CN208289705U - 一种硅片背面抛光用装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于半导体制造技术领域，具体涉及一种硅片背面抛光用装置及利用该装置的抛光方法。该装置包括多片式抛光机和供浆系统，所述多片式抛光机通过浆料管道与供浆系统连接；所述供浆系统包括分别与供浆桶连接的冷却水箱和pH调节箱；其中供浆桶内设有冷却盘管，同时供浆桶内、冷却盘管上方设置有环形注水管；环形注水管与供浆桶外的进水管连接。抛光方法包括：制作抛光浆、安装硅片、抛光操作等步骤。本申请通过对硅片背面进行微抛处理，有效降低了硅片背面的粗糙度，提升抛光均匀性，一定程度上解决了现有化学试剂蚀刻处理造成的粗糙度较高、均匀性差异较大的技术问题，因而具有较好的应用价值。

Description

一种硅片背面抛光用装置

技术领域

本申请属于半导体制造技术领域，具体涉及一种硅片背面抛光用装置及利用该装置的抛光方法。

背景技术

半导体用硅片是集成电路制造最底层之原料，其制造工艺主要包括长晶、切片、倒角、研磨、蚀刻、抛光、清洗等过程。随着半导体集成电路技术的快速发展，半导体器件特征尺寸的显著减小，芯片制造商对硅片质量的要求也越来越高。而抛光工艺作为硅片制造中的重要环节，其加工精度直接影响最终产品性能参数。现有常用的硅片表面抛光方式为化学机械抛光(CMP)，它是一种利用抛光液进行抛光的多步工艺过程。抛光液主要是由磨粒和化学液(例如碱)组成，具体抛光时将硅片安放固定在可旋转的转动台上，用压片、毛刷或海绵制成的抛光头压在旋转硅片的表面进行抛光。抛光工艺中，转动台的旋转速度、压片压力、抛光时间、抛光液组成、抛光液的 pH 值和抛光过程中的温度等工艺参数，对最终硅片成品的表面平坦度、粗糙度以及形貌都有着直接的影响。

现有技术中，硅片的抛光主要分为单面抛光和双面抛光两类，而单面抛光硅片之背面又可分为两大类：一种为包含氧化层硅片，另一种为不含氧化层硅片。其中不含氧化层硅片在应用于半导体器件制作时常需要进行HDPCVD(High Density Plasma ChemicalVapor Deposition，高密度等离子体化学气相沉积)生长金属层间介电质(IMD)及钝化，而为了获得较好的钝化和背反射效果，在生长金属层间介电质(IMD)及钝化之前，需要对硅片背表面进行平坦化处理。现有的硅片背面处理方法主要是采用化学试剂蚀刻处理，依照蚀刻方法不同可分为：酸蚀刻硅片、碱蚀刻硅片，但是经酸碱蚀刻后的硅片背表面往往粗糙度较高，均匀性差异较大，这已越来越不能满足半导体集成电路的制造需求。另一方面，硅片背面的粗糙度差异在HDPCVD制造过程中常会引起半导体原件背温过高或过低，从而使得半导体原件产生缺陷，严重影响产品质量，更有甚者导致产品报废。基于上述问题，如何进一步提高硅片背面洁净度，提升硅片的抛光均匀性，防范因硅片背面粗糙度问题造成的背温异常，降低硅片背温异常而导致的硅片缺陷和报废风险等缺陷问题，具有十分重要的应用意义。

发明内容

本申请主要目的在于提供一种硅片背面抛光用装置及利用该装置的抛光方法，从而能够一定程度上克服现有化学试剂蚀刻处理造成的粗糙度较高、均匀性差异较大的技术缺陷。

本申请所采取的技术方案详述如下。

一种硅片背面抛光用装置，该装置包括多片式抛光机和供浆系统，所述多片式抛光机通过浆料管道与供浆系统连接；

所述供浆系统包括分别与供浆桶连接的冷却水箱和pH调节箱；

其中供浆桶内设有冷却盘管，同时供浆桶内、冷却盘管上方设置有环形注水管；环形注水管与供浆桶外的进水管连接；

所述环形注水管上，设有若干注水孔；

供浆桶上部还设有pH监测器和温度监测器，并且pH监测器和温度监测器分别与设有控制系统的PLC控制板连接，并将监测结果反馈给控制系统；PLC控制板同时分别与冷却水箱和pH调节箱连接，依据pH监测器和温度监测器反馈的监测结果，由控制系统调节冷却水箱内冷却水的流动和pH调节箱内pH调节药剂的应用。

具体运行时，当抛光机对硅片背面进行抛光操作时，由供浆桶供给抛光浆，而依据pH监测器和温度监测器的监测，由PLC控制板实时控制和调节抛光浆液的温度和pH，从而减少抛光浆液波动对抛光质量的影响。

利用所述硅片背面抛光用装置的硅片背面抛光方法，具体包括如下步骤：

（1）制作抛光浆，然后注入硅片背面抛光用装置中的供浆系统待用；

所述抛光浆，由抛光浆A、抛光浆B与超纯水混合而成，以体积比计，抛光浆A：抛光浆B：超纯水=0.8~1.2:0.8~1.2：60，优选比例为，抛光浆A：抛光浆B：超纯水=1:1：60；

所述抛光浆A为水剂，以质量百分含量计，其中含有大粒径SiO₂磨料8~12%，NH₄OH0.5~1.2%，同时抛光浆A性能要求为：浆液比重为1.210~1.510g/cm³，黏度为8~12CP；

所述大粒径SiO₂磨料中SiO₂磨粒粒径为40~55nm；

所述抛光浆A，具体例如为：大粒径SiO₂磨料10wt%，NH₄OH 1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为1.310 g/cm³，粘度为10CP，其中大粒径SiO₂磨料中SiO₂磨粒的平均粒径为50nm；

所述抛光浆B为水剂，以质量百分含量计，其中含有小粒径SiO₂磨料8~12%，NH₄OH0.5~1.2%，同时抛光浆B性能要求为：浆液比重为0.852~1.252 g/cm³，黏度为20~28CP；

所述小粒径SiO₂磨料中SiO₂磨粒粒径为25~35nm；

所述抛光浆B，具体例如为：小粒径SiO₂磨料SiO₂ 10wt%，NH₄OH 1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为1.052 g/cm³，粘度为24.5CP，其中小粒径SiO₂磨料中磨粒平均粒径为30nm；

（2）在硅片背面抛光用装置上安装硅片

将硅片以水吸附方式吸附于抛光模板上，将抛光模板贴附于硅片背面抛光用装置上的抛光盘上；

所述硅片为经过酸碱蚀刻后的不含氧化层硅片；（具体例如为：采用直拉法生长的200mm硅片类型）

所述抛光模板，优选采用橡胶材质制备而成；

（3）抛光操作

利用硅片背面抛光用装置中抛光机上的抛光头上进行背面抛光；抛光过程中，由硅片背面抛光用装置中的供浆系统提供抛光用抛光浆，并由供浆系统控制抛光浆的温度和pH；

抛光完成后用水卸除硅片并用清水（优选采用超纯水）对硅片进行清洗；

具体抛光过程中，抛光浆的温度控制为21℃~23℃；抛光浆的pH=10.5~11.5；调节pH时优选采用KOH溶液进行调节；

抛光过程中，采用低抛头转速、低抛头压力和低大盘转速，具体工艺参数设置为：抛头速度为5~10RPM，抛头压力为10~20PSI，大盘转速为5~10RPM，抛光时间为100~400秒。

本申请所提供的硅片背面抛光用装置，相较于现有的通用型的抛光机，进一步改进了供浆系统，使得可以更加便捷和稳定的调整和控制抛光浆液的温度和监测抛光浆液的pH，从而有利于提升硅片抛光的均匀性；另一方面，相较于常规的单管式进水，本申请通过采用环形注水方式，可以实现在更换浆料同时自动清洗桶壁，从而防止浆料结晶现象的发生的技术效果，这样既保证了抛光质量，又提高了抛光效率。

本申请配合硅片背面抛光用装置的设计，对抛光方法同时进行了进一步的改良。相较于现有的硅片背表面化学试剂蚀刻处理方式，本申请能够能有效提高硅片背表面的质量，提升硅片抛光的均匀性，解决单面抛光硅片化学试剂蚀刻处理后造成的背面粗糙度过大之问题，从而大大降低了因硅片背面粗糙度问题造成的背温异常而导致的硅片缺陷和报废风险。

总体而言，本申请通过抛光浆液配方的改良、和重新设计，同时通过对抛光温度的优化调整，降低了抛光浆pH 和温度的漂移对抛光效果的影响；另一方面，通过对抛光工艺参数的优化调整，通过调整抛光机的抛光压力和转速，有效降低了硅片抛光过程中硅片背表面几何参数变差的程度，既提高了抛光效果和生产效率，又提高产品的成品率。总之，本申请通过对硅片背面进行微抛处理，有效降低了硅片背面的粗糙度，提升抛光均匀性，一定程度上解决了现有化学试剂蚀刻处理造成的粗糙度较高、均匀性差异较大的技术问题，因而具有较好的应用价值。

附图说明

图1为本申请所提供抛光装置的结构示意图；

图2为本申请所提供抛光装置冷却盘管的局部放大图；

图3为光泽度测量位置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请做进一步的解释说明。在介绍具体实施例前，需要说明的是，下述实施例中抛光操作时采用德国皮特沃尔斯（Peter Wolters）公司的抛光机进行相关操作。

实施例1

如图1、图2所示，本申请所提供硅片背面抛光用装置，该装置包括多片式抛光机1和供浆系统，所述多片式抛光机1通过浆料管道与供浆系统连接；

所述供浆系统包括分别与供浆桶2连接的冷却水箱5和pH调节箱4；

其中供浆桶2内设有冷却盘管6，同时供浆桶2内、冷却盘管6上方设置有环形注水管9；环形注水管9与供浆桶2外的进水管10连接；

所述环形注水管9上，设有若干注水孔11；

供浆桶2上部还设有pH监测器7和温度监测器8，并且pH监测器7和温度监测器8分别与设有控制系统的PLC控制板3连接，并将监测结果反馈给控制系统；PLC控制板3同时分别与冷却水箱5和pH调节箱4连接，依据pH监测器7和温度监测器8反馈的监测结果，由控制系统调节冷却水箱5内冷却水的流动和pH调节箱4内pH调节药剂的应用。

具体运行时，当抛光机对硅片背面进行抛光操作时，供浆桶2中的抛光浆液通过浆料管道流入抛光机中；抛光过程中，依据pH监测器和温度监测器的实时监测，由PLC控制板实时调节和控制冷却水箱5内冷却水的流动和pH调节箱4内pH调节药剂的应用，从而确保抛光浆液的温度和pH的稳定，进而减少抛光浆液波动（浆液参数的漂移）对抛光质量的影响。

另一方面，在需要更换新的抛光浆液时，去离子水由进水管道10流入环形注水管9中，然后通过注水孔11流出对供浆桶2桶壁进行清洗，相较于常规的单管式进水方式，这种清洗方式一方面可以实现自动式的清洗，另一方面，可有效防止浆料结晶的发生，从而确保抛光质量的稳定。

实施例2

利用实施例1所提供的硅片背面抛光用装置，对部分硅片样品进行了实际的抛光操作，具体过程简要介绍如下。

（1）制作抛光浆，然后注入硅片背面抛光用装置中的供浆系统中待用；

所述抛光浆，由抛光浆A、抛光浆B与超纯水混合而成，以体积比计，抛光浆A：抛光浆B：超纯水=1:1:60；

所述抛光浆A为水剂，以质量百分含量计，其中含有大粒径SiO₂磨料10wt%，NH₄OH1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为1.210 g/cm³，粘度为8CP，其中大粒径SiO₂磨料中SiO₂磨粒的平均粒径为40nm；

所述抛光浆B为水剂，以质量百分含量计，其中含有小粒径SiO₂磨料SiO₂ 10wt%，NH₄OH 1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为0.852 g/cm³，粘度为20CP，浆液中磨粒平均粒径为25nm。

（2）在硅片背面抛光用装置上安装硅片

将三片硅片样品以水吸附方式吸附于抛光模板上，将抛光模板贴附于硅片背面抛光用装置上的抛光盘上；

所述硅片为经过酸碱蚀刻后的不含氧化层硅片；（硅片类型为：直拉法生长的200mm硅片）

所述抛光模板，采用橡胶材质制备而成。

（3）抛光操作

利用硅片背面抛光用装置中抛光机上的抛光头上进行背面抛光；抛光过程中，由硅片背面抛光用装置中的供浆系统提供抛光用抛光浆，并由供浆系统控制抛光浆的温度和pH；

抛光完成后用水卸除硅片并用超纯水对硅片进行清洗，并对抛光后硅片粗糙度进行检测；

具体抛光过程中，抛光浆的温度控制为21℃；抛光浆的pH=10.5（利用KOH水溶液进行调节）；抛光过程中，采用低抛头转速、低抛头压力和低大盘转速，具体工艺参数设置为：抛头速度为5RPM，抛头压力为10PSI，大盘转速为5RPM，抛光时间为100秒。

实施例3

本实施例对硅片样品抛光操作同实施例2，仅调整部分工艺参数如下：

步骤（1）中：

所述抛光浆A为水剂，以质量百分含量计，其中含有大粒径SiO₂磨料10wt%，NH₄OH1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为1.310 g/cm³，粘度为10CP，其中大粒径SiO₂磨料中SiO₂磨粒的平均粒径为50nm；

所述抛光浆B为水剂，以质量百分含量计，其中含有小粒径SiO₂磨料SiO₂ 10wt%，NH₄OH 1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为1.052 g/cm³，粘度为24.5CP，浆液中磨粒平均粒径为30nm；

抛光浆A：抛光浆B：超纯水=1:1:60；

步骤（3）中：

抛光浆的温度控制为22℃；抛光浆的pH=11；

抛光过程中，抛头速度为8RPM，抛头压力为15PSI，大盘转速为8RPM，抛光时间为200秒。

实施例4

本实施例对硅片样品抛光操作同实施例2，仅调整部分工艺参数如下：

步骤（1）中：

所述抛光浆A为水剂，以质量百分含量计，其中含有大粒径SiO₂磨料10wt%，NH₄OH1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为1.510 g/cm³，粘度为12CP，其中大粒径SiO₂磨料中SiO₂磨粒的平均粒径为55nm；

所述抛光浆B为水剂，以质量百分含量计，其中含有小粒径SiO₂磨料SiO₂ 10wt%，NH₄OH 1wt%，H₂O 89wt%，浆液比重为1.252 g/cm³，粘度为28CP，浆液中磨粒平均粒径为35nm；

抛光浆A：抛光浆B：超纯水=1:1:60；

步骤（3）中：

抛光浆的温度控制为23℃；抛光浆的pH=11.5；.

抛光过程中，抛头速度为10RPM，抛头压力为20PSI，大盘转速为10RPM，抛光时间为400秒。

粗糙度检测

取部分硅片样品，分为4个实验组，第一组作为空白对照，不进行抛光处理，第二组仅采用抛光浆A进行抛光处理（其他处理方式同实施例2操作），第三组仅采用抛光浆B进行抛光处理（其他处理方式同实施例2操作），第四组采用实施例2中抛光方式进行处理。

抛光完成后，利用60°光泽度仪对硅片的光泽度变化情况进行检测（检测点包括硅片中心和边缘上四点，具体检测位置参考图3所示），以判定硅片的粗糙度。

具体检测结果如下表1所示：

表中：WTW为同批次硅片中各中心点的光泽度最大差值，WIW同批次硅片中每片硅片的5点光泽度最大差值。

众所周知，光泽度值越大则粗糙度值越小，因此从表1检测结果可以看出：针对酸碱蚀刻后的不含氧化层硅片，利用本申请提供的装置及抛光方法可较好进一步提高其抛光质量和光泽度。

Claims (3)

1.一种硅片背面抛光用装置，其特征在于，该装置包括多片式抛光机和供浆系统，所述多片式抛光机通过浆料管道与供浆系统连接；

所述供浆系统包括分别与供浆桶连接的冷却水箱和pH调节箱；

其中供浆桶内设有冷却盘管，同时供浆桶内、冷却盘管上方设置有环形注水管；环形注水管与供浆桶外的进水管连接。

2.如权利要求1所述硅片背面抛光用装置，其特征在于，供浆桶上部设有pH监测器和温度监测器，并且pH监测器和温度监测器分别与设有控制系统的PLC控制板连接；PLC控制板同时分别与冷却水箱和pH调节箱连接。

3.如权利要求1所述硅片背面抛光用装置，其特征在于，所述环形注水管上，设有若干注水孔。