TW202218020A - 用於在爐內支撐半導體晶圓之晶圓舟 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於在一爐內支撐多個半導體晶圓之晶圓舟。該晶圓舟包含一組指狀物，各指狀物具有一接觸突起，其接觸且支撐一半導電晶圓。該等接觸突起可係配置成繞該晶圓舟之一旋轉對稱圖案。

Description

用於在爐內支撐半導體晶圓之晶圓舟
本發明係關於用於支撐半導體晶圓之半導體晶圓舟及更具體而言用於在爐內對半導體晶圓進行熱處理之半導體晶圓舟。
半導體晶圓在高溫下通常經熱處理(即，退火)以達成某些所要特性。例如，退火可用於在晶圓上產生一無缺陷矽層。該高溫退火程序通常在一垂直爐內實行，垂直爐使晶圓遭受高於1100°C(例如，在約1200°C至約1300°C之間)之溫度。
複數個半導體晶圓可藉由一晶圓舟或「機架」支撐在該垂直爐內。該晶圓舟包含半導體晶圓擱置於其上之一或多個支撐件。在暴露於高溫(尤其高於1100°C之溫度)期間，該等晶圓暫時地變得更具可塑性，即，該等晶圓之屈服強度降低。晶圓上支撐該晶圓之接觸區域可歸因於局部重力及熱應力而經歷滑動。滑動可將污染物引入至該晶圓中。此外，過度滑動可導致晶圓之塑性變形，從而導致生產問題，例如光微影覆疊故障引起裝置製造中之良率損失。
支撐件旨在固持半導體晶圓，同時最小化局部重力及熱應力以防止在該等晶圓經熱處理時滑動或塑性變形。傳統上，用於一垂直爐中之一晶圓舟包含三或更多個桿。該等桿具有通常位於一共同水平面上之橫向延伸指狀物。此組態係習知的且通常適用於加熱具有較小直徑之晶圓，例如200 mm或更小。與較小直徑之晶圓相比，較大直徑之晶圓(例如，大於200 mm)遭受較大局部重量及熱應力。此等較大直徑之晶圓傳統地裝載至提供用於支撐該等晶圓之一較大表面積之支撐環上。該等支撐環增加將半導體晶圓裝載及卸載至該晶圓舟上之時間。
需要包含支撐結構(其等減少局部重力及熱應力以便限制在支撐半導體晶圓時因其等在一退火程序期間遭受高溫而發生滑動)之晶圓舟及具有用於裝載及卸載晶圓之相對高吞吐量之晶圓舟。
此章節旨在向讀者介紹此項技術之各種態樣，其可與下文所描述及/或主張之本發明之各種態樣有關。此論述被認為有助於向讀者提供背景資訊以促進對本發明之各種態樣之更佳理解。因此，應了解，此等陳述應從此角度來閱讀，而不承認為先前技術。
本發明之一個態樣涉及一種用於在一爐內支撐複數個半導體晶圓之晶圓舟。該晶圓舟包含一垂直桿及沿著一指狀物軸自該垂直桿徑向向內延伸之一指狀物集合。該集合之各指狀物包含自該垂直桿延伸之一長形區段。一接觸突起朝向該指狀物之遠端安置於該長形區段上以接觸且支撐一半導體晶圓。該接觸突起之至少一部分相對於該長形區段凸起。該接觸突起具有一縱向接觸突起軸。該縱向接觸突起軸及該指狀物軸相對於彼此成角度。
存在相對於本發明之上述態樣提及之特徵之各種改進。進一步特徵亦可併入本發明之上述態樣中。此等改進及額外特徵可個別地存在或以任何組合存在。例如，下文相對於本發明之任何所繪示實施例論述之各種特徵可單獨或以任何組合併入本發明之上述任何態樣中。
本申請案主張2020年6月26日申請之第63/044,700號美國臨時專利申請案之權利，該案之全文以引用的方式併入本文中。
用於在一垂直爐內支撐複數個半導體晶圓之一實例性晶圓舟在圖1中通常表示為「10」。晶圓舟10在一高溫熱處理程序期間支撐複數個半導體晶圓(本文中亦稱為一「退火」)。晶圓舟10包含至少一個垂直桿12(且通常三個或更多個桿)，其耦合至晶圓舟10之頂部14及基座16。晶圓舟10包含自頂部14延伸至基座16之縱向中心軸Y 10。垂直桿12被配置成自縱向中心軸Y 10之一距離D 1(圖1)。
參考圖1至圖3，所繪示晶圓舟10包含三個垂直桿12及更特定而言一中心桿18及兩個前桿20。垂直桿12之各者經配置於以縱向中心軸Y 10為中心且具有一半徑R 1之一第一圓C 1上(圖2)。該兩個前桿20圍繞縱向中心軸Y 10以一第一角度α 1隔開。中心桿18在兩個前桿20之間間隔一相等圓周距離，使得中心桿18圍繞縱向中心軸Y 10以相對於兩個前桿20之各者之一第二角度α 2間隔。該兩個前桿20以第一角度α 1隔開，使得一入口24 (圖1)被界定於該兩個前桿20之間。第一角度α 1可為任何適合角度，使得入口24經設定尺寸以允許一半導體晶圓床通過入口24且被配置於晶圓舟10之一內部空間26內。例如，第一角度α 1可為180°或更大，且第二角度α 2可為90°或更小。
晶圓舟10包含自垂直桿12徑向向內延伸之指狀物30以支撐半導體晶圓(即，舟不包含用於支撐晶圓之支撐環)。該兩個前垂直桿20分別包含指狀物30之一第一及一第二集合36、38。該中心垂直桿18包含該等指狀物30之一第三集合40。指狀物30之第一集合36沿著一第一指狀物軸A 36延伸，指狀物30之第二集合38沿著一第二指狀物軸A 38延伸，且指狀物之第三集合40沿著一第三指狀物軸A 40延伸。各指狀物軸A 36、A 38、A 40自指狀物30之一近端32延伸至指狀物30之一遠端34。指狀物30之近端32靠近垂直桿12，且指狀物30之遠端34係安置於晶圓舟10之內部空間26內。該等指狀物30可係與垂直桿12一體地形成，例如可在一長形單件式結構中進行切割以形成該等指狀物30。替代地，該等指狀物30可係單獨地形成，且經耦合至該垂直桿12。
指狀物30之該等第一及第二集合36、38之指狀物軸A 36、A 38之各者延伸於該第一圓C 1之弦X 36、X 38上方。該等弦X 36、X 38未與晶圓舟10之縱向中心軸Y 10相交(即，指狀物之第一及第二集合36、38不居中，使得其等指向縱向中心軸Y 10)。指狀物30之第三集合40之指狀物軸A 40延伸於該第一圓C 1之弦X 40(其與縱向中心軸Y 10相交)上方。
自該等垂直桿12之各者延伸之指狀物30之一群組42位於相同大致水平面中以使指狀物30之群組42能夠支撐一半導體晶圓。在該群組42中之該等指狀物30之遠端34位於一第二圓C 2上。該第二圓C 2具有一半徑R 2且以縱向中心軸Y 10為中心。半徑R 2自指狀物30之遠端34延伸至晶圓舟10之縱向中心軸Y 10。在所繪示實施例中，該群組42中之該等指狀物30之該等遠端34之各者經配置在與該群組42中之其他指狀物30之其他遠端34之各者相距之一相等圓周距離處。例如，在包含指狀物30之第一、第二及第三集合36、38、40之所繪示實施例中，指狀物30之第一、第二及第三集合36、38、40之各者之遠端34各以一角度β 1隔開，β 1界定於以縱向中心軸Y 10為中心之第二圓C 2上。在所繪示實施例中，角度β 1為120°。
參考圖2及圖3，該等指狀物30之各者包含自該垂直桿12延伸之一長形區段50及朝向該指狀物30之遠端34安置在該長形區段50上之一接觸突起52。該接觸突起52接觸且支撐一半導體晶圓。該接觸突起52相對於該長形區段50凸起。該接觸突起52具有一第一端54、一第二端56及延伸穿過該接觸突起52之第一及第二端54、56之一縱向接觸突起軸A 52。該接觸突起52可用於支撐任何直徑之晶圓，包含200 mm直徑晶圓、300 mm直徑晶圓及/或直徑大於300 mm之晶圓。
對於指狀物30之第一及第二集合36、38，當自上方觀看(圖2)，縱向接觸突起軸A 52及各自指狀物軸A 36、A 38以角度λ 1相對於彼此成角度。該縱向接觸突起軸A 52與各自指狀物軸A 36、A 38之間之角度λ 1為至少5°或在其他實施例中為至少10°、至少15°、至少為20°、自5°至約90°，或自5°至約75°。當自上方觀看時(圖2)，對於指狀物30之第三集合，該縱向接觸突起軸A 52及該指狀物軸A 40以一角度λ 2相對於彼此成角度。角度λ 2為90°使得該縱向接觸突起軸A 52與該指狀物軸A 30彼此垂直。各縱向接觸突起軸A 52在該接觸突起52與該第三圓C 3相交之位置處與以晶圓舟10之縱向中心軸Y 10為中心之一第三圓C 3相切。在此配置中，該接觸突起52經配置成圍繞縱向中心軸Y 10之一旋轉對稱圖案(即，接觸突起圍繞中心軸Y 10類似地間隔及成角度)。
該等所繪示接觸突起52係圓形的(例如，各接觸突起之高度自其側至該等側中間之一頂點增大)。圓形接觸突起52包含形狀為大致圓柱形之一表面。各接觸突起52包含沿著縱向接觸突起軸A 52延伸之一長度L 1(圖3)及垂直於長度L 1之一寬度W 1。晶圓通常沿著縱向接觸突起軸A 52擱置在圓形接觸突起52上。
在一些實施例中，接觸突起52具有10 mm至25 mm之一寬度W 1及自20 mm至40 mm之一長度L 1。替代地或此外，自接觸突起52至縱向中心軸Y 10之距離可為75 mm至125 mm。在一些實施例中，該接觸突起52具有8 mm之一寬度W 1，30 mm之一長度L 1且自接觸突起52至縱向中心軸Y 10之距離為100 mm。
在一些實施例(諸如圖4中展示之實施例)中，接觸突起52係平坦的。類似於圖1至圖3之組件之圖4中展示之組件藉由圖1至圖3之對應元件符號加上「100」而指定(例如，零件52變為152)。平坦接觸突起152包含藉由縱向接觸突起軸A 152界定之一接觸表面153且包含藉由沿著縱向接觸突起軸A 152延伸之長度L 1及垂直於長度L 1之寬度W 1界定之一表面積。表面153整體上通常與擱置於該平坦接觸突起152上之半導體晶圓接觸。
替代地，突起52通常可為圓頂狀，其中半導體晶圓擱置於一相對較小之點狀區域上。
在圖5及圖6中展示接觸突起52之另一實施例。類似於圖1至圖3之組件之圖5至圖6中展示之組件藉由圖1至圖3之對應元件符號加上「200」而指定(例如，零件52變為252)。指狀物230包含一第一接觸突起252a，其相對於該長形區段250凸起。第一接觸突起252a具有一第一縱向接觸突起軸A 252a。指狀物230亦包含朝向該指狀物230之一遠端234安置之一第二接觸突起252b。該第二接觸突起252b之至少一部分相對於該長形區段250凸起。該等第一及第二接觸突起252a、252b之各者接觸且支撐一半導體晶圓。該第二接觸突起252b包含一第一端254、一第二端256及在第一端254與第二端256之間延伸之一第二縱向接觸突起軸A 252b。在該所繪示實施例中，該第一縱向接觸突起軸A 252a與該第二縱向接觸突起軸A 252b大體上彼此平行。
對於指狀物230之第一及第二集合236、238，第一及第二突起軸A 252a、A 252b相對於指狀物軸A 230以角度λ 201成角度。對於指狀物230之第三集合240，第一及第二突起軸A 252a、A 252b大體上平行於第一軸A 230。第一及第二接觸突起252a、252b可相對於指狀物軸A 230以任何角度λ 201配置，使得該等接觸突起252a、252b配置成圍繞該縱向中心軸Y 210之旋轉對稱圖案。
第一及第二接觸突起252a、252b具有一長形形狀，其具有沿著第一及第二突起軸A 252a、A 252b延伸之一長度L 2。該等第一及第二接觸突起252a、252b可分離達一距離W 2。在一些實施例中，W 2係自10 mm至40 mm、15 mm至30 mm或如其他實施例中係24 mm。該等第一及第二接觸突起252a、252b可具有多種形狀，諸如圓柱形橫截面、矩形橫截面(即，平坦接觸)或梯形橫截面(即，平坦化頂部區段)。
位於一共同水平面中之接觸突起252a、252b之各群組242與一晶圓接觸並支撐該晶圓。該晶圓擱置於接觸突起252a、252b之各者之頂部上使得晶圓之重量通常均勻地分佈至各接觸突起252上。在該所繪示實施例中，在該群組242中之六個接觸突起252a、252b之各者支撐該晶圓之重量之1/6。
圖7中展示接觸突起352之另一實施例。類似於圖1至圖3之組件之圖7中展示之組件係藉由圖1至圖3之對應元件符號加上「300」而指定(例如，零件10變為310)。參考圖7，該等指狀物330之各者包含自一一垂直桿312延伸之一長形區段350。該等指狀物330包含支撐一第一及第二接觸突起352a、352b之一平台360。平台360藉由一銷362耦合至該長形區段350，銷362藉由一圓柱形接頭或一萬向接頭364樞轉連接至長形區段350。相應地，銷362及萬向接頭364允許平台360相對於該長形區段350樞轉。平台360支撐第一及第二接觸突起352a、352b，其等之各者接觸且支撐一半導體晶圓。
藉由銷362及萬向接頭364實現之平台360之樞轉抵銷由加工不準確度引起之不均勻負載分佈，且允許平台360回應於接觸突起352a、352b上之不均勻負載而樞轉。平台360可樞轉以將晶圓重量更均勻地分佈在接觸突起352a、352b之各者上。在將晶圓舟310放置在該垂直爐中且暴露於氧化之後，銷362及萬向接頭364將變得固定，從而在退火程序期間防止平台360之進一步樞轉。
與習知晶圓舟相比，本發明之晶圓舟具有若干優點。在其中晶圓舟包含以旋轉對稱圖案配置之一或多個接觸突起的實施例中，經裝載至晶圓舟上之半導體晶圓中的局部重力及熱應力在退火期間被减小，這减小滑移。在其中晶圓舟包含支撐具有兩個或更多個接觸突起之一平台之一銷及萬向接頭的實施例中，平台可樞轉以調整由加工不準確度引起之接觸突起的不均勻負載。 實例
藉由以下實例進一步繪示本發明之程序。此等實例不應被視為限制性。 實例1：不同舟設計之晶圓中之峰值應力
使用一有限元素模型針對具有不同指狀物配置之不同舟設計量測晶圓中之峰值應力。一種晶圓舟包含具有平坦接觸突起之指狀物，其中自前桿延伸之指狀物之接觸突起不相對於指狀物軸成角度(即，接觸突起軸及指狀物軸平行，從而引起接觸突起不旋轉對稱)。一第二晶圓舟與第一晶圓舟類似，但該等接觸突起係圓柱形。一第三晶圓舟包含如圖2中展示般配置之圓柱形接觸件(即，該等指狀物自具有接觸突起相對於該指狀物軸成角度之兩個前桿延伸且該等指狀物自垂直於該中心軸之中心桿延伸使得該等接觸突起旋轉對稱）。一第四舟包含各指狀物上之如圖5至圖6中展示之旋轉對稱之兩個接觸突起。在下表1中展示用於各舟之峰值應力：
晶圓舟 晶圓中之峰值應力 (MPa)
舟1 (平坦–不旋轉對稱) 1.33
舟2 (圓柱形–不旋轉對稱) 1.34
舟3(圓柱形–旋轉對稱) 1.18
舟4 (兩個小接觸突起–旋轉對稱) 1.19
表1：針對具有接觸突起之不同配置之不同舟設計之晶圓中之峰值應力
如表1中所示，其中接觸突起旋轉對稱(舟3及4)之晶圓舟已降低峰值應力，此减少在該等晶片舟中退火之半導體晶圓中之滑移。
如本文中所使用，術語「大約」、「實質上」、「基本上」及「大約」當與尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍一起使用時意謂涵蓋可能存在於性質或特性範圍之上限及/或下限中之變動，包含例如起因於捨入、量測計量或其他統計變動之變動。
在介紹本發明或本發明之(若干)實施例之元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」及「該等」旨在意謂存在一或多個元件。術語「包括」、「包含」、「含有」及「具有」旨在為包含性且意謂可存在除所列元件之外之額外元件。使用指示一特定定向之術語(例如，「頂部」、「底部」、「側」等)係為了便於描述，且不需要所描述項目之任何特定定向。
由於可在不脫離本發明之範疇之情况下對上述構造及方法進行各種改變，上文描述中含有及(若干)附圖中所示之所有內容旨在應解釋為闡釋性而非限制性。
10:晶圓舟 12:垂直桿 14:頂部 16:基座 18:中心桿 20:前桿 24:入口 26:內部空間 30:指狀物 32:近端 34:遠端 36:第一集合 38:第二集合 40:第三集合 42:群組 50:長形區段 52:接觸突起 54:第一端 56:第二端 130:指狀物 150:長形區段 152:接觸突起 153:接觸表面 154:第一端 156:第二端 230:指狀物 232:近端 234:遠端 236:第一集合 238:第二集合 240:第三集合 242:群組 250:長形區段 252:接觸突起 252a:第一接觸突起 252b:第二接觸突起 254:第一端 256:第二端 310:晶圓舟 312:垂直桿 330:指狀物 332:近端 334:遠端 350:長形區段 352:接觸突起 352a:第一接觸突起 352b:第二接觸突起 360:平台 362:銷 364:萬向接頭 A 36:第一指狀物軸 A 38:第二指狀物軸 A 40:第三指狀物軸 A 52:(縱向接觸)突起軸 A 136:第一指狀物軸 A 152:(縱向接觸)突起軸 A 230:指狀物軸 A 236:第一指狀物軸 A 240:第三指狀物軸 A 252a:第一(縱向接觸)突起軸 A 252b:第二(縱向接觸)突起軸 A 330:指狀物軸 C 1:第一圓 C 2:第二圓 C 3:第三圓 C 201:第一圓 C 202:第二圓 C 203:第三圓 D 1:距離 L 1:長度 L 2:長度 L 202:長度 R 1:半徑 R 2:半徑 R 3:半徑 R 201:半徑 R 202:半徑 R 203:半徑 W 1:寬度 W 2:距離 W 202:距離 X 36:弦 X 38:弦 X 40:弦 X 236:弦 X 238:弦 X 240:弦 Y 10:(縱向)中心軸 Y 210:(縱向)中心軸 α 1:第一角度 α 201:第一角度 α 2:第二角度 α 202:第二角度 β 1:角度 β 201:角度 λ 1:角度 λ 2:角度 λ 201:角度
圖1係一晶圓舟之一透視圖；
圖2係展示接觸突起之晶圓舟之一俯視圖；
圖3係晶圓舟之一接觸突起之一詳細視圖；
圖4係一接觸突起之另一實施例之一詳細視圖；
圖5係具有接觸突起之另一實施例之一晶圓舟之一俯視圖；
圖6係圖5中展示之接觸突起之一詳細視圖；及
圖7係藉由一銷及萬向接頭支撐之接觸突起之一詳細視圖。
貫穿圖式，對應元件符號指示對應部分。
30:指狀物
32:近端
34:遠端
42:群組
50:長形區段
52:接觸突起
X36:弦
X38:弦
X40:弦
α1:第一角度
α2:第二角度
C1:第一圓
C2:第二圓
C3:第三圓
λ1:角度
λ2:角度
A36:第一指狀物軸
A38:第二指狀物軸
A40:第三指狀物軸
R1:半徑
R2:半徑
R3:半徑
Y10:(縱向)中心軸
β1:角度

Claims (18)

  1. 一種用於在一爐內支撐複數個半導體晶圓之晶圓舟，其包括： 一垂直桿； 一指狀物集合，其沿著一指狀物軸自該垂直桿徑向向內延伸，該集合之各指狀物包括： 一長形區段，其自該垂直桿延伸；及 一接觸突起，其係朝向該指狀物之一遠端安置於該長形區段上以接觸且支撐一半導體晶圓，該接觸突起之至少一部分相對於該長形區段凸起，該接觸突起具有一縱向接觸突起軸，該縱向接觸突起軸及該指狀物軸相對於彼此成角度。
  2. 如請求項1之晶圓舟，其中該接觸突起係圓形的。
  3. 如請求項2之晶圓舟，其中該接觸突起具有10 mm至25 mm之一寬度、20 mm至40 mm之一長度，且自該接觸突起至該晶圓舟之一縱向中心軸之距離為自75 mm至125 mm。
  4. 如請求項2之晶圓舟，其中該接觸突起具有16 mm之一寬度、30 mm之一長度，且自該接觸突起至該晶圓舟之一縱向中心軸的該距離為100 mm。
  5. 如請求項1之晶圓舟，其中該接觸突起係平坦的。
  6. 如請求項1之晶圓舟，其中該縱向接觸突起軸與該指狀物軸之間的角度係至少5°。
  7. 如請求項1之晶圓舟，其中該縱向接觸突起軸與該指狀物軸之間的該角度係至少20°。
  8. 如請求項1之晶圓舟，其中該縱向接觸突起軸與該指狀物軸之間的該角度係5°至大約75°。
  9. 如請求項1之晶圓舟，其中該縱向接觸突起軸在其中該接觸突起與該圓相交之一位置處係與以該晶圓舟之一縱向中心軸為中心之一圓相切。
  10. 如請求項1之晶圓舟，其中該接觸突起係一第一接觸突起，且該縱向接觸突起軸係一縱向第一接觸突起軸，該指狀物包括朝向該指狀物之一遠端以接觸且支撐一半導體晶圓之一第二接觸突起，該第二接觸突起之至少一部分係相對於該長形區段凸起，該第二接觸突起具有一縱向第二接觸突起軸，該縱向第二接觸突起軸及該指狀物軸相對於彼此成角度。
  11. 如請求項10之晶圓舟，其中該縱向第二接觸突起軸平行於該縱向第一接觸突起軸。
  12. 如請求項10之晶圓舟，其中該等第一及第二接觸突起係由一平台支撐，該平台經安裝至可繞經安裝至該長形區段之該遠端之一萬向接頭樞轉之一銷。
  13. 如請求項1之晶圓舟，其中該指狀物軸延伸於以該晶圓舟之一縱向中心軸為中心之一圓之一弦上方，該弦不與該晶圓舟之該縱向中心軸相交。
  14. 如請求項13之晶圓舟，其中該垂直桿係一第一桿，該指狀物集合係一第一指狀物集合，且該弦係一第一弦，該晶圓舟包括： 一第二垂直桿； 一第二指狀物集合，其沿著一第二指狀物軸自該第二垂直桿徑向向內延伸，該第二指狀物軸延伸於該圓之一第二弦上方，該第二弦不與該晶圓舟之該縱向中心軸相交，該第二集合之各指狀物包括： 一長形區段，其自該第二垂直桿延伸；及 一接觸突起，其係朝向該指狀物之一遠端安置於該長形區段上以接觸且支撐一半導體晶圓，該接觸突起之至少一部分相對於該長形區段凸起，該接觸突起具有一縱向接觸突起軸，該縱向突起軸及該第二指狀物軸相對於彼此成角度。
  15. 如請求項14之晶圓舟，進一步包括： 一第三垂直桿； 一第三指狀物集合，其沿著一第三指狀物軸自該第三垂直桿徑向向內延伸，該第三指狀物軸延伸於該圓之一第三弦上方，該第三弦與該晶圓舟之該縱向中心軸相交，該第三集合之各指狀物包括： 一長形區段，其自該第三垂直桿延伸；及 一接觸突起，其朝向該指狀物之一遠端安置於該長形區段上以接觸且支撐一半導體晶圓，該接觸突起之至少一部分相對於該長形區段凸起，該接觸突起具有一縱向接觸突起軸，該突起軸及該第三指狀物軸係垂直的。
  16. 如請求項15之晶圓舟，其中各指狀物之該遠端圍繞該晶圓舟間隔約120°。
  17. 如請求項15之晶圓舟，其中該第一集合、該第二集合及該第三集合之各者之該等接觸突起圍繞該晶圓舟間隔120°。
  18. 如請求項15之晶圓舟，其中該第一集合、該第二集合及該第三集合之各者之該等接觸突起經配置使得該第一集合、該第二集合及該第三集合之該等接觸突起呈一旋轉對稱圖案。
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