DE10036690A1

DE10036690A1 - Doppelseiten-Polierverfahren

Info

Publication number: DE10036690A1
Application number: DE2000136690
Authority: DE
Inventors: Guido Wenski; Thomas Altmann
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2002-01-31

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Doppelseiten-Polierverfahren, bei dem Halbleiterscheiben mit einer bestimmten Dicke zwischen zwei sich drehenden Poliertellern in Aussparungen von Läuferscheiben geführt werden. Es werden mindestens 12 Halbleiterscheiben mit einer mittleren Eingangsdicke bei einem Materialabtrag von maximal 45 mum gleichzeitgig poliert, wobei der Unterschied in der mittleren Eingangsdicke der Halbleiterscheiben gleich oder weniger als 4 mum beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Doppelseiten-Polierverfahren für Halbleiterscheiben, die insbesondere in der Industrie zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente Verwendung finden.

Eine Halbleiterscheibe für die Verwendung in der Halbleiter industrie muss eine hohe Ebenheit aufweisen, insbesondere um den Anforderungen von Belichtungs- und CMP-Prozessen (cmp bedeutet chemical mechanical polishing) zur Herstellung integrierter Schaltkreise Rechnung zu tragen. Die vielfach spezifizierte lokale Ebenheit in allen Teilbereichen einer Halbleiterscheibe wird dabei meist durch das Ebenheitsmaß SFQR angegeben, das den Bereich der größten Abweichung von einer lageoptimierten Referenzebene einer Bauelementefläche beinhaltet; die Größe SFQR_max gibt den höchsten SFQR-Wert für alle Bauelementeflächen auf einer bestimmten Scheibe an. Eine allgemein anerkannte Faustregel besagt, dass der SFQR_max-Wert einer Scheibe gleich oder kleiner der auf dieser Scheibe mög lichen Linienbreite von darauf herzustellenden Halbleiterbau elementen sein muss.

Die endgültige Ebenheit einer Halbleiterscheibe wird durch einen Polierprozess erzeugt. Konventionelle Einseiten-Polier verfahren genügen nicht mehr den verschärften Anforderungen in Bezug auf die Geometrie der Halbleiterscheiben. Aus diesem Grunde wurden Apparate und Verfahren zum gleichzeitigen Polieren von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe nach dem so genannten Doppelseiten-Polierverfahren bereitgestellt und weiterentwickelt, die heutzutage insbesondere zur techni schen Fertigung von Halbleiterscheiben mit Durchmessern von 200 mm und 300 mm zunehmend Verbreitung finden. Die Halbleiter scheiben werden dabei in Läuferscheiben aus Metall oder Kunst stoff, die über geeignet dimensionierte Aussparungen verfügen, auf einer durch die Maschinen- und Prozessparameter vorbestimm ten Bahn zwischen zwei rotierenden, mit einem Poliertuch beleg ten Poliertellern in Gegenwart eines Kieselsols bewegt und da durch unter Erzeugung einer hohen Planparallelität poliert.

Ein Doppelseiten-Polierverfahren zur Erzielung verbesserter Ebenheiten ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem Akten zeichen DE 199 05 737.0 beschrieben, das sich dadurch auszeich net, dass die Dicke der fertig polierten Halbleiterscheiben nach einem bevorzugten Materialabtrag von 10 bis 60 µm um be vorzugt um 2 bis 20 µm größer ist als die Dicke der eingesetz ten Läuferscheiben. Bei typischen Polierabträgen von 40 bis 50 µm konnten nach diesem Verfahren 200-mm- und 300-mm-Silici umscheiben mit SFQR_max-Werten in der Größenordnung von 0,10 µm hergestellt werden. Allerdings hat sich bei der Anwendung des angegebenen Verfahrens in der großtechnischen Herstellung von Siliciumscheiben gezeigt, dass neben dem Auftreten der genannt niedrigen SFQR_max-Werte immer wieder auch Scheiben mit signifikant schlechteren lokalen Geometriedaten, beispielsweise SFQR_max-Werte in der Größenordnung von 0,15 µm, auftreten, die für Halbleiter-Bauelementeprozesse mit Linienbreiten von 0,13 µm nicht eingesetzt werden können.

Es war daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Doppelsei tenpolitur von Halbleiterscheiben bereitzustellen, welches durch Vermeidung des geschilderten Nachteils zu erhöhten Aus beuten an Scheiben mit hoher lokaler Ebenheit führt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Doppelseiten-Polierverfahren, bei dem Halbleiterscheiben mit einer bestimmten Dicke zwischen zwei sich drehenden Poliertellern in Aussparungen von Läufer scheiben geführt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens 12 Halbleiterscheiben mit einer mittleren Eingangssdicke bei einem Materialabtrag von maximal 45 µm gleichzeitig poliert werden, wobei der Unterschied in der mittleren Eingangssdicke der Halbleiterscheiben gleich oder weniger als 4 µm beträgt.

Ausgangsprodukt des Verfahrens sind durch Aufsägen eines Halb leiterkristalls hergestellte Halbleiterscheiben mit verrundeten Kanten, die einem oder mehreren der Prozessschritte Läppen, Schleifen, Ätzen und Polieren unterzogen wurden. Endprodukt des Verfahrens sind doppelseitenpolierte Halbleiterscheiben mit hohen lokalen Ebenheiten, die auf Grund hoher Ausbeuten im großtechnischem Maßstab den nach dem Stand der Technik her gestellten Halbleiterscheiben bezüglich ihrer Herstellkosten überlegen sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell zur Herstellung eines scheibenförmigen Körpers eingesetzt werden, der aus einem Material besteht, welches mit dem eingesetzten chemo-mechani schen Doppelseiten-Polierverfahren bearbeitet werden kann. Der artige Materialien sind zum Beispiel Silicium, Silicium/Germa nium, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und Galliumarsenid. Die Verwendung einkristalliner Siliciumscheiben ist besonders be vorzugt und Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung.

Die durch Aufsägen eines Silicium-Einkristalls und Verrunden der Kanten erzeugten Siliciumscheiben können vor der Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Doppelseiten-Polierverfahrens ver schiedenen abtragenden Prozessschritten unterzogen werden, deren Ziel die Verbesserung der Scheibengeometrie und die Ent fernung von gestörten Oberflächenschichten und Verschmutzung ist. Geeignete Verfahren sind Läppen, Schleifen und Ätzen. Auch Scheiben mit polierten Oberflächen können dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen werden.

Die angelieferten Siliciumscheiben zeichnen sich durch eine durch die Vorprozesse bedingte Dickenstreuung aus. Diese Di ckenstreuung, die beispielsweise durch eine Geometriemessung oder durch Anwendung eines mechanischen oder nach einem opti schen Messprinzip arbeitenden Tasters quantifizierbar ist, kann beispielsweise die Streuung der Dicken-Mittelwerte, der Zent rumsdicken oder der Minimum/Maximum-Werte betreffen. Bei Aus führung der Erfindung können alle der genannten Arten von Mit telwerten dann Verwendung finden, wenn die Dickenunterschiede innerhalb einer Scheibe vor der Politur einen gewissen Wert, beispielsweise 3 µm, nicht überschreiten. Ansonsten ist es sinnvoll, die Dicken-Mittelwerte zur erfindungsgemäßen Begren zung der Dickenstreuung innerhalb einer Polierfahrt zu verwen den.

Erfindungsgemäß müssen zur Erzeugung hoher Ebenheiten bei der Doppelseitenpolitur drei wesentliche Bedingungen erfüllt sein:
(1) Der zulässige Materialabtrag bei der Politur beträgt maximal 45 µm. Ein Materialabtrag zwischen 5 und 40 µm ist bevorzugt. (2) Die Anzahl der gleichzeitig polierten Siliciumscheiben beträgt mindestens 12. Eine Ausführung des Verfahrens unter gleichzeitiger Politur von 15 bis 30 Scheiben ist bevorzugt. (3) Die Streuung der Dickenwerte der zur Doppel seitenpolitur angelieferten Scheiben beträgt für die mindestens 12 gleichzeitig zu polierenden Scheiben maximal 4 µm (ent spricht ±2 µm, bezogen auf den Mittelwert dieser für eine Po lierfahrt eingesetzten Scheibengruppe). Eine maximale Streuung von 2 µm (entspricht ±1 µm) ist dabei besonders bevorzugt.

Die Begrenzung der Streuung der Scheibendicken vor der Politur kann dabei prinzipiell auf zwei verschiedene Arten realisiert werden. Zum einen kann die Prozessführung zur Herstellung des Vorproduktes so gewählt werden, dass die zur Politur angelie ferten Scheiben innerhalb der Streubreite liegen. Prozessabfol ge und Materialabträge können dabei individuell auf die gefor derte Dickenstreuung abgestimmt werden. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die angelieferten Scheiben gemäß ihrer Dicke zu sortieren und Polierfahrten zusammenzustellen, die aus Scheiben bestehen, die innerhalb der geforderten Streubreite liegen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Polierschrittes kann eine handelsübliche Doppelseitenpoliermaschine geeigneter Größe verwendet werden. Die Poliermaschine besteht im Wesentlichen aus einem frei horizontal drehbaren unteren Polierteller und einem frei horizontal drehbaren oberen Polierteller, die beide mit jeweils einem Poliertuch bedeckt sind, und erlaubt unter kontinuierlicher Zuführung eines alkalischen Poliermittels das beidseitige abtragende Polieren von Siliciumscheiben. Die Sili ciumscheiben werden dabei durch Läuferscheiben, die über aus reichend dimensionierte Aussparungen zur Aufnahme der Silici umscheiben verfügen, während des Polierens auf einer durch Maschinen- und Prozessparameter bestimmten geometrischen Bahn gehalten.

Die Läuferscheiben sind beispielsweise mit einer Triebstock- Stiftverzahnung oder einer Evolventenverzahnung mit der Polier maschine über einen sich drehenden inneren und einen sich in der Regel gegenläufig drehenden äußeren Stift- oder Zahnkranz in Kontakt und werden dadurch in eine rotierende Bewegung zwi schen den beiden Poliertellern versetzt. Besonders bevorzugt ist der gleichzeitige Einsatz von vier bis sechs ebenen Läu ferscheiben aus rostfreiem Chromstahl gemäß der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 100 23 002.4, die mit jeweils mindestens drei Siliciumscheiben belegt sind, deren Kanten durch Polymerauskleidungen in den Aussparungen geschützt sind. Beispielsweise ist es im Rahmen der Erfindung möglich, 30 Siliciumscheiben des Durchmessers 200 mm (verteilt auf 5 Läu ferscheiben mit je 6 Siliciumscheiben) oder 15 Siliciumscheiben des Durchmessers 300 mm (verteilt auf 5 Läuferscheiben mit je 3 Siliciumscheiben) auf einer handelsüblichen Polieranlage geeig neter Größe gleichzeitig zu polieren. Die Enddicke der polier ten Scheiben ist bevorzugt zwischen 2 und 20 µm größer, als die Läuferscheibendicke, um eine Verschlechterung der lokalen Geometriewerte im Randbereich der Siliciumscheiben zu verhin dern.

Der bevorzugte Durchmesser der zu polierenden Siliciumscheiben liegt zwischen 150 und 300 mm. Im Rahmen der heutigen Spezifi kationen seitens der Bauelementehersteller betrifft dies die Durchmesser 150 mm, 200 mm und 300 mm. Jedoch sind auch Zwi schengrößen sowie geringfügig höhere oder niedrigere Durch messer möglich. Bei deutlich geringeren Durchmessern wäre die gleichzeitig zu polierende Stückzahl in der Regel zu hoch, um einen zügigen Be- und Entladevorgang zu erlauben; bei größeren Durchmessern, beispielsweise 400 mm oder 450 mm, kann der er findungsgemäße Prozess prinzipiell ausgeführt werden, jedoch führt die Forderung nach mindestens 12 gleichzeitig zu polie renden Scheiben zu bisher nicht realisierbaren Poliermaschinen dimensionen.

Im Rahmen der gemachten Ausführungen wird der Doppelseiten-Po lierschritt in der dem Fachmann bekannten Art und Weise durch geführt. Bevorzugt wird mit einem handelsüblichen Polyurethan- Poliertuch einer Härte zwischen 60 und 90 (Shore A) poliert, das über eingearbeitete Polyesterfasern verfügen kann. Im Falle der Politur von Siliciumscheiben empfiehlt sich die kontinuier liche Zuführung eines Poliermittels mit einem durch Alkalizu sätze eingestellten pH-Wert von 9 bis 12 aus 1 bis 10 Gew.-% SiO₂ in Wasser.

Die Siliciumscheiben werden nach Beendigung der Politur gegebe nenfalls von anhaftendem Poliermittel gereinigt und getrocknet und können anschließend auf einem handelsüblichen, beispiels weise kapazitiv oder optisch arbeitenden Geometriemessgerät hinsichtlich ihrer lokalen Geometrie SFQR vermessen werden. Ab hängig von ihrer weiteren Bestimmung kann es notwendig sein, die Scheibenvorderseite einer Endpolitur nach dem Stand der Technik zu unterziehen, beispielsweise mit einem weichen Po liertuch unter Zuhilfenahme eines alkalischen Poliersols auf SiO₂-Hasis; zum Erhalt der im erfindungsgemäßen Polierschritt erzeugten sehr niedrigen und gleichmäßig verteilten lokalen Geometriewerte sollte der Siliciumabtrag von der Scheibe dabei relativ niedrig sein und beispielsweise zwischen 0,1 µm und 0,7 µm liegen.

Der erfindungsgemäße Doppelseiten-Polierprozess ermöglicht die Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silicium, welche die An forderungen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen mit Linienbreiten gleich oder kleiner 0,13 µm erfüllen. Überra schend und nicht zu erwarten ist, dass eine Begrenzung der zu lässigen Streuung der Eingangsdickenwerte gleichzeitig polier ter Siliciumscheiben die Ausbeute an derartigen Scheiben im Rahmen einer großtechnischen Fertigung steigert.

Beispiele Vergleichsbeispiel 1

Für dieses Beispiel standen Siliciumscheiben, die kantenverrun det, geschliffen und sauer geätzt waren, mit einem Durchmesser von 200±0,1 mm im Produktionsmaßstab zur Verfügung. Die mittle re Dicke betrug 750 µm bei einer zulässigen Dickenschwankung von ±4 µm innerhalb von vorsortierten Gruppen zu je 30 Scheiben für jeweils eine Polierfahrt. Außerdem waren fünf Läuferschei ben aus rostfreiem Chromstahl mit einer mittleren Dicke von 720±2 µm vorhanden, die über jeweils sechs kreisförmige, in gleichen Abständen auf einer Kreisbahn angeordnete, mit Polymer ausgekleidete Aussparungen vom Innendurchmesser 200,5 mm verfüg ten und die gleichzeitige Politur von 30 Siliciumscheiben auf einer Doppelseiten-Poliermaschine des Typs AC2000 von Fa. Peter Wolters ermöglichten.

Der Doppelseitenpolierschritt wird mit einem Poliertuch SUBA500 von Fa. Rodel, welches jeweils auf dem oberen und dem unteren Polierteller aufgeklebt ist, unter Verwendung eines durch K₂CO₃- und KOH-Zugaben auf einen pH-Wert von 11,2 eingestellten Po liermittels mit einem SiO₂-Feststoffgehalt von 3 Gew.-% bei einer Abtragsrate von 0,7 µm/min durchgeführt. Die Silicium scheiben werden nach Beendigung der Politur gereinigt, ge trocknet und hinsichtlich ihrer lokalen Geometrie charakteri siert. Insgesamt wurden 900 Siliciumscheiben bei einem mittle ren Abtrag von 25 µm poliert. Für das lokale Ebenheitsmaß SFQR_max ergab sich bei Bauelementeflächen von 25 mm × 25 mm für diese Gruppe von Scheiben die Verteilung 0,12±0,04 µm.

Beispiel 1

Es wurden 200-mm-Siliciumscheiben poliert wie in Vergleichsbei spiel 1 beschrieben mit dem Unterschied, dass die Dickenschwan kung der zur Doppelseitenpolitur angelieferten Gruppen von je 30 Scheiben durch Vorsortieren auf ±1 µm reduziert wurde. Unter diesen Voraussetzungen wurden 1500 Siliciumscheiben bei einem mittleren Abtrag von 25 µm poliert. Für das lokale Ebenheitsmaß SFQ_max ergab sich für diese Gruppe von Scheiben ein signifikant besserer Wert von 0,08±0,02 µm.

Vergleichsbeispiel 2

Es wird vorgegangen wie in Vergleichsbeispiel 1 beschrieben mit folgenden Unterschieden: Der Durchmesser der zu polierenden Siliciumscheiben betrug 300±0,1 µm, ihre mittlere Dicke 805 µm bei einer zulässigen Abweichung innerhalb von Gruppen zu je 15 Scheiben von ±3 µm. Die Läuferscheiben besaßen eine Dicke von 770±2 µm und verfügten über jeweils drei kreisförmige, in glei chen Abständen auf einer Kreisbahn angeordnete Aussparungen vom Innendurchmesser 301 mm und ermöglichten die gleichzeitige Po litur von 15 300-mm-Siliciumscheiben auf der AC2000-Anlage. Es wurden 750 Siliciumscheiben bei einem mittleren Abtrag von 30 µm poliert. Für das lokale Ebenheitsmaß SFQR_max ergab sich für diese Gruppe von Scheiben 0,13±0,04 µm.

Beispiel 2

Es wurden 300-mm-Siliciumscheiben poliert wie in Vergleichsbei spiel 2 beschrieben mit dem Unterschied, dass die Dickenschwan kung der zur Doppelseitenpolitur angelieferten Gruppen von je 15 Scheiben durch Vorsortieren auf ±1 µm reduziert wurde. Unter diesen Voraussetzungen wurden 1800 Siliciumscheiben bei einem mittleren Abtrag von 30 µm poliert. Für das lokale Ebenheitsmaß SFQR_max ergab sich für diese Gruppe von Scheiben ein signifikant besserer Wert von 0,09±0,02 µm.

Vergleichsbeispiel 3

Es wird vorgegangen wie in Beispiel 2 beschrieben mit folgendem gravierenden Unterschied: Es wurde eine kleinere Doppelseiten- Poliermaschine des Typs AC1500 von Fa. Peter Wolters einge setzt, auf welcher durch Verwendung von fünf Läuferscheiben für jeweils nur eine in deren Zentren positionierte 300-mm-Silici umscheibe lediglich 5 Siliciumscheiben pro Polierfahrt bearbei tet werden können. Trotz auf ebenfalls ±1 µm begrenzter Dicken schwankung der gleichzeitig polierten Siliciumscheiben wurde der Versuch nach der Politur von insgesamt 50 Scheiben abgebro chen, da sich für die lokalen Ebenheiten SFQR_max größtenteils nicht spezifikationsgerechte Werte von 0,17±0,06 µm ergaben.

Claims

1. Doppelseiten-Polierverfahren, bei dem Halbleiterscheiben mit einer bestimmten Dicke zwischen zwei sich drehenden Poliertellern in Aussparungen von Läuferscheiben geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 12 Halbleiter scheiben mit einer mittleren Eingangssdicke bei einem Materialabtrag von maximal 45 µm gleichzeitig poliert werden, wobei der Unterschied in der mittleren Eingangssdicke der Halb leiterscheiben gleich oder weniger als 4 µm beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied in der mittleren Eingangssdicke gleich oder weniger als 2 µm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Enddicke der Halbleiterscheibe nach dem Polieren um 2 bis 20 µm größer ist als eine Läuferscheibendicke.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass während des Polierens kontinuierlich ein alkalisches Poliermittel zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die zu polierenden Halbleiterscheiben im Wesent lichen aus Silicium bestehen und Durchmesser zwischen 150 mm und 300 mm besitzen.