JP5412397B2

JP5412397B2 - 半導体ウェハを研削する方法

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Publication number: JP5412397B2
Application number: JP2010226396A
Authority: JP
Inventors: シュヴァントナーユルゲン
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: CN105914130A; JP2011082520A; TWI460777B; DE102009048436B4; US8501028B2; US20110081836A1; CN102029573A; KR101239997B1; SG170665A1; KR20110037917A; TW201115641A; DE102009048436A1

Description

本発明は、半導体ウェハを研削する方法に関する。

半導体ウェハの機械加工は、切断による波打の除去のため、粗い切断プロセスによる結晶的に損傷されたか又は切断ワイヤにより汚染された表面層の除去のため、及び特に半導体ウェハのグローバルレベリングのために用いられる。この場合に表面研削（片面、両面）及びラッピング、並びに機械的エッジ加工工程も公知である。

片面研削の場合、この半導体ウェハは背面側が支持台（チャック）上に保持され、前面側がカップ型研削ディスクにより、支持台及び研削ディスクを回転させて、ゆっくりと半径方向に送り出しながら平坦にされる。半導体ウェハのこの表面研削のための方法及び装置は、例えばUS-3,905,162及びUS 5,400,548から又はEP 0955126から公知である。この場合、半導体ウェハはその一方の表面でウェハホルダーに固定保持され、他方で、その反対側の表面は、ウェハホルダーと研削ディスクが回転しかつ互いに押し当てられることにより、研削ディスクで加工される。この場合、この半導体ウェハはこのウェハホルダー上に、その中心がウェハホルダーの回転中心とほぼ一致するように固定される。さらに、この研削ディスクは、この半導体ウェハの回転中心が作業領域又はこの研削ディスクの歯によって形成されるエッジ領域に達するように位置決めされる。それにより、この半導体ウェハの全体の表面を研削平面中で少しも動かすことなく研削することができる。

同時両面研削（"double-disc grinding", DDG）の場合に、この半導体ウェハは、向かい合う同一線上にある軸に取り付けられた２つの研削ディスクの間で自由に浮動させて同時に両面加工され、このプロセスにおいて、実質的に束縛力なしで前面側及び背面側に作用するウォータークッション（流体静力学原理）又はエアクッション（空気静力学的原理）の間で軸方向に案内され、かつ取り囲む薄いガイドリングによるか又は個々の半径方向のスポークによって、半径方向に緩く浮遊して逸れることが抑制される。

この研削プロセス（これは片面研削法並びに両面研削法にも通用する）の場合には、研削工具の冷却及び／又は加工される半導体ウェハの冷却が必要である。水又は脱イオン水が通常では冷却剤として使用される。例えば、１００〜２００ｍｍの直径又は２００〜３００ｍｍの直径を有するウェハの研削のために適したDisco社のモデルDFG8540及びDFG8560（"Grinder 800 Series"）のような市販の研削装置はそれぞれ、工場側で真空ユニットが取り付けられ、この真空ユニットは研削の間に冷却剤温度に応じて１又は３ｌ／ｍｉｎ（＝リットル／分）の一定の冷却剤流量を保証する（２２℃未満の温度では１ｌ／ｍｉｎで一定、２２℃より高い温度では３ｌ／ｍｉｎで一定）。

両面研削装置は、例えばKoyo Machine Industries Co., Ltd.社からも入手可能である。このモデルDXSG320は、例えば３００ｍｍの直径を有するウェハのＤＤＧ研削のために適している。垂直軸も水平軸も、特別なダイヤモンド研削工具と組み合わせて使用される。この研削工具は、この工具がエッジによってカットするだけで、急速な送り出しとわずかな発熱とが組み合わせられるように構成されている。加工されるべき半導体ウェハは、輸送リング中での両面からの流体静力学的プレッシャーパッドにより固定される。このウェハは、単にこの半導体ウェハのオリエンテーションノッチに噛み合う小さなラグによって駆動されるだけである。このようにして、半導体ウェハの応力なしのマウントを保証することができる。

ラッピングの場合に、この半導体ウェハは、研磨材料を含有するスラリーを供給しながら、大抵は鋼からなりかつ通常ではラッピング剤のより良好な分配のために通路を備えている上側作業ディスク及び下側作業ディスクとの間で、所定の圧力下で動かされ、それにより半導体材料が除去される。しかしながら、ラッピングは本発明の主題ではない。

DE 103 44 602 A1及びDE 10 2006 032 455 A1は、ラッピングと同様の作動順序を用いるが、作業ディスク上に取り付けられている作業層（「フィルム」、「パッド」）中に固定結合されている研磨剤を使用することを特徴とする、複数の半導体ウェハの両面を同時に研削する方法を開示している。この加工の間に、この半導体ウェハは、この半導体ウェハを収納する相応する開口を有する薄いガイドケージ、いわゆるキャリア中に挿入されている。このキャリアは外歯を有し、この外歯は内歯又は外歯リングを有する回転装置中に噛み合い、この回転装置を用いて上側及び下側作業ディスク間に形成される作業間隙の間で動かされる。このキャリアは開口を有し、この開口を通して下側及び上側作業ディスクの間の冷却剤を交換することができるため、上側及び下側の作業層は常に同じ温度である。

挙げられた全ての研削方法は、半導体ウェハ上の明確に現れたダメージを残す。ダメージとは、機械加工による結晶の表面近傍のダメージ（subsurface damage）であると解釈される。研削後に半導体ウェハの表面上でのスクラッチ及び他の機械的に生じる欠陥も、このようなダメージを構成する。これらの結晶ダメージは、引き続くエッチング法により除去する必要がある。しかしながら、当業者に公知のように、このエッチング法は、この半導体ウェハの形状、特にエッジ形状及びナノトポロジーに不利な影響を及ぼす。エッチング後に悪化したナノとポリジーの結果により、所望のナノトポロジーを達成するために、より長い一次研磨プロセスを必要とする。

したがって、当業者は、研削後のこのダメージを最小にし、研削後に最適な形状及びナノとポリジーを有するが、第一に明らかに低いダメージを有する半導体ウェハを提供できるように努力する。これは、エッチング工程をできる限り完全に不要にすることを可能にするのが好ましい。しかしながら、第一に、ポリシングの際に短い加工時間を可能にするのが好ましい、それというのもナノトポロジーの修正は必要なく、前面の最適な表面粗さを達成するためである。

DE 102007030958は、半導体ウェハの片面又は両面を少なくとも１つの研削工具を用いて、半導体ウェハと少なくとも１つの研削工具との間の接触領域にそれぞれの場合に供給される冷却剤を用いて材料を除去する加工を行う、半導体ウェハを研削する方法が請求されていて、その際、冷却剤流速をそれぞれの場合に少なくとも１つの研削工具の研削刃高さに依存して選択し、研削刃高さが減少すると共にこの冷却剤流速を低下させ、この冷却剤を研削刃の前で貯め、この研削刃の周囲に流し、ワークピースと研削工具との間の接触領域中へ研削刃の高さに依存して渦流を生じさせることにより、ワークピースと研削工具との間の接触領域の一定の冷却を達成することができる、半導体ウェハを研削する方法が請求されている。DE 102007030958によると、この接触領域に達する冷却剤の量が、研削結果（sub-surface damage）及び研削工具の耐用時間にとって重要である。

DE 102007030958に記載された方法の欠点は、この研削プロセスの間に、冷却剤流速を相応して適合させるために、研削刃の高さを測定しなければならないことである。DE 102007030958は、標準プロセスと比べて明らかに向上した冷却剤流速から生じるため、この冷却剤流速を刃の高さの減少と共に低下させなければならない、それというのも変化しない高い冷却剤流速は避けられないハイドロプレーニング効果を生じさせるためである。

ＰＰＧのために、DE 102007030958に記載された方法はいずれにせよ適用できない、それというのも使用された研削工具は歯付研削ディスク（歯付ホイール）ではなく、結合された研磨剤を有する作業層を備えた作業ディスクであるためである。

US-3,905,162 US 5,400,548 EP 0955126 DE 103 44 602 A1 DE 10 2006 032 455 A1 DE 102007030958

本発明の課題は、先行技術の欠点を回避する新規の研削方法を見出すことであった。

前記課題は、少なくとも１つの研削工具と、少なくとも１つの半導体ウェハの一方の側面を相互に送り、それにより少なくとも１つの前記半導体ウェハから材料を取り去る半導体ウェハの加工方法において、少なくとも１つの前記研削工具と少なくとも１つの前記半導体ウェハとを相互に引き離す間に、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する液状媒体を少なくとも１つの研削工具と少なくとも一つの半導体ウェハとの間に存在させて、加工操作を完了させる、半導体ウェハの加工方法により解決される。

本発明は、片面研削又は両面研削であることができる従来の研削工程を、研削工程の完了時付近で、片面研削又は両面研削の場合の研削工具による機械的取り去りを抑制するために、高められた粘度を有する媒体を添加するように変更することを提供する。研削プロセスの完了の過程で研削工具と半導体ウェハとの引き離しプロセスを除いて、研削は粘度を高める媒体又は添加物を用いて実施されない、それというのも、第一に、本来の材料を取り去る研削プロセスの間に低粘度の媒体、例えば、添加物なしで又は低粘度の添加物（冷却剤）を有する水を用いて研削を実施するのがより有利であり、第二に、低い粘度の前記媒体によりこのプロセスにより生じる「研削くず」をより良好に搬出し、この研削工具の切削可能を維持するためである。この研削工具の切削能力は、この研削の完了の過程で水と比べて高められた粘度を有する媒体の添加により弱められるか又は全く除かれる。

このように加工された半導体ウェハは、研削の後に、研削条痕、リフトオフマーク（従来の片面研削の完了時付近で研削ディスクのリフトオフ）かつ研削スクラッチを示さない。

この粘性の媒体は、この半導体ウェハの加工の完了時付近で供給される。

片面研削の場合に、この研削プロセスが完了した後で、所定の材料取り去りが達成された後に、所定の戻し速度で戻される切削工具により、半導体ウェハと研削工具とを相互に引き離す前に、この媒体を半導体ウェハと研削工具との間に導入する。

同時両面研削（ＤＤＧ）の場合にも同様のプロセスが採用され：半導体ウェハと両方の研削工具とを研削加工の完了後に相互に引き離す前に、この媒体を半導体ウェハと研削工具との間に導入する。

片面研削の場合でも、両面研削の場合でも、この媒体は研削工具の中心を介して導入される。この研削工具は、通常では、研削工具及び／又は加工された半導体ウェハの冷却を可能にするために開口を有する。水又は脱イオン水が、通常では、冷却剤として使用される。加工操作の完了時付近で、この冷却剤の代わりに機械的取り去りを抑制する媒体が導入される。

ラッピング運動学を用いた研削の場合に、この媒体は開口を介してキャリアに導入される。先行技術において、この開口は、この開口を介して作業ディスクにまで冷却剤を輸送するために設けられている。本発明の場合には、加工操作の完了時付近でまた、このキャリアの前記開口を介して冷却剤の代わりに機械的取り去りを抑制する媒体を導入する。

本発明による方法は、慣用の研削機を交換する必要がないことが示される。

この機械的取り去りを抑制する媒体の選択が重要である。

前記媒体は、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有する液状媒体である。有利に、この媒体の粘度は、３〜８０・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ、特に有利に３〜６０・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ、さらに特に有利に３〜４０・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓである。

公知のように、この粘度は流体の粘稠性についての尺度である。この粘度の逆数は流動度であり、流体の流動性についての尺度である。この粘度が高くなればそれだけ、この流体は粘性が増し（わずかな流動性となり）、粘度が低くなればそれだけ、この流体は粘性が低下する（より流動性となる）。

有利に、この媒体は多価アルコール（多価とは「１つより多くのヒドロキシル基」の意味である）を有する。

有利に、この多価アルコールは、グリセリン、モノマーのグリコール、オリゴマーのグリコール、ポリグリコール及びポリアルコールからなる群から選択される。

１つより多くのヒドロキシル基の存在は、水素結合の形成より高い可能性が存在し、つまり、より強い分子間相互作用が存在し、これにより最終的に高められた粘度が生じる。

有利に、この媒体は少量の界面活性剤を有する。

有利に、この媒体は、多価アルコール、ポリアルコール及び界面活性剤を有する。

有利に、この媒体は、短鎖又は長鎖のポリエチレングリコール、ゾル又はゲルを含有する。

有利に、この媒体はグリセリンを有する。

有利に、この媒体は、ポリエーテルポリオール及びポリビニルアルコールを有する。

特に、グリセリン−水混合物を使用することが有利である。

表１は、多様なグリセリン割合についての２０℃の温度でのグリセリン−水混合物の粘度の変化を示す（データは特にWEAST, R. C.編: "CRC Handbook of Chemistry and Physics", ５６版, CRC Press, Boca Ratonによる）。

純粋なグリセリンは、室温で１５００ｍＰａ・ｓまでの粘度を有し、約１ｍＰａ・ｓである脱塩水の粘度を、適切な方法で３〜１００ｍＰａ・ｓに増大させるために使用される。

有利に、このグリセリン割合は２０℃の温度で約５０〜８５質量％である。

さらに、この粘度は著しく温度依存性である：純粋なグリセリンについて、粘度はＴ＝２０℃で約１．７６０Ｐａ・ｓであり、Ｔ＝２５℃では約０．９３４Ｐａ・ｓに低下する。純水の粘度も、温度依存性である。

グリセリン−水混合物を使用する場合、２０℃の温度でこの媒体を供給することに考慮しなければならない。

この媒体が明らかにより高い温度であるようにする場合、所望の粘度を保証するために、グリセリン割合を８５質量％より高めることが有利である。

有利に、この媒体は、グリセリン、ブタノール及び界面活性剤から構成される水性混合物である。

特に、この媒体の必要な粘度が固体割合により保証されているスラリーを使用することも有利である。

このスラリーは、上記の粘度を上昇させる混合物との組合せでも、純粋な形、つまり粘度を上昇させる成分の添加なしでの通常のシリカゾルの形でも使用することができ、その際、この場合に、必要な粘度は溶解したゾル粒子の濃度の適当な選択により調節される。

このスラリーの使用は、付加的な効果と結びついている。加工された表面の表面粗さは、精密な機械的効果を有するゾル粒子により低減できる。これは、特に、比較的高く濃縮されたスラリーを使用する場合に通用する。乾燥又は晶析及びこれらと関連してこの媒体を供給する導管の後の鉱被形成を抑制するために、この研削工程の完了時に、特に高濃縮ゾルを典型的な材料を取り去る研削の停止のために使用した場合に、これを入念に水で洗浄することが推奨される。

特に、二酸化ケイ素又は酸化セリウム粒子からなるコロイド分散液の使用が有利である。

非晶質の二酸化ケイ素のコロイド分散水溶液は、二酸化ケイ素を、表面にヒドロキシル基を有する相互に架橋されていない球状の個別の粒子の形で含んでいる。

空間的に架橋されていない粒子を有するこのスラリーの粘度は、濃度及び粒度又は比表面積の関数である。

この粘度は、例えばホールピペットを用いる方法又は落球式粘度計により正確に決定できる。有利に、この混合物又はスラリーの粘度は、本発明による方法においてその使用前に測定される。

この粘度は、通常では小さな粒子の場合により大きくなる。この粘度は、容積基準固体含有量が増加すると共に上昇し、粒子はより密に充填され、その自由な運動性に関して制限される（内部摩擦）。さらに個々の粒子間の相互作用及び衝突が増大する。

比較的低い容量基準固体含有量を有するスラリーは、ニュートン流体に似た挙動をする。

この粘度は剪断速度とは無関係である。

有利に、狭い粒度分布を有する粒子を有するスラリーが使用される。この平均粒度は有利に５〜５０ｎｍである。

二酸化ケイ素又は酸化セリウムのこの固体含有量は、有利に１質量％より高く、高くても５０質量％までである。

この半導体ウェハの加工された表面の表面粗さの低減が望ましい場合には、２０〜５０質量％の固体割合が有利である。

１〜２０質量％未満の低い固体割合で、この粘度は有利に上記の粘度を変更する添加剤の一つ、例えばグリセリンにより高められる。

機械的取り去りを抑制する媒体を供給することは、あまりダメージが生じないこと、特にリフトオフマーク、顕著な研削条痕及び顕著な研削スクラッチが生じないことを保証する。これは、水よりも高い粘度を有する媒体が、研削工程の終了時付近で半導体ウェハの表面への機械的力の作用を低減することによる。

リフトオフマークは、先行技術の場合には、特にＤＤＧにより生じ、形状及びナノトポロジーにとって重要である。研削条痕は先行技術による片面研削の場合に生じ、これは同様に形状及びナノトポロジーに不利に影響を及ぼす。スクラッチは先行技術による全ての研削法の場合に生じ、半導体ウェハの形状及び表面特性に重要である。

これらの欠陥は、本発明による方法により完全に解消することができる。

既に説明されているように、この方法は平板な定盤及び相応する媒体分配装置を備えた全てのタイプの機械において実施することができる。

遊星運動学（ラッピング運動学）を用いた両面端面研削のために、慣用の両面研磨装置が適しており、この場合、研磨剤を有していない研磨パッドの代わりに相応する研削パッド（作業ディスクの作業層）が使用される。

次に、この方法を実施するために特に有利なプロセスパラメータが表される。

片面研削：
・微細な粒度＃２０００又はさらに微細な粒度を有する研削ディスク（研磨剤としてダイヤモンド、ＣｅＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ又はＢａＣＯ₃を備えた）
・研削ディスクの回転速度１０００〜５０００ｒｐｍ、特に有利に２０００〜４０００ｒｐｍ
・半導体ウェハの回転速度５０〜３００ｒｐｍ、特に有利に２００〜３００ｍｉｎ^-1
・送り速度１０〜２０μｍ／ｍｉｎ
・冷却剤：水０．１〜５ｌ／ｍｉｎ
・加工の完了時付近で、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する水性媒体を０．１〜５ｌ／ｍｉｎ、特に有利に３〜５ｌ／ｍｉｎで供給。

両面研削：
・研削ディスクの粒度４〜５０μｍ、研磨剤としてダイヤモンド（セラミック又は金属結合された）
・１０００〜１２０００ｒｐｍ、特に有利に４０００〜８０００ｒｐｍの軸回転速度
・１５〜３００μｍ／ｍｉｎの軸送り速度（両方の軸に対して相対的）
・５〜１００ｒｐｍ、特に有利に２５〜５０ｒｐｍの半導体ウェハの回転数
・水０．１〜５ｌ／ｍｉｎを用いて冷却潤滑
・加工の完了時付近で、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する水性媒体を０．１〜５ｌ／ｍｉｎ、特に有利に３〜５ｌ／ｍｉｎで供給。

例えば、ブタノール、グリセリン及び界面活性剤からなる水性混合物が、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する液状媒体を供給するために適している。この媒体の体積流量は５リットル／ｍｉｎである。このグリセリン割合は１質量％であり、ブタノール割合は１質量％である。さらに、界面活性剤を０．０７質量％の割合で添加した。
界面活性剤は、アルキルベンゼンスルホン酸及びアミンエトキシラートをベースとする調製剤である。

研削工程の完了時付近で半導体ウェハに粘性の保護層として３０質量％のＳｉＯ₂濃度を有するシリカゾルを添加することも、同様に適している。

Claims

少なくとも１つの研削工具と、少なくとも１つの半導体ウェハの一方の側面を相互に送り、それにより少なくとも１つの前記半導体ウェハから材料を取り去る半導体ウェハの加工方法において、少なくとも１つの前記研削工具と少なくとも１つの前記半導体ウェハとを相互に引き離す前に、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する液状媒体を少なくとも１つの前記研削工具と少なくとも１つの前記半導体ウェハとの間に存在させ、研削工程の完了時付近でシリカゾルが添加され、加工操作を完了させる、半導体ウェハの加工方法。
前記液状媒体は多価アルコールを有する、請求項１記載の方法。
前記多価アルコールは、グリセリン、モノマーのグリコール、オリゴマーのグリコール、ポリグリコール及びポリアルコールからなる群から選択される、請求項２記載の方法。
前記多価アルコールの割合は０．０１〜１０容量％である、請求項２又は３記載の方法。
前記液状媒体はグリセリンを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
前記液状媒体はポリエーテルポリオール及びポリビニルアルコールを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
前記液状媒体は少量の界面活性剤を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
前記液状媒体は５０％〜８５％のグリセリン割合を有するグリセリン−水混合物である、請求項５記載の方法。
前記液状媒体はグリセリン、ブタノール及び界面活性剤を有する水性混合物である、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
前記液状媒体は固体を二酸化ケイ素粒子又は酸化セリウム粒子の形で有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
前記二酸化ケイ素又は酸化セリウムの平均粒度は５〜５０ｎｍである、請求項１０記載の方法。
前記固体割合は１質量％より大きく、高くても５０質量％である、請求項１０又は１１記載の方法。
前記固体割合は１〜３０質量％である、請求項１２記載の方法。
前記半導体ウェハをその一方の面でウェハホルダーに固定し、その間に、前記ウェハホルダーと研削ディスクとを回転させ、互いに押し付けることにより、その反対側の面を研削ディスクの形の研削工具により加工し、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する前記液状媒体を研削ディスクの開口を介して、研削ディスクと半導体ウェハとの間に導入する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
前記半導体ウェハを、向かい合う同一線上にある軸に取り付けられた２つの研削工具の間で自由に浮遊させて両面を同時に加工し、その際、前記プロセスは、実質的に束縛力なしで前面側及び背面側に作用するウォータークッション又はエアクッションの間で軸方向に案内され、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する前記液状媒体を、両方の研削工具中の開口を介して研削工具と半導体ウェハとの間に導入する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
複数の半導体ウェハを同時に加工し、それぞれの半導体ウェハを、環状の外側駆動リングと環状の内側駆動リングにより回転される複数のキャリアの一つの中のカットアウト部中に自由に運動可能に置き、それにより、サイクロイド軌道で運動させ、その間に、前記半導体ウェハは作業層を有する回転する環状の作業ディスクの形の２つの研削工具の間で材料を取り去る加工が行われ、少なくとも３・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓ及び高くても１００・１０^-3Ｎ／ｍ²・ｓの粘度を有する液状媒体を前記キャリア中の開口を介して作業ディスクと半導体ウェハとの間に導入する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
前記液状媒体は、前記研削工具の中心を介して導入される、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。