CN117917975A - 磨削半导体晶圆的方法 - Google Patents
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Abstract
一种磨削半导体晶圆的方法，其中，在向旋转的半导体晶圆和磨削工具之间的接触区域提供冷却介质时借助包含具有高度h的磨削齿的磨削工具以移除材料的方式加工半导体晶圆，其中，在磨削的每个瞬间，借助一个或多个喷嘴向半导体晶圆的一侧的第一区域施加第一冷却剂流量，且在磨削的每个瞬间，借助一个或多个喷嘴向该半导体晶圆的该一侧的第二区域施加第二冷却剂流量，其特征在于，第一区域以半导体晶圆的右下四分之一圆为界而第二区域以左下四分之一圆为界，并且第一冷却剂流量与第一冷却剂流量和第二冷却剂流量的总和的比值不大于35％且不小于25％。
Description
技术领域
本发明的主题是一种磨削半导体材料晶圆的方法。本发明基于流体在磨削工具周围的最佳分布，以便以同时在两侧移除材料的方式处理半导体晶圆(zur gleichzeitigbeidseitigen Material abtragenden Bearbeitung einer Halbleiterscheibe)。
背景技术
对于电子元件、微电子元件和微机电元件，需要对整体和局部平坦度、单侧参照局部平坦度(einseitig bezogene lokale Ebenheit)(纳米形貌)、粗糙度和清洁度具有极高要求的半导体晶圆作为起始材料(衬底)。半导体晶圆是由半导体材料(尤其是诸如砷化镓等的化合物半导体或诸如硅和锗等的元素半导体)制成的晶圆。
根据现有技术，半导体晶圆是在多个续接的加工步骤中生产的。通常使用了以下生产顺序：
1-生产单晶半导体棒(晶体生长)；
2-将半导体棒分成单独的棒段；
3-将棒分开成单独的晶圆(内径锯或线锯)；
4-对晶圆进行机械处理(研磨，磨削)；
5-对晶圆进行化学处理(碱性或酸性蚀刻)；
6-对晶圆进行化学机械处理(抛光)；
7-可选的进一步的涂覆步骤(例如外延、热处理)。
对半导体晶圆进行机械处理用于移除由锯造成的波纹，还用于移除因较粗糙的锯加工而被损害了晶体结构或被锯线污染的表面层，并且最重要的是整体上使半导体晶圆平坦化。此外，对半导体晶圆进行机械处理还用于产生均匀的厚度分布，也就是说，半导体晶圆具有均匀的厚度。
研磨和表面磨削(单盘、双盘)是已知的对半导体晶圆进行机械处理的方法。
同时对多个半导体晶圆进行双盘研磨的技术由来已久，并且例如在EP 547894A1中描述。在双盘研磨中，在将含有磨削物质的悬浮液输送到上工作盘和下工作盘之间时半导体晶圆在一定压力下移动，该上工作盘和下工作盘经常由钢组成并且设置有用于更好地分布悬浮液的通道，并且由此实现了材料的移除。在研磨期间，半导体晶圆由具有用于保持半导体晶圆的凹槽的承载盘(载体，carrier)引导，而半导体晶圆通过借助驱动齿轮设置为旋转的承载盘来保持在几何路径上。
在单盘磨削中，半导体晶圆在后侧保持在卡盘(chunk)上，而在前侧上由杯形磨削轮在卡盘和磨削轮旋转并且轴向和径向缓慢前进的情况下进行平坦化。用于半导体晶圆的单盘表面磨削的方法和设备例如从US2008021 40 94A1或EP 0 955 126 A2中已知。
KR 2011 006 6282A 公开了一种磨削轮，该磨削轮为了改善冷却效率配备了至少一个冷却剂输送孔以便将冷却剂直接输送到磨削工具上。
在同步双盘磨削((simultaneous)-double-disc grinding，sDDG)中，半导体晶圆在安装在相对的共线主轴上的两个磨削轮之间自由浮动时，同时在两侧进行处理，在这种情况下，半导体晶圆基本上不受约束力的影响在作用于前后两侧的水垫(流体静力学原理)或气垫(空气静力学原理)之间被轴向引导，并通过周围的薄引导环或各个径向辐条(Speichen)松散地防止径向浮动。用于半导体晶圆的同步双盘表面磨削的方法和设备例如从EP 0 755 751 A1、EP 0 971 398 A1、DE 10 2004 011 996 A1和DE 10 2006032 455A1中已知。
然而，由于运动学的原因，半导体晶圆的双盘磨削(DDG)原则上会导致在半导体晶圆的中心(“磨削肚脐”)移除更多的材料。为了在磨削后获得具有尽可能好的几何形状的半导体晶圆，其上安装了磨削轮的两个磨削主轴必须完全共线对准，因为径向和/或轴向偏差会对被磨削的晶圆的形状和纳米形貌具有负面影响。德国申请DE 10 2007 049 810 A1例如说明了用于在双盘磨削机器中校正磨削主轴位置的方法。
在磨削加工中(涉及单盘磨削方法和双盘磨削方法两者)，冷却磨削工具和/或正被处理的半导体晶圆是必须的。经常使用水或去离子水作为冷却剂。在双盘磨削机器中，冷却剂经常从磨削工具的中心出现，并借助离心力被输送或弹射(geschleudert，离心分离)到磨削轮外边缘上呈圆形布置的磨削齿上。冷却剂吞吐量(Kühlmitteldurchsatz)(即在所限定的时间内出现的冷却剂的量)可以电子或机械地控制。
文献DE 10 2007 030 958 A1说明了一种用于磨削半导体晶圆的方法，在这种方法中，在提供冷却剂的情况下借助至少一个磨削工具以在一侧或两侧移除材料的方式处理半导体晶圆。为了确保在磨削期间的持续冷却，冷却剂流量会随着磨削齿高度的降低而降低，因为否则保持较高而没有改变的冷却剂流量将不可避免地导致滑水(aquaplaning)效应。
文献DE 10 2017 215 705 A1中的发明基于磨削工具中的流体的最佳分布，以便以同时在两侧移除材料的方式处理半导体晶圆，这是通过使用优化的滑板(Schleuderplatte)实现的。文中说明了流体的不均匀分布会对磨削结果具有负面影响。
专利文献US2019/134782 A1公开了可被用于双盘磨削的磨削轮的一些设计。该文献还说明了使用借助喷嘴从内部施加到磨削轮的磨削齿上的水。水与磨削水一起将磨削磨损物和工具磨损物(Schleifabrieb und Werkzeugabrieb)从处理区域冲走。
所有所述的现有技术文献都具有共同的缺点，即在半导体晶圆的中心的材料的移除高于在边缘。因此，在该处理步骤中，半导体晶圆的几何参数会变坏。这种畸变(Abweichung)在后续处理步骤中不能或不能被充分地纠正。利用现有技术中已知的方法借助磨削所能实现的几何形状的质量是不足够的。
发明内容
本发明的目的是提供一种不表现出上述缺点的方法。
该目的是通过一种磨削半导体晶圆的方法实现的，该方法在向旋转的半导体晶圆和磨削工具之间的接触区域输送冷却剂时借助包含具有高度h的磨削齿的磨削工具以移除材料的方式方式加工半导体晶圆，在磨削的每个瞬间，借助一个或多个喷嘴向半导体晶圆的一侧的第一区域施加第一冷却剂流量，并且在磨削的每个瞬间，借助一个或多个喷嘴向该半导体晶圆的该一侧的第二区域施加第二冷却剂流量，其特征在于，第一区域以半导体晶圆的右下四分之一圆为界而第二区域以左下四分之一圆为界，第一冷却剂流量与第一冷却剂流量和第二冷却剂流量的总和的比值不大于35％且不小于25％。
优选的是半导体晶圆具有300mm的名义直径，而冷却剂流量的总和不小于800ml/min且不大于1200ml/min。
优选的是以同时移除材料的方式处理半导体晶圆的两侧。
同样，优选的是冷却剂流量的总和随着高度h的减小而减小。
更优选的是第一区域是环形扇形区域，其具有环形宽度w、中点和外半径，并且以通过中点的第一直线为界，该第一直线相对于半导体晶圆的竖直对称轴倾斜了角度α，并且此外以通过中点的第二直线为界，该第二直线相对于半导体晶圆的竖直对称轴倾斜了角度β，第二区域是从第一区域相对于半导体晶圆的竖直对称轴的镜像(Spiegelung，反射)得出的，中点位于半导体晶圆的竖直对称轴上，且距离半导体晶圆的中点不小于75mm，角度α不小于25°，角度β不小于45°，环形宽度w不小于10mm且不大于25mm，而外半径不小于80mm且不大于90mm。
附图说明
图1以示例的方式示出了一种可被使用以便在磨削加工期间施加所需的冷却剂的量的设备(10)。在这种情况下，喷嘴(11)以可将冷却剂施加到半导体晶圆的待磨削的一侧的这样的方式安装。理想地，在这种情况下，喷嘴可以彼此单独控制，使得每个喷嘴可以以预先限定且可选地(eventuell)随时间变化的冷却剂的吞吐量操作。
图2示出了半导体晶圆(20)上的两个区域，冷却剂优选地被施加于这两个区域以便实现几何形状方面的有利效果。图中示出了位于半导体晶圆的右下四分之一圆中的第一区域(22)和位于半导体晶圆的左下四分之一圆中的第二区域(21)。
图3示出了半导体晶圆(30)上的两个尤其优选的区域(阴影)，冷却剂可被施加于这两个区域以便进一步改善几何形状。第一区域(32)是环形扇形区域，其具有环形宽度w、中点(33)和外半径。它以通过中点(33)的第一直线为界，该第一直线相对于半导体晶圆(30)的竖直对称轴(35)倾斜了角度α。此外，它以通过中点(33)的第二直线为界，该第二直线相对于半导体晶圆的竖直对称轴(35)倾斜了角度β。此外，还示出了第二区域(31)，该第二区域是从第一区域(32)相对于半导体晶圆的竖直对称轴(35)的镜像得出的。两个区域的外部边界位于所指示的圆(34)上。
中点(33)位于半导体晶圆(30)的竖直对称轴(35)上，同时位于半导体晶圆的水平对称轴的下方。
具体实施方式
有很多用于评价半导体晶圆的几何形状的标准化测量程序和测量方法。发明人仅限制在借助THA25和翘曲来评价半导体晶圆。
关于THA25：为了研究纳米形貌，使用干涉仪(例如KLA-Tencor Corp.的WaferSightTM型仪器)是可行的。这种干涉仪适用于测量半导体晶圆的上侧的形貌。该仪器形成了半导体晶圆的上侧的高度图，该高度图经过过滤，并在其上移动具有限定的分析区域的分析窗口。根据SEMI M43-0418和SEMI M78-0618标准的方法规范，由THA(“阈值高度分析”)执行对分析窗口中的高度差的评估。
例如，翘曲测量可根据SEMI MF 1390-0218执行。
尽管最佳调整的DDG机器使生产具有改善的形状、弓形、翘曲和纳米形貌的磨削的半导体晶圆成为可能，然而还是发现这些半导体晶圆的质量并不足够。
发明人发现，可通过控制在磨削期间发生在半导体晶圆的所限定的区域的冷却剂的输送来实现改善的半导体晶圆的几何形状。
借助线锯将从通过使用Czochralski方法拉制的晶体棒上获得的具有300mm名义直径的一段硅晶体切割成半导体晶圆。
在Koyo DSGX320型磨削系统上，在关于冷却剂流量的不同条件下对半导体晶圆进行磨削。在这种情况下，磨削系统配备了ALMT公司的3000-OVH型商业上可获得的磨削工具(磨削轮)。
在双盘磨削机器中，加工冷却剂通常从磨削工具的中心出现，并借助离心力输送到磨削齿。冷却剂吞吐量的可以以使冷却剂流量保持在设定值的这种方式进行调节。
根据现有技术，向加工过程输送作为齿高度的函数调节(根据DE 102007 030958A1)的磨削水的量。这就确保了在加工期间，当从工具的内部向外排出过多冷却剂时，在待处理的晶圆上没有工具的漂浮(相当于滑水)；而在加工过程中可用的冷却剂过少时，没有待处理的晶圆的过热(相当于磨削烧伤)和磨削轮的失效。
发明人发现，在半导体晶圆上冷却剂的分布对结果具有显著影响。例如，在常规的磨削系统中，冷却剂是通过离心力分布在待磨削的半导体晶圆上的，这显然并不总是足够达到所期望的表面质量(平坦度)。
因此，发明人开发了一种设备，借助这种设备，通过多个喷嘴将冷却剂以具有时间和位置分辨率(zeit-als auch )的方式应用到半导体晶圆的正侧和背侧两者是可行的。
图1示意性地示出了适用于在磨削期间在半导体晶圆上施加冷却剂的设备。
通过在向旋转的半导体晶圆和磨削工具之间的接触区域输送冷却剂时借助包含具有高度h的磨削齿的磨削工具以移除材料的方式处理半导体晶圆，发明人成功地改善了用于磨削半导体晶圆的方法。
在磨削的每个瞬间，借助一个或多个喷嘴向半导体晶圆的一侧的第一区域施加第一冷却剂流量。
同时，借助一个或多个喷嘴向该半导体晶圆的该一侧的第二区域施加第二冷却剂流量。
他们发现，尤其优选的是第一区域以半导体晶圆的右下四分之一圆为界而第二区域以左下四分之一圆为界。此外，发明人发现，第一冷却剂流量与第一冷却剂流量和第二冷却剂流量的总和的比值不大于35％且不小于25％是必要的。
优选地，半导体晶圆在磨削加工期间旋转。旋转在顺时针方向上发生，在顺时针方向上旋转旨在表示如在观察到半导体晶圆上的接触区域时所看到的。
第一区域和第二区域在图2中以图形表示。
尤其优选的是半导体晶圆具有300mm的名义直径，而冷却剂流量的总和不小于800ml/min且不大于1200ml/min。
更优选的是以同时移除材料的方式处理半导体晶圆的两侧。
还优选的是，冷却剂流量的总和随着磨削齿的高度h的减小而减小。
图3示出了其中发明人实现了最佳结果的区域。在这种情况下，第一区域是环形扇形区域，其具有环形宽度w、中点和外半径，并且以通过中点的第一直线为界，该第一直线相对于半导体晶圆的竖直对称轴倾斜了角度α，并且此外以通过中点的第二直线为界，该第二直线相对于半导体晶圆的竖直对称轴倾斜了角度β。
在这种情况下，第二区域是从第一区域相对于半导体晶圆的竖直对称轴的反射得出的，中点位于半导体晶圆的竖直对称轴上并且距离半导体晶圆的中点不小于75mm。
所述角度α优选地不小于25°，角度β优选地不小于45°，环形宽度w优选地不小于10mm且不大于25mm，外半径优选地不小于80mm且不大于90mm。
优选地使用水为冷却剂，尽管使用附加地添加剂也是可以设想到的。
通过冷却剂的添加，发现显著改善了晶圆的几何形状。然而，如果在磨削加工期间冷却剂的流动中断，半导体晶圆的几何形状也再次变坏。因此，在磨削期间冷却剂的流动不中断是非常重要的。
Claims (6)
1.一种用于磨削半导体晶圆的方法，
在向旋转的所述半导体晶圆和磨削工具之间的接触区域输送冷却剂时，借助包含具有高度h的磨削齿的所述磨削工具以移除材料的方式加工所述半导体晶圆(20、30)，
在磨削的每个瞬间，借助一个或多个喷嘴(11)向所述半导体晶圆的一侧的第一区域施加第一冷却剂流量，以及
在磨削的每个瞬间，借助一个或多个喷嘴(11)向所述半导体晶圆的所述一侧的第二区域施加第二冷却剂流量，
其中，所述第一区域(22)以所述半导体晶圆的右下四分之一圆为界而所述第二区域(21)以左下四分之一圆为界，以及
所述第一冷却剂流量与所述第一冷却剂流量和所述第二冷却剂流量的总和的比值不大于35％且不小于25％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体晶圆(20、30)具有300mm的名义直径，而冷却剂流量的所述总和不小于800ml/min且不大于1200ml/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
以同时移除材料的方式处理所述半导体晶圆(20、30)的两侧。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
在磨削加工期间旋转所述半导体晶圆，且所述旋转在观察到所述接触区域时在顺时针方向上发生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
冷却剂流量的所述总和随所述高度h的减小而减小。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述第一区域是环形扇形区域，
所述第一区域具有环形宽度w、中点(33)和外半径，
并且以通过所述中点(33)的第一直线为界，
所述第一直线相对于所述半导体晶圆(20、30)的竖直对称轴(35)倾斜了角度α，
并且此外以通过所述中点(33)的第二直线为界，所述第二直线相对于所述半导体晶圆(20、30)的所述竖直对称轴(35)倾斜了角度β，以及
所述第二区域(31)是从所述第一区域(32)相对于所述半导体晶圆(20、30)的所述竖直对称轴的镜像得出的，
所述中点位于所述半导体晶圆(20、30)的所述竖直对称轴(35)上，且距离所述半导体晶圆(20、30)的中点不小于75mm，
所述角度α不小于25°，
所述角度β不小于45°，
所述环形宽度w不小于10mm且不大于25mm，以及
所述外半径不小于80mm且不大于90mm。
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