TW548772B - Slip resistant horizontal semiconductor wafer boat - Google Patents

Description

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本發明係有關用於處理及製造半導體晶圓的設備之領域 ，本發明特別有關一種改良的水平晶舟。 製u半導體時將矽晶圓予以熱處理。一種處理晶圓的方 去係使用水平熱爐管，處理晶圓以改變其電性特質並建立 電路’這些處理溫度係介於6〇〇。〇至近1400°C之間。 半導體製造係爲受到高度控制的程序，此程序的部份中 在石夕-卵圓上進行熱爐操作以在晶圓上建立各層並將物質 摻入晶圓改雙其電性特質。形成分離的介電物質及路徑以 產生電谷裔與電晶體，利用精密的構造來生成元件。 熱爐操作一般分成兩種類：大氣及低壓化學氣相沉積 (LPCVD)。大氣操作係用於退火、用於使摻質擴散入晶圓 、或用於構成氧化物層。通常以高溫（亦即大於約9〇(rc)進 行這些程序，用於高純度或深擴散之部份大氣操作可達到 1350°C 的 S 度。 LPCVD操作係用於在晶圓上建立多晶矽或氮化矽層，在 一部分眞空以及通常爲約600。(：至90(rc之間的較低溫度發 生這些操作。 利用上述操作的一種組合在晶圓上構成立體元件，譬如 動力晶片等簡單的元件可具有兩層，複雜的邏輯電路則可 能具有超過七層。 曰曰圓的熱爐操作之具有數種不同方法，稱爲水平、垂直 、快速咼溫製程（RTP)等方法，其中r丁p爲單晶圓程序，垂 直與水平熱爐均爲批次程序。詳述之，水平熱爐係爲一種 將許多晶圓放在一晶圓固持部或“舟，，上並將此“舟，，插入一 本纸張尺度適用甲國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公董） ----------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T #1. • I I n 548772 A7 _____________B7 五、發明説明（2 ) ^ " — 水平熱爐管中之程序。本文將半導體晶圓處理期間受到熱 爐操作之譬如晶舟（亦稱爲康堤舟（ecmti bQat))等裝置稱爲“ 爐器（furnaceware)，，。 用於構成晶舟的㈣必須能抵抗高溫且*會將雜質帶導 入作業中’當首先處理矽晶圓時，支撑治具主要爲石英製 成但在利用石英製造晶舟時將具有數項缺點，特 約100(TC以上溫度時，石芏，方4妖. _ — _ 吁石夬易產生潛變，在重覆熱爐週期 之後’石夬舟將產生不可接受的變形程度。通常自動進行 _送操作，且務必將晶圓插入爐器的一清楚界定的特 欲内。若具有不對準的情形，晶圓可能“墜落，，人壚器中而 π染整個晶圓裝載物且時常造成破裂，破裂的晶圓可將顆 粒導入無塵室環境中而影響其他程序。 另一項缺點爲產生顆粒，在LPCVD操作期間，_層沉積 材料（如[切）係累積在晶圓表面上。在LPCVD㈣期^ 形成於晶圓上的此種材料以及晶圓本身係具有可相比較的 熱膨脹率，所以存在良好的機械與化學結合。然而，因爲 不配口的熱膨脹係數將在爐器受到溫度變化時在層上產生 應力’所以LPCVD沉積物並未良好地黏附至石英，此應力 將使層散落而會將有損裝置的顆粒導入系統中。 。化予I虫刻亦可能對於石英造成問題，以規律週期清潔壚 器乂和除一以在其上生成的層。通常利用酸浸泡劑來移除這 些層，可一利用清潔溶液對於石英進行化學敍刻，這會 石英爐器損失強度及尺寸的穩定度。 日 可猎由其他材料（譬如碳化石夕（Sic))來取代石英以避免已 548772 A7 B7 五、發明説明（ ） 知存在石英爐器中的多種缺點，SiC具有與SiC所構成機械 與化學結合之LPC VD沉積物相似之熱膨服係數。一種有效 取代材料係爲再結晶的SiC，其可爲購自麻州吾瑟特的聖高 班工業陶資（Saint-Gobain Industrial Ceramics of Worcester, MA)之克瑞絲達^CRYSTAR，，此種材料爲已具有高純度 矽金屬的碳化矽陶瓷，克瑞絲達®(CRYSTAR®)由於在廣泛 的溫度範圍具有堅固的機械性質且具有純度特徵而成爲石 英的優良替代材料，可利用克瑞絲達®(CRYSTAR®)在熱 爐操作期間支撑晶圓且亦可作爲熱爐室。 由於已經增大晶圓的尺寸且位於晶圓上的特徵之尺寸已 經纟话小’所以已經需要在微影、檢查、熱爐、無塵室及其 他區域進行技術改良。目前的半導體元件生產設備係採用 100公厘至2Ό0公厘範圍的晶圓，目前需要處理可高達300公 厘直徑的晶圓，因爲此晶圓尺寸可在各晶圓上製造出多達 兩倍的晶片或晶粒，由於具有精細特徵尺寸的元件將需要 臨界的處理參數並且強烈希望減少所處理的晶圓數並具有 更緊密受控制的製造環境，所以上述係爲理想的情形。不 幸地，因爲大型晶圓具有大量有關搬運的技術問題，所以 轉換到300公厘晶圓的過程係爲緩慢的程序。 水平晶圓製造係包含建造元件時之一系列的熱處理步驟 ，至少部份的製造步驟無法避免超過約1 000°C的水平處理 溫度。由於高溫與晶圓應力，可能發生晶圓滑移（Wafer slip)。晶圓係爲單一的晶體圓盤，晶圓滑移係爲晶圓晶格 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 548772 Λ7 五、發明説明（4 的水久塑性變形’晶圓從脆性到延展性表現的轉變溫度约 爲7赃，因此可能在72(rC以上的處理溫度產生滑移。 晶圓滑移因爲會負面影響元件的性能所以對製造廠很重 要’疋件係由-系列可切換狀態的閘所製成，這些閘且有 必須受到維持之精密特徵。若發生一滑移平面，則問可能 受到毀損而無法進行適當功能，即使具有小的滑移平面， 因爲5*特f生已，.二改.交，所以仍可能犧牲元件性能。通常 不在處理時投資更多的時間，而是直接報廢掉具有滑移的 晶圓。 晶圓滑移的生成係受到包括下列數項因素以及先前的處 理步驟所影響：溫度、重力應力、熱應力、晶圓種類、晶 圓瑕紙（邊緣缺口、現有的排差、氧含量）。由於晶圓内的熱 能增加，引發滑移所需要的能量則降低，—旦達到了抓的 延展性臨界値，則較容易產生滑移線。身爲主要因素的剪 應力係作用在平面中並推動晶格使之產生排差。實驗及理 論研究中已經分析溫度對於可允許的剪應力之影響，將可 允許的剪應力定義爲開始滑移之前的最大應力。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 晶圓機械應力及熱差異係直接受到晶舟所影響，因此需 要-種可盡量減少這些應力而產生最小晶圓滑移之晶舟。 習知技藝係揭露製造及處理半導體晶圓所用之晶舟，， 但習知技藝並未克服上述缺點而與本發明不同，譬如在 JP612491隱中’揭露_種具有複數個槽之水平晶舟，槽中 安裝有複數個晶圓，但晶舟的各槽包含複數個稱爲“晶圓防 落下構件”之穩定或支撑構件，這些穩定或支撑構件具有溝 548772 A7

548772 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（6 ) 半徑。 本發明有關一種具有可降低晶圓滑移的構造之水平碳化 矽晶舟，發展本發明晶舟時已經考慮數項因素。特別是， 本發明瞭解下列原理：a)矽強度在約600。(：以上溫度將顯著 減小’並在約900°C以上溫度急遽降低；b)在約720°C以下， 矽晶圓具有脆性且不會形成一滑移平面；c)剪應力係爲引 發Μ和多主要的應力’及d)總晶圓應力必須低於滑移產生 應力臨界値。 晶圓機械應力可能來自三項來源：重力、晶圓钳夾（wafer pinching)、及晶舟摩擦力。晶圓鉗夾及晶舟摩擦力係爲晶 舟與晶圓熱膨脹之間的差異所造成，所有這些力量均與晶 舟設計直接相關。如圖1所示，習知技藝的水平晶舟丨〇中， 晶圓12位於平行且大致垂直的平面中，各個概呈圓形的晶 圓12係以固定間隔彼此偏移，晶圓12以預定節距配置於晶 舟10中以免碰觸，由於搬運及熱性因素，較大的晶圓需要 較長的節距，對於最高達1 50公厘的晶圓直徑，最佳節距爲 2.3 8 125公厘，對於最高達200公厘的晶圓直徑，最佳化節 距爲4.7625公厘。 在圖1所示的水平晶舟10中，晶圓12配合在精密加工的槽 14中，晶圓12係由底支撑構件1 6a、1 6b所支撑並由上支撑 構件18a、18b所引導，槽14可防止晶圓傾斜及碰觸到其他 晶圓或明顯離開垂直平面，已發現各支撑部上的重力反作 用力係等於晶圓的一半重量，因此各支撑部上具有下式中 的法向力： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公董) — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ·· 548772 A7 B7 五、發明説明（ F法向=0.5(晶圓重量）/cos(a) 因此’角度α的餘弦函數與晶圓應力成反比。 需要分析之機械應力的另一項分量係爲晶圓鉗夾，當晶 圓熱膨脹而受到晶圓槽所限制時將發生晶圓鉗夾。當晶圓 裝載物插入熱爐進行處理時，晶圓及碳化矽晶舟因爲晶舟 具有遠爲較大的質量所以未以相同的速率膨脹，晶圓可大 幅較快土也加熱升溫而往外膨脹。因此，晶舟必須提供足夠 空間以容納晶圓與晶舟之間的熱膨脹差異。上槽需設計具 有足以容納此膨脹的空間，此外，由於上槽相對於晶圓中 心係位於較高處，必須對於晶圓膨脹提供更大餘隙，此種 晶圓餘隙係爲上槽所形成的弦長及上槽高度之函數。因此 必眉相對於上槽具有晶圓膨脹的餘隙，且必須隨著槽高 度的增加而加大此餘隙。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 如上述，日曰圓因爲比晶舟具有較小的質量，所以晶圓具 有更大的熱反應性，造成晶圓以與晶舟不同的速率進行膨 脹與收縮，此種未配合的膨漲係表示：晶圓必須在下槽表 面上滑動。當晶圓在支撑部上滑動時，必須克服靜摩擦以 使晶圓移動。靜摩擦在晶圓上產生切線力量，摩擦力係爲 晶圓上位於支撑點的法向力量之函數： F靜摩擦=β F法向 關係式移項之後得出： ^ F靜摩擦〇·5(晶圓重量）/c〇s〇) 克服靜摩擦所需要的力量亦會受到表面粗糙度及下槽形 狀所影響，較容易藉由良好的加工方式來控制表面粗糙度 -10- 548772 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 五、發明説明（8 ，可達成1至2微米Ra的表面粗链度且能發揮良好作用，下 槽的形狀不應爲可切入晶圓中且無法平滑移動之尖點。 可由上述關係式決定出一項額外性質，爲了降低摩擦的 效應’應盡量降低晶圓支撑角，應將槽表面加工至小於2微 米Ra ’且支撑邵應近似一切線或與晶圓呈連續狀。 從熱爐到晶圓的熱傳之分析已顯示出：輻射在高溫時將 是熱傳$主要方式，易言之，暴露於輻射的晶圓面積將會 快速地加熱。 在輻射性熱傳中，具有來源、目標、及阻擋物。來源係 A我爲處於較咼溫而釋出輻射的物體；目標定義爲受到熱 傳分析的物體；阻擋物定義爲將一來源與目標之間的視線 予以中斷的物體。 在來源與目標表面之間，存在一種稱爲輻射視因子 (radiation view factor)的幾何關係，輻射視因子可界定出離 開來源的輕射能有多少實際碰撞到目標實體。因爲包括彎 曲形狀的複雜幾何形狀，1〇〇%的目標實體並不能被1〇〇%的 來源實體直接地目視，因爲未必一直具有一條直接的視線 ’所以並非所有輻射能均被目標所接收。 在水平熱爐系統中，熱爐管係爲來源，而晶圓則作爲目 標及阻擋物。當負載升高溫度時，晶圓亦互相作爲來源， 且將熱量從晶圓面傳遞至平分狀通過晶圓裝載物的晶圓面 。可旎藉由對於晶圓的不同熱傳模式之認識，界定出本發 明的晶舟之額外的特徵，晶舟應盡量加大晶圓面與熱爐管 1間的視線。此外，晶舟設計不應具有大的熱質量而明顯 I n n I I - I -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 、π · -11 - 548772 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 地在晶圓之後具有熱性延遲。 利用滑移鑄造技術及濕胚加工來製造本發明的晶舟。曰 舟從濕胚狀態進行熱爐作業然後進行一項最後加：步驟晶 先前的製造經驗顯示出薄壁狀晶舟在此程序中不具^高: 存活率。並且，在晶舟邊緣附近具有窗口或切口之晶2 在製造及後續使用時容易受到機械性損害。 守 考慮上述效應，晶舟壁的標稱厚度應不小於約$公厘，同 樣地，窗口與晶舟端點或任何尖銳轉變點應具有最小約 公厘的距離。 考慮上述的數項因素而發展出本發明的晶舟，圖2及3以 不同角度顯示根據本發明之晶舟1〇的一項實施例的示意圖 。特別與目前在四點對於各晶圓提供支撑（如圖^示:以 兩個低點支撑住晶圓重量，並以兩個高點將晶圓保持在垂 直疋向中）之晶舟不同，本發明的晶舟係具有兩個上支撑導 件18a、18b以將晶圓12維持在垂直定向中，並具有單個下 支撑溝道部20以支撑晶圓12的重量。一旦選擇出晶舟1〇的 製造材料，位於比上支撑導件18a、18b更低平面中之支撑 溝迢邵20係具有拱形構造狀，所以在晶圓12及晶舟1〇受到 約1000X：及更高的晶圓處理溫度時，支撑溝道部2〇將大致 對應於晶圓12與支撑溝道部2〇相接觸部份的形狀，藉以將 印圓12支撑於與支撑溝道部相接觸之一圓形晶圓周邊的全 體拱形邵儉。易言之，當晶圓12位於晶舟1〇中的一槽14中 且由上支撑導件18a、18b維持在一垂直位置中時，圓形晶 圓的下拱形周邊係倚靠在支撑溝道部2〇上且受到支撑溝道 -12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) a4規格（2Hrx 297公釐） --------«衣 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T · 548772 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（1Q ) 部20予以支撑。具有此種構造之晶舟10可對於槽14中的晶 圓12提供優異的支撑以及穩定性。此外，本發明的晶舟1〇 係在晶舟的各端點之間$ & ^ , 00 6疋間包括一或多個大開口或窗口 22，故 相較於此技藝目前習知的晶#，可將輻射視因子予以加大 、並將晶舟所造成之輻射阻擋予以減小。 ^因爲由不同材料所構成，晶圓12及晶舟1〇具有不同的熱 膨脹係數。-項實施例中，本發明的晶舟係由沉所構成， -種較佳的Sic係包含再結晶的Sic，其可爲購自麻州吾瑟 特的聖高班工業陶瓷（Saint_G〇bain IndusWal Ce_ics W〇rCeSter，MA)之克瑞絲達⑧(CRYSTAR⑧），此種材料可包含 再結晶的SiC或浸矽的Sic，其中已使用半導體等級的矽來 充填體部中的孔隙，浸矽材料可進一步具有一層CVD_Sic 以密封表面’並在處理晶圓過程使用此裝置時可防止矽產 生移徙。， 再結晶的SiC(不論是否浸矽）因爲具有高溫時的強度所以 爲晶舟的較佳材料。詳述之，已發現克瑞絲達 ®(CRYSTAR®)材料在半導體處理溫度的全體範圍中均比石 英明顯更爲強固且具有更穩定的尺寸。因此，可利用此材 料來製造在工作壽命中可抵抗熱扭曲或鬆弛之晶舟。 已經發現再結晶碳化矽（亦即克瑞絲達®(crystar®)材料） 所構成的晶舟可呈現出約比多晶矽晶圓高出27〇/〇之熱膨脹係 數’圖5顯·»示身爲溫度的函數之本發明的晶舟與晶圓的半徑 。實際上，克瑞絲達'CRYSTAR，再結晶碳化矽係爲一種“ 智慧型”材料，亦即一種可從某一形式能量轉變成另一形式 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 29*7公釐） --------衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、π *· 548772 A7 B7 五、發明説明（” 能量以實行理相狀能；u 〜、狀心 < 材料，並可回應環境條件的變化 來改變化學、機械、古 光予、磁性或熱性性質之其中一項 性質。 、 很可牝利用與晶舟底側相接觸之自動設備來移動預定可 仏300么厘日曰圓使用之晶舟。根據此種晶舟轉移，分析此設 相決足負載所造成的應力，將晶舟的可能總晶圓容量界 定爲2,晶圓（約3·38公斤），選用安全因數ι〇，此安全因數 雖然很问但經驗顯不：晶舟時常暴露於惡劣的搬運狀況， 陶秃材料的脆性本質以及晶舟與自動及剛性治具之間的介 面將需要南的安全因數。 如上述，本發明的晶舟預定用於300公厘的晶圓，當然， 本發明不嚴格限於此尺寸的晶圓。而{，本發明的晶舟預 疋可用於現有的較小晶圓幾何形狀、以及可能發展出的較 大晶圓幾何形狀。 一項實施例中，對於300公厘晶圓使用的晶舟，晶舟係包 括預足容納10個晶圓之1〇個槽，此種晶舟約爲丨丨公分長。 相對的上支撑部大約位於溝道最低點上方的6 · 8公分處並互 相分隔約10.4公分，各槽具有約〇·89公厘的寬度，溝道約有 20.82公厘的孤長。圖4顯示具有直角三角形的斜邊“a”之三 角形，此斜邊係定義爲從晶圓中心延伸之晶圓半徑，並具 有位於一個上槽導件將晶圓容納在槽中處之晶圓周邊或邊 緣，在斜邊“Α”及半徑“Β”之間則界定有一角度α，半徑“Β” 係從晶圓中心出發並往下延伸至晶圓周邊上位於晶圓倚靠 處的溝道部中央之一點。第三半徑“C”從晶圓中心延伸至晶 -14- 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，1Τ 經濟部中央榡準局員工消費合作杜印製 548772 A7 B7 五、發明説明（12 ) 圓周邊而到達第二上支撑導件將晶圓容納在槽中之一點。 本發明的晶舟中，角度β係位於丨〇至8〇度的範圍且最佳約 爲3 7度’半徑Α與半徑C之間所界定的總角度約爲74度。 應瞭解以室溫提供上述各尺寸並預定使用於克瑞絲達 ®(CRYSTAR®)再結晶SiC構成的晶舟中，對於不同材料構成 的晶舟可能依據材料的熱膨脹係數而具有其他種尺寸。同 樣地’多約1 000°C至14〇〇°C之間的晶圓處理溫度時將具有 不同的尺寸。 依據正常使用方法來測試本發明的晶舟而獲得下列結 果： ―測試1 5 0個晶圓，並未顯示任何的滑移線。 --利用貝洛堅尼斯魔術鏡（Hologenix magic mirror)可偵測 出一個晶圓具有很微弱的滑移線。 ―利用貧洛堅尼斯魔術鏡可看見兩個晶圓具有刮痕或很 微弱的滑移線。 —可將這些結果比擬爲使用標準康堤晶舟所獲得的20%滑 移線。 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 應可從本發明特定實施例的上列詳細描述瞭解到其中描 述一種新穎的晶舟’本文雖然已詳細描述特定實施例，但 僅爲説明性範例而無意限制住申請專利範圍。特別是，發 明人希望可對於本發明作出各種替代、變更及修改而不脱 離申請專利範圍所界定之本發明的精神與範圍。 -15- 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

Claims (1)

1. 548772 申請專利範圍 丨種晶舟，其用於在升高溫度處理 晶圓’該晶舟具有第—及第二端且包含：.内+導體 a)複數個槽，其介於該等[及卜端之間以在 收納半導體晶圓，各槽包含第一及_ ” 少今竺、丄…盆& 一上支撑導件以 知该寺+導體晶圓維持在一垂直定向中；及 )下溝道#，其上與該晶圓的一部份相接觸，且在 該晶圓位於該溝道部上時可支撑該晶圓的重量，該溝 道部係具有在約looot：至140(rc的半導體處理溫度時 τ大致順應其上所支撑的該晶圓部份之拱形構造。 .如申請專利範圍第！項之晶舟，其中該晶舟係由碳切所 製成。 3. 如申請專利範圍第2項之晶舟 的碳化矽。 如申請專利範圍第1項之晶舟 3〇〇公分直徑之半導體晶圓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中該碳化矽包含再結晶 其構造可容納至少一個約 4. 5,如申請專利範圍第1項之晶舟，其在該晶圓的一第一半徑 與一第二半徑之間界定有一角度α，該第一半徑係從該 晶圓中心延伸至該第一上支撑導件附近的該晶圓周邊， 而孩第二半徑係從該晶圓中心垂直往下延伸至該晶圓周 邊上對應於該溝道邵中心之一點，且其中該角度係位於 10至80度的範圍。 6 ·如申凊專利範圍第5項之晶舟，其中該角度α約爲3 7度。 7·如申請碎利範圍第1項之晶舟，其中該晶舟係包含可支撑 最多25個半導體晶圓之槽。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 548772 六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 8·=中請專利範園以項之晶舟，其中該晶舟具有不小於5 公厘的厚度。 9.:::'專利範圍第丨項之晶舟，其進一步包含與該晶舟的 弟-及*二端具有不小於1()公厘距離之—或多個窗口。 、、申明專利範圍第9項之晶舟，其中當該晶舟以升高溫度 進订處理時，該—或多個窗口將增加該晶舟中沿著該等 晶圓的輻射分佈。 ί晶舟，其用於在升高溫度處理晶圓時容納一半導體 晶圓，該晶舟具有第一及第二端且包含： 丑 ^複數個槽，其介於該等第一及第二端之間以在其中 收納半導體晶圓，各槽包含第一及第二上支撑導件以 將該等半導體晶圓維持在一垂直定向中； Μ 下溝道邵’其上與該晶圓的一部份相接觸，且在 該晶圓位於該溝道部上時可支撑該晶圓的重量，該 道邵具有在約l〇〇〇°C至140CTC的半導體處理溫度時 大致順應其上所支撑的該晶圓部份之拱形構造；及 0—或多個窗口，其與該晶舟的第一及第二端具有 大於10公厘的距離。 12·如申請專利範圍第11項之晶舟，其中該晶舟係由碳化石夕 所製成。 13·如申請專利範圍第12項之晶舟，其中該碳化矽包含再 晶的碳化碎。 11. 可 不 結 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐）