TWM571587U

TWM571587U - 晶圓載體

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Publication number: TWM571587U
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Publication date: 2018-12-11

Abstract

一種經構形以與一化學氣相沉積裝置結合使用之晶圓載體，此晶圓載體包括一主體及複數個凹穴。主體具有經彼此相對地配置之一頂表面及一底表面，複數個凹穴界定於該晶圓載體之該頂表面中，並由總共33個凹穴構成，該等凹穴中之各者係沿著內圓、中間圓或外圓中之一者配置，且其中中心圓經配置成相對於該中間圓及該外圓不對稱。

Description

晶圓載體

本創作大體上係關於半導體製造技術，且更特定言之，係關於化學氣相沉積(CVD)處理及用於在處理期間固持半導體晶圓之相關聯設備。

在發光二極體(LED)及其他高效能裝置(諸如雷射二極體、光學偵測器及場效電晶體)之製造中，一化學氣相沉積(CVD)程序通常用於使用諸如氮化鎵之材料在一藍寶石或矽基板上生長一薄膜堆疊結構。一CVD工具包含一處理腔室，其係容許注入氣體在基板(通常呈晶圓形式)上反應以生長薄膜層之一密封環境。此製造裝備之當前生產線之實例係由紐約普萊恩維爾之Veeco Instruments Inc.製造之金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統之TurboDisc®及EPIK®系列。

若干程序參數受控，諸如溫度、壓力及氣體流率，以達成一所要晶體生長。使用不同材料及程序參數生長不同層。舉例而言，由諸如III-V半導體之化合物半導體形成之裝置通常藉由使用MOCVD生長化合物半導體之連續層而形成。在此程序中，晶圓曝露於組合氣體，通常包含作為一III族金屬源之一金屬有機化合物，且亦包含一V族元素源，其當晶圓被維持在一高溫下時在晶圓之表面上流動。一般言之，金屬有機化合物及V族源與一載體氣體組合，該載體氣體不會明顯地參與反應，舉例而言，諸如氮氣。一III-V半導體之一實例係氮化鎵，其可藉由一有機鎵化合物與氨在具有一合適之晶格間隔之一基板(舉例而言，諸如藍寶石晶圓)上發生反應來形成。在氮化鎵及相關化合物之沉積期間晶圓通常被維持在約1000℃至1100℃之一溫度下。

在一MOCVD程序中，其中晶體之生長藉由基板表面上之化學反應發生，必須特別小心地控制程序參數來保證化學反應在所需條件下進行。即使程序條件之微小變動亦會不利地影響裝置品質及產率。例如，若沉積了鎵及銦氮化物層，則晶圓表面溫度之變動將導致沉積層之組合物及帶隙之變動。因為銦具有一相對較高之蒸氣壓，故沉積層在晶圓之彼等表面溫度更高之區域中將具有一更低銦比例及一更大帶隙。若沉積層係一LED結構之一主動發光層，則由晶圓形成之LED之發射波長亦將改變至一不可接受之程度。

在一MOCVD處理腔室中，其上待生長薄膜層之半導體晶圓被放置在稱為晶圓載體之快速旋轉轉盤上，以使其等之表面均勻曝露於反應器腔室內之氣氛以用於半導體材料之沉積。旋轉速度約係1,000RPM。晶圓載體通常由諸如石墨之一高導熱材料機械加工而成，且通常塗佈有諸如碳化矽之一材料保護層。各晶圓載體在其頂表面中具有一組圓形凹口或凹穴(pocket)，個別晶圓被放置在其中。通常，晶圓以間隔關係被支撐至各凹穴之底表面以准許氣體在晶圓邊緣周圍流動。相關技術之一些實例描述於美國專利申請公開案第2012/0040097號、美國專利第8,092,599號、美國專利第8,021,487號、美國專利申請公開案第2007/0186853號、美國專利第6,902,623號、美國專利第6,506,252號及美國專利第6,492,625號中，該等案之揭示內容以引用方式併入本文中。

晶圓載體被支撐在反應腔室內之一主軸上，使得具有晶圓曝露表面之晶圓載體之頂表面向上面朝一氣體分配裝置。在主軸旋轉時，氣體被向下引導至晶圓載體之頂表面上且跨頂表面流向晶圓載體之周邊。所使用之氣體透過安置在晶圓載體下方之埠自反應腔室排出。晶圓載體藉由安置在晶圓載體之底表面下方之加熱元件(通常係電阻加熱元件)而維持在所要高溫下。此等加熱元件被維持在高於晶圓表面之所要溫度之一溫度下，而氣體分配裝置通常被維持在遠低於所要反應溫度之溫度下以防氣體過早反應。因此，熱被自加熱元件傳遞至晶圓載體之底表面，且向上流過晶圓載體至個別晶圓。

晶圓上之氣流取決於各晶圓之徑向位置而變化，其中定位在最外之晶圓歸因於其等在旋轉期間之更快速度而經受更高流率。即使在各個別晶圓上，亦可存在溫度不均勻性，即，冷點及熱點。影響溫度不均勻性之形成之其中一個變數係晶圓載體內凹穴之形狀。一般言之，凹穴形狀在晶圓載體之表面中形成一圓形形狀。隨著晶圓載體旋轉，晶圓在其等之最外邊緣(即，距旋轉軸最遠之邊緣)處經受相當大之向心力，從而引起晶圓擠壓晶圓載體中之各自凹穴之內壁。在此條件下，在晶圓之此等外邊緣與凹穴邊緣之間存在緊密接觸。對晶圓之此等最外部分增加之熱傳導導致溫度更不均勻，從而進一步加重上文描述之問題。已經努力藉由增加晶圓邊緣與凹穴之內壁之間之間隙來最小化溫度不均勻性，包含設計一邊緣部分上係平坦之一晶圓(即，「平坦」晶圓)。晶圓之此平坦部分產生一間隙且減少與凹穴之內壁接觸之點，藉此減輕溫度不均勻性。影響貫穿由晶圓載體固持之晶圓之加熱均勻性之其他因素包含晶圓載體之熱傳遞及發射率性質以及晶圓凹穴之佈局。

考慮到溫度均勻性，晶圓載體之另一期望性質係增加CVD程序之生產量。在增加程序生產量中晶圓載體之作用係固持更大量個別晶圓。提供具有更多晶圓之一晶圓載體佈局會影響熱模型。例如，歸因於晶圓載體邊緣之輻射熱損失，晶圓載體接近邊緣之部分往往處於比其他部分更低之一溫度。

據此，對於晶圓載體需要有解決高密度佈局中之溫度均勻性及機械應力之一實際解決方案。

一晶圓載體包含凹穴之一新穎配置。本文描述之配置促進熱傳遞及凹穴之高堆積密度以用於圓形晶圓之生長。

本創作關於一種經構形以與一化學氣相沉積裝置結合使用之晶圓載體，該晶圓載體包括：一主體，其具有經彼此相對地配置之一頂表面及一底表面；複數個凹穴，其經界定於該晶圓載體之該頂表面中；改良之處包括：該複數個凹穴由總共33個凹穴構成，該等凹穴中之各者係沿著內圓、中間圓或外圓中之一者配置，且其中中心圓經配置成相對於該中間圓及該外圓不對稱。

在本創作之一實施例中，該複數個凹穴中之五個凹穴係圍繞該等三個圓中之一第一圓配置；該複數個凹穴中之十一個凹穴係圍繞該等三個圓中之一第二圓配置；且該複數個凹穴中之十七個凹穴係圍繞該等三個圓中之一第三圓配置。

在本創作之另一實施例中，該第一圓被該第二圓包圍，且其中該第二圓被該第三圓包圍。

在本創作之另一實施例中，該頂表面包括約675mm之一直徑。

在本創作之另一實施例中，該頂表面包括約695mm之一直徑。

在本創作之另一實施例中，該頂表面包括約705mm之一直徑。

在本創作之另一實施例中，該頂表面包括約716mm之一直徑。

在本創作之另一實施例中，該頂表面包括約720mm之一直徑。

在本創作之另一實施例中，該複數個凹穴各包含約100mm之一凹穴直徑。

在本創作之另一實施例中，該複數個凹穴各包含具有約760μm之一深度之一徑向壁。

在本創作之另一實施例中，晶圓載體進一步包括經配置在該底表面上之一鎖定特徵。

在本創作之另一實施例中，該鎖定特徵係配置在該底表面之幾何中心處。

在本創作之另一實施例中，該鎖定特徵係選自由一花鍵、一卡盤或一鍵接配件構成之群組。

在本創作之另一實施例中，該頂表面及該底表面各包括一直徑，且其中該頂表面之該直徑大於該底表面之該直徑。

在本創作之另一實施例中，該晶圓載體經構形以用於一金屬氧化物化學氣相沉積系統中。

10‧‧‧反應腔室

12‧‧‧氣體分配裝置

14‧‧‧處理氣體供應單元

16‧‧‧處理氣體供應單元

18‧‧‧處理氣體供應單元

20‧‧‧冷卻系統

22‧‧‧排氣系統

24‧‧‧主軸

26‧‧‧中心軸

28‧‧‧旋轉穿通裝置

30‧‧‧配件

32‧‧‧旋轉驅動機構

34‧‧‧加熱元件

36‧‧‧進入開口

38‧‧‧前室

40‧‧‧門

40'‧‧‧門40之打開位置

42‧‧‧第一晶圓載體

44‧‧‧第二晶圓載體

46‧‧‧主體

48‧‧‧頂表面

52‧‧‧底表面

54‧‧‧晶圓

56‧‧‧凹穴

58‧‧‧溫度分佈系統

60‧‧‧溫度監測器

142‧‧‧晶圓載體

146‧‧‧主體

148‧‧‧頂表面

152‧‧‧底表面

162‧‧‧凹穴

164‧‧‧鎖定特徵

166‧‧‧側壁

168‧‧‧基板

R1‧‧‧圓

R2‧‧‧圓

R3‧‧‧圓

結合附圖考慮本創作之各種實施例之以下詳細描述可更完全地理解本創作，其中：

圖1係根據一實施例之一MOCVD處理腔室之一示意圖。

圖2係根據一實施例之具有一33個凹穴構形之一晶圓載體之一透視圖。

圖3係根據一實施例之具有一33個凹穴構形之一晶圓載體之一俯視圖。

圖4係根據一實施例之具有一33個凹穴構形之一晶圓載體之一側視圖。

圖5係根據一實施例之具有一33個凹穴構形之一晶圓載體之一仰視圖。

圖6係根據一實施例之具有一33個凹穴構形之一晶圓載體之一部分之一細節圖，其自一透視角度展示一單一凹穴。

圖1繪示根據本創作之一項實施例之一化學氣相沉積設備。反應腔室10界定一處理環境空間。氣體分配裝置12經配置於腔室之一端。具有氣體分配裝置12之端在本文中稱為反應腔室10之「頂」端。在正常之重力參照系中，腔室之此端通常(但不一定)被安置在腔室之頂部處。因此，本文所使用之向下方向係指遠離氣體分配裝置12之方向；而向上方向係指腔室內朝向氣體分配裝置12之方向，而無論此等方向是否與重力向上及向下方向對準。類似地，本文參考反應腔室10及氣體分配裝置12之參照系來描述元件之「頂」及「底」表面。

氣體分配裝置12經連接至處理氣體供應單元14、16及18，以供應待用於晶圓處置程序中之處理氣體，諸如一載體氣體，及反應氣體，諸如一金屬有機化合物及一V族金屬源。氣體分配裝置12經配置以接收各種氣體且通常引導處理氣體沿向下方向流動。氣體分配裝置12理想上亦係連接至冷卻系統20，冷卻系統20經配置以使一液體循環通過氣體分配裝置12，以便在操作期間將氣體分配裝置之溫度維持在一所要溫度下。可提供一類似冷卻配置(圖中未展示)以用於冷卻反應腔室10之壁。反應腔室10亦配備有排氣系統22，排氣系統22經配置以透過腔室之底部處或接近腔室之底部之埠(圖中未展示)，將廢氣自反應腔室10之內部移除，以便准許氣體自氣體分配裝置12沿向下方向連續流動。

主軸24經配置於腔室內，使得主軸24之中心軸26沿向上及向下方向延伸。主軸24係藉由併入有軸承及密封件(圖中未展示)之一習知旋轉穿通裝置28而安裝至腔室，使得主軸24可圍繞中心軸26旋轉，同時維持主軸24與反應腔室10之壁之間之一密封。主軸在其頂端處(即，在主軸之最靠近氣體分配裝置12之端處)具有配件30。如下文進一步論述，配件30係一晶圓載體保持機構之一實例，該晶圓載體保持機構適於可釋放地嚙合一晶圓載體。在描繪之特定實施例中，配件30通常係一截頭圓錐形元件，其朝主軸之頂端漸縮且終止於一平坦頂表面。一截頭圓錐形元件係具有一圓錐體之一截頭錐體形狀之一元件。主軸24經連接至旋轉驅動機構32，諸如一電動馬達驅動，其經配置以使主軸24圍繞中心軸26旋轉。

配件30亦可為任何數目個其他構形。舉例而言，具有被塑形為一正方形或圓角正方形、一系列立柱、一橢圓形或具有非1：1之一縱橫比之其他圓形形狀、三角形之一端之一主軸24可被插入至一配件30中。可使用主軸24與配件30之間之各種其他鍵接、花鍵或互鎖配置，以維持彼等組件之間之旋轉嚙合且防止非所要滑動。在實施例中，可使用鍵接、花鍵或互鎖配置，以維持配件30與主軸24之間之所要旋轉嚙合程度，而不管任一組件之熱膨脹或收縮之期待量為何。

加熱元件34被安裝在腔室內，且在配件30下方環繞主軸24。反應腔室10亦具備導向前室38之進入開口36及用於關閉及打開該進入開口之門 40。在圖1中僅示意性地描繪門40，且門40被展示為可在以實線展示之關閉位置(其中門使反應腔室10之內部與前室38隔離)與以虛線展示之門40之打開位置40'之間移動。門40配備有一適當控制及致動機構，用於使門40在打開位置與關閉位置之間移動。在實務中，門可包含一擋板，其可沿向上及向下方向移動，舉例而言，例如在美國專利第7,276,124號中所揭示，該案之揭示內容以引用方式併入本文中。圖1中描繪之設備可進一步包含一裝載機構(圖中未展示)，其能夠將一晶圓載體自前室38移動至腔室中且使晶圓載體與主軸24在操作條件下嚙合，且亦能夠將晶圓載體自主軸24移開且移至前室38中。

設備亦包含複數個晶圓載體。在圖1中展示之操作條件中，一第一晶圓載體42以一操作位置安置在反應腔室10內，而一第二晶圓載體44安置在前室38內。各晶圓載體包含主體46，其實質上呈具有一中心軸之一圓盤之形式(參見圖2)。主體46圍繞一軸對稱地形成。在該操作位置中，晶圓載體主體之軸與主軸24之中心軸26重合。主體46可形成為單部件或形成為多部件之一合成物。舉例而言，如美國專利申請公開案第20090155028號中所揭示(該案之揭示內容以引用方式併入本文中)，晶圓載體主體可包含界定環繞中心軸之主體之一小區域之一轂及界定盤狀主體之剩餘部分之一更大部分。主體46理想上由不會污染程序且可承受程序中遇到之溫度之材料形成。舉例而言，盤之更大部分可主要或全完由例如石墨、碳化矽或其他耐火材料之材料形成。主體46通常具有大體上彼此平行且大體上垂直於盤之中心軸延伸之一平面頂表面48及一底表面52。主體46亦具有適於固持複數個晶圓之一個或複數個晶圓固持特徵。

在操作中，晶圓54，諸如由藍寶石、碳化矽或其他晶體基板形成之一盤狀晶圓，被安置在各晶圓載體之各凹穴56內。通常，晶圓54具有比其主表面之尺寸小之厚度。舉例而言，直徑為約2英寸(50mm)之一圓形晶圓或直徑為約4英寸(100mm)之一圓形晶圓可為約770μm厚或更少。如圖1中繪示，晶圓54頂表面朝上而安置使得頂表面曝露在晶圓載體之頂部。

在一典型MOCVD程序中，其上裝載有晶圓之第一晶圓載體42自前室38裝載至反應腔室10中且被放置在圖1中展示之操作位置中。在此條件中，晶圓之頂表面面朝上、朝向氣體分配裝置12。加熱元件34被致動，且旋轉驅動機構32操作以轉動主軸24，且因此使第一晶圓載體42圍繞軸26轉動。通常，主軸24以每分鐘約50至1500轉之一旋轉速度旋轉。處理氣體供應單元14、16及18經致動以透過氣體分配裝置12供應氣體。氣體朝向第一晶圓載體42向下傳送至第一晶圓載體42及晶圓54之頂表面48上方，且圍繞晶圓載體之周邊向下至出口且至排氣系統22。因此，晶圓載體之頂表面及晶圓54之頂表面曝露於一處理氣體，該處理氣體包含由各種處理氣體供應單元供應之各種氣體之一混合。最通常地，頂表面處之處理氣體主要由藉由載體氣體供應單元16供應之載體氣體組成。在一典型化學氣相沉積程序中，載體氣體可為氮氣，且因此，晶圓載體之頂表面處之處理氣體主要由氮氣與一定量之反應氣體組分組成。

加熱元件34主要藉由輻射熱傳遞將熱傳遞至第一晶圓載體42之底表面52。施加至第一晶圓載體42之底表面52之熱透過晶圓載體之主體46向上流動至晶圓載體之頂表面48。透過主體向上傳送之熱亦透過間隙向上傳送至各晶圓之底表面，且透過晶圓向上傳送至晶圓54之頂表面。熱自第一晶圓載體42之頂表面48及自晶圓之頂表面輻射至處理腔室之更冷元件，舉例而言，(諸如)輻射至處理腔室之壁及輻射至氣體分配裝置12。熱亦自第一晶圓載體42之頂表面48及晶圓之頂表面傳遞至在此等表面上傳送之處理氣體。

在描繪之實施例中，系統包含經設計以評估各晶圓54之表面之加熱均勻性之若干特徵。在此實施例中，溫度分佈系統58接收溫度資訊，該溫度資訊可包含來自溫度監測器60之溫度及溫度監測位置資訊。另外，溫度分佈系統58接收晶圓載體位置資訊，在一項實施例中，其可來自旋轉驅動機構32。使用此資訊，溫度分佈系統58構建第一晶圓載體42上之凹穴56之一溫度分佈曲線圖。溫度分佈曲線圖表示凹穴56或其中所容納之晶圓54中之各者之表面上之一熱分配。

圖2係根據一實施例之一晶圓載體142之一透視圖。圖3係同一晶圓載體142之一俯視圖。晶圓載體142包括一主體146，其具有一頂表面148及其中界定之33個凹穴162。在圖2及圖3中展示之實施例中，凹穴162被配置在三個圓中。最外圓經配置成勻中间圆同心。五個凹穴之中心圓經配置成與外圓及中間圓不對稱。此不對稱配置促成全部三十三各凹穴162之更近堆積。在徑向最內圓中，五個凹穴162在方位上均勻間隔開。同樣地，在徑向中間圓中，十一個凹穴162在方位上均勻間隔開。在徑向最外圓中，十七個凹穴162在方位上均勻間隔開。凹穴162中之各者係在主體146中形成之一開孔，該開孔實質上垂直於頂表面148配置所沿之平面延伸。

圖2及圖3中描繪之凹穴配置之有利之處在於：其提供一所要熱均勻程度，同時維持頂表面148上一相對高密度之凹穴162。在實施例中，頂表面148可具有約675mm之一直徑，以及約695mm、705mm、716mm及約720mm之一直徑。接著，凹穴162可經設定大小以配合於彼區域中。舉例而言，在實施例中，凹穴162可具有約50mm之一直徑，或約100mm之一直徑。

圖3進一步描繪凹穴162圍繞其配置之代表性圓。在圖3中展示之實施例中，存在三個圓：R1、R2及R3，其各具有一不同半徑、彼此同心且與頂表面148之圓形輪廓同心而配置。

圖4係以一側視角度展示之圖2及圖3之晶圓載體142之一側視圖。在圖4中展示之視圖中，可見頂表面148與底表面152之間在大小上的相對差。特定言之，頂表面朝向如圖4中展示之頁面之頂部及底部進一步延伸，或在圖2及圖3中展示之視圖中在徑向上進一步延伸。先前在圖2及圖3中描繪之凹穴162中之各者自頂表面148朝向底表面152延伸。底表面152提供一實心基底，晶圓可在晶圓載體142中生長於該實心基底上。

圖5係先前關於圖2至圖4描述之晶圓載體142之一仰視圖。如圖5中展示，晶圓載體142在底表面152之中心中包含一鎖定特徵164。鎖定特徵164經構形以嚙合另一組件，諸如先前在圖1中描繪之主軸24之配件30。在各種實施例中，舉例而言，鎖定特徵164可包括一花鍵、一卡盤，或一鍵接配件。熟習此項技術者將認識到，多種機構能夠將角動量自鄰近組件賦予給晶圓載體142。

底表面152可為任何材料，且在實施例中經設計以促進熱傳遞。如先前所描述，在實施例中，期望將熱自一附近熱元件(諸如圖1中展示之加熱元件34)傳遞至底表面152。因而，底表面152可為一相對低反射率材料，或可經塗佈有此一物質。

在實施例中，晶圓載體142可係由適於在其上進行磊晶生長之任何材料製成，諸如石墨或一塗佈石墨之材料。在其他實施例中，組成晶圓載體 142之材料可經選擇以匹配一所要晶格配置或大小設定。同樣地，取決於期望生長之晶圓，可使用不同大小之凹穴162。

圖6係展示凹穴162中之一者之一部分透視圖。凹穴162各包含側壁166，其形狀為實質上圓柱形。由側壁166形成之圓柱之底部係基板168。在實施例中，側壁166可具有約430μm之一深度。

實施例意欲係繪示性的且不具限制性。額外實施例在新型申請專利範圍內。另外，儘管已參考特定實施例描述本創作之多態樣，但熟習此項技術者將認識到，在不背離如由新型申請專利範圍定義之本創作之範疇之情況下，可在形式及細節方面做出變化。

Claims

一種經構形以與一化學氣相沉積裝置結合使用之晶圓載體，該晶圓載體包括：一主體，其具有經彼此相對地配置之一頂表面及一底表面；複數個凹穴，其經界定於該晶圓載體之該頂表面中；改良之處包括：該複數個凹穴由總共33個凹穴構成，該等凹穴中之各者係沿著內圓、中間圓或外圓中之一者配置，且其中中心圓經配置成相對於該中間圓及該外圓不對稱。
如請求項1之晶圓載體，其中：該複數個凹穴中之五個凹穴係圍繞該等三個圓中之一第一圓配置；該複數個凹穴中之十一個凹穴係圍繞該等三個圓中之一第二圓配置；且該複數個凹穴中之十七個凹穴係圍繞該等三個圓中之一第三圓配置。
如請求項1或2之晶圓載體，其中該第一圓被該第二圓包圍，且其中該第二圓被該第三圓包圍。
如請求項1之晶圓載體，其中該頂表面包括約675mm之一直徑。
如請求項1之晶圓載體，其中該頂表面包括約695mm之一直徑。
如請求項1之晶圓載體，其中該頂表面包括約705mm之一直徑。
如請求項1之晶圓載體，其中該頂表面包括約716mm之一直徑。
如請求項1之晶圓載體，其中該頂表面包括約720mm之一直徑。
如請求項1、2及4至8中任一項之晶圓載體，其中該複數個凹穴各包含約100mm之一凹穴直徑。
如請求項1、2及4至8中任一項之晶圓載體，其中該複數個凹穴各包含具有約760μm之一深度之一徑向壁。
如請求項1之晶圓載體，進一步包括經配置在該底表面上之一鎖定特徵。
如請求項11之晶圓載體，其中該鎖定特徵係配置在該底表面之幾何中心處。
如請求項12之晶圓載體，其中該鎖定特徵係選自由一花鍵、一卡盤或一鍵接配件構成之群組。
如請求項1之晶圓載體，其中該頂表面及該底表面各包括一直徑，且其中該頂表面之該直徑大於該底表面之該直徑。
如請求項1之晶圓載體，其中該晶圓載體經構形以用於一金屬氧化物化學氣相沉積系統中。