TW550710B - A wafer boat with arcuate wafer support arms - Google Patents

Description

550710 A7 _ B7 五、發明説明（1 ~) " " 某些此處所揭露的材料係揭露及主張於下面由 R.Buckley等人所提出的美國專利申請案，名稱爲，，具有γ 形柱式機架的單一鑄件垂直晶舟（A Slngle Cast vertical Wafer* Boat Whh A Y Shaped Column Rack)”（律檔案號碼 No.6096-02，美國序號09/904,143)，以引用的方式併入本 文中 本發明係關於半導體製造。更特別的係，本發明係關於 具有>”口著圓形弧接觸及支樓晶圓之晶圓支撐臂的晶舟。 雖然可以利用其它的材料，如鍺化矽（siGe)或砷化鎵 (GaAs)，不過矽（Si)是目前電子工業中最重要的半導體。超 大型積體（Very Large Scale Integrated, VLSI)電路技術（即 ，每個晶片上高達100,000個裝置），及極大型積體（ultra Large Scale Integrated，VLSI)電路技術（即，每個晶片上超 過1〇〇,〇〇〇個甚至有時超過十億個裝置）幾乎完全都係由石夕製 成的。 VLSI及ULSI電路的製造關鍵在於矽基板具有超高的結晶 完整性（crystalline perfection)或純度。也就是，在結晶固體 中’組成固體的原子在空間上係以週期性方式棑列。如果 整個固體中都存在週期性排列的話，便定義該材料係由單 晶所構成的。該晶體中原子的週期性排列便稱爲 (lattice)。超高的結晶完整性要求該矽基板在其整個單晶石夕 晶格中具有最少的雜質及結構缺陷。 一般來說，原料，如，石英，會被煉製成電子級多晶矽 (electronic grade polysilicon，EGS)及被熔化。接著，合利 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 550710 A7 ______B7 五、發明説明（2~) 用矽種晶（seed crystal)從已經熔化的EGS中生長單晶矽鑄塊 。然後再將該鑄塊精確地切片及拋光成矽晶圓。該矽晶圓 可提供基板，最後可經由複雜的晶圓製程程序於其上建構 V L SI及U L SI電路。 矽曰曰圓尺寸的增加是矽材料技術中最明顯的趨勢之一。 目刚，預期直徑300¾米的晶圓最終將取代15〇毫米及2〇〇毫 米的b曰圓。同時預期在不久的將來4〇〇毫米的晶圓便會導入 使用大直徑晶圓以保持生產率已經為半導體製造帶來幾 項主要的挑戰。舉例來說，必須建造具有能夠處理該些大 晶圓之裝置的設備，例士口，垂直熔爐。必、須研發新的圖案 技術以便在更大的區域上印刷更小的特性尺寸。晶圓越大 厚度亦必須越厚以防止產生彎曲及其它結構上的形變。此 外，晶圓越大重量亦越重，因此需要使用自動晶圓輸送系 統。 由於晶圓變得更大更重，防止雜質及晶格的結構缺陷的 問題即，保持超南的結晶完整性的問題，變得更為重要 。其中兩#結構缺陷係，在3〇〇毫米及更大的石夕晶圓中特別 嚴重’晶格結構中的"背面損壞，，及，，滑動，，。 背面損壞是當晶圓在晶圓支撐裝置表面上移動時造成晶 圓的背面刮傷。 矽晶圓的滑動則與施加在該晶圓的應力有關。此應力可 能是機械性的（例如，由摩擦所造成）及/或熱作用造成的。 當晶圓受到應力時，該晶格便會遭受彈性形變，當應力釋 放而該固體返回其原來位置時該形變便會消失。然而，更 -5- 本紙張尺度適财國國家標準(CNiTHi格(210X 297公爱) 550710 A7

I?:應力會造成滑動’其係晶格内的塑性或永久形變， 畜應力釋放時仍然存在。當超過矽的彈性 及晶格發生永久性錯排時便會發生滑動。 2又扼圍） 在熱處理溶爐（溶爐操作）中石夕晶圓的高溫處理期間經常 會：生滑動，因為熱應力與處理溫度成比例。曰曰曰圓從易碎 :恶變成柔軟狀態的溫度變化通常在攝氏大約72〇到1_度 範圍内。~以，無論係因加熱或機械應力所造成的，在^ 理溫度超過攝氏720度時滑動問題都會變得非常嚴重。处 ^晶舟係晶圓的支禮裝置，#會在半導體晶圓處理期間接 受熔爐操作。水平晶舟通常都係設計用來支撐水平的晶圓 列’其係插人於水平爐管以進行高溫加熱。垂直晶舟則通 常都係設計用來支撐垂直的晶圓堆，其係插入於垂直爐管 。通常，對於大直徑的矽晶圓，例如，3〇〇毫米，一般都係 利用垂直晶舟。這是因為垂直熔爐比水平熔爐具有更小的 覆蓋面（foot pdnt)，所以佔具較少的昂責的製造空間。此外 ，實驗證明垂直熔爐通常會比水平熔爐具有更良好的溫度 控制。 晶舟一般都係由陶瓷材料製成。結合離子或共價鍵的陶 曼材料’通常都係由含有金屬及非金屬元素的複雜化合物 組成。陶瓷的特點是堅硬，易碎，具有低電導及熱導特性 的高熔點材料，良好的化學及熱穩定性，及高壓縮強度。 陶瓷材料的實例有石英’碳化石夕（S i C)及再結晶s i C。其中一 種再結晶 SiC係由 Saint-Gobain Ceramics & piastiCS5 inc. 〇f Worcester, Massachusetts所販售的，商標名稱爲 CRYSTAR ② -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 550710 A7 __ —_B7 五、發明説明（η ^~ 。此種材料係摻入高純度矽金屬的碳化矽陶瓷。 多考圖1典型的先剞技藝之垂直晶舟1 〇 一般包括從圓形 的水平基座14向上垂直延伸的三到四根支撐棒12，及沿著 該基座周圍徑向間隔。棒12具有複數個僅有一端受到支撐 的懸掛晶圓的支樓臂（或齒）16，其係向内朝基座14的中心延 伸於其間界定-系列的插槽。插槽的大小可以在溶爐操作 期間容納受到該臂丨6所支撐的矽晶圓。 問題在對於越大的晶圓，該先前技藝之晶圓支撐臂1 6大 口 F 7刀僅支撐在該晶圓的外側周圍上。據此，晶圓的大部分 重量都未受支撐並且會向其中心分佈。所以，在高溫熱處 理期間’該晶圓的中央容易下垂，造成該晶圓晶格中的滑 動。 因為圓形晶圓的幾何結構，實質上會有一半的晶圓重量 ，即内側晶圓重量，係分佈在該晶圓7〇%半徑（R)的圓形區 域内。相反地，一半的晶圓重量，即外側晶圓重量，係分 佈在内徑0.7 R到外徑！.〇 R之間的甜甜圈形狀區域中。因此 ，在大約晶圓的0.7 R的圓形邊界區域處，例如，從〇.6 &到 0.8 R，支樓該晶圓便可平衡内側及外側晶圓的重量並且大 幅地減少高溫熱處理期間晶圓下垂的可能性。 目前先前技藝之晶舟設計要求深插槽，從而支撐棒12的 臂16必須夠長才能達到〇.7R的點。然而，由於需要精密的 機械加工處理及固有較低的生產率都使得製造這種幾何結 構相當麻煩。另外懸掛臂增加的長度會在該臂連接該棒體 的單支撐點上產生很大的力矩，大幅地增加損壞及斷裂的 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 550710

可能性。此外， 的分離區域，因 便越大。 因為該臂僅支撐在該晶圓上三或四個小型 此對越重的晶圓來說，背部損壞的可能性 的試圖解決此問題的先前技藝係提供複數個分離 二 環’其内徑小於請而外徑大於請。該環能 :滑入每個插槽中，然後可以將該晶圓放置在每個陶；;; ，然7 ’每自環的製造費料常係在—千至兩千美元之間 大巾田地增加了晶舟的成本。此外’該些環基本上會圍住 放=該晶圓的支樓區域。這使得慣用的輪送裝置難:進入 或％及晶圓之間從該插槽中移走晶圓。此外，㈣的設計 二阻：氣體自由流動’而氣體自由流動對該晶圓的處理通 吊相當重要。同時’因為該環通常會為該晶舟增加高達1〇〇 個額相分離移動部件（每個插槽—個），因此便大幅地增加 產生微粒子損壞或其它雜質的可能性。即，該陶瓷環會在 處理期間摩擦該晶圓支樓臂，並_g_會摩擦掉落微粒子造成 該晶圓半導體電路的破壞。 因此，需要一種改善的晶舟，其可增強支撐以降低晶圓 下垂及最小化大直徑矽晶圓中的滑動現象，而且以合理的 成本進行最大的材料處理。 本發明優於先前技藝的優點及替代例在於提供一種用於 支撐具有預設半徑R之矽晶圓的晶舟。該晶舟具有晶圓支撐 臂用以沿著0.7R且弧度小於180度的圓弧支撐晶圓。 本發明比先刖技藝具戋终多的優點。因為每個晶圓都係 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) A0710 A7

’所以可大幅地降低該 該拱形區段5 0並未整個 口供氣體流動及材料處 义支If於其0.7邊界區的實質部份中 日日圓中央部分下垂的情形。此外， 圓完全密封，所以留下一個實質開 理裝置使用。 藉由提供垂直陶瓷晶舟以支撐 # ^ + 文存具有預设半徑R的矽晶圓， 便了在本發明的實施例φ查 .r 達成所有的優點。該晶舟包含_ 12—對柱式機架。該柱式機架—般係、從該基座垂直向 …每個柱式機架都包括至少—根具拱形區段的臂。 母個棋形區段的大小都奴品

^ . F、、工過5周王用以實質支撐該晶圓0.7R 的邊界區且弧度小於180度。 在本發明的其中一個替麻 /m 曰代貝施例中，該拱形區段的半徑 從0.6R至0.8R或弧度從9〇至135度。 在本發明的另—替代實施例中，該日日日舟的基座及該對柱 式機架會構成單一整體結構以支撐該晶圓。 ^1月的另-替代實施例中，對於—柱式機架的每個 。形區段來次，在其它的柱式機架上會有一個反向的拱形 區段以便支撐同一個晶圓。每個反向的拱形區段都定位以 便實質支撐該晶圓一半的重量。 圖式簡單說明 圖1所不的係先前技藝之垂直晶舟的一個示範實施例之透 視圖； 圖2所不的係根據本發明之垂直晶舟之示範實施例之透視 圖， 圖3所示的係圖2之晶舟的正面圖； -9-

550710 五、發明説明（ 圖4所示的係圖2之晶舟的左邊側面圖； 圖5所不的係沿著圖4中直線5_5之晶舟的剖面圖； 的係根據本發明之拱形支之轉實 俯 視圖； 圖^示的係根據本發明具隆起的晶圓支撐墊之棋形支撑 署之示範實施例之俯視圖；及 圖8所示的係根據本發明之晶舟之替代實施例之剖面圖。 發明詳細說明 、參考圖2·5,根據本發明之垂直晶舟係顯示於2〇。整個晶 舟2〇也就疋，该晶舟的主體，係由再結晶的沉組成，並 且包括-對反向的支撐柱式機架Μ，一基座Μ及一圓形的 上板26。後面將作更詳細的說明，該整體的柱式機架η的 大j有利於在其0.7R邊界區域處提供支撐，同時可保持一 開口供輸送設備亦於處理該晶圓。 該基底24的形狀通常係圓形的並且包括一具預設直徑 的水平平面基板28。該基板24亦包括一從該基板以的^ 表面向下延伸的垂直輪框3〇。該輪框3〇與該基板Μ係同 “圓但疋直徑比較小，因此該水平基板28的外側周圍 S擴展於β亥垂直輪框3〇之上界定一圓形唇緣31。擴張狹 縫32(參看圖5)會從中心孔34向外徑向切除。該擴充狹縫 32會貫穿該基板28的外侧周圍以及貫穿該輪框3〇。該狹 縫32可在熱操作期間，例如熔爐操作，讓該基座μ擴張 及收縮。該垂直輪框3 〇亦包括一矩形定位凹口 3 6，當進 行熔爐操作期間將該晶舟20放置在一垂直熔爐（未顯示^時 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐） -10- 550710 A7 B7 五、發明説明（8 ) ’其可正確地進行定位。 该支樓柱式機架2 2係一具棋形剖面的長形結構（參看圖$) 。該柱式機架22的外側邊緣37會與該基板28的外側周圍齊 平’並且該柱式機架2 2係位於該基板2 8上方用以容納_預 設直徑，如300毫米，的矽晶圓。該柱式機架22在其下方末 梢端3 8處會與該基板2 8的上表面焊接在一起，並且垂直^ 上延伸。該柱式機架22的上方末梢端40則會與該上板％的 下表面焊接在一起，其係實質與該基板28平行延伸的圓形 平板。 雖然柱式機架22，基板24及上板26係焊接在一起構成一 單一的整體結構，不過本發明的範圍亦涵蓋其它的組裝技 術，例如，螺栓法，壓合配接法或化學黏接該些元件。此 外’可在该基座24中形成安裝插槽將該柱式機架22壓合至 其中並彼此相互固定。 每個柱式機架22都包括一對連續的垂直部分42，其係位 於接近每個外側邊緣37的位置處，並且會有複數根陶瓷臂 44由此朝該基座28的中心延伸以界定一柱式機架。該陶瓷 煮44匕*括對固疋的末梢端46用以提供該陶曼臂44雙重支 撐 對直煮區#又4 8會伙该固定的末梢端4 6朝該基板2 8中 心部分的方向延伸，並且通常會平行該基板28。該對直臂 區段48會與該陶瓷臂44的拱形區段5〇(參看圖5) 一體成型。 該拱形區段50係設計用以實質支撐預設半徑為11之晶圓的 〇.7R的邊界區域。對於一柱式機架22的每個拱形區段5〇來 °兒在其匕的柱式機架22上會有一個反向的拱形區段。該 -11 -

550710

^向的拱形區段50都係定位以便實質支撐晶圓的一半 ^量°本實施例中的拱形區段50通常會包括讀至0.伙 的半徑。同時，該拱形區段的弧度係從90至135度，押是Α 弧度必須低於18。度以便留下一個開口供氣體流動及材料處 理，如下所解釋。 卜 的°又°十可提供優於先前技藝的幾項實質優點。因為 每個曰曰圓都係叉支撐於其〇. 7R的邊界區域實質部分處，因 此可大幅地減少該晶圓中心部分下垂的情形。因為每支臂 44都係受支撐於兩個固定的末梢端46,目&可更輕易地支 撐較重的晶圓，並且可大幅地降低臂料斷裂的可能性。此 外，該拱形區段50並不會密封整個圓形，也就是每個弧都 小於1 80度’所以留下一個實質開口供氣體流動及材料處理 设備使用n每個柱式機架22都係以整體結構的方式 於該0.7R的邊界區域處支撐該晶圓。所以，與運用大量分 離移動部#，如環之類，的先前技藝設計相反的是，可大 幅地降低產生損壞粒子的可能性。 簽考圖6及圖7，所顯示的係兩種不同的陶瓷臂44實施例 。該晶舟20之陶瓷臂44上接觸及支撐該矽晶圓重量的表面 通常稱為晶圓接觸面。纟圖6中，該晶圓接觸面實質係該陶 瓷臂44的整個上平面52。這可於大表面積上提供最大的支 撐。在圖7中，在臂44的頂端放置一隆起墊54 ,而該墊54的 上表面56便係該晶圓接觸面。在此情形中，可降低"背面損 壞，例如刮傷，的可能性，但是仍然能夠在〇 7 R的邊界區 域處保持支撐。 -12- 本紙張&錢鮮關冢標準_) A4規格(2ΐ()χ297公董) 550710

參考圖8，所示的係具不同剖面幾何之晶舟6〇之替代實施 例。該晶舟60包括一對從基座64垂直延伸的反向柱式機架 62。該柱式機架62包括複數根陶瓷臂66。每根陶瓷臂都真 有拱形區段68及一對直支撐臂區段7〇及72。支撐臂區段 72仏位於該晶舟6〇的背面，因此在處理期間，自動熔爐設 備"T利用其取得晶圓定位回授。 雖然’該些示範實施例討論的係供3 〇〇毫米直徑晶圓使用 勺曰曰舟，不過根據本發明亦可能調整大小供其它的晶圓直 徑使用，如，150毫米，200毫米，或4〇〇毫米。此外，該晶 舟亦可利用再結晶SiC以外的陶瓷組成，例如，石英，燒結 的SiC，或多晶石夕。 雖然已經顯示及說明較佳的實施例，不過可在不脫離本 發明精神及專利範圍内對其進行各種的修改及替換。因此 ’可以理解的係本發明的說明僅係闡述而非加以限制。

裝 訂

-13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 用以支樓具有預設半徑R之石夕晶圓的垂直陶曼晶舟 δ亥晶舟包括： 一基座；及 一對柱式機架’其一般係從該基座垂直向上延伸，每 個柱式機架都包括至少一根具拱形區段的臂； 2. 4. 其中’每個拱形區段的大小都經過調整 該晶圓^的邊界區域且弧度小於刚度。Λ貝支按 如申請專利範圍第i項之晶舟，#中該拱形區段的半徑從 0.6R至 0.8R。 如申請專利範圍第w之晶舟，其中該棋形區段的弧度從 90至135度。 :::專利範圍第1項之晶舟’ ”該基座及該對柱式機 木構成一用於支撐該晶圓的單一整體結構。 =專利範圍第1項之晶舟’其中該臂之棋形區段包括 上表面，用以界定支樓該晶圓的晶圓接觸面。 :範圍第1項之晶舟’其中該f之棋形區段包 觸面。#上表面用以界定支撐該晶圓的晶圓接 其中該陶瓷石英，碳化矽 其中該至少一根臂包括複 7·如申請專利範圍第〗項之晶舟 (SiC)及再結晶SiC的其中之一 8*如申請專利範圍第1項之晶舟 數根臂。 對柱式機架的拱 .個相對的拱形區 9.如申請專利範圍第1項之晶舟，對於任_ 形區段來說，在其它的柱式機架上有_ 550710 A B c D 六、申請專利範圍 段，以便支撐同一個晶圓。 10. 如申請專利範圍第9項之晶舟，其中該等相對拱形區段的 每個拱形區段實質支撐該晶圓的一半重量。 11. 如申請專利範圍第1項之晶舟，其中該柱式機架包括： 一對從該基座向上延伸之連續的實質垂直部分；及 每根臂都包括一對連接至每個垂直部分的固定的末梢 端。 12. 如申請專利範圍第1 1項之晶舟，其中每根臂都包括一對 從該固定的末梢端平行該基座延伸的直臂區段，該直臂 區段係連接至該拱形區段。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）