CN105632984B - 一种晶圆载盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆载盘，其上表面包括第一区域和第二区域，所述第一区域为多个向下凹陷的用于承载晶圆的承载区，不同所述第一区域之间通过第二区域隔离，在所述第一区域的表面上设置有预设结构，所述预设结构使得所述第一区域的表面面积增加。该预设结构使得第一区域和第二区域的温度分布趋于一致。该晶圆载盘的结构具有很好的稳定性，能够保证晶圆载盘的长期使用。并且该晶圆载盘的制备方法较为简单。

Description

一种晶圆载盘

技术领域

本发明涉及半导体加工设备领域，尤其涉及一种应用于MOCVD系统的晶圆载盘。

背景技术

在MOCVD(metal organic chemical vapor deposition，金属氧化物化学气相沉积)的反应腔体内安装有一晶圆载盘，该晶圆载盘的上表面上设置有若干个相互隔离的晶圆承载区域。在MOCVD加工过程中，将待加工晶圆放置在晶圆承载区域中，从而对待加工晶圆进行处理。

在加工过程中，由于热量辐射，晶圆载盘表面会以发射一定波长范围的红外线的形式向外散发热量。这些发射的红外线在未被晶圆覆盖的区域能够全部发射出去，而在晶圆承载区域，由于其晶圆承载区域表面被晶圆覆盖阻挡，部分红外线会被待加工晶圆反射或散射，这些反射光或散射光中的一部分会被晶圆下方的晶圆承载区域结构表面吸收，导致晶圆承载区域表面温度的升高，而未被晶圆覆盖的晶圆载盘的表面上没有吸收反射光或散射光，其表面温度不会升高，这就导致晶圆承载区域表面的温度高于载盘中非晶圆承载区域表面的温度，从而使得晶圆载盘表面温度分布不均匀。

为了解决上述晶圆载盘表面温度分布不均匀的问题，现有技术中采用以下两种晶圆载盘结构：

第一种、增加晶圆承载区域的表面粗糙度，以增加晶圆承载区域的光发射量：

这种晶圆载盘结构虽然可以消除或减小温度不均匀的问题，然而由于需要定期对晶圆载盘进行清洗，在清洗过程中，势必会对晶圆承载区域的表面粗糙度造成影响，在经过多次清洗后，晶圆承载区域的表面粗糙度有可能会减小，因而，这种结构的晶圆载盘，在长期使用后，可能仍会出现晶圆载盘表面温度不均匀的问题，因此这种结构不稳定，不能保证晶圆载盘的长期使用。同时石墨盘上的SiC材料镀层在长期的温度变化周期中容易出现表面材料开裂，这些裂缝是随机出现的，也会影响最终的表面粗糙度，也就使得晶圆承载区和非晶圆承载区之间的发射率比率无法精确设定。

第二种、在晶圆承载区域表面和非晶圆承载区域表面形成热辐射系数不同的材料，使得晶圆承载区域表面的热辐射系数大于非晶圆承载区域表面的热辐射系数：

在制备这种结构的晶圆载盘时，需要在晶圆载盘表面的不同区域分别形成不同的材料，这种形成方法需要沉积、抛光等多个步骤，而且由于晶圆承载区是下陷的，所以很难进行这种增加辐射的镀膜工艺，因而，这种结构的晶圆载盘在工艺实现上较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有新结构的晶圆载盘，以使晶圆载盘的整个表面区域的温度分布均匀。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种晶圆载盘，其上表面包括第一区域和第二区域，所述第一区域为多个向下凹陷的用于承载晶圆的承载区，不同所述第一区域之间通过第二区域隔离，在所述第一区域的表面上设置有预设结构，所述预设结构使得所述第一区域的表面面积增加，使得所述第一区域的表面面积与所述第一区域向下投影形成的平面的表面面积的比值范围在1.11～1.61之间。

优选地，所述预设结构使得所述第一区域向下投影形成的平面单位面积内发射的红外线辐射能量I1与所述第二区域单位面积内发射的红外线辐射能量I2满足以下关系：I2＝I1*T^w，其中，T^w为放置在所述晶圆载盘上的待加工晶圆的红外线透过率。

优选地，所述预设结构包括至少一个凹陷结构和/或至少一个突起结构。

优选地，所述凹陷结构的形状和/或所述突起结构的形状为半球。

优选地，所述半球的半径与深度相同，或者，所述半球的半径大于深度。

优选地，所述凹陷结构和/或所述突起结构在所述第一区域内均匀分布。

优选地，所述凹陷结构和/或所述突起结构的半径大于1mm，不同凹陷结构或者突起结构之间的间距大于等于1mm小于5mm。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

由于热源辐射的热量与其表面积成正比，所以，表面积增大，热源向外辐射的热量也增加。在本发明实施例中，热量的辐射通过向外发射一定波长的红外线实现。

在MOCVD工艺过程中，晶圆载盘第一区域上放置有待加工晶圆，由晶圆载盘第一区域发射的红外线会有一部分被待加工晶圆反射或散射，这些反射或散射光的一部分会被晶圆载盘的第一区域重新吸收，导致第一区域温度的升高，另外，晶圆载盘的第二区域不被晶圆反射或散射，其发射的红外线能够全部发射出去，不会被晶圆载盘的第二区域重新吸收，所以，相较于第一区域的温度，晶圆载盘第二区域的温度较低。

在本发明实施例中，预设结构使得第一区域的表面面积增加，所以，相较于未设置预设结构的第一区域，设置有预设结构的第一区域向外发射的辐射能量增加，由于第一区域向外发射的辐射能量增加，虽然有部分辐射能量会被第一区域上方的晶圆反射或散射回来，并且其中一部分被晶圆载盘的第一区域重新吸收，但是相较于未设置预设结构的第一区域，设置有预设结构的第一区域向外反射的净辐射能量增加，从而使得设置有预设结构的第一区域的温度相较于未设置有预设结构的第一区域的温度降低。进而，缩小了晶圆载盘第一区域的温度和第二区域的温度的差值，使得晶圆载盘整个表面的温度分布趋于均匀。

而且，当对晶圆载盘进行清洗时，设置在第一区域上的预设结构几乎不受清洗的影响，所以，多次清洗后的预设结构与最初设置的结构几乎没有区别，所以，该晶圆载盘的结构具有很好的稳定性，能够保证晶圆载盘的长期使用。

进一步地，该晶圆载盘在第一区域和第二区域的材质相同，因此，其光线发射系数也相同，免去了在不同区域沉积发射系数不同的材料的复杂工艺流程，该晶圆载盘的制备方法较为简单。

附图说明

为了清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图对描述本发明的具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本发明实施例的部分附图，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其它的附图。

图1是晶圆载盘表面放置有蓝宝石晶圆的晶圆载盘发射光线的示意图；

图2是本发明实施例提供的晶圆载盘的结构示意图；

图3是图2沿A-A方向的剖面结构示意图；

图4(1)是模拟实验所用到的表面设置有凹陷结构的石墨块的表面示意图；

图4(2)是模拟实验所用到的表面为平整结构的石墨块的表面示意图；

图5是由凹陷腔体组成的预设结构单元在晶圆载盘第一区域上的分布示意图；

图6是由突起结构组成的预设结构单元在晶圆载盘第一区域上的分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术部分所述，放置在晶圆载盘上的待加工晶圆会反射或散射一部分由晶圆载盘发出的光，只有一部分光发射出去。以蓝宝石(sapphire)晶圆为例进行说明。蓝宝石晶圆背面的表面粗糙度RMS较大，其RMS约为1.3μm。入射到蓝宝石晶圆背面的光线，在晶圆背面会发生散射。对于波长为100～10000nm的红外线来说，蓝宝石晶圆的光线透过率为75％。这意味着25％的光线被蓝宝石晶圆的正面和背面反射或散射。图1表示出了表面放置有蓝宝石晶圆的晶圆载盘发射光线的示意图。如图1所示，蓝宝石的背面为凹凸不平的表面，晶圆载盘发射出辐射能量为I0的光线，该部分光线穿透蓝宝石晶圆发射出去，该穿透蓝宝石晶圆的光的辐射能量为I’，其中，另外一部分光被蓝宝石晶圆的正面反射和被蓝宝石晶圆的背面散射，大约1/2的反射光和散射光射向晶圆载盘表面，其会被晶圆载盘表面吸收。

然而，在未放置待加工晶圆的晶圆载盘区域，其发射出的光不会被待加工晶圆反射或散射，所以，在该区域不会出现发射出去的光被晶圆载盘的该区域表面重新吸收的现象，因此，在放置待加工晶圆的区域晶圆载盘表面发射出去的净辐射能量低于未放置待加工晶圆的载盘区域发射出去的净辐射能量，也就是说，由放置待加工晶圆的晶圆载盘表面发射出去的热量小于由未放置待加工晶圆的载盘区域发射出去的热量，从而导致放置晶圆的晶圆载盘的表面区域的温度高于未放置晶圆的晶圆载盘的表面区域的温度，导致晶圆载盘的整个表面的温度分布不均匀。

当晶圆为硅晶圆时，会导致晶圆下方的晶圆载盘发射出的光线中有25％被反射，并被下方的晶圆载盘吸收，所以，也会导致晶圆载盘的该部分表面区域的温度高于其它表面区域的温度，导致晶圆载盘的整个表面的温度分布不均匀。

因此，由于晶圆会反射和/或散射由晶圆载盘发射的部分光，并且这些反射光或散射光会被待加工晶圆下方的晶圆载盘吸收，从而导致由待放置待加工晶圆的晶圆载盘表面发射出去的热量小于由未放置待加工晶圆的载盘区域发射出去的热量，进而导致待加工晶圆下方的晶圆载盘的温度高于表面未放置待加工晶圆的晶圆载盘的温度。由于待加工晶圆下方的晶圆载盘的温度较高，根据热传递的原理，待加工晶圆的温度也较高，而且，待加工晶圆中心区域的温度高于边缘区域的温度，这种晶圆内部温度不均匀的分布使得在待加工晶圆表面上生长的薄膜厚度不均匀。而且，对于一些薄膜如In_xGa_1-xN，其组分In在温度过高时有可能发生挥发现象，所以，温度不均匀的分布也有可能导致一个晶圆的不同区域上生长的薄膜的组分不单一或者不同晶圆上生长的薄膜的组分不单一。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种晶圆载盘的新结构。

为了清楚地理解本发明的发明构思，在介绍本发明实施例提供的晶圆载盘的结构之前，首先介绍下本发明的发明人设计该晶圆载盘基于的原理，该原理具体如下：

如果将热发射源放置在一个相对比较大的空间内，并且热发射源的温度Ts远远大 于周围的环境温度T_a(即T_s>>T_a)。则热发射源辐射的热辐射量的计算公式如下：

其中，p为热辐射量；

σ为斯忒藩-玻尔兹曼参数；

ε为热发射源的发射率；

A为热发射源的体表面积。

从上述公式可以看出，热发射源的体表面积越大，向外辐射的热量越高。所以，要想让发射源向外发射出更多的热量，增大该发射源的体表面积是一个方法。

本发明就是基于上述原理，通过增大晶圆载盘上用于放置待加工晶圆区域的表面积使得该区域向外辐射出更多的热量，以此减小该区域的温度，从而减小晶圆载盘上放置晶圆的区域和未放置晶圆的区域的温差，使得晶圆载盘整个表面的温度分布趋于均匀。为了增大放置加工晶圆区域的表面积，本发明实施例在晶圆载盘的用于放置晶圆载盘的区域设置了能够增加表面积的预设结构。该预设结构可以为凹陷结构和/或突起结构。并且该预设结构包括至少一个或凹陷结构和/或至少一个突起结构。

下面以预设结构为凹陷结构为例进行说明，具体参见图2和图3。

图2为本发明实施例提供的晶圆载盘的平面结构示意图，图3是图2中沿A-A方向的剖面结构示意图。如图2和图3所示，该晶圆载盘200的上表面包括第一区域201和第二区域202，所述第一区域201为多个向下凹陷的用于承载晶圆的承载区，不同第一区域201之间通过第二区域202隔离，在MOCVD工艺过程中，将待加工晶圆放置在第一区域201的内部。为了方便安装待加工晶圆，第一区域201的结构通常为向下凹陷的凹槽。另外，由于晶圆的形状通常为圆形，所以第一区域201的形状也为圆形。

为了增大第一区域201的表面积，本发明实施例在每个所述第一区域201的表面上设置有多个凹陷结构201a，该凹陷结构201a使得第一区域201的表面变得高低起伏，从而增大了第一区域201的表面积。

进一步地，为了使得第一区域201的温度和第二区域的温度尽可能地达到相同，设置有所述凹陷结构的第一区域的表面面积与所述第一区域向下投影形成的平面的表面面积的比值范围优选在1.11～1.61之间。

晶圆载盘表面会以红外线的形式向外辐射热量，由于第一区域201表面积的增加，使得晶圆载盘从第一区域发射出的辐射能量也会增加。由于一个物体发射出去的辐射能量越高，其散发出的热量越多，也就是说，其损失的热量越多，这样，其温度降低的幅度越大。所以，本发明实施例中设置有凹陷结构201a的第一区域201的温度低于现有技术中未设置凹陷结构201a的第一区域的温度。

为了验证设置在第一区域201上的凹陷结构201a对散热性能的影响，本发明的发明人还做了以下模拟实验。该模拟系统包括钨热源以及石墨块。为了验证凹陷结构对散热性能的影响，本发明的发明人对两个不同结构的石墨块做了比对试验，一个石墨块是其上表面上设置有凹陷结构，其表面结构如图4(1)所示，另外一个石墨块的上表面为平整表面，其表面结构如图4(2)所示。当通过1000℃的钨热源对石墨块进行加热，一段时间后，上表面上设置有凹陷结构的石墨块的温度大约为747℃，上表面为平整表面的石墨块的温度大约为750℃，所以，设置有凹陷结构的石墨块的温度比平整表面的石墨块的温度低3℃。

因而，上述模拟实验验证了晶圆载盘上设置有凹陷结构的第一区域的温度低于晶圆载盘上未设置凹陷结构的第一区域的温度。也就是说，设置有凹陷结构的第一区域散发的热量大于未设置有凹陷结构的第一区域的热量。因此，通过本发明提供的设置于第一区域的凹陷结构，减少了晶圆载盘的第一区域和第二区域的温差，使得第一区域的温度和第二区域的温度接近，进而使得晶圆载盘的整个表面区域的温度趋于均匀。

而且，当对晶圆载盘进行清洗时，设置在第一区域上的凹陷结构几乎不受清洗的影响，所以，多次清洗后的预设结构与最初设置的结构几乎没有区别，所以，该晶圆载盘的结构具有很好的稳定性，能够保证晶圆载盘的长期使用。因而，克服了采用增加第一区域表面粗糙度的结构不能长期使用的缺陷。

进一步地，在该晶圆载盘的第一区域和第二区域表面的材质相同，两个区域的光线发射系数相同，因而免去了在不同区域沉积发射系数不同的材料的复杂工艺流程，该晶圆载盘的制备方法较为简单。

另外，为了使得晶圆载盘的整个表面区域的温度达到均匀分布，本发明还可以对凹陷结构的数量和分布做进一步改进。具体如下：

设定，第一区域向下投影形成的平面单位面积内发射的红外线辐射能量为I1，所述第二区域单位面积内发射的红外线辐射能量为I2，T^w为放置在所述晶圆载盘上的待加工晶圆的红外线透过率，则凹陷结构的数量和分布使得I2和I1满足以下条件：I2＝I1×T^w。由于本发明提供的晶圆载盘的上表面结构的设计使得承载区的表面发散率ε1大于非承载区的发生率ε2，所以单位面积上向外辐射的能量I1大于非承载区向外辐射的能量I2,正好能抵消晶圆透射率T^w带来的向晶圆上方辐射能量的减少，所以最终能在整个晶圆载盘表面获得均一的向上辐射能量。

当满足该条件时，从第一区域向下投影形成的平面的单位面积内实际发射出去的红外线的强度与从第二区域的单位面积内发射出的红外线的强度相同，也就是说，从第一区域向下投影形成的平面的单位面积内实际散发的热量与从第二区域的单位面积内散发出去的热量相同，因而，第一区域的表面温度也就与第二区域的表面温度相同，进而使得晶圆载盘的整个表面的温度达到均匀分布，从而也就避免了安装于第一区域的待加工晶圆的温度过高的风险。因而利用该晶圆载盘承载待加工晶圆时，能够使得不同晶圆之间的温度保持一致，而且也能够使得同一晶圆的不同区域的温度也保持一致，这就使得在进行MOCVD工艺在待加工晶圆上沉积薄膜时，使得生长在待加工晶圆表面上的薄膜的厚度均匀和组分单一。

进一步地，上述所述的凹陷结构的形状优选为半球，其凹陷结构为半球腔体。

进一步地，所述半球的半径与深度可以相同，也可以是半球的半径大于深度。进一步地，所述凹陷结构的半径大于1mm。

本发明实施例中，多个凹陷结构在第一区域内均匀分布，不同凹陷结构或者突起结构之间的间距大于等于1mm小于5mm。具体可以为多个凹陷腔体在第一区域上的分布呈三次对称轴分布，将形成三次对称轴分布的三个凹陷腔体称为一个预设结构单元，一个预设结构单元在第一区域上的排布如图5所示。其中，凹陷腔体分别位于等边三角形的顶点上，假设三角形的等效边长为a，凹陷腔体的半径为r，深度为d，则一个预设结构单元的面积的计算公式如下：

需要说明的是，三角形的等效边长a决定了各个凹陷腔体在晶圆载盘第一区域表面上之间的距离。最佳的本发明设置的多个凹陷腔之间具有均等的距离，使得更多红外线辐射能量被均匀的向上发散，部分区域比如托盘承载区内与非承载区交界的边缘位置可以选择较少的凹陷腔。

本发明实施例对预设结构单元的各个参数(三角形的等效边长a、半球的半径r和深度d以及预设结构单元的面积S)进行了调整，从而得到多个面积比值ratio，具体如表1所示。表1所示的面积比值ratio是设置有预设结构的第一区域表面与未设置预设结构的第二区域表面的面积比，也就是第一区域表面与第一区域向下投影得到的平面的面积比值。

表1

单位：mm

a	r	d	r-d	s	ratio
						3	0	0	0	7.79	1.00
3	1	0.2	0.8	8.98	1.15
						3	1	0.5	0.5	10.53	1.35
3	1	1	0	12.50	1.61
						6	0	0	0	31.14	1.00
6	1	0.5	0.5	33.89	1.09
						6	1	1	0	35.85	1.15
7	0	0	0	42.39	1.00
						7	1	0.5	0.5	45.13	1.06
7	1	1	0	47.10	1.11

作为晶圆载盘的一个具体实施例，晶圆载盘的直径为500mm，则可以在其上设置12个用于承载4inch的晶圆的第一区域，在第一区域上设置有多个形状为半球的凹陷腔体。在该具体实施例中，半球的半径r和深度d均为1mm。由于凹陷腔体向上辐射明显大于凹陷腔体之间的平整区域，所以如果凹陷腔体的面积过大会使得不同凹陷腔体之间的区域温度仍然偏高的情况。为了避免这一情况出现本发明所述凹陷腔体的深度和半径并不是越大越好，当半径大于6mm时，不同凹陷腔之间的形成的平整区域面积也较大，所以本发明选择大量具有较小半径的凹陷腔体密布在整个晶圆承载区域表面，使得晶圆承载区不会形成连片的大面积平整区，较佳的半径范围为1-6mm。

经过实验验证，上述开始凹陷部使得面积比大于等于1.11以上小于1.61以下时、特别是1.15以上的实施例能够适应不同的加工温度和红外波长的需要使得晶圆载盘上具有最均一的温度。

作为上述实施例的替代实施例，上述所述的凹陷结构可以全部或部分替代为突起结构，当突起结构设置于第一区域上时，其作用与凹陷结构的作用相同。其中，由三个突起结构组成的预设结构单元的结构示意图如图6所示。

根据本发明原理，所述的凹陷结构除了可以是下陷的半球形，也可以是其它下陷的结构如圆柱形或者开口上大下小的梯形，这些开口设计均能实现增强晶圆承载区对外辐射的能量，而且这些开口由于尺寸较大且分布均匀，能够不受多次加工对托盘表面材料产生的影响，保证稳定的辐射率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种晶圆载盘，其上表面包括第一区域和第二区域，所述第一区域为多个向下凹陷的用于承载晶圆的承载区，不同所述第一区域之间通过第二区域隔离，其特征在于，在所述第一区域的表面上设置有预设结构，所述预设结构使得所述第一区域的表面面积增加，使得所述第一区域的表面面积与所述第一区域向下投影形成的平面的表面面积的比值范围在1.11～1.61之间，进而使晶圆载盘的整个表面区域的温度分布均匀。

2.根据权利要求1所述的晶圆载盘，其特征在于，所述预设结构使得所述第一区域向下投影形成的平面单位面积内发射的红外线辐射能量I1与所述第二区域单位面积内发射的红外线辐射能量I2满足以下关系：I2＝I1*T^w，其中，T^w为放置在所述晶圆载盘上的待加工晶圆的红外线透过率。

3.根据权利要求1所述的晶圆载盘，其特征在于，所述预设结构包括多个凹陷结构和/或多个突起结构。

4.根据权利要求3所述的晶圆载盘，其特征在于，所述凹陷结构的形状和/或所述突起结构的形状为半球。

5.根据权利要求4所述的晶圆载盘，其特征在于，所述半球的半径与深度相同，或者，所述半球的半径大于深度。

6.根据权利要求3所述的晶圆载盘，其特征在于，所述凹陷结构和/或所述突起结构在所述第一区域内均匀分布。

7.根据权利要求3所述的晶圆载盘，其特征在于，所述凹陷结构和/或所述突起结构的半径大于等于1mm小于6mm。

8.根据权利要求3所述的晶圆载盘，其特征在于，所述相邻的多个凹陷结构和/或所述多个突起结构之间的间距大于等于1mm小于5mm。