CN103991033B - 修整同时双面抛光半导体晶片的抛光垫的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及修整同时双面抛光半导体晶片的抛光垫的方法，特别是修整双面抛光装置中同时双面抛光半导体晶片的抛光垫的方法，该双面抛光装置具有环形下抛光板、环形上抛光板和用于承载盘的滚动装置，下抛光板、上抛光板和滚动装置安装成可围绕共线设置的轴线旋转，并且下抛光板由第一抛光垫覆盖，上抛光板由第二抛光垫覆盖，其中借助于滚动装置使具有外齿的至少一个修整工具和具有外齿的至少一个间隔件在形成于第一和第二抛光垫之间的工作间隙中围绕滚动装置的轴线进行回转运动并且同时自转，以使得所述至少一个修整工具通过其相对运动产生所述两个抛光垫中的至少一个的材料磨耗，所述至少一个修整工具的厚度不同于所述至少一个间隔件的厚度。

Description

修整同时双面抛光半导体晶片的抛光垫的方法
技术领域
本发明涉及一种修整双面抛光装置中同时双面同步抛光半导体晶片的抛光垫的方法，所述双面抛光装置具有由抛光垫覆盖的两个环形抛光板和用于承载盘的滚动装置，抛光板和滚动装置安装成可围绕共线设置的轴线旋转。
背景技术
特别是单晶硅的半导体晶片作为用于生产电子元件的基本材料而需要。这种元件的制造商要求半导体晶片具有尽可能平坦且平面平行的表面。为了满足该要求，使半导体晶片经受提高侧面的平面度和平面平行度并降低其粗糙度的一系列加工步骤。在该加工范畴中，通常执行一个或多个抛光步骤。
双面抛光（DSP）是特别适宜的，其中在存在悬浮液（也称为浆料）形式的抛光剂的情况下同时抛光半导体晶片的两个表面（正面和背面）。在双面抛光期间，半导体晶片与其它半导体晶片一起放置在下抛光垫与上抛光垫之间的间隙中。该间隙被称为工作间隙。每个抛光垫覆盖对应的下抛光板或上抛光板。在双面抛光期间，半导体晶片位于引导并保护半导体晶片的承载盘的凹槽中。承载盘是外部带齿的（圆）盘，其设置在抛光装置的内、外齿缘轮（齿轮）或针齿轮之间。齿缘轮或针齿轮在下文中被称为驱动齿轮。在抛光过程期间，承载盘通过内驱动齿轮的转动或者通过内、外驱动齿轮的转动围绕其自身的轴线旋转并且同时围绕抛光装置的轴线进行回转运动。此外，抛光板通常也围绕其轴线转动。对于双面抛光，这导致所谓的行星运动学的特征，其中半导体晶片的侧面上的点在对应的抛光垫上描绘出摆线路径。
半导体晶片的双面抛光的一个主要目的是改善整体和局部几何形状。在该情况下，预定在不发生卷边的情况下以经济的工艺生产尽可能平坦的半导体晶片。这可以通过抛光过程中的各个工艺参数的相互作用实现。一个重要的参数是上、下抛光垫之间的抛光间隙。在本文中，抛光垫表面的修整对抛光工艺起到关键作用。在修整期间，一方面，清理（修理）抛光垫的表面，另一方面，引起轻微的材料磨耗，以便赋予抛光垫表面大体上尽可能平坦的期望几何形状（整形）。
通常，在该情况下，利用修整盘加工（处理）抛光垫，其中所述修整盘的朝向抛光垫的表面涂覆有例如金刚石的磨料颗粒。该修整盘具有外齿，以使得其可以如承载盘那样被放置在下抛光垫上，所述外齿与内、外驱动齿轮啮合。上抛光板放置在修整盘上，以使得修整盘位于上、下抛光垫之间的工作间隙中。在修整期间，采用与抛光中类似的运动学原理。因此，修整盘在修整过程期间在工作间隙中按行星运动学移动，并且根据使用一个或两个侧面上涂覆有磨粒的修整盘加工上抛光垫或下抛光垫或者加工两个抛光垫。
利用该标准方法，可以获得平面平行的工作间隙。此外，可以消除抛光垫表面上的不均匀性。已经假定，可以通过尽可能平面平行的工作间隙获得抛光半导体晶片的最佳几何形状。
US2012/0028547A1描述了一种通过使用具有凸形或凹形表面的修整工具赋予抛光垫对应的凹形或凸形表面的可能性。类似于待抛光半导体晶片，修整工具被放置在承载盘的凹槽中。通过这种方式，可以调整抛光垫表面的几何形状，以使得抛光半导体晶片的几何形状被改善。例如，其指出，可以通过凹形抛光垫表面（即，抛光板的内、外边缘处的小宽度的抛光间隙和抛光板的径向中心处的较大的间隙宽度）避免抛光半导体晶片的明显双凹结构。
然而，已经发现，为了满足抛光半导体晶片的几何形状的提高的要求，即使该措施也是不够的。
发明内容
因此，本发明的目的是进一步改善抛光半导体晶片的几何形状。
该目的通过一种修整双面抛光装置中同时双面抛光半导体晶片的抛光垫的方法实现，所述双面抛光装置具有环形下抛光板、环形上抛光板和用于承载盘的滚动装置，下抛光板、上抛光板和滚动装置安装成可围绕共线设置的轴线旋转，并且下抛光板由第一抛光垫覆盖，上抛光板由第二抛光垫覆盖，其中具有外齿的至少一个修整工具和具有外齿的至少一个间隔件借助于所述滚动装置在形成于第一和第二抛光垫之间的工作间隙中围绕所述滚动装置的轴线进行回转运动并且同时自转，以使得所述至少一个修整工具通过其相对运动产生两个抛光垫中的至少一个的材料磨耗，所述至少一个修整工具的厚度不同于所述至少一个间隔件的厚度。
导致本发明的研究已经表明，可以通过改变从外边缘到内边缘的抛光间隙的宽度进一步改善抛光半导体晶片的几何形状。该尺寸对抛光半导体晶片的几何形状的影响先前是未知的并且是预料不到的。借助于简单的修整方法，在无需巨额费用的情况下，根据本发明的方法能够产生具有在径向方向上变化的间隙宽度的工作间隙。
下面将借助于附图详细描述本发明。
附图说明
图1显示了穿过具有根据本发明产生的抛光间隙的双面抛光装置的竖直剖面。
图2显示了穿过在根据本发明的修整过程期间的双面抛光装置的竖直剖面。
图3显示了根据本发明的一个实施例具有两个修整工具和一个间隔件的可能配置的双面抛光装置的下抛光板。
图4显示了根据本发明的另一实施例具有两个修整工具和两个间隔件的可能配置的双面抛光装置的下抛光板。
图5显示了根据本发明的又一实施例具有一个修整工具和两个间隔件的可能配置的双面抛光装置的下抛光板。
附图标记列表
1上抛光板
2下抛光板
3上抛光垫
4下抛光垫
5抛光板的旋转轴线
6内驱动齿轮
7外驱动齿轮
8承载盘
9承载盘的齿
10承载盘中用于放置半导体晶片的凹槽
11修整工具
12修整工具的齿
13涂覆有磨料颗粒的修整工具表面
14间隔件
15间隔件的齿
dS间隔件的厚度
dD修整工具的厚度
wi内边缘处的工作间隙的宽度
wo外边缘处的工作间隙的宽度
具体实施方式
如上所述，根据本发明的方法用于制备根据现有技术的双面抛光装置。在执行所述方法之后，可以根据现有技术但是在具有沿径向方向变化的间隙宽度的工作间隙中执行半导体晶片的双面抛光。
下面将首先描述所述双面抛光装置及其抛光半导体晶片的用途。
上抛光垫3（参见图1）固定在上抛光板1上，并且下抛光垫4固定在下抛光板2上。在彼此面对的抛光垫的表面之间，存在工作间隙。在工作间隙中，存在带有齿9的承载盘8，其与内驱动齿轮6和外驱动齿轮7啮合。驱动齿轮6、7可以为齿缘轮（toothed wheel）或针齿轮。两个驱动齿轮6、7一起形成承载盘8的滚动装置，也就是说，通过至少一个驱动齿轮或者优选两个驱动齿轮的旋转，使得承载盘8围绕其自身轴线转动并且同时围绕滚动装置的旋转轴线进行回转运动。形成滚动装置的驱动齿轮和抛光板的旋转轴线5共线地设置。承载盘8具有凹槽10，待抛光半导体晶片可以放置于凹槽10中并且同时可自由移动。抛光装置同时容纳至少三个承载盘。同时装配有五个承载盘也是常见的。取决于抛光装置和半导体晶片的尺寸，承载盘进而具有用于放置半导体晶片的至少一个凹槽10。然而，通常，承载盘具有三个或更多个用于半导体晶片的凹槽10。
根据本发明的修整方法的效果是，抛光垫3、4的内边缘处的工作间隙的宽度wi不同于抛光垫3、4的外边缘处的工作间隙的宽度wo，如图1中所示。该差异的优选（量）值主要取决于抛光板的尺寸。在该情况下关键是抛光垫的环宽度，也就是说，抛光垫的内边缘与外边缘之间的距离。优选地，在每米的抛光垫的环宽度上，两个间隙宽度wi和wo之间的差值至少为70μm，特别优选至少为140μm。优选地，所述差值最多为300μm。（对于半米的环宽度，两个间隙宽度wi和wo之间的差值因此优选至少为35μm，且特别优选至少为70μm。在该情况下最大值优选为150μm。）
已经发现，当内边缘处的抛光间隙的宽度大于外边缘处的抛光间隙的宽度时，特别是当遵循上述优选范围时，可以获得半导体晶片的特别优良的整体和局部几何形状。抛光半导体晶片总体上（整体几何形状）更平坦并具有减少的卷边（局部几何形状）。
优选采用抛光间隙的宽度的单调分布（profile），特别优选为作为径向位置的函数的线性分布。
根据本发明，通过在执行抛光过程之前利用修整对两个抛光垫中的至少一个进行成形来调整在内边缘与外边缘之间具有所述间隙宽度差的工作间隙。在该情况下，从两个抛光垫中的至少一个磨掉作为径向位置的函数的不同材料量。如果与外边缘处相比，在内边缘处磨掉更多材料，则工作间隙在内边缘处的宽度大于在外边缘处的宽度，反之亦然。可以仅对应地修整两个抛光垫中的一个，以使得抛光间隙宽度的径向分布与材料磨耗的径向分布对应并且因此与修整过的抛光垫的厚度的径向分布对应。然而，也可以作为径向位置的函数修整两个抛光垫，以使得两个抛光垫的表面对径向间隙宽度的分布的贡献叠加在一起。
优选地，根据本发明的修整方法适用于具有低压缩率（可压缩性）的硬抛光垫，因为取决于径向位置的期望厚度不能很容易地通过修整过程赋予软的可压缩抛光垫。优选压缩率最多为3%，并且特别优选地最多为2.5%。按照与标准JIS L-1096类似方式执行压缩率的测定。优选抛光垫的硬度为80至100肖氏A。
图2到5中描绘了根据本发明的修整过程。在该情况下，通过借助于滚动装置6、7使具有外齿12的至少一个修整工具11和具有外齿15的至少一个间隔件14在工作间隙中转动来修整至少一个抛光垫3、4。
为了修整抛光垫3、4，将修整工具11和间隔件14放置在双面抛光装置中而不是承载盘8中。修整工具11和间隔件14均具有与承载盘8类似的外齿。确定修整工具11和间隔件14的尺寸，以使得其外齿12、15可以与滚动装置的内、外驱动齿轮6、7啮合。可以呈圆形或环形地构造修整工具。
修整工具11具有涂覆有例如金刚石的磨料颗粒的表面区域13。优选地，涂覆有磨料颗粒的表面区域13沿外齿12以环形方式设置在修整工具上。
通过驱动齿轮6、7中的至少一个的转动，修整工具11和间隔件14围绕其自身轴线旋转，并且同时围绕双面抛光装置的中心，也就是说，围绕与抛光板的旋转轴线5共线地延伸的滚动装置的旋转轴线进行回转运动。同时，优选地，至少由待修整的抛光垫覆盖的抛光板转动。当同时修整两个抛光垫时，优选使两个抛光板均转动。通过修整工具与至少一个抛光垫之间的相对运动，由修整工具11中涂覆有磨料颗粒的表面区域13引起涉及的抛光垫3、4的材料磨耗。
可以使用其中仅在一个侧面上或者可替换地在两个侧面上均具有涂覆有磨料颗粒的表面区域13的修整工具11。如果仅预定修整两个抛光垫中的一个，则使用单面修整工具。如果将修整两个抛光垫，则同样可以使用单面修整工具。在该情况下，顺序地执行上、下抛光垫的修整。然而，在该情况下优选地，使用其中在两个侧面上均具有涂覆有磨料颗粒的表面区域13的双面修整工具（如图2中所示），并且因此允许同时修整两个抛光垫。
为了在修整期间实现抛光垫的径向非均匀材料磨耗，需要间隔件14。为了实施其功能，间隔件14的厚度dS必须与修整工具11的厚度dD不同。为了在具有半米或更大环宽度的抛光垫的传统DSP装置中产生上述范围内的间隙宽度差，需要修整工具与间隔件之间至少0.1mm的厚度差。
图2中描绘了根据本发明的方法的功能。在该情况下采用上抛光板的摆动安装。这是必要的，因为上抛光板必须能够补偿下抛光板的高度偏移或摆动并且适应该移动。为此，所有传统双面抛光装置具有摆动安装的上抛光板。间隔件不具有涂覆磨粒的表面，并且因此不会产生抛光垫的任何材料磨耗。它们仅仅被用于倾斜上抛光板。具有所需厚度的传统承载盘也可用作间隔件。
在图2中所示的情况下，修整工具11的厚度dD大于间隔件14的厚度dS。这导致摆动式悬置的上抛光板1略微倾斜，其使得较薄的间隔件14的区域与较厚的修整工具11的区域相比进一步下降。这进而引起当沿径向方向观察时修整工具的内部部分（即，在图2中所示的修整工具11的左手区域）的负载的增大，并且因此增大了抛光垫3、4的靠近内驱动齿轮6的内边缘区域中的材料的磨耗。
因此，可以通过与修整工具相比较小厚度的间隔件（如图2中所示）在抛光垫的内边缘处产生增加的材料磨耗（并且因此，在内边缘处产生更大的工作间隙宽度，即，wi＞wo，如图1中所示）。反之，可以通过与修整工具相比较大厚度的间隔件在抛光垫的外边缘处产生增加的材料磨耗（并且因此，在外边缘处产生更大的工作间隙宽度，即，wo＞wi）。
通过修整工具与间隔件之间的厚度差确定上抛光板以及因此径向间隙的宽度差的倾斜方向和程度。在700mm的抛光垫环宽度的情况下，例如，可以通过将间隔件的厚度dS选定为比修整工具的厚度dD小大约1mm（dD-dS=1mm）产生内边缘处的间隙宽度比外边缘处的间隙宽度大300μm（即，wi-wo=300μm）的工作间隙。反之，可以通过选择dD-dS=-1mm产生外边缘处大300μm（wi-wo=-300μm）的工作间隙。对于相同的DSP系统尺寸，可以通过修整工具与间隔件之间相应更小的厚度差获得更小的间隙宽度差。对于更大的DSP系统，需要相应的更大厚度差，以便产生特定的间隙宽度差，并且在更小的DSP系统中，需要相应的更小厚度差。
对于给定的修整工具和间隔件的厚度，倾斜的精细调整可通过选择修整工具与间隔件彼此之间的距离进行。
如上所述，在修整期间，需要通过修整工具与间隔件的不同厚度略微倾斜上抛光板，以便实现取决于径向位置的抛光垫的材料磨耗。原则上，可以利用一个修整工具11和相对安装的间隔件14获得该效果。然而，这可能引起上抛光板的不稳定定位。因此，优选地，使用至少两个邻近设置的修整工具11或者至少两个邻近设置的间隔件14，如图3到5中所示。附图显示出应用了修整工具11和间隔件14的下抛光板（更确切地说，下抛光垫4）的平面图。特别优选地，使用一个修整工具11和两个间隔件14（图5）或者两个修整工具11和一个间隔件14（图3）。在这些情况下，上抛光板1稳定地支承在三个点上。也可以使用两个修整工具11和两个间隔件14（图4）。在该情况下，两个修整工具11和间隔件14必须分别彼此靠近，以便由于修整工具11与间隔件14之间的厚度差而倾斜上抛光板1。
根据本发明的修整过程具有以下优点，即其通过修整工具的转动进行，其中借助于不同厚度的修整工具和间隔件实现取决于径向位置的抛光垫的材料磨耗。因此避免了在修整过的抛光垫上形成沟槽或者凹痕。因此，保留了修整方法的主要优点。同时，可以通过可自由选择内边缘与外边缘之间的间隙宽度差的简单手段产生抛光间隙。同样，可以通过所述方法使磨损到不同程度的使用过的抛光垫恢复至所需形状。
还可以设想，通过两个抛光板中的至少一个的变形获得抛光板的内边缘与外边缘之间的抛光间隙的不同宽度。允许上抛光板的液压变形的双面抛光机是已知的。然而，已经发现，由抛光垫的内边缘与外边缘处的不同抛光垫厚度引起的间隙宽度差与由相应的抛光板变形获得的同样大的间隙宽度差相比具有显著更佳的效果。在修整期间借助于取决于径向位置的材料磨耗的间隙宽度差的调整还具有下列优点，即该方法还可以用于其中没有可变形的抛光板的抛光机。
根据本发明的方法可用于制备双面抛光任何半导体晶片的抛光垫。在硅晶片、特别是单晶硅片的抛光中的使用因其显著的经济重要性和非常高的几何形状要求而是特别优选的。

Claims (12)

1.一种修整双面抛光装置中同时双面抛光半导体晶片的抛光垫(3、4)的方法，所述双面抛光装置具有环形下抛光板(2)、环形上抛光板(1)和用于承载盘(8)的滚动装置(6、7)，所述下抛光板(2)、所述上抛光板(1)和所述滚动装置(6、7)安装成可围绕共线设置的轴线(5)旋转，所述下抛光板(2)由第一抛光垫(4)覆盖，且所述上抛光板(1)由第二抛光垫(3)覆盖，其中借助于所述滚动装置(6、7)使具有外齿(12)的至少一个修整工具(11)和具有外齿(15)的至少一个间隔件(14)在形成于第一和第二抛光垫(3、4)之间的工作间隙中围绕所述滚动装置(6、7)的轴线(5)进行回转运动并且同时自转，以使得所述至少一个修整工具(11)通过其相对运动产生第一和第二抛光垫(3、4)中的至少一个的材料磨耗，所述至少一个修整工具(11)的厚度(dD)不同于所述至少一个间隔件(14)的厚度(dS)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在修整期间使由待修整的抛光垫覆盖的抛光板转动。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个修整工具的厚度(dD)与所述至少一个间隔件的厚度(dS)相差至少0.1mm。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个修整工具(11)的厚度(dD)大于所述至少一个间隔件(14)的厚度(dS)。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用彼此邻近设置的至少两个修整工具(11)。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用彼此邻近设置的至少两个间隔件(14)。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在修整之后，所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的内边缘处的宽度不同于所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的外边缘处的宽度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的内边缘处的宽度与所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的外边缘处的宽度在每米的第一和第二抛光垫(3、4)的环宽度上相差至少70μm。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的内边缘处的宽度与所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的外边缘处的宽度在每米的第一和第二抛光垫(3、4)的环宽度上相差至少140μm。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的内边缘处的宽度与所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的外边缘处的宽度在每米的第一和第二抛光垫(3、4)的环宽度上相差最多300μm。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的内边缘处的宽度大于所述工作间隙在第一和第二抛光垫(3、4)的外边缘处的宽度。
12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在修整第一和第二抛光垫(3、4)中的至少一个之后使用所述双面抛光装置，以通过转动下抛光板和上抛光板(2、1)同时双面抛光在形成于第一和第二抛光垫(3、4)之间的工作间隙中的至少三个半导体晶片，每个半导体晶片可在设有外齿(9)的至少三个承载盘(8)中的一个的凹槽(10)中自由移动，借助于所述滚动装置(6、7)转动所述承载盘(8)，以使得所述半导体晶片在所述工作间隙中在摆线路径上移动。
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