TW201402294A - 用於單晶塊硏磨之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種研磨供在製造一半導體或太陽能晶圓中使用之一單晶塊之方法。該方法包含：提供包含四個平坦側及四個經修圓拐角部分之一單晶塊，每一拐角部分在該等平坦側之一毗鄰對之間延伸；及在每一拐角部分上研磨複數個平面小面，該拐角部分之每一平面小面在一接合面處連結至一毗鄰小面且經定向以使得每一拐角部分具有一實質上弓形形狀。本發明亦揭示一種晶圓及單晶塊。

Description

用於單晶塊研磨之系統及方法 (相關申請案交叉參考)
本申請案主張於2012年5月2日提出申請之第61/641,615號美國臨時專利申請案及於2012年6月8日提出申請之第61/657,362號美國臨時專利申請案之優先權，該等美國臨時專利申請案之全部揭示內容特此以全文引用之方式併入本文中。
本發明大體而言係關於用於產生諸如矽半導體及太陽能晶圓之晶圓之單晶塊，且更具體而言係關於研磨用以產生晶圓之單晶塊。
單晶矽係用於製作半導體電子組件及太陽能材料之諸多程序中之起始材料。舉例而言，自矽單晶塊產生之半導體晶圓通常用於產生在其上印刷電路之積體電路晶片。
為產生半導體或太陽能晶圓，可藉由以下程序來產生一單晶矽單晶塊：在一坩堝中熔化多晶矽；將一種晶浸漬至已熔化矽中；以足夠達成單晶塊所要直徑之一方式取出種晶；及以彼直徑生長單晶塊。然後將矽單晶塊機加工成可自其產生半導體或太陽能晶圓之一所要形狀。舉例而言，將一圓柱形單晶塊切片成薄的圓形片材產生圓形晶圓。
在某些應用中，將一矽單晶塊機加工成一準正方形單晶塊。為確保精確尺寸，通常使用一研磨程序來改良單晶塊之特定特徵(例 如，平坦度、平行度及表面光度)。舉例而言，在一真實修圓研磨程序中，準正方形單晶塊在一研磨表面研磨單晶塊之同時持續旋轉，從而研磨準正方形單晶塊上之經修圓部分。然而，至少某些已知研磨程序包含使單晶塊旋轉以使得研磨表面衝擊單晶塊，此可對單晶塊造成破裂、碎裂及/或其他損壞。
此背景技術章節意欲向讀者介紹可與本發明之各種態樣有關之各種技術態樣，下文闡述及/或主張本發明之各種態樣。據信此論述將有助於向讀者提供背景資訊以促進對本發明之各種態樣之一更好理解。因此，應理解，此等陳述應理解為就本發明而論而不應理解為對先前技術之認可。
本發明之一項態樣係一種研磨供在製造一半導體或太陽能晶圓中使用之一單晶塊之方法。該方法包含：提供包含四個平坦側及四個經修圓拐角部分之一單晶塊，每一拐角部分在該等平坦側之一毗鄰對之間延伸；及在每一拐角部分上研磨複數個平面小面，該拐角部分之每一平面小面在一接合面處連結至一毗鄰小面且經定向以使得每一拐角部分具有一實質上弓形形狀。
本發明之另一態樣係一種半導體或太陽能材料之單晶塊。該單晶塊包含：四個平坦側；及一拐角部分，其在該等平坦側之每一毗鄰對之間延伸，每一拐角部分包含複數個平面小面，該拐角部分之每一平面小面在一接合面處連結至一毗鄰小面且經定向以使得每一拐角部分具有一實質上弓形形狀。
本發明之另一態樣係一種太陽能或半導體材料之晶圓。該晶圓包含：複數個平坦側；及一拐角部分，其在該等平坦側之一毗鄰對之間延伸，該拐角部分包含複數個平面小面，該拐角部分之每一平面小面在一接合面處連結至一毗鄰小面且經定向以使得該拐角部分具有一 實質上弓形形狀。
存在關於上文所提及態樣而陳述之特徵之各種改進。其他特徵亦可併入於上文所提及態樣中。此等改進及額外特徵可個別地或以任意組合方式存在。舉例而言，下文關於所圖解說明之實施例中之任一者而論述之各種特徵可單獨地或以任意組合方式併入於上文所闡述態樣中之任一者中。
4‧‧‧區域
4A‧‧‧區域
6-6‧‧‧線
100‧‧‧單晶圓柱形單晶塊/單晶塊/圓柱形單晶塊/原始圓柱形單晶塊
102‧‧‧切割線
104‧‧‧片
200‧‧‧準正方形單晶塊
202‧‧‧平坦側
204‧‧‧經修圓拐角部分/拐角部分
206‧‧‧縱向軸
208‧‧‧界面
402‧‧‧實質上平面小面/小面/平面小面
404‧‧‧接合面
500‧‧‧杯形研磨輪
504‧‧‧安裝孔
506‧‧‧旋轉軸
508‧‧‧盤形凹部
510‧‧‧邊沿
512‧‧‧研磨表面
520‧‧‧窄接觸區域
522‧‧‧寬接觸區域
700‧‧‧拐角部分/經修圓拐角部分
800‧‧‧拐角部分/多小面拐角部分
900‧‧‧拐角部分/經高頻顫動拐角部分
H‧‧‧高度
R‧‧‧半徑
W‧‧‧寬度
圖1係一單晶圓柱形單晶塊之一透視圖。
圖2係可由圖1中所展示之圓柱形單晶塊形成的一項實施例之一準正方形單晶塊之一透視圖。
圖3係圖2中所展示之準正方形單晶塊之一前視圖。
圖4係在圖3中展示為區域4的準正方形單晶塊之一拐角部分之一放大視圖。
圖4A係在圖4中展示為區域4A的拐角部分之一放大視圖。
圖5係一項實施例之一杯形研磨輪之一平面圖。
圖6係沿著圖5中之線6-6截取的杯形研磨輪之一剖面圖。
圖7係在一真實修圓研磨程序之後的一準正方形單晶塊之一拐角部分之一影像。
圖8係在一多小面研磨程序之後的一準正方形單晶塊之一拐角部分之一影像。
圖9係在具有高頻顫動之一多小面研磨程序之後的一準正方形單晶塊之一拐角部分之一影像。
在各種圖式中，相同元件符號指示相同元件。
最初參考圖1，將一單晶圓柱形單晶塊大體上指示為100。儘管單晶塊100係一單晶單晶塊，但本文中所闡述之方法及系統亦可應用 於多晶單晶塊。單晶塊100可用作一半導體或太陽能材料。在此實施例中，單晶塊100由矽製成。在其他實施例中，單晶塊100可係任何適合材料，包含(舉例而言)矽鍺。圓柱形單晶塊100係使用丘克拉斯基(Czochralski)方法來產生。另一選擇係，單晶塊100可使用任何適合方法來產生。
為自圓柱形單晶塊100形成一準正方形單晶塊，使用一適合切割工具(諸如一帶鋸、一外徑刀片及/或一金剛石線鋸)沿著四個切割線102來切割圓柱形單晶塊。藉由沿著每一切割線102將單晶塊100切片，四個片104自單晶塊100被切下以形成如下文進一步所闡述之一準正方形單晶塊。
參考圖2及圖3，將一單晶準正方形單晶塊大體上指示為200。準正方形單晶塊200係藉由切割圓柱形單晶塊100來形成，如上文參考圖1所闡述。準正方形單晶塊200具有四個平坦側202，每一平坦側202藉由切掉圓柱形單晶塊100之一片104而形成。一縱向軸206延伸穿過準正方形單晶塊200。
準正方形單晶塊200亦包含四個經修圓拐角部分204。每一拐角部分204經彎曲且具有與原始圓柱形單晶塊100相同之半徑。每一拐角部分204在一對平坦側202之間延伸，且平坦側202在一界面208處交會每一拐角部分204。
準正方形單晶塊200具有一長度L、一寬度W及一高度H。取決於製造程序，寬度W及高度H可在120毫米(mm)至170mm之一範圍中，而長度L可在180mm至560mm之一範圍中。在例示性實施例中，圓柱形單晶塊100具有在100mm至105mm之一範圍中之一半徑，而所得準正方形單晶塊200在研磨之前具有約158mm之一寬度W及高度H。在另一實施例中，圓柱形單晶塊100具有約80mm之一半徑，而所得準正方形單晶塊200具有約125mm之一寬度W及高度H。
準正方形單晶塊200之經修圓拐角部分204具有一半徑R。在例示性實施例中，對於在研磨之前具有約158mm之一寬度W及一高度H之一準正方形單晶塊200而言，半徑R在研磨之前在自100mm至105mm之一範圍中。
為精確地控制準正方形單晶塊200之尺寸，使平坦側202及/或拐角部分204經受一研磨程序。在研磨之後，在例示性實施例中，寬度W及高度H係約156mm，且每一拐角部分204之半徑R係約100mm。長度L未因研磨程序而改變。在其他實施例中，圓柱形單晶塊100及準正方形單晶塊200可具有其他適合尺寸。
圖4係在圖3中展示為區域4的單晶塊200之一部分之一放大視圖。具體而言，圖4展示一研磨程序之後的一拐角部分204及兩個平坦側202之若干部分。圖4A係在圖4中展示為區域4A的拐角部分204之一放大視圖。
拐角部分204係使用一多小面研磨程序來適合地研磨。亦即，拐角部分204經研磨以使得複數個實質上平面小面402形成拐角部分204。雖然每一小面402係實質上平面型，但小面402在接合面404處彼此交會且相對於彼此定向以賦予拐角部分204一某種程度上之弓形形狀。
在例示性實施例中，拐角部分204具有六個小面402，且每一小面402具有相同尺寸。另一選擇係，拐角部分204含有具有任何適合尺寸之任何適合數目個小面402。應注意，形成拐角部分204之小面402愈多，拐角部分204愈近似一真實弓形形狀。
參考圖5及圖6，可用以研磨準正方形單晶塊200之一實例性杯形研磨輪大體上指示為500。具體而言，圖5展示杯形研磨輪500之一平面圖。圖6展示沿著線6-6截取的杯形研磨輪500之一剖面圖。儘管在例示性實施例中，使用杯形研磨輪500來研磨準正方形單晶塊200，但 另一選擇係，可使用任何適合研磨工具。
杯形研磨輪500包含從中延伸之一安裝孔504。安裝孔504界定杯形研磨輪500之一旋轉軸506。杯形研磨輪500中之一盤形凹部508由一邊沿510定界。邊沿510包含實質上正交於旋轉軸506之一研磨表面512。杯形研磨輪500可係一金屬帶杯形研磨輪、一樹脂結合杯形研磨輪、一陶瓷杯形研磨輪或如本文中所闡述之達成研磨準正方形單晶塊之任何其他類型之杯形研磨輪500。
將一軸件或其他適合旋轉機構耦合至杯形研磨輪500在安裝孔504中。藉由機械驅動該軸件，杯形研磨輪500繞旋轉軸506旋轉。為研磨準正方形單晶塊200，以一預定旋轉速度驅動杯形研磨輪500，且使其以一預定進給速率沿著旋轉軸506朝向準正方形單晶塊200前進。在例示性實施例中，杯形研磨輪500之旋轉速度在每分鐘2000轉至每分鐘4000轉之一範圍內，且杯形研磨輪之進給速率在200mm/分鐘至7000mm/分鐘之一範圍內。旋轉速度及/或進給速率可取決於切割之深度而變化。當研磨表面512接觸準正方形單晶塊200之一表面(亦即，平坦側202或拐角部分204中之一者)時，杯形研磨輪500研磨所接觸表面。
接觸準正方形單晶塊200之一表面的研磨表面512之部分取決於杯形研磨輪500相對於準正方形單晶塊200之定向。具體而言，在此實施例中，杯形研磨輪500經定向以使得杯形研磨輪500之一窄接觸區域520接觸準正方形單晶塊200。另一選擇係，杯形研磨輪500可經定向以使得杯形研磨輪500之一寬接觸區域522接觸準正方形單晶塊200。應注意，與寬接觸區域522相比，當使用窄接觸區域520時，可使用一較高進給速率(亦即，研磨表面512朝向準正方形單晶塊200前進之速率)。因此，與利用寬接觸區域522之研磨方法相比，使用窄接觸區域520來形成小面402減小一相關聯研磨循環時間。
為在拐角部分204上形成一小面402，使準正方形單晶塊200繞縱向軸206旋轉直至杯形研磨輪500之旋轉軸506實質上垂直於待形成之小面402為止，以使得研磨表面512實質上平行於待形成之小面402而定向。然後使杯形研磨輪500繞旋轉軸506旋轉並朝向拐角部分204前進。因此，當杯形研磨輪500接觸並研磨拐角部分204時，藉由研磨形成之小面402實質上平行於研磨表面512而定向。在研磨小面402之後，使杯形研磨輪500沿著旋轉軸506縮回。
重複此程序以在拐角部分204上形成所有小面402。亦即，針對每一小面402，使準正方形單晶塊200旋轉至適當位置，使杯形研磨輪500朝向拐角部分204前進以研磨小面402，且在研磨小面402之後使杯形研磨輪500縮回。另一選擇係，可使用複數個杯形研磨輪500來同時研磨準正方形單晶塊200。舉例而言，在一項實施例中，每一拐角部分204係使用一單獨杯形研磨輪500來研磨。此外，為改良研磨時間，可在一雙步驟程序中研磨至少某些小面402，該雙步驟程序包含使用具有一相對粗糙研磨表面512之一杯形研磨輪500之一粗糙研磨緊跟著使用具有一相對精細研磨表面512之一杯形研磨輪500之一精細研磨。
在例示性實施例中，準正方形單晶塊200之端係藉由旋轉組件(未展示)來夾持以使得準正方形單晶塊200可在研磨程序期間快速地且易於旋轉。因此，整個研磨程序可藉由使準正方形單晶塊200旋轉及使用一或多個杯形研磨輪500研磨來完成。另一選擇係，本文中所闡述之研磨方法及系統可使用其他適合組件來實施。
不同於一傳統修圓研磨程序，準正方形單晶塊200在杯形研磨輪500研磨拐角部分204之同時並不繞縱向軸206持續旋轉。亦即，在一真實修圓研磨程序期間，準正方形單晶塊200在研磨表面512接觸拐角部分204之同時持續旋轉。因此，在一真實修圓研磨程序期間，針對每一拐角部分204，研磨表面512在界面208處衝擊拐角部分204。此等 衝擊可稱作一斷續切割，且可在準正方形單晶塊200中造成衝擊損壞、微破裂及/或碎裂。相比而言，由於準正方形單晶塊200在杯形研磨輪500研磨小面402之同時並不持續旋轉，因此本文中所闡述之多小面研磨程序消除了斷續切割及任何相關聯損壞。
與傳統修圓研磨程序相比，多小面研磨程序亦改良了用於研磨準正方形單晶塊200之循環時間且使杯形研磨輪500之壽命延長。具體而言，由於準正方形單晶塊200在杯形研磨輪500研磨小面402之同時並不旋轉，因此杯形研磨輪500能夠以比準正方形單晶塊200在研磨期間旋轉時高之一速率研磨。舉例而言，為避免對杯形研磨輪500之損壞，在一傳統修圓研磨程序中，杯形研磨輪500可以約100mm/分鐘之一速率研磨。相比而言，在本文中所闡述之研磨程序中，杯形研磨輪500可以高得多的速率(例如，1000mm/分鐘)研磨而不損壞杯形研磨輪500。
為使拐角部分204進一步近似一弓形形狀，可在小面402之間的接合面404處應用一高頻顫動程序。為高頻顫動每一接合面404，在研磨表面512於接合面404處接觸拐角部分204之同時使準正方形單晶塊200以相對小的增量繞縱向軸206重複地來回旋轉(亦即，振盪)。此程序研磨小面402之間的接合面404且使其平滑，從而賦予拐角部分204一較修圓無折痕形狀。亦可使用高頻顫動來使平坦側202與拐角部分204之間的界面208平滑以在平坦側202與拐角部分204之間形成平滑表面。
為形成晶圓，在垂直於縱向軸206之平面中將準正方形單晶塊200切片。因此，類似於準正方形單晶塊200，該等晶圓具有平坦側202及具有小面402之拐角部分204。在例示性實施例中，每一晶圓具有介於180微米與200微米之間的一厚度。
圖7至圖9係使用各種方法研磨之拐角部分之影像。圖7係使用一 傳統修圓研磨程序研磨之一拐角部分700之一影像。圖8係使用如本文中所闡述之一多小面研磨程序研磨之一拐角部分800之一影像。圖9係使用一多小面研磨程序及用以使小面之間的接合面平滑之一高頻顫動程序研磨之一拐角部分900之一影像。
拐角部分700、800及900全部具有類似總體尺寸。如可看到，多小面拐角部分800與經修圓拐角部分700具有一明顯視覺差異。然而，經修圓拐角部分700與經高頻顫動拐角部分900之間的唯一可見差異係相對小的研磨痕跡。
供在研磨一單晶塊中使用之一系統包含諸如杯形研磨輪500之一研磨輪。研磨輪經組態以在每一拐角部分204上研磨平面小面402。每一拐角部分204上之平面小面402相對於彼此定向以使得每一拐角部分204具有一實質上弓形形狀。
與先前方法及系統相比，本文中所闡述之方法及系統之實施例達成優良結果。舉例而言，不同於至少某些已知研磨方法，本文中所闡述之多小面研磨方法並不涉及在一斷續切割期間衝擊單晶塊。因此，本文中所闡述之多小面研磨方法防止可由一斷續切割造成的對單晶塊之微破裂、碎裂及/或其他損壞。本文中所闡述之系統及方法之實施例亦可減小研磨一單晶塊之循環時間，及因此自該單晶塊產生半導體晶圓之成本。舉例而言，本文中所闡述之小面可使用以比利用一杯形研磨輪之一寬接觸區域之方法高之一進給速率操作之一杯形研磨輪之一窄接觸區域來研磨。大體而言，使用本文中所闡述之實施例研磨之單晶塊可比使用先前系統之單晶塊更易於、更快地、更低成本地及/或更安全地研磨。
在介紹本發明之元件及其實施例時，冠詞「一(a)」、「一(an)」、「該(the)」及「該(said)」意欲意指存在該等元件中之一或多者。術語「包括(comprising)」、「包含(including)」及「具有 (having)」意欲係包含性的且意指除所列示之元件以外還可存在額外元件。
由於在不背離本發明之範疇之情況下可對上述內容作出各種改變，因此上文說明中所含有及隨附圖式中所展示之所有內容應解釋為說明性而非一限制意義。
4A‧‧‧區域
202‧‧‧平坦側
204‧‧‧經修圓拐角部分/拐角部分
208‧‧‧界面
402‧‧‧實質上平面小面/小面/平面小面
404‧‧‧接合面

Claims (20)

  1. 一種研磨供在製造半導體晶圓或太陽能晶圓中使用之一單晶塊之方法，該方法包括：提供包含四個平坦側及四個拐角部分之一單晶塊，每一拐角部分在該等平坦側之一毗鄰對之間延伸；及在每一拐角部分上研磨複數個平面小面，該拐角部分之每一平面小面在一接合面處連結至一毗鄰小面且經定向以使得每一拐角部分具有一實質上弓形形狀。
  2. 如請求項1之方法，其中研磨複數個平面小面包括：使該單晶塊旋轉至一預定位置；使一研磨表面朝向該拐角部分前進以使得該研磨表面在該拐角部分上形成該等平面小面中之一者；及使該研磨表面自該拐角部分縮回。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括使該等接合面平滑以使得每一拐角部分具有一平滑無折痕表面。
  4. 如請求項3之方法，其中使該等接合面平滑包括：使該單晶塊以小增量繞該單晶塊之一縱向軸來回旋轉；及在使該單晶塊來回旋轉之同時將一研磨表面施加至該等接合面。
  5. 如請求項1之方法，其中每一拐角部分包含在一第一界面處連結至一第一平坦側之一第一平面小面及在一第二界面處連結至一第二平坦側之一第二平面小面，該方法進一步包括使該等第一及第二界面平滑以在該等拐角部分與該等平坦側之間形成平滑表面。
  6. 如請求項1之方法，其中提供一單晶塊包括提供由單晶矽製成之 一單晶塊。
  7. 如請求項1之方法，其中在每一拐角部分上研磨複數個平面小面包括研磨該複數個平面小面以使得每一實質上弓形拐角部分具有約100毫米之一半徑。
  8. 一種半導體或太陽能材料之單晶塊，該單晶塊包括：四個平坦側；及一拐角部分，其在該等平坦側之每一毗鄰對之間延伸，每一拐角部分包含複數個平面小面，該拐角部分之每一平面小面在一接合面處連結至一毗鄰小面且經定向以使得每一拐角部分具有一實質上弓形形狀。
  9. 如請求項8之單晶塊，其中每一接合面經修圓以使得每一拐角部分具有一平滑無折痕表面。
  10. 如請求項8之單晶塊，其中每一拐角部分包含在一第一界面處連結至一第一平坦側之一第一平面小面及在一第二界面處連結至一第二平坦側之一第二平面小面，且其中該等第一及第二界面經修圓以在該等拐角部分與該等平坦側之間形成平滑表面。
  11. 如請求項8之單晶塊，其中該單晶塊由單晶矽製成。
  12. 如請求項8之單晶塊，其中每一實質上弓形拐角部分具有約100毫米之一半徑。
  13. 如請求項8之單晶塊，其中每一拐角部分包含至少六個平面小面。
  14. 一種太陽能或半導體材料之晶圓，該晶圓包括：複數個平坦側；及一拐角部分，其在該等平坦側之一毗鄰對之間延伸，該拐角部分包含複數個平面小面，該拐角部分之每一平面小面在一接合面處連結至一毗鄰小面且經定向以使得該拐角部分具有一實 質上弓形形狀。
  15. 如請求項14之晶圓，其中每一接合面經修圓以使得該拐角部分具有一平滑無折痕表面。
  16. 如請求項14之晶圓，其中該拐角部分包含在一第一界面處連結至一第一平坦側之一第一平面小面及在一第二界面處連結至一第二平坦側之一第二平面小面，且其中該等第一及第二界面經修圓以在該拐角部分與該等第一及第二平坦側之間形成平滑表面。
  17. 如請求項14之晶圓，其中該晶圓包括四個平坦側及四個拐角部分。
  18. 如請求項14之晶圓，其中該晶圓由單晶矽製成。
  19. 如請求項14之晶圓，其中該實質上弓形拐角部分具有約100毫米之一半徑。
  20. 如請求項14之晶圓，其中該拐角部分包含至少六個平面小面。
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