TW201521133A

TW201521133A - 回收再生晶圓承載盤及其修復方法

Info

Publication number: TW201521133A
Application number: TW102142247A
Authority: TW
Inventors: Tian-Yuan Yan
Original assignee: Tian-Yuan Yan
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-06-01
Also published as: TWI574336B

Abstract

本發明提供一種解決晶圓承載盤報廢問題的回收再生晶圓承載盤及其修復方法。該法為：將陶瓷粉末(S)以黏結劑(Y)混合攪拌成黏土狀的陶瓷粉末預成形體材料(P)，將其填補於報廢晶圓承載盤(100)的破損孔洞(101)處，形成修補區(1)，然後針對該報廢晶圓承載盤(100)進行化學氣相滲透[CVI]碳化矽，使該陶瓷粉末預成形體材料(P)以氣相沉積的碳化矽基體材料(M)結合於該修補區(1)，並同時於報廢晶圓承載盤(100)整體表面和該等修補區(1)表面均勻披覆一新沉積的碳化矽層(2)，最終成為回收再生晶圓承載盤(200)。其構造是：報廢晶圓承載盤(100)的破損孔洞(101)處，以碳化矽基陶瓷複合材料(C)填補成為修補區(1)，另在報廢晶圓承載盤(100)整體表面和該等修補區(1)表面，更均勻披覆一層新沉積的碳化矽層(2)，以形成回收再生晶圓承載盤(200)。

Description

回收再生晶圓承載盤及其修復方法

本發明涉及一種回收再生晶圓承載盤及其修復方法，尤指一種用於有機金屬化學氣相沉積[Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD]磊晶爐之晶圓承載盤[susceptor,wafer carrier or substrate holder]的回收再生及其修復。

高功率高亮度氮化鎵[GaN]系發光二極體[Light Emitting Diode,LED]為固態照明的核心材料，而MOCVD磊晶爐是製做GaN系LED磊晶圓不可或缺的設備。

MOCVD磊晶爐集精密機械、半導體材料、真空電子、流體力學、熱學、光學、化學等學科為一體，是一種自動化程度高、價格昂貴、技術集成度高的先進半導體材料製造專用設備。

MOCVD磊晶製程乃利用有機金屬化合物熱分解反應進行氣相磊晶生長半導體材料的方法。

MOCVD磊晶爐的主要系統組件包含：反應腔、反應氣體供應系統及廢氣處理系統；反應腔為氣體混合與發生反應的地方，腔體與反應氣體供應系統連接，藉由噴嘴或噴氣頭[showerhead]將反應氣體混合並輸送至磊晶圓表面。

腔體中則包含晶圓承載盤、加熱器等，晶圓承載盤需有效吸收加熱器提供的能量，並經由與晶圓直接熱接觸或以熱輻射方式，來加熱晶圓，使其達到磊晶生長反應所需溫度。

因此，晶圓承載盤必須具備良好的電磁波吸收和熱傳性質，以確保盤面溫度分佈均勻；通常一個設計良好的MOCVD反應腔，為了精確調控LED磊晶圓發光波長均勻性，其晶圓承載盤需配合加熱器，以提供最佳化晶圓溫度均勻性，以沉積品質良好的磊晶層，故晶圓承載盤為MOCVD磊晶爐中的重要零組件之一。

如第1圖所示為傳統單片式晶圓承載盤示意圖，而第2圖所示為傳統多片式晶圓承載盤示意圖；再參考第3圖，傳統晶圓承載盤(10)通常採用石墨底材(20)製作而成，表面上再利用CVD法鍍了一層厚度約70至120μm的碳化矽[SiC]鍍層(30)。

其中，碳化矽鍍層(30)的主要功能如下所示：

第一點：保護石墨底材(20)免於被MOCVD磊晶製程中的氨氣[NH₃]反應氣體侵蝕；碳化矽材料具有極佳的高溫化學穩定性，且CVD碳化矽鍍層(30)是一緻密的氣相生長多晶膜，在石墨表面鍍碳化矽後，能有效隔絕MOCVD製程氣體。

第二點：石墨底材(20)在高溫下容易大量放氣[outgassing]，釋出的氣體會污染MOCVD製程反應氣氛，降低磊晶層品質，石墨製之傳統晶圓承載盤(10)鍍上碳化矽鍍層(30)密封後，可有效防止此放氣現象。

第三點：提高石墨製之傳統晶圓承載盤(10)的熱傳性質，由於碳化矽的熱傳導與熱輻射係數皆高於石墨，在石墨表面鍍上一層碳化矽可獲得較佳的盤面均溫性。

第四點：由於石墨材料表面易於剝離產生粉塵，會對磊晶片造成微粒(particle)污染，以CVD碳化矽鍍膜後形成高硬度耐磨表層，不易產生微粒。

晶圓承載盤在使用過程中，可能因晶圓相對運動的碰撞、或是機械搬送過程的碰撞、又或者是人為意外碰撞等外來撞擊，造成崩角[chipping]或碳化矽膜層(30)破損的狀況，導致石墨底材(20)外露，此時傳統晶圓承載盤(10)就必須報廢。

即使無上述狀況，通常一般傳統晶圓承載盤(10)在使用一段時間後，也可能因為熱應力作用或表面輕微碰撞、刮傷而產生裂紋[crack]，又或者是因氨氣[NH₃]的蝕刻作用於碳化矽鍍層(30)的缺陷處，產生蝕孔[etch pit]。

而這些裂紋或蝕孔，在承載盤工作過程中的循環熱應力幫助下，會被加速傳播或擴大，一旦穿過碳化矽鍍層(30)到達石墨底材(20)，就會形成蝕刻石墨底材(20)的反應氣體通道。

氨氣[NH₃]在400℃以上開始分解釋出原子態氫[H]，GaN系LED在MOCVD磊晶製程時的承載盤溫度，可高達約1200℃，在此高溫下，氨氣將迅速分解釋出大量原子態氫；而原子態氫對石墨相的碳，有很強的反應性，若通過擴大的裂紋或蝕孔接觸到石墨底材(20)，原子態氫將強烈蝕刻石墨，反應生成氣態碳氫化合物，並混入氣相磊晶生長的氣氛中，使得磊晶層中的碳濃度逐漸升高，最終影響所生長LED的發光波長與亮度，此時承載盤即需考慮汰換更新。

當石墨底材(20)被原子態氫大量蝕刻反應後，留下底材被淘空的碳化矽表層，通常此處碳化矽鍍層(30)的顏色會由原本的藍灰色變成帶點橘色。

懸空的碳化矽鍍層(30)在隨後的使用過程中，易於破裂、剝離、或崩塌成為破洞，就如第4圖所示，出現大面積石墨底材(20)外露，此時承載盤就必須報廢；實際上報廢晶圓承載盤(100)上，除了肉眼可見的破損孔洞和一些碳化矽鍍層(30)中的微小裂紋和蝕孔以外，大部份的碳化矽鍍層(30)仍舊完好，整體晶圓承載盤結構也仍完整。

但是，長期以來報廢的晶圓承載盤，就只能丟棄，最終淪為事業廢棄物，回收再生晶圓承載盤目前仍不可得。

有鑑於此，如何提供一種有效性的回收再生晶圓承載盤以及其修復方法，便成為本發明欲改進的課題。

本發明之目的在於提供一種能解決晶圓承載盤報廢問題的回收再生晶圓承載盤及其修復方法。

為解決上述問題及達到本發明的目的，本發明在結構方面的技術手段是這樣實現的，一種回收再生晶圓承載盤結構，尤指一種回收再生晶圓承載盤，該回收再生晶圓承載盤(200)係針對報廢晶圓承載盤(100)再加工製成，該報廢晶圓承載盤(100)是石墨底材(20)且表面上鍍有一原有碳化矽鍍層(102)，於該報廢晶圓承載盤(100)上具有破損孔洞(101)，該孔洞(101)是在石墨底材(20)及原有碳化矽鍍層(102)上所形成的凹陷，其特徵在於：在報廢晶圓承載盤(100)的破損孔洞(101)處，以碳化矽基陶瓷複合材料(C)予以補平而形成完整的修補區(1)；在上述報廢晶圓承載盤(100)的整體表面及該修補區(1)表面，更均勻披覆一層新沉積的碳化矽層(2)。

更優選的是，所述原有碳化矽鍍層(102)上更包括裂紋(103)或蝕孔(104)，而在裂紋(103)或蝕孔(104)內均勻結合新沉積的碳化矽層(2)。

更優選的是，所述碳化矽基陶瓷複合材料(C)，其包含有陶瓷粉末(S)及碳化矽基體材料(M)。

更優選的是，所述陶瓷粉末(S)是下列之一或其混合：石墨粉末、鑽石粉末、矽粉末、碳化矽[SiC]粉末、碳化硼[B₄C]粉末、氮化硼[BN]粉末、氮化鋁[AlN]粉末、氮化矽[Si₃N₄]粉末、氧化鋁[Al₂O₃]粉末、氧化矽[SiO₂]粉末。

更優選的是，所述陶瓷粉末(S)的較佳粒徑為0.1μm至40μm之間。

更優選的是，所述新沉積的碳化矽層(2)厚度小於25μm，更佳為小於10μm。

為解決上述問題及達到本發明的目的，本發明在修復方面的技術手段是這樣實現的，為一種回收再生晶圓承載盤之修復方法，其係針對報廢晶圓承載盤(100)再加工製成，該報廢晶圓承載盤(100)是石墨底材(20)且表面上鍍有一原有碳化矽鍍層(102)，且該報廢晶圓承載盤(100)具有破損孔洞(101)，該孔洞(101)是在石墨底材(20)及原有碳化矽鍍層(102)上所形成的凹陷；其修復方法為：首先將陶瓷粉末(S)以黏結劑(Y)混合，經攪拌成一黏土狀的陶瓷粉末預成形體材料(P)，再將此陶瓷粉末預成形體材料(P)填補於報廢晶圓承載盤(100)的破損孔洞(101)處形成修補區(1)；接著再對該報廢晶圓承載盤(100)進行化學氣相滲透[CVI]碳化矽，使該陶瓷粉末預成形體材料(P)以氣相沉積的碳化矽基體材料(M)結合於該等修補區(1)，成為一碳化矽基陶瓷複合材料(C)並同時於該報廢晶圓承載盤(100)整體表面和該等修補區(1)表面，均勻披覆一層新沉積的碳化矽層(2)，最終形成回收再生晶圓承載盤(200)。

更優選的是，所述修復方法中，原有碳化矽鍍層(102)更包括裂紋(103)或蝕孔(104)，而所述化學氣相滲透[CVI]碳化矽，能讓反應氣體滲透進入裂紋(103)或蝕孔(104)內，以進行氣相沉積碳化矽反應。

更優選的是，所述修復方法中，陶瓷粉末(S)是下列之一或其混合：石墨粉末、鑽石粉末、矽粉末、碳化矽[SiC]粉末、碳化硼[B₄C]粉末、氮化硼[BN]粉末、氮化鋁[AlN]粉末、氮化矽[Si₃N₄]粉末、氧化鋁[Al₂O₃]粉末、氧化矽[SiO₂]粉末；並以選擇碳化矽[SiC]粉末為佳。

與現有技術比較，本發明具有如下的效果：

本發明中，利用填補碳化矽基陶瓷複合材料於報廢晶圓承載盤之破損孔洞處，並披覆一新沉積碳化矽層，可以再次完全包覆外露的石墨底材；另外，新沉積的碳化矽材料，也能夠癒合報廢承晶圓載盤原來碳化矽鍍層中已有的裂紋和蝕孔；因此，讓報廢的承載盤能恢復其原有的特性，再次循環使用，可以大幅節省LED磊晶製程耗材，並減少不必要的事業廢棄物。

1‧‧‧修補區

2‧‧‧新沉積碳化矽層

10‧‧‧傳統晶圓承載盤

20‧‧‧石墨底材

30‧‧‧碳化矽鍍層

100‧‧‧報廢晶圓承載盤

101‧‧‧破損孔洞

102‧‧‧原有碳化矽鍍層

103‧‧‧裂紋

104‧‧‧蝕孔

200‧‧‧回收再生晶圓承載盤

H‧‧‧口袋深度

N‧‧‧盤面粗糙度

F‧‧‧盤面平坦度

S‧‧‧陶瓷粉末

Y‧‧‧黏結劑

P‧‧‧陶瓷粉末預成形體材料

M‧‧‧碳化矽基體材料

C‧‧‧碳化矽基陶瓷複合材料

第1圖：傳統單片式晶圓承載盤的示意圖。

第2圖：傳統多片式晶圓承載盤的示意圖。

第3圖：為第2圖之晶圓承載盤的A-A剖面示意圖。

第4圖：報廢晶圓承載盤破損孔洞的剖面示意圖。

第5圖：報廢晶圓承載盤之破損孔洞填補陶瓷粉末預成形體材料以形成修補區時的剖面示意圖。

第6圖：為第5圖經化學氣相滲透碳化矽處理後成為回收再生晶圓承載盤的剖面示意圖。

以下依據圖面所示的實施例詳細說明如後：

如第5圖所示，本發明之修復方法，首先是將陶瓷粉末(S)配合黏結劑(Y)混合，經攪拌成一黏土狀之陶瓷粉末預成形體[preform]材料 (P)，再將此陶瓷粉末預成形體材料(P)填補於報廢晶圓承載盤(100)的破損孔洞(101)處，以形成修補區(1)。

接著請參考第6圖，再針對該報廢晶圓承載盤(100)，進行化學氣相滲透[Chemical Vapor Infiltration,CVI]碳化矽，使該陶瓷粉末預成形體材料(P)，以氣相沉積的碳化矽基體[matrix]材料(M)，結合於該等修補區(1)，並同時均勻披覆一新沉積碳化矽層(2)，於該報廢晶圓承載盤(100)整體表面和該等修補區(1)表面，最後成為一回收再生晶圓承載盤(200)。

本發明修復方法中使用的黏結劑(Y)，其較優的選擇是使用有機黏結劑，例如下列之一：聚乙烯醇、澱粉、聚醋酸乙烯、聚苯乙烯等，其中，黏結劑(Y)在化學氣相滲透過程中，會因高溫熱分解而氣化掉。

以化學氣相滲透[CVI]法沉積碳化矽時，其化學氣相沉積[CVD]反應，以採用甲基三氯矽烷[CH3SiCl3,methyltrichlorosilane]和氫氣[H2]的反應氣體為佳。

重要的是，不增加太多表面原有碳化矽鍍層(102)厚度，以免改變承載盤的口袋[pocket]深度(H)、盤面粗糙度(N)、和盤面平坦度(F)[請參考第3圖]，進而影響其所承載晶圓的溫度均勻性，新沉積的碳化矽層(2)如第6圖所示，具有一小於25μm的厚度，更佳為小於10μm的厚度。

藉由化學氣相滲透[CVI]法來盡量減少承載盤表面碳化矽沉積，讓碳化矽滲透沉積於該陶瓷粉末預成形體材料(P)的陶瓷粉末(S)表面、陶瓷粉末(S)之間的空隙、以及破損孔洞(101)內表面，使該陶瓷粉末預成形體材料(P)，以氣相沉積的碳化矽基體材料(M)，結合於該等修補區(1)，成為一碳化矽基陶瓷複合材料(C)，並以新沉積的碳化矽層(2)完整包覆破損的石墨底材(20)。

在不增加太多表面原有碳化矽鍍層(102)厚度下，仍然能夠於承載盤之破損孔洞(101)處，形成厚實的碳化矽基陶瓷複合材料保護層，以保護石墨底材(20)。

再者，利用化學氣相滲透[CVI]法也能讓反應氣體，滲透進入原有碳化矽鍍層(102)的裂紋(103)或蝕孔(104)內部，進行氣相沉積碳化矽的反應，讓裂紋(103)、蝕孔(104)內部空間重新長滿碳化矽材料，以癒合受損的原有碳化矽鍍層(102)。

本發明的方法中，所使用的陶瓷粉末(S)，是為下列之一或其混合：石墨粉末、鑽石粉末、矽粉末、碳化矽[SiC]粉末、碳化硼[B₄C]粉末、氮化硼[BN]粉末、氮化鋁[AlN]粉末、氮化矽[Si₃N₄]粉末、氧化鋁[Al₂O₃]粉末、氧化矽[SiO₂]粉末。

上述陶瓷粉末(S)中，以選擇碳化矽[SiC]粉末為佳；該陶瓷粉末(S)的較佳粒徑為0.1μm至40μm。

以上依據圖式所示的實施例詳細說明本發明的構造、特徵及作用效果；惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非據以限制本發明實施範圍，因此舉凡與本發明意旨相符的修飾性變化，只要在均等效果的範圍內都應涵屬於本發明專利範疇。