晶片载体的制作方法

本实用新型大体上涉及半导体制造技术，且更特定来说，涉及化学气相沉积(CVD)处理及用于在处理期间固持半导体晶片的相关联设备。

背景技术：

在发光二极管(LED)及其它高性能装置(例如激光二极管、光学检测器及场效应晶体管)的制造中，化学气相沉积(CVD)工艺通常用于使用例如氮化镓的材料在蓝宝石或硅衬底上生长薄膜堆叠结构。CVD工具包含处理腔室，其是允许注入气体在衬底(通常呈晶片形式)上反应以生长薄膜层的密封环境。此制造装备的当前生产线的实例是由纽约普莱恩维尔的维科仪器公司(Veeco Instruments Inc.of Plainview,New York)制造的金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统的及系列。

若干工艺参数受控，例如温度、压力及气体流速，以实现所期望晶体生长。使用不同材料及工艺参数生长不同层。举例来说，由例如III-V半导体的化合物半导体形成的装置通常通过使用MOCVD生长化合物半导体的连续层而形成。在此过程中，晶片暴露到组合气体，通常包含作为III族金属源的金属有机化合物，且还包含V族元素源，当晶片被维持在高温下时在晶片的表面上流动。一般来说，金属有机化合物及V族源与载体气体组合，所述载体气体不会明显地参与反应，举例来说，例如氮气。III-V半导体的一个实例是氮化镓，其可通过有机镓化合物与氨在具有合适的晶格间隔的衬底(举例来说，例如蓝宝石晶片)上发生反应来形成。在氮化镓及相关化合物的沉积期间晶片通常被维持在约1000到1100℃的温度下。

在MOCVD工艺中，其中晶体的生长通过衬底表面上的化学反应发生，必须特别小心地控制工艺参数来保证化学反应在所需条件下进行。即使工艺条件的微小变化都会不利地影响装置质量及产率。例如，如果沉积了镓及铟氮化物层，那么晶片表面温度的变化将导致沉积层的组合物及带隙的变化。因为铟具有相对较高的蒸气压，所以沉积层在晶片的那些表面温度更高的区域中将具有更低铟比例及更大带隙。如果沉积层是LED结构的有源发光层，那么由晶片形成的LED的发射波长也将改变到不可接受的程度。

在MOCVD处理腔室中，其上待生长薄膜层的半导体晶片被放置在称为晶片载体的快速旋转转盘上，以使其表面均匀暴露到反应器腔室内的气氛以用于半导体材料的沉积。旋转速度约是1,000RPM。晶片载体通常由例如石墨的高导热材料机械加工而成，且通常涂覆有例如碳化硅的材料保护层。每一晶片载体在其顶表面中具有一组圆形凹口或凹穴(pocket)，个别晶片被放置在其中。通常，晶片以间隔关系被支撑到每一凹穴的底表面以准许气体在晶片边缘周围流动。相关技术的一些实例描述于第2012/0040097号美国专利申请公开案、第8,092,599号美国专利、第8,021,487号美国专利、第2007/0186853号美国专利申请公开案、第6,902,623号美国专利、第6,506,252号美国专利及第6,492,625号美国专利中，所述美国专利的揭示内容以引用方式并入本文中。

晶片载体被支撑在反应腔室内的主轴上，使得具有晶片暴露表面的晶片载体的顶表面向上面朝气体分配装置。在主轴旋转时，气体被向下引导到晶片载体的顶表面上且跨越顶表面流向晶片载体的外围。所使用的气体通过安置在晶片载体下方的端口从反应腔室排出。晶片载体通过加热安置在晶片载体的底表面下方的元件(通常是电阻加热元件)而维持在期望的高温下。这些加热元件被维持在高于晶片表面的期望温度的温度下，而气体分配装置通常被维持在远低于期望的反应温度的温度下以防气体过早反应。因此，热从加热元件传递到晶片载体的底表面，且向上流过晶片载体到个别晶片。

晶片上的气流取决于每一晶片的径向位置而变化，其中定位在最外的晶片归因于其在旋转期间的更快速度而经受更高流速。即使在每一个别晶片上，也可存在温度不均匀性，即，冷点及热点。影响温度不均匀性的形成的其中一个变量是晶片载体内凹穴的形状。一般来说，凹穴形状在晶片载体的表面中形成圆形形状。随着晶片载体旋转，晶片在其最外边缘(即，距旋转轴最远的边缘)处经受相当大的向心力，从而引起晶片挤压晶片载体中的相应凹穴的内壁。在此条件下，在晶片的这些外边缘与凹穴边缘之间存在紧密接触。对晶片的这些最外部分增加的热传导导致温度更不均匀，从而进一步加重上文描述的问题。已经努力通过增加晶片边缘与凹穴的内壁之间的间隙来最小化温度不均匀性，包含设计边缘部分上是平坦的晶片(即，“平坦”晶片)。晶片的此平坦部分产生间隙且减少与凹穴的内壁接触的点，从而减轻温度不均匀性。影响贯穿由晶片载体固持的晶片的加热均匀性的其它因素包含晶片载体的热传递及发射率性质以及晶片凹穴的布局。

考虑到温度均匀性，晶片载体的另一期望性质是增加CVD工艺的生产量。在增加工艺生产量中晶片载体的作用是固持更大量个别晶片。提供具有更多晶片的晶片载体布局会影响热模型。例如，归因于晶片载体边缘的辐射热损失，晶片载体接近边缘的部分往往处于比其它部分更低的温度。

因此，对于晶片载体需要有解决高密度布局中的温度均匀性及机械应力的实际解决方案。

技术实现要素：

晶片载体包含凹穴的新颖布置。本文描述的布置促进热传递及凹穴的高堆积密度以用于圆形晶片的生长。

根据本实用新型的一个实施例，提供一种晶片载体。所述晶片载体经配置以与化学气相沉积装置结合使用，所述晶片载体包括：主体，其具有彼此相对地布置的顶表面及底表面；多个凹穴，其界定在所述晶片载体的所述顶表面中；改进之处包括：所述多个凹穴由总共33个凹穴构成，所述凹穴中的每一者沿着内圆、中间圆或外圆中的一者布置，且其中所述内圆相对于所述中间圆及所述外圆不对称地布置。

附图说明

结合附图考虑本实用新型的各种实施例的以下详细描述可更完全地理解本实用新型，其中：

图1是根据实施例的MOCVD处理腔室的示意图。

图2是根据实施例的具有33个凹穴配置的晶片载体的透视图。

图3是根据实施例的具有33个凹穴配置的晶片载体的俯视图。

图4是根据实施例的具有33个凹穴配置的晶片载体的侧视图。

图5是根据实施例的具有33个凹穴配置的晶片载体的仰视图。

图6是根据实施例的具有33个凹穴配置的晶片载体的部分的细节图，其从透视角度展示单个凹穴。

具体实施方式

图1说明根据本实用新型的一个实施例的化学气相沉积设备。反应腔室10界定处理环境空间。气体分配装置12被布置在腔室的一端。具有气体分配装置12的端在本文中称为反应腔室10的“顶”端。在正常的重力参照系中，腔室的此端通常(但不一定)被安置在腔室的顶部处。因此，本文所使用的向下方向是指远离气体分配装置12的方向；而向上方向是指腔室内朝向气体分配装置12的方向，无论这些方向是否与重力向上及向下方向对准。类似地，本文参考反应腔室10及气体分配装置12的参照系来描述元件的“顶”及“底”表面。

气体分配装置12经连接到源14、16及18以供应待用于晶片处置过程中的处理气体，例如载体气体及反应气体，例如金属有机化合物及V族金属源。气体分配装置12经布置以接收各种气体且通常引导处理气体以向下方向流动。气体分配装置12理想上还连接到冷却系统20，冷却系统20经布置以使液体循环通过气体分配装置12以便在操作期间将气体分配装置的温度维持在期望的温度下。可提供类似冷却布置(未展示)以用于冷却反应腔室10的壁。反应腔室10还配备有排气系统22，排气系统22经布置以通过腔室的底部处或接近腔室的底部的端口(未展示)将废气从腔室10的内部移除以便准许气体从气体分配装置12以向下方向连续流动。

主轴24经布置在腔室内使得主轴24的中心轴26以向上及向下方向延伸。主轴24通过并入有轴承及密封件(未展示)的常规旋转穿通装置28而安装到腔室，使得主轴24可围绕中心轴26旋转，同时维持主轴24与反应腔室10的壁之间的密封。主轴在其顶端处(即，在主轴的最靠近气体分配装置12的端处)具有配件30。如下文进一步论述，配件30是晶片载体保持机构的实例，所述晶片载体保持机构适于可释放地啮合晶片载体。在描绘的特定实施例中，配件30通常是截头圆锥形元件，其朝主轴的顶端渐缩且终止于平坦顶表面。截头圆锥形元件是具有圆锥体的截头锥体形状的元件。主轴24经连接到旋转驱动机构32，例如电动机驱动，其经布置以使主轴24围绕中心轴26旋转。

配件30也可为任何数目个其它配置。举例来说，具有被塑形为正方形或圆角正方形、一系列立柱、椭圆形或具有非1:1的纵横比的其它圆形形状、三角形的端的主轴24可被插入到匹配配件30中。可使用主轴24与配件30之间的各种其它键接、花键或互锁布置，以维持那些组件之间的旋转啮合且防止非预期滑动。在实施例中，可使用键接、花键或互锁布置，以维持配件30与主轴24之间的预期旋转啮合程度，而不管任一组件的热膨胀或收缩的期待量为何。

加热元件34被安装在腔室内，且在配件30下方环绕主轴24。反应腔室10还具备导向前室38的进入开口36及用于关闭及打开所述进入开口的门40。在图1中仅示意性地描绘门40，且门40被展示为可在以实线展示的关闭位置(其中门使反应腔室10的内部与前室38隔离)与以40'处虚线展示的打开位置之间移动。门40配备有适当控制及致动机构，用于使门40在打开位置与关闭位置之间移动。在实践中，门可包含挡板，其可以向上及向下方向移动，举例来说，例如在第7,276,124号美国专利中所揭示，所述美国专利的揭示内容以引用方式并入本文中。图1中描绘的设备可进一步包含装载机构(未展示)，其能够将晶片载体从前室38移动到腔室中且使晶片载体与主轴24在操作条件下啮合，且还能够将晶片载体从主轴24移开且移到前室38中。

设备还包含多个晶片载体。在图1中展示的操作条件中，第一晶片载体42以操作位置安置在反应腔室10内，而第二晶片载体44安置在前室38内。每一晶片载体包含主体46，其基本上呈具有中心轴的圆盘的形式(参见图2)。主体46围绕轴对称地形成。在所述操作位置中，晶片载体主体的轴与主轴24的中心轴26重合。主体46可形成为单部件或形成为多部件的合成。举例来说，如第20090155028号美国专利申请公开案中所揭示(所述美国专利申请公开案的揭示内容以引用方式并入本文中)，晶片载体主体可包含界定环绕中心轴的主体的小区域的毂及界定盘状主体的剩余部分的更大部分。主体46理想上由不会污染过程且可承受过程中遇到的温度的材料形成。举例来说，盘的更大部分可主要或全完由例如石墨、碳化硅或其它耐火材料的材料形成。主体46通常具有大体上彼此平行且大体上垂直于盘的中心轴延伸的平面顶表面48及底表面52。主体46还具有适于固持多个晶片的一个或多个晶片固持特征。

在操作中，晶片54，例如由蓝宝石、碳化硅或其它晶体衬底形成的盘状晶片，被安置在每一晶片载体的每一凹穴56内。通常，晶片54具有比其主表面的尺寸小的厚度。举例来说，直径为约2英寸(50mm)的圆形晶片或直径为约4英寸(100mm)的圆形晶片可为约770μm厚或更少。如图1中说明，晶片54以顶表面朝上而安置使得顶表面暴露在晶片载体的顶部。

在典型MOCVD工艺中，其上装载有晶片的晶片载体42从前室38装载到反应腔室10中且被放置在图1中展示的操作位置中。在此条件中，晶片的顶表面面朝上、朝向气体分配装置12。加热元件34被致动，且旋转驱动机构32操作以转动主轴24，且因此使晶片载体42围绕轴26转动。通常，主轴24以每分钟约50到1500转的旋转速度旋转。处理气体供应单元14、16及18经致动以通过气体分配装置12供应气体。气体朝向晶片载体42向下传送到晶片载体42及晶片54的顶表面48上方，且围绕晶片载体的外围向下到出口且到排气系统22。因此，晶片载体的顶表面及晶片54的顶表面暴露到处理气体，所述处理气体包含由各种处理气体供应单元供应的各种气体的混合。最通常地，顶表面处的处理气体主要由通过载体气体供应单元16供应的载体气体组成。在典型的化学气相沉积工艺中，载体气体可为氮气，且因此，晶片载体的顶表面处的处理气体主要由氮气与一定量的反应气体组分组成。

加热元件34主要通过辐射热传递将热传递到晶片载体42的底表面52。施加到晶片载体42的底表面52的热通过晶片载体的主体46向上流动到晶片载体的顶表面48。通过主体向上传送的热还通过间隙向上传送到每一晶片的底表面，且通过晶片向上传送到晶片54的顶表面。热从晶片载体42的顶表面48及从晶片的顶表面辐射到处理腔室的更冷元件，举例来说，(例如)辐射到处理腔室的壁及辐射到气体分配装置12。热还从晶片载体42的顶表面48及晶片的顶表面传递到在这些表面上传送的处理气体。

在描绘的实施例中，系统包含经设计以评估每一晶片54的表面的加热均匀性的若干特征。在此实施例中，温度分布系统58接收温度信息，所述温度信息可包含来自温度监测器60的温度及温度监测位置信息。另外，温度分布系统58接收晶片载体位置信息，在一个实施例中，其可来自旋转驱动机构32。使用此信息，温度分布系统58构建晶片载体42上的凹穴56的温度分布曲线图。温度分布曲线图表示凹穴56或其中所容纳的晶片54中的每一者的表面上的热分配。

图2是根据实施例的晶片载体142的透视图。图3是相同晶片载体142的俯视图。晶片载体142包括主体146，其具有顶表面148及其中界定的33个凹穴162。在图2及3中展示的实施例中，凹穴162被布置在三个圆中。最外圆与中间圆同心而布置。五个凹穴的中心圆与外圆及中间圆不对称地布置。此不对称性布置促进全部33个凹穴162更紧地堆积。在径向最内圆中，五个凹穴162在方位上均匀间隔开。同样地，在径向中间圆中，十一个凹穴162在方位上均匀间隔开。在径向最外圆中，十七个凹穴162在方位上均匀间隔开。凹穴162中的每一者是在主体146中形成的开孔，所述开孔基本上垂直于顶面148布置所沿的平面延伸。

图2及3中描绘的凹穴布置的有利之处在于：其提供期望的热均匀程度，同时维持顶表面148上相对高密度的凹穴162。在实施例中，顶表面148可具有约675mm的直径，以及约695mm、705mm、716mm及约720mm的直径。接着，凹穴162可经设定大小以配合于该区域中。举例来说，在实施例中，凹穴162可具有约50mm的直径，或约100mm的直径。

图3进一步描绘凹穴162围绕其布置的代表性圆。在图3中展示的实施例中，存在三个圆：R1、R2及R3，其各自具有不同半径、彼此同心且与顶表面148的圆形轮廓同心而布置。

图4是以侧视角度展示的图2及3的晶片载体142的侧视图。在图4中展示的视图中，可见顶表面148与底表面152之间在大小上的相对差。特定来说，顶表面朝向如图4中展示的页面的顶部及底部进一步延伸，或在图2及3中展示的视图中在径向上进一步延伸。先前在图2及3中描绘的凹穴162中的每一者从顶表面148朝向底表面152延伸。底表面152提供实心基底，晶片可在晶片载体142中生长于所述实心基底上。

图5是先前关于图2到4描述的晶片载体142的仰视图。如图5中展示，晶片载体142在底面152的中心中包含锁定特征164。锁定特征164经配置以啮合另一组件，例如先前在图1中描绘的主轴24的配件30。在各种实施例中，举例来说，锁定特征164可包括花键、卡盘或键接配件。所属领域的一般技术人员将认识到，多种机构能够将角动量从邻近组件赋予给晶片载体142。

底面152可为任何材料，且在实施例中经设计以促进热传递。如先前所描述，在实施例中，期望将热从附近热元件(例如图1中展示的加热元件34)传递到底面152。因而，底面152可为相对低反射率材料，或可涂覆有此类物质。

在实施例中，晶片载体142可由适于在其上进行外延生长的任何材料制成，例如石墨或涂覆石墨的材料。在其它实施例中，组成晶片载体142的材料可经选择以匹配所期望的晶格布置或大小设定。同样地，取决于期望生长的晶片，可使用不同大小的凹穴162。

图6是展示凹穴162中的一者的部分透视图。凹穴162各自包含侧壁166，其形状为基本上圆柱形。由侧壁166形成的圆柱的底部是衬底168。在实施例中，侧壁166可具有约430μm的深度。

实施例希望是说明性的且不具限制性。额外实施例在权利要求书内。另外，尽管已参考特定实施例描述本实用新型的多方面，但所属领域的技术人员将认识到，在不背离如由权利要求书定义的本实用新型的范围的情况下，可在形式及细节方面做出变化。