DE3112019C2

DE3112019C2 -

Info

Publication number: DE3112019C2
Application number: DE3112019A
Authority: DE
Inventors: Robert Jerome Ballwin Mo. Us Walsh
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 1980-03-27
Filing date: 1981-03-26
Publication date: 1992-06-11
Also published as: KR840002114B1; DE3112019A1; IT8120742A0; JPH0112631B2; GB2072550A; JPS5720436A; GB2072550B; IT1137514B; KR830005718A; US4313284A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Polieren von Halbleiter scheibchen gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zum Polieren von Halbleiterscheibchen, insbesondere dünnen Scheibchen aus einem Halbleitermaterial, wie Silicium, deren polierte Fläche eine gleichförmige Ebenheit aufweisen soll.

Moderne chemisch-mechanische Halbleiter-Polierverfahren werden übli cherweise mit einer Vorrichtung durchgeführt, bei welcher die Scheibchen durch ein Halte- bzw. Klebemittel an einer Trägerplatte angebracht sind; hierbei wird über den Träger mittels einer Andrückplatte eine Andrück kraft auf die Scheibchen ausgeübt, um die Scheibchen unter Reibungs kontakt an eine Polierauflage zu drücken, die an einem rotierenden Dreh teller angebracht ist. Die Träger- und Andrückplatten drehen sich entwe der aufgrund der Reibung mit dem Drehteller oder werden durch eine An triebseinrichtung unmittelbar in Drehung versetzt, die an der Andrück platte angebracht ist. Die an der Scheibchenoberfläche erzeugte Rei bungswärme verbessert die chemische Wirkung eines Polierfluids und steigert folglich auch den Poliervorgang. Derartige Polierfluide sind bei spielsweise in der US-PS 31 70 273 beschrieben. Durch eine verstärkte Nachfrage der elektronischen Industrie nach polierten Halbleiterscheib chen wird die Forderung nach schnelleren Poliervorgängen noch unter stützt, wobei jedoch ziemlich große Belastungen bzw. Anpreßdrücke und entsprechend hohe Leistungen der Poliereinrichtungen erforderlich sind. Die erhöhte Leistung erscheint dann als Reibungswärme an der Scheib chenoberfläche. Um einen übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden, wird die Wärme durch Kühlen des Drehtellers aus dem System abgeführt. Ein übliches Drehteller-Kühlsystem weist koaxiale Kühlwassereinlässe und -auslässe in der Drehtellerwelle auf, die im Inneren des Drehtellers mit Kühlkanälen verbunden sind, die in entsprechender Weise voneinan der getrennt sind, um einen Umlauf zwischen dem Einlaß und dem Auslaß zu verhindern. Es hat sich herausgestellt, daß eine Hauptursache für eine Verformung der Scheibchenoberflächen eine Krümmung bzw. Verformung der auf dem Drehteller angebrachten Polierfläche ist, was wiederum auf den Wärmefluß von der Scheibchenoberfläche zu dem Kühlwasser zurück zuführen ist, wodurch die Oberseite des Drehtellers auf einer höheren Temperatur liegt als dessen Unterseite. Dieser Temperaturunterschied führt zu einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung, wodurch die Drehtelleroberfläche gegen die Kühlfläche hin von der Drehachse zum Au ßenrand hin gebogen wird.

Der Scheibchenträger ist durch eine elastische Druckauflage gegenüber der Druckplatte thermisch isoliert. Folglich weist der Träger ein thermi sches Gleichgewicht mit einer im wesentlichen gleichförmigen Temperatur auf und bleibt eben. Aufgrund des Krümmungsunterschieds zwischen der durch die Scheibchen festgelegten Ebene und der gewölbten Oberfläche des Drehtellers wird zur Mitte des Trägers hin zuviel Material entfernt, was dann eine ungleichmäßige Scheibchendicke und damit eine schlechte Ebenheit zur Folge hat. Die fehlende Gleichmäßigkeit und Ebenheit wird bei größeren Scheibchendurchmessern, die bei der modernen Technologie gefordert werden, noch größer, was zu sehr ernsthaften Schwierigkeiten bei dem Endverbrauch der polierten Scheibchen oder Wafer führt, bei spielsweise wenn polierte Siliciumscheibchen oder -wafer für die Herstel lung von Schaltungen mit einem hohen bzw. einem sehr hohen Integra tionsgrad, d. h. bei sogenannten LSI- bzw. VLSI-Schaltungen, verwendet werden. Bei diesen Anwendungsfällen werden im wesentlichen ebene, po lierte Scheibchenflächen gefordert, um ein hohes Auflösungsvermögen bei den photolitographischen Schritten während der Herstellung von inte grierten Schaltungen zu erzielen.

Ferner sind durch technologische Fortschritte die Verfahren zur Halte rung von Halbleiterscheibchen an der Trägerplatte verbessert worden, so daß die Scheibchen verschiedenen Bearbeitungsvorgängen wie Waschen, Läppen, Polieren u. ä. unterzogen werden können, ohne daß es zu einer me chanischen Verformung oder einer Unebenheit bei den polierten Scheib chen kommt. Wenn beispielsweise zur Durchführung weiterer Bearbei tungsvorgänge die Siliciumscheibchen mittels Wachs an Trägerplatten ge haltert werden, und insbesondere durch Polieren eine hochwertige Ober flächenbearbeitung vorgenommen wird, damit auf solchen Scheibchen oder Wafern integrierte Schaltungen hergestellt werden können, ist fest gestellt worden, daß eingeschlossene Luftblasen in der Wachsschicht un ter den Scheibchen zu Fehlern in den Erzeugnissen führen, was auf die herkömmlichen Bearbeitungsmethoden zurückzuführen ist.

Eine solche unvollkommene Methode ist durch die DE-OS 31 07 995 mit dem Titel "Verfahren und Einrichtung zum Haltern von dünnen Scheibchen oder Wafern mittels Wachs, um sie zu polieren" be schrieben. Die Verbesserungen, die mit Hilfe dieser Halterungsverfahren erreicht worden sind, stellen eine kleine Hilfe dar, um gleichförmig polier te, in sich ebene Halbleiterscheibchen zu erhalten. Im Hinblick auf die An forderungen der Halbleiter verarbeitenden Industrie können bei polierten Siliziumscheibchen keine Schwankungen in der Oberflächenebenheit to leriert werden. Bei der Herstellung von sogenannten VLSI-Schaltungen muß eine hohe Packungsdichte der Schaltungselemente auf einem Silici umwafer geschaffen werden können, was eine außerordentlich hohe Ge nauigkeit und ein hohes Auflösungsvermögen erfordert, was wiederum ei ne bisher nicht benötigte Ebenheit der Scheibchen bedingt. Die erforderli che Ebenheit der polierten Scheibchen für derartige Anwendungszwecke, die bei weniger als etwa 2 µm zwischen dem Maximal- und dem Minimal wert liegt, kann nicht erreicht werden, wenn die an dem Träger gehalterten Scheibchen auf einer thermisch-mechanisch gewölbten Polierfläche po liert werden.

Aus der US-PS 39 77 130 ist eine Vorrichtung zum Polieren von Halbleiter scheibchen bekannt, bei dem die Trägerscheibe über eine elastische Aufla ge von ringförmiger oder polygoner Gestalt mit der Andrückplatte verbun den ist, so daß aufgrund einer auf die Andrückplatte ausgeübten Andrück kraft beim Polieren die Siliziumscheibchen gewölbt werden.

Gegenstand der US-PS 36 93 301 ist ein Verfahren zur Herstellung von op tischen Elementen mit aspherischen Oberflächen, bei dem die zu verarbei tenden optischen Elemente mittels Vakuum derart verformt werden, daß nicht-plane Oberflächen entstehen.

Die US-PS 37 47 282 beschreibt eine Vorrichtung zum Polieren von Halb leiterscheibchen, bei der die Siliziumscheibchen mittels einer Vakuum einrichtung fixiert werden. Dabei werden die Werkstücke von Dichtungs ringen unterschiedlicher Größe dicht umschlossen, um das Vakuum auf rechtzuerhalten.

Gegenstand der US-PS 24 05 417 ist eine Vorrichtung zum Polieren von oberflächenelektrischer Kristalle, bei der die Kristalle in Aussparungen mittels Vakuum eingesaugt und festgehalten werden.

Die US-PS 28 69 294 offenbart die Wirkungsweise von Reibschleifmaschi nen, insbesondere die Kühlung der Reibeinrichtung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrich tung und ein Verfahren zum Polieren von Halbleiterscheibchen anzuge ben, mit welchen Scheibchen aus beispielsweise einkristallinem Halblei ter-Silicium und dergleichen in besonders hohem Maße eben poliert wer den können und Fehler in der polierten Oberfläche vermieden werden kön nen, die auf einer Unebenheit der anliegenden Polierflächen beruhen, so daß im Rahmen einer Massenherstellung LSI- und VLSI-Schaltungen leicht und in einfacher Weise hergestellt werden können, bei der die Vor richtung mit einem Minimum an manuellen Handgriffen bedient und auto matisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Vorrichtung gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen eine bevorzugte Ausführungsform dieses erfinderischen Gegenstands, sowie ein Verfahren zum Polieren von Halbleiterscheiben unter Verwendung dieser Vorrichtung und bevorzugte Ausführungen dieses Verfahrens.

Durch die Erfindung wird eine verbesserte Ebenheit von polierten Scheibchen durch Einstellen des Oberflächenprofils an der Berührungsfläche mit den Scheibchen erreicht, welche durch eine Andrückplatte gegen eine Polierfläche gedrückt werden, die von einem Drehteller getragen ist, welcher eine thermisch und mechanisch bedingte Wölbung von der Drehachse zu seinem Randteil hin aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Schnitt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Einrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Polieren von Scheibchen, die an einer Träger- und Andrückplattenanordnung gehaltert sind und durch diese gegen einen rotierenden Drehteller gedrückt werden, an welchem ein Polierteil angebracht ist,

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht durch die Scheibchen tragende Trägerplatte entlang der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der herkömmlichen, in Fig. 1 wiedergegebenen Einrichtung, wobei im Schnitt die nichtplane Berührungsfläche der Scheibchen mit dem wassergekühlten, gewölbten Drehteller wiedergegeben ist, welcher die Polierauflage trägt, und

Fig. 4 eine Schnittansicht von Teilen der Einrichtung gemäß der Erfindung, wobei der Scheibchenträger zu einer konkaven Form verformt ist.

Nachfolgend sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechende Teile bezeichnet.

Zur Zeit werden chemisch-mechanische Polierverfahren für Silizium- und andere Halbleiter-Wafer oder -Scheibchen üblicherweise auf einer Einrichtung ausgeführt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Wafer oder Scheibchen 1 sind an einem Träger 5 durch Halte- oder Klebemittel 3 befestigt, die entweder Wachs oder eines von verschiedenen wachsfreien Haltemitteln sein können, welche dafür sorgen, daß Scheibchen durch Reibung, Oberflächenspannung oder auf andere Weise an dem Träger 5 haften. Der Träger 5 ist über eine elastisch federnde Druckunterlage 7 an einer Druckplatte 9 gehaltert, welche ihrerseits über einen Trag- und Lagermechanismus 11 an einer Welle 13 gehaltert ist; die Welle 13 und das Lager 11 nehmen eine Belastung 15 auf, die auf die Druckplatte 9 und letztendlich auf die Scheibchen 1 ausgeübt wird, wenn diese (1) während des Betriebs durch Drehen mit einer Polierauflage 19 in Kontakt kommen, wenn beispielsweise ein Drehteller 21 gedreht wird, indem die Drehbewegung des Trägers 5 durch Reibung übertragen wird, oder er durch eine unabhängige Antriebseinrichtung angetrieben wird. Der Drehteller 21 wird um eine Welle 25 gedreht, welche einen Kühlwasserauslaß 27 und einen -einlaß 29 aufweist, die mit einem Hohlraum im Inneren des Drehtellers in Verbindung stehen, wobei die beiden Kühlströme durch ein Umlenkteil 23 voneinander getrennt sind.

Die heute geforderten höheren Poliergeschwindigkeiten führen beim Polieren zu höheren Belastungen und bedingen einen entsprechend hohen Leistungseingang. Diese höhere Drehzahl und der höhere Leistungseingang erscheinen während des Polierens als Reibungswärme an der Scheibchenoberfläche. Um einen übermäßigen Temperaturanstieg zu verhindern, wird Wärme durch Kühlen des Drehtellers aus dem System entfernt, wie in Fig. 1, 2 und 4 dargestellt ist.

Wenn Silizium-Scheibchen mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung poliert werden, hat sich ergeben, daß Material von den Oberflächen der an dem Träger gehalterten Scheibchen nicht gleichmäßig entfernt wird, sondern zur Mitte des Trägers hin stärker und zum Außenrand des Trägers hin geringer. Dies hat dann im allgemeinen ein Dünnerwerden oder Verjüngen der Scheibchen in radialer Richtung von der Mitte des Trägers aus zur Folge. Die radiale Verjüngung (RT) läßt sich folgendermaßen festlegen: RT = T_o-T_i.

T_o ist an der Stelle 33 die Scheibchendicke von 3,2 mm von dem äußeren Rand aus und T_i ist an der Stelle 31 die Scheibchendicke von 3,2 mm von dem Innenrand des Scheibchens aus, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Es ist nicht ungewöhnlich, daß die radialen Verjüngungswerte bis zu 15 µm bei größeren Scheibchen betragen. Bei der modernen Halbleitertechnologie werden immer stärker Siliziumscheibchen bzw. -wafer mit größerem Durchmesser gefordert; folglich wirkt sich diese radiale Verjüngung bei diesen größeren Durchmessern noch stärker aus. Scheibchen oder Wafer mit einer entsprechend großen radialen Verjüngung haben eine verhältnismäßig schlechte Ebenheit, was zu großen Schwierigkeiten bei der Verwendung von Scheibchen oder Wafern in Schaltungen mit einem hohen und sehr hohen Integrationsgrad führt.

Die Schwierigkeit aufgrund einer radialen Verjüngung ist im wesentlichen das Ergebnis einer Verformung des Drehtellers von einer ebenen oder planen Fläche in eine nach oben konkave Fläche, was sich aufgrund von thermischen und mechanischen Beanspruchungen ergibt. Diese Erscheinung ist etwas übertrieben in Fig. 3 dargestellt. Ein Hauptteil der Verformung wird thermisch durch den Wärmefluß 35 von den Oberflächen der Scheibchen 1 zu dem Kühlwasser hervorgerufen, wodurch die Temperatur an der oberen Fläche des Drehtellers höher ist als die auf der unteren Fläche, welche im wesentlichen auf der Kühlwassertemperatur liegt. Dieser Temperaturunterschied hat eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zur Folge, wodurch die Drehtelleroberfläche und die auf dieser aufgebrachte Polierauflage 19 zu dem Außenrand hin nach unten bzw. abwärts gewölbt werden. Der Träger 5 ist durch die elastische Druckauflage 7 thermisch bezüglich der Druckplatte 9 isoliert. Folglich befindet sich der Träger auf einer im wesentlichen gleichförmigen Temperatur im Gleichgewicht und bleibt eben. der Krümmungsunterschied zwischen dem Träger 5 und dem Drehteller 21 führt zu einer übergroßen Materialentfernung zur Mitte des Trägers 5 hin, was dann die Schwierigkeit aufgrund einer radialen Verjüngung zur Folge hat. Lösungen, die außer dem Verfahren und der Einrichtung gemäß der Erfindung teilweise die Schwierigkeit beseitigen, würden natürlich darin bestehen, die Poliergeschwindigkeit zu erniedrigen und damit den Wärmefluß zu verringern, bis die Verformung toleriert werden kann. Jedoch würde eine derartige Geschwindigkeitsverringerung in starkem Maße auch den Scheibchendurchsatz der Poliereinrichtung verringern und folglich die Scheibchenpolierkosten erhöhen. Eine wirtschaftlichere Lösung ist durch das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung erreicht, bei welcher eine Einstellung der Einrichtung geschaffen ist, durch welche die geometrischen Schwierigkeiten ausgeglichen werden, die sich aus dem Wärmefluß ergeben, obwohl gleiche oder höhere Polierraten bzw. -geschwindigkeiten erhalten werden.

In Fig. 4 sind eine hohle Welle 39 und die Andrückplatte 9 gemäß der Erfindung ausgelegt, wodurch eine Vakuum- oder Unterdruckausnehmung 37 geschaffen ist, die mit dem Raum oder einer Vakuumkammer zwischen der Andrückplatte 9, dem Träger 5 und der elastischen Auflage 7 in Verbindung steht. Die ganzflächige, elastische Druckauflage der herkömmlichen Einrichtung ist durch eine ringförmige, elastische Auflage ersetzt, und das Material der Druckauflage ist so gewählt, daß es luftundurchlässig ist, wie beispielsweise Gummi oder Kautschuk oder elastische Polymerisationsmaterialien. Während eines Poliervorgangs ist eine Vakuumquelle mit der Vakuumausnehmung 37 verbunden, und der Luftraum zwischen dem Träger 5 und der Andrückplatte 9 ist teilweise entleert. Durch den Differenzdruck bzw. den Druckunterschied an dem Träger 5 wird dieser in eine sich nach unten öffnende konkave Form verformt, welche so gemacht werden kann, daß sie der verformten Fläche des Drehtellers angepaßt ist, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Auf diese Weise polierte Scheibchen oder Wafer zeigen eine stark verbesserte radiale Verjüngung und damit eine bessere Ebenheit.

In der praktischen Durchführung wird die Verformung des Trägers 5 dadurch eingestellt, daß die Größe des Vakuums und/oder der Durchmesser (die Fläche) der ringförmigen Druckauflage geändert wird, bis eine zufriedenstellende radiale Verjüngung und eine entsprechende Ebenheit erhalten werden. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, die Dicke der Trägerplatte zu ändern, um die Verformung in den richtigen Bereich zu bringen, um sie der Verformung des Drehtellers anzupassen.

In den folgenden Beispielen 2 bis 6 sind die mit der Erfindung erzielbaren Ergebnisse im Vergleich zu einem Beispiel 1 dargestellt, das eine herkömmliche Anwendung zeigt.

Beispiele

Das Verfahren und die Einrichtung, wie sie in Fig. 1, 3 und 4 dargestellt sind, wurden beim Polieren von Siliziumscheibchen oder -wafern von 100 mm (Durchmesser) angewendet. Die Trägerplatten waren bei einem Durchmesser von 31,75 cm 1,27 cm dick und waren aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die ringförmige Druckauflage hatte einen Innendurchmesser von 20,3 cm und einen Außendurchmesser von 26,7 cm. Die Poliertemperatur betrug etwa 53°C, und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten, wobei die einzige Veränderliche das angelegte Vakuum (in mbar) war.

In der nachstehenden Tabelle ist der Einfluß der Änderung des angelegten Vakuums auf die radiale Verjüngung RT und die Ebenheit bei polierten Scheibchen oder Wafer von 100 mm (Durchmesser) wiedergegeben.

Tabelle

Aus den in der Tabelle angeführten Daten ist zu ersehen, daß die Wirksamkeit des Verfahrens und der Einrichtung gemäß der Erfindung physikalische Grenzen in der Praxis erreicht, d. h., daß in Beispiel 6 die konkave Verformung der Trägerplatte in negativer Weise stärker als die Drehtellerwölbung wird und die Ergebnisse folglich unerwünscht sind. Die Daten, die bei den Beispielen 1 bis 6 wiedergegeben sind, zeigen deutlich die Brauchbarkeit der Erfindung im Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren, wie in Beispiel 1 und ein Überkompensieren durch die Erfindung wie in Beispiel 6 wiedergegeben ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Polieren von Halbleiterscheibchen, mit einer Trägerscheibe, einer elastischen Auflage und einer drehbaren Andrückplatte, wobei die Halbleiterscheibchen an einer konkaven zweiten Oberfläche der Trägerscheibe anbringbar sind und rotierend mit einer an einem Drehteller angebrachten Polierauflage in Kontakt bringbar sind, und der Drehteller (21) zum Ableiten der Wärme von der Polierauflage (19) und der ersten Oberfläche des Drehtellers (21) in seinem Inneren eine Kühleinrichtung (27, 29) aufweist, die so ausgerichtet ist, daß die zweite Oberfläche des Drehtellers (21) während des Polierens kühler ist als die erste Oberfläche und eine thermische Wölbung des Drehtellers (21) zu der zweiten Oberfläche verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe (5) dünn und verformbar ist, die elastische Auflage (7) die Form eines elastischen Ringes besitzt, die Andrückplatte (9) die elastische Auflage (7) und die erste Oberfläche der Trägerscheibe (5) eine Kammer (41) bilden, die mit einer Vakuumeinrichtung in Verbindung steht, zur Verformung der Trägerscheibe (5) zu der Kammer (41) hin in einer nach innen konvexen Form.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibchen (1) mit Wachs an der konkaven Fläche der Trägerscheibe (5) befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Drehteller (21) durch Reibung eine Drehung der scheibchentragenden Trägerscheibe (5) und der Andrückplatte (9) verursacht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine unabhängige, die Andrückplatte (9) drehende und antreibende Einrichtung eine Drehung der Scheibchen (1) verursacht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere, eine Trägerscheibe (5) haltende Andrückplatten (9) an dem Drehteller (21) entsprechend den radialen Abmessungen des Drehtellers (21) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückplatte (9), die Trägerscheibe (5) und die Scheibchen (1) über der Polierfläche des Drehtellers (21) angeordnet sind, und daß die Trägerscheibe (5) mit ihrer zweiten Fläche bezüglich des Drehtellers (21) konkav verformt ist, welcher von seiner Drehachse zum Rand hin nach unten gekrümmt ist.

7. Verfahren zum Polieren von Halbleiterscheibchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibchen unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 poliert werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibchen mit einer Dicke von etwa 200 µm bis etwa 750 µm aus Halbleitermaterialien gebildet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium als Halbleitermaterial für die Scheibchenherstellung verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß polierte Scheibchen hergestellt werden, die eine radiale Verjüngung (RT) von weniger als etwa 2,5 µm aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß polierte Scheibchen mit einer Ebenheit, die durchschnittlich kleiner als etwa 1,5 µm ist, hergestellt werden.