TWI439586B - 晶棒表面之調質方法及其晶棒 - Google Patents

Description

晶棒表面之調質方法及其晶棒

一種調質方法，尤指一種針對晶棒表面進行改質的調質設備及其晶棒。

晶棒在機械加工的過程中會由於所受到的機械切削力量，進而產生晶棒表面的損傷層，而損傷層對於單晶棒或多晶棒而言屬於排列較為混亂而無秩序的部分；同樣地，晶圓在鑽石輪磨的過程中會由於切削力及熱衝擊，進而產生晶圓內之殘留應力，而殘留應力會造成晶圓表面凸起或凹下等現象；這種現象將增加後續加工過程的困難，如在後續加工時會因殘留應力過大而造成矽晶圓表面破裂，或因表面凸起或凹下導致加工後平坦度變差。

退火是治金材料製程中常見之一種製程技術，其主要目的是消除材料(尤其是金屬材料)中因缺陷而累積之內應力。退火使用的方法則是將欲進行退火之材料置於適當高溫下一段時間，利用熱能使材料內原子有能力進行晶格位置的重排，以降低材料內的缺陷密度，包括晶粒界面、差排及各種點缺陷。一種所熟知的技術稱做快速熱退火製程(rapid thermal annealing，RTP)，其於加工期間大量地減少了半導體元件暴露在高溫下的時間。傳統的快速熱加工技術可包括以足夠的能量照射晶圓，用以快速地升高晶圓的溫度並維持在該溫度一段足夠長的時間使能順利地完成製程。

但以現有技術而言，目前的退火爐均是針對薄片狀的晶圓所設計，由於熱量的傳遞對於晶圓與晶棒而言是不同影響，例如熱量對薄片狀晶圓與柱狀晶棒所造成的變形現象就有相當大的差異，也就是說，在現有的退火爐無法適用於晶棒之退火處理的情況下，故提供一種有效針對晶棒(或非薄板狀之加工件)進行退火處理的裝置。

本發明之目的之一，在於提供一種晶棒表面之調質方法，其可利用熱退火的方式消除晶棒表面之損傷層。

本發明實施例提供一種晶棒表面之調質方法，包含以下步驟：步驟一：提供一晶棒，並以一蓋體罩蓋該晶棒；步驟二：利用一加熱單元將該晶棒加熱至一預定溫度並持溫一段時間；及步驟三進行一冷卻步驟，以將該晶棒冷卻；其中，該蓋體至少具有一部分的透明區域，使該加熱單元的熱輻射透過該透明區域而對該晶棒進行加熱。

本發明實施例提供一種調質後的晶棒，該晶棒之表面硬度的軟化率介於3%至7%。

本發明具有以下有益的效果：本發明主要利用熱退火方法將晶棒之至少一表面進行表面改質/調質，已消除晶棒之表面上因加工所殘留的損傷層，藉以達到晶棒的有序化，而從晶棒表面的特性觀之，經過本發明之調質方法改善後，晶棒表面的硬度下降，尤其晶棒中不會因為熱量集中造成熱應變的問題。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

本發明主要提供一種晶棒表面之調質方法，其可利用熱量輻射傳導的方式針對晶棒的至少一表面，尤其是在後續製程中塗佈有連接層之表面進行改質的作業。另外，本發明之晶棒表面之調質方法可降低晶棒中的熱量傳導對於晶棒內熱應力集中/熱變形的現象。值得說明的是，本發明所定義之「晶棒」可廣泛地解釋，並不特指某一製程所製作者，例如利用將原料多晶矽鑄造形成之晶錠(Ingot)，或者是將晶碇切方(squaring)、切割以形成近似四方柱形之塊狀晶棒，更或者是切方所得後進行拋光所得之加工後之晶棒均可適用於本發明，且本發明亦不限制單晶棒、多晶棒的保護範疇；而本發明之「晶棒」乃為一種具有一定厚度的塊材材料，更具體的說，工件厚度大於1公釐之塊材即可適用於本發明之調質設備。

請參考圖1至圖3，其顯示本發明之晶棒表面之調質方法所使用之調質設備1的示意圖，然本發明之調質製程並不限定下文所述之設備。在一種具體實施例中，調質設備1包括蓋體11、加熱單元12、保護氣體輸送單元13及冷卻單元14；其中蓋體11之中界定出一用於容置晶棒I之腔體110，而蓋體11至少具有一部分的透明區域，使位於蓋體11外側之加熱單元12的熱輻射可透過該透明區域而對晶棒I進行加熱，以達到調質的效果。

如圖2所示，蓋體11可為一種全透明的罩蓋結構，其大致具有四個側面111及一個連接所述之四個側面111的頂面112，換言之，蓋體11可利用側面111與頂面112界定出前述之腔體110，但不以此為限，例如蓋體11可具有一個頂面112及一個側面111(如空心圓柱狀之蓋體11)或是具有一個頂面112及三個側面111(如空心三角柱狀之蓋體11)等各種型態；且蓋體11更具有一個連通腔體110的開口部11A，據此，使用者可透過開口部11A將晶棒I置入前述之腔體110內，以進行退火製程，腔體110係用以提供進行快速退火處理所需的密閉環境，且其更可利用外部抽真空裝置(圖未示)以維持適當的真空度。而在一具體實施例中，蓋體11可由耐高溫玻璃所製成，例如石英等。

再者，當晶棒I置入前述之腔體110內時，加熱單元12之熱輻射可透過蓋體11之側面111或頂面112針對晶棒I進行退火處理；而在本具體實施例中，加熱單元12係包括多個金屬板件121及多個固定於該些金屬板件121上之快速加熱元件122，金屬板件121所組成之尺寸、外型大致對應於蓋體11，而快速加熱元件122則例如為紅外線加熱管，其係安裝固定於金屬板件121，以發出熱量(如紅外光)針對晶棒I進行快速熱退火處理，而如圖所示，加熱單元12係設置於頂面112上，使紅外線加熱管所發出之熱輻射透過透明之頂面112而針對晶棒I的上表面進行快速熱退火處理。

另一方面，保護氣體輸送單元13係連通於腔體110以注入保護氣體於腔體110中，進而避免在快速熱退火處理中在晶棒I的表面上生成副產物，或避免不需要的摻雜物擴散等問題在高的加工溫度下發生。具體而言，保護氣體輸送單元13可至少包括氣體源及管路等等，而蓋體11上則具有進氣口113與出氣口114，保護氣體輸送單元13之管路係連接於進氣口113與出氣口114，使氣體源可將保護性氣體，如鈍氣(氦氣、氬氣等)、氮氣等灌注於腔體110中。

再者，冷卻單元14係對應地鄰近設置於加熱單元12，具體而言，冷卻單元14利用管路連接於加熱單元12之金屬板件121，並將冷卻媒介，如冷卻水等經過管路針對加熱單元12進行冷卻。而在本具體實施例中，加熱單元12僅需針對晶棒I的上表面進行快速熱退火處理，而冷卻單元14即可針對晶棒I的側面進行控溫的效果，以降低加熱單元12對晶棒I的側面之熱影響，換言之，本創作之調質設備1可利用加熱單元12選擇性地針對所需要的晶棒表面進行調質、改質，同時利用冷卻單元14將不需改質的晶棒表面控制在較為低溫的條件。

而在一較佳實施例中，本發明之調質設備1更可具有控制單元15及晶棒支撐座16。控制單元15係耦接於加熱單元12，控制單元15可包括加熱控制器(圖未示)，以精準控制快速加熱元件122的加熱溫度及時間；控制單元15更可具有至少一感測器151，如熱電耦等等，在快速熱退火處理的過程中，感測器151可鄰近地設置於快速加熱元件122，以監控快速加熱元件122的溫度，以反饋給控制單元15，進而控制該加熱單元12的加熱條件，如加熱速率、溫度等，另外，感測器151亦可用來量測晶棒I的表面溫度，以精準地控制晶棒I的退火溫度。

晶棒支撐座16則主要用於承載晶棒I，換言之，操作者可先將晶棒I固定於晶棒支撐座16上，再將蓋體11由上而下的罩蓋於晶棒支撐座16與晶棒I，使晶棒支撐座16與晶棒I均容置於腔體110中；較佳地，晶棒支撐座16可為一種耐高溫材料，例如防火襯墊等等。

本發明之調質設備1可用於熱退火程序以消除晶棒I之損傷層，其操作步驟可例示如下：

(1)首先將晶棒I置於晶棒支撐座16上，並以蓋體11罩蓋之；

(2)利用保護氣體輸送單元13輸入氮氣於腔體110中；

(3)利用加熱單元12以50℃/秒的方式將晶棒I加熱至300到900℃左右，並維持此一溫度足夠的時間(即持溫時間約10秒到150秒)來消除晶棒I之至少一表面之損傷層，同時利用冷卻單元14針對不需改質的晶棒表面進行控溫，在本實施例中，加熱單元12針對晶棒I的上表面進行加熱，而冷卻單元14則針對晶棒I的側表面進行控溫，以降低熱量對於晶棒I之側表面的影響；

(4)將晶棒I置於腔體110中以自然爐冷的方式降溫，並利用冷卻單元14針對加熱單元12/晶棒I進行冷卻；

(5)關閉保護氣體輸送單元13之氮氣；

(6)將晶棒I空冷至常溫，冷卻的速率約為1℃/秒至5℃/秒，較佳為2℃/秒至3℃/秒，即完成熱退火之調質程序。

另外，圖4則顯示在步驟(3)中利用加熱單元12以50℃/秒的方式將晶棒I加熱至300℃及450℃，並維持此一溫度足夠的時間(即持溫時間約10秒到150秒)的條件下，晶棒I之表面的硬度之軟化率，由實驗結果可知，晶棒I之表面的硬度在經過加熱至450℃、持溫時間在10秒至120秒之間之快速熱退火作業後，均可達到軟化晶棒I之表面的效果(曲線A為此條件下之多項式模擬曲線)，其中晶棒I之表面硬度的軟化率介於2%至8%；而晶棒I之表面的硬度在經過加熱至300℃、持溫時間在10秒至150秒之間之快速熱退火作業後，均可達到軟化晶棒I之表面的效果(曲線B為為此條件下之多項式模擬曲線)，其中晶棒I之表面硬度的軟化率介於6%至7%，顯見上述的快速熱退火作業可有效消除晶棒I之表面損傷層。另外，在上述具體的實驗中，將晶棒I加熱至450℃、持溫時間在40秒之間之快速熱退火作業後，晶棒I之表面硬度約下降至11.5 GPa；而將晶棒I加熱至450℃、持溫時間在60秒之間之快速熱退火作業後，晶棒I之表面硬度約下降至10.9 GPa。

綜上所述，本發明可利用熱處理程序來降低晶棒在加工製程中所產生的內部損傷情形。另外，本發明可具有低污染之優點，本發明可降低在晶棒表面污染之副產物，也不會造成晶圓表面之表面粗糙度變差，換言之，本發明之調質設備在其熱退火的過程中屬於較"乾淨"的製程。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

1．．．調質設備

11．．．蓋體

110．．．腔體

111．．．側面

112．．．頂面

113．．．進氣口

114．．．出氣口

11A．．．開口部

12．．．加熱單元

121．．．金屬板件

122．．．快速加熱元件

13．．．保護氣體輸送單元

14．．．冷卻單元

15．．．控制單元

151．．．感測器

16．．．晶棒支撐座

I．．．晶棒

A、B．．．模擬曲線

圖1係為本發明之調質設備的立體示意圖。

圖2係為本發明之調質設備的蓋體罩蓋於晶棒之示意圖。

圖3係為本發明之調質設備的剖面示意圖。

圖4顯示本發明之調質方法將晶棒加熱至300℃及450℃，並維持10秒到150秒的條件下，晶棒之表面硬度的軟化率曲線。

1．．．調質設備

11．．．蓋體

110．．．腔體

111．．．側面

112．．．頂面

113．．．進氣口

114．．．出氣口

11A．．．開口部

12．．．加熱單元

121．．．金屬板件

122．．．快速加熱元件

13．．．保護氣體輸送單元

14．．．冷卻單元

15．．．控制單元

151．．．感測器

16．．．晶棒支撐座

I．．．晶棒

Claims (10)

1. 一種晶棒表面之調質方法，包含以下步驟：提供一晶棒，並以一蓋體罩蓋該晶棒；利用一加熱單元將該晶棒之至少一表面加熱至一預定溫度並持溫一段時間，同時利用一冷卻單元針對不需改質的該晶棒的其他表面進行控溫；以及進行一冷卻步驟，以將該晶棒冷卻；其中，該蓋體至少具有一部分的透明區域，使該加熱單元的熱輻射透過該透明區域而對該晶棒進行加熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之晶棒表面之調質方法，其中在提供一晶棒的步驟中，係提供一種全透明的罩蓋結構罩蓋於所述之晶棒，該罩蓋結構具有一個頂面及至少一個連接該頂面之側面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之晶棒表面之調質方法，其中在提供一晶棒的步驟之後，更包括提供一保護氣體輸送單元，以注入保護氣體於該蓋體所界定之腔體中。
4. 如申請專利範圍第3項所述之晶棒表面之調質方法，其中在提供一保護氣體輸送單元之步驟中，該蓋體具有一進氣口與一出氣口，該保護氣體輸送單元係連接於該進氣口與該出氣口以注入保護氣體於該蓋體所界定之腔體中。
5. 如申請專利範圍第2項所述之晶棒表面之調質方法，其中在利用一加熱單元加熱該晶棒之步驟中，該加熱單元係設置於該頂面上，以將該加熱單元的熱輻射透過該頂面而對該晶棒進行加熱。
6. 如申請專利範圍第5項所述之晶棒表面之調質方法，其中在利用一加熱單元加熱該晶棒之步驟中，該加熱單元係包括多個金屬板件及多個固定於該些金屬板件上之快速加熱元件，該些快速加熱元件針對該晶棒之加熱速率為50℃/秒，加熱溫度介於300℃至900℃之間，並維持10秒到150秒之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之晶棒表面之調質方法，其中在利用一加熱單元加熱該晶棒之步驟中，更包括提供一耦接於該加熱單元之控制單元，該控制單元具有一鄰近地設置於該些快速加熱元件之感測器，該感測器監測該些快速加熱元件的溫度，使控制單元控制該加熱單元的加熱條件。
8. 如申請專利範圍第2項所述之晶棒表面之調質方法，其中在該冷卻步驟中，係利用該冷卻單元針對該加熱單元與該晶棒進行冷卻。
9. 如申請專利範圍第8項所述之晶棒表面之調質方法，其中該晶棒之冷卻速率為1℃/秒至5℃/秒。
10. 一種經過如申請專利範圍第1至9項的其中之一所述之晶棒表面之調質方法所調質之晶棒，該晶棒之表面硬度的軟化率介於2%至8%。