CN1345465A - 加工半导体晶片用的压力喷射机及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于加工切自单晶晶块的半导体晶片的方法,含有使晶片的正、反面经受一次研磨操作以降低晶片的厚度并除去在晶片受切时产生的损伤的步骤。该晶片然后再经腐蚀操作以进一步降低晶片的厚度和进一步除去在研磨操作后留下的损伤。该晶片接着经受一次双面抛光操作以均匀地从正、反面除去研磨和腐蚀操作产生的损伤,从而改善晶片的平坦性并留下已抛光的正、反两面。最后,晶片的反面要经受一次反面损伤操作以便在正面受到充分保护而避免受到损伤或变粗的情况下在晶片反面引入损伤。本发明的一种压力喷射机包含一个晶片夹具,它把晶片支撑在压力喷射机内使得晶片反面暴露于喷出的磨蚀浆料,正面由夹具相隔开地支撑在该机的一个支撑表面上方以防止该支撑表面和晶片正面之间的损伤性接合。

Description

加工半导体晶片用的压力喷射机及方法

发明背景

本发明总体涉及一种加工半导体晶片用的压力喷射机及方法，尤其涉及一种改进半导体晶片平坦性，同时提供具有抛光的正面和损伤的背面的半导体晶片的压力喷射机及方法，以便接下来的晶片加工中引入外在吸气。

半导体晶片通常由单晶晶块如硅晶块制成，经过修整和研磨使它具有一个或多个平面以便在后来的工序中作成取向合适的晶片。然后把晶块切成单片晶片，它们各自经许多晶片成形或加工工序以便降低晶片厚度，除去切片操作引发的损伤并形成高反射的表面。

在常规的晶片成形工序中，先通过诸如边缘研磨操作把每一片晶片的周边整圆，以降低下一工序中晶片受损的风险。接着，要把相当的一部分材料从每片晶片的正、反面除去以消除切片操作带来的表面损伤，并使相反的正、反两面平坦且平行。材料的去除是使晶片的正、反面通过常规的研磨操作(用含有磨蚀颗粒的研磨浆料)，或常规的磨削操作(用其中嵌有磨蚀颗粒的盘)，甚至研磨、磨削操作两者的组合来完成的。然后，把每一片晶片用化学腐蚀剂腐蚀以进一步减少晶片的厚度，除去研磨和/或磨削操作产生的机械损伤。

最后，把每一片晶片的正面用抛光垫和用一种含有磨蚀颗粒的抛光浆料和一种化学腐蚀剂抛光，从每一片晶片的正面除去少量材料。这种抛光操作可除去腐蚀操作带来的损伤，在每一片晶片上形成高反射且无损伤的正面。

在确定半导体晶片的加工质量中，晶片的平坦性对用户来说是一个关键的参数，因为晶片均匀性对下一步的使用和从晶片切割的半导体芯片的质量有着直接的影响；平坦度可用多种测量方法确定。例如，“锥度”是测量晶片未抛光的反面和选择的焦点平面之间平行度的不足的，“SITR”或Site Total Indicated Reading(位置总体指示数)是指对于晶片一个选择的部分(例如1平方厘米)而言位于选择的焦点平面上的最高点和焦点平面下的最低点之差，它常常是一个正数。“SFPD”或SiteFocal Plane Deviation(位置焦点平面偏差)是指作为晶片的选择部分(例如1平方厘米)其所选定焦点平面上面的最高点或下面的最低点，可以是负数或正数。“TTV”或Total Thickness Variation(总体厚度变化)在整体平坦度偏差的测量中是频繁使用的，它是晶片的最大厚度与最小厚度之差。TTV在晶片中也是晶片抛光质量的一个重要标志。

在晶片平坦性问题上，上述常规的半导体晶片加工方法存在许多缺点。例如，在酸基腐蚀剂中腐蚀通常会使研磨或磨削操作产生的平坦性变坏。此外，单面抛光操作其平坦性能是不一致的，它首先取决于正被抛光的晶片的形状。单面抛光操作是一个单面平面化的工艺，其平坦化能力是有限的。

为了克服这种限制并满足对更均匀的晶片的需求，一种双面抛光操作已成为晶片生产所备选的抛光工艺。在双面抛光操作中，晶片的正、反两面是同时受到抛光的，因而材料的去除是一致地在晶片的两个面上发生的。通常，双面抛光所用的设备含有：在抛光浆料对晶片作业时其旋转方向相反的两片逆向旋转着的垫板(晶片每侧各一个)。虽然，双面抛光操作通常会使正面和几乎不留损伤的反面得到同等的抛光，但发现无法使用户满意，因为在晶片的背面缺少外在吸气部位(extrinsicgettering site)。用户反而情愿晶片有一个抛光过的正面以及一个表面下损伤的反面，以便在接下来的加工操作中去引入外在吸气。

在常规工艺中，晶片的表面必须经过单面抛光操作，而晶片的反面在快速热退火(RTA)以使施主热湮灭以前，如果需要的话，以及在单面抛光以前则必须经过一个损伤操作。RTA倾向于减少原先在反面引入的损伤量，并且在单面抛光操作中也会引入翘曲。

发明概述

在本发明的几个目的中可以注意到，提出了一种可用于改善晶片平坦性的半导体晶片加工方法；提出了这样一种使已处理的晶片各有一个已抛光且通常无损伤的正面，以及一个已充分受到损伤以便在接下来的晶片加工中引入外在吸气的反面的方法；以及提出了一种简单易行的方法。

在本发明进一步的目的中可以注意到，提到了一种压力喷射机，它在晶片的反面被压力喷射而充分受损，以便在接下来的晶片加工中引入晶片的外在吸气，而同时可保护晶片的正面。

一般，按本发明所述的方法在加工从单晶晶块切得的晶片时包括：对晶片的正、反面实施研磨操作，降低晶片厚度，除去切割晶片时带来的损伤。然后对该晶片作腐蚀操作，即把晶片浸入化学腐蚀剂，进一步降低晶片厚度并进一步除去研磨操作后遗留的损伤。接着，该晶片再经过一个双面抛光操作，即同时并均匀地从晶片的正、反面除去些材料以把研磨和腐蚀操作带来的损伤去掉，从而改善晶片的平坦性，留下抛光过的正面和反面。最后，再对晶片的反面实施反面损伤性操作，即正面得到充分保护以避免受损伤或变粗糙的情况下，在晶片的反面引入损伤。

本发明有一个用在压力喷射机上的装置，它通常包含一个晶片夹具，它各有一个上端和下端以便于坐落在压力喷射机的支撑面上，而刻压力喷射机除了有一个用于在机内支撑晶片的晶片支撑面外，还有一个喷嘴，通过它磨蚀浆料可从嘴中喷出射向晶片，至少在晶片的一个表面上引入损伤。该晶片夹具做得可以在其内安放一晶片，通常沿水平方向于压力喷射机支撑面上方一定间距地把晶片支撑起来，晶片的一面朝上并且暴露在从喷嘴中射出的磨蚀浆料之下，而晶片的另一面朝下且被晶片夹具支住，不与压力喷射机的支撑面进行损伤性接合。

本发明的其他目的和特性将会部分地表明并在下文中部分地指出。

附图说明

图1是用于具体表示本发明第一个实施例半导体晶片制造方法的流程图；

图2是用于具体表示本发明第二个实施例半导体晶片制造方法的流程图；

图3是本发明的一个装置用在压力喷射机内支撑机内的晶片的一个示意图。

优选实施方式描述

已经发现，本发明的目的可以按以下操作方式来实现：对半导体晶片实施一种研磨或磨削操作，以及一种腐蚀操作即把晶片完全浸没在一种化学浸蚀剂中，接着再用一种常规的双面抛光操作把晶片的正、反两面抛光以改善其平坦性，然后再实施反面损伤性操作，即在保护正面不再进一步受损伤或变粗糙的情况下，使晶片的反面损伤。尽管本发明所述的方法在这里参照硅结构的半导体晶片予以说明并描述，应当了解：本发明的方法也能适用于其他材料构成的加工晶片，圆片等等而不会超出本发明的范围。

图1说明一种按照本发明所述加工半导体晶片的方法。半导体晶片是用诸如常规的内径锯或常规的线丝锯从一块单晶晶块上切下来的，它有一个预定的原始厚度。切下来的晶片一般呈盘状，有一个圆的周边和相对着的正、反两面。每片晶片的原始厚度大体上要比预期最后或最终厚度大些，以便于下一加工操作中在不冒损伤或断裂晶片的风险下，允许把晶片材料从正、反两面除去。切割后，必须对晶片进行超声清洗，除去因切割操作而附着在晶片上的颗粒状材料。晶片的周边然后用常规的边缘磨床(未示出)成型(如弄圆)，减少下一步加工中晶片受损伤的风险。

接着，晶片在常规的研磨机上用一种含有磨抖颗粒的研磨浆料从晶片的正、反两面除去些材料。研磨操作实际上是用于减少晶片厚度，以便消除晶片切割操作带来的损伤，使正、反面两面平坦且平行。如图1所示，可以用一个常规的磨削操作代替或结合研磨操作，在该研磨操作中，用一个内嵌磨料颗粒的研磨盘来对正、反面进行磨削。然后，该晶片被完全浸没在诸如常规的含有45％(重量比)KOH或NaOH的腐蚀性蚀刻溶液的化学腐蚀剂受到腐蚀，从晶片的正、反两面除去额外的材料，从而减少在前面加工操作中产生的损伤。本领域技术人员将知道，晶片在酸基腐蚀剂中经受一次浸蚀操作倾向于破坏在磨削或研磨操作中达到的晶片平坦性。

在浸没腐蚀后，晶片要放在常规的双面抛光机(未示出)中同时对该晶片的正、反两面抛光，消除前加工操作中产生的损伤。这种常规机器之一是Peter Wolters制造的以Double-Side Polisher AC2000(双面抛光机AC2000)的型号命名的。该机器包含一个旋转的下台板，它有一个由抛光垫限定的抛光面，以及一个坐落在抛光垫上，相对下台板和抛光垫可旋转的载体。这些晶片被支撑在载体上，每一晶片的正面接合于抛光垫。一块第二抛光垫与晶片正面面向相反地装在一上台板上。该上台板与一电机的驱动轴相连，该驱动轴使上台板和抛光垫相对于晶片载体和下台板转动。该驱动轴能沿着纵轴上下移动，它用来把第二抛光垫一直移到与晶片反面相互抛光接合，因而该晶片被夹在两块抛光垫之间。

当双面抛光操作时，一种常规的内含磨料颗粒的抛光浆料和一种化学腐蚀剂被加在这些抛光垫和晶片之间。一种优选的抛光浆料是特拉华州Wilmington的DuPont制造的，具商品名称Syton HT50。这些抛光垫使浆料对晶片两面产生作用，同时而均匀一致地从晶片的正、反面两面除去些材料，以消除研磨和腐蚀操作产生的许多损伤，显著地改善晶片的平坦性，产生出正、反面都抛光的晶片。

由于损伤已从反面以及正面被予以消除，在晶片反面存在少量的吸气部位，这种少量是不希望有的。为此晶片反面必须做一次反面损伤操作，该操作是在晶片反面而不是正面进行，受损伤后为后续处理操作提供晶片外在吸气的吸气部位。在图1所示的第一实施例中，晶片正面用保护层屏蔽并把晶片放到压力喷射机中，在其中晶片反面经受一次常规的压力喷射操作以在晶片反面引入损伤。一种优选的晶片正面掩蔽方法是用一条保护带覆盖在正面上。一种该保护带是Minnesota的Minneapolis的Minnesota Mining and Manufacturing公司生产的，型号命名为3M495。例如，该带厚度最好在0.1-1mm范围内。保护带粘在晶片正面，在反面损伤操作后可以接着取走。

可以预料，除了贴带外，在压力喷射操作时，常规的遮掩技术也可为晶片正面提供一层保护层而不超出本发明范围。例如，光致抗蚀膜也可用在正面上。诸如一种AZ Electronic有限公司制造的光致抗蚀膜，型号命令为AZ1512。薄膜的厚度最好在0.1-0.5mm范围内。另一方面，正面也可涂覆玻璃膜。表面可用玻璃材料涂覆使玻璃在表面上固化。玻璃在反面损伤操作后接着被溶解。一种玻璃材料由密歇根的Midland的Dow Chemical制造，商标名为Cyclotene。玻璃薄膜的厚度最好约在0.1-1mm范围内。

压力喷射操作是把每一晶片放在常规的压力喷射机(未示出)中来完成的。一种优选的压力喷射机是日本Ikuro的Mitsubishi MaterialsCorp生产的型号命名为CO4。晶片放在喷射机的一条移动着的传动带(未示，但与图3中示意地示出的传动带相似)上，晶片已受保护的正面向下卧在传动带上，反面则向上暴露着。晶片移动着通过一个小室，其中从喷嘴中(未示，与图3示意地示出的喷嘴相似)以设定的压力向晶片反面洒出一种由水和磨料颗粒混合物组成的浆料。颗粒以足够的力量对着晶片反面作用以在反面引入损伤。在喷射压力把晶片往下压向传动带时，盖在正面的保护层保护着正面不与压力喷射机传动带损伤接合。喷射浆料中的磨料颗粒优选使用矾土或二氧化硅颗粒，两者皆可从日本的Fujimi Co.获得。例如，颗粒的大小在约1～10微米范围内。浆料内颗粒的浓度接近按重量0.5％～20％。磨蚀浆料被增压到约1-20psi喷向晶片反面，其持续时间约20～200秒。

在反面损伤操作后，保护层从晶片正面去掉。例如，若保护层是保护带则可简单地把它从晶片上剥离。若保护层是光致抗蚀膜，施加化学溶剂从膜上把它溶去。一种优选的溶剂是AZ Electronic Corp制造的，商标名为AZ S-L6 Stripper。玻璃晶片同样可通过把化学溶剂加到膜上的方法来溶解掉。一种优选的溶解玻璃膜的溶剂是由Ohio的Columbus的Ashland Chemical Inc生产的，商标名为HF。然后晶片要进行清洁，最后对晶片正面要进行一次常规的精抛光操作，这是把晶片放在单面抛光机中，晶片正面用常规的内含磨蚀颗粒的抛光浆料抛光，从而制得一片正面无损伤、高反射的晶片。

继续参阅图1，代替在双面抛光操作后对晶片正面使用保护层，在压力喷射时，晶片在传送带(更一般地，压力喷射机的一个“支撑表面”)上以间隔关系放置也可使晶片正面得到保护。这可以避免使正面受到通常是在喷洒时将晶片猛烈地向下压到传送带的压力引起的损伤。图3示意地说明了在压力喷射操作时，位于压力喷射机传送带23上方用于支持晶片W的一种优选的晶片夹具21.压力喷射机的一些具体部件，诸如在滚轴25上的传送带23，和喷嘴27，使之为了描述本发明起见而作了示意性说明，其中内含磨料颗粒和去离子水的磨料浆料就是从喷嘴27中喷射出来的。压力喷射机的制造和操作是常规的，是本领域技术人员公知的，在此不作进一步描述，但晶片夹具21除外必须予以必要描述。

晶片夹具21通常是截头圆锥形，它有一个高端33和一个低端35。晶片夹具21其低端35的直径要显著小于由晶片夹具21支撑着的晶片W的直径。晶片夹具21其高端33的直径要显著大于晶片W的直径以便把晶片容纳入夹具。在晶片夹具21的侧边有一个或多个槽(未示出)从高端33向下延伸，晶片可容易地向下插入到夹具中并使浆料从夹具排出。晶片夹具21最好用聚氨酯或聚丙烯(PP)，聚氯乙烯(PVC)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚苯硫(PPS)，共聚体聚氯乙烯(CPVC)或特氟隆或不锈钢。但是，可以理解，晶片夹具21也可用其他材料制成仍在本发明范围之内。

继续参阅图3，在操作中，晶片夹具21放在压力喷射机的传送带23上，其低端35坐落在压力喷射机的传送带23上。晶片W，或者手动或者自动地，被晶片W的正面向下地经晶片夹具21的高端33下落，一直到晶片坐落于夹具内，使它相隔地位于传送带23和晶片夹具21低端35的上方。在作压力喷射操作时，从嘴27射出的磨料浆料对着晶片W的反面冲击以便在反面引入损伤。晶片夹具21在传送带23上方支撑着晶片以把晶片W的正面保护起来，从而防止高压喷射将晶片压向传送带。因此，晶片正面不会由于接触到传送带而被裂断或受另外的损伤。

图2说明的是本发明工艺的第2个实施例，其中，反面损伤操作是通过把晶片放入一个常规的单面抛光机来实现的。一种优选的压面抛光是由R.Howard Strasbaugh，Inc.。制造的，型号为6DZ。晶片是通过在一个陶瓷块上加一蜡层而固定在该陶瓷块上，晶片的正面粘在块上，因而就可保护正面免受损伤或变粗，同时晶片反面则被暴露着。该块放在机器的转台上，晶片的反面则与一个抛光垫的抛光表面相接触。有一个抛光头装在机器上，它可以沿着一根一直可伸到陶瓷块的轴作纵向移动。

当转盘旋转时，抛光头就向着陶瓷块移动以把该块推向转台，从而压晶片反面使之与抛光垫的抛光表面进行抛光接合。一种含有磨蚀颗粒和去离子水的磨料浆料加到抛光垫和晶片之间。一种优选的磨蚀浆料是由日本Fujimi公司生产的型号为FO1200。存在于浆料中的颗粒是矾土颗粒。但可以理解，二氧化硅颗粒、金刚石颗粒或其他合适的磨蚀颗粒都可以用于代替矾土颗粒、而不超越本发明的范围。抛光垫使浆料对晶片反面进行加工以便在晶片反面引入损伤。为了引入预期的损伤，含在浆料中的颗粒必须在尺寸上显著大于单面抛光操作所用的常规抛光浆料中含的颗粒。例如，内含在磨蚀浆料中的颗粒用于引入损伤时最好在约1-10微米的范围内。颗粒在磨蚀抛光液中的浓度最好在重量比的约0.5～20％之间。

在图2的实施方式中，用一个磨蚀垫去代替抛光垫就不必再使用磨料蚀浆料。一种优选的磨蚀垫是由Minnesota Mining and ManufacturingCompany of Minneapolis，Minnesota生产的商品命名是3M的二氧化铈垫。该磨蚀垫做成有隆起的脊，最好用二氧化铈构成并与垫组成一体。在操作中，陶瓷块受移动向下朝向转台，因此就压晶片反面与磨蚀垫上隆起的脊进行研磨接合以便在晶片反面引入损伤。冷却水加在磨蚀垫和晶片之间。单面抛光机最好在磨蚀压力约小于2psi的条件下持续操作均20-200秒。

在反面损伤操作后，晶片从陶瓷块上脱离并经历常规的清洁操作把晶片弄干净。最后，晶片正面经历常规的精抛光操作以制得一个具有无损伤、高反射的正面的晶片。

实例1

约有十个直径皆约为8英寸的硅半导体晶片按照图2中说明且已如上描述的方法加工。尤其是，在双面抛光操作后，这些晶片经历一个反面损伤操作，在操作中，它们是放在上述单面抛光机中的。一种3M二氧化铈磨蚀垫和水被用于在晶片反面引入损伤。单面抛光机在1.7psi抛光压力下持续工作60秒。对一个晶片的反面进行氧化引起堆垛层错(OISF)计数。OISF是用于确定接下来外在吸气的可能效率的一个测量值。OISF计数在10,000～40,000数/厘米²范围则一般是用户所期望的。被分析的晶片经反面损伤操作后其OISF值约在29700数/厘米²，在所期望范围内。

因此，可以看出，本发明所述几个目的已经达到而且获得了其他有益的结果。

晶片在浸没腐蚀操作后通过双面抛光使晶片的平坦性与常规的只用一种单面抛光方法加工出的晶片的均匀性相比有了显著的改进。使晶片反面经受一次反面损伤操作就可充分地使反面受损以供接下来的外在吸气使用。在反面损伤操作时，作为保持晶片正面的一种方法，可以在压力喷射操作时用保护性涂层来涂覆正面，也可在压力喷射操作时把晶片支撑在压力喷射机传动板上方，或者在单面抛光机中把晶片正面用蜡安装在陶瓷块上，都可使反面引入损伤而通过双面抛光操作正面的平坦性或抛光特性少降或不降。

上述方法可以进行各种修改而不偏离本发明。上述描述和附图所示意在说明而无限制意义。

Claims (10)

1.一种加工切自单晶晶块且具有正、反面的半导体晶片的方法，所述方法依次包含下述步骤：

(a)使晶片的正、反面经受一次研磨操作以降低晶片厚度，除去切割晶片时带来的损伤；

(b)使晶片经受一次腐蚀操作，在该操作中晶片浸在一种化学腐蚀剂中以进一步降低晶片厚度，进一步除去研磨操作后留下的损伤；

(c)使晶片经受一次双面抛光操作，在该操作中材料同时且均匀地从晶片的正、反面除去以便均匀地把研磨和腐蚀操作带来的损伤除去，由此改善晶片的平坦性并留下抛光的正面和反面；以及

(d)使晶片反面经受一次反面损伤操作，在该操作中在晶片反面引入损伤而正面得到充分保护不受损伤或变粗。

2.根据权利要求1的方法，其中反面损伤操作包含下述步骤：

(a)把一个保护层加到晶片正面；

(b)把晶片放在压力喷射机中，而使晶片反面暴露；

(c)操作压力喷射机，把含有磨蚀颗粒的一种浆料喷向晶片反面，颗粒对晶片反面的作用在晶片反面引入损伤，而加在晶片正面的保护层则充分地防止由浆料引起的晶片正面的损伤或变粗。

3.根据权利要求2的方法，其中所述的保护层是保护带、光致抗蚀膜和玻璃薄膜中的任一种。

4.根据权利要求1的方法，其中所述的反面损伤操作包含下列步骤：

(a)把晶片放在压力喷射机中，使晶片的反面暴露着，而晶片则被支撑在压力喷射机中，使其正面基本上不与压力喷射机有任何接合；以及

(b)操作压力喷射机，把含有磨蚀颗粒的一种浆料喷向晶片反面，颗粒对晶片反面的作用在晶片反面引入损伤，而晶片正面的支撑使得正面不与压力喷射机有任何接合，这充分地防止由浆料对正面的损伤或变粗。

5.根据权利要求4的方法，其中所述晶片放置于配置在压力喷射机中的晶片夹具中，该晶片夹具可在压力喷射机支撑面上方以相隔关系支撑晶片，所述用于支撑晶片的晶片夹具使晶片反面面向上且暴露着，晶片正面则面向下并基本上不与压力喷射机的支撑表面接合。

6.根据权利要求1的方法，其中所述反面损伤操作包含如下步骤：

(a)用蜡把晶片正面固定到单面抛光机内使用的块体上；

(b)把该块放在单面抛光机的一个抛光垫上，使晶片反面被暴露并面向该抛光垫，以及

(c)操作该单面抛光机对晶片反面进行研磨，当晶片反面引入损伤时晶片正面得到蜡层和块的充分保护而免受损伤和变粗。

7.根据权利要求6的方法，其中所述的操作单面抛光机对晶片反面作研磨的步骤包括把一种磨蚀浆料加到抛光垫和晶片反面之间，该磨蚀浆料含有大小适合于对晶片反面引入损伤的磨蚀颗粒。

8.根据权利要求6的方法，其中所述的抛光垫是一种研磨垫，它有脊状隆起能够在单面抛光机作业时在晶片反面引入损伤。

9.一种用于加工具有一个正面和一个反面的晶片的压力喷射机，该压力喷射机包括：

一个用于在压力喷射机内支撑晶片的支撑表面；

一个用于在足够的压力下向晶片喷射磨蚀浆料以便在晶片上引入损伤的喷嘴；以及

一个晶片夹具，它有一个高端和一个适合于坐落于压力喷射机支撑表面上的低端，该晶片夹具做得能把晶片安装在它里面，并且在压力喷射机支撑表面上方以相间隔的关系沿基本水平方向支撑起该晶片，使得晶片的一个表面面向上方暴露于从喷嘴中喷射出的磨蚀浆料，晶片的另一表面则面向下被晶片夹具支撑着以避免与压力喷射机的支撑表面损伤性接合。

10.根据权利要求6所提出的一种压力喷射机，其中该晶片夹具基本是截头圆锥形，晶片夹具低端的直径要明显小于晶片的直径，以便晶片得以在压力喷射机支撑表面和晶片夹具低端的上方以相隔开的关系放入晶片夹具内，晶片夹具高端的直径明显大于晶片的直径以用于把晶片装入到晶片夹具中去。

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