TWM541639U - 改良型晶圓承載盤 - Google Patents

Description

改良型晶圓承載盤

本新型涉及一種改良型晶圓承載盤，尤指一種應用於有機金屬化學氣相沉積[Metal Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD]磊晶爐的晶圓承載盤[susceptor,wafer carrier or substrate holder]。

近年來氮化鎵[GaN]系列化合物半導體材料，已經被成功應用於發光二極體[Light Emitting Diode，簡稱LED]照明，並將成為新一代5G行動通訊系統中，不可或缺的高頻與大功率微波電子元件，未來氮化鎵[GaN]電子元件若能大量應用於電力轉換設備上，還可在每個變電環節，減少電能耗損，堪稱最具發展潛力的第三代半導體材料，而目前商品化的氮化鎵[GaN]系半導體光電元件，大多都是以MOCVD磊晶技術製作。

LED晶片的良率，是由其發光波長的均勻性所決定，MOCVD磊晶爐為了精確調控LED磊晶圓發光波長的均勻性，其晶圓承載盤需配合加熱器，提供一最佳化晶圓溫度均勻性，以沉積高品質的磊晶層，故晶圓承載盤為MOCVD磊晶爐中，非常重要的一個組件，同時也是LED磊晶廠的主要耗材之一。

如第1圖和第2圖所示，傳統晶圓承載盤(A)不管是單片式又或者是多片式的型式，其兩者的承載盤本體(10)，通常會採用石墨材料來製作，並設置對應數量的口袋[Pocket](30)，以承載晶圓(40)，而整體的表面上，會再利用CVD法，鍍一層厚度約70至120μm的碳化矽[SiC]鍍層(20)， 請參閱第3圖。

雖然CVD法所鍍出來的碳化矽鍍層(20)，其材料強度很高，但是厚度也僅僅只有70至120μm，而承載盤本體(10)為由石墨底材(101)所製成，其強度卻很低，這樣的組合材料，耐撞擊的能力不好；承載盤在使用過程中，會經常性地遭受到外力撞擊，可能來自於搬運過程，上下料或人為意外碰撞，但最主要的撞擊因素，還是來自於晶圓(40)的碰撞，況且當前LED磊晶的晶圓(40)，為藍寶石晶圓[Sapphire(Al₂O₃)Wafer]，非常堅硬；撞擊的問題，尤其常見於高轉速型的MOCVD磊晶爐之中，其晶圓承載盤的轉速，高達每分鐘1000轉，機台在啟動與停止的過程當中，由於慣性力的作用，堅硬的藍寶石晶圓，經常會被甩動，撞擊晶圓承載盤之口袋[Pocket](30)的側壁(301)或邊緣(302)，造成碳化矽鍍層(20)出現一些微裂紋(201)或缺角(202)，請參閱第3、4圖，更嚴重的是，新一代大型的磊晶爐，其晶圓承載盤的外徑約700mm，強大的離心力，使得藍寶石晶圓的撞擊力更大，破壞力更強。

長期研究報廢的碳化矽鍍膜石墨承載盤，發現其損壞機制，如第5圖所示，從外力撞擊(a)到碳化矽膜出現微裂紋或缺角(b)，接著形成氣相蝕刻石墨底材的反應氣體通道(c)，在高溫下製程氨氣分解產生大量原子態氫(d)，氫強烈蝕刻石墨反應生成氣態碳氫化合物(e)，最終導致蛀空石墨底材(h)。

外力撞擊碳化矽鍍層(20)後，相應產生的微裂紋(201)或缺角(202)，在MOCVD製程的循環熱應力幫助下，很快會發展成一碳化矽鍍層(20)上的裂口(203)，進而成為氣相蝕刻石墨底材(101)的反應氣體通道，而產生出包含蛀空區(204)和多孔石墨(205)的典型蛀孔，其典型蛀孔的剖面示意就如第6圖所示。

氮化鎵半導體MOCVD磊晶製程中的氨氣[NH₃]，經高溫分解產生的原子態氫[H]，對石墨相的碳，有著強烈的反應性，當反應生成的氣態碳氫化合物[CH_X]大量由裂口(203)釋出，混入氣相磊晶的氣氛中，會影響所生長LED晶片的發光波長與亮度，此時即需考慮汰換更新晶圓承載盤，過早的承載盤損壞，往往導致LED磊晶廠過高的耗材費用。

傳統碳化矽鍍膜石墨承載盤的缺點，可歸納幾點如下所示：

第一點：不耐撞擊，使用壽命短。

第二點：石墨會被氨氣嚴重侵蝕，干擾磊晶製程。

第三點：石墨強度差，加工變形量大，使得多片式承載盤上，每個口袋盤面輪廓尺寸的公差較大，影響整體LED晶片製程良率。

第四點：大面積CVD碳化矽鍍膜的膜厚分佈，有一定的變動，且CVD碳化矽鍍膜中也常出現異常長大的凸點[Asperities]，導致承載盤口袋盤面輪廓和表面平坦度的公差較大，影響整體LED晶片的製程良率。

第五點：石墨是粉末成型的塊材，加工製成的承載盤，其密度、熱傳導率、熱膨脹係數等材料性質的均勻性較差，影響承載盤的溫度均勻性與一致性。

另一方面，近年來研究發現LED晶圓溫度的均勻性，會影響磊晶層成份的一致性，尤其是在製作氮化銦鎵[InGaN]量子井[Quantum Wells]過程中，銦成份分佈對於溫度非常敏感，微小的溫度差異，最後對LED晶片波長的均勻性，有著非常明顯的影響，因此，承載盤的口袋盤面輪廓，除了一般如第3圖所示加工成平面之外，為了補償磊晶製程中，因晶圓翹曲產生的溫度不均勻，便相應發展出如第4圖所示加工成凹面的此一變化。

凹面的深度大約幾十μm，而石墨的加工變形量或CVD碳 化矽的膜厚變動量，同樣也是這數量級，使得傳統碳化矽鍍膜石墨承載盤上口袋盤面輪廓的一致性不好，難以提昇LED晶片的生產良率。

照明用LED晶片市場雖然仍舊持續成長，但照明產品價格競爭激烈，每年跌幅高達30至40%，廠商不易獲利，為了達成LED晶片低價化的目標，開發低成本的MOCVD磊晶製程技術，將成為未來產業成功的關鍵因素，然而，目前MOCVD磊晶製程中，還能快速且有效地降低成本的部分，也僅有晶圓承載盤此部分而已。

有鑑於此，如何提供一種能夠應用於MOCVD磊晶製程中，耗材成本低、製程良率高、使用壽命長的改良型晶圓承載盤，便成為本新型欲改進的目的。

本新型目的在於提供一種使用壽命長、耐撞擊、強度高、非消耗品，無被侵蝕問題的改良型晶圓承載盤。

為解決上述問題及達到本新型的目的，本新型的技術手段，是這樣實現的，為一種改良型晶圓承載盤，該改良型晶圓承載盤(100)能供容納至少一晶圓體(200)用，其包括有一盤本體(1)、及一阻隔層(2)，其特徵在於：所述盤本體(1)，其為由多晶矽材料(1A)所構成，該盤本體(1)表面凹設有至少一能供對應容納該晶圓體(200)用的圓形凹槽(11)；所述阻隔層(2)，其為由通過熱氮化法反應生長的氮化矽材料(2A)所構成，該阻隔層(2)為包覆在該盤本體(1)表面上，能供阻擋MOCVD製程氣體及/或沉積金屬原子，往該盤本體(1)內部擴散而與該盤本體(1)中的矽作用，同時還能阻擋該盤本體(1)中的矽往外部擴散，而與MOCVD製程氣體及/或沉積金屬原子作用。

更優選的是，所述阻隔層(2)，其厚度範圍為1nm至100nm。

更優選的是，所述盤本體(1)，其多晶矽材料(1A)的矽含量，至少高於98%。

更優選的是，所述阻隔層(2)，其氮化矽材料(2A)為通過熱氮化法，在1000℃至1300℃溫度下，利用氨氣或氮氣兩者其中之一，進行反應而所生成。

與現有技術相比，本新型的效果如下所示：

第一點：本新型中，盤本體(1)是由多晶矽材料(1A)經一體加工而製成的，多晶矽材料(1A)的機械性能，遠遠優於石墨的機械性能，因此本新型改良型晶圓承載盤(100)，不但能耐撞擊，還不易損壞。

第二點：本新型中，多晶矽材料(1A)所構成的盤本體(1)，就算阻隔層(2)上出現裂縫，也不會被氨氣[NH₃]所侵蝕，因此本新型改良型晶圓承載盤(100)能長期使用於氮化鎵半導體MOCVD磊晶製程的高溫環境下，使用壽命無期限，不需要時常更換，有效降低耗材成本。

第三點：本新型中，氮化矽材料(2A)所構成的阻隔層(2)，在氮化鎵半導體MOCVD磊晶製程的氣氛下，有著自癒再生的能力，能延長使用壽命，讓本新型改良型晶圓承載盤(100)能長期使用，即使阻隔層(2)遭遇到外力撞擊，因此產生破裂或缺角，受到其自癒能力的影響，仍舊可以繼續使用。

第四點：多晶矽材料(1A)的材料強度遠大於石墨，多晶矽的加工變形量少，可以製作出外形尺寸一致性高的晶圓承載盤，進一步提昇整體LED晶片的製程良率。

第五點：利用熱氮化法生長，由氮化矽材料(2A)形成的阻隔層(2)，具有自我限制生長的特性，因此容易在大面積氮化處理時，得到一膜厚均勻且薄的氮化矽層，所以不會影響承載盤的外形尺寸精度。

第六點：多晶矽材料(1A)的純度高，材料的均勻性好，熱傳導率比石墨高，熱膨脹係數比石墨低，利用多晶矽製作的承載盤，在高溫下的尺寸穩定性高，有更優異的溫度均勻性表現。

第七點：MOCVD磊晶製程長期以來，存在有碳背景濃度太高的問題，主要的污染源之一，就是碳化矽鍍膜石墨承載盤，相對而言，本新型改良型晶圓承載盤(100)一經投入使用之後，便能大幅度地降低MOCVD磊晶製程的碳背景濃度，進一步提昇氮化鎵[GaN]系半導體材料的光電特性，並加速開發氮化鎵[GaN]系高頻與大功率電子元件。

1‧‧‧盤本體

11‧‧‧圓形凹槽

1A‧‧‧多晶矽材料

2‧‧‧阻隔層

2A‧‧‧氮化矽材料

10‧‧‧承載盤本體

101‧‧‧石墨底材

20‧‧‧碳化矽鍍層

201‧‧‧微裂紋

202‧‧‧缺角

203‧‧‧裂口

204‧‧‧蛀空區

205‧‧‧多孔石墨

30‧‧‧口袋

301‧‧‧側邊

302‧‧‧邊緣

40‧‧‧晶圓

100‧‧‧改良型晶圓承載盤

200‧‧‧晶圓體

A‧‧‧傳統晶圓承載盤

a‧‧‧外力撞擊

b‧‧‧碳化矽膜出現微裂紋或缺角

c‧‧‧形成氣相蝕刻石墨底材的反應氣體通道

d‧‧‧高溫下製程氨氣分解產生大量原子態氫

e‧‧‧氫強烈蝕刻石墨反應生成氣態碳氫化合物

h‧‧‧蛀空石墨底材

第1圖：傳統單片式晶圓承載盤的立體示意圖。

第2圖：傳統多片式晶圓承載盤的立體示意圖。

第3圖：為第2圖中口袋部分以平面實施時的I-I剖面示意圖。

第4圖：為第2圖中口袋部分以凹面實施時的I-I剖面示意圖。

第5圖：傳統晶圓承載盤的損壞機制示意圖。

第6圖：典型蛀孔的剖面示意圖。

第7圖：本新型單片應用時的立體示意圖。

第8圖：本新型多片應用時的立體示意圖。

第9圖：為第8圖中圓形凹槽部分以平面實施時的Ⅱ-Ⅱ剖面示意圖。

第10圖：為第8圖中圓形凹槽部分以凹面實施時的Ⅱ-Ⅱ剖面示意圖。

以下依據圖面所示的實施例詳細說明如後：如第7圖至第10圖所示，圖中揭示出，為一種改良型晶圓承載盤，該改良型晶圓承載盤(100)能供容納至少一晶圓體(200)用，其包括有 一盤本體(1)、及一阻隔層(2)，其特徵在於：所述盤本體(1)，其為由多晶矽材料(1A)所構成，該盤本體(1)表面凹設有至少一能供對應容納該晶圓體(200)用的圓形凹槽(11)；所述阻隔層(2)，其為由通過熱氮化法反應生長的氮化矽材料(2A)所構成，該阻隔層(2)為包覆在該盤本體(1)表面上，能供阻擋MOCVD製程氣體及/或沉積金屬原子，往該盤本體(1)內部擴散而與該盤本體(1)中的矽作用，同時還能阻擋該盤本體(1)中的矽往外部擴散，而與MOCVD製程氣體及/或沉積金屬原子作用。

其中，本新型改良型晶圓承載盤(100)，多晶矽材料(1A)的盤本體(1)，機械性能遠遠優於石墨晶圓承載盤，不但能耐撞擊，還不易損壞，而氮化矽材料(2A)的阻隔層(2)，就算出現裂縫，盤本體(1)也不會被氨氣所侵蝕，另一方面，阻隔層(2)在氮化鎵半導體MOCVD磊晶製程的氣氛下，能自癒再生，且受氮化矽材料(2A)特性的影響，不會有過度增生的問題，兩者的配合，讓本新型改良型晶圓承載盤(100)整體的使用壽命得以延長，能有效降低耗材成本。

其次，本新型改良型晶圓承載盤(100)的製造方式，說明如後所示，首先，提供一由高純度矽材料經熔融、凝固長晶而成的多晶矽錠[Polysilicon ingot]；再經切割、研磨及電腦數控[CNC]工具機加工外形後製得一盤本體(1)；然後再利用熱氮化法[Thermal nitridation]在盤本體(1)表面生長出一層由氮化矽材料(2A)所構成的阻隔層(2)，最終製得一本新型改良型晶圓承載盤(100)。

傳統晶圓承載盤，如第1圖所示，為石墨塊材所製成，石墨塊材是通過粉末成型製造而成，一般含有孔隙，且材料的均勻性較差，相對地本新型中的盤本體(1)是經過熔融、凝固長晶過程所製造出來的，材料中沒有孔隙，且材料的均勻性極佳；太陽能級多晶矽能直接利用凝固法長 晶，可獲得方形矽碇，例如450kg的方形矽碇，尺寸約840X840X280mm，可以用來製造外徑約700mm的多片式晶圓承載盤，能應用於承載例如4吋晶圓X31片、又或者是6吋晶圓X12片。

多晶矽材料(1A)的性質，近似於單晶矽，故於下列表[1]中比較矽與石墨的材料特性：

矽與石墨的密度相差僅約20%左右，因此本新型中使用多晶矽材料(1A)來製作盤本體(1)，並不會比原本用石墨來當材料的傳統晶圓承載盤(A)重太多，所以可以應用於高轉速、大型的磊晶爐，不至於增加太多的系統負載。

矽的熱傳導率優於高強度、等均壓成型的石墨，有利於需要精密控制溫度均勻性的MOCVD磊晶用承載盤。

矽的熱膨脹係數低於高強度、等均壓成型的石墨，因此多晶矽材料(1A)製作的盤本體(1)，讓本新型改良型晶圓承載盤(100)在高溫下尺寸穩定性提高，熱變形量少，適合用於製作大直徑的晶圓承載盤。

在MOCVD磊晶爐中，晶圓承載盤的最高工作溫度約在1200℃，而多晶矽的最高工作溫度可達1350℃，且長時間在高溫下工作，不會變成多孔狀，也不會變形，無粒子、不剝落，不會污染MOCVD磊晶製程。

多晶矽材料(1A)的切割、研磨，可以使用傳統磨料，例如 氧化鋁、碳化矽等，也可使用鑽石磨料來提高材料的去除率，降低切割及研磨加工成本。

至於晶圓承載盤的外形，以及口袋盤面輪廓，也就是圓形凹槽(11)的加工，可利用CNC工具機配合鑽石刀具進行精密加工，嚴格控制尺寸精度，圓形凹槽(11)的尺寸公差範圍可以小於±10μm。

多晶矽材料(1A)的性質，近似於單晶矽，故於下列表[2]中比較矽與石墨的機械性質：

石墨的楊氏係數[Young's modulus]很小，材料的加工變形量大，很難控制機械加工的尺寸精度，因此石墨製的晶圓承載盤外形尺寸的公差範圍大，一致性較差。

矽的楊氏係數比高強度石墨大很多，材料的加工變形量小，機械加工的尺寸精度高，可以製作出外形尺寸一致性高的晶圓承載盤。

矽的彎曲強度[Flexural Strength]、破裂韌性[Fracture toughness]和硬度，也都比高強度石墨大很多，因此多晶矽材料(1A)製作的盤本體(1)，讓本新型改良型晶圓承載盤(100)的耐撞擊能力，遠超過石墨製的晶圓承載盤。

高溫下，石墨會被氨氣[NH₃]強烈侵蝕，因此傳統晶圓承載盤(A)表面，必須利用CVD法鍍一層碳化矽[SiC]鍍層後，才能用於氮化鎵[GaN]系半導體MOCVD磊晶製程；相反地，應用多晶矽的本新型改良型晶圓承載盤(100)，不會被氨氣[NH₃]侵蝕，反而會與氨氣[NH₃]反應生成氮化矽[Si₃N₄]。

上述中，所述阻隔層(2)，其厚度範圍為1nm至100nm。其中，較佳的厚度範圍為5nm至60nm。

上述中，所述盤本體(1)，其多晶矽材料(1A)的矽含量，至少高於98%。

其中，多晶矽材料(1A)的來源，能分為太陽能級多晶矽[純度99.9999%或以上]與電子級多晶矽[純度99.999999999%或以上]，熔融的單質矽，在過冷條件下凝固時，矽原子會以金剛石晶格形態排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結合起來，就結晶成多晶矽；而本新型改良型晶圓承載盤(100)較優的應用選擇，為太陽能級多晶矽。

上述中，所述阻隔層(2)，其氮化矽材料(2A)為通過熱氮化法，在1000℃至1300℃溫度下，利用氨氣或氮氣兩者其中之一，進行反應而所生成。

在高溫下矽與氮，可根據下列的化學反應式生成氮化矽：3Si(s)+2N₂(g)→Si₃N₄(s)； 本新型採用的熱氮化法，即是利用這反應，讓多晶矽材料(1A)的盤本體(1)，在1000℃至1300℃的溫度之下，與氨氣[NH₃]或氮氣[N₂]的氣氛反應，生成一由氮化矽材料(2A)所形成的阻隔層(2)，整體包覆在盤本體(1)表面上。

採用的熱氮化法的優點，如下所示：

一、通常沉積氮化矽薄膜必須使用化學氣相沉積[CVD]或電漿輔助化學氣相沉積[PACVD]等昂貴的半導體製程方法，利用熱氮化法的直接氮化反應，可以降低成本，在由多晶矽材料(1A)所構成的盤本體(1)上，生長出高結構密度，阻隔效果好、由氮化矽材料(2A)所構成的阻隔層(2)。

二、利用熱氮化法生長的氮化矽層，因其結構密度高，阻擋原子擴散的效果好，具有自我限制生長的特性，因此很容易在大面積氮化時，得到一膜厚均勻，薄的氮化矽層，不會影響承載盤的外形尺寸精度。

另一方面，本新型採用熱氮化法，在多晶矽的盤本體(1)上製備出氮化矽[Si₃N₄]的阻隔層(2)，其主要作用如下所示：

一、鈍化安定多晶矽的盤本體(1)表面，在氮化鎵[GaN]系半導體MOCVD磊晶製程中，矽除了會於製程氨氣[NH₃]反應外，還會與其他的有機金屬氣體，例如：三甲基鎵[Trimethylgallium]、三甲基鋁[Trimethylaluminum]等；所沉積的鎵[Ga]或鋁[Al]等金屬產生冶金作用；通過熱氮化法生長出的高結構密度氮化矽[Si₃N₄]，所形成的阻隔層(2)，可阻擋製程氣體或鎵[Ga]、鋁[Al]等沉積金屬原子往內擴散，與盤本體(1)的矽作用；也可阻擋盤本體(1)的矽往外擴散，與MOCVD磊晶製程中的氣體或鎵[Ga]、鋁[Al]等沉積金屬原子作用。

二、穩定本新型改良型晶圓承載盤(100)的表面放射率[emissivity of surface]，有利於MOCVD磊晶爐系統的溫度控制。

由氮化矽材料(2A)所構成的阻隔層(2)，在氮化鎵[GaN]系半導體MOCVD磊晶製程氣氛下，有著自癒再生的能力，阻隔層(2)在本新型使用的過程中，即使遭受到外力撞擊產生破裂或缺角，進而導致盤本體(1)的多晶矽表面裸露於外，但在MOCVD磊晶製程這1000℃以上的溫度環境下， 盤本體(1)的矽，會與MOCVD磊晶製程中的大量氨氣[NH₃]，自動反應生長出氮化矽[Si₃N₄]，也就是說，阻隔層(2)破裂或缺角的部位，在磊晶的過程中，會因為盤本體(1)的矽與製程氨氣[NH₃]的反應，再生出氮化矽[Si₃N₄]，使阻隔層(2)自動地癒合。

實施例1：用來製作盤本體(1)的多晶矽材料(1A)，採用太陽能級多晶矽，純度在99.9999%以上；經機械加工後，取得盤本體(1)，然後再把盤本體(1)置入真空加熱爐中，進行熱氮化反應，加熱至1100℃，通入氨氣[NH₃]，反應壓力維持在400托耳[torr]，氮化反應時間為4小時，盤本體(1)表面生長的阻隔層(2)，厚度能達約5nm。

實施例2：與實施例1相同的方式，製作出多晶矽的盤本體(1)後，將盤本體(1)置入真空加熱爐中，進行熱氮化反應，加熱至1200℃，通入氮氣[N₂]和5%氫氣[H₂]的合成氣體，反應壓力維持在150托耳[torr]，氮化反應時間為4小時，盤本體(1)表面生長的阻隔層(2)，厚度能達約60nm。

以上依據圖式所示的實施例詳細說明本新型的構造、特徵及作用效果；惟以上所述僅為本新型之較佳實施例，但本新型不以圖面所示限定實施範圍，因此舉凡與本新型意旨相符的修飾性變化，只要在均等效果的範圍內都應涵屬於本新型專利範圍內。

1‧‧‧盤本體

11‧‧‧圓形凹槽

1A‧‧‧多晶矽材料

2‧‧‧阻隔層

2A‧‧‧氮化矽材料

100‧‧‧改良型晶圓承載盤

Claims (4)

1. 一種改良型晶圓承載盤，該改良型晶圓承載盤(100)能供容納至少一晶圓體(200)用，其包括有一盤本體(1)、及一阻隔層(2)，其特徵在於：所述盤本體(1)，其為由多晶矽材料(1A)所構成，該盤本體(1)表面凹設有至少一能供對應容納該晶圓體(200)用的圓形凹槽(11)；所述阻隔層(2)，其為由通過熱氮化法反應生長的氮化矽材料(2A)所構成，該阻隔層(2)為包覆在該盤本體(1)表面上，能供阻擋MOCVD製程氣體及/或沉積金屬原子，往該盤本體(1)內部擴散而與該盤本體(1)中的矽作用，同時還能阻擋該盤本體(1)中的矽往外部擴散，而與MOCVD製程氣體及/或沉積金屬原子作用。
2. 如請求項1所述的改良型晶圓承載盤，其中，所述阻隔層(2)，其厚度範圍為1nm至100nm。
3. 如請求項2所述的改良型晶圓承載盤，其中，所述盤本體(1)，其多晶矽材料(1A)的矽含量，至少高於98%。
4. 如請求項3所述的改良型晶圓承載盤，其中，所述阻隔層(2)，其氮化矽材料(2A)為通過熱氮化法，在1000℃至1300℃溫度下，利用氨氣或氮氣兩者其中之一，進行反應而所生成。