具有变化热阻的晶片载体的制作方法

专利名称：具有变化热阻的晶片载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶片处理装置、用于这种处理装置的晶片载体以及晶片处理方法。
背景技术：
许多半导体器件通过在衬底上外延生长半导体材料形成。该衬底通常为圆片形式 的结晶材料，通常称作“晶片”。例如，由诸如III-V族半导体的化合物半导体形成的器件通 常通过采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长化合物半导体连续层而形成。在该工艺 中，晶片暴露于气体组合物中，通常包括金属有机化合物以及V族元素源，该气体组合物在 晶片被保持在升高温度的同时从晶片的表面流过。III-V族半导体的一个实例是氮化镓，其 可以通过具有适宜的晶格间距的衬底上的有机金属镓化合物与氨的反应而形成为例如蓝 宝石晶片。通常，在氮化镓及类似化合物的沉积期间，晶片被保持在大约500-1100°C的温 度。复合器件可以在略有不同的反应条件下通过在晶片的表面上沉积连续多个层来 制造，作为例子，可添加其他III族或V族元素来相应地改变半导体的晶体结构和带隙。例 如，在氮化镓基半导体中，可使用不同比例的铟、铝或两者来改变半导体的带隙。而且，可加 入ρ型或η型掺杂剂来控制每一层的电导率。在所有半导体层已经形成后，且通常在适当 的电接触已经应用后，晶片被切割成独立器件。诸如发光二极管(LED)、激光器以及其他电 子和光电子器件均可以通过这种方式制造。在典型的化学气相沉积工艺中，多个晶片被保持在通常称为晶片载体的装置上， 从而每个晶片的顶表面在晶片载体的顶表面处暴露。随后晶片载体被放入反应室中，并且 在气体混合物流过晶片载体的表面的同时，晶片载体被保持在所需的温度下。在该工艺期 间，保持载体上的不同晶片的顶表面上所有点的条件一致很重要。反应气体的组分以及晶 片表面的温度的微小变化将会导致所得到的半导体器件的性能的不期望的变化。例如，如 果镓和铟氮化物层被沉积，那么晶片表面温度的变化将导致沉积层的组分和带隙的变化。 因为铟具有相对高的蒸汽压力，所以在表面温度较高的晶片区域中沉积层将具有较低比例 的铟以及较大的带隙。如果沉积层是LED结构的有源光发射层，那么由晶片形成的LED的 发射波长也将改变。因此，迄今为止，本领域为保持均勻条件付出了巨大努力。在业界被广泛接受的一种CVD装置采用具有多个晶片保持区域的大圆片形式的 晶片载体，每个区域适合于保持一个晶片。该晶片载体被支承在反应室中的心轴上，从而晶 片载体的顶表面具有晶片的暴露表面，该暴露表面向上面向气体分配元件。当心轴旋转时， 气体被向下导向晶片载体的顶表面，并且向着晶片载体的周边流过顶表面。已用过的气体 通过布置在晶片载体下的通道从反应室排出。晶片载体通过加热元件保持在需要的升高的温度下，加热元件通常是布置在晶片载体的底表面下的电阻加热元件。这些加热元件保持 在高于晶片表面所需温度的温度，然而气体分配元件通常是保持在低于所需反应温度的温 度下，以便防止气体过早的反应。因此，热量由电阻加热元件传递至晶片载体的底表面，并 且通过晶片载体向上传递至各晶片。迄今为止，尽管本领域为了设计最优化的这种系统付出了巨大的努力，但是进一 步的改善仍然是期望。特别地，期望的是在每一晶片的表面提供更均勻的温度，以及在整个 晶片载体上提供更均勻的温度。

发明内容
本发明的一个方面提供化学气相沉积装置。根据本发明的该方面的装置理想地包 括反应室、与反应室连通的气体入口结构以及安装在反应室中的加热元件。根据本发明的 该方面的装置理想地还包括晶片载体，该晶片载体包括具有相反朝向的顶表面和底表面的 本体。晶片载体优选地安装在反应室中，以便加热元件放射出的热量将主要通过辐射传热 从加热元件向晶片载体的底表面传递。例如，晶片载体可安装在加热元件上方，该本体的底 表面直接面对加热元件。晶片载体的本体理想地具有多个晶片保持区域以及位于每个晶片 保持区域中的晶片支承部。每个晶片支承部适于保持晶片，晶片的顶表面暴露于本体的顶 表面。最优选地，本体的底表面为非平面，以便改变本体的厚度。正如下文进一步说明的那 样，厚度的不同导致在晶片载体的竖直方向上热传导阻力的不同。理想地，在加热元件与晶 片载体的顶表面上的任意位置之间的总热阻根据该位置的本体厚度直接改变。正如下文进一步讨论的那样，这些热阻的不同可用于补偿诸如晶片弓曲等因素， 所述晶片弓曲导致晶片载体与晶片之间的热传递的不均勻。非平面的底表面和相应的热阻 的不同还可用于抵消在晶片以及晶片载体的顶表面中的非均勻温度分布的其它起因。本发明的另一方面提供了处理晶片的方法。根据本发明的该方面的方法理想地 包括在晶片载体上安装一个或更多晶片的步骤，以便每个晶片被置于载体的晶片保持区 域中，并且暴露于载体的顶表面，该载体在每个晶片保持区域中具有变化的热传导性(热 阻)。该方法理想地还包括对晶片载体的底表面进行加热的步骤，从而使得通过晶片载体传 递的热量将晶片保持在升高的温度下。在晶片处于升高的温度下的同时，反应气体可被施 加，以影响晶片的暴露表面，例如，在暴露表面上形成沉积层。在根据本发明的该方面的方 法中，晶片可能在施加反应气体的步骤期间发生弓曲。在每个晶片中，该弓曲导致从晶片载 体到晶片的热传递的不均勻性。最优选地，该晶片载体的变化的热传导性至少部分地补偿 由弓曲所导致的热传递的不均勻性。本发明的又一方面提供了一种晶片载体。根据本发明的该方面的晶片载体理想地 包括具有相反朝向的顶表面和底表面的本体以及在顶表面和底表面之间延伸的中心轴线。 本体的顶表面通常具有多个凹槽(袋状部)，每个这种凹槽具有周壁。每个凹槽的周壁最优 选地在远离晶片载体的中心轴线的周壁的区域内具有多个间隔的凸起。所述凸起适于接合 布置在凹槽中的晶片的边缘的间隔部分。正如下文进一步说明的那样，这种凸起有助于使 得晶片边缘与周壁之间的接触最小化，并且有助于在凹槽中居中地保持晶片。这些效果反 过来倾向于促进每个晶片的顶表面上的更佳温度均勻性。通过下文的详细描述并结合附图，这些及其它特征和优点将更加显而易见。


图1为根据本发明的一个实施例的说明化学气相沉积装置的简化示意性剖面图。图2为用于图1的装置中的晶片载体的图解俯视图。图3为沿着图2中的线3-3截取的部分图解剖面图，其描绘了结合晶片的晶片载 体。图4-7为与图3类似但描绘了根据本发明的其它实施例的晶片载体的视图。图8为部分图解俯视图，其描绘了根据本发明的又一实施例的晶片载体的一部 分。图9为沿着图8中的线9-9截取的部分剖面图。图10、11和12为部分图解剖面图，描绘了根据本发明的附加实施例的晶片载体。图13为图12所示的晶片载体的部分图解俯视图。图14为放大比例的部分图解俯视图，其描绘了图13中指定的区域。图15为部分图解剖面图，其描绘了根据本发明的又一实施例的晶片载体。
具体实施例方式根据本发明的一个实施例的化学气相沉积装置包括反应室10，该反应室10具有 设置在反应室的一个端部处的气体分配元件12。这里，具有气体分配元件12的端部指反应 室10的“顶”端。通常但并非必须的是，在正常的重力坐标系中，该反应室的端部位于反应 室的顶部。因此，本文所采用的向下的方向指远离气体分配元件12的方向；反之，向上的方 向指在反应室中朝向气体分配元件12的方向，不管这些方向是否与重力向上和向下方向 对准与否。类似地，本文所描述的元件的“顶”和“底”表面参照反应室10和元件12的坐标 系。气体分配元件12连接至用于CVD工艺的气体源14，该气体源14例如是载气以及诸如 源于III族金属(典型地为金属有机化合物)的反应气体，以及例如氨气或其它V族氢化 物的源于V族元素的反应气体。气体分配元件被配置为接收各种气体，并大体上在向下的 方向上引导气流。气体分配元件12理想地还连接至冷却系统16，该冷却系统16被配置为 使液体循环流过气体分配元件，以便在操作期间将元件的温度保持在需要的温度。反应室 10还配备排气系统18，该排气系统18被配置为经过位于或靠近反应室底部的端口(未示 出)从反应室的内部排出废气，以便允许来自气体分配元件的向下方向的连续气体流动。心轴20被配置在反应室中，以使得心轴的中心轴线22在向上和向下的方向上延 伸。心轴在其顶端具有装配件24，该顶端即为最靠近气体分配元件12的心轴的端部。在所 描绘的特定实施例中，装配件24为大体圆锥形元件。心轴20连接至例如电动马达驱动器 的旋转驱动机构26，该旋转驱动机构26被配置使心轴围绕轴线22旋转。加热元件28被安 装在反应室中，并且在装配件24下方围绕心轴20。反应室还设有可开启的端口 30，以用于 晶片载体的插入和移出。上述元件可以是常规结构。例如，适宜的反应室由美国纽约普莱 恩维尤的威科仪器有限公司(本申请的受让人)以注册商标TURB0DISC商业销售。在图1所示的运行条件下，晶片载体32被安装在心轴的装配件24上。该晶片载 体具有包括大体上为圆盘形式的本体的结构。该本体理想地被形成为由非金属耐火材料制 成的单片板，该非金属耐火材料例如是选自由碳化硅、氮化硼、碳化硼、氮化铝、氧化铝、蓝宝石、石英、石墨及其组合物所组成的组；该本体具有或不具有耐火涂层，该耐火涂层例如 是碳化物、氮化物或氧化物。晶片载体的本体具有第一主表面(这里指“顶”表面34)以及 第二主表面(这里指“底”表面36)。晶片载体的结构还具有装配件38，该装配件38被配 置成为接合心轴的装配件24并将晶片载体的本体保持在该心轴上，其中所述顶表面34向 上面向气体分配元件12，所述底表面36向下面向加热元件28并且远离(或背离)气体分 配元件。仅举例来说，晶片载体本体的直径可为大约465mm，且顶表面32与底表面36之间 的载体的厚度可约为15. 9mm。在所示出的特定实施例中，装配件38被形成为本体32的底 表面中的截头圆锥形凹部。然而，如其公开内容通过引用结合于此的在审理中的共同转让 的美国专利公开No. 2009-0155028 Al中所述，所述结构可包括从本体分离而形成的毂部， 且该装配件可结合到该毂部中。而且，装配件的结构将取决于心轴的构造。晶片载体32具有多个独立的晶片保持区域40，其由图1-3中的虚线示出。尽管 为了清楚地说明，晶片保持区域由图1-3中的虚线划分，但是相邻的晶片保持区域之间通 常并没有可分辨的物理界线。晶片载体的顶表面34包括延伸到不同晶片保持区域中的连 续的主要部分35。主要部分35可以呈大体平面状。每个晶片保持区域包括适于保持单个 晶片42的晶片支承部。在图1-3所示的特定实施例中，每个晶片保持区域中的晶片支承部 包括从顶表面34的主要部分35延伸至晶片载体的本体中的圆形凹槽44，每个凹槽具有凹 入到由主要部分35限定的顶表面34的总体高度以下的底部表面46。在该实施例中，底部 表面46为名义上的平坦表面，并且理论上将是完全平坦的。然而，实际制造公差通常将其 平坦度与理想平坦平面之间的偏差限制为大约0. 0005英寸(13 μ m)的最大偏差，由于任何 这种偏差，使得底部表面内凹或凹入。在本文中，术语“大体上平坦或基本上平坦”应当理 解为指平坦化为偏差在大约30 μ m或更小的范围内的表面。底部表面46为圆形的形式，其 具有基本上垂直于顶表面34的总体平面的中心轴线48。支承凸缘50围绕底部表面46，该 支承凸缘50具有稍高于底部表面46的向上朝向的表面。支承凸缘50呈环绕底部表面并 与中心轴线48同心的圆环的形式。在所示实施例中，每个凹槽被配置为接收直径约为2英 寸(50.8mm)的晶片。对于标称的2英寸(5cm)的晶片直径，支承凸缘50的向上朝向的表 面高出底部表面46的距离D46在大约20 μ m至大约100 μ m的量级，理想地为20-50 μ m，且 凸缘的宽度W5tl可约为0. 5-0. 7mm。对于为了支承较大晶片的较大凹槽，这些尺寸通常将更 大。支承凸缘50的表面理想地位于与底部表面46的平面平行的平面中。支承凸缘50还 凹入到晶片载体的顶表面34的主要部分35以下。理想地，从顶表面34至支承凸缘的向上 朝向的表面的距离D5tl比待处理的晶片的厚度大出大约75-175 μ m。例如，在被配置为处理 2英寸公称直径和430nm公称厚度的蓝宝石晶片的晶片载体中，D5tl可为约500-600 μ m。壁52围绕支承凸缘的整个周边(外周)并此围绕凹槽44的整个周边从支承凸缘 50向着晶片载体的顶表面34向上延伸。壁52朝向中心轴线48以角度A向内倾斜，该角度 A通常约为10度。因此，壁52为圆锥截体或截头圆锥体形式。除了在每个晶片保持区域40中底表面具有非平面部之外，晶片载体本体32的底 表面36大体上为平面，其中在该实施例中，所述非平面部为从底表面延伸至晶片载体本体 32中的大体圆锥形凹部54。在该实施例中，每个凹部具有约120°的夹角α以及约3_6mm 的深度，更典型的是约为4-5mm的深度。每个晶片保持区域40中的凹部54与该区域中的 底部表面46的中心轴线48共轴，从而使得凹部54与底部表面的中心对准。因此，晶片载体本体32的厚度t在与底部表面(底部)46对准的区域内变化。该厚度在底部表面的中 心处、即轴线48处为最小值tmin，并且逐步增大至靠近底部表面的周边的凹部M之外的最 大值tmax。如上所述，晶片载体本体32理想地为基本上成分均勻的单块元件。因此，构成晶 片载体本体的材料具有基本上均勻的热导率。在任意位置上，竖直方向上的晶片载体本体 的热导率与晶片载体本体的厚度成反比。相对于在竖直方向上热流动的晶片载体本体的热 阻直接随着晶片载体本体的厚度t而变化。因此，在中心轴线处，热阻相对低。反之，在底 部表面的周边处，晶片载体本体的热阻相对高。在操作中，在所示工作位置中，晶片载体装载晶片42并放置在心轴20(图1)上。 从图3中可最清楚地看出，每个晶片42的周边搁置在支承凸缘50上。优选地，晶片和支承 凸缘之间的重叠部分最小例如为约Imm或更小。每个晶片的顶表面43与围绕每个凹槽的 晶片载体的顶表面34的主要部分35几乎共面。每个晶片的底表面45向下朝向底部表面 46，但在底部表面上方与之隔开。操作气体供应装置14及气体供应元件12，以供应反应气 体，并且旋转心轴20，以便使得晶片载体围绕心轴的轴线22旋转。随着心轴和晶片载体旋转，加热元件20主要通过辐射传热加热晶片载体的底表 面36，并存在介于加热元件和晶片载体的底表面之间的气体的一些对流和传导。辐射的热 量由图3中的标号56象征性地表示。传递至晶片载体的底表面的热量向上朝向顶表面34 流动，并朝向配置于顶表面上的凹槽44中的晶片42流动。热量持续的从晶片载体的顶表 面传递，且从每个晶片42的暴露的向上朝向表面或顶表面43向周围传递，且特别地向相对 冷的气体入口结构12传递。在图1和3所示的工作位置，晶片载体的底表面36直接面对加热元件28。本文中 使用的术语“直接面对”意味着在加热元件与晶片载体的底表面之间具有直接的视线，其不 存在介于加热元件与晶片载体之间的任何实体元件的阻碍。晶片载体的底表面36理想地 被配置在加热元件观上方距离H处。该距离在凹部M中较大；在每个凹部M的最深点处 具有最大值Hmax，且在凹部以外具有最小值Hmin。距离H与厚度t相反地变化。除非另有规定，本文中的术语“竖直热阻”指水平面中每单位面积中对沿向上方向 流动的热量的阻力。“水平”面为垂直于向上方向的平面。对于流过底表面36与顶表面34 之间的本体的热量的晶片载体本体的竖直热阻民6_34直接随着晶片载体本体的厚度变化。 在理论上，由于距离H在晶片载体较厚处较小，因此对加热元件观与晶片载体本体的底表 面之间的辐射热传递的阻力在晶片载体较厚的位置处稍小。实践中，这种差异可以忽略不 计。而且，对于通过反应室中的气体从加热元件观至晶片载体底表面的对流和传导热传递 的阻力在晶片载体较厚且H较小处可能较少。然而，在所有位置，对流和传导热传递与辐射 热传递相比要小。因此，在加热元件观和底表面36之间的竖直热阻&8_36的变化与本体的 底表面和本体的顶表面之间的竖直热阻的变化相比要小。对于在加热元件观和晶片载体 的顶表面34的特定位置之间的热流的竖直热阻民81直接随着该位置下方的晶片载体的厚 度变化。例如，对于靠近中心轴线48且对准底表面中的凹部M的凹槽的底部表面46上的 位置(图3)，晶片载体本体的厚度t等于tmin，且因此&81也小。在靠近周边的底部表面 46的位置处，厚度t = tmax，且因此R
28-34 也更大。沉积工艺将半导体化合物构建在每个晶片42的暴露的顶表面43上。一般地，沉 积的第一半导体层在本质上为基础或缓冲层，其可为约1-10 μ m厚，随后非常薄的有源层形成器件的有源层。例如，在包含多量子阱(“MQW”)结构的LED中，MQW结构的发光层可 为约20-30埃厚。其它层可依次跟随有源层形成，用于诸如载流子限制或吸收、电 子注入、电流分配以及物理保护。在沉积工艺期间，晶片42倾向于以相对可预测的方式弓 曲。该弓曲通常由沉积的半导体材料与晶片之间的晶格常数失配产生，以及由施加于晶片 的热梯度产生。在所示实例中，该弓曲使得晶片在向上的方向上凸出(中凸)，即使得晶片 的顶表面43凸出。为了清楚的说明，在图3中该弓曲被显著夸大。一般地，对于直径约为 50mm的晶片，该弓曲Dw通常约为5 μ m，尽管这种直径的晶片在某些工艺中也可能出现更大 的弓曲(约几十μπι)。对于给定工艺，该弓曲Dw倾向于以晶片直径的平方而改变。因此， 如果所有其它因素相同，6英寸公称直径的晶片将呈现出为2英寸公称直径的晶片9倍的弓 曲ο每个晶片的顶表面43处的即时温度取决于加热元件28 (图1)与晶片的顶表面43 之间的总热阻。在与底面46对准的晶片上的任意一点处，总热阻为在加热元件观与晶片 载体的底表面之间的辐射热传递的热阻、与底表面和底面46之间的传导相关的热阻、穿过 晶片底表面45与底部表面46之间的间隙60传递热量的热阻以及传导经过晶片本身的热 阻之和。如上文所述，对于在加热元件观与底表面36之间的辐射热传递的热阻在整个晶 片载体上是基本均勻的。在理论上，因为从加热元件到凹部M的表面的距离略大于从底表 面36的环绕部分到凹部M的表面的距离，因此，与凹部相关的辐射热传递的热阻具有略微 的提高。实践中，这种差异可忽略不计。对于通过晶片传导的热阻在整个晶片上也基本均 勻。但是，对于从底部表面46穿过间隙60向晶片的底表面45的热传递，由于晶片中的弓 曲，热阻改变。间隙60通常由停滞层工艺气体充满。这种气体具有相对低的热导率，并且 因此穿过间隙传热的热阻为总热阻提供了可观的一部分，该总热阻为加热元件与晶片顶表 面之间的热传递的热阻。间隙60的热阻直接与间隙的高度相关。因为晶片的这些部分靠 近晶片的周边，所以间隙的高度仅为底部表面上的支承凸缘50的高度，即D46。但是邻近中 心轴线48，间隙60的高度由于晶片的弓曲距离Dw而变大。因此，间隙的热阻在中心轴线48 附近达到最大值。晶片载体本体32的变化厚度且因此变化的热阻由凹部M提供，其抵消间隙60的 变化热阻的影响。因此，邻近中心轴线48，晶片载体本体具有最小化的热阻；反之，远离中 心轴线，晶片载体本体具有更大的热阻。换句话说，由加热元件至晶片的顶表面的总热阻为 &8-34(加热元件与底面46中的晶片顶表面34上的点之间的热阻)、间隙60的热阻以及穿 过晶片本身的热阻。其中间隙60的热阻越大，R28^34越小。在对准每个晶片保持区域的底面46的区域中，晶片载体厚度的差异被选择，以在 形成器件的最关键层的工艺处理阶段最佳化晶片载体中不同热传导的平衡效应。因此，在 第一层的沉积期间，弓曲距离Dw逐渐增大，该第一层例如是在晶片顶表面上的缓冲层。在 缓冲层沉积之后且在器件制造中最关键层的沉积期间，被用来在tmin至tmax之间选取厚度 差值的预期弓曲Dw应当选择相应的当前值Dw。晶片载体32中的固体材料的热导率是间隙60中的停滞气体的热导率的许多倍。 因此，被要求用来补偿给定弓曲Dw的影响的厚度差值(tmax_tmin)为1\的许多倍。例如，为了 补偿约5-7 μ m的预期弓曲，厚度差值(tmax-tmin)理想地为约3至6mm。要求用于给定应用 的精确差值(tmax_tmin)可通过热量传导计算得出。然而更优选地，(tmax_tmin)的最佳值且因此对于凹部M的最适宜深度可通过实际测量确定，该实际测量采用具有不同深度凹部的 晶片载体并观察其对沉积均勻性的影响。例如，在一个用于形成GaN基LED的工艺中，在没 有任何凹部M的第一载体上处理的晶片显示出“牛眼”图案。在晶片的中心形成的LED具 有相对长的发射波长，反之，在晶片的周边形成的LED具有相对短的发射波长，这表明在控 制发射波长的层的沉积期间，晶片中心的顶表面43比晶片的周边处的晶片顶表面明显更 冷。发射波长的分布相对宽，5%以上的晶片具有比平均发射波长大3nm的发射波长。具有 相对深的圆锥形凹部M的第二晶片载体产生颠倒的牛眼图案，来自每个晶片的中心的LED 与来自周边的LED相比具有基本更短的发射波长，并且具有类似宽的波长分布。这表明了 凹部M对弓曲的补偿过度。具有更浅深度的圆锥形凹部的第三载体比第一或第二载体产 生更窄的波长分布。因此，在生产操作中，第二载体中采用的凹部被用于其它载体。通过改变具有相对高热导率的固体材料的厚度提供不同的热传导，这提供了基本 优势，即，与理想厚度差值(tmax_tmin)相比的微小偏差在热传递上仅具有微不足道的影响。 例如，凹部M的深度的公差可为约士 10μ m(士0. 0005英寸)，这提供了实际机加工公差。 通过使底部表面46凸出与期望值Dw相等的量，可以为晶片的弓曲实现相同的补偿。然而， 这种解决办法将要求公差远小于1 μ m,且要求复杂的机加工工艺将底部表面形成为特定的 凸出形状。根据本发明另一个实施例(图4)的晶片载体132具有凹槽144，与前文关于图1-3 所讨论的特征相似，该凹槽144具有底部表面146及支承凸缘150。根据本实施例的晶片 载体的底表面140具有呈凹部巧4形式的非平面部，该凹部巧4与每个底部表面的中心轴 线148对准。这些特征以与前文关于图1-3所讨论的内容基本相同的方式工作。此外，图4 中的晶片载体132进一步具有凸起形式的非平面部，或者具有与每个晶片保持区域的支承 凸缘146对准的厚度增大区域170。因此，每个厚度增大区域170呈与底部表面的中心轴 线148同心且因此与支承凸缘150同心的环的形式。在操作中，每个凹槽144中的晶片142 的周边搁置在支承凸缘150上。这为向晶片的周边传递热量提供了更直接的路径。换句话 说，支承凸缘150与晶片周边之间的直接接触所提供的热阻小于通过底部表面146与晶片 的底表面之间的间隙60的热传递所提供的热阻。通过凸起170所提供的增大厚度使得在 与支承凸缘对准的区域中的晶片载体本体132的热阻变大，并由此补偿了这种差异。这有 助于使得晶片的周边与相邻区域之间的表面温差最小化。此外，晶片载体132的底表面具有另外的凸起172，这些凸起172与凹槽144之间 的载体顶表面的区域13 对准。这在晶片载体的这些区域中提供了仍然较高的热阻。晶 片载体与晶片142之间的界面引入了相当客观的热阻。这倾向于降低晶片顶表面143的温 度，使其低于由晶片载体顶表面134的主要部分135限定的环绕区域的温度。理想的是使这 些温度之间的差值最小化。由凸起172所提供的增大的热导率抵消了该额外界面的影响， 并因此保持主要部分135的温度接近于晶片顶表面143的温度。在这点上，晶片载体的主 要部分135的热辐射系数通常将不同于晶片顶表面143的热辐射系数。热辐射系数的差异 将对主要部分135与晶片顶表面之间的温度产生影响。在主要部分的热辐射系数显著高于 晶片的热辐射系数的情况下，该主要部分往往可能运行在比晶片顶表面低的温度下。在这 种情况下，在与顶表面的主要部分对准的底表面的那些区域中，晶片载体可具有凸起，而不 是凹槽。在这种情况下(未示出)，对准晶片载体顶表面的主要部分的晶片载体区域比对准凹槽和晶片的晶片载体区域将更薄，且将具有更低的热阻。如图5所示的晶片载体232与图1_3所示的晶片载体32类似。但是，在底表面 240中的凹部IM具有大体穹顶形的形状，而不是前文所讨论的圆锥形。在图6的晶片载体332中，每个凹部邪4呈平截头圆锥体形状，且具有横跨凹槽 344的中心轴线348延伸的平坦表面355。图7的晶片载体432被配置为用于弓曲与前文所讨论的弓曲相反且因此使得晶片 442向下凸出的工艺中，即，晶片的底表面445在邻近凹槽的中心轴线448处向下朝向底部 表面446弯曲。在这种情况下，载体与晶片之间的间隙460具有最小的厚度，且因此在邻近 中心轴线448处的热导率最小。所以，晶片载体底表面440的非平面被配置为在邻近中心 轴线处提供相对大的厚度tmax，以及在靠近晶片周边处提供相对小的厚度tmin。根据本发明又一实施例的晶片载体532具有以基本上与前文所讨论的内容相同 的方式形成在每个晶片保持区域内的载体的顶表面532中的凹槽M4。每个凹槽544具有 平坦的底部表面M6。这里同样，每个凹槽设有支承凸缘，以接合晶片的周边，并且将晶片保 持在底部表面546上方。但是，在该实施中，用于每个凹槽的支承凸缘被提供为多个凸缘区 域550，这些凸缘区域550环绕底面的周边相互间隔，且因此环绕凹槽的中心轴线M8。这 使得晶片的周边与支承凸缘之间的接触最小化，且由此使得源自该接触的晶片载体与晶片 之间热传递的不均衡最小化。此外在该实施例中，通过自凹槽内部向着晶片载体的顶表面534向上延伸的壁 552界定每个凹槽。而且这里，如图9所示，周壁552向内地倾斜，从而周表面在向上的方 向上朝向晶片载体的顶表面534朝着凹槽的中心轴线M8向内倾斜。然而在该实施例中， 周壁552沿着凹槽的一部分被凹口 570中断，所述凹槽的一部分在距离晶片载体的中心轴 线522最远处，S卩，距离将晶片载体保持在心轴上的装配件538最远处以及距离整个晶片载 体的旋转轴线最远处。因此，从前文可以看出，如图8所示，该周壁和该凹口界定出非圆形 状。该非圆形状包括一对凸起阳3，其位于圆形周壁与凹口相交处。这些凸起彼此间隔，并 且配置在径向线555的相反侧，该径向线从晶片载体的中心轴线522通过凹槽的中心轴线 548延伸。在操作期间，由于旋转的加速或在晶片上施加的离心力将用于迫使晶片接近距离 中心轴线522最远的区域中的周壁。凹口 570用于将晶片周边与向内倾斜的周壁之间的接 触力最大化，并因此将施加在晶片上的向下的力最大化，从而用于将晶片保持为与支承凸 缘550接合。配置在凹槽中的圆形晶片将在凸起553处与晶片载体接合，且在其他位置处 保持与周壁略微间隔。因为晶片仅在凸起处接合周壁，因此通过晶片边缘的热传递将得以 最小化。这用于最小化晶片中的温度变化。如此处讨论的那样，前文所讨论的具有凹槽结构的晶片载体(参照图8和9)在其 底表面可形成或不形成非平面特征。在参照图1-7的前文所讨论的晶片载体中，底部表面基本上是平坦的。然而这并 非是必要的，采用弧形底部表面也可实施本发明。例如，如图10所示的晶片载体本体732大 体上与前文参照图1-3所讨论的晶片载体本体32类似。但是，载体本体632具有特意制成 内凹的底部表面646。位于凹槽的中心轴线648处的每个底部表面的中心部分在远离轴线 648的底部表面的周边部分的下方以距离Cf下凹。内凹底部表面使得晶片与底部表面之间 的间隙660在中心轴线648处大于晶片的周边处。这使得靠近轴线648的间隙660的热阻以与向上弓曲Dw的晶片相同的方式增加。换句话说，底部表面弯曲Cf的影响与向上弓曲Dw 的影响是叠加的。底部表面弯曲和晶片弓曲的共同影响通过非平面形式的凹部肪4补偿。 凹部肪4为载体本体提供了最小的厚度，其因此在中心轴线648附近提供了最小的热阻，该 中心轴线附近的间隙660具有最大的热阻。在图11的实施例中，底部表面746呈凸出(中凸)状。因此，底部表面的弯曲Cf 减小了凹槽的中心轴线748附近的间隙760的尺寸。在所示实施例中，晶片具有向上的弓 曲，其倾向于增大中心轴线748附近的间隙760的尺寸。但是，凸出弯曲Cf大于弓曲Dw，因 此中心轴线748附近的间隙760的尺寸最小，且中心轴线附近的间隙的热阻也最小。为了 抵消晶片弓曲和底部表面弯曲的共同影响，晶片载体本体具有非平面754，以便轴线748附 近的本体厚度及热阻大于远离轴线的本体厚度及热阻。如图12-14所示的晶片载体具有顶表面834，与前文中通过参照图1_3所讨论的类 似，该顶表面834包括主要部分835以及凹槽844。还是此处，每个凹槽包括底面846、支承 凸缘850以及周壁852，该周壁852从支承凸缘向着顶表面的主要部分835向上凸出。还是 此处，晶片载体具有中心轴线822，并且该晶片载体适于安装至一心轴，从而在操作期间，该 晶片载体将关于该轴线旋转。每个凹槽在该凹槽的几何中心处还具有中心轴线848。周壁 852包括弓形区域，该弓形区域几乎整个围绕该凹槽的中心轴线848延伸。但是，距离晶片 载体的中心轴线822最远的周壁区域具有非圆形状。该周壁区域具有从周壁的弓形部分向 内凸出的一对凸起853。该凸起的一个由图14详细示出。凸起853在径向线855的相反两 侧相互间隔，并从晶片载体的中心轴线向着凹槽的中心轴线848延伸。如图12可最佳的看 出，每个凸起853具有向内面向凹槽中心轴线848的邻接表面857。每个邻接表面857向内 朝向凹槽中心轴线倾斜，在向上方向上从凸缘850向着主要部分835延伸。在操作中，圆形晶片842被置于凹槽中，并且每个晶片的底表面与相应的凹槽的 凸缘850接合。由晶片载体关于中心轴线822旋转而产生的离心力倾向于迫使每个晶片向 外远离中心轴线。每个晶片将搁置在凹槽中的两个凸起853的邻接表面857上。凸起被设 计尺寸，以便当晶片的边缘搁置在凸起上时，该晶片与凹槽的轴线848同心。因此，环绕晶 片的整个周边，晶片与凸缘850均勻地交叠。换句话说，凸缘850的内边缘与晶片的边缘之 间的交叠距离队(图12和13)是恒定的。这倾向于使得晶片底部与环绕晶片周边的凸缘 之间的热传递均衡化。再者，因为晶片的边缘仅仅接触小的、间隔的凸起853，所以晶片边缘 与周壁852之间的热传递被最小化。根据本发明的又一个实施例(图15)的晶片载体具有大体上与前文参照图1-3所 讨论的晶片载体类似的结构。但是，在图15的晶片载体中，底表面中的每个凹部％4在水 平方向上偏离凹槽的中心948。因此，具有最高热导率和最低热阻的晶片载体的最薄部分位 于偏离底面的中心的凹槽底面946的一部分946a的下方。这种结构可以用于抵消从晶片 传递热量不均衡的影响，该传递热量不均衡由例如工艺气体流动模式的工艺条件产生。例 如，在具有旋转晶片载体的反应器中，当工艺气体通过远离旋转轴线的移动组件流过晶片 时，每个晶片最靠近晶片载体的旋转轴线的部分比距离旋转轴线最远的部分冷却更大的程 度。而且，流过不同晶片或者相同晶片的不同部分的工艺气体可处于不同的温度。例如，在 晶片载体的主表面比晶片的表面冷的地方，工艺气体的温度将取决于气体到达晶片载体周 边处的晶片之前该气体所采用的路径。如果路径的大部分跨越晶片的表面延伸而仅有小部分路径跨越晶片载体的主表面延伸，那么气体将处在一个温度下。如果路径的大部分跨越 晶片载体的主表面延伸，气体将处在更低的温度下。此处所讨论的技术可以用于补偿这些 影响，并且保持不同晶片的顶表面处在均勻的温度下。在又一个变型例中，这些技术可以用 于特意构建非均勻晶片表面温度。该非均勻温度可以用作例如在流经不同路径的工艺气体 中抵消反应物浓度不均勻的影响。图15中的晶片载体还包括热障970。所述热障抑制在水平方向上晶片载体本体 中的热传导。所述热障为晶片载体中在竖直方向上具有不同热导性的部分之间提供了热隔 离。该隔离增强了不同热导性的影响。热障可以包括薄的、竖直延伸的材料层，该材料层具 有比晶片载体周边的材料更低的热导率。或者，热障可通过以分离片制造晶片载体且在片 之间的表面处提供界面形成，所述表面在晶片载体中竖直延伸。例如，图15的载体包括较 大(主体)部分901，该较大部分901限定出顶表面的主要部分以及部分凹槽底面946，除 此之外，载体包括限定出每个凹槽的部分底面946的较小部分902。界面或热障970可以呈 圆柱形表面的形式，其环绕较小部分。在又一个变型例中，较小部分可以限定每个凹槽的整 个底面。在不脱离本发明的情况下，可采用前文所讨论的特征的多个变型和组合。仅举例 来说，尽管已经通过参照氮化镓基半导体的处理描述了本发明，但是本发明可用于基本上 任何半导体。因此，可以形成包含镓、铟和铝中的一个或多个与氮、磷、锑和砷中的一个或多 个结合的III-V族半导体。而且，诸如硅和类金刚石碳的II-VI族半导体和IV族半导体也 可由类似的方法加工或处理。此外，本发明除了可用于沉积以外，还可用于其他处理操作。可采用前文所讨论的特征的多个其他变型和组合。例如，取代改变晶片载体本体 的厚度，本体的组分可以在每个晶片所占的区域内变化，以便提供不同的热阻。仅举例来 说，晶片载体在其底表面中可具有凹部，其被金属或其他材料填充，该金属或其他材料具有 比载体本体的周边材料大得多或小得多的热导率(或者具有基本上高于或低于载体本体 的周边材料的热导率)。但是，该实例可在材料之间的界面处具有额外的热阻，且这些界面 将影响该热阻。通过参考图1所讨论的实施例是一种“无中间接受器”的处理装置，其中热量由加 热元件观直接向载体的底表面36传递。类似原理可用于其中热量从加热元件向中间元件 (通常是指“中间接受器”)传递并且从中间接受器向载体传递的装置中。但是，这种热传 递理想地不包括通过中间接受器与晶片载体的底表面之间填满停滞工艺气体的间隙传递。尽管本发明已经通过参考特定实施例加以描述，但应当理解的是，这些实施例仅 仅是本发明的原理及其应用的示例性说明。因此应当理解的是，在不脱离由所附权利要求 书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些示例性实施例做出多种修改，并得 出其他配置。
权利要求
1.一种化学气相沉积装置，其包括(a)反应室；(b)与反应室连通的气体入口结构；(c)安装在反应室中的加热元件；以及(d)晶片载体，其包括本体，该本体具有相反朝向的顶表面和底表面，所述晶片载体安 装在反应室中，从而使得加热元件放射出的热量将主要通过辐射从加热元件向本体的底表 面传递，所述本体具有多个晶片保持区域，所述本体在每个晶片保持区域中限定出晶片支 承部，所述晶片支承部适于保持晶片，其中所述晶片的顶表面暴露于本体的顶表面，所述本 体的底表面为非平面，以使得本体的厚度变化，加热元件与晶片载体的顶表面上的任意位 置之间的总热阻直接根据所述位置处的本体的厚度变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，晶片载体的本体配置在加热元件的上方， 其中所述本体的底表面直接面对所述加热元件。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，气体入口结构配置在晶片载体的上方，并 且被设置为向下朝向晶片载体弓I导气体。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，进一步包括安装在反应室中围绕竖直轴 线旋转的心轴，所述晶片载体安装在心轴上以与其一起旋转。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个晶片支承部被设置为接合晶片的周 边部分并保持所述晶片，以便所述晶片的主要部分与载体的本体隔开。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个晶片支承部包括底面和支承凸缘，所 述支承凸缘在所述底面的周边处配置在所述底面的上方。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述底表面中配置设置非平面部，以便 在每个晶片保持区域中，所述本体在对准所述底面的区域中具有非均勻厚度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在每个晶片保持区域中，所述本体的厚度 在与所述底面的中心对准的位置处为局部最小。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在每个晶片保持区域中，所述本体的厚度 在偏离底面的中心的位置处为局部最小。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在每个晶片保持区域中，所述本体的厚 度在与底面的中心对准的位置处为局部最大。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，每个所述底面基本上为平面。
12.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，本体的顶表面包括主要部分，该主要部 分在晶片保持区域之间延伸，每个晶片支承部包括凹槽，每个晶片支承部的底面和支承凸 缘在所述凹槽中从顶表面的主要部分凹入，以便所述底面形成所述凹槽的底表面。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，在顶表面的主要部分的至少一部分下 方的本体的厚度大于晶片支承部的底面下方的本体的厚度。
14.根据权利要求6-13中任一项所述的装置，其特征在于，每个支承凸缘基本上是连 续的，并且环绕所述底面。
15.根据权利要求6-13中任一项所述的装置，其特征在于，每个支承凸缘包括多个相 互间隔的环绕所述底面的周边的凸缘区域。
16.根据权利要求6-13中任一项所述的装置，其特征在于，在每个晶片保持区域中，所述本体在对准支承凸缘的区域中的厚度比其在对准所述底面的紧邻区域中的厚度大。
17.根据权利要求1-13中任一项所述的装置，其特征在于，所述本体基本上由其上具 有或不具有涂层的单片板组成，所述单片板由耐火材料制成。
18.—种处理晶片的方法，其包括以下步骤(a)在晶片载体上安装一个或多个晶片，以便每个晶片被配置在该载体的晶片保持区 域中且在该载体的顶表面暴露，该载体在每个晶片保持区域中具有变化的热导率；(b)对晶片载体的底表面进行加热，以便通过晶片载体传递的热量将晶片保持在升高 的温度下；(c)在晶片处于升高的温度下的同时，施加反应气体，以影响晶片的暴露表面；其中，所述晶片在施加反应气体的步骤期间被弓曲，并且所述弓曲导致在每个晶片内 从晶片载体的热传递的非均勻性，晶片载体的变化的热导性至少部分地补偿由于弓曲导致 的热传递的非均勻性。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，施加反应气体的步骤包括施加反应气 体以在每个晶片的暴露表面上形成沉积物。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，执行安装晶片的步骤，以便在将每 个晶片定位于晶片载体的基本上平坦的、向上朝向的底部表面上或其上方。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，执行安装晶片的步骤，以将每个晶片定 位于底部表面的上方。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在每个晶片保持区域内的底表面中，晶 片载体的底表面具有一个或多个非平面部，从而使得该晶片载体的厚度在每个晶片保持区 域中变化，且其中加热底表面的步骤包括在保持加热元件直接面对晶片载体的底表面的同 时运行加热元件。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括在加热和施加步骤期间移 动晶片载体的步骤。
24.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将每个晶片安装在晶片载体上的步骤 包括通过晶片载体上的支承凸缘接合晶片的周边区域，以便该支承凸缘保持晶片的主要部 分高出载体的底部表面。
25.根据权利要求M所述的方法，其特征在于，在每个晶片保持区域中，晶片载体在其 底表面中具有非平面部，从而使得晶片载体在对准支承凸缘的区域中与在对准底部表面的 紧邻区域中相比具有更大的厚度和更小的热导率。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，将每个晶片安装在晶片载体上的步骤 包括使晶片的周边部分与共同构成支承凸缘的晶片载体的间隔元件相接合。
27.一种晶片载体，其包括本体，该本体具有在水平方向上延伸的相反朝向的顶表面和 底表面，该本体具有多个晶片保持区域，该本体在每个晶片保持区域中限定出晶片支承部， 每个晶片支承部适于保持晶片，其中晶片的顶表面暴露于本体的顶表面，该本体具有抑制 水平方向上的热传递的一个或多个热障。
28.根据权利要求27所述的晶片载体，其特征在于，所述晶片载体在竖直方向上具有 不同热导性区域，且所述热障被配置在不同热导性区域之间。
29.一种晶片载体，其包括本体，该本体具有相反朝向的顶表面和底表面以及在所述顶表面和所述底表面之间延伸的中心轴线，该本体的顶表面具有多个凹槽，每个凹槽具有周 壁，每个凹槽的周壁在远离晶片载体的中心轴线的周壁区域中具有多个间隔的凸起，所述 凸起适于接合配置在凹槽中的晶片的边缘的间隔的部分。
30.根据权利要求四所述的晶片载体，其特征在于，每个凹槽具有中心轴线，并且每个 凹槽的周壁的凸起包括相互间隔且配置在从晶片载体的中心轴线通过凹槽的中心轴线延 伸的径向线的相反侧的两个凸起。
全文摘要
在化学气相沉积装置中，晶片载体(32)具有保持晶片的顶表面(34)以及被来自的加热元件(28)辐射热传递加热的底表面(36)。由于例如凹部(54)等特征，晶片载体的底表面(36)为非平面，因此晶片载体在不同位置处具有不同的厚度。晶片载体的较厚部分具有较高的热阻。不同位置处的不同热阻抵消对于晶片的热传递的不期望的非均匀性。晶片载体可具有凹槽，该凹槽具有凸起(553，853)，以用于接合晶片边缘上的间隔位置。
文档编号H01L21/205GK102144280SQ200980134785
公开日2011年8月3日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月29日
发明者B·沃尔夫, B·瑟德曼, E·A·阿穆尔 申请人:威科仪器有限公司