TW201730948A - 晶圓研磨方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

提供能夠提高晶圓的平坦度及LPD品質雙方的晶圓研磨方法及裝置。本發明的晶圓研磨方法包括：第1研磨步驟(步驟S1)，使用具有能夠獨立於晶圓加壓機構進行推壓動作的固定環之獨立加壓方式的研磨頭研磨晶圓；及第2研磨步驟(步驟S3)，使用具有固定於晶圓加壓機構的固定環之固定加壓方式的研磨頭對於上述第1研磨步驟中已研磨加工的晶圓進行研磨。

Description

晶圓研磨方法及裝置
本發明係關於晶圓研磨，尤其是關於進行多段研磨程序的晶圓研磨方法及裝置。
矽晶圓被廣泛使用作為半導體元件的基板材料。依序執行後述程序製造矽晶圓：對於矽單結晶矽晶棒(ingot)依序施以外圍研磨、切片、粗磨(lapping)、蝕刻、雙面研磨、單面研磨、清洗等的程序。其中，單面研磨程序為消除晶圓表面的凹凸或高低起伏以提高平坦度的必要程序，使用CMP(Chemical Mechanical Polishing：化學機械研磨)法進行鏡面加工。
通常，在矽晶圓的單面研磨程序中使用枚葉式的晶圓研磨裝置(CMP裝置)。此晶圓研磨裝置包括貼附有研磨布的旋轉定盤、及推壓的同時保持旋轉定盤上的晶圓的研磨頭，一邊供給研磨漿，一邊使得旋轉定盤及研磨頭分別旋轉，藉此研磨晶圓的單面。
已知有進行多段研磨程序的晶圓研磨裝置。例如在專利文獻1中記載了一種半導體晶圓研磨裝置，其具有複數旋轉定盤、複數研磨頭、及複數個裝載/卸載站，能夠進行不同數的多段CMP程序。另外，在專利文獻2中記載一種晶圓研 磨裝置，其係構成為，3台以上的旋轉定盤配置為直線狀，晶圓保持頭設置為對應於各旋轉定盤，於對應於各旋轉定盤的位置進行在晶圓保持頭和晶圓搬送機構之間的晶圓交接。
晶圓研磨裝置中使用的研磨頭主要有固定加壓方式和獨立加壓方式2種。固定加壓方式的研磨頭具有將用以限制晶圓的水平方向之移動的固定環()固定在晶圓加壓機構的構成，獨立加壓方式的研磨頭具有將固定環獨立於晶圓加壓機構的構成。在透過與晶圓的上面接觸的背墊將晶圓汽缸加壓的模板(模板)方式的研磨頭中，係採用固定加壓方式，在透過與晶圓的上面接觸的膜將晶圓氣體加壓的膜方式的研磨頭中，則採用獨立加壓方式。
在獨立加壓方式的研磨頭中，膜係對於晶圓的全面均勻加壓，因此能夠抑制晶圓表面的起伏，而充分提高平坦度，但在獨立加壓方式的研磨頭中，在研磨中晶圓和固定環的上下方向之相對位置會變動，因此在固定環和研磨布之間有縫隙的情況下，晶圓有可能會從縫隙飛出。因此，在獨立加壓方式中，係將固定環向旋轉定盤上推壓，使得固定環與研磨布接觸(接地)，藉此以提高晶圓的水平方向的保持力，防止晶圓的飛出。另一方面，固定加壓方式的研磨頭，在研磨中晶圓和固定環的上下方向之相對位置是不變的，因此，即使不將固定環接地，也能夠限制晶圓的水平方向的移動並防止晶圓的飛出。
先行技術文獻 專利文獻：
專利文獻1：日本特開2007-335876號公報
專利文獻2：日本特開2000-117627號公報
進行多段研磨程序的過去的晶圓研磨裝置係以用於半導體元件的製造過程為目的，因此，即使在研磨程序的各段中的研磨漿或研磨布的種類或者研磨時間等的研磨條件相異，也不用採用方式相異的研磨頭，例如在2段的晶圓研磨程序的前段和後段中使用相同的研磨頭。
但是，將固定加壓方式的研磨頭用於多段研磨程序的各段的情況下，研磨頭的形狀、或者開在背墊上用於保持晶圓的吸附孔的形狀等會轉印在晶圓上，因此造成晶圓的平坦度降低的問題。另一方面，使用獨立加壓方式的研磨頭的情況下，雖然研磨頭的形狀不會轉印到晶圓上，但會受到與研磨布接地的固定環之磨損而產生的固定環碎屑的影響，而造成晶圓表面缺陷、粒子等的LPD(Light Point Defects)品質降低的問題。
本發明為了解決上記問題，其目的在於提供能夠提高晶圓平坦度和LPD品質雙方的晶圓研磨方法及裝置。
為了解決上記課題，本發明的晶圓研磨方法之特徵在於包括：第1研磨步驟，使用具有能夠獨立於晶圓加壓機構進行推壓動作的固定環之獨立加壓方式的研磨頭研磨晶圓；第2研磨步驟，使用具有固定於晶圓加壓機構的固定環之固定加壓方式的研磨頭對於上述第1研磨步驟中已研磨加工的 晶圓進行研磨。
依據本發明，在進行了使用獨立加壓方式的研磨頭的研磨加工之後，再進行用固定加壓方式的研磨頭的細研磨，因此，能夠確保晶圓的高平坦度並提高LPD品質。
在本發明中，以此為佳：於上述第2研磨步驟中的上述晶圓的研磨量少於上述第1研磨步驟中的上述晶圓的研磨量。據此，能夠不使晶圓的平坦度惡化並確保LPD品質。
依據本發明的晶圓研磨方法以此為佳：更包括晶圓交接步驟，將上述第1研磨步驟中已研磨加工的晶圓從上述獨立加壓方式的研磨頭交接給上述固定加壓方式的研磨頭。在此情況下，以此為佳：上述晶圓交接步驟經由可動作業台交接上述晶圓，該可動作業台可以在上述獨立加壓方式的研磨頭的可交接晶圓之第1交接位置和在上述固定加壓方式的研磨頭的可交接晶圓之第2交接位置之間移動。在晶圓交接步驟中使用可動作業台的情況下，能夠順暢地進行使用加壓方式相異的研磨頭之複數個研磨單元間的晶圓之交接。因此，能夠容易地進行研磨頭的切換，藉此能夠有效率地製造高品質的晶圓。
上述晶圓交接步驟亦以此為佳：經由共通作業台交接上述晶圓，該共通作業台固定配置在上述獨立加壓方式的研磨頭和上述固定加壓方式的研磨頭之間。相較於使用可動作業台的情況，在晶圓交接步驟中使用共通作業台的情況下，能夠用非常單純的構成實現晶圓的交接。
另外，本發明的晶圓研磨裝置包括：第1及第2研磨頭，其推壓同時保持貼附了研磨布的旋轉定盤上的晶圓；晶圓 交接機構，將使用上述第1研磨頭研磨加工後的晶圓從上述第1研磨頭交接給上述第2研磨頭。上述第1研磨頭為獨立加壓方式的研磨頭，其包含：第1晶圓加壓機構、及能夠獨立於上述第1晶圓加壓機構進行推壓動作的第1固定環；上述第2研磨頭為固定加壓方式的研磨頭，其包含：第2晶圓加壓機構、及固定於上述第2晶圓加壓機構的第2固定環。
在進行使用獨立加壓方式的研磨頭之研磨加工的情況下，能夠在確保晶圓的平坦度前提下研磨晶圓，但難以確保晶圓的LPD品質。但是，依據本發明，在進行了使用獨立加壓方式的研磨頭之研磨加工後，再進行使用固定加壓方式的研磨頭的細研磨，因此能夠確保晶圓的高平坦度，同時提高LPD品質。
依據本發明的晶圓研磨裝置以此為佳：將複數的研磨單元配置為多段，並由上述第2研磨頭構成最終段的研磨單元。如此一來，在最終段的研磨單元設置固定加壓方式的研磨頭，則能夠在多段的構成中製造平坦度和LPD品質雙方都獲提高的晶圓。
在本發明中，上述晶圓交接機構具有可動作業台，該可動作業台能夠在上述第1研磨頭的可交接晶圓之第1交接位置和在上述第2研磨頭晶圓的可交接晶圓之第2交接位置之間移動，上述可動作業台，將在上述第1交接位置從上述第1研磨頭交接之上述晶圓移送到上述第2交接位置交接給上述第2研磨頭。使用可動作業台作為晶圓交接機構的情況下，能夠順暢地進行使用加壓方式相異的研磨頭之複數個研磨單元間 的晶圓之交接。因此，能夠容易地進行研磨頭的切換，藉此能夠有效率地製造高品質的晶圓。
在本發明中，以此為佳：上述晶圓交接機構具有固定配置在上述第1研磨頭和上述第2研磨頭之間的共通作業台；被上述第1研磨頭研磨加工後的晶圓，經由上述共通作業台，從上述第1研磨頭交接到上述第2研磨頭。相較於使用可動作業台的情況，在晶圓交接步驟中使用共通作業台的情況下，能夠用非常單純的構成實現晶圓的交接。
依據本發明，提供能夠提高晶圓的平坦度及LPD品質雙方的晶圓研磨方法及裝置。
1,2‧‧‧晶圓研磨裝置
10A,10B‧‧‧研磨單元
11A,11B‧‧‧旋轉定盤
12A,12B‧‧‧研磨頭
13A,13B‧‧‧移動臂
20‧‧‧晶圓交接機構
21‧‧‧可動作業台
22‧‧‧共通作業台
23‧‧‧裝載機
24‧‧‧卸載機
30‧‧‧旋轉軸
31‧‧‧基座(研磨頭本體)
32‧‧‧膜
33‧‧‧支持板
34‧‧‧固定環
40‧‧‧旋轉軸
41‧‧‧基座
42‧‧‧背墊
43‧‧‧固定環
44‧‧‧真空流路
50‧‧‧旋轉定盤
51‧‧‧研磨布
W‧‧‧晶圓
第1圖為表示依據本發明之第1實施形態的晶圓研磨裝置之構成的概略平面圖。
第2圖(a)及(b)為表示研磨頭的構成之略剖面圖，(a)表示獨立加壓方式的研磨頭、(b)表示固定加壓方式的研磨頭。
第3圖為說明使用晶圓研磨裝置1之晶圓研磨程序的流程圖。
第4圖為表示依據本發明之第2實施形態的晶圓研磨裝置之構成的概略平面圖。
第5圖為表示依據本發明的第3實施形態的晶圓研磨裝置之構成的概略平面圖。
以下、參照附圖，詳細說明本發明的較佳實施形態。
第1圖為表示依據本發明之第1實施形態的晶圓研磨裝置之構成的概略平面圖。
如第1圖所示，晶圓研磨裝置1由後述構成：依據程序順序直列配置的第1及第2研磨單元10A,10B、以及將由第1研磨單元10A研磨加工後的晶圓交接至第2研磨單元10B的晶圓交接機構20。晶圓交接機構20具有可動作業台21，藉由可動作業台21進行第1及第2研磨單元10A,10B之間的晶圓的移動。第1圖表示晶圓W放置在可動作業台21上的狀態。
第1及第2研磨單元10A,10B分別為枚葉式的CMP裝置，具有貼付了研磨布的旋轉定盤11A,11B、以及保持旋轉定盤11A,11B上的晶圓之研磨頭12A,12B。第1研磨單元10A上安裝了獨立加壓方式(膜方式)的研磨頭12A(第1研磨頭)，其構成為可藉由移動臂13A移動。第2研磨單元10B上安裝了固定加壓方式(模板方式)的研磨頭12B(第2研磨頭)，其構成為可藉由移動臂13B移動。
第2圖(a)及(b)為表示研磨頭12A,12B之構成的略剖面圖，(a)表示獨立加壓方式的研磨頭12A、(b)表示固定加壓方式的研磨頭12B。
如第2圖(a)所示，獨立加壓方式的研磨頭12A包括：與旋轉軸30的下端部連接的剛體(金屬或者陶瓷製)之基座31(頭本體)、設置於基座31下方並與晶圓W的上面接觸的膜32、支持膜32的支持板33、設置於膜32的外周側並且包圍晶圓 W的外周之固定環34。膜32在藉由氣體加壓而膨大的狀態下與晶圓W的上面接觸，將晶圓W向旋轉定盤50上的研磨布51推壓。
固定環34為樹脂或者陶瓷製的構件，與晶圓W的外周端面抵接並發揮限制晶圓W的水平方向之移動範圍的功能。固定環34能夠獨立於構成晶圓加壓機構的膜32進行推壓動作，藉由有別於膜32的氣體加壓被推壓向旋轉定盤50上而與研磨布51接觸。亦即，固定環34，藉由有別於膜32的氣體供給源提供的氣體加壓而被加壓控制。藉此，能夠提高固定環34對於晶圓W的限制力，並能夠防止晶圓W在研磨程序中向研磨頭12A的外側飛出的情況發生。
如第2圖(b)所示，固定加壓方式的研磨頭12B包括：與旋轉軸40的下端部連接的剛體(金屬或者陶瓷製)之基座41(頭本體)、設置於基座41下方的背墊(真空吸附板)42、設置於基座41的底面側且在背墊42的外周側並與晶圓W的外周端面接觸的固定環43，真空流路44具有與背墊42的吸附孔連通的構造。固定加壓方式中，藉由汽缸加壓將研磨頭12B全體壓下，基座41透過背墊42向晶圓W的上面推壓，藉此，使得晶圓W被推壓向旋轉定盤50上的研磨布51。
固定環43為固定在基座41底面之外周部的固定構件，與由加壓汽缸升降驅動的旋轉軸40、基座41及背墊42一起升降。亦即，固定環43被固定在構成晶圓加壓機構的基座41，無法獨立於晶圓加壓機構上下移動。
獨立加壓方式的研磨頭12A，因為膜32均勻地對晶圓W的全面加壓，所以能夠均勻地研磨晶圓W，能夠提高晶圓 W的平坦度，但是因為固定環34總是和研磨布接觸所以會因為固定環34的磨損所產生的固定環碎屑等的影響而使得晶圓W的LPD品質降低。另一方面，固定加壓方式的研磨頭12B，因為固定環43並未與研磨布51接觸，所以部會從固定環43產生樹脂屑等，因此能夠充分提高晶圓W的LPD品質，但因為研磨頭12A的形狀、開在背墊用以保持晶圓的吸附孔的形狀等會轉印在晶圓W，所以難以充分提高晶圓W的平坦度。
但是，像本實施形態這樣，在2段的晶圓研磨程序的前段中採用獨立加壓方式的研磨頭，藉此能夠在確保充分的平坦度的同時切削晶圓W。另外，在2段的晶圓研磨程序的後段中採用固定加壓方式的研磨頭，藉此能夠在防止晶圓W的平坦度降低的同時提高LPD品質。亦即，藉由使用固定加壓方式的研磨頭12B進行細研磨，能夠使得用獨立加壓方式的研磨頭12A研磨而降低的晶圓W之LPD品質恢復或提高。
第3圖為說明使用晶圓研磨裝置1之晶圓研磨程序的流程圖。
如第3圖所示，在晶圓的研磨程序中，首先由第1研磨單元10A執行第1研磨步驟(步驟S1)。研磨對象的晶圓W為例如從矽單結晶矽晶棒切出的塊狀(bulk)矽晶圓，尤其是已經由雙面研磨提高平坦度的晶圓。
如第1圖所示，從裝載機(未圖示)轉置於可動作業台21的晶圓W，被可動作業台21運送到第1旋轉定盤11A前(第1交接位置P1)。在可動作業台21上的晶圓W被研磨頭12A拾起(夾起)後，裝在第1旋轉定盤11A上，在被獨立加壓方式的研磨 頭12A保持著的狀態下被施以晶圓的研磨加工。此時的晶圓之研磨量(削除量)為例如200~1000nm。
在第1研磨步驟中，不僅是去除晶圓表面的損傷和減少粗糙，還要維持雙面研磨中已經平坦化的晶圓形狀(平坦度)。獨立加壓方式的研磨頭12A之形狀維持性能高於固定加壓方式的研磨頭12B，因此在第1研磨步驟中採用獨立加壓方式的研磨頭12A。
當第1研磨單元10A執行的第1研磨步驟結束時，晶圓交接機構20將晶圓W從第1研磨單元10A移送到第2研磨單元10B(步驟S2)。第1旋轉定盤11A上的晶圓W，被研磨頭12A拾起，並在可動作業台21上放開(不夾住)使其載置於可動作業台21上。之後，用可動作業台21將晶圓W搬運到第2旋轉定盤11B前(第2交接位置P2)。
繼之，由第2研磨單元10B執行第2研磨步驟(步驟S3)。可動作業台21上的晶圓W被研磨頭12B拾起後，裝在第2旋轉定盤11B上，在被固定加壓方式的研磨頭12B保持著的狀態下施以晶圓的研磨加工(細研磨)。此時的晶圓的研磨量(削除量)為例如5~50nm，少於第1研磨步驟的研磨量。
在第2研磨步驟中，要除去第1研磨步驟中導入的微小損傷以及除去後段研磨中導入的微小損傷。微小損傷的發生源為與研磨布51接地的固定環34之磨損所產生的固定環碎屑。在細研磨中將研磨頭由獨立加壓方式切換為固定加壓方式，藉此，能夠抑制微小損傷再產生並能將之去除，藉此能夠降低霧度及LPD。
當第2研磨單元10B執行的第2研磨步驟結束時，第2旋轉定盤11B上的晶圓W被研磨頭12B拾起，並在可動作業台21上放開，使其載置於可動作業台21。可動作業台21將晶圓W搬運到特定位置後，轉載於卸載機，完成一連串的晶圓研磨程序。
如上述說明，依據本實施形態的晶圓研磨方法，在達成晶圓平坦度的第1研磨步驟中採用獨立加壓方式(膜方式)的研磨頭12A，在確保晶圓表面的LPD品質的第2研磨步驟中則採用固定加壓方式(模板方式)的研磨頭12B，因此能夠提高晶圓的平坦度及LPD品質雙方。另外，為了切換研磨頭，使用可動作業台21作為晶圓的交接機構20，能夠順暢地進行使用研磨方式(加壓方式)相異之研磨頭的複數個研磨單元間的晶圓交接，藉此能夠有效率地製造高品質的晶圓。
第4圖為表示依據本發明之第2實施形態的晶圓研磨裝置之構成的概略平面圖。
如第4圖所示，此晶圓研磨裝置2，第1及第2研磨頭12A,12B具有晶圓交接機構的功能，並且使用共通作業台22，在第1研磨單元10A和第2研磨單元10B之間設置了作為晶圓的交接場所的共通作業台22。共通作業台22構成晶圓交接機構的一部分，其係固定配置在第1研磨頭12A和第2研磨頭12B之間。
被研磨頭12A從配置於第1研磨單元10A前的裝載機23拾起的晶圓W，被裝在第1旋轉定盤11A上，在被獨立加壓方式的研磨頭12A保持著的狀態下被施以第1研磨步驟(圖3步 驟S1)。
當第1研磨單元10A執行的第1研磨步驟結束時，將晶圓W從第1研磨單元10A移送到第2研磨單元10B(步驟S2)。第1旋轉定盤11A上的晶圓W被研磨頭12A移送到共通作業台22上，第2研磨單元10B的研磨頭12B將共通作業台22上的晶圓W夾起，移載到第2研磨單元10B的第2旋轉定盤11B上。被研磨頭12B拾起的晶圓被裝在第2旋轉定盤11B上的研磨開始位置，在被固定加壓方式的研磨頭12B保持著的狀態下被施以第2研磨步驟(第3圖步驟S3)。
在第2研磨步驟S3中，晶圓的研磨量為5~50nm，少於第1研磨步驟中的研磨量。研磨量越多則固定加壓方式的研磨頭的影響越大，晶圓的平坦度會惡化，所以在能夠確保LPD品質的前提下，研磨量越少越好。
第2研磨步驟中的研磨條件可以和第1研磨步驟中的研磨條件相同或者不同。例如，第2研磨步驟中所使用的研磨漿的種類並不特別限定，可以使用和第1研磨步驟的相同或者不同的。
當第2研磨單元10B執行的第2晶圓研磨步驟結束時，第2旋轉定盤11B上的晶圓被研磨頭拾起並轉置於卸載機24，完成一連串的晶圓研磨程序。
如以上說明，依據本實施形態的晶圓研磨裝置2，為了切換研磨頭，使用共通作業台22作為晶圓交接機構20，因此除了依據第1實施形態發明的效果之外，還能夠用非常單純的構成實現晶圓交接機構20。
以上已說明本發明之較佳實施形態，但本發明不限訂於上述實施形態，在不脫離本發明主旨的範圍內可以進行各種變更，其當然亦包含於本發明的範圍內。
例如，在上記實施形態中，係以油2段研磨單元的直列配置構成之晶圓研磨裝置，但在本發明忠研磨單元的段數亦可有3段以上，但在此情況下，最終段的研磨單元的研磨頭為固定加壓方式，最終段以外的研磨單元的至少一個研磨頭必須是獨立加壓方式。像這樣，在2台以上的研磨單元直列配置的情況下，第2研磨單元構成最終段的研磨單元，因此，各研磨單元的研磨漿的種類等的研磨條件可以不同也可以相同。
另外，本發明中之研磨對象的晶圓不限定從矽單結晶矽晶棒切出的塊狀(bulk)矽晶圓，能夠以各種材料的晶圓為對象。

Claims (9)

  1. 一種晶圓研磨方法，其特徵在於包括：第1研磨步驟，使用具有能夠獨立於晶圓加壓機構進行推壓動作的固定環之獨立加壓方式的研磨頭研磨晶圓；及第2研磨步驟，使用具有固定於晶圓加壓機構的固定環之固定加壓方式的研磨頭對於上述第1研磨步驟中已研磨加工的晶圓進行研磨。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的晶圓研磨方法，於上述第2研磨步驟中的上述晶圓的研磨量少於上述第1研磨步驟中的上述晶圓的研磨量。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所記載的晶圓研磨方法，更包括晶圓交接步驟，將上述第1研磨步驟中已研磨加工的晶圓從上述獨立加壓方式的研磨頭交接給上述固定加壓方式的研磨頭。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載的晶圓研磨方法，上述晶圓交接步驟經由可動作業台交接上述晶圓，該可動作業台可以在上述獨立加壓方式的研磨頭的可交接晶圓之第1交接位置和在上述固定加壓方式的研磨頭的可交接晶圓之第2交接位置之間移動。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所記載的晶圓研磨方法，上述晶圓交接步驟經由共通作業台交接上述晶圓，該共通作業台固定配置在上述獨立加壓方式的研磨頭和上述固定加壓方式的研磨頭之間。
  6. 一種晶圓研磨裝置，其包括： 第1及第2研磨頭，其推壓同時保持貼附了研磨布的旋轉定盤上的晶圓；及晶圓交接機構，將使用上述第1研磨頭研磨加工後的晶圓從上述第1研磨頭交接給上述第2研磨頭；上述第1研磨頭為獨立加壓方式的研磨頭，其包含：第1晶圓加壓機構、及能夠獨立於上述第1晶圓加壓機構進行推壓動作的第1固定環；上述第2研磨頭為固定加壓方式的研磨頭，其包含：第2晶圓加壓機構、及固定於上述第2晶圓加壓機構的第2固定環。
  7. 如申請專利範圍第6項所記載的晶圓研磨裝置，其將複數的研磨單元配置為多段，並由上述第2研磨頭構成最終段的研磨單元。
  8. 如申請專利範圍第6或7項所記載的晶圓研磨裝置，上述晶圓交接機構具有可動作業台，該可動作業台能夠在上述第1研磨頭的可交接晶圓之第1交接位置和在上述第2研磨頭晶圓的可交接晶圓之第2交接位置之間移動；上述可動作業台，將在上述第1交接位置從上述第1研磨頭交接之上述晶圓移送到上述第2交接位置交接給上述第2研磨頭。
  9. 如申請專利範圍第6或7項所記載的晶圓研磨裝置，上述晶圓交接機構具有固定配置在上述第1研磨頭和上述第2研磨頭之間的共通作業台；被上述第1研磨頭研磨加工後的晶圓，經由上述共通作業 台，從上述第1研磨頭交接到上述第2研磨頭。
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