TWI773368B - 晶圓治具結構及引起高溫潛變變形的處理設備 - Google Patents

Abstract

一種晶圓治具結構，主要包括了兩個可分離的治具。第一治具有一個第一斜面，第二治具含有另一個第二斜面。第一斜面及第二斜面相互平行，並同時傾斜於一個外力施壓的方向。當第一治具及第二治具相互靠合，而將一晶圓夾置於第一斜面與第二斜面之間時，藉由施壓外力，此晶片將受到一個沿著晶片表面的剪應力分量。若外力在高溫下操作，此晶圓將會出現高溫潛變。這個晶圓治具的傾斜結構，及輔助的處理設備，正是說明了利用夾具的傾斜設計，晶圓可以容易激活並發展高溫潛變變形，從而改進晶圓的幾何形狀。

Description

晶圓治具結構及引起高溫潛變變形的處理設備

本發明是有關於一種治具結構及處理設備，且特別是有關於一種晶圓治具傾斜設計結構，及可以容易激活並發展高溫潛變變形的晶圓高溫處理設備。

在半導體產業中，晶圓(wafer)的材料例如包括矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)或硒化鋅(ZnSe)。一般而言，製造晶圓的方法包括先形成晶碇(Ingot)，接著將晶碇切片已獲得晶圓。晶碇例如是在高溫的環境中製造。目前，晶碇的生長方法包括柴可拉斯基法(Czochralski process)、物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport, PVT)、高溫化學氣相沉積法 (High Temperature Chemical Vapor Deposition, HT-CVD)法以及液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy, LPE)等。

晶種被置放於高溫爐中，晶種接觸氣態或液態的原料，並形成半導體材料於晶種的表面，直到獲得具有預期尺寸的晶碇為止。晶碇可以視製造方式與製造原料而有不同的結晶構造。舉例來說，碳化矽的晶碇包括3C-碳化矽、4H-碳化矽、6H-碳化矽等。3C-碳化矽屬於立方晶系，而4H-碳化矽以及6H-碳化矽屬於六方晶系。

晶碇在攝氏數百度至攝氏數千度的高溫環境中生長。在晶碇的生長過程中，晶碇上端，即鄰近晶種的一端，稱為晶種端(seed end)。晶碇下端，亦是遠離晶種的一端，稱為圓頂端(dome end)。晶種端與圓頂端可能會因為位置的不同而出現攝氏數十至攝氏數百度的溫差。在這種情況下，晶碇的內部可能會出現因為溫差，且來不及應力重組(stress re-distribution)、應變釋放，而導致的殘留應力。若晶碇為碳化矽，則晶種端為矽面，而圓頂端為碳面，晶碇的矽面可以發展成殘留壓應力，且晶碇的碳面可以呈現殘留拉應力。

在晶碇生長完成後，以爐冷或其他方式使晶碇降溫至室溫。當晶碇降溫至塑性-彈性過度溫度以下，繼續由降溫引起的冷縮變形，已逐漸無法被晶體及時的塑性變形(例如差排(dislocation)生成、滑移及/或結合)的方式釋放應力。舉例來說，差排可以在某對應的滑移面(slip plane)上，沿著特定滑移方向滑移，至結晶體表面而消失。若晶碇只單純考慮彈性變形，而忽略遲緩的塑性變形的特質時(例如:高溫潛變)，晶碇的熱收縮大致符合下列公式：

ɛ= kΔΤ

在上述公式中，ɛ為應變，k為熱膨脹係數，ΔΤ為溫度差。在降溫晶碇時，若晶種端的溫度不同於圓頂端的溫度，晶種端與圓頂端會由不同的溫度開始降溫，使晶種端的熱收縮程度與圓頂端的熱收縮程度不同。舉例來說，晶種端可能由攝氏1800度降溫至室溫20度，圓頂端可能由攝氏1900度降溫至20度。此情況導致晶碇兩端位置溫度梯度不同，時間上收縮時序也不同步，出現壓應力以及張應力殘留。簡單說，由於晶種端的ΔΤ與圓頂端的ΔΤ不同，導致晶種端的ɛ與圓頂端的ɛ不同。

在晶碇降溫之後，利用切割機把晶碇形狀較差的頭尾兩端移除，接著用磨輪將晶碇研磨到想要的尺寸(例如3英吋至12英吋)。在一些製程中，於晶碇的邊緣研磨出一道平邊或V型槽。此平邊或V型槽適用於作為晶碇的結晶方向的記號或適用於固定晶碇。

接著將晶碇切片，以獲得多個晶圓(Wafer)。舉例來說，將晶碇切片的方法包括以刀具或鋼線配合磨粒(粒如鑽石顆粒)的方式進行切割。在一些情況中，晶圓內部與晶碇一樣殘留有壓應力以及張應力。在一些製程中，將晶圓的邊角磨成導圓角，以避免晶圓的邊角因為碰撞而破裂。

接著，對晶圓執行研磨以及拋光製程，以提升晶圓的表面品質。對晶圓執行研磨以及拋光製程的方法例如包括物理研磨製程以及化學機械研磨製程。物理研磨製程例如是以包含以鑽石顆粒或其他硬度較高的顆粒的研磨液配合拋光墊研磨晶圓表面。物理研磨製程主要是以機械力處理晶圓表面。化學機械研磨製程是以具有腐蝕性的研磨液以及磨料配合拋光墊，對晶圓表面進行研磨。化學機械研磨製程中的具有腐蝕性的研磨液可以與晶圓表面發生化學反應，使晶圓表面凹凸不平的部分轉變成硬度較小的材料，藉此使磨料能更容易的移除晶圓表面凹凸不平的部分。

在經過研磨以及拋光製程之後，晶圓的厚度被減少(例如減少數百微米)。晶圓內部殘留的張應力與壓應力會因為晶圓的厚度減少，而部分釋放(stress relaxation)及力的分布重新組合(stress re-distribution)，進而導致晶圓出現弓形(Bow)及/或撓屈(Warp)之幾何翹曲。

因此，如何在碳化矽晶圓經切割或研磨後改進上述幾何翹曲，是物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport, PVT)長晶，及其半導體材料製程上的重要議題。

本發明提供一種晶圓治具傾斜設計結構，及晶圓處理設備，可藉由較低溫的退火處理，有效地改進晶圓的幾何翹曲。

本發明的晶圓治具結構包括一第一治具及一第二治具。第一治具含有一第一斜面，第二治具有一第二斜面。斜面相互平行，並同時傾斜於一外力施壓的方向。當第一治具及第二治具相互靠合，而將一晶圓夾置於第一斜面與第二斜面之間時，藉由施壓外力，此晶片將受到一個沿著晶片表面的剪應力分量。若外力在高溫下操作，此晶圓將會出現高溫蠕變。

本發明的晶圓治具結構包括一第一治具及一第二治具。第一治具具有一第一斜面。第二治具具有一第二斜面，其中第一治具及第二治具相互靠合而使第一斜面朝向第二斜面且第一斜面與第二斜面之間形成一夾置空間，第一治具的一外圍部分及第二治具的一外圍部分圍繞夾置空間，且第一治具的外圍部分及第二治具的外圍部分之間具有間隙。

在本發明的一實施例中，當第一治具及第二治具相互靠合時，第一治具及第二治具共同構成一圓柱狀結構。

在本發明的一實施例中，上述的晶圓治具結構更包括至少一定位件，其中第一治具的外周面具有至少一第一溝槽，第二治具的外周面具有至少一第二溝槽，至少一定位件適於部分地嵌設於至少一第一溝槽且部分地嵌設於至少一第二溝槽。

在本發明的一實施例中，上述的晶圓治具結構更包括一施力組件，其中施力組件適於連接於第一治具及第二治具，並施加一外力於第一治具及第二治具。

在本發明的一實施例中，上述的晶圓治具結構更包括兩犧牲層，兩犧牲層適於分別配置於第一斜面及第二斜面上以接觸晶圓。

在本發明的一實施例中，上述的各犧牲層可為碳化矽擋片或碳化矽CVD鍍膜。

在本發明的一實施例中，上述的第一治具具有相對於第一斜面的一底面，第二治具具有相對於第二斜面的一頂面，底面及頂面皆為水平表面。

本發明的晶圓治具結構包括一第一治具及一第二治具。第一治具具有相對的一第一側及一第二側。第一側在一施壓方向上的厚度大於第二側在施壓方向上的厚度。第二治具具有相對的一第三側及一第四側。第三側在施壓方向上的厚度大於第四側在施壓方向上的厚度。當第一治具及第二治具相互靠合而使第一側對應於第四側且使第二側對應於第三側時，一晶圓夾置於第一治具與第二治具之間，且第一治具及第二治具適於藉由沿施壓方向施加的一外力而對晶圓施壓。

在本發明的一實施例中，當晶圓夾置於第一治具與第一治具之間時，第一治具及第二治具共同構成一圓柱狀結構，施壓方向平行於圓柱狀結構的軸向。

在本發明的一實施例中，上述的第一治具具有一第一斜面，第二治具具有一第二斜面，晶圓適於夾置於第一斜面與第二斜面之間，第一斜面及第二斜面相對於施壓方向的傾角介於0~45度之間、15~35度之間、20~30度之間或22~28度之間，或為25度。

在本發明的一實施例中，上述的晶圓治具結構更包括至少一定位件，其中第一治具的外周面具有至少一第一溝槽，第二治具的外周面具有至少一第二溝槽，至少一定位件適於部分地嵌設於至少一第一溝槽且部分地嵌設於至少一第二溝槽。

在本發明的一實施例中，上述的晶圓治具結構更包括一施力組件，其中施力組件適於連接於第一治具及第二治具，並施加外力於第一治具及第二治具。

在本發明的一實施例中，上述的晶圓治具結構更包括兩犧牲層，兩犧牲層適於分別配置於第一斜面及第二斜面上以接觸晶圓。

在本發明的一實施例中，上述的各犧牲層為碳化矽擋片或碳化矽CVD鍍膜。

在本發明的一實施例中，上述的第一治具具有相對於第一斜面的一底面，第二治具具有相對於第二斜面的一頂面，底面及頂面皆為水平表面而垂直於施壓方向。

本發明的晶圓處理設備包括上述晶圓治具結構及一熱源。熱源適於加熱被夾置於第一斜面與第二斜面之間的晶圓。

基於上述，在本發明的晶圓治具結構中，第一治具及第二治具分別藉由第一斜面及第二斜面夾持晶圓，使晶圓在傾斜的狀態下進行退火、高溫潛變處理，而可適當地釋放部分應力。從而，本發明的晶圓治具結構可使晶圓的幾何翹曲藉由退火處理而有效地被改進。

圖1是本發明一實施例的晶圓處理設備的俯視示意圖。請參考圖1，本實施例的晶圓處理設備10包括一晶圓治具結構100及一熱源12。晶圓治具結構100用以固持經切割或研磨的晶圓，熱源12用以加熱被晶圓治具結構100所固持的晶圓，以對晶圓進行退火及潛變處理。在圖1中，僅繪示出熱源12的局部，且將熱源12繪示為以環繞晶圓治具結構100的方式設置，然此僅為示意，熱源12可為任何適當形式的加熱裝置，其例如是將所提供的熱透過晶圓治具結構100傳導至晶圓，可以為熱阻加熱或感應加熱，本發明不對此加以限制。

圖2是圖1的晶圓治具結構的立體圖。圖3是圖2的晶圓治具結構的分解圖。圖4是圖2的第一治具及第二治具夾持晶圓的剖面示意圖。請參考圖2至圖4，本實施例的晶圓治具結構100包括一底座105、一第一治具110及一第二治具120。第一治具110及第二治具120的材質例如為石墨，在其他實施例中第一治具110及第二治具120的材質可以是_碳化物，例如TiC、WC、SiC、MoC、BC等材質或W、Mo等高溫抗碳化的金屬材質或金屬化合物，而且第一治具110及第二治具120的材質可以依照製程的設計或需求，選擇不同或相同的材質，本發明不對此加以限制。底座105用以承載第一治具110及第二治具120。第一治具110具有相對的一第一側S1及一第二側S2且具有一第一斜面110a，第二治具120具有相對的一第三側S3及一第四側S4且具有一第二斜面120a。第一側S1在施壓方向D1、D2上的厚度大於第二側S2在施壓方向D1、D2上的厚度而形成第一斜面110a，第三側S3在施壓方向D1、D2上的厚度大於第四側S4在施壓方向D1、D2上的厚度而形成第二斜面120a。當第一治具110及第二治具120如圖2及圖4所示相互靠合而使第一側S1對應於第四側S4且使第二側S2對應於第三側S3時，第一斜面110a朝向該第二斜面120a且第一斜面110a與第二斜面120a之間形成一夾置空間CS，一晶圓W夾置於第一斜面110a與第二斜面120a之間而位於夾置空間CS內，第一治具110及第二治具120例如共同構成圓柱狀結構，且第一斜面110a及第二斜面120a相互平行並沿傾斜方向D3傾斜於一施壓方向D1、D2，施壓方向D1、D2平行於所述圓柱狀結構的軸向A(標示於圖2)。圖1所示的熱源12適於加熱被夾置於第一斜面110a與第二斜面120a之間的晶圓W。第一治具110及第二治具120適於藉由沿施壓方向D1、D2施加的外力而對晶圓W施加退火處理時所需的壓力。本實施例的晶圓治具結構100可藉由任何適當的施力組件或重物對第一治具110及第二治具120施加、調整所述外力，本發明不對此加以限制。

圖5是圖4的第一治具、第二治具及晶圓的局部放大圖。請參考圖5，當第一治具110及第二治具120夾持晶圓W時，第一治具110的外圍部分110d及第二治具120的外圍部分120d圍繞夾置空間CS及其內的晶圓W，且第一治具110的外圍部分110d與第二治具120的外圍部分120d之間具有間隙G而不相互接觸，藉以避免第一治具110與第二治具120在施壓方向D1、D2彼此產生作用力而影響其對晶圓W的施壓。所述間隙G大於0，其例如約為200微米。

如上所述，本實施例的第一治具110及第二治具120分別藉由第一斜面110a及第二斜面120a夾持晶圓W，使晶圓W在傾斜的狀態下進行退火處理，使晶圓W的幾何翹曲藉由退火、潛變處理而有效地被改進。具體而言，在晶圓W內殘留有張應力與壓應力的情況下，晶圓W經過研磨和拋光而變薄後，晶圓的剛性度(rigidity)因而變小，所述應力對其幾何形狀的影響程度逐漸變大，而會使其產生更明顯的弓形(Bow)及/或撓屈(Warp)之幾何翹曲。其中，所述張應力與壓應力例如具有使晶圓W的弓形值往負值變化的趨勢。為了改善此幾何缺陷，本實施例在溫度約為攝氏1200〜1600度且壓力約為100~1000 Mpa的石墨加熱還原爐中，藉由第一治具110及第二治具120對已切割且尚未研磨、拋光的晶圓W或已經研磨過，但未拋光的晶圓施加外部壓力。晶圓W因第一治具110的第一斜面110a及第二治具120的第二斜面120a之設置而為傾斜狀態，即晶圓W的碳面之法線為傾斜並沿著＜11-20＞方向延伸。從而，只要第一治具110及第二治具120對晶圓W所施加的外部壓縮力超過某個臨界值，所述剪切力就會驅動現有的差排，沿＜11-20＞方向，在晶圓W平行{0001}的面上滑動，進而部分消除、重組晶圓W內部的殘留應力。，碳化矽晶體的內差排，可在多種組合的滑移面及滑移方向滑動。但其中{0001}結晶面沿著＜11-20＞方向，可被最小的剪力驅使滑移，故而達到退火潛變功效。其中晶圓W的傾斜角越小，所需的外部壓力就越大。差排的滑動和爬升使晶圓W中的殘餘應力部分被釋放。在本實施例中，例如在預定溫度(如上述的攝氏1200〜1600度)下執行上述施加外部壓縮力之過程持續1~3小時，然後關閉爐電源。晶圓W的弓形值經此方式處理後有所改善，甚至成為正的弓形值，其依據11a及11b的表面曲率設計所變動，其中第一斜面110a及第二斜面120a例如具有預定的正的弓形(Bow)值而不會阻礙夾置於其間的晶圓W的弓形值成為正，例如圖6，在其他實施例中，第一斜面110a及第二斜面120a亦可以具有預定的負弓形(bow)值，或依照製程設計或需求，藉由改變11a及11b的表面曲率而具有大小不同或相同的預定弓形(bow)值。接著，經過進一步研磨和拋光(如透過化學機械研磨，CMP)使晶圓W變薄後，所述應力對晶圓W的影響程度逐漸變大而使其弓形值往負值變化，並且由於晶圓W在進行研磨、拋光前已先如上述般藉由熱處理而具有正的弓形值，故在進行研磨、拋光後其弓形值因所述應力的影響而改變成為介於-25微米與25微米之間的正常值，甚至成為介於-15微米與15微米之間的正常值。

在本實施例中，第一斜面110a及第二斜面120a相對於施壓方向D1、D2的傾角可介於0~45度之間，較佳為15~35度之間，更佳為20~30度之間，再佳為22~28度之間，最佳為25度。藉由將第一斜面110a及第二斜面120a的傾角設計為上述角度，可使其傾斜方向大致對應於前述的＜11-20＞方向，以如上述般使差排沿＜11-20＞方向在晶圓W的碳面上滑動而部分消除晶圓W的殘留應力。

在本實施例中，第一治具110具有相對於第一斜面110a的一底面110c，第二治具120具有相對於第二斜面120a的一頂面120c。底面110c及頂面120c皆為水平表面而垂直於施壓方向D1、D2，以便於從頂面120c對第二治具120進行施壓，且便於藉由底面120c而使第一治具110被底座105承載。

請參考圖1及圖2，本實施例的晶圓治具結構100更包括至少一定位件130。相應地，第一治具110的外周面具有至少一第一溝槽110b，第二治具120的外周面具有至少一第二溝槽120b。定位件130適於部分地嵌設於第一溝槽110b且部分地嵌設於第二溝槽120b，以固定第一治具110與第二治具120的相對位置。並且，定位件130可在第一治具110與第二治具120尚未相靠合時阻擋第一治具110上的晶圓W，避免晶圓W滑離第一治具110。

本實施例的晶圓治具結構100更可包括圖4所示的兩犧牲層140。兩犧牲層140可分別配置於第一治具110的第一斜面110a及第二治具120的第二斜面120a上以接觸晶圓W，避免晶圓W直接接觸第一治具110及第二治具120，而在高溫下非預期地產生化學反應。舉例來說，若晶圓W的材質為碳化矽，則犧牲層140的材質可相同於晶圓W的材質而為碳化矽擋片，然本發明不以此為限。圖7是本發明另一實施例的第一治具、第二治具及晶圓的局部放大圖。圖7所示實施例與圖5所示實施例的不同處在於，圖7的第一治具110及第二治具120分別在第一斜面110a及第二斜面120a上塗佈有碳化矽CVD鍍膜，而構成犧牲層140。

在其他實施例中，第一斜面110a及第二斜面120a可分別具有凹陷部，從而在犧牲層140是晶圓的情況下，該晶圓可定位於所述凹陷部內而較不易滑落。所述凹陷部的深度大於犧牲層的厚度。

10:晶圓處理設備 12:熱源 100:晶圓治具結構 105:底座 110:第一治具 110a:第一斜面 110b:第一溝槽 110c:底面 110d、120d:外圍部分 120:第二治具 120a:第二斜面 120b:第二溝槽 120c:頂面 130:定位件 140、140’:犧牲層 A:軸向 CS:夾置空間 D1、D2:施壓方向 D3:傾斜方向 G:間隙 S1:第一側 S2:第二側 S3:第三側 S4:第四側 W:晶圓

圖1是本發明一實施例的晶圓處理設備的俯視示意圖。 圖2是圖1的晶圓治具結構的立體圖。 圖3是圖2的晶圓治具結構的分解圖。 圖4是圖2的第一治具及第二治具夾持晶圓的剖面示意圖。 圖5是圖4的第一治具、第二治具及晶圓的局部放大圖。 圖6繪示圖4的第一斜面及第二斜面具有正的弓形值。 圖7是本發明另一實施例的第一治具、第二治具及晶圓的局部放大圖。

110:第一治具

110a:第一斜面

110d、120d:外圍部分

120:第二治具

120a:第二斜面

140:犧牲層

CS:夾置空間

D1、D2:施壓方向

D3:傾斜方向

W:晶圓

Claims (9)

1. 一種晶圓治具結構，包括： 一第一治具，具有一第一斜面；以及 一第二治具，具有一第二斜面，其中該第一治具及該第二治具相互靠合而使該第一斜面朝向該第二斜面且該第一斜面與該第二斜面之間形成一夾置空間，該第一治具的一外圍部分及該第二治具的一外圍部分圍繞該夾置空間，且該第一治具的該外圍部分及該第二治具的該外圍部分之間具有間隙。
2. 如請求項1所述的晶圓治具結構，其中當該第一治具及該第二治具相互靠合時，該第一治具及該第二治具共同構成一圓柱狀結構。
3. 如請求項1所述的晶圓治具結構，更包括至少一定位件，其中該第一治具的外周面具有至少一第一溝槽，該第二治具的外周面具有至少一第二溝槽，該至少一定位件適於部分地嵌設於該至少一第一溝槽且部分地嵌設於該至少一第二溝槽。
4. 如請求項1所述的晶圓治具結構，更包括一施力組件，其中該施力組件適於連接於該第一治具及該第二治具，並施加一外力於該第一治具及該第二治具。
5. 如請求項1所述的晶圓治具結構，更包括兩犧牲層，該兩犧牲層適於分別配置於該第一斜面及該第二斜面上以接觸該晶圓。
6. 如請求項5所述的晶圓治具結構，其中各該犧牲層為碳化矽擋片，或碳化矽CVD鍍膜。
7. 如請求項1所述的晶圓治具結構，其中該第一治具具有相對於該第一斜面的一底面，該第二治具具有相對於該第二斜面的一頂面，該底面及該頂面皆為水平表面。
8. 一種晶圓治具結構，包括： 一第一治具，具有一第一斜面；以及 一第二治具，具有一第二斜面，其中當該第一治具及該第二治具相互靠合而將一晶圓夾置於該第一斜面與該第二斜面之間時，該第一斜面及該第二斜面相互平行並傾斜於一施壓方向，且該第一治具及該第二治具適於藉由沿該施壓方向施加的一外力而對該晶圓施壓。
9. 一種晶圓處理設備，包括： 一如請求項8所述的晶圓治具結構；以及 一熱源，適於加熱被夾置於該第一斜面與該第二斜面之間的該晶圓。

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