CN103194802B - 晶棒表面之调质方法及其晶棒 - Google Patents

Abstract

一种晶棒表面之调质方法，包含以下步骤：步骤一：提供一晶棒，并以一盖体罩盖该晶棒；步骤二：利用一加热单元将该晶棒加热至一预定温度并持温一段时间；及步骤三进行一冷却步骤，以将该晶棒冷却；其中，该盖体至少具有一部分的透明区域，使该加热单元的热辐射透过该透明区域而对该晶棒进行加热，藉此，晶棒表面的损伤层可藉由此一退火制程而加以消除。

Description

晶棒表面之调质方法及其晶棒

一、技术领域

一种调质方法，尤指一种针对晶棒表面进行改质的调质设备及其晶棒。

二、背景技术

晶棒在机械加工的过程中会由于所受到的机械切削力量，进而产生晶棒表面的损伤层，而损伤层对于单晶棒或多晶棒而言属于排列较为混乱而无秩序的部分；同样地，晶圆在钻石轮磨的过程中会由于切削力及热冲击，进而产生晶圆内之残留应力，而残留应力会造成晶圆表面凸起或凹下等现象；这种现象将增加后续加工过程的困难，如在后续加工时会因残留应力过大而造成硅晶圆表面破裂，或因表面凸起或凹下导致加工后平坦度变差。

退火是治金材料制程中常见之一种制程技术，其主要目的是消除材料(尤其是金属材料)中因缺陷而累积之内应力。退火使用的方法则是将欲进行退火之材料置于适当高温下一段时间，利用热能使材料内原子有能力进行晶格位置的重排，以降低材料内的缺陷密度，包括晶粒界面、差排及各种点缺陷。一种所熟知的技术称做快速热退火制程(rapidthermal annealing，RTP)，其于加工期间大量地减少了半导体组件暴露在高温下的时间。传统的快速热加工技术可包括以足够的能量照射晶圆，用以快速地升高晶圆的温度并维持在该温度一段足够长的时间使能顺利地完成制程。

但以现有技术而言，目前的退火炉均是针对薄片状的晶圆所设计，由于热量的传递对于晶圆与晶棒而言是不同影响，例如热量对薄片状晶圆与柱状晶棒所造成的变形现象就有相当大的差异，也就是说，在现有的退火炉无法适用于晶棒之退火处理的情况下，故提供一种有效针对晶棒(或非薄板状之加工件)进行退火处理的装置。

三、发明内容

本发明之目的之一，在于提供一种晶棒表面之调质方法，其可利用热退火的方式消除晶棒表面之损伤层。

本发明实施例提供一种晶棒表面之调质方法，包含以下步骤：

步骤一：提供一晶棒，并以一盖体罩盖该晶棒；

步骤二：利用一加热单元将该晶棒加热至一预定温度并持温一段时间；

步骤三：进行一冷却步骤，以将该晶棒冷却；

其中，该盖体至少具有一部分的透明区域，使该加热单元的热辐射透过该透明区域而对该晶棒进行加热。

本发明实施例提供一种调质后的晶棒，该晶棒之表面硬度的软化率介于3％至7％。

本发明具有以下有益的效果：本发明主要利用热退火方法将晶棒之至少一表面进行表面改质/调质，以消除晶棒之表面上因加工所残留的损伤层，藉以达到晶棒的有序化，而从晶棒表面的特性观之，经过本发明之调质方法改善后，晶棒表面的硬度下降，尤其晶棒中不会因为热量集中造成热应变的问题。

为使能更进一步了解本发明之特征及技术内容，请参阅以下有关本发明之详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

四、附图说明

图1系为本发明之调质设备的立体示意图。

图2系为本发明之调质设备的盖体罩盖于晶棒之示意图。

图3系为本发明之调质设备的剖面示意图。

图4显示本发明之调质方法将晶棒加热至300℃及450℃，并维持10秒到150秒的条件下，晶棒之表面硬度的软化率曲线。

主要组件符号说明：

1 调质设备

11 盖体 110 腔体

111 侧面

112 顶面

113 进气口

114 出气口

11A 开口部

12 加热单元 121 金属板件

122 快速加热组件

13 保护气体输送单元

14 冷却单元

15 控制单元 151 传感器

16 晶棒支撑座

I 晶棒

A、B 仿真曲线

五、具体实施方式

本发明主要提供一种晶棒表面之调质方法，其可利用热量辐射传导的方式针对晶棒的至少一表面，尤其是在后续制程中涂布有连接层之表面进行改质的作业。另外，本发明之晶棒表面之调质方法可降低晶棒中的热量传导对于晶棒内热应力集中/热变形的现象。值得说明的是，本发明所定义之“晶棒”可广泛地解释，并不特指某一制程所制作者，例如利用将原料多晶硅铸造形成之晶锭(Ingot)，或者是将晶碇切方(squaring)、切割以形成近似四方柱形之块状晶棒，更或者是切方所得后进行抛光所得之加工后之晶棒均可适用于本发明，且本发明亦不限制单晶棒、多晶棒的保护范畴；而本发明之“晶棒”乃为一种具有一定厚度的块状材料，更具体的说，工件厚度大于1公厘之块材即可适用于本发明之调质设备。

请参考图1至图3，其显示本发明之晶棒表面之调质方法所使用之调质设备1的示意图，然本发明之调质制程并不限定下文所述之设备。在一种具体实施例中，调质设备1包括盖体11、加热单元12、保护气体输送单元13及冷却单元14；其中盖体11之中界定出一用于容置晶棒I之腔体110，而盖体11至少具有一部分的透明区域，使位于盖体11外侧之加热单元12的热辐射可透过该透明区域而对晶棒I进行加热，以达到调质的效果。

如图2所示，盖体11可为一种全透明的罩盖结构，其大致具有四个侧面111及一个连接所述之四个侧面111的顶面112，换言之，盖体11可利用侧面111与顶面112界定出前述之腔体110，但不以此为限，例如盖体11可具有一个顶面112及一个侧面111(如空心圆柱状之盖体11)或是具有一个顶面112及三个侧面111(如空心三角柱状之盖体11)等各种型态；且盖体11更具有一个连通腔体110的开口部11A，据此，使用者可透过开口部11A将晶棒I置入前述之腔体110内，以进行退火制程，腔体110系用以提供进行快速退火处理所需的密死循环境，且其更可利用外部抽真空装置(图未示)以维持适当的真空度。而在一具体实施例中，盖体11可由耐高温玻璃所制成，例如石英等。

再者，当晶棒I置入前述之腔体110内时，加热单元12之热辐射可透过盖体11之侧面111或顶面112针对晶棒I进行退火处理；而在本具体实施例中，加热单元12系包括多个金属板件121及多个固定于该些金属板件121上之快速加热组件122，金属板件121所组成之尺寸、外型大致对应于盖体11，而快速加热组件122则例如为红外线加热管，其系安装固定于金属板件121，以发出热量(如红外光)针对晶棒I进行快速热退火处理，而如图所示，加热单元12系设置于顶面112上，使红外线加热管所发出之热辐射透过透明之顶面112而针对晶棒I的上表面进行快速热退火处理。

另一方面，保护气体输送单元13系连通于腔体110以注入保护气体于腔体110中，进而避免在快速热退火处理中在晶棒I的表面上生成副产物，或避免不需要的掺杂物扩散等问题在高的加工温度下发生。具体而言，保护气体输送单元13可至少包括气体源及管路等等，而盖体11上则具有进气口113与出气口114，保护气体输送单元13之管路系连接于进气口113与出气口114，使气体源可将保护性气体，如钝气(氦气、氩气等)、氮气等灌注于腔体110中。

再者，冷却单元14系对应地邻近设置于加热单元12，具体而言，冷却单元14利用管路连接于加热单元12之金属板件121，并将冷却媒介，如冷却水等经过管路针对加热单元12进行冷却。而在本具体实施例中，加热单元12仅需针对晶棒I的上表面进行快速热退火处理，而冷却单元14即可针对晶棒I的侧面进行控温的效果，以降低加热单元12对晶棒I的侧面之热影响，换言之，本创作之调质设备1可利用加热单元12选择性地针对所需要的晶棒表面进行调质、改质，同时利用冷却单元14将不需改质的晶棒表面控制在较为低温的条件。

而在一较佳实施例中，本发明之调质设备1更可具有控制单元15及晶棒支撑座16。控制单元15系耦接于加热单元12，控制单元15可包括加热控制器(图未示)，以精准控制快速加热组件122的加热温度及时间；控制单元15更可具有至少一传感器151，如热电耦等等，在快速热退火处理的过程中，传感器151可邻近地设置于快速加热组件122，以监控快速加热组件122的温度，以反馈给控制单元15，进而控制该加热单元12的加热条件，如加热速率、温度等，另外，传感器151亦可用来量测晶棒I的表面温度，以精准地控制晶棒I的退火温度。

晶棒支撑座16则主要用于承载晶棒I，换言之，操作者可先将晶棒I固定于晶棒支撑座16上，再将盖体11由上而下的罩盖于晶棒支撑座16与晶棒I，使晶棒支撑座16与晶棒I均容置于腔体110中；较佳地，晶棒支撑座16可为一种耐高温材料，例如防火衬垫等等。

本发明之调质设备1可用于热退火程序以消除晶棒I之损伤层，其操作步骤可例示如下：

(1)首先将晶棒I置于晶棒支撑座16上，并以盖体11罩盖之；

(2)利用保护气体输送单元13输入氮气于腔体110中；

(3)利用加热单元12以50℃/秒的方式将晶棒I加热至300到900℃左右，并维持此一温度足够的时间(即持温时间约10秒到150秒)来消除晶棒I之至少一表面之损伤层，同时利用冷却单元14针对不需改质的晶棒表面进行控温，在本实施例中，加热单元12针对晶棒I的上表面进行加热，而冷却单元14则针对晶棒I的侧表面进行控温，以降低热量对于晶棒I之侧表面的影响；

(4)将晶棒I置于腔体110中以自然炉冷的方式降温，并利用冷却单元14针对加热单元12/晶棒I进行冷却；

(5)关闭保护气体输送单元13之氮气；

(6)将晶棒I空冷至常温，冷却的速率约为1℃/秒至5℃/秒，较佳为2℃/秒至3℃/秒，即完成热退火之调质程序。

另外，图4则显示在步骤(3)中利用加热单元12以50℃/秒的方式将晶棒I加热至300℃及450℃，并维持此一温度足够的时间(即持温时间约10秒到150秒)的条件下，晶棒I之表面的硬度之软化率，由实验结果可知，晶棒I之表面的硬度在经过加热至450℃、持温时间在10秒至120秒之间之快速热退火作业后，均可达到软化晶棒I之表面的效果(曲线A为此条件下之多项式仿真曲线)，其中晶棒I之表面硬度的软化率介于2％至8％；而晶棒I之表面的硬度在经过加热至300℃、持温时间在10秒至150秒之间之快速热退火作业后，均可达到软化晶棒I之表面的效果(曲线B为为此条件下之多项式仿真曲线)，其中晶棒I之表面硬度的软化率介于6％至7％，显见上述的快速热退火作业可有效消除晶棒I之表面损伤层。另外，在上述具体的实验中，将晶棒I加热至450℃、持温时间在40秒之间之快速热退火作业后，晶棒I之表面硬度约下降至11.5GPa；而将晶棒I加热至450℃、持温时间在60秒之间之快速热退火作业后，晶棒I之表面硬度约下降至10.9GPa。

综上所述，本发明可利用热处理程序来降低晶棒在加工制程中所产生的内部损伤情形。另外，本发明可具有低污染之优点，本发明可降低在晶棒表面污染之副产物，也不会造成晶圆表面之表面粗糙度变差，换言之，本发明之调质设备在其热退火的过程中属于较″干净″的制程。

以上所述仅为本发明之较佳可行实施例，非因此局限本发明之专利范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为之等效技术变化，均包含于本发明之范围内。

Claims (9)

1.一种晶棒表面之调质方法，包含以下步骤:

提供一晶棒，并以一盖体罩盖该晶棒；

利用一加热单元将该晶棒之至少一表面加热至一预定温度并持温一段时间，同时利用一冷却单元针对不需改质的该晶棒的其它表面进行控温；以及

进行一冷却步骤，以将该晶棒冷却；

其中，该盖体至少具有一部分的透明区域，使该加热单元的热辐射透过该透明区域而对该晶棒进行加热。

2.如权利要求1所述之晶棒表面之调质方法，其中在提供一晶棒的步骤中，系提供一种全透明的罩盖结构罩盖于所述之晶棒，该罩盖结构具有一个顶面及至少一个连接该顶面之侧面。

3.如权利要求2所述之晶棒表面之调质方法，其中在提供一晶棒的步骤之后，更包括提供一保护气体输送单元，以注入保护气体于该盖体所界定之腔体中。

4.如权利要求3所述之晶棒表面之调质方法，其中在提供一保护气体输送单元之步骤中，该盖体具有一进气口与一出气口，该保护气体输送单元系连接于该进气口与该出气口以注入保护气体于该盖体所界定之腔体中。

5.如权利要求2所述之晶棒表面之调质方法，其中在利用一加热单元加热该晶棒之步骤中，该加热单元系设置于该顶面上，以将该加热单元的热辐射透过该顶面而对该晶棒进行加热。

6.如权利要求5所述之晶棒表面之调质方法，其中在利用一加热单元加热该晶棒之步骤中，该加热单元系包括多个金属板件及多个固定于该些金属板件上之快速加热组件，该些快速加热组件针对该晶棒之加热速率为50℃/秒，加热温度介于300℃至900℃之间，并维持10秒到150秒之间。

7.如权利要求6所述之晶棒表面之调质方法，其中在利用一加热单元加热该晶棒之步骤中，更包括提供一耦接于该加热单元之控制单元，该控制单元具有一邻近地设置于该些快速加热组件之传感器，该传感器监测该些快速加热组件的温度，使控制单元控制该加热单元的加热条件。

8.如权利要求2所述之晶棒表面之调质方法，其中在该冷却步骤中，系利用该冷却单元针对该加热单元与该晶棒进行冷却。

9.如权利要求8所述之晶棒表面之调质方法，其中该晶棒之冷却速率为1℃/秒至5℃/秒。