TWI300737B - Method for the material-removing machining of a semiconductor wafer - Google Patents

Description

1300737 九、發明說明： . 【發明所屬之技術領域】 半導體晶圓之製造工作包括：首先自晶體上將半導體晶圓切 割下來，繼之為許多連續去除材料之機械加工。該等機械加工為 〜 獲得盡可能光滑之表面、半導體晶圓之平行面及提供具有倒圓之 半導體晶圓所必需者。經常認為去除材料之機械加工包含：半導 體晶圓之倒圓、研磨或雙面研磨、蝕刻及拋光。機械加工（例如雙 Φ 面研磨加工，尤其研磨）會增加對晶圓表面之損傷，在隨後之加工 (蝕刻、拋光）必需去除大量材料。 藉半導體之精密研磨，亦即利用一小粒度（徑）磨輪之平面磨 削可防止發生此種情形。此種加工將先前機械加工所造成之半導 體損傷減至最低且意謂隨後蝕刻期間僅需要去除少量材料，甚而 蝕刻加工可以全免。此轉而意謂通常與蝕刻結合在一起之平坦度 惡化減至最低，且隨後拋光期間需去除之材料亦減少。 ❿ 【先前技術】 舉例言之，美國專利us 3,9〇5,：L62、us 5,4〇〇,548或 歐洲專利ΕΡ-0 955 I26中曾公開若干平面磨削半導體晶圓之方 法及裝置。在該等文獻中，半導體晶SJ之表關定在晶圓夹具上， 由於晶圓夾具及磨輪相互施壓之_，使磨輪機械加卫背面。半 導體晶圓HI定在晶IB夾具上，其中心與該晶圓夾具之旋轉中心實 質-致。再者，適當定⑽磨輪，使該半導體晶圓之旋轉中心進 入磨輪之加工面積或邊緣區（由齒形成）。結果，不必在研磨平面 5 1300737 作任何動作即可研磨好該半導體之整個表面。 歐洲專利EP-1 004 3"中公開一事實，在研磨加工面上 實施此方法時，看到若干彼此距離怪常不變之研磨輝紋。研磨輝 紋間之距離，視研磨參數而定，尤其是晶圓夾具及磨輪之轉速。 研磨輝紋與隨後拋光加工需要去除材料之數量間有一定之關係。 為將拋光需要去除材料之數量減至最低，需要用裝有半導體晶圓 夾具之低旋轉速率及研磨輝紋間之距離為i·6毫米或更小。 ί 但，當測試用晶圓夾具低轉速研磨之半導體晶圓總體平坦度 時，發現在半導體晶圓之中心處有缺陷。該總體平坦度與半導體 晶圓之整個表面減去待界定之邊緣除外範圍有關。此種情形以總 體背面-基準理想平面/範圍（GBIR)("總體背面_基準理想平面/ 範圍"=半導體晶圓整個正面與背面-基準理想平面之正、負偏差範 圍之說明，該總體背面-基準理想平面/範圍對應於以前慣用之專 門名詞TTV("總厚度變動"）。 .所以先前技術所公開之方法具有幾何形狀及奈米構形方面 之缺點（半導體晶圓表面上奈米範圍不平滑）。歐洲專利^^-丄004 399中所述之方法導致半導體晶圓中心局部幾何形狀惡化，因半 導體晶圓中心之此一缺陷不能藉拋光去除少量材料而予以消除， 所以係特別非所想要者。此種情形否定了平面磨削之主要利益（亦 即隨後拋光期間僅需去除少量材料）。 【發明内容】 6 .1300737 、本發明之内容係—種機械加卫半導趙晶圓去除材料之方 法其中夾在曰曰圓夾具上之半導體晶圓及位於其對面之磨輪互不 依靠地旋轉，該磨輪位於半導體晶圓對面旁側，使該半導趙晶圓 :之轴向中〜進人磨輪之工作範圍，該磨輪以進給速率向半導體晶 圓之方向移動，結果當半導體晶圓及磨輪繞著平行轴線旋轉時，日 磨輪及半導體晶圓彼此向前移進，研磨半導體晶圓之表面，在去 除一定量材料之後，磨輪以回退速率後移。 • 【實施方式】 所以，緒論所述機械加工半導體晶圓去除材料之方法係基於 改良機械加工過之半導體晶圓幾何形狀之目的。 在申請專利範圍第1項導言部分所述之方法中，藉助於下述 事實·在半導體晶圓旋轉一次期間，磨輪及半導體晶圓相互向前 移進〇·〇3至〇·5微米之距離即可達到此目的。 半導體晶圓及磨輪面對面又繞著平行轴線旋轉，而面對面之 ❿ 磨輪及半導體晶圓又彼此向前移進，半導體晶圓之表面即被研磨。 磨輪及半導體晶圓以進給速率R彼此向前移進。由下述半導 體晶圓之進給速率R及旋轉速率η之關係可求得磨輪及半導體晶 圓彼此向前移進之距離x η 在半導體晶圓旋轉一次期間，磨輪及半導體晶圓彼此向前移 進一段距離X。 應了解的是，磨輪及半導體晶圓彼此向前移進之距離X係 7 1300737 指：在研磨期間，半導體晶圓旋轉一次之後，半導體晶圓上所留 下之磨階之高度。 若向前移進距離太大，磨輪或磨輪之作用面積（亦即與半導 體晶圓接觸而開始去除材料之磨輪處）在研磨期間該半導體晶圓 最前方外加一磨階。既然是這樣，該磨輪主要研磨在諸侧面中之 一個侧面’因此該磨輪之侧面被磨損。既然是這樣，該側面則成 為該磨輪之主要作用面積；應了解的是，主要作用面積一詞係指 > 負責去除大部分材料之研磨作用面積或工作面積之部分。 若所選向前移進距離X夠小，則可避免此種情形，蓋因此亦 使磨階縮小。既然如此，磨輪之主要作用面積不再是該磨輪之侧 面，而基本上是該磨輪之整個表面或其與半導體晶圓接觸之工作 面積。因向前移進距離雖短但卻非零，不過試轉時期過後磨輪受 到一些單面磨損。此項磨損之結果是磨輪主要作用面積改變位置。 磨輪與半導體晶圓間之前進距離經適當選擇，在半導體晶圓 旋轉-次_磨輪之主要作用面積恰巧與半導體晶圓表面上之每 個點接觸-次，亦即在半導體晶圓旋轉一次，僅與磨輪接觸一次， 半導體晶圓表面上之每一個點去除同量之材料。 本發明之方法’以半導體晶圓旋轉—次_，磨輪與半導體 晶圓彼此向前移進0.03至0.5微米之距離而達成發明之目的。 這樣’半導體晶圓中心之缺點’用習知之方法，即可大幅減 縮。因為實施先前技術習知之方法，半導體晶圓之中心總是被研 8 1300737 第4圖所示係磨輪之齒、半導體晶圓之片段以及在高速前進之情 況下磨輪齒受損後之一個磨點。 第5圖所示係磨輪之齒、半導體晶圓之片段以及在低速前進之情 況下磨輪齒之主要作用面積。 第6圖所示係磨輪之齒、半導體晶圓之片段以及在低速前進之情 況下磨輪齒受損後之一個磨點。 第7圖所示係一半導體晶圓及在低速前進之情況下磨輪之主要作 1 用面積。 第8圖所示係一半導體晶圓及在高速前進之情況下磨輪之主要作 用面積。 第9圖所示係在低速前進之情況下，於研磨後，在半導體晶圓上 實施GBIR測試之結果。 第10圖所示係在高速前進之情況下，於研磨後，在半導體晶圓上 實施GBIR測試之結果。 第1圖係說明一種適於實施上述方法之裝置。半導體晶圓1 位於晶圓夾具3上。其上方係磨輪2，該磨輪2固定在工作台4 上。再者，磨輪2之齒21標示在圖中。晶圓夾具3及工作台4 各自獨立地旋轉。半導體晶圓1以適當之方式固定在晶圓夾具3 上，使其中心與該晶圓夾具3之旋轉中心一致，亦即該半導體晶 圓之旋轉中心與晶圓夾具之旋轉軸5 一致。工作台4位於半導體 晶圓對面，使半導體晶圓1之旋轉軸5進入磨輪2之工作面積（由 10 1300737 齒21形成）。工作台4與磨輪2繞著旋轉轴6轉，同時晶圓夾具 3連同該半導體晶圓1繞著旋轉轴5轉。垂直方向運動之結果， ； 將工作台4與磨輪2壓在位於晶圓夾具3上之半導體晶圓1上， ； 結果磨輪及半導體晶圓彼此向前移進，半導體晶圓1之表面被研 磨0

第2圖示於半導體晶圓1旋轉一次後具有研磨加工面及磨階 之半導體曰曰圓1。在半導體晶圓丄之此一旋轉期間，磨輪及半導 體晶圓彼此向前移進-段距離X。 第3圖示半導體晶圓1及磨輪2之齒21之一個片段。磨輪 2 ^其前面糾—個磨階。若磨輪及半導體晶®彼此向前移進速 率门（例如· 2微米）即發生此種情形。磨輪2齒之主要作用面積 係以影線表示之。 第4 圖示於試轉之後，若選擇高速向前移進，磨輪2之齒 1如何又知。該圖亦示此種情形如何導致磨輪齒21主要作用面 移位。該磨點7係磨輪2之齒21上首先接觸半導 體晶圓1之點。 +第5圖示半導邀晶圓1及磨輪2之齒21之-個片段。該圖 亦以影線示 · •磨輪及半導體晶圓彼此慢速向前移進（例如：0.1 ^ n 齒21之主要作用面積。原則上，研磨與半導體晶 圓接觸之磨輪2齒21之整個表面。 由第 可看出，若磨輪2及半導體晶圓低速向前移進，磨 1300737 輪2之齒21表面受損之情形。該圖亦示，磨點7所在之位置較 第4圖更靠右。於試轉之後，磨輪2之齒21受損，磨點即移位。 於是形成一主要作用面積，該主要作用面積業已向磨輪2齒21 之中心略微移動。但，與第4圖相較，該主要作用面積或磨點7 右移。結果磨輪2主要作用面積之直徑較短（請參閱第7圖及第8 圖）。經發現於半導體晶圓旋轉一次期間，磨輪及半導體晶圓彼此 向前移進之距離為〇· 03至〇·5微米之情形。 第7圖及第8圖示本發明方法對該中心面積之影響。該等圖 不兩個半導體晶圓1及在每一種情形都是磨輪之主要作用面積 8 ’在第7圖中’半導體晶圓1之每個點（包含該中心面積）在半 導體晶圓旋轉—次_僅與磨輪2接觸-次，其情形是磨輪2及 半導體晶圓1彼此向前移進之距離為US至Q·5微米，但在第 8圖中’半導體晶圓！之中心面積與磨輪之主要作用面積8保持 恆常接觸，此種情形發生在磨輪2及半導體·丄彼此向前移進 速率較高時。 原則上可理解的是由本發明方法所造成之磨輪主要作用面 積移位亦可藉磨輪旋轉軸之移位達^但，並非常用之所有研磨 機均屬可能而且總會提高經費支出，實施上述方法時，此種方式 實非上選。 利用上述方法機械加工之半導體晶圓最好是由半導體材料 矽鍺⑪鍺或化合物半導體（例如：坤化嫁)所製之晶圓，由單 12 1300737 【圖式簡單說明】 第1圖所示係適合實施本發明方法之裝置。 第2圖所示係一具有研磨加工面及磨階之半導體晶圓。 第3圖所示係磨輪之齒，半導體晶圓之片段以及在高速前進之情 況下磨輪齒之作用面積。 第4圖所示係磨輪之齒、半導體晶圓之片段以及在高速前進之情 況下磨輪齒受損後之一個磨點。 • 第5圖所示係磨輪之齒、半導體晶圓之片段以及在低速前進之情 況下磨輪齒之主要作用面積。 第6圖所示係磨輪之齒、半導體晶圓之片段以及在低速前進之情 況下磨輪齒受損後之一個磨點。 第7圖所示係一半導體晶圓及在低速前進之情況下磨輪之主要作 用面積。 第8圖所示係一半導體晶圓及在高速前進之情況下磨輪之主要作 _ 用面積。 第9圖所示係在低速前進之情況下，於研磨後，在半導體晶圓上 實施GBIR測試之結果。 第10圖所示係在高速前進之情況下，於研磨後，在半導體晶圓上 實施GBIR測試之結果。 15 1300737 元件編號說明： 1 半導體晶圓 2 磨輪 3 晶圓夾具 4 工作（加工）台 5 旋轉轴 _ 6 旋轉轴 7 磨點 8 磨輪主要作用面積 21磨輪之齒

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Claims (1)

1. I 號專利申請案 範圍替換本（97年4月） 十、申請專利範圍：

   1. 一種機械加工半導體晶圓去除材料之方法，其中夾在晶 圓夾具上之半導體晶圓及位於其對面之磨輪互不依賴地旋 轉，該磨輪位於半導體晶圓對面旁側，使半導體晶圓之軸向 中心進入磨輪之工作範圍，該磨輪以進給速率朝半導體晶圓 之方向移動，結果在半導體晶圓及磨輪繞著平行軸旋轉時， 磨輪及半導體晶圓彼此向對方移進，研磨半導體晶圓之一個 面，在去除一定量材料後，磨輪以回退速率後移，其特徵為 在半導體晶圓旋轉一次期間磨輪及半導體晶圓彼此向對方 移進之距離為0.03至0.05微米。 2· 如請求項1之方法，其中所用者係# 2000微小粒度或 更微小粒度之磨輪。 3· 如請求項1或2之方法，其中磨輪之轉速為1000至 5000/分鐘° 4 ·如請求項1或2之方法，其中在研磨、無火花研磨及在 磨輪後退期間之轉速為50至300/分鐘。 5. 如請求項4之方法，其中半導體晶圓之轉速為200至 300/分鐘。 6. 如請求項1或2之方法，其中進給速率10至20微米/ 分鐘。 7. 如請求項1或2之方法，其中在半導體晶圓旋轉一次期 間磨輪及半導體晶圓彼此向前移進之距離為0.03至0.1微 17 • 13 0073 7 月 // β::次) 米0

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   1300737 ♦ .七、指定代表圖： (一）本案指定代表圖為：第（1 •(二)本代表圖之元件符號簡單說明 1 半導體晶圓 2 磨輪 3 晶圓夾具 4 工作（加工）台 φ 5 旋轉轴 6 旋轉軸 21 磨輪之齒

   八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：