TWI575649B - Wafer tray - Google Patents

Description

晶圓載盤

本發明有關於一種半導體加工設備領域，特別是有關於一種應用於金屬有機化學氣相沉積（metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）系統的晶圓載盤。

在金屬有機化學氣相沉積（metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）的反應腔體內安裝有一晶圓載盤，該晶圓載盤的上表面上設置有複數個相互隔離的晶圓承載區域。在MOCVD加工過程中，將待加工晶圓放置在晶圓承載區域中，從而對待加工晶圓進行處理。

在加工過程中，由於熱量輻射，晶圓載盤表面會以發射一定波長範圍的紅外線的形式向外散發熱量。這些發射的紅外線在未被晶圓覆蓋的區域能夠全部發射出去，而在晶圓承載區域，由於其晶圓承載區域表面被晶圓覆蓋阻擋，部分紅外線會被待加工晶圓反射或散射，這些反射光或散射光中的一部分會被晶圓下方的晶圓承載區域結構表面吸收，導致晶圓承載區域表面溫度的升高，而未被晶圓覆蓋的晶圓載盤的表面上沒有吸收反射光或散射光，其表面溫度不會升高，這就導致晶圓承載區域表面的溫度高於載盤中非晶圓承載區域表面的溫度，從而使得晶圓載盤表面溫度分佈不均勻。

為了解決上述晶圓載盤表面溫度分佈不均勻的問題，習知技術中採用以下兩種晶圓載盤結構：

第一種、增加晶圓承載區域的表面粗糙度，以增加晶圓承載區域的光發射量。

這種晶圓載盤結構雖然可以消除或減小溫度不均勻的問題，然而由於需要定期對晶圓載盤進行清洗，在清洗過程中，勢必會對晶圓承載區域的表面粗糙度造成影響，在經過多次清洗後，晶圓承載區域的表面粗糙度有可能會減小，因而，這種結構的晶圓載盤，在長期使用後，可能仍會出現晶圓載盤表面溫度不均勻的問題，因此這種結構不穩定，不能保證晶圓載盤的長期使用。同時石墨盤上的碳化矽（SiC）材料鍍層在長期的溫度變化週期中容易出現表面材料開裂，這些裂縫是隨機出現的，也會影響最終的表面粗糙度，也就使得晶圓承載區和非晶圓承載區之間的發射率比率無法精確設定。

第二種、在晶圓承載區域表面和非晶圓承載區域表面形成熱輻射係數不同的材料，使得晶圓承載區域表面的熱輻射係數大於非晶圓承載區域表面的熱輻射係數。

在製備這種結構的晶圓載盤時，需要在晶圓載盤表面的不同區域分別形成不同的材料，這種形成方法需要沉積、拋光等複數個步驟，而且由於晶圓承載區是下陷的，所以很難進行這種增加輻射的鍍膜技術，因而，這種結構的晶圓載盤在製程實現上較為複雜。

有鑑於此，本發明提供了一種具有新結構的晶圓載盤，以使晶圓載盤的整個表面區域的溫度分佈均勻。

為了解決上述技術問題，本發明採用了如下技術方案：

一種晶圓載盤，其上表面包括第一區域和第二區域，第一區域為複數個向下凹陷的用於承載晶圓的承載區，不同第一區域之間藉由第二區域隔離，在第一區域的表面上設置有預設結構，預設結構使得第一區域的表面面積增加，使得第一區域的表面面積與第一區域向下投影形成的平面的表面面積的比值範圍在1.11~1.61之間。

較佳地，所述預設結構使得所述第一區域向下投影形成的平面單位面積內發射的紅外線輻射能量I1與所述第二區域單位面積內發射的紅外線輻射能量I2滿足以下關係：I2=I1*Tw，其中，Tw為放置在所述晶圓載盤上的待加工晶圓的紅外線透過率。

較佳地，預設結構包括至少一個凹陷結構和/或至少一個突起結構。

較佳地，凹陷結構的形狀和/或突起結構的形狀為半球。

較佳地，半球的半徑與深度相同，或者，半球的半徑大於深度。

較佳地，凹陷結構和/或突起結構在第一區域內均勻分佈。

較佳地，凹陷結構和/或突起結構的半徑大於1 mm，不同凹陷結構或者突起結構之間的間距大於等於1 mm小於5 mm。

相較于習知技術，本發明具有以下有益效果：

由於熱源輻射的熱量與其表面積成正比，所以，表面積增大，熱源向外輻射的熱量也增加。在本發明實施例中，熱量的輻射藉由向外發射一定波長的紅外線實現。

在MOCVD製程過程中，晶圓載盤第一區域上放置有待加工晶圓，由晶圓載盤第一區域發射的紅外線會有一部分被待加工晶圓反射或散射，這些反射或散射光的一部分會被晶圓載盤的第一區域重新吸收，導致第一區域溫度的升高，另外，晶圓載盤的第二區域不被晶圓反射或散射，其發射的紅外線能夠全部發射出去，不會被晶圓載盤的第二區域重新吸收，所以，相較於第一區域的溫度，晶圓載盤第二區域的溫度較低。

在本發明實施例中，預設結構使得第一區域的表面面積增加，所以，相較於未設置預設結構的第一區域，設置有預設結構的第一區域向外發射的輻射能量增加，由於第一區域向外發射的輻射能量增加，雖然有部分輻射能量會被第一區域上方的晶圓反射或散射回來，並且其中一部分被晶圓載盤的第一區域重新吸收，但是相較於未設置預設結構的第一區域，設置有預設結構的第一區域向外反射的淨輻射能量增加，從而使得設置有預設結構的第一區域的溫度相較於未設置有預設結構的第一區域的溫度降低。進而，縮小了晶圓載盤第一區域的溫度和第二區域的溫度的差值，使得晶圓載盤整個表面的溫度分佈趨於均勻。

而且，當對晶圓載盤進行清洗時，設置在第一區域上的預設結構幾乎不受清洗的影響，所以，複數次清洗後的預設結構與最初設置的結構幾乎沒有區別，所以，該晶圓載盤的結構具有很好的穩定性，能夠保證晶圓載盤的長期使用。

進一步地，該晶圓載盤在第一區域和第二區域的材質相同，因此，其光線發射係數也相同，免去了在不同區域沉積發射係數不同的材料的複雜製程流程，該晶圓載盤的製備方法較為簡單。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的圖式，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本發明所屬技術領域中具有通常知識者在沒有付出進步性勞力的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

正如先前技術部分所述，放置在晶圓載盤上的待加工晶圓會反射或散射一部分由晶圓載盤發出的光，只有一部分光發射出去。以藍寶石（sapphire）晶圓為例進行說明。藍寶石晶圓背面的表面粗糙度RMS較大，其RMS約為1.3 μm。入射到藍寶石晶圓背面的光線，在晶圓背面會發生散射。對於波長為100~10000 nm的紅外線來說，藍寶石晶圓的光線透過率為75%。這意味著25%的光線被藍寶石晶圓的正面和背面反射或散射。圖1表示了表面放置有藍寶石晶圓的晶圓載盤發射光線的示意圖。如圖1所示，藍寶石的背面為凹凸不平的表面，晶圓載盤發射出輻射能量為I0的光線，該部分光線穿透藍寶石晶圓發射出去，該穿透藍寶石晶圓的光的輻射能量為I’，其中，另外一部分光被藍寶石晶圓的正面反射和被藍寶石晶圓的背面散射，大約1/2的反射光和散射光射向晶圓載盤表面，其會被晶圓載盤表面吸收。

然而，在未放置待加工晶圓的晶圓載盤區域，其發射出的光不會被待加工晶圓反射或散射，所以，在該區域不會出現發射出去的光被晶圓載盤的該區域表面重新吸收的現象，因此，在放置待加工晶圓的區域晶圓載盤表面發射出去的淨輻射能量低於未放置待加工晶圓的載盤區域發射出去的淨輻射能量，也就是說，由放置待加工晶圓的晶圓載盤表面發射出去的熱量小於由未放置待加工晶圓的載盤區域發射出去的熱量，從而導致放置晶圓的晶圓載盤的表面區域的溫度高於未放置晶圓的晶圓載盤的表面區域的溫度，導致晶圓載盤的整個表面的溫度分佈不均勻。

當晶圓為矽晶圓時，會導致晶圓下方的晶圓載盤發射出的光線中有25%被反射，並被下方的晶圓載盤吸收，所以，也會導致晶圓載盤的該部分表面區域的溫度高於其它表面區域的溫度，導致晶圓載盤的整個表面的溫度分佈不均勻。

因此，由於晶圓會反射和/或散射由晶圓載盤發射的部分光，並且這些反射光或散射光會被待加工晶圓下方的晶圓載盤吸收，從而導致由待放置待加工晶圓的晶圓載盤表面發射出去的熱量小於由未放置待加工晶圓的載盤區域發射出去的熱量，進而導致待加工晶圓下方的晶圓載盤的溫度高於表面未放置待加工晶圓的晶圓載盤的溫度。由於待加工晶圓下方的晶圓載盤的溫度較高，根據熱傳遞的原理，待加工晶圓的溫度也較高，而且，待加工晶圓中心區域的溫度高於邊緣區域的溫度，這種晶圓內部溫度不均勻的分佈使得在待加工晶圓表面上生長的薄膜厚度不均勻。而且，對於一些薄膜如InxGa1-xN，其組分銦（In）在溫度過高時有可能發生揮發現象，所以，溫度不均勻的分佈也有可能導致一個晶圓的不同區域上生長的薄膜的組分不單一或者不同晶圓上生長的薄膜的組分不單一。

為了解決上述問題，本發明實施例提供了一種晶圓載盤的新結構。

為了清楚地理解本發明的發明構思，在介紹本發明實施例提供的晶圓載盤的結構之前，首先介紹下本發明的發明人設計該晶圓載盤基於的原理，該原理具體如下：

如果將熱發射源放置在一個相對比較大的空間內，並且熱發射源的溫度Ts遠遠大於周圍的環境溫度Ta（即Ts＞＞Ta）。則熱發射源輻射的熱輻射量的計算公式如下：；

其中，p為熱輻射量；

σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數（Stefan–Boltzmann constant）；

ε為熱發射源的發射率；

A為熱發射源的體表面積。

從上述公式可以看出，熱發射源的體表面積越大，向外輻射的熱量越高。所以，要想讓發射源向外發射出更複數的熱量，增大該發射源的體表面積是一個方法。

本發明就是基於上述原理，藉由增大晶圓載盤上用於放置待加工晶圓區域的表面積使得該區域向外輻射出更複數的熱量，以此減小該區域的溫度，從而減小晶圓載盤上放置晶圓的區域和未放置晶圓的區域的溫差，使得晶圓載盤整個表面的溫度分佈趨於均勻。為了增大放置加工晶圓區域的表面積，本發明實施例在晶圓載盤的用於放置晶圓載盤的區域設置了能夠增加表面積的預設結構。該預設結構可以為凹陷結構和/或突起結構。並且該預設結構包括至少一個或凹陷結構和/或至少一個突起結構。

下面以預設結構為凹陷結構為例進行說明，具體參見圖2和圖3。

圖2為本發明實施例提供的晶圓載盤的平面結構示意圖，圖3是圖2中沿A-A方向的剖面結構示意圖。如圖2和圖3所示，該晶圓載盤200的上表面包括第一區域201和第二區域202，第一區域201為複數個向下凹陷的用於承載晶圓的承載區，不同的第一區域201之間藉由第二區域202隔離，在MOCVD製程過程中，將待加工晶圓放置在第一區域201的內部。為了方便安裝待加工晶圓，第一區域201的結構通常為向下凹陷的凹槽。另外，由於晶圓的形狀通常為圓形，所以第一區域201的形狀也為圓形。

為了增大第一區域201的表面積，本發明實施例在每個第一區域201的表面上設置有複數個凹陷結構201a，該凹陷結構201a使得第一區域201的表面變得高低起伏，從而增大了第一區域201的表面積。

進一步地，為了使得第一區域201的溫度和第二區域的溫度盡可能地達到相同，設置有凹陷結構的第一區域的表面面積與第一區域向下投影形成的平面的表面面積的比值範圍較佳在1.11~1.61之間。

晶圓載盤表面會以紅外線的形式向外輻射熱量，由於第一區域201表面積的增加，使得晶圓載盤從第一區域發射出的輻射能量也會增加。由於一個物體發射出去的輻射能量越高，其散發出的熱量越複數，也就是說，其損失的熱量越複數，這樣，其溫度降低的幅度越大。所以，本發明實施例中設置有凹陷結構201a的第一區域201的溫度低於習知技術中未設置凹陷結構201a的第一區域的溫度。

為了驗證設置在第一區域201上的凹陷結構201a對散熱性能的影響，本發明的發明人還做了以下模擬實驗。該模擬系統包括鎢熱源以及石墨塊。為了驗證凹陷結構對散熱性能的影響，本發明的發明人對兩個不同結構的石墨塊做了比對試驗，一個石墨塊3是其上表面上設置有凹陷結構30，其表面結構如圖4A所示，另外一個石墨塊4的上表面為平整表面，其表面結構如圖4B所示。當藉由1000℃的鎢熱源對石墨塊進行加熱，一段時間後，上表面上設置有凹陷結構的石墨塊的溫度大約為747℃，上表面為平整表面的石墨塊的溫度大約為750℃，所以，設置有凹陷結構的石墨塊的溫度比平整表面的石墨塊的溫度低3℃。

因而，上述模擬實驗驗證了晶圓載盤上設置有凹陷結構的第一區域的溫度低於晶圓載盤上未設置凹陷結構的第一區域的溫度。也就是說，設置有凹陷結構的第一區域散發的熱量大於未設置有凹陷結構的第一區域的熱量。因此，藉由本發明提供的設置於第一區域的凹陷結構，減少了晶圓載盤的第一區域和第二區域的溫差，使得第一區域的溫度和第二區域的溫度接近，進而使得晶圓載盤的整個表面區域的溫度趨於均勻。

而且，當對晶圓載盤進行清洗時，設置在第一區域上的凹陷結構幾乎不受清洗的影響，所以，多次清洗後的預設結構與最初設置的結構幾乎沒有區別，所以，該晶圓載盤的結構具有很好的穩定性，能夠保證晶圓載盤的長期使用。因而，克服了採用增加第一區域表面粗糙度的結構不能長期使用的缺陷。

進一步地，在該晶圓載盤的第一區域和第二區域表面的材質相同，兩個區域的光線發射係數相同，因而免去了在不同區域沉積發射係數不同的材料的複雜製程流程，該晶圓載盤的製備方法較為簡單。

另外，為了使得晶圓載盤的整個表面區域的溫度達到均勻分佈，本發明還可以對凹陷結構的數量和分佈做進一步改進。具體如下：

設定，第一區域向下投影形成的平面單位面積內發射的紅外線輻射能量為I1，所述第二區域單位面積內發射的紅外線輻射能量為I2，Tw為放置在所述晶圓載盤上的待加工晶圓的紅外線透過率，則凹陷結構的數量和分佈使得I2和I1滿足以下條件：I2=I1×Tw。由於本發明提供的晶圓載盤的上表面結構的設計使得承載區的表面發散率ε1大於非承載區的發生率ε2，所以單位面積上向外輻射的能量I1大於非承載區向外輻射的能量I2，正好能抵消晶圓透射率Tw帶來的向晶圓上方輻射能量的減少，所以最終能在整個晶圓載盤表面獲得均一的向上輻射能量。

當滿足該條件時，從第一區域向下投影形成的平面的單位面積內實際發射出去的紅外線的強度與從第二區域的單位面積內發射出的紅外線的強度相同，也就是說，從第一區域向下投影形成的平面的單位面積內實際散發的熱量與從第二區域的單位面積內散發出去的熱量相同，因而，第一區域的表面溫度也就與第二區域的表面溫度相同，進而使得晶圓載盤的整個表面的溫度達到均勻分佈，從而也就避免了安裝於第一區域的待加工晶圓的溫度過高的風險。因而利用該晶圓載盤承載待加工晶圓時，能夠使得不同晶圓之間的溫度保持一致，而且也能夠使得同一晶圓的不同區域的溫度也保持一致，這就使得在進行MOCVD製程在待加工晶圓上沉積薄膜時，使得生長在待加工晶圓表面上的薄膜的厚度均勻和組分單一。

進一步地，上述的凹陷結構的形狀較佳為半球，其凹陷結構為半球腔體。

進一步地，半球的半徑與深度可以相同，也可以是半球的半徑大於深度。進一步地，凹陷結構的半徑大於1 mm。

本發明實施例中，複數個凹陷結構在第一區域內均勻分佈，不同凹陷結構或者突起結構之間的間距大於等於1 mm小於5 mm。具體可以為複數個凹陷腔體在第一區域上的分佈呈三次對稱軸分佈，將形成三次對稱軸分佈的三個凹陷腔體稱為一個預設結構單元，一個預設結構單元在第一區域上的排佈如圖5所示。其中，凹陷腔體分別位於等邊三角形的頂點上，假設三角形的等效邊長為a，凹陷腔體的半徑為r，深度為d，則一個預設結構單元的面積的計算公式如下：。

需要說明的是，三角形的等效邊長a決定了各個凹陷腔體在晶圓載盤第一區域表面上之間的距離。最佳的本發明設置的複數個凹陷腔之間具有均等的距離，使得更複數紅外線輻射能量被均勻的向上發散，部分區域比如託盤承載區內與非承載區交界的邊緣位置可以選擇較少的凹陷腔。

本發明實施例對預設結構單元的各個參數（三角形的等效邊長a、半球的半徑r和深度d以及預設結構單元的面積S）進行了調整，從而得到複數個面積比值ratio，具體如表1所示。表1所示的面積比值ratio是設置有預設結構的第一區域表面與未設置預設結構的第二區域表面的面積比，也就是第一區域表面與第一區域向下投影得到的平面的面積比值。 表1 單位：mm

作為晶圓載盤的一個具體實施例，晶圓載盤的直徑為500 mm，則可以在其上設置12個用於承載4inch的晶圓的第一區域，在第一區域上設置有複數個形狀為半球的凹陷腔體。在該具體實施例中，半球的半徑r和深度d均為1 mm。由於凹陷腔體向上輻射明顯大於凹陷腔體之間的平整區域，所以如果凹陷腔體的面積過大會使得不同凹陷腔體之間的區域溫度仍然偏高的情況。為了避免這一情況出現本發明所述凹陷腔體的深度和半徑並不是越大越好，當半徑大於6 mm時，不同凹陷腔之間的形成的平整區域面積也較大，所以本發明選擇大量具有較小半徑的凹陷腔體密佈在整個晶圓承載區域表面，使得晶圓承載區不會形成連片的大面積平整區，較佳的半徑範圍為1-6 mm。

經過實驗驗證，上述開始凹陷部使得面積比大於等於1.11以上小於1.61以下時、特別是1.15以上的實施例能夠適應不同的加工溫度和紅外波長的需要使得晶圓載盤上具有最均一的溫度。

作為上述實施例的替代實施例，上述所述的凹陷結構可以全部或部分替代為突起結構，當突起結構設置於第一區域上時，其作用與凹陷結構的作用相同。其中，由三個突起結構組成的預設結構單元的結構示意圖如圖6所示。

根據本發明原理，所述的凹陷結構除了可以是下陷的半球形，也可以是其它下陷的結構如圓柱形或者開口上大下小的梯形，這些開口設計均能實現增強晶圓承載區對外輻射的能量，而且這些開口由於尺寸較大且分佈均勻，能夠不受複數次加工對托盤表面材料產生的影響，保證穩定的輻射率。

以上所述僅是本發明的較佳實施方式，應當指出，對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出複數改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

I0‧‧‧輻射能量
I’‧‧‧輻射能量
200‧‧‧晶圓載盤
201‧‧‧第一區域
201a‧‧‧凹陷結構
202‧‧‧第二區域
3‧‧‧石墨塊
30‧‧‧凹陷結構
4‧‧‧石墨塊
a‧‧‧等效邊長
r‧‧‧半徑
d‧‧‧深度

為了清楚地理解本發明的技術方案，下面結合圖式對描述本發明的具體實施方式時用到的附圖做一簡要說明。顯而易見地，這些附圖僅是本發明實施例的部分附圖，本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的前提下，還可以獲得其它的附圖。 圖1是晶圓載盤表面放置有藍寶石晶圓的晶圓載盤發射光線的示意圖； 圖2是本發明實施例提供的晶圓載盤的結構示意圖； 圖3是圖2沿A-A方向的剖面結構示意圖； 圖4A是模擬實驗所用到的表面設置有凹陷結構的石墨塊的表面示意圖； 圖4B是模擬實驗所用到的表面為平整結構的石墨塊的表面示意圖； 圖5是由凹陷腔體組成的預設結構單元在晶圓載盤第一區域上的分佈示意圖； 圖6是由突起結構組成的預設結構單元在晶圓載盤第一區域上的分佈示意圖。

200‧‧‧晶圓載盤

201‧‧‧第一區域

201a‧‧‧凹陷結構

202‧‧‧第二區域

Claims (8)

1. 一種晶圓載盤，其上表面包括一第一區域和一第二區域，該第一區域為複數個向下凹陷的用於承載一晶圓的承載區，不同的該第一區域之間藉由該第二區域隔離，其中在該第一區域的表面上設置有一預設結構，該預設結構使得該第一區域的表面面積增加，使得該第一區域的表面面積與該第一區域向下投影形成的一平面的表面面積的比值範圍在1.11~1.61之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓載盤，其中該預設結構使得該第一區域向下投影形成的平面單位面積內發射的紅外線輻射能量I1與該第二區域單位面積內發射的紅外線輻射能量I2滿足以下關係： I2=I1*Tw，其中，Tw為放置在該晶圓載盤上的待加工的該晶圓的紅外線透過率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓載盤，其中該預設結構包括複數個凹陷結構和/或複數個突起結構。
4. 如申請專利範圍第3項所述之晶圓載盤，其中該凹陷結構的形狀和/或該突起結構的形狀為一半球。
5. 如申請專利範圍第4項所述之晶圓載盤，其中該半球的半徑與深度相同，或者，該半球的半徑大於深度。
6. 如申請專利範圍第3項所述之晶圓載盤，其中該凹陷結構和/或該突起結構在該第一區域內均勻分佈。
7. 如申請專利範圍第3項所述之晶圓載盤，其中該凹陷結構和/或該突起結構的半徑大於等於1 mm小於6 mm。
8. 如申請專利範圍第3項所述之晶圓載盤，其中相鄰的該複數個凹陷結構和/或該複數個突起結構之間的間距大於等於1 mm小於5 mm。