填間隙。
硅粉末和二氧化硅的復合物有一些優(yōu)點。因為碾磨的硅粉末可以由初始聚硅形成，所以純度水平很高。因為硅粉末形成最終固體的大部分，有時甚至高達90％，該比例以外所剩余的SOG玻璃所占的比例就小多了，通常為11％或更少，發(fā)現(xiàn)二氧化硅的含量7％就夠了。另外，在結合處的黏結劑的有效熱膨脹系數(shù)主要是由硅顆粒來決定，結果，硅結構構件和結合處之間的熱膨脹差異減小。更進一步地，硅結構構件之間的結合處的厚度，通常比半導體微米厚度的介電層要厚很多，商業(yè)化發(fā)展出適合該介電層的SOG，若使用此SOG來作為黏結劑，其厚度比所希望的要厚許多。當在基質(zhì)中含有該硅粉末時，可以使平均二氧化硅厚度有效地降低而較接近半導體水平數(shù)值。
實施例1，一旋涂玻璃可使用Fox17(Dow Chemical制，固體成分含量22％)，將其與碾磨的初始聚硅粉末混合并將此混合物涂布在未氧化的硅試料上。結合良好，但是此混合物凝固時間只有幾分鐘，使用于組裝硅塔太過倉促，因為其需要小心地用夾具固定在退火爐中來使部件達成正確的校準。
實施例2，使用松油作為延緩劑來減慢初始凝固速度。松油可采用市售Yarmor(注冊商標)302松油(Hercules制)，其含有至少85％品醇及極少量的水。其可以溶解在有機溶劑但溶解性遠小于水。該水的體積含量低于1％。準備一Fox17和松油的50∶50混合物。將此混合物與碾磨的硅粉末混合并施加在未氧化硅試料間的結合處，大約在2-3小時后凝固，此時間足夠用來安裝。在1200℃退火4小時，其產(chǎn)生的鍵比硅結構構材強。以更高一些的退火溫度，最好至少1300℃。通常的退火順序是6小時升溫、3小時維溫、3小時降溫。旋涂玻璃液體和碾磨的初始聚硅粉末都必須相當新鮮。
實施例3，使用另外一旋涂玻璃512B(Honeywell制)，其通常用于半導體制造，替代前例中的Fox17，雖然使用512B的凝固比Fox17快，但可以得到類似的結果。
實施例4，烯醇是松油的一純化型，其化學組成為C10H17OH，有三種異構物型式?？梢允褂肨erpineol 318上等烯醇(Hercules制)其含有98％叔醇(tertiary alcohol)及低于0.6％的水分，其重金屬被認為低于約1ppm。準備一膠狀溶膠其重量份比例為1∶0.5∶3，分別為Fox17SOG先驅物、烯醇和碾磨的硅粉末。預期該混合物可以制得含7.5％二氧化硅和92.5％硅的一具硬化性復合物。將該混合物施加于硅試樣，加以結合并退火。在一次試驗中，該退火順序包含一升溫至約100℃而后自然冷卻。盡管只進行了如此短時、低溫度的退火，但是試樣結合一樣很堅固。
實施例5，進行評估二種液體膠狀二氧化硅溶膠。Fujimi HP20為一種含有17.5％二氧化硅固體成分的膠狀溶膠。Syton HT 50為一水中懸浮的二氧化硅膠狀溶膠，被用作水磨光化合物，其含有50％的二氧化硅。該膠狀溶膠黏結劑也會產(chǎn)生化學反應而形成硅酸鹽玻璃。因為該凝膠體為堿性、pH約為10.6，二氧化硅粉碎粒的表面水解成Si-OH，接著交聯(lián)成為二氧化硅網(wǎng)狀結構Si-O-Si。
將各膠狀二氧化硅凝膠體與碾磨的硅粉末混合。當施加于未氧化的硅試料時，在1200℃短時間退火后各混合物都具有非常強的結合。但是，在室溫時二者的凝固時間都低于30分鐘，未使用延緩劑時都是在可接受時間的邊緣值。
黏結劑的一重要特征為二硅構件間的結合強度。已有一種測試方法。通常要準備具有橫向尺寸約為1公分的二長方形硅棒，其具有經(jīng)由平滑加工處理過的平坦末端，該平坦末端的表面粗糙度約為32微英時(0.8μm)。將該復合黏結劑施加在該末端并加壓在一起進行退火。接著扭轉該二硅棒直至破裂。當用手加以扭轉時大部份上述使用25μm聚硅粉末的試料都會破裂，其相當轉矩(torque)低于100lb/cm(445Nt/cm)。高于此轉矩水平時，須使用一能夠更好定量的方法，其為夾住已結合構件的其中一構件，而在另一構件的距結合處一定距離處施加一已知力，該另一構件被懸臂支撐著。該強度為此結構所能接受的邊緣。
該結合強度問題之一，相信是25μm粉末無法滲入較小尺寸的不規(guī)則表面所造成，例如，以0.8μm平滑處理過的表面。試圖研磨聚硅粉末使其尺寸更微細，其可以通過500篩眼的粉末，但卻不能通過800篩眼。這意謂著碾磨尺寸最小約為20μm。結果，相信只有加工表面的突出部位才能夠緊密結合大硅顆粒。
一微細硅粉末的替換型式是在氫氣存在的情況下由超純硅烷所形成。初始聚硅塊是由一類似CVD步驟但使用一熱種晶棒(hot seed rod)來長晶成為塊狀(ingot)所形成，而熱活性化使硅烷先驅物分解。此步驟若沒有種晶時會形成硅顆粒，其通常為球狀，當形成的微晶硅具有理想的八小平面形狀時，可能會更具有特色?？梢允褂枚徊胬咨涔鈦砉狢VD的活性化能量。商業(yè)上，該CVD硅粉末可以使用NanoSi(商標)聚硅(Advanced Silicon Materials LLC ofSilver Bow，Montana)，該顆粒尺寸分布如圖5所示，其至少有99％之CVD顆粒粒徑小于100nm，至少有90％的CVD顆粒其粒徑小于50nm，中間尺寸位于10~25nm。結果該微細硅粉末可以用納米顆?；蚣{米硅來形容。依照廠商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)報告，處理這樣微細的粉末必須小心，因為其易爆炸的性質(zhì)和可能被使用者吸入造成醫(yī)學上的影響。直接形成硅顆粒的替代性的方法包含有使用規(guī)律性雷射切割初始硅棒。
如此微細的球狀粉末可以提供每單位體積或每單位重量同時都很大的表面，而且可以很容易提供25nm顆粒其具有800nm表面粗糙度者。當被用在SOG復合物黏結劑時，小硅顆粒只能提供小的SOG結合強度。
實施例6，該納米硅是以處方3∶1∶1分別為Fox17∶硅粉末∶烯醇來替代上述所提到處方之一其中的碾磨硅粉末。試驗顯示其強度明顯比使用碾磨硅粉末高。該黏結劑在室溫的凝固時間似乎比較長并可以在較低退火溫度熟化。該結合處破裂時呈現(xiàn)灰白色，與使用研碾硅粉末時呈現(xiàn)的黑色不同。
實施例7，由于使用納米硅粉末的正面傾向而進行另外一系列的試驗，其使用處方FOx和納米硅粉末的比例為3∶1，即沒有烯醇和其它延緩劑65。發(fā)現(xiàn)該黏結劑的凝固時間約為15分鐘，明顯地超過使用碾磨硅而未使用延緩劑時的5分鐘。該15分鐘的凝固時間被認為可足夠用來組裝和校準一構件。該黏結劑在空氣中1100℃退火15至20小時。該熟化后黏結劑的最后組成，估計重量百分比為硅60％和SiO240％，雖然此時的局部化學組成仍不清楚。
制造六種試驗結構并測試其結合強度。其中五種試驗結構包含成對的初始聚硅條狀物或長方形棒。該破裂強度分別以170、374、417、561和714lb/cm測試，檢查該棒末端的破裂結合處，顯示全部五種初始聚硅結構相當均勻且具有光滑灰色的表面，該表面的角落處帶有可能碎片狀的區(qū)域顯示該下面的硅裂開而非出自鍵的關系。發(fā)現(xiàn)最脆弱的結構含有一突起物其搭配有一橫越該結合處的對應特征，且該特征具有可能為100微米的尺寸。相信是該突起物妨礙其它鄰近平滑表面的緊密結合，此種情形是黏結劑太厚所造成的。第六種試驗結構含有一初始硅棒和一微晶柴氏硅棒(Czochralski rod)，該破裂強度為680lb/cm。該破裂結合處顯示該下面微晶材料破裂其位于柴氏硅棒的裂開平面，而該黏結劑并沒有破裂。
相信該等結果顯示一優(yōu)良結合是建構于以下的機構。不使用烯醇可以免除污染來源。該非常小的硅顆粒使該黏結劑可以滲入該普通粗糙硅表而與大部分的結合界面結合。進一步地，該二硅構件在結合及熟化步驟時相互之間可以被壓得非常緊。結果，整體黏結劑的厚度減少，可以增加結合強度。該納米顆粒具有一非常高的硅體積對表面積比，因而該硅可以充分與二氧化硅交聯(lián)劑反應。進而，該減少黏結劑量可以減少部分可能來自SOG的污染。該較低的退火溫度1100℃被認為比1300℃優(yōu)良，有幾下幾個理由1300℃通常用于采用碾磨硅粉末的復合物黏結劑。在低溫時退火爐的金屬部分較不易老化，所發(fā)射出的污染也較少。退火爐通常使用石英內(nèi)襯，在較高溫度時會發(fā)射出高程度污染，且容易變松弛。一些試驗顯示若將退火溫度由1300℃降低至1000℃時，鐵污染可以縮減約100倍。
該熟化后的SOG與硅納米顆粒黏結劑的性質(zhì)尚未清楚確定，依納米硅粉末的制品文獻所示，其具有氧含量約2.5wt％，相當于大約可以覆蓋該20nm硅納米顆粒的原子層，此一在黏結劑熟化前形成的覆蓋，其特征為具有SiOx化學組成，其中x的范圍為0.5-2。對SOG進行熟化可能使表面氧和SOG氧滲入納米顆粒。結果，該具硬化性復合物的主要化學組成可能系SiOx，在許多情況下，發(fā)現(xiàn)二氧化硅比硅微晶強度更高。
在黏結劑中使用硅納米顆粒允許大型結構進行自行修正。公知的塔腳如圖1和圖2所示，具有平坦的背面，相信可以在大區(qū)域范圍具有較好的結合，但是，該尖銳形狀結構的機械強度比平滑形狀結構差。圖6顯示了一改良式腳50的軸方向剖面圖，其前側具有一狹窄拱形末端52。在腳50的支撐部位加工有支撐齒狀物(圖中未示)，腳50的支撐部位位于未加工末端之間，該未加工末端插入基座的榫孔具有腱的作用。支撐區(qū)域的狹窄末端52加工成齒狀物。該拱形末端52為切線連接至二傾斜直邊54、56，該二直邊為互相以5-20度朝背側逐漸變寬。一寬拱形背面58為切線連接至該二傾斜邊54、56，和一連續(xù)曲線橫越腳50的中間平面60。以圓形為佳，其在本實施例延伸超過180度。該顯示形狀安裝進入相適應的硅基座榫孔，可以使用本發(fā)明的復合物黏結劑與底坐結合。使用納米硅粉末時，只要將非常薄層黏結劑填入孔隙中，該拱背面58即能夠緊密地裝入基座榫孔的相適應部位。
圖7顯示了第二實施例的一改良腳70的軸方向剖面圖，其和圖6類似，除了該第二筆直部位72、74非常平順地連接至該傾斜直邊54、56，并切線連接至一拱形背面76，其尺寸比圖6的背面58小一些，但是仍然連續(xù)彎曲地橫越中間平面60。當背面76為圓狀其延伸180度時，第二筆直部位72、74最好為互相平行。在每一具體實施例中，可能具有形狀更為復雜的拱形部位52、58、76，特別是狹窄末端52。
當納米硅復合物黏結劑使腳狀物緊密裝入榫孔中時，該彎曲背面58、76可以改善機械形狀。
本發(fā)明可以擴展至只有部份成分為SiO2的硅酸鹽類似氧化物，例如苯并環(huán)丁烯(BCB)其由Cyclotene(注冊商標)3022-63(Dorn Corning制)形成，Cyclotene 3022-63用以形成low-k介電體。在某些形式，聚合的BCB形成和硅氧烷的三維網(wǎng)狀結構，其具有一Si-O-Si單元，可以承受非常高的溫度。
雖然該硅/二氧化硅復合物黏結劑可以減少污染，從外部使用等離子離(plasma)噴撒一層硅，可以將該含二氧化硅黏結劑完全密封，如Boyle et al.2003年6月24日U.S Patent Application 10/602,299所提出的，其中有提及相關整體。一CVD密封層也是十分有效的，但是其較難使用于較大的構件。
在半導體制造中，旋涂玻璃通常被加熱至200℃以便蒸發(fā)其中的溶劑，之后在400℃下熟化來形成二氧化硅網(wǎng)狀結構。該溫度可以用結合硅部件。較高的溫度1000℃或至少1200℃更好，可以確保二氧化硅網(wǎng)狀結構在橫跨更大范圍形成，且能夠更充分的與下面的硅或二氧化硅反應。供高溫步驟使用的塔，例如高于1250℃時，建議使用該溫度或更高的溫度對結合層進行退火。當使用碾磨硅粉末時，發(fā)現(xiàn)1300℃退火時組裝硅部件具有好而堅固的結合處。但是使用納米硅粉末時，在只有1100℃時，就可以得到更好的結果，使用納米硅甚至可以在更低溫度進行退火，相信900℃是一合理的較低退火溫度限度，特別對合理退火時間而言。但是，若可以增加退火時間，甚至可以在更低溫度下進行退火。
該發(fā)明被使用在氧化及未氧化的硅部件，二者所產(chǎn)生的效果都很好。
上述該SOG的典型二氧化硅交聯(lián)，其特微為，基本上含有由Si-O-Si鍵結的硅和氧。眾多材料種類能夠形成硅酸鹽且類似玻璃均都含有硅(silicon)材料，該含有硅材料的泛用種類為Si-O-R，此處的R為一有機官能團，硅最常被用作潤滑劑。
本發(fā)明的該結合不限于初始聚硅部件，可以結合不同型式的硅。例如，圖1的塔為含有一初始聚硅腳和柴氏或鑄造硅基座的結合。當使用非硅但含有硅的物質(zhì)時，該結合步驟也是很方便的，例如，石英、碳化硅、及硅浸漬碳化硅。但是，一硅部件除非有特別規(guī)定，否則含有非硅元素的重量百分比不會超過5％。
雖然碾磨初始硅粉末或CVD納米硅能提供高純度水平，但是若考慮限制量，也可以使用其它型式的硅粉末，主要是使用于密閉空間和距離組裝塔上的被支撐晶片的較遠處。但是，硅粉末所具有的不純物質(zhì)水平最好低于1ppm且應盡可能去除堿及重金屬。硅粉末的最大尺寸，必須小于空隙的通稱尺寸(nominal size)，其通常低于100μm，最常見的數(shù)值為50μm或再低一些。占有該粉末至少一半的最小尺寸，必須足以產(chǎn)生一相對較高的體積對表面積比。例如至少為5μm，最好為10μm。過量太小的顆粒必須小心處理，避免著火或是爆炸。
該硅粉末對該二氧化硅所形成的液體比例，可以借助試驗來決定。重量比例為1∶4至4∶1是合理范圍。雖然該二氧化硅和未反應的硅的體積百分比最好較低，但在50％或更高數(shù)值時，可以顯現(xiàn)出本發(fā)明的好處。特別是大量碾磨硅粉末，該硅粉末體積必須大于50％，最好大于85％。
在本發(fā)明中，延緩劑并不是絕對的，只要二氧化硅/硅復合物不會凝固得太快。若需要時，延緩劑不做限定，可使用松油或是烯醇。延緩劑主要作用是稀釋SOG二氧化硅交聯(lián)劑，其它醇類可用來替代烯醇。任何水分都會加速初期凝固，因此最好使用不溶水的溶劑，但不是必須使用，多羥基醇例如乙二醇和甘油也可以用來替代，盡管其會溶于水。進一步地，該溶劑高于室溫時必須會揮發(fā)，但低于該溫度時SOG熟化，對于許多市售SOGs通常在400℃。形成液體的二氧化硅交聯(lián)劑對延緩劑的比例，依交聯(lián)劑和延緩劑的種類決定，對旋涂玻璃而言，重量比例為1∶2至2∶1，確?？梢允褂?。
本發(fā)明如前述硅塔相關內(nèi)容所述，但其他結構也可享有本發(fā)明的好處，硅晶舟也有類似的需要，半導體制造制程室的其它部件可享有使用硅部件的好處，該制程室的壁面，通常具有較大的尺寸，應用本發(fā)明時可以使用較小的次部件來制造這些部件。
特別指出，含有納米硅粉末的復合物黏結劑可以方便的使用，來結合更小的硅組件形成幾乎無縫的大組件。例如圖1的基座14，其具有超過目前所能得到初始聚硅的尺寸。但是，如圖8所示的平面圖，數(shù)個小長形硅棒狀物80沿著各自中心線延伸，其側面與鄰接構件80之間并列著填入有硅/二氧化硅復合物黏結劑的接縫82。使用一單夾緊機構可以一次將全部構件80黏附在一起來減小接縫82的空隙。硅構件的相向側可加以磨光，以便進一步地減小接縫空隙的尺寸。該條狀物可以堆棧成二因次排列來形成一較厚物體，組裝后至少部分熟化，該結構由退火來熟化SOG，熟化后，該構件80被緊密、強固地互相結合在一起。之后，此結構可以被加工成所需要的形狀，例如，一個具有中央開口及腳用榫孔的基座。另外一種形狀，例如蝕刻反應器的蓮蓬頭其通常具有圓狀及大數(shù)量的軸方向蓮蓬頭噴口等，都包含在本發(fā)明之中。特別是，通過將硅棒狀物結合在一起，使用本發(fā)明該黏結劑可以形成硅筒狀物，如Zehavi etal.2001年9月26日提出U.S Patent Application 09/965,106，目前已放棄而改支持2003年8月15日所提出U.S Patent Application 10/642,013，其中有提及相關整體。該技術詳細書已公開，如International PublicationNo.WO 02/095807 A2。較小的筒狀物，例如注射器，可以通過將加工過的二半截硅筒結合在一起而形成。
因此，本發(fā)明可使硅部件，特別是非常高純度的，被結合而形成具有高強度并含有極小量不純物的結構。該方法使用一般普通材料且實施容易并具有經(jīng)濟性。
當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種沿著兩硅部件的各自結合區(qū)域以結合兩硅部件的方法，其特征在于，至少包含以下步驟提供一可流動混合物，其由硅粉末和二氧化硅交聯(lián)劑所組成；將該可流動混合物施加到至少一個該結合區(qū)域上；并排該兩硅部件的各自的結合區(qū)域來組裝該兩硅部件；及將該被組裝的兩硅部件在一足以轉化該二氧化硅交聯(lián)劑為二氧化硅網(wǎng)狀結構的退火溫度下進行退火。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，該退火溫度至少400℃。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，該退火溫度在900℃至1100℃之間。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，該退火溫度至少1200℃。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，該退火溫度至少1300℃。
6.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該硅粉末含有初始聚硅。
7.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該硅粉末的尺寸小于100μm。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，該尺寸介于1~50μm之間。
9.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該硅粉末尺寸分布的中間尺寸值介于10nm和25nm之間。
10.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該硅粉末的尺寸分布為至少99％的顆粒尺寸小于100nm。
11.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該硅粉末借由CVD步驟形成硅顆粒。
12.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該二氧化硅交聯(lián)劑包含有一含硅物質(zhì)。
13.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該二氧化硅交聯(lián)劑包含一旋涂玻璃。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，該可流動混合物由該旋涂玻璃和該硅粉末構成。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，該硅粉末的尺寸分布為至少99％的顆粒尺寸小于100nm。
16.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該可流動混合物還包含一延緩劑，用以降低該硅交聯(lián)劑在室溫下的凝固速度。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，該二氧化硅交聯(lián)劑包含一旋涂玻璃和該延緩劑，該延緩劑含有醇其含水量低于1％。
18.根據(jù)權利要求1至權利要求5任一項所述的方法，其特征在于，該部件形成一晶片支撐固定器具。
19.一種結合的硅組件，其特征在于，至少包含至少兩硅部件，其隔著各自結合區(qū)域的各自空隙并排；及一復合物，其可交聯(lián)該空隙，該復合物含有尺寸小于100μm的硅微晶并且被埋入二氧化硅基質(zhì)中。
20.根據(jù)權利要求19所述的結合的硅組件，其特征在于，該微晶的尺寸分布為至少99％的顆粒尺寸小于100nm。
21.根據(jù)權利要求19和權利要求20任一項所述的結合的硅組件，其特征在于，是建構成一可支撐一平行方向的數(shù)個基材的支撐固定器具，該數(shù)個基材沿著該固定器具中心線間隔放置。
22.一種基材支撐固定器具，其特征在于，至少包含數(shù)個硅腳，其包括齒狀物，用來支撐一平行方向的數(shù)個基材；兩硅基座，其結合至橫越各自結合處間的該腳相反末端，各自結合處具有各自的空隙其位于各自基座之一和各自該腳之一之間；尺寸小于100nm的硅微晶至少占有該空隙的50％；及二氧化硅網(wǎng)狀結構，位于每一個該空隙中，并結合該硅微晶、該腳以及該基座。
23.根據(jù)權利要求22所述的基材支撐固定器具，其特征在于，該尺寸介于1um到75um之間。
24.根據(jù)權利要求22所述的基材支撐固定器具，其特征在于，硅微晶的尺寸分布為至少99％的顆粒尺寸小于100nm。
25.根據(jù)權利要求22至權利要求24任一項所述的固定器具，其特征在于，該腳含有一拱形背面?zhèn)龋湮挥谥卧摶牡脑擙X狀物末端的相反側。
26.一種用以結合兩部件的黏結劑，其特征在于，至少包含一室溫使用溫度下可以流動的混合物，包括硅顆粒，其尺寸小于100μm；及一種二氧化硅交聯(lián)劑，其中該顆粒被分散在該二氧化硅交聯(lián)劑中，且該二氧化硅交聯(lián)劑在一高于該使用溫度的高溫下會進行化學反應形成二氧化硅網(wǎng)狀結構。
27.根據(jù)權利要求26所述的黏結劑，其特征在于，該二氧化硅交聯(lián)劑為含有硅的物質(zhì)。
28.根據(jù)權利要求26所述的黏結劑，其特征在于，該二氧化硅交聯(lián)劑為一旋涂玻璃。
29.根據(jù)權利要求26至權利要求28任一項所述的黏結劑，其特征在于，至少99％的該顆粒尺寸小于100nm。
30.根據(jù)權利要求26至權利要求28任一項所述的黏結劑，其特征在于，該顆粒尺寸分布的中間尺寸值介于10nm到25nm之間。
31.一種硅支撐塔，其特征在于，至少包含兩硅基座；及至少三硅腳，其結合至該基座，每一該硅腳在前側含有數(shù)個齒狀物其具有支撐表面，用來支撐一平行方向的數(shù)個基材，其背側符合在該基座中所形成的拱形表面，該拱形表面位于該齒狀物的中央平面位置。
32.根據(jù)權利要求31所述的黏結劑，其特征在于，還包含一硅和二氧化硅復合物，其可結合該基座和該腳。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結合兩硅部件(30、32)的方法、使用于此方法的該黏結劑(44、46)、以及該結合制品，特別是一種硅塔(10)，用以支撐數(shù)個硅晶片(22)。調(diào)制一能夠流動的黏結劑，其含有粒徑小于100μm、最好小于100nm的硅顆粒(44)和二氧化硅交聯(lián)劑，例如旋涂玻璃(spin－on glass)，其可形成硅酸鹽玻璃(46)。尺寸約20nm的納米硅微晶可以使用CVD來形成。較大顆粒可由碾磨初始聚硅得到。必要時，可以添加如品醇等比重大、不溶于水的醇類作為延緩劑，以降低黏結劑在室溫的凝結速度。該混合物應用于結合部位。組裝該硅部件并在足夠連接二氧化硅的溫度下進行退火，若是納米硅，最好為900℃~1000℃，經(jīng)碾磨的硅須要更高的溫度。
文檔編號H01L21/673GK1774817SQ200480010298
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月22日 優(yōu)先權日2003年4月23日
發(fā)明者詹姆斯·E·包義森, 拉阿南·柴海威, 阿蒙·查澤爾 申請人:統(tǒng)合材料股份有限公司