CN111128845B - 应用于薄膜沉积装置的托盘 - Google Patents

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Abstract

一种应用于薄膜沉积装置的托盘，包括：第一盘体、第二盘体以及连接组件。第一盘体包括用于承载晶圆的多个通孔，且第一盘体下表面设置有多个第一槽位。第二盘体的尺寸与第一盘体的尺寸相对应，且第二盘体上表面设置有多个第二槽位。第二槽位的形状及位置与第一槽位的形状及位置相对应。连接组件位于一一对应的第一槽位及第二槽位之间，用于实现第一盘体和第二盘体的固定连接。第一盘体采用第一材质制备，第二盘体采用第二材质制备,且第一材质的热膨胀系数与待沉积薄膜的热膨胀系数的相对偏差值小于20％，以减少对所述晶圆沉积薄膜时的应力影响；第一材质的体积电阻率大于第二材质的体积电阻率，以使在对晶圆沉积薄膜时第一盘体形成绝缘体。

Description

应用于薄膜沉积装置的托盘
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体来说，是有关于一种应用于薄膜沉积装置的托盘。
背景技术
现有半导体技术中，广泛地对晶圆进行氮化铝薄膜沉积以形成压电层或缓冲层。然而，在薄膜沉积的工艺过程中，一般使用单一材质(如碳化硅SiC)托盘承载主要以蓝宝石(Al2O3)材质制成的晶圆。由于各个材料间的热膨胀系数不同，将导致氮化铝薄膜在高温生长过程存在一定的应力，而此应力在高温的外延炉中显现更明显，放大了氮化铝薄膜成形过程中的应力影响，从而导致了外延均一性的差异，影响氮化铝薄膜的质量；另外，碳化硅在高温(如500度)时已从绝缘体转变为非绝缘体，所以在氮化铝薄膜沉积过程中，电场和磁场的双重影响导致离化后的离子(原子)到达晶圆的能量减小，从而沉积在晶圆上的氮化铝薄膜的结晶质量变差。
发明内容
本发明的目的之一在于提供应用于薄膜沉积装置的托盘来解决背景技术中的问题。例如，在薄膜沉积的工艺过程中降低氮化铝薄膜的应力，以及，降低由于托盘转变为非绝缘体后电场变化带来的影响，借此提高氮化铝薄膜的质量。
依据本发明的一实施例，揭露一种应用于薄膜沉积装置的托盘，所述托盘包括：第一盘体、第二盘体以及连接组件。所述第一盘体包括用于承载晶圆的多个通孔，且所述第一盘体的下表面设置有多个第一槽位。所述第二盘体的尺寸与所述第一盘体的尺寸相对应，且所述第二盘体的上表面设置有多个第二槽位，其中，所述多个第二槽位的形状及位置与所述多个第一槽位的形状及位置相对应。所述连接组件位于一一对应的所述第一槽位及所述第二槽位之间，用于实现所述第一盘体和第二盘体的固定连接。所述第一盘体采用第一材质制备，所述第二盘体采用第二材质制备，且所述第一材质的热膨胀系数与待沉积薄膜的热膨胀系数的相对偏差值小于20％，以减少对所述晶圆沉积薄膜时的应力影响；所述第一材质的体积电阻率大于所述第二材质的体积电阻率，以使在对所述晶圆沉积所述薄膜时所述第一盘体形成绝缘体。
依据本发明的一实施例，所述第二材质的热传导系数大于所述第一材质的热传导系数。
依据本发明的一实施例，所述第一盘体的上表面在邻近所述通孔处设置有倒角结构。
依据本发明的一实施例，所述倒角结构与所述第一盘体的上表面之间的夹角的范围为30度至60度，所述倒角结构的直角边长度范围为0.3毫米至2毫米。
依据本发明的一实施例，所述倒角结构与所述第一盘体的所述上表面之间的夹角为45度，所述倒角结构的直角边长度为0.5毫米。
依据本发明的一实施例，所述第一盘体的高度范围为2毫米至4毫米。
依据本发明的一实施例，所述通孔具有上部及下部，所述通孔的上部的直径大于所述通孔的下部的直径。
依据本发明的一实施例，所述通孔的上部的直径范围为100.5毫米至102毫米，所述通孔的上部的纵深范围为1毫米至3毫米。
依据本发明的一实施例，所述通孔的下部的直径范围为80毫米至98毫米，所述通孔的上部的纵深范围为1毫米至3毫米。
依据本发明的一实施例，所述连接组件的高度范围为2毫米至3毫米。
依据本发明的一实施例，所述第一材质为氮化铝，所述第二材质为碳化硅。
本发明所提出的托盘采用复合结构，提高了对晶圆进行氮化铝薄膜沉积的工艺稳定性，详细来说，本发明所提出的托盘在工艺制程中能有效地减小氮化铝薄膜形成时的应力，并且，减小了电场变化对形成氮化铝薄膜的影响，进而改善氮化铝薄膜的结晶质量。
附图说明
图1是依据本发明一实施例之托盘的示意图。
图2是依据本发明一实施例之第一盘体的示意图。
图3是依据本发明一实施例之第二盘体的示意图。
图4是依据本发明一实施例之连接组件的示意图。
图5是依据本发明一实施例之组合后托盘的示意图。
图6是依据本发明一实施例之托盘的002强度相对工艺次数的变化示意图。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
现有半导体技术中，广泛地使用磁控溅射装置来对晶圆进行薄膜沉积以形成压电层或缓冲层。特别地，是对晶圆进行氮化铝薄膜沉积。详细来说，磁控溅镀装置具有铝材质的靶材，并且先在真空腔室内通入氩气和氮气的混合气体以进行反应溅射。氩气在电场的作用下被电离成氩离子，通过靶材施加的负电压驱使氩离子去轰击靶材，从而得到铝原子或者原子团。铝原子或者原子团在重力的作用下向下迁移至晶圆表面，同时在高温的作用下与氮原子结合形成氮化铝薄膜。然而，在薄膜沉积的工艺过程中，一般使用单一材质(如碳化硅)托盘来承载主要由氧化铝、硅、碳化硅等材料组成的晶圆。各个材料间的热膨胀系数关系为氧化铝>氮化铝>碳化硅，如此一来，在沉积氮化铝薄膜的高温过程中，薄膜存在一定的应力。此应力在高温的外延炉中显现更明显，放大了薄膜成形过程中的应力影响，从而导致了外延均一性的差异，影响氮化铝薄膜的质量。
另外，碳化硅在高温(如500度)时其体积电阻率大致为10Ω·cm，换言之，碳化硅将从绝缘体转变为非绝缘体。因此，在氮化铝薄膜沉积过程中，电场和磁场的双重影响导致离化后的离子(原子)到达晶圆的能量减小，从而沉积在晶圆上的氮化铝薄膜的结晶质量变差。本发明提出一种应用于薄膜沉积装置的托盘，能够在工艺制程中有效地减小氮化铝薄膜形成时的应力，并且，减小了电场变化对形成氮化铝薄膜的影响，进而改善氮化铝薄膜的结晶质量。
图1是依据本发明一实施例之应用于薄膜沉积装置的托盘1的示意图。在本实施例中，所述薄膜沉积装置是一种磁控溅镀装置，托盘1在磁控溅镀装置中用于承载晶圆，使磁控溅镀装置可以对托盘1上的晶圆进行薄膜沉积工艺。在本实施例中，磁控溅镀装置是对晶圆进行氮化铝薄膜沉积。如图1所示，托盘1包括第一盘体11、第二盘体12以及多个连接组件13。第一盘体11与第二盘体12的尺寸相对应，其中第一盘体11的下表面设置有多个第一槽位21而第二盘体12的上表面设置有与第一槽位的数量、位置、形状相对应的多个第二槽位22，连接组件13以卡榫的形式固定在第一槽位21与第二槽位22之间，使得第一盘体11与第二盘体12固定连接形成完整的托盘1。
在本实施例中，第一盘体11包括用于承载晶圆的多个通孔111，并且，第一盘体11是采用第一材质制备。第一材质的热膨胀系数与薄膜的热膨胀系数大致相等，以减少对晶圆沉积薄膜时的应力影响。第二盘体12是采用与第一材质不同的第二材质制备，其中第一材质的体积电阻率大于第二材质的体积电阻率，使得第一盘体11在沉积薄膜的过程中也能维持绝缘体，避免因成为非绝缘体后磁场与电场的改变影响了薄膜的质量。另外，第二材质的热传导系数大于第一材质的热传导系数，使得热能得以顺利传导到放置于第一盘体11上的晶圆。
详细来说，第一盘体11是由氮化铝制备，而第二盘体12是由碳化硅制备。参考下方表1，碳化硅具有较高的热传导系数、抗折强度、杨氏模量和维氏硬度，而氮化铝具有较高的耐热冲击和热膨胀系数。另外，不论在室温下、摄氏300度、摄氏500度的环境下，氮化铝的体积电阻率都高于碳化硅的体积电阻率。
表1
Figure BDA0002319423040000061
因此，使用氮化铝制备的第一盘体11具有较好的绝缘效果，而碳化硅材质的第二盘体12具有较好的导热匀热效果。如此一来，采用第一盘体11与第二盘体12的复合托盘1可以在高温下保持高电阻率的特性，同时保有容易导热的优点，借此提升薄膜的结晶质量，稳定薄膜生产。
另外，由于第一盘体11是使用氮化铝制备，若晶圆上所沉积的薄膜同样是氮化铝时，第一材质与薄膜的热膨胀系数相等。如此一来，当磁控溅射装置对放置在通孔111中的晶圆进行薄膜沉积时，由于第一盘体11与薄膜的材质相同，可有效地降低薄膜在沉积的过程中所感受的应力。
然而，本发明并不限定以氮化铝来制备第一盘体11。本技术领域人员应能理解，只要第一材质与形成薄膜材质的热膨胀系数大致相等，即可降低薄膜在沉积的过程中所感受的应力。在本发明中，第一材质的热膨胀系数与薄膜材质的热膨胀系数的相对偏差值限定在一特定值内。举例来说，假设第一材质的热膨胀系数为TA、薄膜材质的热膨胀系数为TB，则在本发明中限定(TA-TB)/TA小于20％。如此一来，即便第一材质与薄膜材质不同，也同样可以降低薄膜在沉积的过程中所感受的应力。
图2是依据本发明一实施例之第一盘体11的示意图。在本实施例中，第一盘体11的直径介于300mm至480mm，厚度H1介于2mm至4mm。若第一盘体11的尺寸越大，为了避免盘体容易破碎，厚度H1则相对越厚。然而，若厚度H1越厚则导热性越差，将会影响薄膜结晶的生成。优选地，第一盘体11的直径是300mm，第一盘体11的厚度H1是2mm。
如图1实施例所述，第一盘体11包括用于承载晶圆的多个通孔111(如图1所示，第一盘体11具有5个通孔111)，其中通孔111可以降低晶圆在工艺过程中由于受热产生的应力。如图2所示，详细来说，通孔111分为上部111_1和下部111_2，其中上部111_1为俯瞰第一盘体11的上表面时所观察到的通孔111的样貌，而下部111_2为仰视第一盘体11的下表面时所观察到的通孔111的样貌。在本实施例中，通孔上部111_1的直径R1大于通孔下部111_2的直径R2。晶圆的直径一般为100mm，厚度为0.6mm，若通孔上部111_1的直径R1太小，则晶圆不易放入或取出，若直径R1太大则晶圆容易滑动。因此，在本实施例中，通孔上部111_1的直径R1介于100.5mm至102mm，孔深H2介于1mm至3mm。优选地，通孔上部111_1的直径R1为111mm。通孔上部111_1的孔深则依据第一盘体11的厚度进行调整。
另外，通孔下部111_2的直径R2若太小则不利于传导热量，直径R2若太大则无法承载晶圆。因此，在本实施例中，通孔下部111_2的直径R2介于80mm至98mm，孔深H3介于1mm至3mm。优选地，通孔下部111_2的直径R2为94mm，孔深H3为1mm。
进一步地，如图2所示，第一盘体11的上表面在邻近通孔111处设置有一圈倒角结构300，其中倒角结构300可在工艺过程中有效地防止颗粒的堆积，避免晶圆的污染。在本实施例中，倒角结构300呈现角度θ，其中角度θ介于30度至60度，并且倒角结构300的直角边L介于0.3mm至2mm。优选地，倒角结构300的角度θ是45度，直角边L是0.5mm。
如图1实施例所述，第一盘体11的下表面具有多个第一槽位21，第二盘体12的上表面具有多个第二槽位22，而连接组件13以卡榫的形式固定在第一槽位21与第二槽位22之间。第一槽位21的直径R3若偏小将导致连接组件13支撑受力偏大，造成第一盘体11损坏；直径R3若偏大则会与通孔111互相干涉，同时不易于导热。在本实施例中，第一槽位21的直径R3介于10mm至50mm。优选地，第一槽位21的直径R3是22mm。在本实施例中，第一槽位21的孔深H4介于0.5mm至3mm。优选地，第一槽位21的孔深H4是1mm。
图3是依据本发明一实施例之第二盘体12的示意图。如图1实施例所述，第二盘体12的形状、尺寸对应第一盘体11的形状、尺寸，并且，第二槽位22的形状、位置对应第一槽位21的形状、位置。在本实施例中，第二盘体12的直径介于300mm至480mm，第二盘体12的厚度H5介于1mm至4mm。第二盘体12的厚度H5若偏小则托盘1容易破碎，厚度H5若偏大则托盘1的重量过重，不易操作。优选地，第二盘体12的直径与第一盘体11的直径相同是300mm，厚度H5是2mm。
与第一槽位21相对应，在本实施例中，第二槽位22的直径R4介于10mm至50mm，孔深H6介于0.5mm至3mm。优选地，第二槽位22的直径R4与第一槽位21的直径R3相同是22mm，并且，第二槽位22的孔深H6与第一槽位21的孔深H4相同是1mm。
在本实施例中，第一盘体11的下表面有6个均匀分布的第一槽位21。相应地，第二盘体12的上表面有6个均匀分布的第二槽位22。然而，本技术领域具有通常知识者应能轻易理解，只要能稳定的连接第一盘体11与第二盘体12，第一槽位21与第二槽位22的数量并非本发明的一限制。
连接组件13以卡榫的形式位于第一槽位21和第二槽位22之间以使第一盘体11与第二盘体12固定连接形成托盘1。参考图4，图4是依据本发明一实施例之连接组件13的示意图。作为卡榫的连接组件13若其直径R5偏小则第一盘体11与第二盘体12之间容易滑动，若直径R5偏大则不容易卡入第一槽位21和第二槽位22之间。在本实施例中，连接组件13的直径R5介于21.6mm至21.8mm。优选地，连接组件13的直径R5是21.8mm。在本实施例中，连接组件13的高度H7介于2mm至3mm。依据设计上的需要，托盘1可具有多组不同高度的连接组件13，并且依照工艺需要更换连接组件13来进行高度调整，进而调整晶圆与靶材之间的距离，扩大了工艺调试窗口。
需注意的是，在上述实施例中连接组件13是圆柱状，且第一槽位21与第二槽位22也相应地为圆柱状空间。然而，本技术领域具有通常知识者应能轻易理解，作为卡榫的连接组件13可以是其他柱状，而第一槽位21与第二槽位22也可以有相应的变化，此并非本发明的一限制。
再次参考图1，第一盘体11以及第二盘体12的上表面具有一标识符号(例如图示中的三角形)，第一盘体11以及第二盘体12的标识符号对齐后即可通过连接组件13将第一盘体11以及第二盘体12固定连接。图5所示的托盘1是将第一盘体11与第二盘体12以连接组件13组合后的样式。在本实施例中，组合后的托盘1的直径R0与第一盘体11的直径、第二盘体12的直径相同。优选地，组合后的托盘1的直径R0是300mm。在本实施例中，组合后的托盘1的厚度H0介于4mm至6mm。
申请人通过实验发现，托盘强度随着工艺次数的增多将会有所改变，进而影响薄膜结晶的质量。参考图6，图6显示托盘强度相对于工艺次数的变化图。从图6可观察到，传统单一材质(如碳化硅)的托盘随着进行工艺次数的增多，使用X射线衍射仪测量到的002强度逐渐下降，最终002强度下降达15％。此数据表明，随着工艺次数的增多，使用单一材质(如碳化硅)的托盘承载晶圆所生长的氮化铝晶体质量略差，其导致发光二极体外延生长氮化镓时生长反射率较低，表面粗糙不起振，进而有雾化的风险。另一方面，本发明所提出的复合结构的托盘1随着工艺次数的增多，002强度仅有约5％的波动。换句话说，使用托盘1进行薄膜沉积工艺将改善氮化铝的晶体质量，进而拓宽发光二极体外延生长的工艺窗口。
另外，申请人检测使用复合结构托盘1与传统单一材质(如碳化硅)的托盘生成的薄膜结晶的表征，并得到下方表2。由表2数据可知，利用复合托盘1进行溅射制备的氮化铝薄膜晶体质量有一定的提升。从X射线衍射仪测试结果来看，复合托盘1所制备的氮化铝薄膜的002和102强度数值可以提升10％以上，晶体质量优于使用传统单一材质(如碳化硅)的托盘生成的薄膜结晶。
表2
Figure BDA0002319423040000101
接着，申请人比较使用复合托盘1以及传统单一材质(如碳化硅)的托盘产生的氮化镓发光二极体芯片的性能，并得到下方表3。由表3可知，由于复合托盘1所增加的倒角结构300和通孔111在生长工艺过程中可降低薄膜的应力，从而改善了外延过程中的氮化镓的翘曲现象，因此，使用复合托盘1所生成的氮化铝薄膜来作为缓冲层时，氮化镓波长均匀性(STD)相比使用传统单一材质(如碳化硅)的托盘所生成的氮化铝薄膜更加一致，并且，反向电压和抗静电通过率等都有大幅度的提升；同时，使用复合托盘1所生长的氮化铝薄膜的结晶质量要优于使用传统单一材质(如碳化硅)的托盘所生成的氮化铝薄膜的结晶质量，进而促成了发光二极体外延氮化镓质量的提升。
表3
Figure BDA0002319423040000111

Claims (11)

1.一种应用于薄膜沉积装置的托盘，其特征在于，包括：
第一盘体，所述第一盘体包括多个通孔，每一通孔的尺寸对应晶圆的尺寸，且每一通孔用于容纳一晶圆，且所述第一盘体的下表面设置有多个第一槽位；
第二盘体，所述第二盘体的尺寸与所述第一盘体的尺寸相对应，且所述第二盘体的上表面设置有多个第二槽位，其中，所述多个第二槽位的形状及位置与所述多个第一槽位的形状及位置相对应；以及
连接组件，位于一一对应的所述第一槽位及所述第二槽位之间，用于实现所述第一盘体和第二盘体的固定连接；其中，
所述第一盘体采用第一材质制备，所述第二盘体采用第二材质制备，且所述第一材质的热膨胀系数与待沉积薄膜的热膨胀系数的相对偏差值小于20％，以减少对所述晶圆沉积薄膜时的应力影响；所述第一材质的体积电阻率大于所述第二材质的体积电阻率，以使在对所述晶圆沉积所述薄膜时所述第一盘体形成绝缘体。
2.如权利要求1所述的托盘，其特征在于，所述第二材质的热传导系数大于所述第一材质的热传导系数。
3.如权利要求1所述的托盘，其特征在于，所述第一盘体的上表面在邻近所述通孔处设置有倒角结构。
4.如权利要求3所述的托盘，其特征在于，所述倒角结构与所述第一盘体的上表面之间的夹角的范围为30度至60度，所述倒角结构的直角边长度范围为0.3毫米至2毫米。
5.如权利要求4所述的托盘，其特征在于，所述倒角结构与所述第一盘体的所述上表面之间的夹角为45度，所述倒角结构的直角边长度为0.5毫米。
6.如权利要求1所述的托盘，其特征在于，所述第一盘体的高度范围为2毫米至4毫米。
7.如权利要求1所述的托盘，其特征在于，所述通孔具有上部及下部，所述通孔的上部的直径大于所述通孔的下部的直径。
8.如权利要求7所述的托盘，其特征在于，所述通孔的上部的直径范围为100.5毫米至102毫米，所述通孔的上部的纵深范围为1毫米至3毫米。
9.如权利要求7所述的托盘，其特征在于，所述通孔的下部的直径范围为80毫米至98毫米，所述通孔的下部的纵深范围为1毫米至3毫米。
10.如权利要求1所述的托盘，其特征在于，所述连接组件的高度范围为2毫米至3毫米。
11.如权利要求1所述的托盘，其特征在于，所述第一材质为氮化铝，所述第二材质为碳化硅。
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