TWM566720U - 改良型石墨盤表層結構 - Google Patents
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Abstract
本新型在於提供一種鍍層附著強度高、無熱膨脹破裂問題,並且能提高晶圓生產良率的改良型石墨盤表層結構。其技術手段:為應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓用的石墨盤上,其具有石墨盤本體及片坑,其特徵在於,為表層結構包括碳化矽層及中介層;碳化矽層為石墨盤表面,位於石墨盤本體最外層,能與晶圓接觸,碳化矽層通過液相矽與石墨盤本體原表面的碳反應生成,形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層;中介層為位於石墨盤本體與碳化矽層之間,中介層為通過液相矽毛細滲透石墨盤本體,進入石墨盤本體的石墨材料原有孔隙中,並反應生長出碳化矽結晶且填滿孔隙所形成。
Description
本新型涉及一種石墨盤[Graphite Susceptor,Graphite Carrier]表層結構,尤指一種應用有機金屬化學氣相沉積[Metal Organic Chemical Vapor Deposition,簡稱MOCVD]磊晶爐的改良型石墨盤表層結構。
近年來氮化鎵[GaN]系列化合物半導體材料,已經被成功應用於發光二極體[Light Emitting Diode,簡稱LED]照明,並將成為新一代5G行動通訊系統中,不可或缺的高頻與大功率微波電子元件,未來氮化鎵[GaN]電子元件若能大量應用於電力轉換設備上,還可在每個變電環節,減少電能耗損,堪稱最具發展潛力的第三代半導體材料,而目前商品化的氮化鎵[GaN]系半導體光電元件,大都是以MOCVD磊晶技術製作。
LED晶片的良率,是由其發光波長的均勻性所決定,MOCVD磊晶爐為了精確調控LED磊晶圓發光波長的均勻性,其石墨盤需配合加熱器,提供一最佳化晶圓溫度均勻性,以沉積高品質的磊晶層,故石墨盤為MOCVD磊晶爐中,非常重要的一個組件,同時也是LED磊晶廠的主要耗材之一。
由於一般照明與車用照明等應用領域LED的滲透率仍然持
續攀高,加上新型態的Mini&Micro LED出現,將大幅的帶動未來LED晶圓片的使用數量,在LED市場規模持續增長的驅動下,大腔體的MOCVD機台快速崛起,同時也推升石墨盤的外徑尺寸達到約700mm。
如第1圖和第2圖所示的多片式之傳統石墨盤(300),但不管是單片式或多片式的型式,其兩者的石墨盤本體(10)通常會採用高強度等方性石墨[Isotropic graphite]材料來製做,並在頂面設置對應數量的片坑[pocket](20)以承載晶圓(200),在底面的中心則有一轉軸孔(301),用於支撐與旋轉石墨盤,而整體表面上會再利用CVD法鍍一層約100至180μm厚度的CVD碳化矽[SiC]塗層(400),參閱第3圖。
如第3圖所示,傳統石墨盤(300)的表層結構當中,CVD碳化矽鍍層(400)與石墨盤本體(10)之間,存在一硬度、強度、楊氏模數[Young's modulus]、熱膨脹係數等材料性質急遽變化的界面(30),導致CVD碳化矽鍍層(400)與石墨盤本體(10)的附著強度[Adhesion Strength]不高,容易因外力撞擊後產生脫層[Delamination]或剝落[Spalling]的問題,嚴重縮短石墨盤的使用壽命。
再者,由於CVD碳化矽鍍層(400)與石墨盤本體(10)之間熱膨脹係數的差異,對於大型石墨盤在MOCVD磊晶製程的急速升溫,降溫過程中,界面(30)將累積很大的殘留應力,造成石墨盤外緣處的CVD碳化矽鍍層(400)易於出現熱膨脹破裂[Thermal Expansion Cracking](401),參閱第1圖,最終使得傳統石墨盤(300)提早報廢。
另外,CVD碳化矽鍍層(400)的表面形貌會出現異常生長[Abnormal growth]的凸點[Asperities](402),請參閱第3圖,當晶圓(200)被甩動時,這些傳統石墨盤(300)表面的凸點(402),將會造成晶圓(200)跳動,撞擊片坑(20)的邊緣,發生裂片的問題,除了影響LED磊晶圓生產良率,同時
傳統石墨盤(300)的片坑(20)邊緣,也會被晶圓(200)撞擊產生缺角(403),請參閱第1圖,大幅減少傳統石墨盤(300)的使用壽命。
本新型主要目的在於提供一種改良型石墨盤表層結構,用以解決傳統石墨盤CVD碳化矽鍍層附著強度不高,和石墨盤外緣CVD碳化矽鍍層熱膨脹破裂的問題,並且可以減少晶圓跳動,降低晶圓裂片機會,提高LED磊晶圓生產良率。
為解決上述問題及達到本新型的目的,本新型的技術手段是這樣實現的,為一種改良型石墨盤表層結構,應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓(200)用的石墨盤(100)上,該石墨盤(100)具有一石墨盤本體(10)、及至少一凹設於該石墨盤本體(10)頂面的片坑(20),其特徵在於:所述表層結構(101),其包括有一碳化矽層(1)、以及一中介層(2);所述碳化矽層(1),其為該石墨盤(100)表面,位於該石墨盤本體(10)最外層,能與該晶圓(200)接觸,該碳化矽層(1)通過液相矽與該石墨盤本體(10)原表面的碳反應生成,形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層;所述中介層(2),其為位於該石墨盤本體(10)與該碳化矽層(1)之間,該中介層(2)為通過液相矽毛細滲透該石墨盤本體(10),進入該石墨盤本體(10)的石墨材料原有孔隙(10a)中,並反應生長出碳化矽結晶(21)且填滿該孔隙(10a)所形成。
更優選的是,所述碳化矽層(1),其β-sic多結晶層的結晶形狀為小板片狀。
更優選的是,所述碳化矽層(1),其厚度範圍為10μm至50μm。
更優選的是,所述中介層(2),其厚度範圍為300μm至1000μm。
與現有技術相比,本新型的效果如下所示:
第一點:本新型中,表層結構(101)的碳化矽層(1)擁有極佳的附著強度,在150kg荷重的洛氏壓痕試驗下,仍舊沒有出現任何的脫層破裂。
第二點:本新型中,表層結構(101)的碳化矽層(1),其結晶形狀為小板片狀,具有潤滑作用,可以減少晶圓跳動,降低晶圓裂片的機會,提高LED磊晶圓的生產良率。
第三點:本新型中,利用一熱膨脹係數介於碳化矽層(1)與石墨盤本體(10)材料之間的中介層(2),來降低界面的殘留應力,避免石墨盤本體(10)外緣處的碳化矽層(1),發生熱膨脹破裂的問題。
第四點:本新型中,有效提高石墨盤本體(10)表層材料整體的熱傳導率,增進石墨盤本體(10)表面溫度分佈的均勻性,可以提升傳統LED磊晶圓的波長均勻性,有利於mini與micro LED晶片的生產。
第五點:本新型中,表層結構(101)雖然具有碳化矽層(1)及中介層(2),但製造成本低於傳統的CVD碳化矽鍍層。
1‧‧‧碳化矽層
2‧‧‧中介層
21‧‧‧碳化矽結晶
10‧‧‧石墨盤本體
10a‧‧‧孔隙
20‧‧‧片坑
30‧‧‧界面
100‧‧‧石墨盤
101‧‧‧表層結構
200‧‧‧晶圓
300‧‧‧傳統石墨盤
301‧‧‧轉軸孔
400‧‧‧CVD碳化矽鍍層
401‧‧‧熱膨脹破裂
402‧‧‧凸點
403‧‧‧缺角
第1圖:傳統石墨盤以多片式實施並與晶圓配合時的立體示意圖。
第2圖:傳統石墨盤另一視角的立體示意圖。
第3圖:為第1圖的X-X剖面示意圖。
第4圖:本新型以多片式實施時的立體示意圖。
第5圖:本新型以多片式實施並與晶圓配合時的立體示意圖。
第6圖:為第5圖的Y-Y剖面示意圖。
第7圖:本新型以單片式實施並與晶圓配合時的立體示意圖。
第8圖:本新型中碳化矽層的X射線繞射圖。
第9圖:本新型碳化矽層的表面SEM照片。
第10圖:實施例中碳化矽層的洛氏壓痕試驗結果圖。
第11圖:比較例中CVD碳化矽鍍層的洛氏壓痕試驗結果圖。
以下依據圖面所示的實施例詳細說明如後:如第4圖至第7圖所示,圖中揭示出,為一種改良型石墨盤表層結構,用以解決傳統石墨盤CVD碳化矽鍍層附著強度不高,和石墨盤外緣CVD碳化矽鍍層熱膨脹破裂的問題,並且可以減少晶圓跳動,降低晶圓裂片機會,提高LED磊晶圓生產良率。
為解決上述問題及達到本新型的目的,本新型的技術手段是這樣實現的,為一種改良型石墨盤表層結構,應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓(200)用的石墨盤(100)上,該石墨盤(100)具有一石墨盤本體(10)、及至少一凹設於該石墨盤本體(10)頂面的片坑(20),其特徵在於:所述表層結構(101),其包括有一碳化矽層(1)、以及一中介層(2);所述碳化矽層(1),其為該石墨盤(100)表面,位於該石墨盤本體(10)最外層,能與該晶圓(200)接觸,該碳化矽層(1)通過液相矽與該石墨盤本體(10)原表面的碳反應生成,形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層;所述中介層(2),其為位於該石墨盤本體(10)與該碳化矽層(1)之間,該中介層(2)為通過液相矽毛細滲透該石墨盤本體(10),進入該石墨盤本體(10)的石墨材料原有孔隙(10a)中,並反應生長出碳化矽結晶(21)且填滿該孔隙(10a)所形成。
本新型表層結構(101)就如第6圖所示,包含碳化矽層(1)及中介層(2),石墨盤材料可採用高強度等方性石墨,例如:SGL Carbon公司型號R8510、Toyo Tanso公司型號IG-56、或是成都炭素公司型號CDI-1B,經
機械加工製做成如第4圖所示的多片型式之石墨盤(100)、又或者是如第7圖所示的單片型式之石墨盤(100)。
由於本新型表層結構(101)是利用高溫下液相矽與碳反應生長出碳化矽,如下列基礎化學式所示:Si(l)+C(s)→SiC(s)。
上述碳的來源,為石墨盤本身的碳,而液相矽較佳的來源,可經由在石墨盤表面上,黏貼至少大致上為一層的矽顆粒以提供,詳細塗層實施方式說明如下所示:首先,在一經過機械加工完成的石墨盤表面,塗佈一層膠黏劑,膠黏劑的主要作用,為能暫時固定矽顆粒,沒有特殊限制,但為了操作上的方便,較佳的選擇為壓敏膠黏劑,壓敏膠黏劑的選用如丙稀酸酯壓敏膠、氯丁橡膠壓敏膠或聚氯酯壓敏膠。
膠黏劑的塗佈方式,可採用刷塗或噴塗。
接著,將矽顆粒大致上黏貼一層在石墨盤表面上,矽顆粒的純度至少98%以上,顆粒的粒徑範圍為小於美國篩網4目、大於美國篩網32目。
隨後,將經過處理的石墨盤,置入真空高溫爐中,加熱至矽熔點以上溫度,恆溫保持一段時間,讓矽顆粒熔融形成一大致上均勻的液相矽膜包覆在石墨盤表面上,進行液相矽與石墨盤表層的碳反應生長碳化矽。
其中,較佳的恆溫保持時間為1至2小時;真空高溫爐較佳的加熱溫度範圍為1450℃至1650℃;較佳的真空壓力範圍為0.5torr至0.001torr。
最後,如第6圖所示,液相矽與石墨盤表層的碳反應生成一碳化矽層(1),厚度範圍約在10μm至50μm,利用X射線繞射(XRD)分析該
碳化矽層(1)的晶體結構,為立方晶系β-sic多結晶結構,請參閱第8圖。
如第9圖所示,碳化矽層(1)表面β-sic結晶的掃描電子顯微鏡(SEM)照片,顯示β-sic結晶具有小板片狀(Platelet like)的形狀,片狀平面結構的表面形貌,有利於潤滑。
對於高轉速型MOCVD磊晶爐的石墨盤,在機台啟動與停止過程中,由於慣性力的作用,晶圓經常會被甩動,石墨盤(100)表面的碳化矽層(1),具有小板片狀結晶形狀,其潤滑特性可有效減少晶圓跳動,撞擊片坑(20)邊緣發生裂片,提高LED磊晶圓的生產良率。
再者,如第6圖所示,液相矽與石墨盤表層的碳反應生成一碳化矽層(1),同時液相矽也毛細滲透石墨盤本體(10)原有孔隙(10a)中,並反應生長碳化矽,並填充滿該等孔隙(10a)形成中介層(2),厚度範圍約在300μm至1000μm,相當厚的中介層(2),提供強大的機械鑲嵌(mechanical interlocking)作用和緩衝界面的機械性質,因此可以大幅度提升表層碳化矽層(1)的附著強度。
傳統上,塗層與底材的附著強度,可通過在洛氏硬度試驗機(Rockwell hardness tester)上,用一鑽石壓頭(Diamond Brale indenter)在不同荷重下進行壓痕試驗(Indentation test)做定性的比較,通常以塗層發生脫層破裂時的最小荷重,做為塗層附著強度的指標,當塗層發生脫層破裂時,會產生一橫向裂紋沿著塗層與底材的界面傳播,導致塗層脫落。
本新型表層結構(101)的碳化矽層(1),參閱第10圖,即使在高達150kg荷重的壓痕試驗下,仍沒有出現任何脫層破裂,說明本新型表層結構(101)的碳化矽層(1)擁有極佳的附著強度。
另外,如第6圖所示,本新型表層結構(101)除了碳化矽層(1)外,碳化矽層(1)與石墨盤本體(10)之間,還存在有一厚度範圍約在300μm
至1000μm的中介層(2),其中石墨盤本體(10)此範圍內的原有孔隙(10a),全部被碳化矽結晶填滿,形成一熱膨脹係數介於碳化矽與石墨盤本體(10)材料之間的緩衝層,大大減少了界面的殘留應力,可以解決目前大型石墨盤外緣碳化矽塗層熱膨脹破裂的問題。
LED磊晶圓溫度的均勻性,會影響磊晶層成份的一致性,微小的溫度差異對LED波長的均勻性就有明顯的影響,通常要求將磊晶圓表面任一點的溫度與預定生長溫度偏差,控制在1℃以內,因此石墨盤必須提供極為均勻的表面溫度分佈。
如第6圖所示,因為本新型表層結構(101)的中介層(2),所在處石墨盤本體(10)原有孔隙(10a)全部被碳化矽結晶填滿,可以有效提高石墨盤表層材料整體的熱傳導率,增進石墨盤表面溫度分佈的均勻性。
具體實施例如下所示:採用SGL Carbon公司型號R8510的等方性石墨,平均孔隙大小為1.5μm,經機械加工製做成如第4圖或第7圖所示的石墨盤,接著在石墨盤表面刷塗一層3M公司的壓敏膠,型號SP-7533,然後將純度為99%以上的矽顆粒,粒徑範圍為小於美國篩網6目,大於美國篩網10目,大致上黏貼一層在石墨盤表面上;隨後將石墨盤置入真空高溫爐加熱至1550℃,真空壓力為0.1torr,恒溫保持時間為1.5小時,待冷卻後將石墨盤取出;最終石墨盤(100)表層碳化矽層(1)的厚度,約為30μm,中介層(2)的厚度約為500μm;利用洛氏壓痕試驗評估石墨盤(100)表面碳化矽層(1)的附著強度,如第10圖所示。
第10圖的試驗結果顯示,石墨盤(100)的碳化矽層(1)在150kg荷重的壓痕試驗下,仍未出現任何脫層破裂,說明本新型表層結構(101)的碳化矽層(1)擁有極佳的附著強度。
壓痕試驗為經由金相顯微鏡,放大倍率100倍,檢視壓痕周圍的碳化矽層是否發生脫層破裂。
具體比較例如下所示:市售XYCARB CERAMICS公司生產的CVD碳化矽鍍層石墨盤,為單片型式石墨盤,參閱第7圖,其中CVD碳化矽鍍層的厚度約110μm,同樣利用洛氏壓痕試驗評估石墨盤表面CVD碳化矽鍍層的附著強度,如第11圖所示。
由第11圖的試驗結果發現,CVD碳化矽鍍層在15kg荷重的壓痕試驗下,就會出現脫層破裂,隨著荷重的增加,脫層破裂直徑迅速擴大,顯示CVD碳化矽鍍層的附著強度不高,在應用上容易因為晶圓的碰撞,發生脫層或剝落。
壓痕試驗為經由實體顯微鏡,放大倍率40倍,測量壓痕周圍脫層破裂直徑。
以上依據圖式所示的實施例詳細說明本新型的構造、特徵及作用效果;惟以上所述僅為本新型之較佳實施例,但本新型不以圖面所示限定實施範圍,因此舉凡與本新型意旨相符的修飾性變化,只要在均等效果的範圍內都應涵屬於本新型專利範圍內。
Claims (4)
- 一種改良型石墨盤表層結構,應用於在MOCVD磊晶爐中承載晶圓(200)用的石墨盤(100)上,該石墨盤(100)具有一石墨盤本體(10)、及至少一凹設於該石墨盤本體(10)頂面的片坑(20),其特徵在於:所述表層結構(101),其包括有一碳化矽層(1)、以及一中介層(2);所述碳化矽層(1),其為該石墨盤(100)表面,位於該石墨盤本體(10)最外層,能與該晶圓(200)接觸,該碳化矽層(1)通過液相矽與該石墨盤本體(10)原表面的碳反應生成,形成具有立方晶結構的β-sic多結晶層;所述中介層(2),其為位於該石墨盤本體(10)與該碳化矽層(1)之間,該中介層(2)為通過液相矽毛細滲透該石墨盤本體(10),進入該石墨盤本體(10)的石墨材料原有孔隙(10a)中,並反應生長出碳化矽結晶(21)且填滿該孔隙(10a)所形成。
- 如請求項1所述的改良型石墨盤表層結構,其中:所述碳化矽層(1),其β-sic多結晶層的結晶形狀為小板片狀。
- 如請求項2所述的改良型石墨盤表層結構,其中:所述碳化矽層(1),其厚度範圍為10μm至50μm。
- 如請求項3所述的改良型石墨盤表層結構,其中:所述中介層(2),其厚度範圍為300μm至1000μm。
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TW107209191U TWM566720U (zh) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | 改良型石墨盤表層結構 |
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Cited By (1)
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TWI772005B (zh) * | 2021-04-28 | 2022-07-21 | 錼創顯示科技股份有限公司 | 半導體晶圓承載結構及有機金屬化學氣相沉積裝置 |
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- 2018-07-06 TW TW107209191U patent/TWM566720U/zh not_active IP Right Cessation
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