TWI842201B - 材料表面處理設備、材料表面處理方法以及碳化矽材料表面處理方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種材料表面處理設備，係應用於材料基板。該材料表面處理設備包括表面處理裝置及至少一波導裝置。表面處理裝置供承載材料基板以執行表面處理製程。各波導裝置用以針對材料基板導入電磁波以輔助執行表面處理製程。藉由電磁波之導入，使得材料基板之表面處理製程易於執行且能達到強化效果。

Description

材料表面處理設備、材料表面處理方法以及碳化矽材料表面處理方法

本發明係關於一種材料表面處理技術，尤指一種應用電磁波之材料表面處理設備及方法。本發明更包括一種碳化矽材料表面處理方法。

材料基板主要作為電子元件或產品之基礎結構件。一般而言，在前述電子元件或產品之製程中，需要先針對材料基板執行相應之表面處理，例如拋光、蝕刻或薄化等，以利於後續其他製程之執行或應用。

以半導體領域常用之碳化矽基板為例，由於碳化矽基板硬度僅低於鑽石，使得針對碳化矽基板執行表面拋光時異常困難；因此，目前在拋光磨料中需要採用奈米等級鑽石顆粒，以期達到理想之拋光效果。然而，前述鑽石顆粒在製作上難度較高且成本相當可觀。另一方面，在前述拋光磨料中會添加強鹼或強氧化劑之化學物質，來造成碳化矽基板之表面激化狀態，進而促成化學反應以利於表面拋光。然而，前述拋光磨料於製程後產生之廢液會因為存在該些化學物質而具有強酸或強鹼性，不僅在使用上不環保，若是後續處理不當將對環境造成危害。

因此，如何設計出能改善前述問題之材料表面處理設備，實為一個值得研究之課題。

本發明之目的在於提供一種材料表面處理設備，藉由於表面處理製程中針對材料基板導入電磁波以提高材料表面處理之效果。

為達上述目的，本發明之材料表面處理設備係應用於材料基板。該材料表面處理設備包括表面處理裝置及至少一波導裝置。表面處理裝置供承載材料基板以執行表面處理製程。各波導裝置用以針對材料基板導入電磁波以輔助執行表面處理製程。

在本發明之一實施例中，電磁波為微波，且微波之頻率範圍介於900MHz至2.45GHz之間。

在本發明之一實施例中，電磁波為紫外光，且紫外光之頻率範圍介於8×10 ¹⁴Hz 到2.4×10 ¹⁶Hz之間。

在本發明之一實施例中，表面處理裝置更包括處理劑施加單元，用以施加可吸收電磁波之處理劑至材料基板。

在本發明之一實施例中，處理劑包含鹼金屬或鹼土金屬之氧化物、氫氧化物或鹵化物。

在本發明之一實施例中，處理劑包含過渡金屬之氧化物或鹵化物。

在本發明之一實施例中，處理劑為液態或固態。

在本發明之一實施例中，材料表面處理設備更包括氣體導入裝置，用以於執行表面處理製程時導入至少一惰性氣體或至少一活性氣體。

在本發明之一實施例中，材料基板為矽基板、鍺基板、碳化矽基板、氮化矽基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、氧化矽基板、氧化鋯基板或氧化鋁基板。

在本發明之一實施例中，材料基板為具有表面薄膜之基板。

在本發明之一實施例中，表面薄膜為氧化矽薄膜、碳化矽薄膜、氮化矽薄膜、氮化鎵薄膜、氮化鋁薄膜、氧化鋯薄膜或氧化鋁薄膜。

在本發明之一實施例中，材料基板係由第四族元素半導體、第四族複合物半導體、第三－第五族複合物半導體、第二－第六族複合物半導體、或金屬、半導體之氧化物或氮化物所構成。

在本發明之一實施例中，表面處理製程為蝕刻製程、薄化製程或拋光製程。

本發明之另一目的在於提供一種材料表面處理方法。本發明之材料表面處理方法包括：提供表面處理裝置以供承載材料基板；針對材料基板執行表面處理製程；以及針對材料基板導入電磁波以輔助執行表面處理製程。

本發明之又一目的在於提供一種碳化矽材料表面處理方法。本發明之碳化矽材料表面處理方法包括：提供表面處理裝置以供承載碳化矽基板；針對碳化矽基板執行表面處理製程；以及針對碳化矽基板導入紫外光或微波以輔助執行表面處理製程。

據此，本發明藉由波導裝置將紫外光、微波或電磁波導入材料表面製程中，以微波化學原理增強或紫外光等電磁波促進材料基板之表面化學反應，以達到強化材料表面製程之功效。此外，本發明可減少化學處理劑之使用，不僅更為環保且能有效降低製造成本。

由於各種態樣與實施例僅為例示性且非限制性，故在閱讀本說明書後，具有通常知識者在不偏離本發明之範疇下，亦可能有其他態樣與實施例。根據下述之詳細說明與申請專利範圍，將可使該等實施例之特徵及優點更加彰顯。

於本文中，係使用「一」或「一個」來描述本文所述的元件和組件。此舉只是為了方便說明，並且對本發明之範疇提供一般性的意義。因此，除非很明顯地另指他意，否則此種描述應理解為包括一個或至少一個，且單數也同時包括複數。

於本文中，用語「包括」、「具有」或其他任何類似用語意欲涵蓋非排他性之包括物。舉例而言，含有複數要件的元件或結構不僅限於本文所列出之此等要件而已，而是可以包括未明確列出但卻是該元件或結構通常固有之其他要件。

請參考圖1為本發明之材料表面處理設備第一實施例之示意圖。如圖1所示，本發明之材料表面處理設備1主要應用於材料基板5之表面處理。材料基板5為電子元件或產品之基礎結構件。材料基板5可為以單一材料所構成之單層結構或者以不同材料所構成之多層結構，且材料基板5會依需求不同而改變其結構或/及構成材料。

在本發明之一實施例中，材料基板5以前述單層結構為例，材料基板5可為矽基板、鍺基板、碳化矽基板、氮化矽基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、氧化矽基板、氧化鋯基板或氧化鋁基板，但本發明不以此為限。

在本發明之一實施例中，材料基板5以前述多層結構為例，材料基板5可為具有表面薄膜之基板，也就是說，材料基板5可基於前述單層結構形成基礎層，並於基礎層上形成表面薄膜層。前述表面薄膜可為氧化矽薄膜、碳化矽薄膜、氮化矽薄膜、氮化鎵薄膜、氮化鋁薄膜、氧化鋯薄膜或氧化鋁薄膜，但本發明不以此為限。

此外，在本發明之一實施例中，材料基板5也可採用半導體材料構成。舉例來說，材料基板5可由第四族元素半導體、第四族複合物半導體、第三－第五族複合物半導體、第二－第六族複合物半導體、或金屬、半導體之氧化物或氮化物所構成，但本發明不以此為限。

本發明之材料表面處理設備1主要包括表面處理裝置10及至少一波導裝置20。表面處理裝置10供承載材料基板5以執行表面處理製程。在本發明之一實施例中，表面處理製程可為蝕刻製程、薄化製程、拋光製程、化學機械拋光製程或其他與表面處理相關之製程。在本發明中，表面處理裝置10包括表面處理單元11及驅動單元12，且驅動單元12連接表面處理單元11。表面處理單元11用以直接接觸材料基板5以針對材料基板5執行相應之表面處理，而驅動單元12用以驅動表面處理單元11相對於材料基板5運動。表面處理製程以拋光製程為例，則在本發明中，表面處理單元11可為拋光盤，且驅動單元12可為連接拋光盤之伺服馬達；因此，藉由伺服馬達可驅動拋光盤相對於材料基板5旋轉，以利用拋光盤針對材料基板5之表面執行拋光製程。前述表面處理單元11及驅動單元12可隨著執行之表面處理製程不同改變其結構或/及運動型態。

在本發明中，表面處理單元11可包括複數開孔111。各開孔111自表面處理單元11之一側貫穿至相對另一側。

至少一波導裝置20用以針對材料基板5導入電磁波（包含紫外光及微波）以輔助執行表面處理製程。進一步而言，至少一波導裝置20會將電磁波導入材料基板5所在區域，特別是針對材料基板5待處理之表面導入電磁波，以藉由電磁波輔助執行表面處理製程。至少一波導裝置20之設置數量或/及位置可隨著設計需求不同而加以改變。在本發明之一實施例中，電磁波為微波，且微波之頻率範圍介於900MHz至2.45GHz之間；在本發明之另一實施例中，電磁波為紫外光，且紫外光之頻率範圍介於8×10 ¹⁴Hz 到2.4×10 ¹⁶Hz之間，但前述電磁波之類型及頻率範圍可依材料基板5不同而加以改變。舉例來說，電磁波也可以是無線電波、高頻波或其他頻段之電磁波。

本發明之材料表面處理設備1更可包括控制系統30。控制系統30電性連接表面處理裝置10及至少一波導裝置20。藉由控制系統30可分別控制表面處理裝置10及至少一波導裝置20之作動，以利於前述表面處理製程之執行。在本發明之一實施例中，控制系統30可為電腦系統或遠端控制裝置。

本發明之材料表面處理設備1在實際操作上，首先將待處理之材料基板5置入表面處理裝置10內，並將材料基板5以表面處理單元11承載及加以固定。接著，針對材料基板5所在區域施加表面處理製程所需之處理劑，並利用至少一波導裝置20針對材料基板5導入電磁波，電磁波會穿過表面處理單元11之複數開孔111後抵達材料基板5待處理之表面，使得材料基板5待處理之表面產生表面化學反應，或者針對處理劑產生活化效果，以達到強化表面處理製程之目的。最後藉由驅動單元12驅動表面處理單元11相對於材料基板5運動，以利用表面處理單元11對材料基板5待處理之表面執行相應之表面處理。

舉例來說，假設前述材料基板5採用碳化矽基板，而前述表面處理製程為拋光製程。當碳化矽基板待處理之表面受到導入之微波（2.45GHz, 900W）照射時，微波會激發碳化矽基板之表面層內電子，特別是在懸掛鍵中未配對的電子。這些電子因自由載子吸收（free carrier absorption）效應轉成熱電子（hot electrons）狀態，亦即具備突破能障進入位於表面區塊碳-矽鍵結之能力。因此，當碳原子吸收微波產生劇烈震盪，此時熱電子進入鍵結後更造成不穩定狀態，導致碳-矽化學鍵解裂，使得碳與矽各別與氧結合，進而形成CO ₂及促使基板表面氧化後形成SiO ₂層或Si(OH) ₄層，使基板表面柔化（即表面硬度降低）而達到基板表面改質之效果。據此，經微波照射後之碳化矽基板將會隨著表面氧化而呈現可拋光性。

再者，在碳化矽基板未拋光之前，其表面大致呈現一個粗糙表面。由於表面形成粗糙部位大多為呈現尖端處，基於微波化學拋光之原理，該些尖端處之突出原子表面由於電荷集中效應，容易聚集前述被激發出的熱電子，因此也更容易與處理劑產生氧化還原反應，使該些突出之原子與處理劑之反應比其他較為平坦處更快速，進而溶入處理劑後消失，致使產生表面平滑作用。

以下配合圖式說明應用本發明達成強化表面處理製程之原理。請一併參考圖2A及圖2B，其中圖2A為材料表面經微波處理後柔化並平坦化之示意圖，圖2B為以微波促成氧化還原反應之示意圖。如圖2A所示，以碳化矽材料之研磨製程為例，當材料表面經微波照射處理後會被氧化而形成SiO ₂層（或 Si(OH) ₄），隨著材料表面突出越厲害，被氧化之部位也會越多。因此，在經過擦磨(Touch Polishing) 或是CMP研磨後可移除量也較多，使得材料表面更趨於一平面而平坦化。由於前述氧化層之莫氏硬度（約為6-7）遠低於碳化矽之莫氏硬度（約為9），在使用硬度較低之顆粒移除氧化層時，不會使碳化矽露出之新表面再次受損傷。圖2A中之虛線部份表示在碳化矽表面形成之氧化層與碳化矽材料之界線。而第一次形成的氧化層經CMP研磨移除而平坦化後，會反覆進行再氧化、再研磨之步驟，最終使得材料表面更臻於平滑。

如圖2B所示，當微波照射激發電子後，電子至傳導帶與研磨處理劑進行還原反應，伴生之電洞則進行表面氧化反應，使碳-矽鍵解裂。因此，處理劑不需要使用強酸或強鹼物質，即可達到碳化矽材料之表面處理製程之強化效果。

回到圖1，在本發明之一實施例中，表面處理裝置10更包括處理劑施加單元13，用以施加可吸收電磁波之處理劑至材料基板5。處理劑施加單元13可設置於表面處理單元11之周邊，以便針對材料基板5所在位置施加處理劑。處理劑在吸收電磁波後可被活化，使得處理劑與材料基板5之表面化學反應被增強，致使氧化層更容易產生而有助於執行表面處理製程。依據不同之需求，處理劑可為液態或固態（例如採用呈粉狀或顆粒狀之處理劑），或者前述兩者之混合。在本發明之一實施例中，處理劑可包含鹼金屬或鹼土金屬之氧化物、氫氧化物或鹵化物；處理劑也可包含過渡金屬之氧化物或鹵化物，但本發明不以此為限。

此外，處理劑也可包括複數固態顆粒，該些固態顆粒係選自下列群組中之至少一者所構成：二氧化矽、氧化鋁、碳化矽、氮化硼、碳化硼及鑽石。據此，藉由電磁波之導入，使得在本發明中即使針對碳化矽基板執行表面處理，也能選用硬度低於鑽石之顆粒作為處理劑之主成分，來達到預期之表面處理效果。

本發明之材料表面處理設備1更包括氣體導入裝置40，用以於執行表面處理製程時導入至少一惰性氣體（例如氖氣）或至少一活性氣體（例如氧氣）。前述惰性氣體或活性氣體可充滿在表面處理裝置10之周邊或表面處理裝置10之內部空間，使得表面處理製程會在充滿前述惰性氣體或活性氣體之環境下被執行。前述惰性氣體用以減緩化學反應，以避免材料因過度反應而損壞；前述活性氣體則用以輔助化學反應，使得處理劑與材料基板5之間反應更為劇烈。

請參考圖3為本發明之材料表面處理設備第二實施例之實際配置示意圖。如圖3所示，在本實施例中，本發明之材料表面處理設備1a之表面處理裝置10a包括表面處理單元11、驅動單元12及載台14。表面處理單元11可固定於載台14上，且載台14連接驅動單元12。驅動單元12用以同時驅動表面處理單元11及載台14相對於材料基板5運動。載台14內可形成腔室A，且載台14於接觸表面處理單元11之一側具有複數貫通孔141。各貫通孔141自載台14之外表面連通至腔室A。至少一波導裝置20a結合於載台14並朝向腔室A導入電磁波，而電磁波可穿過載台14之複數貫通孔141以及表面處理單元11之複數開孔111後抵達材料基板5待處理之表面，以達到強化表面處理製程之目的。藉由腔室A之設置可促使電磁波更能集中導入至材料基板5待處理之表面處。

請參考圖4為本發明之材料表面處理方法之流程圖。如圖4所示，本發明更提供一種材料表面處理方法。本發明之材料表面處理方法包括以下步驟：

步驟S11：提供表面處理裝置以供承載材料基板。

首先提供如前述之本發明之表面處理設備1之表面處理裝置10以及待處理之材料基板5。材料基板5可承載於表面處理裝置10上。

步驟S12：針對材料基板執行表面處理製程。

於前述步驟S11後，接著開始針對材料基板5執行相應之表面處理製程，例如拋光、蝕刻或薄化製程。

步驟S13：針對材料基板導入電磁波以輔助執行表面處理製程。

於前述步驟S12後，在表面處理製程中針對材料基板5導入電磁波，來增強與材料基板5之表面化學反應或/及活化處理劑，以利於執行表面處理製程。

請參考圖5為本發明之碳化矽材料表面處理方法之流程圖。如圖5所示，本發明更提供一種碳化矽材料表面處理方法。本發明之碳化矽材料表面處理方法包括以下步驟：

步驟S21：提供表面處理裝置以供承載碳化矽基板。

首先提供如前述之本發明之表面處理設備1之表面處理裝置10以及待處理之碳化矽基板。碳化矽基板可承載於表面處理裝置10上。

步驟S22：針對碳化矽基板執行表面處理製程。

於前述步驟S21後，接著開始針對碳化矽基板執行相應之表面處理製程，例如拋光、蝕刻或薄化製程。

步驟S23：針對碳化矽基板導入微波或紫外光以輔助執行表面處理製程。

於前述步驟S22後，在表面處理製程中針對碳化矽基板導入微波或紫外光，來增強與碳化矽基板之表面化學反應或/及活化處理劑，以利於執行表面處理製程。

以上實施方式本質上僅為輔助說明，且並不欲用以限制申請標的之實施例或該等實施例的應用或用途。此外，儘管已於前述實施方式中提出至少一例示性實施例，但應瞭解本發明仍可存在大量的變化。同樣應瞭解的是，本文所述之實施例並不欲用以透過任何方式限制所請求之申請標的之範圍、用途或組態。相反的，前述實施方式將可提供本領域具有通常知識者一種簡便的指引以實施所述之一或多種實施例。再者，可對元件之功能與排列進行各種變化而不脫離申請專利範圍所界定的範疇，且申請專利範圍包含已知的均等物及在本專利申請案提出申請時的所有可預見均等物。

1、1a:材料表面處理設備

10、10a:表面處理裝置

11:表面處理單元

111:開孔

12:驅動單元

13:處理劑施加單元

14:載台

141:貫通孔

20、20a:波導裝置

30:氣體導入裝置

40:控制系統

5:材料基板

A:腔室

S11~S13、S21~S23:步驟

圖1為本發明之材料表面處理設備第一實施例之示意圖。 圖2A為材料表面經微波處理後柔化並平坦化之示意圖。 圖2B為以微波促成氧化還原反應之示意圖。 圖3為本發明之材料表面處理設備第二實施例之示意圖。 圖4為本發明之材料表面處理方法之流程圖。 圖5為本發明之碳化矽材料表面處理方法之流程圖。

1:材料表面處理設備

10:表面處理裝置

11:表面處理單元

111:開孔

12:驅動單元

13:處理劑施加單元

20:波導裝置

30:氣體導入裝置

40:控制系統

5:材料基板

Claims (16)

1. 一種材料表面處理設備，應用於一材料基板，該材料表面處理設備包括：一表面處理裝置，供承載該材料基板以執行一表面處理製程；以及至少一波導裝置，各該波導裝置用以針對該材料基板待處理之表面導入一電磁波，藉由該電磁波促進該材料基板產生表面化學反應，以輔助執行該表面處理製程。
2. 如請求項1所述之材料表面處理設備，其中該電磁波為微波，且該微波之一頻率範圍介於900MHz至2.45GHz之間。
3. 如請求項1所述之材料表面處理設備，其中該電磁波為紫外光，且該之一頻率範圍介於8×10¹⁴Hz到2.4×10¹⁶Hz之間。
4. 如請求項3所述之材料表面處理設備，其中該表面處理裝置更包括一處理劑施加單元，用以施加可吸收該紫外光之一處理劑至該材料基板。
5. 如請求項1所述之材料表面處理設備，其中該表面處理裝置更包括一處理劑施加單元，用以施加可吸收該電磁波之一處理劑至該材料基板。
6. 如請求項5所述之材料表面處理設備，其中該處理劑包含鹼金屬或鹼土金屬之氧化物、氫氧化物或鹵化物。
7. 如請求項5所述之材料表面處理設備，其中該處理劑包含過渡金屬之氧化物或鹵化物。
8. 如請求項5所述之材料表面處理設備，其中該處理劑為液態或固態。
9. 如請求項1所述之材料表面處理設備，更包括一氣體導入裝置，用以於執行該表面處理製程時導入至少一惰性氣體或至少一活性氣體。
10. 如請求項1所述之材料表面處理設備，其中該材料基板為矽基板、鍺基板、碳化矽基板、氮化矽基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、氧化矽基板、氧化鋯基板或氧化鋁基板。
11. 如請求項1所述之材料表面處理設備，其中該材料基板為具有一表面薄膜之基板。
12. 如請求項11所述之材料表面處理設備，其中該表面薄膜為氧化矽薄膜、碳化矽薄膜、氮化矽薄膜、氮化鎵薄膜、氮化鋁薄膜、氧化鋯薄膜或氧化鋁薄膜。
13. 如請求項1所述之材料表面處理設備，其中該材料基板係由第四族元素半導體、第四族複合物半導體、第三-第五族複合物半導體、第二-第六族複合物半導體、或金屬、半導體之氧化物或氮化物所構成。
14. 如請求項1所述之材料表面處理設備，其中該表面處理製程為蝕刻製程、薄化製程或拋光製程。
15. 一種材料表面處理方法，應用於一材料基板，該材料表面處理方法包括：提供一表面處理裝置以供承載該材料基板；針對該材料基板執行一表面處理製程；以及 針對該材料基板待處理之表面導入一電磁波，藉由該電磁波促進該材料基板產生表面化學反應，以輔助執行該表面處理製程。
16. 一種碳化矽材料表面處理方法，該碳化矽材料表面處理方法包括：提供一表面處理裝置以供承載一碳化矽基板；針對該碳化矽基板執行一表面處理製程；以及針對該碳化矽基板待處理之表面導入一微波或一紫外光，藉由該微波或該紫外光促進該材料基板產生表面化學反應，以輔助執行該表面處理製程。