TWM566720U - 改良型石墨盤表層結構 - Google Patents

Abstract

本新型在於提供一種鍍層附著強度高、無熱膨脹破裂問題，並且能提高晶圓生產良率的改良型石墨盤表層結構。其技術手段：為應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓用的石墨盤上，其具有石墨盤本體及片坑，其特徵在於，為表層結構包括碳化矽層及中介層；碳化矽層為石墨盤表面，位於石墨盤本體最外層，能與晶圓接觸，碳化矽層通過液相矽與石墨盤本體原表面的碳反應生成，形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層；中介層為位於石墨盤本體與碳化矽層之間，中介層為通過液相矽毛細滲透石墨盤本體，進入石墨盤本體的石墨材料原有孔隙中，並反應生長出碳化矽結晶且填滿孔隙所形成。

Description

改良型石墨盤表層結構

本新型涉及一種石墨盤[Graphite Susceptor,Graphite Carrier]表層結構，尤指一種應用有機金屬化學氣相沉積[Metal Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD]磊晶爐的改良型石墨盤表層結構。

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，其石墨盤需配合加熱器，提供一最佳化晶圓溫度均勻性，以沉積高品質的磊晶層，故石墨盤為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。

由於一般照明與車用照明等應用領域LED的滲透率仍然持 續攀高，加上新型態的Mini&Micro LED出現，將大幅的帶動未來LED晶圓片的使用數量，在LED市場規模持續增長的驅動下，大腔體的MOCVD機台快速崛起，同時也推升石墨盤的外徑尺寸達到約700mm。

如第1圖和第2圖所示的多片式之傳統石墨盤(300)，但不管是單片式或多片式的型式，其兩者的石墨盤本體(10)通常會採用高強度等方性石墨[Isotropic graphite]材料來製做，並在頂面設置對應數量的片坑[pocket](20)以承載晶圓(200)，在底面的中心則有一轉軸孔(301)，用於支撐與旋轉石墨盤，而整體表面上會再利用CVD法鍍一層約100至180μm厚度的CVD碳化矽[SiC]塗層(400)，參閱第3圖。

如第3圖所示，傳統石墨盤(300)的表層結構當中，CVD碳化矽鍍層(400)與石墨盤本體(10)之間，存在一硬度、強度、楊氏模數[Young's modulus]、熱膨脹係數等材料性質急遽變化的界面(30)，導致CVD碳化矽鍍層(400)與石墨盤本體(10)的附著強度[Adhesion Strength]不高，容易因外力撞擊後產生脫層[Delamination]或剝落[Spalling]的問題，嚴重縮短石墨盤的使用壽命。

再者，由於CVD碳化矽鍍層(400)與石墨盤本體(10)之間熱膨脹係數的差異，對於大型石墨盤在MOCVD磊晶製程的急速升溫，降溫過程中，界面(30)將累積很大的殘留應力，造成石墨盤外緣處的CVD碳化矽鍍層(400)易於出現熱膨脹破裂[Thermal Expansion Cracking](401)，參閱第1圖，最終使得傳統石墨盤(300)提早報廢。

另外，CVD碳化矽鍍層(400)的表面形貌會出現異常生長[Abnormal growth]的凸點[Asperities](402)，請參閱第3圖，當晶圓(200)被甩動時，這些傳統石墨盤(300)表面的凸點(402)，將會造成晶圓(200)跳動，撞擊片坑(20)的邊緣，發生裂片的問題，除了影響LED磊晶圓生產良率，同時 傳統石墨盤(300)的片坑(20)邊緣，也會被晶圓(200)撞擊產生缺角(403)，請參閱第1圖，大幅減少傳統石墨盤(300)的使用壽命。

本新型主要目的在於提供一種改良型石墨盤表層結構，用以解決傳統石墨盤CVD碳化矽鍍層附著強度不高，和石墨盤外緣CVD碳化矽鍍層熱膨脹破裂的問題，並且可以減少晶圓跳動，降低晶圓裂片機會，提高LED磊晶圓生產良率。

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，為一種改良型石墨盤表層結構，應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓(200)用的石墨盤(100)上，該石墨盤(100)具有一石墨盤本體(10)、及至少一凹設於該石墨盤本體(10)頂面的片坑(20)，其特徵在於：所述表層結構(101)，其包括有一碳化矽層(1)、以及一中介層(2)；所述碳化矽層(1)，其為該石墨盤(100)表面，位於該石墨盤本體(10)最外層，能與該晶圓(200)接觸，該碳化矽層(1)通過液相矽與該石墨盤本體(10)原表面的碳反應生成，形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層；所述中介層(2)，其為位於該石墨盤本體(10)與該碳化矽層(1)之間，該中介層(2)為通過液相矽毛細滲透該石墨盤本體(10)，進入該石墨盤本體(10)的石墨材料原有孔隙(10a)中，並反應生長出碳化矽結晶(21)且填滿該孔隙(10a)所形成。

更優選的是，所述碳化矽層(1)，其β-sic多結晶層的結晶形狀為小板片狀。

更優選的是，所述碳化矽層(1)，其厚度範圍為10μm至50μm。

更優選的是，所述中介層(2)，其厚度範圍為300μm至1000μm。

與現有技術相比，本新型的效果如下所示：

第一點：本新型中，表層結構(101)的碳化矽層(1)擁有極佳的附著強度，在150kg荷重的洛氏壓痕試驗下，仍舊沒有出現任何的脫層破裂。

第二點：本新型中，表層結構(101)的碳化矽層(1)，其結晶形狀為小板片狀，具有潤滑作用，可以減少晶圓跳動，降低晶圓裂片的機會，提高LED磊晶圓的生產良率。

第三點：本新型中，利用一熱膨脹係數介於碳化矽層(1)與石墨盤本體(10)材料之間的中介層(2)，來降低界面的殘留應力，避免石墨盤本體(10)外緣處的碳化矽層(1)，發生熱膨脹破裂的問題。

第四點：本新型中，有效提高石墨盤本體(10)表層材料整體的熱傳導率，增進石墨盤本體(10)表面溫度分佈的均勻性，可以提升傳統LED磊晶圓的波長均勻性，有利於mini與micro LED晶片的生產。

第五點：本新型中，表層結構(101)雖然具有碳化矽層(1)及中介層(2)，但製造成本低於傳統的CVD碳化矽鍍層。

1‧‧‧碳化矽層

2‧‧‧中介層

21‧‧‧碳化矽結晶

10‧‧‧石墨盤本體

10a‧‧‧孔隙

20‧‧‧片坑

30‧‧‧界面

100‧‧‧石墨盤

101‧‧‧表層結構

200‧‧‧晶圓

300‧‧‧傳統石墨盤

301‧‧‧轉軸孔

400‧‧‧CVD碳化矽鍍層

401‧‧‧熱膨脹破裂

402‧‧‧凸點

403‧‧‧缺角

第1圖：傳統石墨盤以多片式實施並與晶圓配合時的立體示意圖。

第2圖：傳統石墨盤另一視角的立體示意圖。

第3圖：為第1圖的X-X剖面示意圖。

第4圖：本新型以多片式實施時的立體示意圖。

第5圖：本新型以多片式實施並與晶圓配合時的立體示意圖。

第6圖：為第5圖的Y-Y剖面示意圖。

第7圖：本新型以單片式實施並與晶圓配合時的立體示意圖。

第8圖：本新型中碳化矽層的X射線繞射圖。

第9圖：本新型碳化矽層的表面SEM照片。

第10圖：實施例中碳化矽層的洛氏壓痕試驗結果圖。

第11圖：比較例中CVD碳化矽鍍層的洛氏壓痕試驗結果圖。

以下依據圖面所示的實施例詳細說明如後：如第4圖至第7圖所示，圖中揭示出，為一種改良型石墨盤表層結構，用以解決傳統石墨盤CVD碳化矽鍍層附著強度不高，和石墨盤外緣CVD碳化矽鍍層熱膨脹破裂的問題，並且可以減少晶圓跳動，降低晶圓裂片機會，提高LED磊晶圓生產良率。

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，為一種改良型石墨盤表層結構，應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓(200)用的石墨盤(100)上，該石墨盤(100)具有一石墨盤本體(10)、及至少一凹設於該石墨盤本體(10)頂面的片坑(20)，其特徵在於：所述表層結構(101)，其包括有一碳化矽層(1)、以及一中介層(2)；所述碳化矽層(1)，其為該石墨盤(100)表面，位於該石墨盤本體(10)最外層，能與該晶圓(200)接觸，該碳化矽層(1)通過液相矽與該石墨盤本體(10)原表面的碳反應生成，形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層；所述中介層(2)，其為位於該石墨盤本體(10)與該碳化矽層(1)之間，該中介層(2)為通過液相矽毛細滲透該石墨盤本體(10)，進入該石墨盤本體(10)的石墨材料原有孔隙(10a)中，並反應生長出碳化矽結晶(21)且填滿該孔隙(10a)所形成。

本新型表層結構(101)就如第6圖所示，包含碳化矽層(1)及中介層(2)，石墨盤材料可採用高強度等方性石墨，例如：SGL Carbon公司型號R8510、Toyo Tanso公司型號IG-56、或是成都炭素公司型號CDI-1B，經 機械加工製做成如第4圖所示的多片型式之石墨盤(100)、又或者是如第7圖所示的單片型式之石墨盤(100)。

由於本新型表層結構(101)是利用高溫下液相矽與碳反應生長出碳化矽，如下列基礎化學式所示：Si_(l)+C_(s)→SiC_(s)。

上述碳的來源，為石墨盤本身的碳，而液相矽較佳的來源，可經由在石墨盤表面上，黏貼至少大致上為一層的矽顆粒以提供，詳細塗層實施方式說明如下所示：首先，在一經過機械加工完成的石墨盤表面，塗佈一層膠黏劑，膠黏劑的主要作用，為能暫時固定矽顆粒，沒有特殊限制，但為了操作上的方便，較佳的選擇為壓敏膠黏劑，壓敏膠黏劑的選用如丙稀酸酯壓敏膠、氯丁橡膠壓敏膠或聚氯酯壓敏膠。

膠黏劑的塗佈方式，可採用刷塗或噴塗。

接著，將矽顆粒大致上黏貼一層在石墨盤表面上，矽顆粒的純度至少98%以上，顆粒的粒徑範圍為小於美國篩網4目、大於美國篩網32目。

隨後，將經過處理的石墨盤，置入真空高溫爐中，加熱至矽熔點以上溫度，恆溫保持一段時間，讓矽顆粒熔融形成一大致上均勻的液相矽膜包覆在石墨盤表面上，進行液相矽與石墨盤表層的碳反應生長碳化矽。

其中，較佳的恆溫保持時間為1至2小時；真空高溫爐較佳的加熱溫度範圍為1450℃至1650℃；較佳的真空壓力範圍為0.5torr至0.001torr。

最後，如第6圖所示，液相矽與石墨盤表層的碳反應生成一碳化矽層(1)，厚度範圍約在10μm至50μm，利用X射線繞射(XRD)分析該 碳化矽層(1)的晶體結構，為立方晶系β-sic多結晶結構，請參閱第8圖。

如第9圖所示，碳化矽層(1)表面β-sic結晶的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，顯示β-sic結晶具有小板片狀(Platelet like)的形狀，片狀平面結構的表面形貌，有利於潤滑。

對於高轉速型MOCVD磊晶爐的石墨盤，在機台啟動與停止過程中，由於慣性力的作用，晶圓經常會被甩動，石墨盤(100)表面的碳化矽層(1)，具有小板片狀結晶形狀，其潤滑特性可有效減少晶圓跳動，撞擊片坑(20)邊緣發生裂片，提高LED磊晶圓的生產良率。

再者，如第6圖所示，液相矽與石墨盤表層的碳反應生成一碳化矽層(1)，同時液相矽也毛細滲透石墨盤本體(10)原有孔隙(10a)中，並反應生長碳化矽，並填充滿該等孔隙(10a)形成中介層(2)，厚度範圍約在300μm至1000μm，相當厚的中介層(2)，提供強大的機械鑲嵌(mechanical interlocking)作用和緩衝界面的機械性質，因此可以大幅度提升表層碳化矽層(1)的附著強度。

傳統上，塗層與底材的附著強度，可通過在洛氏硬度試驗機(Rockwell hardness tester)上，用一鑽石壓頭(Diamond Brale indenter)在不同荷重下進行壓痕試驗(Indentation test)做定性的比較，通常以塗層發生脫層破裂時的最小荷重，做為塗層附著強度的指標，當塗層發生脫層破裂時，會產生一橫向裂紋沿著塗層與底材的界面傳播，導致塗層脫落。

本新型表層結構(101)的碳化矽層(1)，參閱第10圖，即使在高達150kg荷重的壓痕試驗下，仍沒有出現任何脫層破裂，說明本新型表層結構(101)的碳化矽層(1)擁有極佳的附著強度。

另外，如第6圖所示，本新型表層結構(101)除了碳化矽層(1)外，碳化矽層(1)與石墨盤本體(10)之間，還存在有一厚度範圍約在300μm 至1000μm的中介層(2)，其中石墨盤本體(10)此範圍內的原有孔隙(10a)，全部被碳化矽結晶填滿，形成一熱膨脹係數介於碳化矽與石墨盤本體(10)材料之間的緩衝層，大大減少了界面的殘留應力，可以解決目前大型石墨盤外緣碳化矽塗層熱膨脹破裂的問題。

LED磊晶圓溫度的均勻性，會影響磊晶層成份的一致性，微小的溫度差異對LED波長的均勻性就有明顯的影響，通常要求將磊晶圓表面任一點的溫度與預定生長溫度偏差，控制在1℃以內，因此石墨盤必須提供極為均勻的表面溫度分佈。

如第6圖所示，因為本新型表層結構(101)的中介層(2)，所在處石墨盤本體(10)原有孔隙(10a)全部被碳化矽結晶填滿，可以有效提高石墨盤表層材料整體的熱傳導率，增進石墨盤表面溫度分佈的均勻性。

具體實施例如下所示：採用SGL Carbon公司型號R8510的等方性石墨，平均孔隙大小為1.5μm，經機械加工製做成如第4圖或第7圖所示的石墨盤，接著在石墨盤表面刷塗一層3M公司的壓敏膠，型號SP-7533，然後將純度為99%以上的矽顆粒，粒徑範圍為小於美國篩網6目，大於美國篩網10目，大致上黏貼一層在石墨盤表面上；隨後將石墨盤置入真空高溫爐加熱至1550℃，真空壓力為0.1torr，恒溫保持時間為1.5小時，待冷卻後將石墨盤取出；最終石墨盤(100)表層碳化矽層(1)的厚度，約為30μm，中介層(2)的厚度約為500μm；利用洛氏壓痕試驗評估石墨盤(100)表面碳化矽層(1)的附著強度，如第10圖所示。

第10圖的試驗結果顯示，石墨盤(100)的碳化矽層(1)在150kg荷重的壓痕試驗下，仍未出現任何脫層破裂，說明本新型表層結構(101)的碳化矽層(1)擁有極佳的附著強度。

壓痕試驗為經由金相顯微鏡，放大倍率100倍，檢視壓痕周圍的碳化矽層是否發生脫層破裂。

具體比較例如下所示：市售XYCARB CERAMICS公司生產的CVD碳化矽鍍層石墨盤，為單片型式石墨盤，參閱第7圖，其中CVD碳化矽鍍層的厚度約110μm，同樣利用洛氏壓痕試驗評估石墨盤表面CVD碳化矽鍍層的附著強度，如第11圖所示。

由第11圖的試驗結果發現，CVD碳化矽鍍層在15kg荷重的壓痕試驗下，就會出現脫層破裂，隨著荷重的增加，脫層破裂直徑迅速擴大，顯示CVD碳化矽鍍層的附著強度不高，在應用上容易因為晶圓的碰撞，發生脫層或剝落。

壓痕試驗為經由實體顯微鏡，放大倍率40倍，測量壓痕周圍脫層破裂直徑。

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。

Claims (4)

1. 一種改良型石墨盤表層結構，應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓(200)用的石墨盤(100)上，該石墨盤(100)具有一石墨盤本體(10)、及至少一凹設於該石墨盤本體(10)頂面的片坑(20)，其特徵在於：所述表層結構(101)，其包括有一碳化矽層(1)、以及一中介層(2)；所述碳化矽層(1)，其為該石墨盤(100)表面，位於該石墨盤本體(10)最外層，能與該晶圓(200)接觸，該碳化矽層(1)通過液相矽與該石墨盤本體(10)原表面的碳反應生成，形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層；所述中介層(2)，其為位於該石墨盤本體(10)與該碳化矽層(1)之間，該中介層(2)為通過液相矽毛細滲透該石墨盤本體(10)，進入該石墨盤本體(10)的石墨材料原有孔隙(10a)中，並反應生長出碳化矽結晶(21)且填滿該孔隙(10a)所形成。
2. 如請求項1所述的改良型石墨盤表層結構，其中：所述碳化矽層(1)，其β-sic多結晶層的結晶形狀為小板片狀。
3. 如請求項2所述的改良型石墨盤表層結構，其中：所述碳化矽層(1)，其厚度範圍為10μm至50μm。
4. 如請求項3所述的改良型石墨盤表層結構，其中：所述中介層(2)，其厚度範圍為300μm至1000μm。