TW202410115A - 用於在複數個供體底材中形成易脆平面之植入輪 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種用於在複數個供體晶圓(3)中形成脆化平面的植入輪(1)，植入輪(1)包括主盤(1a)和設置在主盤(1a)的一面上的複數個晶圓支架(2)，每個晶圓支架(2)具有一容納表面，在該容納表面上設置供體晶圓(3)的一個面，稱為後表面。依照第一態樣，該容納表面至少部分地包括表層彈性體層(2b)，表層彈性體層(2b)的尺寸至少等於供體晶圓(3)後表面的尺寸。依照另一態樣，複數個晶圓支架(2)的每個容納表面具有彎曲形狀，該彎曲形狀被選定成對應於供體晶圓在溫度作用下變形時的形狀。

Description

用於在複數個供體底材中形成易脆平面之植入輪

本發明屬於離子植入領域，詳言之其涉及離子植入設備，該設備被設計成可在依照Smart Cut®技術實施的薄層移轉製程的背景下，在複數個供體晶圓中形成脆化平面。

文件US2020186117提出藉由實施Smart Cut®技術將鐵電材質薄層移轉到支撐底材上。支撐底材的熱膨脹係數不同於構成被移轉薄層的鐵電材料的熱膨脹係數。尤其可爲矽質支撐底材。

Smart Cut®技術藉由將輕質物種引入供體底材來界定出一薄層，輕質物種集中在脆化平面中，其位於該物種的平均滲透深度。接著將供體底材接合到支撐底材上，並在脆化平面上分離薄層以移轉該層。在該層是由鐵電及/或壓電材料製成的情況下，並且當輕質物種係選自氫離子和氦離子時，分離是藉由稍微增加接合件所承受的溫度(約170°C)而引起。

為了限制溫度升高時接合件所產生的應力，特別是在前述的分離步驟期間，文件US2020186117提出使供體底材由鐵電材料厚層和臨時底材(handling substrate)的組件而構成，臨時底材的熱膨脹係數與支撐底材的熱膨脹係數相似。下文將這種供體底材稱爲供體異質結構(donor heterostructure)。

將輕質物種引入供體異質結構的步驟可以離子植入設備進行。圖1a和圖1b繪示這種設備的已知配置的概要示意圖。

離子植入設備的植入輪1包括主盤1a，其設置在相對於垂直方向具有小角度（通常在5°和10°之間）的平面中。植入輪將複數個支架2承載於其一面上，用於分別承接複數個供體異質結構。主盤圍繞穿過其中心的垂直軸R而旋轉，速度可達1200 rpm。支架具有楔形物2a，當植入輪以高速旋轉時，供體異質結構的邊緣緊靠在楔形物2a上。在這個旋轉過程中，供體異質結構的暴露面連續地面對輕物種離子源S（例如氫離子或氦離子），物種被加速到已知能量並形成一離子束F，其定義出植入電流（implantation current）。植入能量、植入電流和暴露於離子束的持續時間形成已知植入物種的植入條件。植入能量界定出離子的平均穿透深度，而植入電流界定出已知暴露持續時間內的植入劑量。離子束F掃過供體異質結構的所有暴露表面。

此種離子植入設備爲已知，可參考諸如文件US20070158583A1、US4832781或US5040484。

離子穿透供體異質結構所貢獻的能量往往會加熱此異質結構。為了避免過熱，有冷卻流體（通常是水）在其中循環的管道會穿過主盤和植入輪的支架。供體異質結構壓在支架上，支架形成散熱器，因此重要的是這些異質結構確實與支架緊密接觸以促進熱的排出。因此通常這些支架（其可以由鋁塊形成以有助於散熱）會配備由彈性體製成的表層部分，使其得以確保這種緊密接觸。

通常會藉由增加離子束電流來縮短植入步驟的持續時間，這樣，對供體異質結構所貢獻的功率就會增加，其溫度也會升高。

為了提高具有厚鐵電層的供體異質結構的植入電流，申請人已觀察到在植入步驟期間有薄層剝離的情況。儘管在這個步驟期間已採取所有措施來冷卻植入主盤的支架，但仍會發生這種不樂見的現象，導致無法進行層移轉步驟。

本發明的一個目標是提供一種能夠解決上述問題的植入輪。詳言之，本發明的一個目標是提出一種植入輪，其特別適合在各種植入條件下對供體異質結構進行植入，而不會導致供體異質結構過早剝離。

為了實現該目的，本發明提出一種用於在複數個供體晶圓中形成脆化平面的植入輪，其包括主盤和設置在主盤一面上的複數個晶圓支架，該植入輪包括用於冷卻晶圓支架及/或主盤的冷卻迴路，每個晶圓支架具有一容納表面，供體晶圓的一個面（以下稱「後表面」）設置在該容納表面上。

依照本發明，複數個晶圓支架的每個容納表面具有一彎曲形狀，該彎曲形狀被選定成對應於供體晶圓在溫度作用下變形時的形狀。

依照本發明的其他有利和非限制性特徵，其可單獨應用或以任何技術上可行的組合而使用： -     每個容納表面包括一表層彈性體層以供該供體晶圓之後表面置於其上，該表層彈性體層的尺寸至少等於該供體晶圓之後表面的尺寸，以使該供體晶圓之後表面的整個範圍能與該晶圓支架接觸； -     表層彈性體層具有可變厚度，該可變厚度界定出該晶圓支架的彎曲形狀； -     該彎曲形狀爲一凹陷凹槽的形式或一凸起圓頂的形式； -     該凹陷凹槽或該凸起圓頂的高度在0.1 mm及5 mm之間； -     植入輪具有界定出旋轉軸之對稱軸線，且其中該些晶圓支架的每個容納表面被定向成朝向該旋轉軸，如此，在植入輪旋轉期間，垂直於容納表面的離心力之分量被施加到該供體晶圓，並將該供體晶圓壓在該容納表面上； -     每個晶圓支架配備楔形物，該楔形物用於在植入輪旋轉期間，對抗施加在該供體晶圓上的離心力分量(共面於該容納表面)，以固持住該供體晶圓； -     每個晶圓支架的容納表面在該楔形物處達到最大值； -     每個晶圓支架各配備一可伸縮栓銷（retractable peg）； -     每個晶圓支架配備至少一個夾具，該夾具用於定置一晶圓並使其緊靠該楔形物而固持住； -     每個晶圓支架的容納表面有相對於該晶圓支架的底部的隆起，該容納表面的隆起在該楔形物處達到最大值。

在本說明書的其餘部分中使用的與層或底材相關一詞「熱膨脹係數」，係指在界定出該層或該底材的主平面中沿一限定方向的膨脹係數。如果材料是非等向性的，則保留的係數值將是最大幅度的係數值。該係數值係在室溫下測得。

預備實驗為了理解前文提及的剝離現象的成因，申請人進行了一系列探索性實驗。在實驗過程中，在用於形成脆化平面條件下的植入步驟中，依照Smart Cut®技術測量在異質結構中形成的供體異質結構的空間溫度分佈（spatial temperature profile）。詳言之，使用習知技術的離子植入設備以大約16mA的植入電流和大約137keV的能量引入3.0×10^16at/cm^2劑量的氫。供體異質結構由一層厚度在15-20微米之間的壓電材料接合到矽晶圓上而形成。藉由在異質結構的前表面（即暴露於離子束的表面）上分佈複數個覆蓋有Kapton薄膜的熱敏黏合劑貼片來測量異質結構的溫度。每個貼片都有一個視覺指示器，指示出其暴露的最高溫度。藉由將這些貼片放置在晶圓的一個表面上，並在實驗結束時注意每個貼片的視覺指示器，可以估計在植入步驟期間晶圓中形成的空間溫度分佈。

在相同的植入條件下重複相同的實驗，這次將植入步驟應用於固體矽晶圓，其與形成供體異質結構的臨時底材的晶圓完全相同。下表列出這些實驗的結果。

從實驗結果可以看出，供體異質結構所達到的溫度，令人驚訝地遠高於簡單矽晶圓所達到的溫度。值得注意的是，該溫度甚至可以超過160°C，甚至接近或達到剝離溫度（exfoliation temperature），如引言中所述，在應用Smart Cut®技術的情況下，該溫度接近會導致薄鐵電層分離的溫度。因此可以理解為什麼在植入步驟期間可以觀察到薄層的剝離。

此外，在植入矽晶圓（中心升溫低於邊緣升溫）的情況下，觀察到與植入供體異質結構的情況相反的空間溫度分佈（邊緣升溫低於中心升溫）。

在試圖解釋這些結果時，申請人觀察到，在用於進行這些實驗的習知技術植入設備中，植入輪支架的表層彈性體部分（用於確保支架和植入晶圓之間的熱接觸）沒有完全延伸到晶圓的整個後表面下方。從圖2a可以看出，該圖繪示植入步驟開始之前佈置在晶圓支架上的供體異質結構3，該表層彈性體部分2b具有圓形形狀，且其上以同樣圓形的晶圓3為中心，表層彈性體部分2b的直徑小於晶圓的直徑。因此晶圓後表面的周邊環C(數毫米)沒有與該表層彈性體層2b緊密接觸，從而在植入步驟期間該處積累的熱無法被排出。因此，該熱傾向於朝晶圓3的中心部分擴散並因此升高中心的平均溫度。如果這是一個供體異質結構3，如引言中所述，由鐵電材料厚層和臨時底材成形成，二者表現出不同的熱膨脹係數，則平均溫度的升高往往會使供體異質結構3變形，變形呈現凸起以適應這些應力。如圖2b繪示，由於植入步驟期間發生的溫度升高，而使得供體異質結構3變形。這種凸起傾向於從植入輪的支架上將異質結構的中心部分移開，僅在外圍圈保持接觸，如圖2b所示。由膨脹係數差異所產生的應力大於離心力，離心力傾向於將異質結構壓在支架的表層彈性體部分上，使其緊密接觸。一旦失去這種緊密接觸，植入過程中在供體異質結構3內積累的熱就不能再以相同的效率排散，這往往會使異質結構的變形現象更嚴重，且熱失控效應導致其溫度升高，直到局部至少達到剝離溫度。供體異質結構3的中心部分不再與支架2接觸的原因，往往是因為中心部分比邊緣達到更高的溫度，這也解釋了爲何邊緣部分與支架2保持接觸。

改良的植入輪以下說明提出一種改良植入輪，旨在防止供體晶圓（尤其是供體異質結構）暴露於輕質物種（通常是氫或氦）離子束中以形成脆化平面時的溫度過度升高。

當供體晶圓是由設置在臨時底材上的厚層組成的供體異質結構時，該植入輪特別有用，臨時底材和厚層的熱膨脹係數彼此不同，例如相差至少5％。然而，該植入輪亦可應用於任何類型的供體晶圓。

與圖1a和1b所示類似，植入輪包括主盤1a和複數個晶圓支架2，其舉例而言環形地佈置在主盤1a的一個面上。每個晶圓支架2具有容納表面，用於接納供體晶圓的後表面。晶圓支架2由實心金屬部件形成，例如由鋁製成，其界定出容納表面。該容納表面有利地至少部分地配備有表層彈性體層。該層可表現出用於限制供體晶圓滑動的粗糙度，用於保持與晶圓的後表面緊密接觸並可有效地釋放離子植入步驟中容易積聚在該處的熱。因此該表層彈性體層的組成材料被選定為具有良好導熱性，以使得熱能夠流向晶圓支架。可為這種材料提供導熱性顆粒，例如基於碳或氧化鋁的顆粒，以促進該層的導熱性質。可藉由在晶圓支架的金屬部分上沉積（例如旋塗製程）而形成表層彈性體層。作為替代方案，該層可以黏合膜的形式切割成具晶圓支架2金屬部分的尺寸，以便放置在容納表面上。

支架2及/或主盤1a可以利用冷卻迴路冷卻，以便在整個植入步驟中將來自供體晶圓的熱排出。

植入輪1具有一對稱軸R（垂直於組成植入輪的主盤的面並穿過主盤中心）其界定出植入輪的旋轉軸。在植入步驟中，植入輪1圍繞對稱軸R旋轉（輔以掃掠運動）以便將固持在支架上的供體晶圓依次暴露於植入設備源所產生的輕離子束中。

複數個晶圓支架2的每個容納表面朝著旋轉軸定向，以便在植入輪1旋轉期間使垂直於容納表面的離心力分量被施加到供體晶圓。該離心力傾向於壓住供體晶圓並將其保持在容納表面上。為了將支架的容納表面朝向承托支架的植入輪的旋轉軸，所述支架在朝向植入輪中心那一側的厚度，小於與植入輪中心相對那一側的厚度，如圖3a清楚所示。

每個晶圓支架2都配備一楔形物2a，通常是緊密貼合供體晶圓形狀的側面楔形物，該楔形物藉由抵抗在植入輪旋轉期間施加到晶圓的離心力分量(其與容納表面共面)而固持該晶圓。

最後，眾所周知，每個晶圓支架都配備至少一夾具（未繪出），用於將供體晶圓精確定位在支架上，並在植入輪不轉動時使晶圓頂住楔形物。

依照圖3a所示第一實施例，彈性體層2b的尺寸至少等於供體晶圓3後表面的尺寸，以使該後表面的整個範圍能夠與晶圓支架2接觸。有利的是，彈性體層2b的尺寸嚴格地大於供體晶圓3後表面的尺寸。

這樣，就避免了在植入步驟中，多餘的熱在晶圓的周邊環 C 中積聚，而該周邊環 C 與彈性體層 2b 並不緊密接觸，如習知技術組構會發生的情況。這樣就能防止或延緩因供體異質結構3平均溫度逐漸升高而發生失控現象，這種現象會導致晶圓變形及晶圓後表面與彈性體層之間失去緊密接觸。因此，本發明可在不使晶圓平均溫度升高到超過導致薄層至少一部分剝離的臨界溫度情況下，執行植入步驟。因此，與使用習知技術的設備相比，本發明可在更大範圍內應用植入條件（應記得，植入條件主要由植入電流、植入能量和暴露於離子束的持續時間來決定）。藉由增加植入電流但不用冒着引起剝離現象的風險，本發明可明顯縮短暴露於離子束的持續時間，從而縮短植入步驟的持續時間。

依照圖3b和3c繪示的第二實施例，複數個供體晶圓支架2的各容納表面具有一彎曲形狀，該彎曲形狀被選定成對應於供體晶圓在溫度作用下變形時凸起或凹陷的形狀。

藉由提供支架2這個彎曲形狀（當供體晶圓的溫度在植入步驟中升高時，支架2傾向於緊密跟隨供體晶圓的形狀）晶圓後表面與支架容納表面之間的緊密接觸得以維持，並確保熱在支架2中擴散排出，從而限制了植入步驟期間的溫度升高。

應注意到的是，一開始在環境溫度下將平坦且未變形的供體晶圓放置在彎曲的支架上時，並未在晶圓的整個範圍內獲得緊密接觸。然而，當植入輪旋轉時立即產生的離心力的法向分量，趨向於將供體晶圓3壓在容納表面上，以使供體晶圓3的後表面整個緊靠著容納表面。當供體晶圓3具有相對較低溫度（接近環境溫度）時，這種初始應力會隨著晶圓暴露於離子束中而產生的溫度升高而減少。這樣即使在溫度升高時也得以維持這種整體緊密接觸，而不會引起習知技術組構所產生的熱失控。

圖3d繪示第二實施例的變化例。在此變化例中，容納表面的隆起h(在支架底部，亦即面向主盤1的主平面)在楔形物2a處達到最大值。因此，該彎曲使得供體晶圓3最初放置在支架2上時，有一側與楔形物2a接觸並且其後表面靠近楔形物側的一部分與容納表面接觸。在此配置中，且在植入輪旋轉期間，利用離心力作用及晶圓的變形來控制供體晶圓3與楔形物2a的緊靠。詳言之，可獲得晶圓3側面與楔形物2a之間的強制接觸，同時該側面附近的後表面確實與支架2的容納表面接觸。供體晶圓3可變形，以便從初始接觸區逐漸拓展其整個後表面和容納表面之間的接觸。

使用常規夾具將供體晶圓3放置在支架上的初始期間，可能很難將供體晶圓3保持在圖3d所示位置。因此本發明亦可有利地為支架2配備至少一個可伸縮栓銷4，如圖3e所示。栓銷4的第一端旨在與供體晶圓3後表面接觸，以有助於將供體晶圓保持在適當位置。栓銷的第一端可以採用球體形狀，進而能夠與後表面進行點接觸，以避免後表面被損壞。栓銷與彈簧5（或任何其他固持機構）相互作用，以使栓銷保持在高位置，其中，栓銷第一端的高度基本上對應於楔形物2a處的容納表面隆起的高度。將彈簧5（或更普遍的固持機構）的剛度選定成足夠低，以在植入輪旋轉時不會對供體晶圓3的變形產生抵抗。在容納於支架2的過程中，施加到供體晶圓的變形力會使栓銷縮回，使栓銷移到一邊，從而使供體晶圓3的後表面與該支架的容納表面緊密接觸。

根據構成供體異質結構之厚層和臨時底材的材料性質，後者可在溫度的作用下單獨變形。在第一配置中，當厚層的熱膨脹係數大於臨時底材的熱膨脹係數時，供體晶圓傾向變形為圓頂形狀，其凸面（頂點）朝向後表面的相對側。相較之下，在第二配置中，當厚層的熱膨脹係數小於臨時底材的熱膨脹係數時，供體晶圓傾向朝著其後表面凸起（頂點）而變形。

在該實施例中，晶圓支架2的彎曲形狀當然地被選定成對應於晶圓在溫度的作用下變形時的整體形狀，也就是說，根據形成供體晶圓的材料的性質，支架具有凹陷凹槽或凸起圓頂的形狀。因此，圖3b、圖3d和圖3e所示的晶圓支架2特別適用於供體晶圓的第一配置，而圖3c所示的晶圓支架特別適用於第二配置。

彎曲形狀頂點的高度當然取決於構成供體晶圓的材料性質、供體晶圓尺寸，以及植入步驟期間供體晶圓能夠接受但不會觸發剝離現象的溫度。該高度可以精確到毫米級並且通常介於0.1毫米和5毫米之間。

在該實施例中，彈性體層不是絕對必要的，儘管彈性體層若存在通常是非常有利的。當彈性體層存在時，彈性體層的尺寸不必然能夠與供體晶圓的整個後表面接觸。

然而，當然可以組合這兩實施例並提供呈彎曲形狀的晶圓支架2，而該晶圓支架2設有與供體晶圓整個後表面接觸的彈性體層。

支架的彎曲形狀可藉由機械加工獲得，特別是當支架由金屬製成時。當支架具有表層彈性體層時，該表層彈性體層具有可變厚度，從而界定出支架的彎曲形狀。

本發明不限於此處所描述的實施例，並且在不脫離由請求項所限定的本發明範疇的情況下，可實施各種變化例。

1:植入輪 1a:主盤 2:晶圓支架 2a:楔形物 2b:表層彈性體層 3:供體異質結構 4:可伸縮栓銷 5:彈簧 C:周邊環 F:離子束 h:隆起 R:旋轉軸 S:離子源

以下參考所附圖式詳細描述本發明，本發明的其他特徵和優點將顯而易見，其中：圖1a繪示習知技術和依照本發明的離子植入設備的配置示意圖；圖1b概要繪示習知技術和依照本發明的植入輪的前視圖；圖2a和圖2b分別繪示在離子植入步驟之前和期間，設置在習知技術晶圓支架上的供體晶圓；圖3a、圖3b、圖3c、圖3d和圖3e繪示依照本發明的植入輪的晶圓支架。

2:晶圓支架

2a:楔形物

2b:表層彈性體層

Claims (10)

1. 一種用於在複數個供體晶圓中形成一脆化平面之植入輪(1)，該植入輪包括一主盤(1a)及設置在該主盤(1a)之一個面上的複數個晶圓支架(2)，該植入輪包括一冷卻迴路用於冷卻該些晶圓支架(2)及/或該主盤(1a)，每個晶圓支架(2)具有一容納表面用於接受一供體晶圓(3)之稱爲後表面之一面，該些晶圓支架(2)的每個容納表面具有一彎曲形狀，該彎曲形狀被選定成對應於該供體晶圓(3)在溫度作用下變形時之形狀。
2. 如請求項1之植入輪(1)，其中每個容納表面包括一表層彈性體層(2b)以讓該供體晶圓(3)之後表面置於其上，該表層彈性體層(2b)的尺寸至少等於該供體晶圓(3)之後表面的尺寸，以使該供體晶圓(3)之後表面的整個範圍能與該晶圓支架(2)接觸。
3. 如請求項2之植入輪(1)，其中該表層彈性體層(2b)具有一可變厚度，該可變厚度界定出該晶圓支架(2)的彎曲形狀。
4. 如請求項1至3任一項之植入輪(1)，其中該彎曲形狀爲一凹陷凹槽的形式或一凸起圓頂的形式。
5. 如請求項4之植入輪(1)，其中該凹陷凹槽或該凸起圓頂的高度在0.1 mm及5 mm之間。
6. 如請求項1至5任一項之植入輪(1)，其具有界定出一旋轉軸(R)之對稱軸，且其中該些晶圓支架(2)的每個容納表面被定向成朝着該旋轉軸(R)，如此，在該植入輪旋轉期間，垂直於該容納表面的離心力分量被施加到該供體晶圓(3)，並將該供體晶圓壓在該容納表面上。
7. 如請求項1至6任一項之植入輪(1)，其中每個晶圓支架(2)配備一楔形物(2a)，該楔形物用於在該植入輪旋轉期間，對抗施加在該供體晶圓(3)上的離心力分量(共面於該容納表面)，以固持住該供體晶圓(3)。
8. 如請求項7之植入輪(1)，其中每個晶圓支架(2)的容納表面有一隆起，相對於該晶圓支架的底部，該容納表面的隆起在該楔形物(2a)處達到最大值。
9. 如請求項8之植入輪(1)，其中每個晶圓支架(2)配備一可伸縮栓銷。
10. 如請求項7至9任一項之植入輪(1)，其中每個晶圓支架(2)配備至少一夾具，該夾具用於定置一晶圓並使其緊靠該楔形物(2a)而固持住。