TWI397113B - 具有可變熱阻之晶圓載體 - Google Patents

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Description

具有可變熱阻之晶圓載體
本發明係關於晶圓處理設備、關於用於此處理設備中之晶圓載體且關於晶圓處理之方法。
本發明申請案主張2008年8月29日提出申請之美國臨時專利申請案第61/190,494號之申請日期之權利，其揭示內容以引用方式併入本文中。
許多半導體裝置係藉由半導體材料於基板上之磊晶生長而形成。基板通常係呈圓盤形式之結晶材料，通常稱為「晶圓」。舉例而言，由諸如III-V半導體等化合物半導體形成之裝置通常係藉由使用金屬有機化學蒸氣沈積或「MOCVD」生長化合物半導體之連續層來形成。在該製程中，將晶圓曝露於流經晶圓表面之氣體組合(通常包含金屬有機化合物及V族元素之源)，同時將晶圓保持在高溫下。III-V半導體之一個實例係氮化鎵，其可藉由使有機鎵化合物與氨氣在具有適宜晶格間距之基板(例如藍寶石晶圓)上反應而形成。通常，在氮化鎵及有關化合物之沈積期間將晶圓保持在約500-1100℃之溫度下。
藉由在稍微不同的反應條件、舉例而言添加其他III族或V族元素以改變晶體結構及半導體之帶隙下於晶圓表面上依次沈積多個層可製造複合材料裝置。舉例而言，在基於氮化鎵之半導體中，可以可變比例使用銦、鋁或二者以改變半導體之帶隙。同樣，可添加p-型或n-型摻雜物以控制各層之傳導率。在形成全部半導體層後且通常在施加適當電觸點後，將晶圓切割成個別裝置。諸如發光二極體(「LED」)、雷射及其他電子及光電裝置等裝置皆可以此方式製造。
在典型化學蒸氣沈積製程中，將多個晶圓固持在通常稱為晶圓載體之裝置上，以便每一晶圓之頂部表面在晶圓載體之頂部表面處曝露。隨後將晶圓載體放置在反應室中且保持在期望溫度下，同時使氣體混合物流經晶圓載體之表面。重要的是，在該製程期間使載體上各個晶圓之頂部表面上的全部點皆保持在均一條件下。反應性氣體之組成及晶圓表面之溫度的微小變化皆可使所得半導體裝置之性能產生不期望的變化。舉例而言，若沈積氮化鎵及氮化銦層，則晶圓表面溫度之變化會造成所沈積層之組成及帶隙之變化。由於銦具有相對較高的蒸氣壓，因此所沈積層在其中表面溫度較高之彼等晶圓區域中將具有較低比例的銦及較大的帶隙。若所沈積層係LED結構之作用發光層，則由晶圓所形成之LED的發射波長亦將有所變化。因而，迄今為止業內為了保持均勻條件已作出了相當大的努力。
一種已被工業上廣泛認可之CVD設備使用呈大圓盤形式且具有多個晶圓固持區域(各自皆適合固持一個晶圓)之晶圓載體。該晶圓載體係支撐在反應室內之心軸上，以使帶有晶圓曝露表面之晶圓載體的頂部表面向上面向氣體分配元件。當心軸旋轉時，使氣體向下導向至晶圓載體之頂部表面上並流經頂部表面朝向晶圓載體周邊。所使用氣體係經由置於晶圓載體下方之埠自反應室排空。藉由加熱元件、通常置於晶圓載體之底部表面下方的電阻性加熱元件而將晶圓載體保持在期望的高溫下。通常將該等加熱元件保持在高於晶圓表面之期望溫度的溫度下，而將氣體分配元件保持在適當地低於期望反應溫度之溫度下，以防止氣體過早反應。因此，熱係自電阻性加熱元件傳遞至晶圓載體之底部表面並向上流經晶圓載體至個別晶圓。
迄今為止，儘管業內已作出了相當大的努力來設計此等系統之優化，但仍需要進一步改良。具體而言，業內仍需要提供橫跨每一晶圓表面之良好的溫度均勻性、及橫跨整個晶圓載體之良好的溫度均勻性。
本發明之一個態樣提供化學蒸氣沈積設備。根據本發明該態樣之設備合意地包含反應室、與該反應室連通之氣體入口結構及安裝在該反應室內之加熱元件。根據本發明該態樣之設備合意地亦包含晶圓載體，其包括具有背對頂部表面及底部表面之本體。該晶圓載體較佳地安裝在反應室內，以便加熱元件中所放出之熱主要由輻射熱傳遞而自加熱元件傳遞至晶圓載體之底部表面。舉例而言，晶圓載體可安裝在加熱元件上方且該本體之底部表面直接面對加熱元件。晶圓載體之本體合意地具有複數個晶圓固持區域且在每一晶圓固持區域中具有晶圓支撐件。每一晶圓支撐件皆適合固持晶圓而使晶圓之頂部表面在該本體之頂部表面處曝露。最佳地，該本體之底部表面不平坦以便該本體之厚度有所變化。如下文進一步所解釋般，厚度差造成沿垂直方向通過晶圓載體之熱傳導阻力差。合意地，加熱元件與晶圓載體之頂部表面上任意位置間的累積熱阻係直接隨該本體在該位置處之厚度而變化。
如下文進一步所論述般，該等熱阻差可用來補償諸如晶圓彎曲等因素，該等晶圓彎曲在晶圓載體與晶圓之間的熱傳遞中產生非均勻性。非平面底部表面及相關熱阻差亦可用來抵消晶圓中及晶圓載體頂部表面中非均勻溫度分佈之其他原因。
本發明之另一態樣提供處理晶圓之方法。根據本發明該態樣之方法合意地包含將一或多個晶圓安裝在晶圓載體上以使每一晶圓皆置於載體之晶圓固持區域內且在載體之頂部表面處曝露之步驟，該載體在每一晶圓固持區域內具有可變熱傳導。該方法合意地亦包含加熱晶圓載體底部表面以便穿過晶圓載體所傳輸之熱將晶圓保持在高溫下之步驟。當晶圓處於高溫下時，可施加反應性氣體以(例如)藉由在曝露表面上形成沈積物而影響晶圓之曝露表面。在根據本發明該態樣之方法中，在施加反應性氣體之步驟期間，晶圓可能會彎曲。該彎曲在每一晶圓內自晶圓載體至晶圓之熱傳遞中引起非均勻性。最佳地，晶圓載體之可變熱傳導至少部分地補償因彎曲所引起之熱傳遞的非均勻性。
本發明之再一態樣提供晶圓載體。根據本發明該態樣之晶圓載體合意地包含具有背對頂部表面及底部表面之本體及在頂部表面與底部表面之間延伸之中心軸線。該本體之頂部表面通常具有複數個凹窩，每一此凹窩皆具有周邊壁。每一凹窩之周邊壁在遠離晶圓載體中心軸線之周邊壁的區域中最佳地具有複數個間隔開的凸起，該等凸起適合嚙合置於凹窩中晶圓之邊緣的間隔開的部分。如下文進一步所解釋，此等凸起有助於最大程度減少晶圓邊緣與周邊壁間之接觸，且有助於固持置於凹窩中心之晶圓。該等作用亦有助於促進橫跨每一晶圓頂部表面之良好的溫度均勻性。
結合各個圖示閱讀下文所述的詳細說明，人們將更容易地明瞭該等及其他特徵及優點。
根據本發明之一個實施例，化學蒸氣沈積設備包含反應室10，其具有佈置在該室之一端的氣體分配元件12。具有氣體分配元件12之端在本文中被稱為室10之「頂」端。該室之此端通常(但非必需地)按照正常重力參考框架置於室之頂部。因而，如本文所用之向下方向係指遠離氣體分配元件12之方向；而向上方向係指室內朝向氣體分配元件12之方向，無論該等方向是否與重力向上及向下方向對準。類似地，本文參照室10及元件12之參考框架來闡述元件之「頂部表面」及「底部表面」。氣體分配元件12與CVD製程中欲使用之氣體之源14連接，該等氣體係例如載氣及反應物氣體，例如III族金屬之源(通常金屬有機化合物)及V族元素之源(例如，氨氣或其他V族氫化物)。氣體分配元件經佈置以接收各種氣體且通常沿向下方向導向氣體流。氣體分配元件12合意地亦可與冷卻劑系統16連接，冷卻劑系統16經佈置以使液體經由氣體分配元件循環，以在作業期間將元件溫度保持在期望溫度下。室10亦配備有排氣系統18，其經佈置以經由在室底部或靠近室底部之埠(未示出)自室內部除去廢氣，以使氣體自氣體分配元件沿向下方向連續流動。
心軸20係佈置於室內，以使心軸之中心軸線22沿向上及向下方向延伸。心軸在其頂端即在最靠近氣體分配元件12之心軸的端部具有裝配件24。在所展示之具體實施例中，裝配件24通常係錐形元件。使心軸20與旋轉驅動機構26(例如電動馬達驅動)連接，旋轉驅動機構26經佈置以使心軸圍繞軸線22旋轉。加熱元件28係安裝於室內且圍繞心軸20在裝配件24之下。該室亦提供有可打開埠30，用於插入及取出晶圓載體。上述元件可具有常見構造。舉例而言，適宜反應室可以注冊商標TURBODISC由本申請案之受讓人Plainview,New York,USA之Veeco Instruments公司銷售。
在圖1中所展示之作業條件下，晶圓載體32安裝在心軸之裝配件24上。晶圓載體具有以下結構：其包含通常呈圓盤形式之本體。該本體合意地作為非金屬耐火材料之單塊厚板形成，該非金屬耐火材料係(例如)選自由碳化矽、氮化硼、碳化硼、氮化鋁、氧化鋁、藍寶石、石英、石墨、及其組合組成之群之材料，其含有或不含有耐火塗層，例如碳化物、氮化物或氧化物。晶圓載體之本體具有第一主表面(本文中被稱為「頂部表面」34)及第二主表面(本文中被稱為「底部表面」36)。晶圓載體之結構亦具有裝配件38，其經佈置以嚙合心軸之裝配件24並將晶圓載體之本體固持在心軸上且頂部表面34面向上朝向氣體分配元件12，且底部表面36向下面向加熱元件28且遠離氣體分配元件。僅作為實例，晶圓載體本體之直徑可為約465毫米，且頂部表面34與底部表面32之間載體的厚度可為約15.9毫米。在所闡釋之具體實施例中，裝配件38係作為平截頭圓錐形凹坑形成於本體32之底部表面中。然而，如同在申請中、共同受讓之美國專利公開案第2009-0155028 A1號(其揭示內容以引用方式併入本文中)中所闡述，該結構可包含與該本體分開所形成之轂且裝配件可納入此轂中。同樣，裝配件之組態應視心軸之組態而定。
晶圓載體32具有多個由圖1-3中虛線所表示之個別晶圓固持區域40。儘管出於清晰闡釋之目的藉由圖1-3中虛線將晶圓固持區域劃分開，但其通常係毗鄰晶圓固持區域之間不可辨別的物理邊界。晶圓載體之頂部表面34包含延伸至各個晶圓固持區域中之連續的主要部分35。主要部分35通常可係平面。每一晶圓固持區域皆包含適合固持個別晶圓42之晶圓支撐件。在圖1-3中所展示之具體實施例中，每一晶圓固持區域中之晶圓支撐件皆包含圓形凹窩44，其自頂部表面34之主要部分35延伸至晶圓載體之本體中，每一此凹窩皆具有底表面46，其凹入低於由主要部分35所限定之頂部表面34的大體水平面。在該實施例中，底表面46係標稱平整表面，且理想情況係完全平整。然而，實際製造容差通常將其平度限定為最大偏離完美平面約0.0005英吋(13微米)，且任何此偏差皆會使(例如)底表面呈凹形。如本揭示內容所用術語「實質上平坦」應理解為係指在約30微米或更低範圍內平坦之表面。底表面46呈圓形，其具有實質上與頂部表面34之大體平面垂直之中心軸線48。支撐凸緣50圍繞底表面46，支撐凸緣50具有略高於底表面46之面向上表面。支撐凸緣50呈環繞底表面之環形式且以中心軸線48為中心。在所示實施例中，每一凹窩皆經佈置以接納直徑約2英吋(50.8毫米)之晶圓。對於標稱2英吋(5公分)直徑晶圓而言，支撐凸緣50之面向上表面高於底表面46之距離D46 為約20微米至約100微米，且合意地約20-50微米，且凸緣之寬度W50 可為約0.5-0.7毫米。對於意欲固持較大晶圓之較大凹窩而言，該等尺寸通常較大。支撐凸緣50之表面合意地置於與底表面46之平面平行的平面中。支撐凸緣50亦凹入低於晶圓載體頂部表面34之主要部分35。合意地，自頂部表面34至支撐凸緣之面向上表面的距離D50 比欲處理之晶圓的厚度大約75-175微米。舉例而言，在經佈置以處理2英吋標稱直徑及430奈米標稱厚度之藍寶石晶圓的晶圓載體中，D50 可為約500-600微米。
壁52自支撐凸緣50向上延伸至晶圓載體之頂部表面34且環繞支撐凸緣之整個周邊，且因此環繞凹窩44之整個周邊。壁52以角度A(通常約10度)向內傾斜朝向中心軸線48。因而，壁52呈平截錐體形式。
晶圓載體本體32之底部表面36通常係平面，只是在每一晶圓固持區域40內，該底部表面具有不平坦性，在該實施例中，其通常係自底部表面延伸至晶圓載體本體32中之錐形凹坑54。在該實施例中，每一凹坑皆具有約120°之夾角α且深為約3-6毫米，更通常地深為約4-5毫米。每一晶圓固持區域40中之凹坑54與該區域中底表面46之中心軸線48同軸，以使凹坑54與底表面之中心對準。因而，晶圓載體本體32之厚度t在與底面46對準之區域內可變化。在底面之中心處即在軸線48處之厚度具有最小值tmin ，且逐漸增大至在凹坑54外側即接近底面周邊時達到最大值tmax 。如上所述，晶圓載體本體32合意地係具有實質上均勻組成之單塊元件。因而，組成晶圓載體本體之材料具有實質上均勻的熱導率。晶圓載體本體沿垂直方向之熱傳導與晶圓載體本體在任意位置處之厚度成反比。與熱沿垂直方向流動有關之晶圓載體本體的熱阻率直接隨晶圓載體本體之厚度t變化。因而，在中心軸線處，熱阻率相對較低；而在底表面之周邊，晶圓載體本體之熱阻率相對較高。
在作業中，晶圓載體裝載有晶圓42並以所示作業位置放置在心軸20(圖1)上。如最佳地在圖3中所見，每一晶圓42之周邊皆擱置在支撐凸緣50上。較佳地，晶圓與支撐凸緣之間的重疊部分最小，如約1毫米或更小。每一晶圓之頂部表面43幾乎與圍繞每一凹窩之晶圓載體頂部表面34的主要部分35共平面。每一晶圓之底部表面45皆向下面向底表面46，但隔開位於底表面上方。運作氣體供應設備14及氣體供應元件12以供應反應氣體，且使心軸20旋轉，以使晶圓載體圍繞心軸之軸線22旋轉。
當心軸與晶圓載體旋轉時，加熱元件20主要藉由輻射熱傳遞加熱晶圓載體之底部表面36，其中藉助氣體干預使得在加熱元件與晶圓載體底部表面之間存在一些對流及傳導。輻射熱象徵性地示於圖3中56處。傳遞至晶圓載體之底部表面的熱向上流動朝向頂部表面34且朝向置於頂部表面上凹窩44中之晶圓42。熱自晶圓載體之頂部表面且自每一晶圓42之曝露的面向上表面或頂部表面43繼續傳遞至環境，且尤其傳遞至相對冷的氣體入口結構12。
在圖1及3中所示之作業位置中，晶圓載體之底部表面36直接面對加熱元件28。本揭示內容中所用術語「直接面對」意指在加熱元件與晶圓載體底部表面之間存在直接視線，其不被在加熱元件與晶圓載體之間所插入之任何固體元件阻擋。晶圓載體之底部表面36合意地置於加熱元件28上方距離H處。該距離在凹坑54內較大；其在每一凹坑54之最深點處具有最大值Hmax ，且在凹坑之外側具有最小值Hmin 。距離H與厚度t呈反向變化。
除非另有說明，否則本揭示內容中所用「垂直熱阻」係指在水平面中每單位面積內熱沿向上方向流動之阻力。「水平」面係與向上方向垂直之平面。晶圓載體本體對熱在底部表面36與頂部表面34之間流經該本體之垂直熱阻R36-34 直接隨晶圓載體本體之厚度t變化。理論上，由於晶圓載體越厚距離H越小，因此加熱元件28與晶圓載體本體之底部表面之間的輻射熱傳遞阻力在彼等晶圓載體較厚之位置略小。實際上，該差別可忽略。同樣，在晶圓載體較厚且H較小處，經由反應室中之氣體自加熱元件28至晶圓載體底部表面之對流及傳導性熱傳遞的阻力可能較小。然而，與輻射熱傳遞比較而言，所有位置處的對流及傳導性熱傳遞皆較小。因而，與該本體底部表面與該本體頂部表面之間之垂直熱阻的變化相比，加熱元件28與底部表面36之間之垂直熱阻R28-36 的變化較小。加熱元件28與晶圓載體之頂部表面34上特定位置之間之熱流的垂直熱阻R23-34 直接隨該位置下面晶圓載體之厚度變化。舉例而言，對於接近中心軸線48且與底部表面中凹坑54對準之凹窩(圖3)之底面46上的位置而言，晶圓載體本體之厚度t等於tmin 且因此R28-34 亦較小。在接近周邊之底面46上的位置處，厚度t=tmax 且因此R28-34 較大。
沈積過程將化合物半導體累積在每一晶圓42之曝露的頂部表面43上。通常，所沈積之第一半導體層具有基礎層或緩衝層(其可係約1-10微米厚)之性質，隨後係極薄的作用層，其形成裝置之作用層。舉例而言，在納入多個量子井(「MQW」)結構之LED中，MQW結構之發光層可係約20-30埃(2-3奈米)厚。出於諸如載體限制、電注入、電流分配及物理保護等目的，作用層之後亦可係其他層。在沈積製程期間，晶圓42往往以相對可預知方式彎曲。該彎曲通常係由所沈積半導體材料與晶圓之間之晶格常數差以及橫跨晶圓所施加之熱梯度引起。在所示實例中，彎曲使得晶圓沿向上方向凸起，即使得晶圓之頂部表面43凸起。出於闡釋之目的，彎曲程度在圖3中被大大放大。通常，對於約50毫米直徑之晶圓，此彎曲DW 通常為約5微米，但在某些製程中此直徑晶圓可能出現約數十微米的較大彎曲。對於既定製程，彎曲DW 往往隨晶圓直徑之平方而變化。因而，若所有其他因素皆相當，則6英吋標稱直徑之晶圓的彎曲將呈現2英吋標稱直徑之晶圓的9倍之大。
每一晶圓之頂部表面43上的主導溫度取決於加熱元件28(圖1)與晶圓頂部表面43之間之總熱阻。在與底面46對準之晶圓上的任何點處，總熱阻係以下阻力之和：加熱元件28與晶圓載體底部表面之間的輻射熱傳遞阻力、與底部表面與底表面46之間之傳導有關的熱阻、橫跨晶圓底部表面45與底表面46之間之間隙60的熱傳導阻力及經由晶圓本身之傳導阻力。如上文所論述，加熱元件28與底部表面36之間的輻射熱傳遞阻力橫跨整個晶圓載體實質上係均勻的。理論上，由於凹坑54之表面與加熱元件之距離比底部表面36之周圍部分略大，因此與凹坑有關之輻射熱傳遞阻力略微增加。實際上，該差別可忽略。經由晶圓42之傳導阻力橫跨整個晶圓實質上亦係均勻的。然而，自底表面46至晶圓底部表面45即橫跨間隙60之熱傳遞阻力由於晶圓彎曲而變化。間隙60通常填充有製程氣體之滯積層。該氣體具有相對較低的熱導率，且因此橫跨間隙之熱傳遞阻力佔加熱元件與晶圓頂部表面間總熱傳遞阻力的主要部分。間隙60之熱阻與間隙之高度直接相關。對於靠近晶圓周邊之彼等晶圓部分而言，間隙之高度簡單地係支撐凸緣50高於底表面之高度即D46。然而，毗鄰中心軸線48，間隙60之高度增加晶圓之彎曲距離DW 。因而，間隙之熱阻在接近中心軸線48處具有最大值。
由凹坑54所提供之晶圓載體本體32之可變厚度且從而可變熱阻抵消了間隙60之可變熱阻之效應。因而，毗鄰中心軸線48，晶圓載體本體具有最小熱阻；而，遠離中心軸線48，晶圓載體本體具有較大熱阻。換言之，自加熱元件至晶圓頂部表面之總熱阻係R23-34 (加熱元件與底面46內晶圓頂部表面34上一點間之熱阻)、間隙60之阻力及穿過晶圓本身之阻力。在間隙60之熱阻較大的情況下，R28-34 較小。
在與每一晶圓固持區域之底面46對準之區域中晶圓載體之厚度差係經選擇以便在形成裝置最關鍵層之製程階段時最優化晶圓載體中不同熱導率之反平衡效應。因而，在將第一層(例如緩衝層)沈積在晶圓頂部表面上期間，彎曲距離DW 逐漸增大。用來選擇tmin 與tmax 間之厚度差的可預知彎曲DW 應經選擇以對應沈積緩衝層之後及在欲製造裝置中沈積最關鍵層期間之主導DW 值。
晶圓載體32中固體材料之熱導率比間隙60中滯積氣體之熱導率大許多倍。因此，抵消既定彎曲DW 之效應所需的厚度差(tmax -tmin )係DW 的多倍。舉例而言，為了抵消約5-7微米之預期彎曲，厚度差(tmax -tmin )合意地係約3至約6毫米。對於既定應用所需之實際差(tmax -tmin )可由熱傳遞計算獲得。然而，更佳地，(tmax -tmin )之最佳值且從而凹坑54之最佳深度可藉由使用具有不同深度之凹坑的測試晶圓載體實際測試且觀察該等對沈積均勻性之影響來測定。舉例而言，在一個形成基於GaN之LED之製程中，在無任何凹坑54之第一個載體上所處理之晶圓顯示出「靶心(bullseye)」圖案。由晶圓中心所形成之LED具有相對較長的發射波長，而由晶圓周邊所形成之LED具有相對較短的發射波長，此表明在沈積控制發射波長之層期間，中心處的晶圓頂部表面43明顯比晶圓周邊處的晶圓頂部表面冷。發射波長之分佈相對較寬，且5%以上之晶圓的發射波長與平均發射波長相差超過3奈米。具有相對較深之錐形凹坑54之第二晶圓載體產生反向靶心圖案，且得自每一晶圓中心之LED的發射波長實質上比得自周邊之LED短，且具有類似寬範圍之波長分佈。此表明：凹坑54對彎曲過多補償。具有較小深度之錐形凹坑的第三載體產生比第一或第二載體窄的波長分佈。因而，如第二載體中所使用之凹坑係用於生產作業中之其他載體。
不同熱傳導可藉由使具有相對較高熱導率之固體材料的厚度發生變化而提供，此提供基本優點，該優點在於與理想厚度差(tmax -tmin )之較小偏差對熱傳遞僅具有微小影響。舉例而言，凹部54之深度的容差可為約±10微米(±0.0005英吋)，此提供實際機械加工容差。亦可藉由以等於DW 預期值之量使底表面46凸起而達成對晶圓彎曲相同的補償。然而，此佈置需要明顯小於1微米之容差，且需要複雜的機械加工製程來形成呈有意凸起形狀之底表面。
根據本發明另一實施例(圖4)，晶圓載體132具有凹窩144，凹窩144具有底表面146及支撐凸緣150，類似於上文參照圖1-3所論述之特徵。根據該實施例，晶圓載體之底部表面140具有不平坦性，其呈與每一底表面之中心軸線148對準之凹坑154形式。該等特徵實質上以如與上文參照圖1-3所論述之相同方式來操作。另外，圖4之晶圓載體132具有另一不平坦性，其呈與每一晶圓固持區之支撐凸緣150對準之凸起或厚度增加之區170形式。因而，每一厚度增加之區170皆呈與底表面之中心軸線148同心且從而與支撐凸緣150同心之環形式。在作業中，每一凹窩144內晶圓142之周邊擱置在支撐凸緣150上。此為熱傳遞至晶圓周邊提供更為直接的路徑。換言之，支撐凸緣150與晶圓周邊之間之直接接觸提供比經由底表面146與晶圓底部表面之間之間隙160熱傳遞所提供者小的熱阻。由凸起170所提供之增加的厚度增大了與支撐凸緣對準之區中晶圓載體本體132之熱阻，且從而抵消此差別。此有助於使晶圓周邊與毗鄰區之間之表面溫度差最小。
另外，晶圓載體132之底部表面具有另一凸起172，其與各凹窩144之間之載體頂部表面的彼等區域134a對準。此在該等晶圓載體區中提供更高的熱阻。晶圓載體與晶圓142之間之介面引入相當大的熱阻。此有助於降低晶圓頂部表面143之溫度，使其低於由晶圓載體頂部表面134之主要部分135所限定之環境區的溫度。合意的情況是使該等溫度差最小。由凸起172所提供之增加的熱阻率抵消了其他介面之效應，且從而保持主要部分135之溫度接近晶圓頂部表面143之溫度。就此而言，晶圓載體之主要部分135的發射率通常與晶圓頂部表面143之發射率不同。發射率之差將影響主要部分135與晶圓頂部表面之間的溫度差。當主要部分之發射率明顯高於晶圓之發射率時，主要部分可能往往在比晶圓頂部表面低的溫度下運作。在此情況下，在與頂部表面之主要部分對準之底部表面的彼等部分中晶圓載體可具有凹坑而非凸起。在此情況下(未示出)，與晶圓載體頂部表面之主要部分對準之晶圓載體部分較薄，且具有比與凹窩及晶圓對準之晶圓載體部分低的熱阻。
圖5中所展示之晶圓或體232與圖1-3之晶圓載體32類似。然而，底部表面240中之凹坑254通常具有屋頂狀形狀而非上文所論述之圓錐形狀。
在圖6之晶圓載體332中，每一凹坑354皆呈平截圓錐形且具有橫跨凹窩344之中心軸線348延伸之平整表面355。
圖7之晶圓載體432經佈置以用於以下製程：其中彎曲與上文所論述者相反且因此使得晶圓442向下凸起，即，以便晶圓之底部表面445在毗鄰凹窩之中心軸線448處向下彎曲朝向底表面446。在此情況下，載體與晶圓之間之間隙460在毗鄰中心軸線448處具有最小厚度且因此具有最小熱阻率。因而，晶圓載體底部表面440之不平坦性經佈置以在毗鄰中心軸線處提供相對較大的厚度tmax ，及在接近晶圓周邊處提供相對較小的厚度tmin 。
根據本發明另一實施例，晶圓載體532具有凹窩544，其係以實質上與如上文論述相同的方式在每一晶圓固持區內於載體頂部表面532中形成。每一凹窩544皆具有平整底表面546。同樣，每一凹窩皆提供有支撐凸緣以嚙合晶圓周邊並將晶圓固持於底表面546上方。然而，在該實施例中，每一凹窩之支撐凸緣皆提供為複數個凸緣區域550，其在底面周邊周圍且因此在凹窩之中心軸線548周圍彼此間隔開。此可使晶圓周邊與支撐凸緣之間之接觸最少，且因此可使晶圓載體與晶圓之間由此接觸所產生之熱傳遞的不均等性降至最小。
在該實施例中，每一凹窩亦可由壁552界定，壁552係自凹窩內部向上延伸至晶圓載體之頂部表面534。同樣，如圖9中所示周邊壁552向內傾斜，以致周邊表面斜坡向內朝向凹窩之中心軸線548且以向上方向朝向晶圓載體之頂部表面534。然而，在該實施例中，沿離晶圓載體之中心軸線522最遠、即離固持心軸上晶圓載體之裝配件538最遠且離作為整體之晶圓載體之旋轉軸線最遠的凹窩部分，周邊壁552由凹部570中斷。因而，周邊壁及凹部限定了如上文圖8中所見之非圓形形狀。該非圓形形狀在圓形周邊壁及凹部之交叉處包含一對凸起553。該等凸起彼此間隔開且置於徑向線555之對置側上，徑向線555係自晶圓載體之中心軸線522經由凹窩之中心軸線548延伸。在作業期間，因作用在晶圓上之旋轉或「離心力」所產生之加速度往往迫使晶圓朝向離中心軸線522最遠之區域中的周邊壁。凹部570有助於使晶圓周邊與斜坡向內之周邊壁之間的接觸力最大，且從而使施加在晶圓上之向下力最大，從而有助於固持晶圓以與支撐凸緣550嚙合。置於凹窩中之圓形晶圓將在凸起553處嚙合晶圓載體，且在其他位置仍與周邊壁略微隔開。由於晶圓僅在凸起處嚙合周邊壁，因此經由晶圓邊緣之熱傳遞最少。此有助於使晶圓內之溫度變量最小。
具有上文參照圖8及9所論述之凹窩組態之晶圓載體如本文所論述在其底部表面上可具有或不具有非平面特徵。
在上文參照圖1-7所論述之晶圓載體中，底表面實質上係平坦的。然而，由於可使用彎曲底表面實施本發明，因此其並非必需。舉例而言，圖10中所展示之晶圓載體本體632通常與上文參照圖1-3所論述之晶圓載體本體32類似。然而，載體本體632具有有意呈凹形之底表面646。在凹窩之中心軸線648處每一底表面之中心部分下陷距離Cf 而低於遠離軸線648之底表面的周邊部分。凹形底表面使得晶圓與底表面之間之間隙660在中心軸線648處比在晶圓周邊處大。此增大接近軸648之間隙660的熱阻，其方式與晶圓之向上彎曲DW 相同。換言之，底表面曲率Cf 及向上彎曲DW 之效應具加和性。底表面曲率及晶圓彎曲之合併效應係藉由呈凹坑654之形式的不平坦性來抵消。凹坑654在接近中心軸線648處提供具有最小厚度且因此最小熱阻之載體本體，其中間隙660具有最大熱阻。
在圖11之實施例中，底表面746係凸起的。因而，底表面之曲率Cf 減少了接近凹窩中心軸線748處之間隙760的尺寸。在所展示實施例中，晶圓向上彎曲，此往往增大接近中心軸線748處之間隙760的尺寸。然而，凸起曲率Cf 大於彎曲DW ，因此間隙760之尺寸在接近中心軸線748處具有最小值，且間隙之熱阻在接近中心軸線處亦具有最小值。為了抵消彎曲與底表面曲率之組合效應，晶圓載體本體具有經佈置之不平坦性754，以便該本體之厚度且因此熱阻在接近軸748處比遠離該軸線處大。
圖12-14中所顯示之晶圓載體具有頂部表面834，其包含主要部分835及凹窩844，類似於上文參照圖1-3所論述之彼等。同樣，每一凹窩皆包含底面846、支撐凸緣850及周邊壁852，周邊壁852自支撐凸緣至頂部表面之主要部分835向上凸起。同樣，晶圓載體具有中心軸線822，且晶圓載體適合安裝至心軸，以使晶圓載體在作業期間繞此軸線旋轉。每一凹窩在該凹窩之幾何中心亦具有中心軸線848。周邊壁852包含幾乎完全環繞凹窩中心軸線848延伸之弓形部分。然而，離晶圓載體之中心軸線822最遠之周邊壁區域具有非圓形形狀。該周邊壁之區域具有一對凸起853，其自周邊壁之弓形部分向內凸起。一個此凸起詳細展示於圖14中。凸起853在徑向線855之對置側上彼此間隔開，徑向線855係自晶圓載體中心軸線經由凹窩之中心軸線848延伸。如最佳地在圖12中所見，每一凸起853皆具有面向內朝向凹窩中心軸線848之鄰接表面857。每一鄰接表面857在自凸緣850至主要部分835之向上方向上向內傾斜朝向凹窩中心軸線。
在作業中，圓形晶圓842置於凹窩內且每一晶圓之底部表面皆與相應凹窩之凸緣850嚙合。由晶圓載體圍環繞中心軸線822旋轉所產生之離心力往往迫使每一晶圓向外遠離中心軸線。每一晶圓皆抵靠凹窩中兩凸起853之鄰接表面857擱置。將該等凸起加工成一定尺寸，以便當晶圓之邊緣抵靠凸起擱置時，晶圓與凹窩之軸線848同心。因而，晶圓均等地圍繞晶圓之整個周邊與凸緣850重疊。換言之，凸緣850之內邊緣與晶圓邊緣之間的重疊距離Do (圖12及13)恆定。此有助於均衡晶圓底部與晶圓周邊周圍之凸緣之間的熱傳遞。此外，由於晶圓邊緣僅接觸較小的間隔開的凸起853，因而晶圓邊緣與周邊壁852之間的熱傳遞最少。
根據本發明之再一實施例(圖15)，晶圓載體具有通常與上文參照圖1-3所論述之晶圓載體類似的組態。然而，在圖15之晶圓載體中，底部表面中之每一凹坑954皆在水平方向偏離凹窩之中心軸線948。因而，具有最高熱傳導及最低熱阻之晶圓載體的最薄部分位於偏離底面中心之凹窩底面946之946a部分下方。該組態可用來抵消由諸如製程氣體流型等製程條件所引起之晶圓不均等的熱傳遞效應。舉例而言，在具有旋轉晶圓載體之反應器中，當製程氣體流經具有遠離旋轉軸線之運動分量之晶圓時，每一晶圓最接近晶圓載體之旋轉軸線的部分之冷卻程度可比離旋轉軸線最遠之部分大。同樣，流經不同晶圓或同一晶圓之不同部分的製程氣體可處於不同溫度。舉例而言，在晶圓載體之主表面比晶圓表面冷的情況下，製程氣體之溫度應視在沿晶圓載體周邊到達晶圓之前氣體採用之路徑而定。若路徑之大部分延伸遍及晶圓表面且路徑之僅一小部分延伸遍及晶圓載體主表面，則氣體將處於一個溫度下。若路徑之大部分延伸遍及晶圓載體主表面，則氣體將處於較低溫度下。本文所論述之技術可用來補償該等效應並將各個晶圓之頂部表面保持在均勻溫度下。在另一變體中，該等技術可用來有意產生不均勻的晶圓表面溫度。此等不均勻的溫度可用來(例如)補償沿不同路徑流動之製程氣體中不均勻反應物濃度之效應。
圖15之晶圓載體亦包含熱障壁970。熱障壁沿水平方向抑制晶圓載體之本體內的熱傳導。此等障壁層可沿垂直方向在具有不同熱傳導之晶圓載體的各部分之間提供熱隔絕。此隔絕強化不同熱傳導之效應。熱障壁可包含垂直延伸的薄材料層，其具有比晶圓載體之周圍材料低的熱導率。或者，可藉由將晶圓載體製造成單獨件並在該等件之間於在晶圓載體內垂直延伸之表面處提供介面來形成熱障壁。舉例而言，圖15之載體包含限定頂部表面之主要部分及部分凹窩底面946之較大部分901，以及限定每一凹窩之部分底面946之較小部分902。介面或障壁層970可呈圍繞較小部分之圓柱形表面之形式。在另一變體中，較小部分可限定各個凹窩之整個底面。
可利用上述特徵之多種變型及組合而不背離本發明。僅作為實例，儘管已參照基於氮化鎵之半導體之處理闡述了本發明，但本發明可施用於基本上任何半導體之處理。因而，可形成含有鎵、銦及鋁之一或多種與氮、磷、銻及砷中之一或多種組合的III-V半導體。同樣，II-VI半導體及IV族半導體(例如矽及類金剛石碳)可以類似方式進行處理。此外，本發明可施用於除沈積以外的處理作業中。
可利用上述特徵之多種其他變型及組合。舉例而言，在由各個晶圓所佔用之區內可變化晶圓載體本體之組成而非變化該本體之厚度，以提供不同熱阻。僅作為實例，晶圓載體在其底部表面中可具有多個凹坑，其填充有具有實質上比載體本體之周圍材料高或低的熱導率之金屬或其他材料。然而，此實施例在材料間之介面處可具有另外熱阻，且此等介面將影響熱阻。
上文參照圖1所論述之實施例係「無基座」處理設備，其中熱自加熱元件28直接傳遞至載體底部表面36。在其中熱自加熱元件傳遞至中間元件(常被稱為「基座」)且自基座傳遞至載體之設備中可使用類似原理。然而，此熱傳遞合意地不包含經由在基座與晶圓載體底部表面之間填充有滯積製程氣體之空間的傳遞。
儘管本文中已參照具體實施例對本發明進行了闡述，但應瞭解，該等實施例僅用於闡述本發明之原理及應用。因此，應瞭解，在不背離隨附申請專利範圍所限定之本發明精神及範圍的情況下可對例示性實施例進行許多修改並可設計其他佈置。
10．．．反應室
12．．．氣體分配元件
14．．．氣體源
16．．．冷卻劑系統
18．．．排氣系統
20．．．心軸
22．．．中心軸線
24．．．裝配件
26．．．旋轉驅動機構
28．．．加熱元件
30．．．可打開埠
32．．．晶圓載體
34．．．頂部表面
35．．．主要部分
36．．．底部表面
38．．．裝配件
40．．．晶圓固持區域
42．．．晶圓
43．．．頂部表面
44．．．圓形凹窩
45．．．底部表面
46．．．底表面
48．．．中心軸線
50．．．支撐凸緣
52．．．壁
54．．．錐形凹坑
56．．．輻射熱
60．．．間隙
132．．．晶圓載體
134．．．晶圓載體頂部表面
135．．．主要部分
142．．．晶圓
143．．．晶圓頂部表面
144．．．凹窩
146．．．底表面
148．．．中心軸線
150．．．支撐凸緣
154．．．凹坑
160．．．間隙
170．．．凸起/厚度增加之區
172．．．凸起
232．．．晶圓載體
240．．．底部表面
254．．．凹坑
332．．．晶圓載體
344．．．凹窩
348．．．中心軸線
354．．．凹坑
355．．．平整表面
432．．．晶圓載體
440．．．晶圓載體底部表面
442．．．晶圓
445．．．底部表面
446．．．底表面
448．．．中心軸線
460．．．間隙
522．．．中心軸線
532．．．晶圓載體/頂部表面
534．．．頂部表面
538．．．裝配件
544．．．凹窩
546．．．底表面
548．．．中心軸線
550．．．凸緣區域/支撐凸緣
552．．．壁
553．．．凸起
555．．．徑向線
570．．．凹部
632．．．晶圓載體本體
648．．．中心軸線
654．．．凹坑
660．．．間隙
732．．．晶圓載體本體
746．．．底表面
748．．．中心軸線
760．．．間隙
822．．．中心軸線
834．．．頂部表面
835．．．主要部分
842．．．圓形晶圓
846．．．底面
848．．．中心軸線
850．．．支撐凸緣
852．．．周邊壁
853．．．凸起
855．．．徑向線
857．．．鄰接表面
901．．．較大部分
902．．．較小部分
935．．．主要部分
946．．．凹窩底面
946a．．．凹窩底面之部分
948．．．中心軸線
954．．．凹坑
970．．．熱障壁
圖1係根據本發明之一個實施例展示化學蒸氣沈積設備之簡單示意性剖視圖；
圖2係圖1設備中所使用之晶圓載體的圖示性俯視平面圖；
圖3係沿圖2中線3-3選取之局部圖示性剖視圖，展示與晶圓結合之晶圓載體；
圖4-7係與圖3類似之視圖，但展示本發明另一實施例之晶圓載體；
圖8係根據本發明再一實施例展示部分晶圓載體之局部圖示性俯視平面圖；
圖9係沿圖8中線9-9選取之局部剖視圖；
圖10、11及12係展示本發明其他實施例之晶圓載體的局部圖示性剖視圖；
圖13係圖12中所示晶圓載體的局部圖示性俯視平面圖；
圖14係放大比例的局部圖示性俯視平面圖，展示圖13中所指明之區；及
圖15係展示本發明再一實施例之晶圓載體的局部圖示性剖視圖。
10．．．反應室
12．．．氣體分配元件
14．．．氣體源
16．．．冷卻劑系統
18．．．排氣系統
20．．．心軸
22．．．中心軸線
24．．．裝配件
26．．．旋轉驅動機構
28．．．加熱元件
30．．．可打開埠
32．．．晶圓載體
34．．．頂部表面
36．．．底部表面
38．．．裝配件
40．．．晶圓固持區域
42．．．晶圓
44．．．圓形凹窩
54．．．錐形凹坑

Claims (30)

  1. 一種化學蒸氣沈積設備，其包括：(a)　反應室；(b)　與該反應室連通之氣體入口結構；(c)　安裝在該反應室內之加熱元件；及(d)　晶圓載體，其包括具有背對頂部表面及底部表面之本體，該晶圓載體係安裝在該反應室內以便該加熱元件中所放出之熱將主要經由輻射自該加熱元件傳遞至該本體之該底部表面，該本體具有複數個晶圓固持區域，該本體界定每一晶圓固持區域中之晶圓支撐件，每一此晶圓支撐件係適合固持晶圓以使該晶圓之頂部表面在該本體之該頂部表面處曝露，該本體之該底部表面不平坦以便該本體之厚度可變化，該加熱元件與該晶圓載體之該頂部表面上任意位置間的累積熱阻係直接隨該本體在該位置處之厚度變化。
  2. 如請求項1之設備，其中該晶圓載體之該本體係置於該加熱元件上方而使該本體之該底部表面直接面對該加熱元件。
  3. 如請求項1之設備，其中該氣體入口結構係置於該晶圓載體上方且經佈置以引導氣體向下朝向該晶圓載體。
  4. 如請求項3之設備，其進一步包括安裝在該反應室內以繞垂直軸旋轉之心軸，該晶圓載體安裝有該心軸以隨其一起旋轉。
  5. 如請求項1之設備，其中每一晶圓支撐件皆經佈置以嚙合晶圓之周邊部分且固持該晶圓，以便將該晶圓之主要部分與該載體之該本體隔開。
  6. 如請求項1之設備，其中每一晶圓支撐件皆包含底面及支撐凸緣，該支撐凸緣係沿該底面之周邊置於該底面上方。
  7. 如請求項6之設備，其中該底部表面中之該等不平坦性係經佈置以便在每一晶圓固持區域內，該本體在與該底面對準之區域內具有不均勻厚度。
  8. 如請求項7之設備，其中在每一晶圓固持區域內，該本體之厚度在與該底面中心對準之位置處為局部最小值。
  9. 如請求項7之設備，其中在每一晶圓固持區域內，該本體之厚度在偏離該底面中心之位置處為局部最小值。
  10. 如請求項7之設備，其中在每一晶圓固持區域內，該本體之厚度在與該底面中心對準之位置處為局部最大值。
  11. 如請求項7之設備，其中每一該底面實質上係平坦的。
  12. 如請求項6之設備，其中該本體之該頂部表面包含在該等晶圓固持區域之間延伸之主要部分且每一晶圓支撐件皆包含凹窩，每一晶圓支撐件之該底面及支撐凸緣皆自該凹窩內該頂部表面之該主要部分凹入以使該底面形成該凹窩之底部表面。
  13. 如請求項12之設備，其中該本體在該頂部表面之該主要部分之至少一部分下的厚度係大於該本體在該等晶圓支撐件之該等底面下的厚度。
  14. 如請求項6-13中任一項之設備，其中每一支撐凸緣實質上係連續的且環繞該底面。
  15. 如請求項6-13中任一項之設備，其中每一支撐凸緣皆包含複數個繞該底面之周邊彼此間隔開之凸緣區域。
  16. 如請求項6-13中任一項之設備，其中在每一晶圓固持區域內，該本體在與該支撐凸緣對準之區域內具有比在與該底面對準之直接毗鄰區域內大的厚度。
  17. 如請求項1-13中任一項之設備，其中該本體係由耐火材料之實質上單片厚板所組成，該厚板上含有或不含有塗層。
  18. 一種處理晶圓之方法，其包括以下步驟：(a)　將一或多個晶圓安裝在晶圓載體上以便每一晶圓皆置於該載體之晶圓固持區域內並在該載體之頂部表面處曝露，該載體在每一晶圓固持區域內具有可變熱傳導；(b)　加熱該晶圓載體之底部表面以便穿過該晶圓載體所傳輸之熱將該等晶圓保持在高溫下；(c)　在使該等晶圓處於該高溫下時，施加反應性氣體以影響該等晶圓之該等曝露表面；其中在施加反應性氣體之步驟期間，該等晶圓彎曲且該彎曲造成每一晶圓內來自該晶圓載體之熱傳遞之不均勻性，該晶圓載體之該可變熱傳導至少部分地補償由該彎曲所造成該熱傳遞之不均勻性。
  19. 如請求項18之方法，其中施加反應性氣體之該步驟包含施加該等反應性氣體以在每一晶圓之曝露表面上形成沈積物。
  20. 如請求項18或19之方法，其中實施安裝該等晶圓之該步驟以將每一晶圓安置在該晶圓載體之實質上平整的面上底表面上或其上方。
  21. 如請求項20之方法，其中實施安裝該等晶圓之該步驟以將每一晶圓安置在該底表面上方。
  22. 如請求項18之方法，其中該晶圓載體之底部表面於每一晶圓固持區域內之該底部表面中具有一或多個不平坦性以便該晶圓載體之厚度在每一晶圓固持區域內可變化，且其中加熱該底部表面之該步驟包含操作加熱元件，同時使該加熱元件直接面對該晶圓載體之該底部表面。
  23. 如請求項22之方法，其進一步包括在該等加熱及施加步驟期間移動該晶圓載體之步驟。
  24. 如請求項18之方法，其中將每一晶圓安裝於該晶圓載體上之該步驟包含使該晶圓之周邊區域與該晶圓載體上之支撐凸緣嚙合以便該支撐凸緣固持該晶圓升高到該載體之底表面以上之主要部分。
  25. 如請求項24之方法，其中在每一晶圓固持區域中，該晶圓載體在其底部表面中具有不平坦性以便該晶圓載體在與該支撐凸緣對準之區域中具有比在與該底表面對準之直接毗鄰區域中大的厚度及小的熱導率。
  26. 如請求項25之方法，其中將每一晶圓安裝於該晶圓載體上之該步驟包含使該晶圓之該周邊部分與該晶圓載體共同組成該支撐凸緣之間隔開的元件嚙合。
  27. 一種晶圓載體，其包括具有沿水平方向延伸之背對頂部表面及底部表面之本體，該本體具有複數個晶圓固持區域，該本體界定每一晶圓固持區域中之晶圓支撐件，每一此晶圓支撐件皆適合固持晶圓以使該晶圓之頂部表面在該本體之該頂部表面處曝露，該本體具有一或多個抑制熱沿水平方向傳導之熱障壁。
  28. 如請求項27之晶圓載體，其中該晶圓載體沿垂直方向具有不同熱傳導之區域，且該等熱障壁係置於該等不同傳導區域之間。
  29. 一種晶圓載體，其包括具有背對頂部表面及底部表面之本體及在該等頂部表面與底部表面間延伸之中心軸線，該本體之該頂部表面具有複數個凹窩，每一此凹窩皆具有周邊壁，每一凹窩之該周邊壁在遠離該晶圓載體之該中心軸線之該周邊壁的區域中具有複數個間隔開的凸起，該等凸起係適合嚙合置於該凹窩中之晶圓邊緣之間隔開的部分。
  30. 如請求項29之晶圓載體，其中每一凹窩皆具有中心軸線且每一凹窩之該周邊壁的該等凸起包含兩個彼此間隔開且置於徑向線之對置側上的凸起，該徑向線係自該晶圓載體之該中心軸線延伸穿過該凹窩之該中心軸線。
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