TWI649781B - 用於化學氣相沈積之自定中心晶圓載具系統 - Google Patents

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亞歷山大Ｉ 古拉瑞
正宏 張
額爾 瑪瑟洛
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    • H01L21/28512—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers on semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System
    • H01L21/28556—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers on semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System by chemical means, e.g. CVD, LPCVD, PECVD, laser CVD

Abstract

本發明揭示一種用於一化學氣相沈積(CVD)反應器之自定中心晶圓載具系統，其包含包括一邊緣之一晶圓載具。該晶圓載具至少部分支撐用於CVD處理之一晶圓。一旋轉管包括在處理期間支撐該晶圓載具之一邊緣。該晶圓載具之一邊緣幾何形狀及該旋轉管之一邊緣幾何形狀經選擇以在一所要處理溫度下之處理期間提供該晶圓載具之一中心軸及該旋轉管之一旋轉軸之一重合對準。

Description

用於化學氣相沈積之自定中心晶圓載具系統
本發明係關於一種晶圓載具系統，尤其是一種用於化學氣相沈積之自定中心晶圓載具系統。
本文中使用之段落標題僅係為了組織目的且不應理解為以任何方式限制本申請案中描述之標的物。
[相關申請案之交叉參考]
本申請案係以下美國臨時專利申請案之一非臨時專利申請案：2016年2月23日申請之標題為「Self-Centering Wafer Carrier System for Chemical Vapor Deposition」之美國臨時專利申請案第62/298,540號；2015年10月14日申請之標題為「Self-Centering Wafer Carrier System for Chemical Vapor Deposition」之美國臨時專利申請案第62/241,482號；及2015年6月22日申請之標題為「Self-Centering Wafer Carrier System for Chemical Vapor Deposition」之美國臨時專利申請案第62/183,166號。美國臨時專利申請案第62/298,540號、第62/241,482號及第62/183,166號之整個內容以引用的方式併入本文中。
許多材料處理系統包含用於在處理期間支撐基板之基板載具。基板通常係普遍稱為一晶圓之結晶材料之一圓盤。一種此類型之材料處理系統係一氣相磊晶(VPE)系統。氣相磊晶係一種類型之化學氣相沈積(CVD)，其涉及將含有化學物種之一或多個氣體引導至一基板之 一表面上，使得反應性物種反應且在基板之表面上形成一薄膜。舉例而言，VPE可用於在基板上生長化合物半導體材料。
通常藉由將至少一前驅氣體(且在許多程序中至少一第一前驅氣體及一第二前驅氣體)注入至含有結晶基板之一處理腔室中而生長材料。可藉由使用氫化物前驅氣體及有機金屬前驅氣體在一基板上生長各種半導體材料層而形成化合物半導體(諸如III-V族半導體)。金屬有機氣相磊晶(MOVPE)係一氣相沈積方法，其普遍用於使用含有所需化學元素之金屬有機物及氫化物之一表面反應生長化合物半導體。舉例而言，可藉由引入三甲基銦及膦而在一基板上之一反應器中生長磷化銦。
此項技術中使用之MOVPE之替代名稱包含有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)及有機金屬化學氣相沈積(OMCVD)。在此等程序中，氣體在一基板(諸如一藍寶石、Si、GaAs、InP、InAs或GaP基板)之生長表面處彼此反應以形成通式InXGaYAlZNAAsBPCSbD之III-V族化合物，其中X+Y+Z約等於一，A+B+C+D約等於一且X、Y、Z、A、B、C及D之各者可在零與一之間。在各種程序中，基板可係一金屬、半導體或一絕緣基板。在一些例項中，可使用鉍來取代一些或全部其他III族金屬。
亦可藉由使用氫化物或鹵化物前驅氣體程序在一基板上生長各種半導體材料層而形成化合物半導體(諸如III-V族半導體)。在一個鹵化物氣相磊晶(HVPE)程序中，藉由使熱氣態金屬氯化物(例如，GaCl或AlCl)與氨氣(NH3)反應而形成III族氮化物(例如，GaN、AlN)。藉由在熱III族金屬上方通過熱HCl氣體而產生金屬氯化物。HVPE之一特徵係其可具有一非常高的生長速率，針對一些當前最先進技術之程序，該生長速率高達每小時100μm。HVPE之另一特徵係其可用於沈積相對高品質之薄膜，此係因為薄膜係在一無碳環境中生長且因為熱 HCl氣體提供一自清潔效應。
在此等程序中，在一反應腔室內將基板維持於一高溫下。前驅氣體通常與惰性載體氣體混合且接著經引導至反應腔室中。通常言之，當將氣體引入至反應腔室中時，氣體在一相對低之溫度下。隨著氣體到達熱基板，其等之溫度(且因此其等可用於反應之能量)增加。磊晶層之形成藉由在基板表面處最終熱解成分化學物而發生。藉由基板之表面上之一化學反應而非藉由物理沈積程序而形成晶體。因此，VPE係用於熱力介穩合金之一所要生長技術。當前，VPE普遍用於製造雷射二極體、太陽能電池及發光二極體(LED)以及電力電子器件。
可高度期望在CVD沈積中能夠跨整個基板沈積高度均勻薄膜。在沈積期間跨基板之非均勻溫度剖面的存在導致非均勻沈積之薄膜。需要在沈積之持續時間期間改良跨基板之熱剖面之均勻性之方法及設備以改良良率。
一種用於一化學氣相沈積(CVD)反應器之自定中心晶圓載具系統包含一晶圓載具，該晶圓載具包括至少部分支撐用於CVD處理之一晶圓之一邊緣。該晶圓載具可支撐該晶圓之一整個底部表面或可僅支撐該晶圓之一周邊，留下該晶圓之一頂部及一底部表面兩者之一部分在CVD處理期間被曝露。
該自定中心晶圓載具系統亦包含一旋轉管，該旋轉管包括支撐該晶圓載具之一邊緣。在一些實施例中，該旋轉管包括一斜邊緣及一平坦外緣。一般言之，該晶圓載具之邊緣幾何形狀及該旋轉管之邊緣幾何形狀經選擇以在一所要處理溫度下之處理期間提供該晶圓載具之一中心軸及該旋轉管之一旋轉軸之一重合對準。該重合對準可建立跨該晶圓之一軸向對稱溫度剖面。在該晶圓載具之一些構形及操作方法中，在該所要處理溫度下該晶圓之一旋轉偏心率實質上為零。
在一些實施例中，該晶圓載具包含一邊緣幾何形狀，該邊緣幾何形狀包括一間隔件。該間隔件可經加工至該晶圓載具邊緣中。在一些實施例中，該晶圓載具邊緣幾何形狀包括與該旋轉管之該邊緣形成一接觸之至少兩個間隔件。該晶圓載具邊緣幾何形狀中之該間隔件迫使該晶圓載具之一中心軸及該旋轉管之一旋轉軸兩者在一所要處理溫度下對準。該間隔件可經定尺寸使得該晶圓之該旋轉具有一所要偏心率。在一些實施例中，一凸形結構形成至該晶圓載具邊緣中，該凸形結構使該晶圓載具之一質心偏移。在一特定實施例中，該凸形結構係一相對平坦區段。該凸形結構可與該間隔件相對定位。
在一些實施例中，該晶圓載具之該邊緣之該幾何形狀及該旋轉管之該邊緣之該幾何形狀兩者界定匹配斜表面。在一些特定實施例中，該等匹配斜表面係平行的。在一些特定實施例中，該晶圓載具之該邊緣幾何形狀在一內表面上係斜的且該旋轉管之該邊緣幾何形狀在一外表面上係斜的，其中該內表面指面朝腔室之中心之一表面且該外表面指背離該腔室之該中心之一表面。在其他實施例中，該晶圓載具之該邊緣幾何形狀在一外表面上係斜的且該旋轉管之該邊緣幾何形狀在內表面上係斜的。又，在一些特定實施例中，該斜表面成一角α，使得tan(α)>f，其中f係該晶圓載具與旋轉管之間之一摩擦係數。
在一些實施例中，該晶圓載具邊緣及該旋轉管邊緣經定位以界定一間隙。該間隙之一寬度在加熱期間歸因於形成該晶圓載具之材料之一熱膨脹係數與形成該旋轉管之材料之一熱膨脹係數之間之一差異而改變。在室溫下該間隙之該寬度經選擇使得存在用於該晶圓載具在處理溫度下相對於該旋轉管之膨脹之空間。在許多實施例中，該間隙之該寬度在該所要處理溫度下接近零。另外，在一些實施例中，形成該晶圓載具及該旋轉管之至少一者之該材料經選擇以具有維持用於該晶圓載具在處理溫度下相對於該旋轉管之膨脹之空間之一熱膨脹係 數。
一加熱元件接近該晶圓載具定位以將該晶圓加熱至該處理溫度。在一些實施例中，該加熱元件平行於該晶圓載具且在該晶圓載具下方定位。該加熱元件可係產生一空間相依溫度剖面之一多區帶加熱元件。
100‧‧‧單一晶圓化學氣相沈積(CVD)反應器
102‧‧‧晶圓載具
104‧‧‧旋轉管
106‧‧‧多區帶加熱器總成
200‧‧‧化學氣相沈積(CVD)反應器
202‧‧‧晶圓載具中心軸
204‧‧‧旋轉軸
206‧‧‧加熱器中心
208‧‧‧不對稱溫度剖面
210‧‧‧點A
210’‧‧‧點A’
210”‧‧‧點A”
212‧‧‧點B
212’‧‧‧點B’
212”‧‧‧點B”
250‧‧‧化學氣相沈積(CVD)反應器
252‧‧‧晶圓載具中心軸
254‧‧‧旋轉軸
256‧‧‧加熱器中心
258‧‧‧對稱溫度剖面
260‧‧‧點A
262‧‧‧點B
264‧‧‧點C
266‧‧‧點D
300‧‧‧熱剖面
310‧‧‧溫度梯度
312‧‧‧0°
314‧‧‧90°
320‧‧‧熱剖面
330‧‧‧溫度梯度
332‧‧‧0°
334‧‧‧90°
340‧‧‧溫度梯度
400‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
402‧‧‧晶圓載具
404‧‧‧晶圓載具邊緣
406‧‧‧平坦外緣
408‧‧‧晶圓
410‧‧‧加熱元件
412‧‧‧旋轉管
414‧‧‧旋轉管邊緣
416‧‧‧平坦外緣
418‧‧‧角α
420‧‧‧凹穴
421‧‧‧接觸介面
424‧‧‧側壁
430‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
432‧‧‧晶圓載具
434‧‧‧旋轉管
436‧‧‧間隙
438‧‧‧旋轉管直徑
450‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
452‧‧‧晶圓載具
454‧‧‧旋轉管
500‧‧‧第一構形
502‧‧‧晶圓載具
504‧‧‧旋轉管
506‧‧‧第一邊緣/邊緣/斜邊緣
508‧‧‧邊緣/斜邊緣
510‧‧‧晶圓
530‧‧‧第二構形
532‧‧‧晶圓載具
534‧‧‧旋轉管
536‧‧‧邊緣/斜邊緣
538‧‧‧邊緣/斜邊緣
540‧‧‧晶圓
550‧‧‧第三構形
552‧‧‧晶圓載具
554‧‧‧旋轉管
556‧‧‧第一斜邊緣
558‧‧‧第二斜邊緣
560‧‧‧晶圓
600‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
602‧‧‧晶圓載具邊緣
604‧‧‧晶圓載具
606‧‧‧中心軸
608‧‧‧旋轉管邊緣
610‧‧‧旋轉管
612‧‧‧間隙
614‧‧‧加熱器
616‧‧‧旋轉軸
618‧‧‧間隔件
620‧‧‧晶圓
621‧‧‧接觸介面
624‧‧‧凹穴
626‧‧‧側壁
630‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
632‧‧‧晶圓載具
634‧‧‧旋轉軸
636‧‧‧旋轉管
670‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
672‧‧‧中心軸
674‧‧‧晶圓載具
676‧‧‧旋轉軸
678‧‧‧間隔件
700‧‧‧自定中心晶圓載具
702‧‧‧間隔件
704‧‧‧凸形結構
800‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
802‧‧‧晶圓
804‧‧‧晶圓載具
806‧‧‧分離板
820‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
821‧‧‧開口載具/晶圓載具
822‧‧‧分離器
824‧‧‧晶圓
826‧‧‧斜邊緣
828‧‧‧沖洗管
829‧‧‧正壓沖洗氣體
830‧‧‧自定中心載具化學氣相沈積(CVD)系統
832‧‧‧晶圓載具
834‧‧‧斜邊緣
836‧‧‧斜邊緣
838‧‧‧旋轉管
840‧‧‧自定中心晶圓載具CVD系統
841‧‧‧開口載具/晶圓載具
842‧‧‧中心定位分離器
843‧‧‧石英減震器
844‧‧‧支撐件
846‧‧‧旋轉管
850‧‧‧自定中心載具化學氣相沈積(CVD)系統
851‧‧‧開口載具
852‧‧‧靜態分離器
853‧‧‧邊緣
853’‧‧‧邊緣
854‧‧‧旋轉管
855‧‧‧晶圓
860‧‧‧自定中心載具化學氣相沈積(CVD)系統
861‧‧‧開口載具
862‧‧‧石英分離器
863‧‧‧晶圓
864‧‧‧旋轉管
870‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
872‧‧‧垂直切向鎖
874‧‧‧分離板
876‧‧‧正沖洗
878‧‧‧晶圓
880‧‧‧管
900‧‧‧自定中心無凹穴晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
902‧‧‧晶圓載具
904‧‧‧晶圓載具邊緣
906‧‧‧平坦外緣
908‧‧‧晶圓
910‧‧‧加熱元件
912‧‧‧旋轉管
914‧‧‧旋轉管邊緣
916‧‧‧平坦外緣
918‧‧‧角α
920‧‧‧柱
921‧‧‧接觸介面
930‧‧‧自定中心載具化學氣相沈積(CVD)系統
932‧‧‧晶圓載具
934‧‧‧斜邊緣
936‧‧‧斜邊緣
938‧‧‧旋轉管
940‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
942‧‧‧垂直切向鎖
944‧‧‧分離板
945‧‧‧管
946‧‧‧正沖洗
948‧‧‧晶圓
950‧‧‧自定中心無凹穴晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
952‧‧‧晶圓載具邊緣
954‧‧‧晶圓載具
956‧‧‧中心軸
958‧‧‧旋轉管邊緣
960‧‧‧旋轉管
962‧‧‧間隔件
964‧‧‧加熱器
966‧‧‧旋轉軸
968‧‧‧間隙
970‧‧‧晶圓
971‧‧‧接觸介面
972‧‧‧柱
980‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
981‧‧‧開口載具/晶圓載具
982‧‧‧分離器
984‧‧‧晶圓
986‧‧‧斜邊緣
987‧‧‧旋轉管
988‧‧‧沖洗管
989‧‧‧正壓沖洗氣體
990‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
991‧‧‧開口載具/晶圓載具
992‧‧‧中心定位分離器
993‧‧‧石英減震器
994‧‧‧支撐件
996‧‧‧旋轉管
1100‧‧‧物件
1102‧‧‧物件
1104‧‧‧物件
1106‧‧‧物件
1200‧‧‧表面
1202‧‧‧表面
1204‧‧‧表面
1206‧‧‧表面
1300‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
1301‧‧‧開口載具
1302‧‧‧傘狀靜態分離器
1303‧‧‧邊緣
1303’‧‧‧邊緣
1304‧‧‧旋轉管
1305‧‧‧晶圓
1310‧‧‧自定中心晶圓載具化學氣相沈積(CVD)系統
1311‧‧‧開口載具
1312‧‧‧石英分離器
1313‧‧‧晶圓
1314‧‧‧旋轉管
1400‧‧‧無凹穴晶圓載具
1402‧‧‧外緣
1404‧‧‧柱
1406‧‧‧晶圓
1408‧‧‧表面
1410‧‧‧邊緣
1500‧‧‧無凹穴晶圓載具
1502‧‧‧外緣
1504‧‧‧柱
1506‧‧‧晶圓
1508‧‧‧表面
1510‧‧‧邊緣
1600‧‧‧晶圓載具
1602‧‧‧凹穴
1604‧‧‧緩衝器
1700‧‧‧晶圓支撐環
1702‧‧‧旋轉鼓
1704‧‧‧緩衝器
1706‧‧‧邊緣
1708‧‧‧邊緣
1709‧‧‧頂面
1710‧‧‧邊緣
1800‧‧‧物件
1802‧‧‧表面
1804‧‧‧表面
1806‧‧‧物件
1900‧‧‧展開俯視圖；物件
1902‧‧‧表面
1903‧‧‧突片
1904‧‧‧表面
1906‧‧‧表面
2000‧‧‧晶圓支撐環
2002‧‧‧旋轉鼓
2006‧‧‧邊緣
2008‧‧‧邊緣
2009‧‧‧頂面
2010‧‧‧邊緣
2012‧‧‧邊緣
2014‧‧‧邊緣
A-A‧‧‧線
A‧‧‧圓
D‧‧‧旋轉管直徑寬度
F‧‧‧虛線圓
G‧‧‧虛線圓
L‧‧‧間隙寬度
Θ‧‧‧角
在結合隨附圖式進行之以下詳細描述中更具體描述根據較佳及例示性實施例以及其之進一步優點之本教示。熟習此項技術者將理解，下文描述之圖式僅係為了圖解目的。圖式無需按比例，取而代之大致將重點放在繪示教示之原理上。在圖式中，貫穿各種圖，相同元件符號大致指相同特徵及結構元件。圖式不意欲以任何方式限制申請人之教示之範疇。
圖1繪示本教示之一單一晶圓CVD反應器之一項實施例，其包括一晶圓載具及具有加熱器總成之旋轉管。
圖2A繪示不使用一自定中心技術之一CVD反應器之一圖式。
圖2B繪示使用自定中心之本教示之一CVD反應器之一實施例之一圖式。
圖3A繪示針對一1.33mm誘發偏心率之源自一CVD反應器中之旋轉偏心率之跨一圓形晶圓之一熱剖面。
圖3B繪示依據半徑之來自圖3A之資料之溫度梯度。
圖3C繪示針對一0.33mm誘發偏心率之源自一CVD反應器中之旋轉偏心率之跨一圓形晶圓之一熱剖面。
圖3D繪示依據半徑之來自圖3C之資料之溫度梯度。
圖3E繪示依據載具旋轉偏心率之溫度梯度之一曲線圖。
圖4A繪示具有一晶圓載具之本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統，該晶圓載具具有一斜邊緣及一外緣。
圖4B繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統，其中在沈積程序開始之前，晶圓載具已在室溫下轉移至處理反應器(未展示)中且定位於旋轉管上。
圖4C繪示呈結合圖4B描述之構形但在處理溫度下之本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統。
圖5A至圖5C繪示根據本教示之晶圓載具及旋轉管之各種構形，其包含提供晶圓載具相對於旋轉管之旋轉軸之自定中心之一斜介面。
圖6A繪示在室溫下之根據本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統。
圖6B繪示在處理溫度下之根據本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統。
圖6C繪示在高於處理溫度之一溫度下之根據本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統。
圖7繪示本教示之一自定中心晶圓載具，其包括間隔件及凸形結構。
圖8A繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之一實施例，其包括一開口載具設計。
圖8B繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之一實施例，其包括一開口載具設計及一斜邊緣。
圖8C繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之一實施例，其包括一開口載具及正沖洗設計。
圖8D繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之一實施例，其包括具有一簡單分離器之一開口載具。
圖8E繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之一實施例，其包括具有一中心定位分離器之一開口載具。
圖8F繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之一實施例， 其包括具有一靜態分離器之一開口載具。
圖8G繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之一實施例，其包括具有一可移除石英分離器之一開口載具。
圖8H繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之另一實施例，其包括一開口載具設計及一斜邊緣。
圖8I繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之另一實施例，其包括一開口載具及正沖洗設計。
圖8J繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之另一實施例，其包括具有一簡單分離器之一開口載具。
圖8K繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之另一實施例，其包括具有一中心定位分離器之一開口載具。
圖8L繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之另一實施例，其包括具有一靜態分離器之一開口載具。
圖8M繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統之另一實施例，其包括具有一可移除石英分離器之一開口載具。
圖9A繪示具有一無凹穴晶圓載具之本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統，該無凹穴晶圓載具具有具備一斜幾何形狀之一邊緣及一外緣。
圖9B繪示在室溫下之根據本教示之一無凹穴晶圓載具之一自定中心晶圓載具CVD系統。
圖10展示圖9A及圖9B中展示之柱及接觸介面之各項實施例之其他細節，包含晶圓、晶圓載具及晶圓載具之柱介面之細節。
圖11展示如圖9A及圖9B中展示之柱及接觸介面之各項實施例之又其他細節，包含晶圓、晶圓載具及晶圓載具之柱介面之細節。
圖12展示如圖4A、圖5A至圖5C及圖6A中之緩衝器及接觸介面之各項實施例之其他細節，包含晶圓、晶圓載具及晶圓載具之緩衝器介 面之細節。
圖13展示如圖4A、圖5A至圖5C及圖6A中之緩衝器及接觸介面之各項實施例之其他細節，包含晶圓、晶圓載具及晶圓載具之緩衝器介面之細節。
圖14展示具有具備一或多個緩衝器之一凹穴之一晶圓載具之一等角視圖。
圖15展示根據本教示之一無凹穴晶圓載具之一平面視圖。
圖15A係沿著線A-A之圖15之無凹穴晶圓載具之一橫截面視圖。
圖15B係圖15之無凹穴晶圓載具之一等角視圖。
圖16展示根據本教示之另一無凹穴晶圓載具之一平面視圖。
圖16A係沿著線A-A之圖16之無凹穴晶圓載具之一橫截面。
圖16B係圖16之無凹穴晶圓載具之一等角視圖。
圖17係根據本教示之安裝於旋轉鼓上之一晶圓支撐環之一橫截面視圖。
圖17A繪示圖17之一放大部分。
圖18繪示一晶圓支撐環之一等角視圖。
圖19繪示根據本教示之一單一基板載具之一展開俯視圖。
圖20繪示根據本教示之另一晶圓支撐環實施例之一等角視圖。
圖20A繪示沿著線A-A之圖20之晶圓支撐環之一橫截面。
圖21繪示根據本教示之安裝於一旋轉鼓上之圖20之晶圓支撐環之一橫截面。
圖21A繪示圖21之一放大部分。
圖22繪示根據本教示之圖21之晶圓支撐環及旋轉鼓之一分解視圖。
現在將參考如隨附圖式中展示之本教示之例示性實施例更詳細 描述本教示。在說明書中提及「一項實施例」或「一實施例」意謂結合實施例描述之一特定特徵、結構或特性包含於教示之至少一項實施例中。片語「在一項實施例中」在說明書中之各處的出現未必皆指相同實施例。
雖然結合各項實施例及實例描述本教示，但不意欲將本教示限於此等實施例。相反地，本教示涵蓋如熟習此項技術者將瞭解的各種替代例、修改及等效物。獲得本文中之教示之一般技術者將認知在如本文描述之本發明之範疇內之額外實施方案、修改及實施例以及其他使用領域。
應理解，本教示之方法中使用之個別步驟可按任何順序及/或同時執行，只要該教示仍可實行。此外，應理解，本教示之設備及方法可包含任何數目個或全部所描述實施例，只要該教示仍可實行。
本教示係關於用於使用於CVD及其他類型之處理反應器之一晶圓載具自定中心之方法及設備。結合一單一晶圓載具描述本教示之態樣。然而，熟習此項技術者將瞭解，本教示之許多態樣不限於一單一晶圓載具。
圖1繪示本教示之一單一晶圓CVD反應器100之一項實施例，其包括一晶圓載具102及具有一多區帶加熱器總成106之旋轉管104。晶圓載具102在周邊處由一旋轉管104支撐。一多區帶加熱總成106在旋轉管104內部定位於晶圓載具102下方。以此構形，晶圓載具102與旋轉管104之間存在容許載具裝載之一徑向間隙。此間隙之寬度在加熱期間改變，此係因為晶圓載具102及旋轉管104具有不同熱膨脹係數(CTE)，從而導致依據溫度之不同膨脹。
晶圓載具及旋轉管可由各種材料形成，諸如例如碳化矽(SiC)、氮化硼(BN)、碳化硼(BC)、氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、藍寶石、矽、氮化鎵、砷化鎵、石英、石墨、使用碳化矽(SiC)塗佈之石墨、 其他陶瓷材料及其等之組合。另外，此等及其他材料可具有一耐火塗層(例如，碳化物、氮化物或氧化物耐火塗層)。此外，晶圓載具及旋轉管可由耐火金屬(諸如鉬、鎢及其等之合金)形成。具有或不具有塗層之此等材料之各者將具有不同熱膨脹係數(CTE)。舉例而言，普遍用於晶圓載具之塗佈SiC之石墨之熱膨脹係數(CTE)係-5.6X10-6℃ -1。普遍用作旋轉管之石英之熱膨脹係數係-5.5X10-7℃ -1。CVD SiC之熱膨脹係數係-4.5X10-6℃ -1。鑑於此等熱膨脹係數，室溫下晶圓載具與旋轉管之間約0.5mm之一初始間隙在1100℃下減小至約0.05mm。需要高操作溫度下之一小間隙以維持石英管之完整性。由於改變之間隙寬度，因此已知晶圓載具設計不隨著溫度增加而繞晶圓載具之幾何中心自旋。此導致沿著晶圓載具半徑之一線性或不對稱之溫度分佈。不對稱溫度非均勻性導致無法由多區帶加熱系統補償之沈積均勻性。因此，用於CVD反應器之已知晶圓載具遭受非均勻不對稱溫度剖面，其係源自晶圓載具不繞其幾何中心旋轉。
圖2A繪示不使用一自定中心技術之一CVD反應器之一圖式。圖2A繪示針對其中晶圓載具中心軸202不與旋轉管之旋轉軸204重合之一構形之用於一CVD反應器200之一晶圓載具、旋轉軸及加熱器之相對位置之一側視圖及一平面視圖兩者。為了本揭示內容之目的，一晶圓載具中心軸(有時亦稱為一中心軸)在本文中定義為定中心在載具之中間點處且在垂直於晶圓載具之頂部之一方向上延伸之一線。以此構形，晶圓載具中心軸202自旋轉管(未展示)之旋轉軸204偏移且晶圓載具中心軸202及旋轉管之旋轉軸204兩者自加熱器中心206偏移。因此，當旋轉晶圓載具時，點A210及點B212在不同同心圓形路徑中移行。更具體言之，點A 210自旋轉管之一遠邊緣移動至如由點A’210’及點A”210”之位置展示之另一遠邊緣。更接近旋轉軸204之點B 212自旋轉管之一更內部點移動至如由點B’212’及點B”212”之位置展示 之另一更內部點。以此方式，兩個點A 210及點B 212在旋轉時經歷不同平均溫度，其導致一不對稱溫度剖面208。不對稱溫度剖面208展示與點B 212重合之晶圓之一邊緣上相較於與點A 210重合之晶圓之相對邊緣上之溫度之更高溫度。
因此，以圖2A中繪示之構形，點A210之平均溫度Ta小於點B 212之平均溫度Tb，其產生一傾斜之不對稱溫度剖面208。不對稱溫度剖面208展示晶圓之點B 212處之邊緣上相較於點A 210處之晶圓之相對邊緣上之溫度之一更高溫度。因此，所得溫度剖面關於旋轉軸不對稱。甚至以其中載具軸與加熱器軸重合之構形，歸因於載具軸與旋轉軸之間之一偏移之晶圓運動偏心率仍導致不對稱溫度非均勻性。
圖2B繪示根據本教示之使用自定中心之一CVD反應器之一實施例之一圖式。圖2B繪示呈其中晶圓載具中心軸252與旋轉軸254重合之構形之用於一CVD反應器250之一晶圓載具、旋轉軸及加熱器之相對位置之一側視圖及平面視圖。如本文描述之晶圓載具中心軸與旋轉軸之重合對準意謂兩個軸落於相同線上。晶圓載具中心軸252相對於旋轉管(未展示)之旋轉軸254之位置係重合的但自加熱器中心256偏移。當晶圓載具中心軸252及旋轉軸254重合時，即使其等自加熱器中心偏移，晶圓載具仍繞旋轉軸自旋而無偏心率。此構形導致一對稱溫度剖面258。
更具體言之，以此構形，當旋轉載具時，點A 260及點B 262經歷來自加熱器之相同平均溫度。類似地，點C 264及點D 266亦經歷相同平均溫度。然而，點C 264及點D 266處之平均溫度與點A 260及點B 262之平均溫度不同。所得溫度剖面258軸向對稱但非均勻。
可藉由適當構形且操作接近晶圓載具定位之一多區帶加熱器而改良源自本教示之一自定中心晶圓載具之經沈積具有一軸向對稱非均勻溫度剖面258之一薄膜之均勻性。替代地或與接近晶圓載具定位之 一多區帶加熱器之適當使用組合，可藉由針對晶圓溫度均勻性之載具凹穴造型而改良源自本教示之軸向對稱非均勻溫度剖面258之薄膜均勻性。見(例如)讓與本案受讓人之標題為「Method for Improving Performance of a Substrate Carrier」之美國專利第8,486,726號。美國專利第8,486,726號之整個說明書以引用的方式併入本文中。因此，比一不對稱剖面更期望一軸向對稱非均勻溫度剖面，此係因為可使用用於熱管理之已知方法及設備來改良熱均勻性及所得薄膜沈積均勻性。
圖3A繪示針對一1.33mm誘發偏心率之源自一CVD反應器中之旋轉偏心率之跨一圓形晶圓之表面之一熱剖面300。圖3B繪示針對如圖3A中展示之相同1.33mm誘發偏心率之在0° 312及90° 314下之依據半徑之溫度梯度310。圖3B繪示沿著載具之半徑之一大線性溫度分佈。不容易補償此一線性溫度分佈，此係因為已知多區帶加熱系統單獨無法補償線性溫度分佈。線性溫度分佈導致低沈積均勻性。
圖3C繪示針對一0.33mm誘發偏心率之源自一CVD反應器中之旋轉偏心率之跨一圓形晶圓之一熱剖面320。圖3D繪示針對相同0.33mm誘發偏心率之在0° 332及90° 334下之依據半徑之溫度梯度330。圖3E基於來自圖3A至圖3D之資料繪示依據載具旋轉偏心率之一溫度梯度340之一所得曲線圖。曲線圖指示當載具旋轉偏心率小於0.33mm時，梯度340減小至小於大約2℃。
因此，本教示之一特徵係根據本教示之一晶圓載具可提供處理溫度下晶圓載具中心軸與旋轉管之旋轉軸之重合。此重合減小晶圓之圓形旋轉之偏心率以產生可藉由適當使用多區帶加熱元件而補償之一軸向對稱溫度剖面。
圖4A繪示具有一晶圓載具402之本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統400，該晶圓載具402具有具備一斜幾何形狀之一邊緣404及一平坦外緣406。晶圓載具402之邊緣404對應於晶圓載具之外周邊處 或附近之一圓形區域。邊緣自晶圓載具之下表面突出。一晶圓408定中心於晶圓載具402之上表面上。一加熱元件410定位於晶圓載具402下方。定位於凹穴420中之晶圓408、外緣406及加熱元件410皆平行定位。晶圓408之邊緣在接觸介面421處接觸凹穴420之側壁424，其在下文中進一步論述。晶圓載具402定位於一旋轉管412上。旋轉管412具有具備一斜幾何形狀之一邊緣414及一平坦外緣416。當晶圓載具402定位於旋轉管412上時，晶圓載具邊緣404及旋轉管邊緣414接近且平行。在一些實施例中，旋轉管412之邊緣414上之斜幾何形狀依相對於旋轉管412之旋轉軸之一角α 418形成。類似地，將晶圓載具402之邊緣404上之斜幾何形狀設定為相對於載具之中心軸之一角α 418，該中心軸垂直於支撐晶圓之晶圓載具之上表面延伸。在一些實施例中，選擇角α 418，使得tan(α)>f，其中f係晶圓載具與旋轉管材料之間之摩擦係數。
圖4B繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統430，其中在沈積程序開始之前，晶圓載具432已在室溫下轉移至處理反應器(未展示)中且定位於旋轉管434上。圖4B繪示具有寬度L之一間隙436及寬度D之旋轉管直徑438。本教示之晶圓載具之一特徵係晶圓載具邊緣經定尺寸使得在室溫下旋轉管之邊緣與晶圓載具之邊緣之間存在一間隙。在一些實施例中，選擇晶圓載具432及旋轉管434之尺寸，使得間隙436滿足以下方程式：L<(CTE carrier -CTE tube )* D * T，其中CTEcarrier係載具432之熱膨脹係數，且CTEtube係旋轉管434之熱膨脹係數且T係處理溫度。根據上文中方程式之間隙436將隨著增加之操作溫度而減小，且恰在實現處理溫度之前，間隙將實質上為零。
圖4C繪示呈結合圖4B描述之構形但在處理溫度下之本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統450。晶圓載具452及旋轉管454之斜邊緣 之間之近接觸導致載具在旋轉管上之一定中心。因此，晶圓載具中心軸及旋轉軸係重合的。
熟習此項技術者將瞭解，可使用許多斜幾何形狀來形成旋轉管與晶圓載具之間之介面。圖5A至圖5C繪示根據本教示之晶圓載具及旋轉管之各種構形，其包含晶圓載具及旋轉管之各種斜幾何形狀邊緣及提供晶圓載具中心軸及旋轉管之旋轉軸之自定中心之晶圓載具與旋轉管之間之所得介面。
圖5A繪示晶圓載具502之一第一構形500，其包含定位於晶圓載具502上接近晶圓載具502之外周邊之一第一邊緣506。晶圓載具502之邊緣506經形成具有一斜幾何形狀且繞晶圓載具502之中心圓形延伸。 一邊緣508定位於旋轉管504上接近旋轉管504之外邊緣。旋轉管504之邊緣508經形成具有一斜幾何形狀且繞旋轉管504之周邊圓形延伸。當晶圓載具502定位於旋轉管504上時，晶圓載具502之邊緣506之斜幾何形狀及旋轉管504之邊緣508之斜幾何形狀接近且平行。在圖5A中展示之實施例中，斜邊緣形成於旋轉管504之外周邊上。在其他實施例中，旋轉管504之斜邊緣形成於旋轉管504之內周邊上。在圖5A中展示之實施例中，在操作期間，晶圓載具502定位於旋轉管504上，使得晶圓載具502之邊緣506之斜幾何形狀及旋轉管504之邊緣508之斜幾何形狀近接觸，藉此在處理期間產生晶圓510之自定中心，此係因為斜邊緣506、508使旋轉管504之旋轉軸與晶圓載具中心保持重合。
圖5B繪示晶圓載具532及旋轉管534之一第二構形530，其包含定位於晶圓載具532上之具有一斜幾何形狀之一邊緣536及定位於旋轉管534上之具有一斜幾何形狀之一邊緣538。形成於晶圓載具532上之斜邊緣536及形成於旋轉管534上之斜邊緣538向上且背離旋轉管534之內周邊傾斜。兩個斜邊緣係平行的。在操作期間，晶圓載具532定位於旋轉管534上，使得第一斜邊緣536及第二斜邊緣538近接觸，從而使 得在處理期間晶圓540在旋轉軸上方定中心。斜邊緣536、538使旋轉管534之旋轉軸與晶圓載具中心軸保持重合。
圖5C繪示晶圓載具552及旋轉管554之一第三構形550，其包含定位於晶圓載具552上之一第一斜邊緣556及定位於旋轉管554上之一第二斜邊緣558。第一斜邊緣556及第二斜邊緣558向下且背離旋轉管之內周邊傾斜。兩個斜邊緣係平行的。在操作期間，晶圓載具552定位於旋轉管554上，使得第一斜邊緣556及第二斜邊緣558近接觸，從而在處理期間產生晶圓560之自定中心。斜邊緣556、558使旋轉管554之旋轉軸與晶圓載具552中心軸保持重合。
本教示之一特徵係晶圓載具之邊緣之幾何形狀及旋轉管之邊緣之幾何形狀在處理溫度下之處理期間產生晶圓之一特定量之偏心或近偏心旋轉。選擇處理期間晶圓之偏心或近偏心旋轉之量以達成導致一高度均勻之薄膜厚度剖面之一所要處理溫度剖面。
圖6A繪示根據本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統600，其展示在室溫下定位於凹穴624中之晶圓620。晶圓620之邊緣在接觸介面621處接觸凹穴624之側壁626，其在下文中進一步論述。在此實施例中，晶圓載具604之邊緣602與晶圓載具604之中心軸606平行且亦與旋轉管610之邊緣608平行。晶圓載具邊緣602之幾何形狀係使得晶圓載具604之邊緣602與旋轉管610之邊緣608之間存在一間隙612。間隙612容許用於晶圓載具604相對於旋轉管610之膨脹之足夠空間，使得晶圓載具邊緣602與旋轉管邊緣608之間無接觸發生。貫穿整個處理溫度循環且尤其在最高處理溫度下，晶圓載具604保持小於旋轉管610。在一些實施例中，一加熱器614沿著旋轉管610之旋轉軸616定中心。
圖6A展示晶圓載具604之中心軸606未與旋轉軸616重合。一間隔件618經定尺寸使得在一處理溫度下，晶圓載具中心軸及旋轉管610之旋轉軸係重合的。在一些實施例中，將間隔件618加工至晶圓載具邊 緣602中，使得間隔件618與其結構整合。在一些實施例中，晶圓載具604係石墨且將間隔件618直接加工至該石墨中且接著使用一不同材料(諸如碳化矽(SiC))塗佈整個晶圓載具604。在一些實施例中，使用兩個或更多個間隔件來與旋轉管610之邊緣608形成一穩定接觸。
圖6B繪示根據本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統630，其展示在處理溫度下定位於凹穴624中之晶圓620。晶圓620之邊緣在接觸介面621處接觸凹穴624之側壁626，其在下文中進一步論述。圖6B展示當晶圓載具632在操作條件下時，晶圓載具632之中心與旋轉管636之旋轉軸634之中心直接對準。因此，在處理溫度下之處理期間，不存在晶圓之偏心旋轉。
圖6C繪示根據本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統670，其展示在高於處理溫度之一溫度下定位於凹穴624中之晶圓620。晶圓620之邊緣在接觸介面621處接觸凹穴624之側壁，其在下文中進一步論述。圖6C展示在高於處理溫度之溫度下，晶圓載具674之中心軸672不再與旋轉軸676對準。在一些實施例中，使用間隔件678來偏移由晶圓載具672之中心與旋轉軸676之間之偏移導致之偏心率以在此等較高處理溫度下提供一對稱溫度剖面。
圖7繪示本教示之一自定中心晶圓載具700，其具有包含定位於對應於晶圓載具之邊緣之圓形區域上之一或多個間隔件702及與一或多個間隔件702相對定位之一凸形結構704之一邊緣幾何形狀。在圖7中展示之實施例中，凸形結構704包含與間隔件702徑向相對之一或多個平坦區段。凸形結構704偏移晶圓載具700之質心。
在旋轉期間，旋轉質量之離心力有助於克服晶圓載具700之邊緣與旋轉管(圖7中未展示)之邊緣之間之摩擦。離心力在使得一或多個間隔件702保持與旋轉管之邊緣接觸之一方向上移動晶圓載具700。
本教示之自定中心晶圓載具之一特徵係晶圓之兩側可敞開且不 與大量晶圓載具表面接觸。圖8A至圖8C繪示具有一開口載具設計之本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統800之實施例。藉由「開口載具設計」，吾人意謂晶圓802之部分係敞開或未經支撐。僅繞晶圓之周邊之一小區域與晶圓載具實體接觸。在一些實施例中，使用一分離板來界定晶圓之背側所曝露之旋轉管內部之區域。
圖8A繪示具有一分離板806之一開口載具設計。在圖8A中展示之開口載具設計之實施例中，晶圓802在晶圓802之周邊處由晶圓載具804支撐，留下晶圓802之頂部及底部兩者被曝露於晶圓上方及下方之腔室中之氛圍。
圖8B繪示本教示之一自定中心載具CVD系統830之一實施例，其具有包括一開口載具設計及具有一斜邊緣834之一幾何形狀之一晶圓載具832。當晶圓載具832定位於旋轉管838上時，晶圓載具之斜邊緣834擱置於旋轉管838之一斜邊緣836上。兩個斜邊緣834、836之間之介面使晶圓載具832相對於旋轉管838之旋轉軸定中心。
圖8C繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統870之一實施例，其具有用於分離板874之一垂直切向鎖872。圖8C中繪示之實施例經設計用於分離板上方之腔中之正沖洗876。藉由穿過分離板874之一管880而將沖洗氣體提供至分離板874與晶圓878之間之區域。晶圓878之底部側曝露於沖洗氣體。因此，在各項實施例中，開口載具設計晶圓載具利用提供晶圓載具相對於旋轉管之旋轉軸之自定中心之晶圓載具邊緣及旋轉管邊緣之各種幾何形狀及尺寸。
圖8D繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統820之一實施例，其包括具有一簡單分離器822之一開口載具821。分離器822防止耐火金屬(諸如鎢)沈積在晶圓824之背側上。分離器822向晶圓824提供輻射加熱。在各項實施例中，分離器822由碳化矽、石英或其他材料製成。使用碳化矽提供相對低的溫度升降溫速率，此係因為碳化矽 具有一高導熱性。分離器822可由不透明材料形成以最小化清潔需要。又，分離器822可包含一斜邊緣826以提供自定中心。在一些實施例中，晶圓載具821及分離器822兩者利用各自邊緣之自定中心幾何形狀及尺寸以防止沈積期間之非均勻溫度剖面。使用一沖洗管828來向腔提供正壓沖洗氣體829。
圖8E繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統840之一實施例，其包括具有一中心定位分離器842之一開口載具841。分離器842使用亦充當一沖洗管之一支撐件844定中心於石英減震器843上。支撐件844提供分離器842相對於旋轉管846之旋轉軸之自定中心。晶圓載具841之邊緣尺寸及幾何形狀提供晶圓載具841相對於旋轉管846之旋轉軸之自定中心。分離器842可由不透明材料形成以最小化清潔需要。
圖8F繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統850之一實施例，其包括具有一靜態分離器852之一開口載具851。傘狀靜態分離器852具有導致分離器852在旋轉期間相對於旋轉管854保持靜態之兩個邊緣853、853’。換言之，靜態分離器852在操作期間不與旋轉管854一起旋轉。在各項實施例中，選擇靜態分離器852之尺寸及幾何形狀以最小化由於靜態分離器852之頂部與底部之間之溫度差異而產生之應力。在各項實施例中，靜態分離器852由碳化矽、石英或其他材料製成。使用碳化矽提供較低升降溫速率，此係因為碳化矽具有一高導熱性。靜態分離器852可由不透明材料形成以最小化清潔需要。靜態分離器852防止耐火金屬(諸如鎢)沈積在晶圓855之背側上。
圖8G繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統860之一實施例，其包括一開口載具861及石英分離器862。石英分離器862可係永久或可移除。石英分離器862防止耐火金屬(諸如鎢)沈積在晶圓863之背側上。在一永久石英分離器之情況中，分離器862可係與旋轉管864 一起之一連續石英件。此連續件設計消除使分離器定中心之問題，此係因為分離器係旋轉結構之部分。一不透明碳化矽載具861阻擋雜散光。在許多實施例中，選擇分離器862之尺寸及幾何形狀以避免歸因於熱梯度之應力。
圖8H繪示本教示之一自定中心載具CVD系統930之一實施例，其具有包括一開口載具設計及具有一斜邊緣934之幾何形狀之一晶圓載具932。當晶圓載具932定位於旋轉管938上時，晶圓載具之斜邊緣934擱置於旋轉管938之一斜邊緣936上。兩個斜邊緣934、936之間之介面使晶圓載具932相對於旋轉管938之旋轉軸定中心。
圖8I繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統940之一實施例，其具有用於分離板944之一垂直切向鎖942。圖8I中繪示之實施例經設計用於分離板上方之腔中之正沖洗946。藉由穿過分離板944之一管945而將沖洗氣體提供至分離板944與晶圓948之間之區域。晶圓948之底部側曝露於沖洗氣體。因此，在各項實施例中，開口載具設計晶圓載具利用提供晶圓載具相對於旋轉管987之旋轉軸之自定中心之晶圓載具邊緣及旋轉管邊緣之各種幾何形狀及尺寸。
圖8J繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統980之一實施例，其包括具有一簡單分離器982之一開口載具981。分離器982防止耐火金屬(諸如鎢)沈積在晶圓984之背側上。分離器982向晶圓984提供輻射加熱。在各項實施例中，分離器982由碳化矽、石英或其他材料製成。使用碳化矽提供一相對高的溫度升降溫速率，此係因為碳化矽具有一低導熱性。分離器982可由不透明材料形成以最小化清潔需要。又，分離器982可包含一斜邊緣986以提供自定中心。在一些實施例中，晶圓載具981及分離器982兩者利用各自邊緣之自定中心幾何形狀及尺寸以防止沈積期間之非均勻溫度剖面。使用一沖洗管988來向腔提供正壓沖洗氣體989。
圖8K繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統990之一實施例，其包括具有一中心定位分離器992之一開口載具991。分離器992使用亦充當一沖洗管之一支撐件994定中心於石英減震器993上。支撐件994提供分離器992相對於旋轉管996之旋轉軸之自定中心。晶圓載具991之邊緣尺寸及幾何形狀提供晶圓載具991相對於旋轉管996之旋轉軸之自定中心。分離器992可由不透明材料形成以最小化清潔需要。
圖8L繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統1300之一實施例，其包括具有一靜態分離器1302之一開口載具1301。傘狀靜態分離器1302具有導致分離器1302在旋轉期間相對於旋轉管1304保持靜態之兩個邊緣1303、1303’。換言之，靜態分離器1302在操作期間不與旋轉管1304一起旋轉。在各項實施例中，選擇靜態分離器1302之尺寸及幾何形狀以最小化由於靜態分離器1302之頂部與底部之間之溫度差異而產生之應力。在各項實施例中，靜態分離器1302由碳化矽、石英或其他材料製成。使用碳化矽提供一相對低的升降溫速率，此係因為碳化矽具有一高導熱性。靜態分離器1302可由不透明材料形成以最小化清潔需要。靜態分離器1302防止耐火金屬(諸如鎢)沈積在晶圓1305之背側上。
圖8M繪示本教示之一自定中心晶圓載具CVD系統1310之一實施例，其包括一開口載具1311及石英分離器1312。石英分離器1312可係永久或可移除。石英分離器1312防止耐火金屬(諸如鎢)沈積在晶圓1313之背側上。在一永久石英分離器之情況中，分離器1312可係與旋轉管1314一起之一連續石英件。此連續件設計消除使分離器定中心之問題，此係因為分離器係旋轉結構之部分。一不透明碳化矽載具1311阻擋雜散光。在許多實施例中，選擇分離器1312之尺寸及幾何形狀以避免歸因於熱梯度之應力。
圖9A繪示具有一晶圓載具902之本教示之一自定中心無凹穴晶圓載具CVD系統900，該晶圓載具902具有具備一斜幾何形狀之一邊緣904及一平坦外緣906。晶圓載具902之邊緣904對應於晶圓載具之外周邊處或附近之一圓形區域。邊緣自晶圓載具之下表面突出。一晶圓908藉由柱920定中心於晶圓載具902之上表面上。晶圓908及柱920之邊緣在接觸介面921處接觸，其在下文中進一步論述。一加熱元件910定位於晶圓載具902下方。晶圓908、外緣906及加熱元件910皆平行定位。晶圓載具902定位於一旋轉管912上。旋轉管912具有具備一斜幾何形狀之一邊緣914及一平坦外緣916。當晶圓載具902定位於旋轉管912上時，晶圓載具邊緣904及旋轉管邊緣914接近且平行。在一些實施例中，旋轉管912之邊緣914上之斜幾何形狀依相對於旋轉管912之旋轉軸之一角α 918形成。類似地，將晶圓載具902之邊緣904上之斜幾何形狀設定為相對於垂直於支撐晶圓之晶圓載具之上表面延伸之載具之中心軸之一角α 918。在一些實施例中，選擇角α 918，使得tan(α)>f，其中f係晶圓載具與旋轉管材料之間之摩擦係數。晶圓載具902不具有一凹穴且可被視為一無凹穴載具，其中在操作期間柱920將晶圓908保持於晶圓載具904上。
圖9B繪示在室溫下之根據本教示之一自定中心無凹穴晶圓載具CVD系統950。在此實施例中，晶圓載具954之邊緣952與晶圓載具954之中心軸956平行且亦與旋轉管960之邊緣958平行。晶圓載具邊緣952之幾何形狀係使得晶圓載具954之邊緣952與旋轉管960之邊緣958之間存在一間隙968。間隙968容許用於晶圓載具954相對於旋轉管960之膨脹之足夠空間，使得晶圓載具邊緣952與旋轉管邊緣958之間不發生接觸。貫穿整個處理溫度循環且尤其在最高處理溫度下，晶圓載具954保持小於旋轉管960。在一些實施例中，一加熱器964沿著旋轉管960之旋轉軸966定中心。
圖9B展示晶圓載具954之中心軸956未與旋轉軸966重合。一間隔件962經定尺寸以使晶圓載具954之旋轉偏心，其中晶圓970在表示旋轉管960之圓內。晶圓970藉由柱972定中心於晶圓載具954上。晶圓970及柱972之邊緣在接觸介面971處接觸，其在下文中進一步論述。在一些實施例中，將間隔件962加工至晶圓載具邊緣952中，使得間隔件962與其結構整合。在一些實施例中，晶圓載具954係石墨且將間隔件962直接加工至該石墨中且接著使用一不同材料(諸如碳化矽(SiC))塗佈整個晶圓載具954。在一些實施例中，使用兩個或更多個間隔件來與旋轉管960之邊緣958形成一穩定接觸。圖9B中展示之系統類似於上文在圖6A中展示之系統且當圖9B之系統旋轉時，其將基本上遵循上文中針對圖6B及圖6C進行之描述。晶圓載具954不具有一凹穴且因此可被視為一無凹穴載具，其中在操作期間柱972將晶圓970保持於晶圓載具954上。
圖10及圖11展示如上文在圖9A及圖9B中展示之柱920或972及接觸介面921或971之細節。分別見虛線圓F及G。在圖10中，物件1100展示上文提及之晶圓、晶圓載具及晶圓載具902或954之柱介面之細節。物件1102係上文提及之柱920或972。物件1106分別係晶圓908或970分別擱置於其上之晶圓載具902或954之一部分。物件1104係形成其中晶圓908或970分別接觸柱920或972(類似於物件1102)之接觸介面921或971之柱920或972之一壁。與晶圓邊緣介接之物件1104之面可呈平坦或彎曲(例如，凸狀)。
在圖11中，表面1200展示分別結合圖9A、圖9B描述之晶圓、晶圓載具及晶圓載具902或954之柱介面之細節。表面1202係柱920或972。在此實施例中，表面1204係分別與圖9A及圖9B有關之形成接觸介面921或971之柱920或972之一底切壁。表面1206分別係晶圓908或970分別擱置於其上之晶圓載具902或954之一部分。表面1204及表面 1206形成範圍可係自約80°至約95°之一角Θ。
圖12及圖13展示如結合圖4A及圖6A描述之側壁及接觸介面421或621之各項實施例之細節。在圖12中，物件1900展示結合圖4A及圖6A描述之晶圓載具及晶圓載具402或604之側壁之細節。表面1902係如圖4A及圖6A中展示之晶圓載具402或604之頂面。表面1906分別係晶圓408或620分別擱置於其上之晶圓載具402或604之凹穴420或624之一部分。表面1904係分別形成於晶圓載具402或604之側壁424或626中之一緩衝器，該緩衝器在晶圓408或620分別放置於凹穴420或624中時，形成接觸介面421或621。與晶圓邊緣介接之物件1904之面可呈平坦或彎曲(例如，凸狀)。
在圖13中，物件1800展示結合圖4A及圖6A描述之晶圓載具及晶圓載具402或604之側壁之細節。表面1802係如上文提及之晶圓載具402或604之頂面。在此實施例中，表面1804係分別形成於晶圓載具402或604之側壁424或626中之一緩衝器且經底切以便分別形成如圖4A及圖6A中展示之接觸介面421或621。物件1806分別係晶圓408或620分別擱置於其上之晶圓載具402或604之凹穴420或624之一部分。表面1804及表面1806形成範圍可係自約80°至約95°之一角Θ。圖4A及圖6A之整個側壁424或626未經底切。僅當緩衝器形成於各自凹穴內時形成凹穴420或624之底切部分。
圖14展示具有一凹穴1602之一晶圓載具1600之一等角視圖，該凹穴1602具有一或多個緩衝器1604(諸如結合圖12及圖13描述之緩衝器)。凹穴1602之壁1606具有形成於其上之一或多個緩衝器1604。
圖15展示根據本教示之另一無凹穴晶圓載具1400之平面視圖。無凹穴晶圓載具1400具有外緣1402及柱1404。柱1404類似於在圖10及圖11中描述之該等柱。無凹穴晶圓載具1400具有晶圓1406擱置於其上之表面1408。
圖15A展示無凹穴晶圓載具1400之一橫截面視圖。無凹穴晶圓載具1400具有具備一斜幾何形狀之一邊緣1410及一外緣1402，類似於結合圖4A描述之邊緣及外緣。邊緣1410之斜幾何形狀與其中利用無凹穴晶圓載具1400之一反應器之一旋轉管形成類似於結合圖4A描述之角α 418之一類似角α。旋轉管類似於結合圖4A描述之旋轉管412。
圖15B展示根據本教示之無凹穴晶圓載具1400之一等角視圖。無凹穴晶圓載具1400具有外緣1402及柱1404。柱1404類似於結合圖10及圖11描述之該等柱。無凹穴晶圓載具1400具有一晶圓(未展示)擱置於其上之表面1408。
圖16展示根據本教示之另一無凹穴晶圓載具1500之一平面視圖。無凹穴晶圓載具1500具有外緣1502及柱1504，柱1504類似於在圖10及圖11中描述之柱。無凹穴晶圓載具1500具有一晶圓1506擱置於其上之表面1508。
圖16A展示無凹穴晶圓載具1500之一橫截面。無凹穴晶圓載具1500具有具備一斜幾何形狀之一邊緣1510及一外緣1502，類似於結合圖4A描述之邊緣及外緣。邊緣1510之斜幾何形狀與其中利用無凹穴晶圓載具1500之一反應器之一旋轉管形成類似於上文描述之角α 418之一類似角α。旋轉管類似於本文描述之旋轉管，諸如旋轉管412。
圖16B展示根據本教示之無凹穴晶圓載具1600之一等角視圖。參考圖16及圖16A，無凹穴晶圓載具1500、1600具有外緣1502及柱1504，柱1504類似於在圖10及圖11中描述之柱。無凹穴晶圓載具1500具有一晶圓(未展示)擱置於其上之表面1508。
圖17係安裝於旋轉鼓1702上之晶圓支撐環1700(亦稱為一開口載具)之一橫截面視圖。晶圓支撐環1700具有邊緣1710且旋轉鼓1702具有邊緣1708，使得當晶圓支撐環1700定位於旋轉鼓1702上時，邊緣1710及1708之幾何形狀接近且平行。幾何形狀係使得在全部溫度下晶 圓支撐環1700與旋轉鼓1702同步旋轉。晶圓支撐環1700具有頂面1709及一晶圓(未展示)之外邊緣擱置於其上之一邊緣1706。晶圓支撐環1700亦包含一或多個緩衝器1704，其中緩衝器具有一筆直壁或底切且類似於圖12及圖13中描述之緩衝器。晶圓支撐環1700亦可具有其中頂面1709及邊緣1706共面(形成一無凹穴構形)且使用類似於1404或1504之柱之一構形。晶圓支撐環1700可用於如圖8A至圖8G中展示之自定中心CVD系統中。當晶圓支撐環1700為一無凹穴構形時，接觸晶圓邊緣之柱之面可呈平坦或彎曲(例如，凸狀)。
圖17A展示圖17中之圓A之一特寫圖。
圖18展示具有如本文描述之邊緣1706及緩衝器1704之晶圓支撐環1700之一等角視圖。
如上文論述，柱(例如，柱920或972)形成於如上文描述之無凹穴載具上。針對具有凹穴之晶圓載具，使用緩衝器。
柱(在用於無凹穴晶圓載具上時)或緩衝器(在用於具有一凹穴之一晶圓載具上時)通常對稱地放置於無凹穴晶圓載具之表面上或晶圓載具之凹穴內。一般言之，預期六個緩衝器或柱，但可使用更少(例如3或4個)或更多(例如9或10個)緩衝器或柱。
如圖11及圖13中展示之底切在用於柱或緩衝器時之範圍係自約80°至約95°。接觸晶圓之邊緣之物件1204及1804之表面可呈平坦或彎曲(例如，凸狀)。在其他實施例中，柱可呈凹狀。
例如在圖10及圖12中之接觸晶圓之邊緣之緩衝器或柱之表面可呈平坦或彎曲(例如，凸狀)。在其他實施例中，柱可呈凹狀。
用於形成緩衝器或柱之材料通常與製成晶圓載具之材料相同。在其他實施例中，緩衝器或柱可由與形成晶圓之材料相同之材料形成。在又一實施例中，緩衝器或柱可由與晶圓載具及晶圓之材料不同之一材料製成。
除了緩衝器或柱之外，本發明之晶圓載具亦可具有突片。突片可在環繞柱附近之表面上之各種位置處，形成於(例如)無凹穴晶圓載具中之表面1408或1508上。突片可放置於柱之位置附近或環繞之任何位置。當晶圓載具中存在凹穴時，突片可定位於緩衝器所定位之表面1806或1906上或沿著凹槽中之凹穴外部定位於其內之任何其他處。
在兩個例項中，突片之形狀可係三角形。突片可由吸收當基板載具抵於基板膨脹時產生之至少一些力之一材料形成。又，隨著基板載具之溫度增加，突片可減小基板上之機械應力。
圖19繪示結合圖14描述之根據本教示之單一基板載具1600之一展開俯視圖1900(其中圖14之一些特徵未展示)。展開俯視圖1900展示用於支撐基板之複數個突片1903。在處理期間，基板擱置於此等突片1903上。可使用許多類型之突片。舉例而言，突片1903可係如展示之三角形狀突片1903，但可預期定位於沿著基板載具1600之邊緣之若干位置處之其他形狀。此係因為基板載具1600隨著其溫度升高至所要處理溫度而膨脹，而許多類型之基板之尺寸保持基本上相同。突片1903經定尺寸使得其等在程序之整個操作溫度範圍內支撐基板。
本發明亦提供用於一化學氣相沈積系統之一單一晶圓基板載具，其中單一晶圓基板載具具有適於容納一基板(或晶圓)之一本體(晶圓載具)及用於定位於一旋轉管之頂部上之一邊緣幾何形狀，旋轉管亦具有一邊緣幾何形狀，其中選擇單一晶圓基板載具及旋轉管之邊緣幾何形狀以在一所要處理溫度下之處理期間提供晶圓載具之一中心軸及旋轉管之一旋轉軸之一重合對準。可藉由使用一凹穴(例如，如結合圖4A及圖6B描述之凹穴420或凹穴624)或不使用一凹穴(即，無凹穴)而藉由使用如本文論述之兩個或更多個緩衝器或柱在本體上容納晶圓(或基板)。
單一晶圓基板載具亦稱為一晶圓載具且術語在本文中係可互換 的。
圖20展示晶圓支撐環(亦稱為一開口載具或處理托盤)2000之一等角視圖。晶圓支撐環2000具有一晶圓(未展示)之外邊緣擱置於其上之邊緣2006。晶圓支撐環2000亦可具有一或多個緩衝器，其中緩衝器具有一筆直壁或底切且類似於圖12及圖13中描述之該等緩衝器。晶圓支撐環2000亦可具有其中頂面2009及邊緣2006共面(形成一無凹穴構形)且使用類似於如上文論述之1404或1504之柱之一構形。晶圓支撐環2000亦可用於如圖8A至圖8G中展示之自定中心CVD系統中。當晶圓支撐環2000為一無凹穴構形時，接觸晶圓邊緣之柱之面可呈平坦或彎曲(例如，凸狀)。
圖20A係穿透線A-A之圖20之一橫截面。
圖21展示安裝於旋轉鼓2002上之晶圓支撐環2000之一橫截面。晶圓支撐環2000具有一邊緣2010及一邊緣2012。旋轉鼓2002具有一邊緣2008及2014。當晶圓支撐環2000定位於旋轉鼓2002上時，晶圓支撐環2000之邊緣2010及旋轉鼓2002之邊緣2008之幾何形狀接近且平行且晶圓支撐環2000之邊緣2012及旋轉鼓之邊緣2014之幾何形狀接近且平行。幾何形狀係使得在全部溫度下晶圓支撐環2000與旋轉鼓2002同步旋轉。邊緣2012可沿著旋轉鼓2002之邊緣2014延伸達自約0.5mm至約7.5mm。
圖21A展示圖21中之圓A之一特寫圖。
圖22展示晶圓支撐環2000及旋轉鼓2002之一分解視圖。
等效物
雖然結合各項實施例描述申請人之教示，但不旨在將申請人之教示限於此等實施例。相反地，申請人之教示涵蓋如熟習此項技術者將瞭解之可在不脫離本教示之精神及範疇的情況下作出的各種替代、修改及等效物。

Claims (42)

  1. 一種用於一化學氣相沈積(CVD)反應器之自定中心晶圓載具系統，該晶圓載具系統包括：a)一晶圓載具，其包括一邊緣，該晶圓載具至少部分支撐用於CVD處理之一晶圓；及b)一旋轉管，其包括一邊緣，該晶圓載具之一邊緣幾何形狀及該旋轉管之一邊緣幾何形狀經選擇以在一所要處理溫度下之處理期間提供該晶圓載具之一中心軸及該旋轉管之一旋轉軸之一重合對準；c)一加熱元件，其定位於該旋轉管內且位於該晶圓載具下方。
  2. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具支撐該晶圓之一整個底部表面。
  3. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具在該晶圓之一周邊處支撐該晶圓，留下該晶圓之一頂部及一底部表面兩者之一部分被曝露。
  4. 如請求項3之自定中心晶圓載具系統，其進一步包括向該晶圓提供輻射加熱之一分離器。
  5. 如請求項4之自定中心晶圓載具系統，其中該分離器包括一幾何形狀，該幾何形狀經選擇以提供該分離器相對於該旋轉管之該中心之定中心。
  6. 如請求項4之自定中心晶圓載具系統，其中該分離器包括經選擇以在旋轉期間導致該分離器相對於該旋轉管保持靜態之一幾何形狀。
  7. 如請求項4之自定中心晶圓載具系統，其中該分離器包括選自由碳化矽及石英組成之群組之一材料。
  8. 如請求項4之自定中心晶圓載具系統，其進一步包括在該晶圓載具下方供應正壓沖洗氣體之一管。
  9. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中在該所要處理溫度下該晶圓之一旋轉偏心率實質上為零。
  10. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具邊緣及該旋轉管邊緣經定尺寸以界定一間隙。
  11. 如請求項10之自定中心晶圓載具系統，其中在該所要處理溫度下該間隙之一寬度接近零。
  12. 如請求項10之自定中心晶圓載具系統，其中該間隙之一寬度在加熱期間歸因於形成該晶圓載具之材料之一熱膨脹係數與形成該旋轉管之材料之一熱膨脹係數之間之一差異而改變。
  13. 如請求項10之自定中心晶圓載具系統，其中在室溫下該間隙之一寬度經選擇使得存在用於該晶圓載具在處理溫度下相對於該旋轉管之膨脹之空間。
  14. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中在該所要處理溫度下之處理期間該晶圓載具之該中心軸及該旋轉管之該旋轉軸之該重合對準建立跨該晶圓之一軸向對稱溫度剖面。
  15. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中形成該晶圓載具及該旋轉管之至少一者之一材料經選擇以具有維持用於該晶圓載具在處理溫度下相對於該旋轉管之膨脹之空間之一熱膨脹係數。
  16. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具之該邊緣幾何形狀及該旋轉管之該邊緣幾何形狀兩者界定匹配斜表面。
  17. 如請求項16之自定中心晶圓載具系統，其中該等匹配斜表面係平行的。
  18. 如請求項17之自定中心晶圓載具系統，其中該等匹配斜表面成一角α，使得tan(α)>f，其中f係該晶圓載具與旋轉管之間之一摩 擦係數。
  19. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具之該邊緣幾何形狀在一內表面上係斜的且該旋轉管之該邊緣幾何形狀在一外表面上係斜的。
  20. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該旋轉管包括一平坦外緣。
  21. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具之該邊緣幾何形狀在一外表面上係斜的且該旋轉管之該邊緣幾何形狀在一內表面上係斜的。
  22. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具進一步包括適於固持一晶圓之一凹穴。
  23. 如請求項22之自定中心晶圓載具系統，其進一步包括對稱地放置於該凹穴內之一或多個緩衝器。
  24. 如請求項1之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具包括具有對稱地放置於該晶圓載具之上表面上之兩個或更多個柱之一無凹穴晶圓載具。
  25. 一種用於一化學氣相沈積(CVD)反應器之自定中心晶圓載具系統，該晶圓載具系統包括：a)一晶圓載具，其包括一邊緣幾何形狀，該邊緣幾何形狀包括一間隔件，該晶圓載具至少部分支撐用於CVD處理之一晶圓；及b)一旋轉管，其支撐該晶圓載具，該晶圓載具邊緣幾何形狀中之該間隔件迫使該晶圓載具之一中心軸及該旋轉管之一旋轉軸兩者在一所要處理溫度下對準。
  26. 如請求項25之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具系統進一步包括：c)一加熱元件，其定位於該旋轉管內且位於該晶圓載 具下方。
  27. 如請求項25或26之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具進一步包括與該間隔件相對定位之一凸形結構，該凸形結構使該晶圓載具之質心偏移。
  28. 如請求項27之自定中心晶圓載具系統，其中該凸形結構包括一相對平坦區段。
  29. 如請求項25或26之自定中心晶圓載具系統，其中該間隔件經定尺寸使得該晶圓之旋轉具有一所要偏心率。
  30. 如請求項25或26之自定中心晶圓載具系統，其中該間隔件經加工至該晶圓載具之一邊緣中。
  31. 如請求項25或26之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具係由選自由以下組成之群組之陶瓷材料形成：碳化矽(SiC)、氮化硼(BN)、碳化硼(BC)、氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、藍寶石、矽、氮化鎵、砷化鎵、石英、石墨、使用碳化矽(SiC)塗佈之石墨及其等之組合。
  32. 如請求項31之自定中心晶圓載具系統，其中該陶瓷材料包含一耐火塗層。
  33. 如請求項25或26之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具由一耐火金屬形成。
  34. 如請求項31之自定中心晶圓載具系統，其中該晶圓載具邊緣幾何形狀包括與該旋轉管之一邊緣形成一接觸之至少兩個間隔件。
  35. 一種用於化學氣相沈積之單一晶圓基板載具，其包括適於容納一晶圓之一晶圓載具，該晶圓載具具有用於定位於一旋轉管之頂部上之一邊緣幾何形狀，該旋轉管亦具有一邊緣幾何形狀，以及一加熱元件，其定位於該旋轉管內且位於該晶圓載具下 方，其中該單一晶圓基板載具及該旋轉管之該等邊緣幾何形狀經選擇以在一所要處理溫度下之處理期間提供該晶圓載具之一中心軸及該旋轉管之一旋轉軸之一重合對準。
  36. 如請求項35之單一晶圓基板載具，其中該晶圓載具經構形以藉由使用適於固持該晶圓之一凹穴而容納該晶圓。
  37. 如請求項36之單一晶圓基板載具，其中該晶圓載具進一步包括對稱地放置於該凹穴內之一或多個緩衝器。
  38. 如請求項35之單一晶圓基板載具，其中該晶圓載具包括一無凹穴晶圓載具，該無凹穴晶圓載具包括對稱地放置於該晶圓載具之上表面上之兩個或更多個柱。
  39. 一種使用於一化學氣相沈積(CVD)反應器之一晶圓載具系統自定中心之方法，該方法包括：a)使用一晶圓載具至少部分支撐用於CVD處理之一晶圓；b)使用一定位於一旋轉管內且位於該晶圓載具下方之加熱元件以提供熱至晶圓；c)選擇該旋轉管之一邊緣幾何形狀及該晶圓載具之一邊緣幾何形狀，使得在一所要處理溫度下之處理期間該晶圓載具之一中心軸與該旋轉管之一旋轉軸重合；及d)使用該旋轉管旋轉該晶圓載具。
  40. 如請求項39之方法，其進一步包括調整一多區帶加熱器之至少一區帶以補償歸因於一軸向對稱溫度剖面之晶圓薄膜非均勻性。
  41. 如請求項39之方法，其中藉由使用該旋轉管旋轉該晶圓載具而產生之一離心力在使得該晶圓載具中之一或多個間隔件保持與該旋轉管之該邊緣接觸之一方向上移動該晶圓載具。
  42. 如請求項39之方法，其進一步包括使用一間隔件迫使該晶圓載 具之一中心軸及該旋轉管之一旋轉軸兩者在一所要處理溫度下對準。
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