TWI430391B - 低熱質量半導體晶圓支撐 - Google Patents

Description

低熱質量半導體晶圓支撐

本發明大體上係關於半導體晶圓支撐，及更特定言之係一低熱質量半導體晶圓支撐，其用於在一熔爐中的半導體晶圓之熱處理。

半導體晶圓之高溫熱處理(例如，退火)通常被使用以實現某一理想的特性。例如，此一程序可被用於在晶圓上產生一無缺陷矽層。本發明尤其相關的該類型之高溫退火程序在一垂直熔爐中被實施，該熔爐通常使晶片達到1100℃以上的溫度，例如在1200℃左右與1300℃左右之間。

在高溫熱處理過程中，在高於750℃及尤其高於1100℃的溫度下，矽晶圓變得更可塑。若該等矽晶圓在熱處理過程中沒有充分地被支撐，該等晶圓可由於局部重力及熱應力經歷滑移。正如在先前技術已知的，滑移可引污染物至晶圓之裝置區域。再者，過多的滑移可導致晶圓之塑性變形，其反過來可導致生產問題，諸如微影覆蓋失敗引起在裝置製造中的產量損失。

垂直晶舟或晶圓架被用於充分地支撐半導體晶圓，及使局部重力與熱應力最小化。該支撐企圖當晶圓被熱處理時防止滑移及塑性變形。典型垂直晶舟用於一垂直熔爐中，其包括三個或更多垂直桿，其又稱為桿。該等桿通常具有凹槽或側向延伸的指狀物用於支撐在晶舟內垂直桿之間的晶圓。每個晶圓可直接擱在一般位在一共有水平面上的指狀物(或凹槽)上。此配置在較老技術中係很普通的及當熱處理200mm及較小直徑晶圓時係足夠的。替代地，每個晶圓可擱在一晶圓固持平台上，例如一環形物或固體平板，藉由該等指狀物支撐(或在凹槽內)，通常位在一共有水平面上。此配置在較新的技術中係很普遍及經常必需足夠支撐300mm及較大直徑的晶圓。此300mm及較大直徑的晶圓比較小直徑晶圓遭受更大的局部重力及熱應力，及晶圓固持平台藉由增加被支撐的晶圓之區域更好支撐300mm晶圓。

共同讓渡的美國專利第7,033,168，其以引用的方式併入本文，顯示用於以上描述的程序之晶舟之一適當的類型。WO 2006/118774("774)顯示另一類型，其包含用於支撐晶圓之架子。每個架子24包含複數個孔32、34，該等孔「係有益於減輕在薄架子24中的壓力，減少熱質量，及允許熔爐周圍環境達到晶圓背部之一實質部分，從而防止晶圓粘住架子24。架子24之平面形狀允許其經濟地由薄片材料機械製造，尤其係矽，類似於晶圓。」

然而，在先前技術支撐中有一些缺點。例如，放置晶圓與'774架子之孔邊緣接觸將引起晶圓之污染。另外，'774配置將引起晶圓滑移。需要一較好的晶圓支撐將不會引起污染或滑移。

在一態樣中，用於一半導體晶圓之一支撐包含具有用於支撐該晶圓之一支撐表面之一平板及與該支撐表面及該晶圓間隔的一凹進表面。複數個孔從該凹進表面延伸，及該支撐表面係沒有孔的以抑制該晶圓之污染。

在另一態樣中，用於支撐半導體晶圓之一平板包括頂面及底面。該頂面包含一支撐表面及與該支撐表面垂直間隔之一凹進表面，該平板包含複數個孔從該凹進表面延伸至該底面。該支撐表面係沒有孔的。

仍然在另一實施例中，一晶舟用於在一熔爐中的半導體晶圓之熱處理中使用。該晶舟包括垂直桿，藉由該等垂直桿支撐的指狀物及藉由該等指狀物支撐的平板。該等平板之至少一些包含用於支撐該晶圓之一支撐表面及與該支撐表面及與該晶圓間隔的一凹進表面。複數個孔從該凹進表面延伸，及該支撐表面係沒有孔的以抑制該晶圓之污染。

存在關於以上提到的態樣所指特徵的各種精進改良。進一步的特徵也可同樣與以上提到的態樣合併。此等精進改良及額外的特徵可個別地或以任何組合存在。例如，關於任何繪示的實施例之以下討論的各種特徵可單獨或以任何組合與任何以上描述的態樣合併。

相應的參考特徵指出貫穿圖示的相應部件。相應的參考特徵指出貫穿圖示的相應部件。

現在參考圖示及尤其係圖1，其繪示一半導體晶舟，通常在1處指出，根據本發明之原理構造。該晶舟1包含間隔開的支撐桿3，該等桿被固定在晶舟之一頂部5及一基部7以保持桿之間的相對位置。當晶舟1被放置於一垂直熔爐內時，支撐桿3通常係垂直的。在繪示的實施例中，晶舟1具有一中心桿9及兩個正向桿11。

該等支撐桿3支撐側向延伸指狀物13。該等指狀物13可一體地形成在該等支撐桿3上。例如，可在一伸長的單件結構中切割形成指狀物13。晶舟1之指狀物13被配置成組，沿著支撐桿3之垂直延伸長度位於不同的共有大致水平面上。

參考圖2-3，每一組指狀物13位在一相同的大致水平面上接合及支撐一晶圓固持平台20(大體上為一平板)。一般地該平台同樣可稱為一支撐環。該繪示的晶圓固持平台20具有一開放式環型，當從上面(俯視圖)看時，其大致具有一C型。

開放式環型平台具有頂面及底面，分別地指定為22及24(圖6)，一外半徑R1，及通常在圓平坦區中心部分之一孔28，其具有一半徑開口從該孔延伸至平台20之外圍。包含一閉合式環型及一固體平板之其他類型之晶圓平台在本發明之範圍內。對於用於支撐300mm晶圓之一晶圓平台，半徑R1係150mm左右，及孔28之一半徑R2係95mm左右。

在繪示的實施例中，每個晶圓固持平台20具有藉由形成在頂面22內的一弓形凹槽31界定的一凹進表面30。該凹槽合適地介於0.2mm左右與0.5mm左右深。一對間隔開的平坦區33(大體上為支撐表面)被設置在凹槽的相對側上。當晶圓擱在晶圓固持平台20上時，該等平坦區33直接地支撐一半導體晶圓W(圖3A-3B)。藉由擱在該等平坦區33上及在凹槽31上，晶圓能從晶圓固持平台被移除且晶圓不會粘住晶圓固持平台，正如在先前技術已知的。

此外，該等平坦區33沒有孔在其內或貫穿其中。換而言之，每個平坦區係一非常光滑、平坦的表面，沒有諸如孔、隆起或其他特性形成在其內的任何偏差。孔之邊緣或其他特性，若它們存在平坦區上，會由於用於形成該等孔之機械製造或形成步驟引起晶圓之污染。習知的用於形成孔之陶瓷形成或機械製造方法引入可能的污染在孔內或其周圍。同樣，有一風險，即若有任何孔形成在平坦區內，孔的邊緣可係鋒利的及可破壞晶圓。因為在此實施例中的該等平坦區(支撐表面)係沒有孔的，晶圓W將不會藉由平台20被污染或破壞。同樣，在每個平台20上的該等平坦區33係共面的，使得該晶圓W平坦地位在整個平坦區上。同樣地，該晶圓W不與該凹進表面30接觸。

狹槽35(大體上為孔)被形成在一實施例之凹進表面30內。該等狹槽使用習知的陶瓷形成工具被合適地形成。該等狹槽從該凹進表面30延伸至底面24(圖6)。每個狹槽具有一伸長的截面36，其具有一弓形或彎曲形通常相應於凹槽31之彎曲及平台20之外部及內部邊緣之彎曲。每個狹槽同樣具有彎曲端37。狹槽35之寬度小於凹槽31之寬度。

狹槽減少在晶圓W下的平台面積在一實施例中小於50%，在另一實施例中小於45%，及在另一實施例中小於40%。注意到在美國專利第7,033,168號中之平台在晶圓W下具有52%或更多之面積。該等狹槽沒有極大地增加平台之製造成本。進一步，該等狹槽沒有不利地影響平台20之結構。面積減少直接與熱質量減少成比例及與從晶圓W之中心至晶圓之邊緣的熱梯度減少成比例。此等減少同樣減少諸如在退火之高溫處理過程中在晶圓W內產生滑移的風險。

應瞭解的係除了剛才描述的那些之外的構造(未顯示)能在本發明之範圍內被使用。晶舟1可由石英、矽、氮化矽、或碳化矽之一製成，或替代地石英、矽、氮化矽、或碳化矽之一個或多個之一組合製成。

現在參考圖4-10，晶舟1之每個指狀物具有一支撐位置40，其接合及支撐晶圓固持平台20(圖4及5)之一。相似地，每個晶圓固持平台20具有三個支撐位置43，該等位置接合位在共有水平面(圖6及10)上的指狀物13之組及藉由這些指狀物加以支撐。指狀物13之每個支撐位置40經調適以在晶圓平台之分別的支撐位置43(圖7及8)處的晶圓固持平台20下。相似地，每個晶圓固持平台20之每個支撐位置43經調適以在分別的指狀物13之分別的支撐位置40上。

尤其參考圖4及5，每個指狀物13具有沿著其長度L之一不均勻之厚度，使得每個指狀物具有一第一整體最大厚度50，其大於一第二最大厚度53。該第一整體最大厚度50係整個指狀物13之最厚部分。在一實施例中，該第一整體最大厚度50至少2.0mm左右，及在繪示的實施例中係2.5mm左右。指狀物之第二最大厚度53係在支撐位置40之邊界內之指狀物13之最大厚度。在該繪示的實施例中，支撐位置40及指狀物13之第二整體最大厚度53被置於指狀物之自由端。指狀物13之第二最大厚度53至少係0.5mm左右，及在該繪示的實施例中係2.0mm左右。晶舟1及其組件(在以上及下文中給出的)之繪示的尺寸對於在一垂直熔爐中構造用於高溫熱處理300mm直徑矽晶圓之一晶舟係合適的尺寸。其他尺寸可在本發明之範圍內被使用。

特別參考圖7及8，每個晶圓固持平台20(類似每個指狀物13)具有一不均勻之厚度使得每個平台具有一第一整體最大厚度60，該厚度係整個晶圓固持平台之最大厚度尺寸。該第一整體最大厚度60至少可係2.0mm左右，及在該繪示實施例中係2.0mm左右。該晶圓固持平台20具有在每個支撐位置43處之一第二最大厚度63，其小於該晶圓固持平台之第一最大厚度60。在該繪示實施例中，該晶圓固持平台20在其底面24具有相應於晶圓固持平台之支撐位置43(圖6)之凹槽45。該第二最大厚度至少係0.5mm左右，及在該繪示的實施例中係1.0mm左右。

特別參考圖9及10，當該晶圓固持平台20被擱在指狀物13上時，在指狀物及該等平台之每個支撐位置40、43處有一組合的最大厚度70，其小於每個指狀物之第一整體最大厚度50加上每個晶圓固持平台之第一整體最大厚度53。在繪示的實施例中，在每個支撐位置40、43之組合的最大厚度係0.4mm左右。在每個支撐位置40、43之該組合的最大厚度70正好在平台上的在平台20與指狀物13之間留下一垂直空間80。該垂直空間80允許一機械手引進及移除晶圓。在該繪示實施例中，垂直空間80係3.8mm左右。

正如以上描述的，該繪示實施例顯示指狀物13及晶圓固持平台20具有第二最大厚度53、63小於分別的第一整體最大厚度50、60。然而，應明白，指狀物13可不具有小於第一整體最大厚度50之一第二最大厚度。也就係，每個指狀物13之厚度可沿著其長度完全統一的，及只有晶圓固持平台20具有小於第一最大厚度60之一第二最大厚度63。替代地，該晶圓固持平台20可不具有小於第一整體最大厚度60之一第二最大厚度。也就係，每個晶圓固持平台20之厚度可沿著其長度完全統一的，及只有指狀物13具有小於第一最大厚度50之一第二最大厚度53。注意的係對於本發明之目的此等實施例係合意的，只要在指狀物13及晶圓固持平台20之每個支撐位置40、43處的組合的最大厚度70小於指狀物13及晶圓固持平台20之組合的第一最大厚度50、60。

藉由在分別的支撐位置40、43處減少每個指狀物13之厚度及每個晶圓固持平台20之厚度，正如以上描述的，在晶舟1中藉由每個指狀物及每個平台之組合的厚度70佔據的垂直空間被減少。此組合厚度70內之減少在晶舟1內產生更多開放垂直空間，其進而能被用於增加更多指狀物13及平台20。增加平台20之數量增加了晶圓能被放在在晶舟1內之相同的垂直空間中之數量。減少藉由在分別的支撐位置40、43處的每個指狀物13與每個晶圓固持平台20之組合的厚度70佔據的垂直空間，增加垂直熔爐之晶圓產量及熱處理半導體晶圓之產量，同時降低生產成本。然而，在分別的支撐位置40、43處的每個指狀物13與每個晶圓固持平台20之組合的厚度足夠提供一穩定的基礎用於支持該晶圓以避免在熱處理過程中晶圓之滑移及塑性變形。

本發明之繪示的晶舟1能容納達135個左右的晶圓或晶舟每釐米高度可容納1.2個左右的晶圓。該繪示的實施例之晶舟1之整體高度使得其能安裝在一ASMA412垂直熔爐之一石英管中。根據先前技術之教義構造的一晶舟1通常在晶舟每釐米高度容納小於1個晶圓。因此，本發明之晶舟1增加高達50%之產量而不會如上陳述的危及晶圓品質。

參考圖3，最接近中心桿9的點(亦即最後面的點)係正向桿指狀物13與正向桿11相接由90指示的地方。此等點90被置於一正向垂直面VP1內，該垂直面VP1正向與一平行的後垂直面VP2間隔，該垂直面VP2與在晶舟之後面的晶舟1相切。在繪示實施例中，中心桿9界定晶舟1之背部。支撐桿3及指狀物13之最佳配置(亦即將給晶圓固持平台最大支撐的桿及指狀物之配置)係桿被等距地分開形成一等邊三角形配置及指狀物向晶圓固持平台20之中心延伸。在此配置中，指狀物13之支撐沿著晶圓固持平台20之周圍平等地分佈。然而，此最佳配置對使用300mm及更大直徑的晶舟係不可行的，因為晶圓在晶舟中被接收之直徑及垂直熔爐之內部直徑造成尺寸限制。兩個支撐桿3之間的距離必須大於晶圓之直徑，例如，300mm，使得該晶圓能在晶舟(例如在正向桿11之間)內被接收。再者，晶舟1之橫截面直徑不能大於垂直熔爐之一石英管之內部直徑，否則該晶舟將不能安裝在該熔爐中。例如，對於ASM A412垂直熔爐之一石英管之內部直徑係340mm左右。至少相隔300mm地放置三個支撐桿3(因為這些支撐桿最好是按照等邊三角形的配置)使得晶舟1之直徑更大於石英管之內部直徑，因而該晶舟將不能安裝在該熔爐內。注意的係即使一更大的直徑熔爐係可能的，支撐桿3之一等邊三角形配置將需要很長的指狀物13，由於指狀物之長度將導致一晶舟具有很低的機械穩定性。

由於支撐桿3不能被等距的分開，先前技術教授正向桿11之配置分開最小必要距離以允許晶圓在晶舟1(例如在繪示實施例中該距離基於300mm晶圓)內被接收及放置在正向垂直面VP1內，儘可能遠離後面的垂直面VP2，而沒有使晶舟超過其因垂直熔爐之內部直徑所造成的直徑約束。從正向桿11延伸的指狀物13亦位在正向垂直面VP1內。此配置係在保持在所造成的約束下，沿著晶圓固持平台20之周圍之指狀物13之支撐之最好的分佈之一嘗試。然而，此配置可能不足夠支撐正向平面VP1正向之晶圓固持平台20之區域。正向桿11正向之晶圓固持平台20之不充分的支撐可引起晶圓固持平台20之塑性變形(尤其係在繪示實施例之開放式環型中)，導致在垂直熔爐內之高溫熱處理過程中在矽晶圓的滑移或可能的塑性變形。

在本發明之晶舟1之一實施例中，在正向桿11上的指狀物13正向形成關於正向平面VP1之一角A以允許指狀物之支撐位置40位於正向平面VP1正向之晶圓固持平台20之區域之部分下(圖12)。在正向桿11上的指狀物13之角度，實際上，給晶圓固持平台20之正向部分的支撐比若指狀物沿著正向平面VP1延伸被給出(正如在先前技術中)的支撐更大。在一實施例中，角度A係在10度與20度之間，及在繪示實施例中係15度左右。

在正向桿11上的指狀物13通常必須長於在中心桿9上的指狀物，因為正向桿指狀物必須延伸至一更正向位置，該位置更接近用於支撐晶圓固持平台20之理想的、等邊位置。在繪示實施例中，正向桿11之每個指狀物13之一長度L1係60mm左右(圖4)。同樣在繪示實施例中，中心桿9之每個指狀物13之一長度L2係28mm左右(圖5)。與本發明之原理一致的其他長度被預期。正如在技術中已知的，在高溫熱處理過程中，增加指狀物13之長度L1、L2降低它們的機械穩定性。此在機械穩定性中的降低會導致塑性變形及不充分的支撐或甚至故障。正向桿11之指狀物13具有長度L1使得它們儘可能正向延伸而不超出機械穩定性的尺寸約束。

在使用中，晶舟1藉由放置晶圓固持平台20在分別的指狀物13上做好準備。晶圓被載至晶舟1使得每個晶圓被放置在一晶圓固持平台20之頂面22上。通常，晶圓經由一機械手被裝載，正如在技術中已知的。一旦晶舟1裝載有一預定量的晶圓(使用繪示實施例從1個晶圓至135個左右晶圓的範圍)，該晶舟在垂直熔爐內被接收。高溫熱處理被執行，正如在技術中已知的。在每個晶圓與晶圓固持平台20之間的空間被提供以接收機械手之一部分。在熱處理及其他處理後，晶圓從晶舟1被卸載，通常使用機械手。

在圖12繪示的本發明之另一實施例中，側支撐桿100之橫截面係楔形的。該等側桿100每個具有一錐形的橫截面，其中桿之橫截面在指狀物13之方向逐漸減小。該等側桿之外部表面105向指狀物彎曲使得外部表面之全部完全地位在晶舟1之橫截面之周圍上。一正向垂直面VP3藉由正向桿指狀物13與正向桿100相接的最接近中心桿9之點110(亦即最後面的點)被界定。此正向垂直面VP3與後面的垂直面VP2被分開一段距離D2。正向垂直面VP3(亦即楔形桿100)與後面的垂直面VP2比菱形桿11被放置地更正向而保持在垂直熔爐之石英管之內部直徑約束內。在繪示的實施例中，正向及後面的平面VP3、VP2之間的距離D2係227mm左右，或約晶圓標稱直徑之76%。

當引進本發明之元件或其實施例時，冠詞「一」、「該」旨在意味著元件之一個或多個。術語「包括」、「包含」及「具有」被規定為包含的及意味著可有除了所列元件之外的額外的元件。

在不背離本發明之範圍下，在以上構造中可以做出不同的改變，希望包含在以上描述中及顯示在所附圖示中的所有的內容將被認為係繪示性的及不係限制意義的。

1．．．晶舟

3．．．支撐桿

5．．．頂部

7．．．基部

9．．．中心桿

11．．．正向桿

13．．．指狀物

20．．．晶圓固持平台

22．．．頂面

24．．．底面

28．．．孔

30．．．凹進表面

31．．．弓形凹槽

33．．．平坦區

35．．．狹槽

36．．．伸長的截面

37．．．彎曲端

40．．．支撐位置

43．．．支撐位置

45．．．凹槽

50．．．第一最大厚度

53．．．第二最大厚度

60．．．第一整體最大厚度

63．．．第二最大厚度

70．．．組合的最大厚度

80．．．垂直空間

90．．．點

100．．．側桿

105．．．外部表面

圖1係一實施例之具有晶圓固持平台之一晶舟之一透視圖；

圖2係晶舟及平台之一放大的局部透視圖；

圖3係該等晶圓平台之一之一俯視圖；

圖3A係從包含圖3之線3A--3A的平面截取的一局部剖面及顯示在平台上的一晶圓；

圖3B係圖3A之一放大的部分；

圖4係從包含圖3之線4--4的平面截取的一局部剖面，顯示一單一指狀物但該平台被移除；

圖5係從包含圖3之線5--5的平面截取的一局部剖面，顯示具有平台被移除的一單一指狀物；

圖6係一晶圓固持平台之一仰視平面圖；

圖7係從包含圖3之線4--4的平面截取的一局部剖面，顯示具有指狀物被移除的該平台；

圖8係從包含圖3之線5--5的平面截取的一局部剖面，顯示具有指狀物被移除的該平台；

圖9係類似於圖5之一局部剖面，但顯示多個指狀物及平台；

圖10係類似於圖4之一局部剖面，但顯示多個指狀物及平台；

圖11係一孤立的指狀物之一放大的平面圖，該指狀物從左邊正向桿延伸，顯示該指狀物從該桿延伸的角度；及

圖12係該晶舟之一水平橫截面圖，其具有楔形橫截面之正向桿之另一實施例。

1．．．晶舟

3．．．支撐桿

5．．．頂部

7．．．基部

9．．．中心桿

11．．．正向桿

13．．．指狀物

Claims (19)

1. 一種包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟(wafer boat)，該支撐包括包含一界定一實質光滑、平坦表面而用於支撐該晶圓之支撐表面之一平板，及間隔於該支撐表面之下從而間隔於該晶圓之下的一凹進表面，複數個弧形的(arc-shaped)孔從該凹進表面延伸，且該支撐表面係沒有孔的以抑制該晶圓之污染，其中該複數個弧形的孔在該半導體晶圓之高溫處理過程中抑制該半導體晶圓之滑移。
2. 如請求項1之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其與該半導體晶圓組合。
3. 如請求項1或2之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其中該平板係C形的。
4. 如請求項1或2之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其中該平板具有一底面且該等弧形的孔從該凹進表面延伸直到該底面。
5. 如請求項1或2之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其中該平板之面積小於該晶圓面積之50%。
6. 如請求項5之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其中該平板之面積小於該晶圓面積之40%。
7. 如請求項1或2之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其中該平板由碳化矽、氮化矽及矽之一者製成。
8. 如請求項1或2之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其中該支撐表面包含藉由該凹進表面分離之兩個平 坦區(plateaus)。
9. 如請求項8之包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，其中該凹進表面係由一凹槽界定。
10. 一種包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，該支撐包括包含一界定一實質光滑、平坦表面而用於支撐該晶圓之支撐表面之一平板，及間隔於該支撐表面之下從而間隔於該晶圓之下的一凹進表面，複數個孔從該凹進表面延伸，且該支撐表面係沒有孔的以抑制該晶圓之污染，其中該平板的面積小於該半導體晶圓的面積之50%。
11. 如請求項10之晶舟，其中該複數個孔係弧形的。
12. 如請求項10之晶舟，其中該平板具有一底面，且該等弧形的孔從該凹進表面延伸直到該底面。
13. 如請求項10之晶舟，其中該支撐表面包括藉由該凹進表面分離之兩個平坦區。
14. 如請求項13之晶舟，其中該凹進表面係由一凹槽界定。
15. 一種包含用於一半導體晶圓之一支撐的晶舟，該支撐包括包含一界定一實質光滑、平坦表面而用於支撐該晶圓之支撐表面之一平板，及間隔於該支撐表面之下從而間隔於該晶圓之下的一凹進表面，第一複數個孔及第二複數個孔自該凹進表面延伸，且該支撐表面係沒有孔的以抑制該晶圓之污染，其中該第一複數個孔係置於距該平板之一中心之一第一距離處，且該第二複數個孔係置於距該平板之該中心之一第二距離處，該第一距離大於該第二距離。
16. 如請求項15之晶舟，其中該第一複數個孔係弧形的，且該第二複數個孔係弧形的。
17. 如請求項15之晶舟，其中該平板具有一底面，且該第一複數個孔及該第二複數個孔從該凹進表面延伸直到該底面。
18. 如請求項15之晶舟，其中該支撐表面包括藉由該凹進表面分離之兩個平坦區。
19. 如請求項18之晶舟，其中該凹進表面係由一凹槽界定。