DE102010026352A1

DE102010026352A1 - Verfahren zur gleichzeitigen beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE102010026352A1
Application number: DE201010026352
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schwandner; Dr. Pietsch Georg; Roland Koppert
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2010-05-05
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2011-11-10
Also published as: WO2011138304A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen wenigstens einer Halbleiterscheibe, wobei die eine oder mehrere Halbleiterscheiben frei beweglich in einer Aussparung einer Führungsplatte liegen, die in einem Spannring befestigt ist, wobei die eine oder mehrere Halbleiterscheiben auf einer epizyklischen Bahn bewegt und zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, und die Führungsplatte während der Bearbeitung ohne Berührung der Arbeitsschichten geführt wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur gleichzeitigen beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung einer Halbleiterscheibe.
Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien (Substrate) Halbleiterscheiben mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, einseiten-bezogene lokale Ebenheit (Nanotopologie), Rauhigkeit und Sauberkeit benötigt. Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien, insbesondere Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid oder Elementhalbleiter wie Silicium und Germanium.
Gemäß dem Stand der Technik werden Halbleiterscheiben in einer Vielzahl von aufeinander folgenden Prozessschritten hergestellt. Im Allgemeinen wird folgende Herstellungssequenz benutzt:

– Herstellen eines einkristallinen Halbleiterstabs (Kristallzucht),
– Auftrennen des Stabs in einzelne Scheiben (Innenloch- oder Drahtsägen),
– mechanische Scheibenbearbeitung (Läppen, Schleifen),
– chemische Scheibenbearbeitung (alkalische oder saure Ätze)
– chemo-mechanische Scheibenbearbeitung: Doppelseitenpolitur (DSP) = Abtragspolitur, einseitige Schleierfrei- bzw. Glanzpolitur mit weichem Poliertuch (CMP)
– optional weitere Beschichtungsschritte (z. B. Epitaxie, Annealen)

Die mechanische Bearbeitung der Halbleiterscheiben dient primär der globalen Einebnung der Halbleiterscheibe, ferner der Dickenkalibrierung der Halbleiterscheiben, sowie dem Abtrag der vom vorangegangenen Auftrennprozess verursachten kristallin geschädigten Oberflächenschicht und Bearbeitungsspuren (Sägeriefen, Einschnittmarke).
Im Stand der Technik bekannte Verfahren zur mechanischen Scheibenbearbeitung sind das Einseitenschleifen mit einer Topfschleifscheibe, die gebundenes Schleifmittel enthält („single-side grinding”, SSG), das simultane Schleifen beider Seiten der Halbleiterscheibe gleichzeitig zwischen zwei Topfschleifscheiben („double-disc grinding”, DDG) und das Läppen beider Seiten mehrerer Halbleiterscheiben gleichzeitig zwischen zwei ringförmigen Arbeitsscheiben unter Zugabe einer Aufschlämmung (Slurry) freien Schleifmittels (Doppelseiten-Planparallel-Läppen, „Läppen”).
DE 103 44 602 A1 und DE 10 2006 032 455 A1 offenbaren Verfahren zum simultanen gleichzeitigen Schleifen beider Seiten mehrerer Halbleiterscheiben mit einem Bewegungsablauf ähnlich dem des Läppens, jedoch dadurch gekennzeichnet, dass Schleifmittel verwendet wird, das fest in Arbeitsschichten („Folien”, „Tücher”) eingebunden ist, die auf die Arbeitsscheiben aufgebracht sind. Ein derartiges Verfahren wird als „Feinschleifen mit Läppkinematik” oder „Planetary Pad Grinding” (PPG) bezeichnet.
Bei PPG sind die Halbleiterscheiben frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren sogenannter Läuferscheiben eingelegt, die mittels einer aus Sonnenrad und Hohlrad bestehenden Abwälzvorrichtung Zykloidenbahnen über die ringförmigen Arbeitsscheiben beschreiben. Charakteristisch ist die Planentenkinematik: Die Läuferscheiben mit den Halbleiterscheiben rotieren um ihre eigenen Mittelpunkte und laufen zusätzlich wie Planeten um die Sonne um das Zentrum der Abwälzvorrichtung um.
Die Arbeitsscheiben umfassen eine Arbeitsschicht, die gebundenes Schleifmittel enthält, und die Bearbeitung erfolgt Material abtragend durch die resultierende Relativbewegung von Halbleiterscheiben und Arbeitsschichten.
Beim PPG werden die Läuferscheiben durch die Abwälzvorrichtung auf Schub, Druck und Biegung beansprucht. Es treten hohe Reibungskräfte auf, da die Läuferscheibe an mindestens einer der beiden Arbeitsschichten anliegt und die Schleifreibung der Halbleiterscheibe der Bewegung der Läuferscheibe entgegensteht. Die Belastung tritt besonders an der charakteristischen Außenverzahnung der PPG-Läuferscheiben auf, mit der diese in die Abwälzvorrichtung eingreifen. Die Läuferscheiben müssen daher sehr steif und sehr dick sein, und die Verzahnung ist dabei einer besonders hohen Belastung ausgesetzt.
Die Dicke der Läuferscheiben ist jedoch durch die Dicke der Halbleiterscheiben nach Ende der Schleifbearbeitung begrenzt. Daher muss das Material der Läuferscheibe selbst eine hohe Steifigkeit aufweisen (hohes Elastitzitätsmodul).
Bei einer typischen Dicke von 800 μm können aufgrund der auftretenden Kräfte nur metallische Läuferscheiben verwendet werden, da nur diese ein ausreichend hohes E-Modul aufweisen (Stahl, Titan, Bronze). Zur Vermeidung einer Kontamination der Halbleiterscheiben mit Kupfer werden meist nur Stahl und Titan verwendet. Stahl ist dabei aus Kostengründen bevorzugt.
Die auf den Stahlkern der Läuferscheibe aufgebrachten Schutzschichten unterliegen bekannterweise einem Verschleiß. Sie sollten daher eine möglichst große Nutzdicke aufweisen, um wirtschaftliche Lebensdauern des Verbrauchsmittels „Läuferscheibe” zu ermöglichen. Ferner werden die Schutzschichten benötigt, um eine geringe Gleitreibung zwischen den Arbeitsschichten und den Läuferscheiben zu erzielen. Geeignete Schichten bestehen beispielsweise aus Polyurethan. Die Schicht ist üblicherweise weich und trägt nicht zur Steifigkeit der Läuferscheibe bei. Der verbleibende Stahlkern ist folglich erheblich dünner als die Zieldicke der Halbleiterscheiben nach PPG-Bearbeitung.
Betragen die Zieldicke einer 300 mm-Halbleiterscheibe nach PPG-Bearbeitung beispielsweise 825 μm und die Gesamtdicke der dabei verwendeten Läuferscheibe 800 μm, entfallen von diesen 800 μm Gesamtdicke der Läuferscheibe auf den Steifigkeit verleihenden Stahlkern 500–600 μm und auf die beidseitige Verschleißschutz-Beschichtung je 100–150 μm.
Somit ist im Stand der Technik keine befriedigende Lösung des Problems der Läuferscheiben-Verbiegung im Bereich des Werkstück-Überlaufs bekannt.
Die Halbleiterscheiben müssen während der Bearbeitung zeitweilig teilflächig aus dem Arbeitsspalt herausragen. Dieses zeitweilige, teilflächige Herausragen der Werkstücke aus dem Arbeitsspalt wird als „Werkstück-Überlauf” bezeichnet. Er stellt sicher, dass alle Bereiche des Werkzeugs gleichmäßig genutzt werden und einem gleichmäßigen, Form erhaltenden Verschleiß unterliegen und die Halbleiterscheiben die gewünschte planparallele Form ohne „Balligkeit” (Dickenabnahme zum Rand der Halbleiterscheibe hin) erhalten.
Es hat sich gezeigt, dass die Läuferscheiben zum vertikalen Ausweichen aus ihrer Mittenlage neigen bis hin zu einem Ausrasten aus der Abwälzvorrichtung infolge starken Verbiegens. Das ist insbesondere dann zu erwarten, wenn auf die Läuferscheiben hohe oder stark wechselnde Prozesskräfte einwirken wie im Fall hoher Abtragsraten, ungünstig gewählter Prozesskinematik oder beim Einsatz besonders feiner Abrasive im Schleiftuch.
Im Arbeitsspalt ist die maximale Abweichung der Planlage der Läuferscheibe auf die Differenz von Läuferscheibendicke und momentaner Dicke der Halbleiterscheiben begrenzt. Dies sind typischerweise maximal 100 μm. Dort, wo die Läuferscheibe aus dem ringförmigen Arbeitsspalt nach innen und nach außen herausragt und in die Abwälzvorrichtung von innerem und äußerem Stiftkranz eingreift, erfolgt im Stand der Technik der PPG-Verfahren keine Maßnahme zur Begrenzung der möglichen Verbiegung der Läuferscheibe. Wegen des erforderlichen Werkstück-Überlaufs ist dieser ungeführte Bereich besonders groß.
Das Verbiegen der Läuferscheiben führt zu folgenden Nachteilen für die Halbleiterscheiben, die Läuferscheiben und somit zu einem instabilen und kritischen Gesamtprozess.
Die Halbleiterscheibe tritt im Überlauf stets teilweise aus der Aufnahmeöffnung der verbogenen Läuferscheibe heraus und wird beim Wiedereintritt in den Arbeitsspalt wieder hineingezwungen. Dies verbiegt auch die Halbleiterscheibe und presst sie auf die äußere bzw. innere Kante des Schleiftuches. Dies kann zur Bildung lokaler Kratzer und von Geometriefehlern im Randbereich aufgrund der erhöhten Schleifwirkung führen.
Die im Überlauf verbogene Läuferscheibe übt bei ihrem Wiedereintritt in den Arbeitsspalt hohe Kräfte auf die Schleifkörper insbesondere an den Außen- und Innenkanten der ringförmigen Arbeitsschicht aus. Dadurch kann die Arbeitsschicht beschädigt werden. Es können ganze Schleifkörper („Kacheln”) herausgerissen werden oder zumindest Teile davon abplatzen. Wenn diese Bruchstücke zwischen Halbleiterscheibe und Arbeitsschicht geraten, ist infolge der hohen Punktbelastung mit einem Bruch der Halbleiterscheibe zu rechnen.
Die Verbiegung der Läuferscheibe mit erhöhter punktueller Belastung ihrer Schutzschicht an den Punkten, die die Kante der Arbeitsschicht überstreichen, führt zu einem stark erhöhten lokalen Verschleiß. Dieser begrenzt die Lebensdauer der Läuferscheibe und macht sie unwirtschaftlich. Der erhöhte Abrieb der Schutzschicht macht zudem die Arbeitsschicht stumpf. Dies erfordert häufige Nachschärf-Vorgänge, die zeit- und materialaufwändig sind und daher nachteilig für die Wirtschaftlichkeit sind. Durch die häufige Prozessunterbrechung leiden zudem die positiven Eigenschaften der so bearbeiteten Halbleiterscheiben.
Im Stand der Technik wurde versucht, das Problem der Läuferscheiben-Verbiegung im Überlauf beim Läppen zu lösen, wie in JP 11254303 A2 offenbart, durch eine Vorrichtung zur Führung der Läuferscheibe im Bereich des Außenstiftkranzes bestehend aus zwei konisch oder keilförmig zusammenlaufenden Ringen oder Ringsegmenten, die am Außenstiftkranz der Abwälzvorrichtung für die Läuferscheiben angeordnet sind und erzwingen, dass die Läuferscheiben im Bereich des Werkstücküberlaufs nur in einer bestimmten vorgegebenen Höhe in die Verzahnung des Außenstiftkranzes eingreifen können.
Neben der Verbiegung der Läuferscheiben kommt es bei herkömmlichen PPG-Verfahren zu einer starken Materialwechselwirkung zwischen Oberflächen der Läuferscheiben und abrasiven Schleiftüchern. Dies ist mit einem erhöhten Materialverschleiß verbunden, der dazu führt, dass im Einsatz befindliche Läuferscheiben keine hohe Standzeit aufweisen, dass es oftmals zu einer Ablösung der Beschichtung der Läuferscheiben kommt und eine regelmäßige Aufbereitung (Dressing) der Schleiftücher von Nöten ist, um das Tuch schnittfreudig zu halten.
Des Weiteren kann metallischer Abrieb von den Läuferscheiben und/oder von den Verzahnungen der Maschine nicht ausgeschlossen werden, was bezüglich Metallkontamination der geschliffenen Wafer besonders kritisch ist.
Aufgrund der starken Materialwechselwirkung zwischen Läuferscheiben- und Schleiftuchoberfläche ist ein Einsatz von nichtmetallischen Läuferscheiben nicht möglich.
Die Überlegung, andere Beschichtungsmaterialien als Polyurethane einzusetzen, musste ebenfalls verworfen werden, da z. B. DLC (Diamond Like Carbon), das bei DSP-Läuferscheiben verwendet wird, zu einer Abstumpfung des im Schleiftuch gebundenen Diamantkorns führen würde.
Beim herkömmlichen PPG führt also kein Weg an der Verwendung von PU-beschichteten Läuferscheiben vorbei. Die PU-Beschichtung hat nur eine begrenzte Standzeit, was das Verfahren verteuert und verkompliziert, zumal eine relativ dicke PU-Schicht aufgetragen werden muss, die aufgrund der begrenzten Gesamtdicke der Läuferscheibe dazu führt, dass das Kernmaterial (Stahl) der Läuferscheibe, welches für die Stabilität der Läuferscheibe eine entscheidende Bedeutung hat, eine geringe Dicke aufweist und somit die Läuferscheiben nur begrenzt mechanisch belastbar macht.
Dies schränkt auch die Flexibilität bezüglich anderer Prozessparameter ein, da das mechanische Moment, welches im Bereich der Verzahnung (Evolventenverzahnung bzw. Stiftkranz) auf die Läuferscheibe wirkt, begrenzt werden muss, um einer etwaigen Zerstörung der Läuferscheibe vorzubeugen. Besonders beim Einsatz von größeren Schleifmaschinen zur kostengünstigen Erzeugung von Wafern mit einem Durchmesser von größer oder gleich 300 mm, speziell 450 mm, ist augrund der größeren Abmessungen mit höheren Momenten bei vergleichbaren mechanischen Schleifparametern (z. B. Anpressdruck) eine Verschärfung der Problematik unvermeidlich.
Die Belastung der Läuferscheibe beim PPG wächst mit der Reibfläche der Halbleiterscheiben, also mit deren Durchmesser und Anzahl an Halbleiterscheiben in einer Läuferscheibe und der erwünschten Material-Abtragsrate, die durch Auflast der Arbeitsscheiben eingestellt wird. 450 mm Halbleiterscheiben können mit dem im Stand der Technik bekannten PPG-Verfahren nur noch bei sehr geringen Auflasten und somit geringen Abtragsrate und mit maximal einer Halbleiterscheibe je Läuferscheibe bearbeitet werden. Damit kann das PPG-Verfahren bei der Bearbeitung besonders großer Halbleiterscheiben nur sehr langsam, mit nur wenigen Halbleiterscheiben je PPG-Fahrt und unter hohem Risiko eines Läuferscheiben-Versagens durchgeführt werden. Es ist also für eine wirtschaftliche Bearbeitung sehr großer Halbleiterscheiben ungeeignet.
Aus JP 2000-033560 A ist ein Verfahren zur beidseitigen Politur eines Wafers bekannt, die sich durch eine Orbitalkinematik auszeichnet. Orbitalkinematik bedeutet, dass die Halbleiterscheibe in einer Aussparung eines Waferhaltesystems liegt, welches auf einer kreisförmigen Bahn bewegt wird, jedoch im Gegensatz zur Planetenkinematik nicht um seine eigene Achse rotiert.
EP 1 238 756 A1 offenbart ein Verfahren zur Politur eines Substrats mittels FAP-Poliertüchern und anschließender CMP-Politur. FAP steht für „Fixed Abrasive Polishing”. FAP-Poliertücher enthalten fest gebundene Abrasive.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem insbesondere große Halbleiterscheiben schädigungsarm, zwangskräftearm, schnell und wirtschaftlich mittels Materialabtrags beidseitig simultan in eine hochgradig ebene Form überführt werden, ohne Metalle in die Halbleiterscheibe einzutragen oder den Abtragsprozess durch Wechselwirkung mit Vorrichtungskomponenten zu beeinträchtigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen wenigstens einer Halbleiterscheibe, wobei die wenigstens eine Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer Führungsplatte liegt, die in einem Spannring befestigt ist, wobei die wenigstens eine Halbleiterscheibe auf einer epizyklischen Bahn (Orbitalkinematik) bewegt und zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet wird, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, wobei die Führungsplatte während der Bearbeitung ohne Berührung der Arbeitsschichten geführt wird.
Vorzugsweise ist die Führungsplatte in einem Spannring befestigt, der mittels eines Excenters bewegt wird, so dass die wenigstens eine in einer Aussparung der Führungsplatte befindliche Halbleiterscheibe auf einer epizyklischen Bahn geführt wird.
Bevorzugt erfolgt eine Zentrierung der Führungsplatte zum Apex (= Waferkante) einer Halbleiterscheibe.
Gegenüber dem herkömmlichen im Stand der Technik beschriebenen Schleifen mit Läppkinematik beschreibt die wenigstens eine Halbleiterscheibe keine Planeten-, sondern Orbitalbahnen.
Der Spannring kann analog zu den üblichen Ringen zur Vorspannung von Sägeblättern bei typischen Innenlochsägemaschinen konzipiert werden, vgl. US 7,589,023 B2 und kann oszillierend bewegt werden.
Die zur Bearbeitung der wenigstens einen Halbleiterscheibe verwendeten Arbeitsscheiben sind vorzugsweise kreisförmig.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl eine einzige als auch mehrere Halbleiterscheiben beidseitig Material abtragend bearbeitet werden.
Vorzugsweise handelt es sich um eine oder mehrere Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm oder größer.
Ganz besonders bevorzugt beträgt der Durchmesser der wenigstens einen Halbleiterscheibe größer oder gleich 450 mm.
Die Führungsplatte ist vorzugsweise dünner als die Halbleiterscheibe.
Bevorzugt wird die Verwendung von dünnen, eingespannten Führungsplatten, die in ihrer dünnsten Ausprägungsform der Dicke der Waferkante (= Apex) entsprechen, aber auch etwas dicker sein können.
Vorzugsweise weist die Führungsplatte eine Dicke von 10 bis 90% der Dicke der Halbleiterscheibe auf.
Ganz besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Führungsplatte 10 bis 50% der Dicke der Halbleiterscheibe.
Die Dicke der Halbleiterscheibe beträgt vorzugsweise 200 bis 1200 μm.
Somit wird die Halbleiterscheibe vorzugsweise im Überstand bearbeitet (d. h. der Wafer ragt immer über die dünne Läuferscheibe hinaus, ist also immer quasi etwas dicker als diese)
Vorzugsweise ist die Führungsplatte mehrlagig aufgebaut.
Vorzugsweise handelt es sich um eine DLC-beschichtete Läuferscheibe aus Werkzeugstahl oder Edelstahl.
Vorzugsweise handelt es sich eine Führungsplatte aus Werkzeugstahl oder Edelstahl, die mit PU beschichtet ist.
Von den Führungsplatten bzw. Läuferscheiben aus dem Stand der Technik unterscheiden sich diese dadurch, dass sie deutlich dünner sind, wobei der Kern der Führungsplatte bzw. Läuferscheibe in etwa gleich dick ist als im Stand der Technik, wobei auch dünnere Kerne der Führungsplatten bzw. Läuferscheiben als im Stand der Technik möglich und bevorzugt sind, die Beschichtung aus DLC oder PU jedoch entsprechend dünner ist als im Stand der Technik.
Vorzugweise besteht die Führungsplatte aus genau einem Material.
Vorzugsweise handelt es sich um eine Führungsplatte aus Werkzeugstahl oder Edelstahl.
Ebenso bevorzugt ist die Verwendung von Führungsplatten aus GFK oder CFK.
Ebenso bevorzugt ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen wie Kohlefaser-verstärktem Epoxid, Phenol, Polyimid, Nylon oder Polyester als Führungsplattenmaterial.
Vorzugsweise wird die Führungsplatte während der Material abtragenden Bearbeitung der wenigstens einen Halbleiterscheibe stets genau zentrisch zwischen den Arbeitsschichten geführt, wobei die Führungsplattenoberflächen keine Berührung zu den abrasiven Schleiftuchoberflächen aufweisen.
In diesem Fall ist die Rate des Materialabtrags auf Vorder- und Rückseite der wenigstens einen Halbleiterscheibe gleich.
Dadurch ist sichergestellt, dass während der Bearbeitung keine axiale Relativbewegung zwischen der wenigstens einen Halbleiterscheibe und der Führungsplatte auftritt.
Vorzugsweise wird in den zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalt während der Bearbeitung eine Flüssigkeit zugeführt.
Bei dieser Flüssigkeit handelt es sich vorzugsweise im einfachsten Fall um Wasser in der für die Halbleiterindustrie üblichen Reinheit (deionisiertes Wasser, DIW).
Vorzugsweise weist die Flüssigkeit einen pH-Wert von 10 oder größer auf und enthält keine abrasiv wirkenden Stoffe.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Flüssigkeit um alkalische wässrige Lösungen der Verbindungen Natriumcarbonat (Na₂CO₃), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder beliebigen Mischungen davon.
Vorzugsweise betragen der pH-Wert der wässrigen Lösung 11,8 bis 12,5 und der Anteil der genannten Verbindungen in der wässrigen Lösung 0,2 bis 10 Gew.-% besonders bevorzugt 4 bis 10 Gew.-%.
Die Beeinflussung der Polierabtragsrate erfolgt vorzugsweise durch Einstellung des pH-Wertes der alkalischen Polierlösung in einem Bereich von pH 11 bis pH 13,5 bei Konstanthaltung aller anderen Polierparameter, z. B. Drehzahlen, Polierdrücke.
Ebenso ist es bevorzugt, nacheinander zwei Flüssigkeiten zuzuführen, von denen die erste keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält und die zweite Abrasive enthält.
Vorzugsweise wird zum Ende der Bearbeitung ein Kieselsol, optional auch in Kombination mit die Viskosität erhöhenden Zusätzen, zugegeben, das zu einer nachfolgenden Geometrie erhaltenden Glättung und zu einer Defektminimierung (Schleifrillen und -kratzer) der Waferoberflächen eingesetzt wird.
Beispielsweise eignet sich ein flüssiges Medium mit einer Viskosität von mindestens 3·10^–3 N/m²·s und höchstens 100·10^–3 N/m²·s.
Vorzugsweise umfasst das flüssige Medium einen mehrwertigen Alkohol, der besonders bevorzugt ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Glycerin, monomeren Glykole, oligomeren Glykole, Polyglykole und Polyalkohole.
Vorzugsweise beträgt der Anteil des mehrwertigen Alkohols 0,01 bis 10 Vol-%.
Vorzugsweise umfasst das flüssige Medium Glycerin.
Vorzugsweise umfasst das flüssige Medium Polyetherpolyol und Polyvinylalkohol.
Vorzugsweise handelt es sich beim flüssigen Medium um ein Glycerin-Wasser-Gemisch mit einem Glycerin-Anteil von 50%–85%.
Vorzugsweise handelt es sich beim flüssigen Medium um eine wässrige Mischung enthaltend Glycerin, Butanol und ein Tensid.
Vorzugsweise umfasst das flüssige Medium Feststoffe in Form von Siliciumdioxid- oder Ceroxid-Partikeln.
Vorzugsweise beträgt die mittlere Partikelgröße des Siliciumdioxid oder des Ceroxid 5–50 nm.
Vorzugsweise beträgt der Feststoffanteil größer als 1 Gew.-% bis maximal 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 1–30 Gew.-%.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, die im Stand der Technik auftretende Wechselwirkung zwischen Schleiftuch und Läuferscheibe bzw. Führungsplatte, eine Abstumpfung des Schleiftuchs infolge dieser Wechselwirkung und Eintrag von metallischen Kontaminationen in die Halbleiterscheibe zu vermeiden.
Als in den Arbeitsschichten gebundenes Schleifmittel ist ein Hartstoff mit einer Mohs-Härte ≥ 6 bevorzugt. Als Schleifstoffe kommen bevorzugt in Frage Diamant, Siliciumcarbid (SiC), Cerdioxid (CeO₂), Korund (Aluminiumoxid, Al₂O₃), Zirkondioxid (ZrO₂), Bornitrid (BN; kubisches Bornitrid, CBN), ferner Siliciumdioxid (SiO₂), Borcarbid (B₄C) bis hin zu wesentlich weicheren Stoffen wie Bariumcarbonat (BaCO₃), Calciumcarbonat (CaCO₃) oder Magnesiumcarbonat (MgCO₃). Besonders bevorzugt sind jedoch Diamant, Siliciumcarbid (SiC) und Aluminiumoxid (Al₂O₃; Korund).
Beispielsweise eignen sich Schleiftücher der Marke Trizact^TM von 3M Company, USA.
Bevorzugt ist die Belegung der beiden Arbeitsschichten mit zwei gleichen Schleiftüchern.
Besonders bevorzugt ist die Belegung der beiden Arbeitsschichten mit zwei gleichen FAP-Schleiftüchern mit SiO₂-Abrasiven, beispielsweise das „E-Pad” von Disco. (vgl. Z. 32!)
Die mittlere Korngröße des Schleifmittels liegt bei 5–20 μm, vorzugsweise 5–15 μm und ganz besonders bevorzugt bei 5–10 μm.
Die Schleifpartikel sind bevorzugt einzeln oder als Konglomerate („cluster”) in der Bindungsmatrix der Arbeitsschicht eingebunden. Im Fall einer Konglomeratbindung beziehen sich die als bevorzugt angegebenen Korndurchmesser auf die Primärteilchengröße der Cluster-Konstituenten.
Bevorzugt werden Arbeitsschichten mit keramischer Bindung eingesetzt, besonders bevorzugt ist eine Kunstharzbindung; im Fall von Arbeitsschichten mit Konglomeraten auch ein hybridgebundenes System (keramische Bindung innerhalb der Konglomerate und Kunstharz-Bindung zwischen Konglomeraten und Arbeitsschicht-Matrix).
In diesem Fall werden die Arbeitsschichten der beiden Arbeitsscheiben von den FAP-Poliertüchern gebildet.
Falls FAP-Poliertücher zum Einsatz kommen, wird eine alkalische Flüssigkeit, die frei von abrasiven Stoffen ist, in den zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalt zugeführt. Alternativ wird zusätzlich gegen Ende der Bearbeitung eine Abrasive enthaltende Flüssigkeit zugeführt wie oben beschrieben.
Geeignete Abrasivstoffe für die FAP-Poliertücher umfassen beispielsweise Partikel von Oxiden der Elemente Cer, Aluminium, Silicium, Zirkon sowie Partikel von Hartstoffen wie Siliciumcarbid, Bornitrid und Diamant.
Die mittlere Korngröße der Partikel beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1,0 μm,
Besonders geeignete Poliertücher weisen eine von replizierten Mikrostrukturen geprägte Oberflächentopografie auf. Diese Mikrostrukturen („posts”) haben beispielsweise die Form von Säulen mit einem zylindrischen oder mehreckigen Querschnitt oder die Form von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen.
Nähere Beschreibungen solcher Poliertücher sind beispielsweise in WO 92/13680 A1 und US 2005/227590 A1 enthalten.
Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Poliertuchs mit fest darin gebundenen Abrasiven aus SiO₂ und mittleren Größen der SiO₂-Partikel von 0,1 bis 1,0 μm.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich daraus, dass dünne und fest eingespannte zentrierte Führungsplatten bzw. Läuferscheiben verwendet werden können, die in ihrer dünnsten Ausprägungsform vorzugsweise in etwa der Dicke eines Apex der Halbleiterscheibe entsprechen. Falls eine größere Stabilität der Führungsplatte erforderlich ist, kann deren Dicke auch etwas größer gewählt werden. Das Verfahren erlaubt diesbezüglich eine höhere Flexibilität.
Durch die erfindungsgemäße Durchführung des Verfahrens ist sicher gestellt, dass die Oberfläche der Führungsplatte die Oberfläche der Arbeitsschichten der Arbeitsscheiben nicht berührt. Beim herkömmlichen Schleifen mit Läppkinematik berührt die Oberfläche der Läuferscheibe dagegen stets die Oberfläche der auf der unteren Arbeitsscheibe befindlichen Arbeitsschicht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Führungsplatte ohne Berührung der Arbeitsschichten gehalten. Anders als beim im Stand der Technik bekannten Feinschleifen mit Läppkinematik (PPG), bei dem die Läuferscheiben in Berührung mit mindestens einer der beiden Arbeitsschichten stehen und einer Abnutzung durch Abrieb unterliegen, erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren kein Abrieb vom Material der Führungsplatte. Die Führungsplatte unterliegt daher keinem Verschleiß. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit wirtschaftlicher. Ferner ist bekannt, dass Abrieb der Läuferscheiben beim PPG die Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht beeinträchtigt (Zusetzen von Porenraum durch Abrieb, dadurch kein Eintauchen des Schleifkorns in die Halbleiterscheibe und kein Materialabtrag; Herausreißen von Diamant durch Reibkräfte). Besonders Läuferscheiben aus Stahl beeinträchtigen aufgrund der hohen Löslichkeit von Kohlenstoff in Stahl die Schnittfreudigkeit von Diamant als Schleifstoff in der Arbeitsschicht.
Dadurch besteht beim erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Gefahr des Metalleintrags durch Verschleiß der Läuferscheibe bzw. Führungsplatte.
Es wird vorzugsweise im Überstand gearbeitet, was bedeutet, dass die Halbleiterscheibe dicker ist als die Führungsplatte. Dadurch und durch die Vorspannung der Führungsplatte mittels des Spannrings und durch die Zentrierung der Führungsplatte kann eine Verbiegung der Läuferscheibe, der im Stand der Technik durch zusätzliche Maßnahmen wie Führungsklötzchen oder genutete Stiftkranzhülsen entgegenzuwirken versucht wurde, gänzlich vermieden werden.
Das Verfahren bietet auch bezüglich der Prozessparameter eine erhöhte Flexibilität. Es kann durch die verbesserte Stabilität der Führungsplatte mit höheren Momenten gearbeitet werden, um zum Beispiel die Abtragsraten zu erhöhen und den Prozess somit noch schneller und wirtschaftlicher zu gestalten.
Bezüglich des Endprodukts, also einer beidseitig geschliffenen oder einer beidseitig polierten Halbleiterscheibe, ist das Verfahren deshalb von Vorteil, da es zu keiner Beeinflussung der Flanken der Halbleiterscheibe bzw. deren Kantenprofil kommt.
Insbesondere bei der zukünftigen Bearbeitung von größeren Waferdurchmessern, z. B. bei Wafern mit einem Durchmesser von 450 mm, ist das beanspruchte Verfahren besonders vorteilhaft: Die Belastung der Läuferscheibe beim PPG wächst mit der Reibfläche der Halbleiterscheiben, also mit deren Durchmesser und Anzahl an Halbleiterscheiben in einer Läuferscheibe und der erwünschten Material-Abtragsrate, die durch Auflast der Arbeitsscheiben eingestellt wird. 450 mm Halbleiterscheiben können mit dem im Stand der Technik bekannten PPG-Verfahren nur noch bei sehr geringen Auflasten und somit geringen Abtragsrate und mit maximal einer Halbleiterscheibe je Läuferscheibe bearbeitet werden. Damit kann das PPG-Verfahren bei der Bearbeitung besonders großer Halbleiterscheiben nur sehr langsam, mit nur wenigen Halbleiterscheiben je PPG-Fahrt und unter hohem Risiko eines Läuferscheiben-Versagens durchgeführt werden. Es ist also für eine wirtschaftliche Bearbeitung sehr großer Halbleiterscheiben ungeeignet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist das Führungsblech voll umfänglich in einem Spannring verspannt und wird daher nur auf Zug belastet. Es lassen sich somit wesentlich dünnere Führungsbleche und solche aus anderen Materialien – insbesondere metallfreien – verwenden.
Schließlich ist ein Endprodukt mit verbesserten Eigenschaften zugänglich: die geschliffene bzw. polierte Halbleiterscheibe weist eine geringere Metallkontamination auf, da der Abrieb der Läuferscheibe oder der Verzahnungen oder Stiftkränze gänzlich eliminiert ist.
In Hinblick auf die Geometrieoptimierung, insbesondere die Optimierung des Scheibenrandes großer Halbleiterscheiben, bevorzugt mit einem Durchmesser von 450 mm, wird eine spezielle Fertigungssequenz aufeinander aufbauender und automatisierbarer Einzelscheibenprozesse in Verbindung mit miteinander korrelierender Produktmessungen an bestimmten Prozessstufen innerhalb der Fertigungskette und über die ganze Fertigungskette gesehen, besonders bevorzugt.
Die Sequenz umfasst einen ersten groben gleichzeitigen zweiseitigen Schleifprozess gemäß Anspruch 1 mit abrasiven Schleiftüchern, bevorzugt mit einer Korngröße von 20 bis 40 μm, gefolgt von einem zweiten feinen gleichzeitigen zweiseitigen Schleifprozess, bevorzugt mit einer Korngröße von 2 bis 6 μm, ganz besonders bevorzugt 2–4 μm, gemäß Anspruch 1, gefolgt von einem Kantenverrundungsprozess, gefolgt von einer Einzelscheibenätze analog DE 10 2004 062 355 A1 , gefolgt von einer groben Kantenpolitur, gefolgt von einem Einzelscheiben-Orbital-FAP-Schleifprozess gemäß Anspruch 1 bei dem FA-Poliertücher zum Einsatz kommen (z. B. SiO₂, CeO₂-Abrasive, 0,1–1,0 μm), gefolgt von einem chemisch-mechanischen Einzelscheiben-Schleierfreipoliturprozess und einer abschließenden Einzelscheibenreinigung analog DE 10 2008 055 889 A1 .
Die Fertigungssequenz bietet aufgrund ihres gestaffelten Aufbaus von Grobabtrag zu immer feineren Abtrag mit immer feineren Sub Surface Damage und zunehmend glatteren Oberflächen die Möglichkeit, den FAP-Polierschritt mit reduziertem Abtrag zu betreiben und somit u. a. den positiven Effekt der Bulkmetallreduzierung des Gasphasenätzens (siehe DE 10 2004 062 355 A1 ) voll zu nutzen. Aus DE 10 2004 062 355 A1 ist weiterhin bekannt, dass mit Hilfe der dort beschriebenen Gasphasenätze die Chapman-RMS-Rauheiten feingeschliffener Halbleiterscheiben von bis zu 40 nm (400 A°) erzielt werden können.
Darüber hinaus wird mit der Fertigungssequenz aufgrund der Einzelscheibenprozessierung durch Vermeidung unterschiedlicher Störeinflüsse, beispielsweise individuelle Unterschiede in den Läuferscheiben, große Strömungsunterschiede aufgrund großer Arbeitsflächen, hoher Wärmeeintrag aufgrund der synchron stattfindenden Materialbearbeitung einer Vielzahl von Produkten, eine zielgerichtete Optimierung der äußersten Waferrandbereiche möglich.
Zusätzlich erlaubt die Fertigungssequenz aufgrund der Tatsache der sehr niedrigen Rauheiten der Oberflächen der Halbleiterscheiben den Einsatz hochauflösender optischer Messverfahren und entsprechender Messgeräte, beispielsweise dem Kobelco LER-310. Mit so einem Interferometer (Messprinzip: Schräglicht-Phasenverschiebungsinterferometrie) kann die Randkrümmung (= Edge Roll Off) der Halbleiterscheiben bis in die äußersten Bereiche gemessen werden. Eine Erfassung des Edge Roll Offs bis in Bereiche kleiner oder gleich 1 mm EE, differenziert nach einer einzelnen Seite einer Halbleiterscheibe, ist somit möglich.
Die Fertigungssequenz ermöglicht die Herstellung hochglänzender Halbleiterscheiben mit äußerst geringen Rauheiten und die Möglichkeit, hochgenaue optische und gleich arbeitende Messverfahren zur Produktoptimierung über einen großen Teil der Fertigungskette zu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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WO 92/13680 A1 [0090]
US 2005/227590 A1 [0090]
DE 102004062355 A1 [0102, 0103, 0103]
DE 102008055889 A1 [0102]

Claims

Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen wenigstens einer Halbleiterscheibe, wobei eine oder mehrere Halbleiterscheiben frei beweglich in einer Aussparung einer Führungsplatte liegen, die in einem Spannring befestigt ist, die eine oder mehrere Halbleiterscheiben auf einer epizyklischen Bahn bewegt und zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, und die Führungsplatte während der Bearbeitung ohne Berührung der Arbeitsschichten geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der einen oder mehreren Halbleiterscheiben größer oder gleich 450 mm beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Halbleiterscheiben eine Dicke zwischen 200 und 1200 μm aufweisen, während die Dicke der Führungsplatte zwischen 10 und 90% der Dicke der einen oder mehreren Halbleiterscheiben beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Führungsplatte zwischen 10 und 50% der Dicke der einen oder mehreren Halbleiterscheiben beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte mehrlagig aufgebaut ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte während der Material abtragenden Bearbeitung der einen oder mehreren Halbleiterscheiben stets genau zentrisch zwischen den Arbeitsschichten geführt wird und die Rate des Materialabtrags von Vorder- und Rückseite der der einen oder mehreren Halbleiterscheiben gleich ist, so dass während der Bearbeitung keine axiale Relativbewegung zwischen der der einen oder mehreren Halbleiterscheiben und der Führungsplatte auftritt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalt während der Bearbeitung eine Flüssigkeit zugeführt wird, die einen pH-Wert von 10 oder größer aufweist und die keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsspalt nacheinander zwei Flüssigkeiten zugeführt werden, von denen die erste keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält und die zweite ein Kieselsol enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte aus genau einem Material besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte während der Material abtragenden Bearbeitung der einen oder mehreren Halbleiterscheiben stets genau zentrisch zwischen den Arbeitsschichten geführt wird und die Rate des Materialabtrags von Vorder- und Rückseite der der einen oder mehreren Halbleiterscheiben gleich ist, so dass während der Bearbeitung keine axiale Relativbewegung zwischen der der einen oder mehreren Halbleiterscheiben und der Führungsplatte auftritt.