TWI457200B - 在雙面加工設備的二個工作盤的每個盤上提供平坦工作層的方法 - Google Patents

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Description

在雙面加工設備的二個工作盤的每個盤上提供平坦工作層的方法
本發明涉及在雙面加工設備的二個工作盤的每個盤上提供平坦工作層的方法，該雙面加工設備包括一環形的上工作盤、一環形的下工作盤和一輥裝置，其中以繞該雙面加工設備的對稱軸可旋轉的方式安裝該二個工作盤和輥裝置。
電子、微電子和微電子機械需要具有極高的整體和局部平坦度、單面平坦度(奈米形貌(nanotopology))、粗糙度和清潔度要求的半導體晶圓作為起始材料。半導體晶圓是由半導體材料組成的晶圓，該半導體材料例如是元素半導體(矽、鍺)、化合物半導體(如由元素週期表中第III族的元素如鋁、鎵或銦和元素週期表中第V族的元素如氮、磷或砷構成的)或它們的化合物(如Si1-x Gex ，0<x<1)。
根據現有技術，半導體晶圓是通過多個連續的加工步驟製造的，所述加工步驟通常可分類為如下組別：
(a)　製造一通常為單晶的半導體棒；
(b)　將該棒切割為單個的晶圓；
(c)　機械加工；
(d)　化學加工；
(e)　化學機械加工；
(f)　任選地製成層結構。
在用於特別高要求應用的半導體晶圓製造中，在本情況中有利的順序包括至少一個加工方法，其中利用二個工作表面，在一個加工步驟中以去除材料的方式同時加工半導體晶圓的二面，更具體言之，係藉由引導設備使材料去除過程中施加在正面和背面上的半導體晶圓的加工力相互補償，並且在半導體晶圓上不施加約束力，也就是說以「自由浮動(free floating)」的方式加工半導體晶圓。
在現有技術中，較佳的順序是至少3個半導體晶圓的雙面都同時在二個環形工作盤之間以去除材料的方式加工，其中半導體晶圓鬆散地插入至少3個向外有齒的引導盒(guide cage)(承載器(carrier))的容納口(receiving opening)中，其利用輥裝置和外齒(outer toothing)，在壓力下，沿擺線軌跡，引導通過在二個工作盤之間的工作間隙，使得在該情況中，它們可完全繞雙面加工設備的中點(midpoint)旋轉。使用旋轉承載器並以該方式在整個區域以去除材料的方式同時加工多個半導體晶圓的二面的方法包括雙面磨光(『磨光』)、雙面拋光(double-side polishing，DSP)和利用行星式動力學(planetary kinematics)的雙面研磨(『行星式襯墊研磨(planetary pad grinding)』，PPG)。其中，特別是DSP和PPG是尤其重要的。相對於磨光，在DSP情況和在PPG情況中的工作盤還包括一工作層，其相互面對側係構成工作表面。PPG和DSP係先前技術中已知，並將簡要描述如下。
「行星式襯墊研磨(PPG)」係屬於機械加工類的方法，其係利用研磨造成材料的去除。如在DE102007013058A1對其進行了描述，並且如在DE19937784A1中對其適用的設備進行了描述。在PPG的情況中，每個工作盤係包括含有黏結磨料的工作層。該工作層以結構化的研磨墊形式存在，且該研磨墊以黏結、磁力、以強制聯鎖(positively locking)的方式(如鉤環緊固件)或利用真空固定在工作層上。該工作層對工作盤具有充分的黏合性以使其在加工過程中不位移、不變形(形成卷邊)或脫離。但利用剝離裝置可將它們容易地從工作盤上取下，並因此可快速地更換，從而不需較長的安裝時間，可在用於不同應用的不同類型的研磨墊之間快速更換。如在US5958794中描述在其背面上設計成自黏合的研磨墊形式的合適工作層。用於該研磨墊中的磨料較佳係金剛石。
雙面拋光(double-side polishing，DSP)屬於化學機械加工類的方法。在US2003/054650A中描述了半導體晶圓的DSP加工，並在DE10007390A1中描述了其適用的設備。在本敘述中，「化學機械拋光」應理解為利用混合作用的材料去除，其包括利用鹼性溶液的化學蝕刻和利用分散在含水介質中的鬆散顆粒的機械磨蝕，藉由拋光墊將鬆散顆粒與半導體晶圓接觸，該拋光墊係不包含與半導體晶圓發生接觸的硬物質，並由此在壓力下和相對運動中造成從半導體晶圓上的材料去除。在DSP的情況中，工作層以拋光墊的形式存在，並且拋光墊以黏結、磁力、以強制聯鎖的方式(如鉤環緊固件(fastener))或利用真空固定在工作盤上。在化學機械拋光過程中，該鹼性溶液較佳具有9至12的pH值，並且分散在其中的顆粒較佳為膠體分散的二氧化矽凝膠，該凝膠顆粒的粒徑在5奈米至數微米之間。
PPG和DSP的共同點係工作表面平坦度和平行度直接決定藉由它們加工的半導體晶圓的平坦度和平行度。對於PPG，這描述於DE102007013058A1。對於特別高要求的應用，可採用由半導體晶圓的平面平行度和由此而來的工作表面的平面平行度構成的特別高要求。
首先，工作表面的平坦度關鍵取決於承載工作層的工作盤的平坦度。已知將以下方法用於製造盡可能平坦的雙面加工設備的工作盤。
例如，已知利用翻轉工具移除晶圓而將工作盤坯料翻轉。由於後續安裝可再度使工作盤受力或變形，因此較佳係在將工作盤安裝在雙面加工設備上之後進行面翻轉。或者，還可在安裝於相對較大的加工設備之前，例如藉由研磨至平整對工作盤進行加工，然後需以顯示出特別低的應力的形式將其安裝。但所有這些已知技術手段的共同點是它們確實可改進工作盤的平坦度，但卻還未達到製造用於特別高要求應用的半導體晶圓需要的程度。
工作表面相互之間的平行度同樣首先關鍵取決於負載工作層的工作盤的平行度。已知以下方法係用於製造相互之間盡可能平行的雙面加工方法的工作盤。
首先，通常牢固地安裝在雙面加工設備上的一個工作盤，較佳為下工作盤，係利用在裝入到雙面加工處理設備之後翻轉或在裝入到雙面加工處理設備之前在單獨的加工設備上研磨，使其盡可能地平坦。然後將另一工作盤，較佳係上工作盤，裝入到雙面加工設備中，並對著下工作盤進行研磨，其中該上工作盤通常藉由萬向軸安裝(mounted cardanically)，並可由此至少整體平均地總是與下工作盤呈平行方向。在單獨的加工設備中先將上工作盤面翻轉也是可能的；但在該情況中，二個工作盤最終必須在裝入到雙面加工設備之後相互研磨以去除翻轉時的加工痕跡、或來自因大切削體積所需的多次更換或調整翻轉工具的碎屑。
由於工作盤最終總是需要進行研磨，所以在整平過程結束時，它們係具有一凸輪廓，並因此它們相互面對的表面僅以不充分的程度相互平行。
現有技術公開了一旦建立，甚至在熱學和機械式循環負載下也可確保維持工作表面的最佳可能面平行化的可能性。如在DE10007390A1中描述了具有良好冷卻性的特別堅硬的工作盤。如在DE102004040429A1或DE102006037490A1中揭露了靈活設置工作盤形式的可能性。但，這些對於加工過程中使工作盤針對性變形的方法不適用於使初始不平整的工作盤平坦至施加於工作盤上的工作層的工作表面具有製造用於特別高要求應用的半導體晶圓所要求的二個工作表面相互之間的平坦度和平行度。
最後，工作表面的平坦度和二個工作表面相互之間的平行度取決於施加在工作盤上的工作層的厚度。如果其厚度和彈性高度一致，則工作層最佳地呈現了工作盤的形狀。
最後，現有技術公開了對工作層修整的方法。修整應理解為意指從工具上針對性的材料去除。在成型修整(『整型修整』)和改變工具的表面性質的修整(『磨光』、『調整』、『調節』)之間存在差異。在成型修整的情況中，在合適的修整設備的輔助下從工具中去除材料，其方式為產生將與工件接觸的工作元件的期待目標形狀。相比之下，在僅改變工具的表面性質的修整情況中，幾乎不去除材料而恰好達到期待性質的變化，如粗糙化、清潔或調整，但係在該過程中避免該工具形狀的嚴重變化。
但在DSP情況中，由於拋光墊的有效層極薄，所以不能進行工作層(拋光墊)的成型修整。其有效層如此薄是由於拋光墊在其使用過程中係實際向拋光墊施加無材料去除的磨損。由於在DSP的情況中不能進行成型修整，對從不平整的工作盤得到不平整的工作表面無法改正。
在PPG的情況中，利用黏結於其中的磨料，工作層(研磨墊)與半導體晶圓嚙合並在壓力和相對運動下導致材料去除。由此研磨墊被磨損。由於PPG研磨墊被磨損，其有效層通常具有較厚的厚度(至少為數十毫米)，因此經濟地使用而不發生頻繁地因更換研磨墊產生的生產中斷是可能的，並且其平坦度可藉由重複修整而重建。在現有技術中，在已使用新的研磨墊之後對其進行修整以將磨料顆粒暴露在工作表面上(初始修整)。如T. Fletcher等人(Optifab，紐約洛契斯特，2005年5月2日)所描述的初始修整的一種方法。
自身之初始修整和用於重建工作表面形狀的常規修整係伴隨著工作層上少量材料的去除，而此並不會顯著地縮短研磨墊的服務壽命。
理論上，與DSP相比，在PPG的情況中可利用顯著更長的成型修整以修整工作層，使得即使在不平坦的工作盤上也可得到平整的工作表面，而先前技術不能製造得更好。但在該情況中，材料的初始有效層高度的較大部分必須從研磨墊上去除，例如超過三分之一。這使得該方法不經濟(昂貴的研磨墊的高消耗、修整塊的高消耗、具有長時間的安裝中斷的過長修整過程)。
因此，本發明的目的是進一步改進用於DSP或PPG的雙面加工設備的工作層的平坦度和平面平行度，而不需要藉由對工作層進行成型修整來大量去除材料。
該目的係藉由在雙面加工設備的二個工作盤的每一個工作盤上提供平坦工作層的方法來實現，該雙面加工設備包括環形的上工作盤、環形的下工作盤和輥裝置，其中以可繞該雙面加工設備的對稱軸旋轉的方式安裝該二個工作盤和輥裝置，並且其中該方法以如下順序包括以下步驟：
(a)　將下中間層施加於該下工作盤表面並將上中間層施加於該上工作盤表面；
(b)　藉由至少3個修整設備同時整平該二個中間層，該修整設備各包括修整盤、至少一個包含磨料物質的修整體和外齒，其中在壓力以及在加入不含具有摩擦功能的物質的冷卻潤滑劑下，該修整設備藉由輥裝置和外齒以擺線軌跡在該等中間層上運動，並由此從該等中間層上去除材料；和
(c)　將厚度均勻的下工作層施加於下中間層和將厚度均勻的上工作層施加於上中間層。
根據本發明的方法能夠提供高度平坦的工作表面，而不需要進行成型修整。因此，該方法還可用於DSP的情況，在該情況中，鑒於其小厚度，不能進行工作層的成型修整。在PPG的情況中，可避免厚度的大幅下降，並由此避免與成型修整相關的工作層可能的服務壽命大幅下降。
以下參照附圖和具體實施態樣詳細描述本發明。
第5圖顯示了本發明涉及的用於使用旋轉承載器對多個半導體晶圓的二面同時進行材料去除加工的設備的主要部件：上部的環形工作盤13和下工作盤26以轉速no 和nu 繞共線軸24和25旋轉。內針齒輪21設置在環形工作盤13和26的內直徑裡，外針齒輪20設置在環形工作盤13和26的外直徑外，該針齒輪以轉速ni 和na ，相對於工作盤共線旋轉並由此繞雙面處理設備的整體軸28旋轉。內針齒輪21和外針齒輪20形成輥裝置，至少3個具有合適外齒的承載器15插入該輥裝置中。第5圖顯示了插入例如5個承載器15的雙面加工設備。承載器15具有至少一個、但較佳多個用於容納半導體晶圓14的開口27。在第5圖所示的實施例中，在5個承載器的每一個中分別插入3個半導體晶圓14。因此，在該實施例中，每次加工過程(機器批次)同時加工15個半導體晶圓14。
根據本發明，二工作盤13和26在它們相互面對的表面上承載中間層(在第5圖和第7A至7D圖中的上中間層16和第7A至7D圖中的中間層29)。該等中間層的相互面對的表面承載工作層(第5圖中的上工作層39和第7A至7D圖中的下工作層32)。工作層39和32的相互面對的表面形成工作表面38和19。在加工中工作表面38和19與半導體晶圓14的正面和背面接觸。
利用輥裝置20、21和外齒，具有半導體晶圓14的承載器15沿擺線軌跡同時引導至上工作表面38和下工作表面19上。在該情況中顯示的雙面加工設備的特徵在於，在該情況中承載器係沿行星式軌跡繞設備整體的軸28旋轉。將在工作表面38和19之間形成、並且在該情況中承載器在其中運動的空間稱為工作間隙17。在加工中，上工作盤13向下工作盤26施加力，並且在上工作盤13中經由通道18加入工作介質。
如果將第5圖中所示的雙面加工設備用於化學機械雙面拋光，工作層39和32係不包含具有摩擦作用的硬物質的拋光墊，其在加工中與半導體晶圓14的表面接觸。經由通道18加入到工作間隙17中的工作介質係拋光劑，其較佳包含pH值為9至12的膠體分散的二氧化矽凝膠。
如果將第5圖中所示的雙面加工設備用於根據PPG原理的雙面研磨，則工作層39和32係包含固結磨料物質的研磨墊，其與半導體晶圓14的表面接觸。藉由通道18加入到工作間隙17中的工作介質係冷卻潤滑劑，其不包含具有摩擦作用的物質。較佳係使用不具有其它添加劑的純水用作PPG情況中的冷卻潤滑劑。
藉由該半導體晶圓14相對於工作層39和32的運動最終造成材料的去除。在DSP的情況中，利用(1)拋光墊；(2)包含鹼性拋光劑之反應性OH- 基團的二氧化矽溶膠和(3)面對各拋光墊的半導體晶圓14表面的三體相互作用(three-body interaction)進行材料去除。在PPG的情況中，利用(1)具有黏結磨料的研磨墊和(2)面對各拋光墊的半導體晶圓14表面的二體相互作用進行材料去除。
在工作表面38和19之間形成的工作間隙17的形狀關鍵性地決定了在該間隙中加工的半導體晶圓14的形狀。盡可能平行的間隙輪廓得到具有高度平行的正面和背面的半導體晶圓14。相比之下，徑向間隙或方位角起伏(『擺動(wobbling)』)的間隙得到較差的正面和背面的平面平行度，例如在半導體晶圓表面的厚度或起伏為楔形形狀。因此，一些雙面加工設備具有感測器22和23，該感測器設置在例如上工作盤13中的不同徑向位置，並且在加工過程中測量工作盤13和26的相互面對的表面之間的距離。
工作盤13和26之間距離的測量間接得到造成從半導體晶圓14上去除材料的工作表面38和19之間的距離，因此係關鍵性的。由此-至少間接地並且在給出工作層39和32厚度的資訊的情況下，例如因為工作層39和32厚度為恆定而由此可預測的磨損-可推導出半導體晶圓14的厚度。這使得可在得到半導體晶圓14的目標厚度時針對性的最終關停(turn-off)。
此外，使用設置在不同徑向位置的多個感測器22和23另外可總結出徑向曲線和在對距離測量的良好瞬時清晰度(temporal resolution)和對二個工作盤的轉角的絕對角度編碼(absolute angle encoding)下至少理論上有關於工作間隙17的方位角曲線(azimuthal profile)。一些雙面加工設備由此額外裝配有例如藉由工作盤的變形使工作間隙變形的傳動部件(actuating element)，其通常僅在徑向(開口)上並具有限定的單參數特性。如果按照所測距離的變形在封閉控制迴圈中連續實施，則即使在加工過程中在熱和機械迴圈負載下亦可設置高度平行且可保持恆定的工作間隙。
第7A至7D圖表明了製造均勻工作間隙所要求的根據本發明的方法的部分步驟。
在步驟(a)中，將上中間層16和下中間層29施加於(第7B圖)不平整的上工作盤13和下工作盤26(第7A圖)。施加的中間層16、29較佳具有一定的彈性度，以能夠呈現各工作盤的形狀，從而形成強制互鎖複合體(positively locking composite)。由於它們呈現工作盤的形狀，它們相互面對的表面40和30恰好與工作盤13和26的表面一樣不平整。
較佳係使用塑膠作為該等中間層。由塑膠構成的板甚至在大尺寸下也是可用的，並具有良好的尺寸精確性，而且可容易地以材料去除的方式加工。利用不間斷的拼接，該等中間層還可由多個板構成。藉由修整步驟去除在各「瓦片(tiles)」的相鄰邊緣處的可能的初始厚度差異，由此產生均勻的覆蓋。塑膠通常是差的導熱體。在整個表面上發生從半導體晶圓隨後移動的工作間隙的熱傳導至工作盤，該熱傳導通常藉由迷宮式冷卻彌散，並由此造成所得加工熱量的耗散，然而即使在施加中間層之後傳熱仍然充分。具有提高的導熱率的塑膠較佳用於該等中間層。這些塑膠通常用石墨(碳黑)或鋁、金屬氧化物或銅填充，並且易於取得。
用於該等中間層的較佳塑膠係聚醯胺(polyamide，PA)、縮醛(聚甲醛(polyoxymethylene，POM))、丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA；壓克力玻璃)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚碸(polysulfone，PSU)、聚醚醚酮(polyether ether ketone，PEEK)、聚亞苯基硫醚(polypheylene sulfide，PPS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)或聚氯乙烯(PVC)。熱固性塑膠如環氧樹脂(epoxy resin，EP)、聚酯樹脂(polyester resin，UP)、酚醛樹脂(phenolic resin)或非彈性體的聚氨酯(polyurethane，PU)係特別較佳的。玻璃或碳纖維補強的環氧樹脂(glass or carbon fiber reinforced epoxy resin，GFRP-EP、CFRP-EP)也係特別較佳的。由於有纖維補強，其尺寸穩定，但在薄厚度下具有充分彈性以呈現不平整的工作盤的輪廓，並能夠得到強制聯鎖的複合體。利用碎屑去除加工可良好地加工該熱固性塑膠，特別是填充或纖維補強的環氧樹脂。還可將它們特別良好地永久性地黏結於工作盤。在使用環氧樹脂黏結的情況中，利用加成聚合進行固化。因此，不產生低分子量的副產物，如從縮合反應中產生的水，並且不需要使溶劑逸散，因溶劑逸散將受覆蓋黏結接合處的中間層大幅地延緩。
中間層16、29與工作盤13、26的黏結較佳藉由永久性黏結來產生。無論何時安裝新工作層32、39，畢竟其係進行磨損因此需經常更換，仍意圖使中間層在工作盤上永久保持一經精細製造且非常平坦的參照表面。
在下一步驟(b)中，利用至少3個修整設備同時進行二個中間層16和29的成型修整，該修整設備各包括一個修整盤34(參見第6圖)、至少一個修整體35、36和一個外齒37，其中藉由輥裝置20、21和外齒37在壓力下並在加入不包含具有摩擦功能的物質的冷卻潤滑劑下，使該修整設備以擺線軌跡在該等中間層16、29上運動，並由此造成從該等中間層16、29上去除材料。
第6圖所示的修整設備適用於中間層的成型修整。該修整設備包括修整盤34、至少一個修整體35、36和外齒37。修整盤34作為承載器，其上施加至少一個修整體35。但該修整設備還可呈現為單件式。在該情況中，修整盤34和修整體35、36相同，並且修整體35、36由此同時與施加於雙面加工設備的工作盤上的二個中間層嚙合。然後將外齒37固定在該設備上或整合入該設備。但較佳的是，如第6圖所示之合適的修整設備係由個別部件構成。由此修整盤34承載至少一個上修整體35和至少一個下修整體36，它們與上中間層和下中間層嚙合。在各恰為一個上修整體35及恰為一個下修整體36的情況中，這些修整體較佳係環形的。
利用修整體35、36可進行該修整，該修整體與中間層接觸，釋放磨料物質，並由此用鬆散顆粒從中間層去除材料。這不同於也同樣使用鬆散顆粒造成材料去除的磨光，關鍵在於去除材料的顆粒係經釋放，並且直接作用於有效位置。本發明以該方式避免了磨光的缺點，即在從工件邊緣輸送至工件中心的過程中，由於磨光劑的消耗造成經磨光工件(此處為中間層)的凸起形狀。因此，中間層不能根據本發明利用使用供應顆粒進行磨光的修整來平整。利用該修整設備進行的修整也不可能直接在工作盤上實施，並且由此不可能避免中間層的施加，這係因為根據本發明，該修整設備不造成構成工作盤的材料-較佳鑄鋼(延性灰鑄鐵或不銹鋼鑄鋼)-的去除，或該修整設備磨損非常快並因此變形。
在使用釋放顆粒進行修整的情況中，磨料較佳包含氧化鋁(Al2 O3 )、碳化矽(SiC)、二氧化鋯(ZrO2 )、氮化硼(BN)、碳化硼(B4 C)、石英(SiO2 )或二氧化鈰(CeO2 )或所述物質的混合物。
還可根據本發明利用修整體35和36進行中間層的修整，該等修整體包含與中間層接觸的固結磨料並由此使用固結的顆粒造成材料去除。該修整也不能用於對不平整的工作盤進行直接修整，因為固結在修整體35、36中的磨料較佳係金剛石或碳化矽(SiC)，尤佳係金剛石。金剛石不適用於對鋼的加工。金剛石對碳具有高溶解度，畢竟金剛石由碳構成。與鋼接觸的金剛石切割邊緣立即變圓，並且修整體變鈍。
當使用固結顆粒進行中間層的修整時，翻轉體較佳包括所謂的金剛石「丸粒」。「丸粒」通常應理解為一系列均勻體，其藉由燒結和烘烤(陶瓷或玻璃體黏結)或以金屬化黏結形式，具有相互呈面平行形式的至少二個側表面，例如圓柱體、空心圓柱體或棱柱體，其包含具有合成性樹脂的磨料。特別較佳地，當修整中間體時，還將PPG研磨墊用作修整體，該研磨墊黏結在修整盤34的二面上(第6圖)。PPG研磨墊最初開發用於玻璃(透鏡)的材料去除加工，並由此特別適用於有效加工具有高含量玻璃的玻璃纖維填充的環氧樹脂。
當施加中間層16、29時，為了進一步改進從工作間隙17向工作盤13、26的導熱，較佳在中間層的成型修整中去除大量材料以使在修整過程結束時，各中間層僅覆蓋相關工作盤的最高高度。在所有情況下，意圖在修整後中間層仍完全覆蓋所施加的整個工作盤，意即意圖不發生穿孔。已證實在最薄位置處修整後剩餘的厚度值為中間層的最厚位置處的剩餘厚度的十分之一係可實行的。具有幅度約為20微米的不平整度的工作盤的情況中(第2圖)，如果在修整後在最薄位置處的中間層僅為數微米厚度，則這樣係滿足的。這種薄的中間層不再損害導熱。
利用所述修整可製造極佳的平坦度。第7C圖顯示了由此得到的在下面的不平整工作盤13和26上的上中間層16和下中間層29的平坦表面41和31。
第7D圖顯示了包括不平整的工作盤13和26的設置，在步驟(C)中在該工作盤13和26上施加平整的中間層16和29和工作層39和32，工作層39和32具有相互面對的工作表面38和19。由於中間層16和29的平坦度，在施加後，工作層39、32已直接地具有非常平坦的工作表面42、33。它們係適用於特別高要求應用的半導體晶圓的加工，而不需要進一步的修整手段。
但視需要在步驟(d)中還可進行工作層39和32的非成型修整。用於步驟(c)的修整方法也可用於該目的。
在用於DSP方法的拋光墊的情況中，例如可能需要非成型修整(調整、拋光)以進行精細平滑處理。已證實工作層的最大允許去除量為有效可得層的初始厚度的1/10係可實行的。在用於DSP方法的拋光墊的情況中，有效層高度僅為數十微米至最大約200微米。因此，應去除僅較佳小於約5微米，尤佳約1至3微米。較佳地，在該情況中，修整體35、36包含固結的磨料物質，使得利用黏結的顆粒造成從工作層上的材料去除。用於該應用的較佳磨料物質係金剛石和碳化矽(SiC)。
另一方面，在用於PPG方法的研磨墊的情況中也可能需要非成型修整以進行初始拋光。在初始拋光的情況中，去除研磨墊最上層的數微米以暴露切割活性的磨料。在PPG研磨墊的情況中，例如有效層的厚度約為600微米。至多10至12微米，尤佳4至6微米的修整可定義為非修整的。因此，通常在PPG研磨墊的情況中係去除小於1/50的初始有效層厚度。較佳地，在該情況中，在接觸工作層時，修整體35、36釋放出磨料物質，使得利用鬆散顆粒從工作層上去除材料。在該情況中，修整體包含至少一種以下物質：氧化鋁(Al2 O3 )、碳化矽(SiC)、二氧化鋯(ZrO2 )、氮化硼(BN)、碳化硼(B4 C)。
實施例和對比例
將購自Peter Wolters GmbH(德國連茲堡)的AC2000型雙面加工設備用於實施例和對比例。該設備的環形工作盤的外直徑為1935毫米，內直徑為563毫米。由此，環寬度為686毫米。
第1圖顯示了在該雙面加工設備的工作盤相互面對的表面之間的距離W(微米)對工作盤半徑R(微米)的函數曲線W=W(R)。對於距離測量，將上工作盤安裝在位於對下工作盤呈120°的3個塊規(gage block)上。塊規位於相同的半徑上，選擇半徑以使支撐在這三個支承點上的工作盤在重力下的曲率約為最小。這些環狀板的點係對應所謂的貝色點(Bessel point)或艾利點(Airy point)，其需在二點上放置具有均勻線負載的彎曲梁，以使其在整個長度上具有最低彎曲情況。
利用距離度盤指示器測定工作盤距離的徑向曲線。AC2000具有用於調節上工作盤的徑向形狀的裝置。可將該形狀設置在相對於下工作盤的凸起和凹陷之間。使用在工作盤之間產生間隙的徑向曲線盡可能均勻的設置。第1圖顯示了使用在下工作盤上的恆定測試軌道對於相對於下工作盤上工作盤的4個不同的旋轉角(方位角)，所得工作盤距離的徑向曲線(曲線1表示0°，曲線2表示90°，曲線3表示180°，曲線4表示270°)。考慮到度盤指示器的尺寸(支承腳)，只有302.5R942.5的徑向範圍可用於測試。因此，測試了總寬度為686毫米的環的640毫米。
藉由根據現有技術的磨光得到所示的板形狀。在第1圖中清楚可見的是工作盤之間的距離主要在徑向上變化。其在外徑和內徑處最大，並且約在半環寬度處最小。這對應於在內緣和外緣處工作盤厚度的下降，這是磨光處理的特性。更小的方位角差值(特別在R>700的大半徑處不同的曲線W(R)1和3對於2和4)表示了沿直徑方向上藉由該設備的對稱軸28運行的彎曲線上的一系列工作盤。
第2圖顯示了相同設備的下工作盤的高度U(單位為微米)對於工作盤半徑R(單位為毫米)的函數曲線U=U(R)。對於該測試，將撓曲硬性的鋼尺在下工作盤的直徑方向上放置在設置於Bessel點處的二個塊規上，並且利用度盤指示器，對於不同半徑下的面向尺的下工作盤的表面和尺之間的距離進行測定。如第1圖所示(曲線5表示0°，曲線6表示90°，曲線7表示180°，並且曲線8表示270°)在與工作盤距離W(R)的測定相同的角度(方位角)下進行測定。下工作盤距離外緣和內緣的高度下降，並且下工作盤在稍大於半環寬度的半徑處具有最大厚度(『凸起』)。
可移動地(萬向軸方向)安裝上工作盤，因此它的形狀不能利用尺量法直接測定。但是，其形狀直接產生自曲線W(R)(第1圖)和U(R)(第2圖)之間的差異。第2圖中的最大高度差為約17微米，第1圖中的最大高度差為約32微米。因此，對外緣和內緣開口的環形工作盤之間的間隙大致均勻地分佈在上工作盤和下工作盤之間，它們在環中心具有大約相同的「凸起」。
對比實施例
在對比實施例中，將購自3M的677XAEL型PPG研磨墊作為工作層直接黏結在該雙面加工設備的各工作盤上，如第1圖和第2圖所示。它由0.76毫米厚的研磨墊與其黏結在中間層上的下層支撐層，和最大650微米可用作有效層的0.8毫米厚的上層構成。利用修整方法整平二個研磨墊，其中在各情況中，從上研磨墊和下研磨墊上平均去除約60微米的材料。為此使用與以下實施例中該用於修整中間層相似的方法中的修整設備。在設置該設備以調整上工作盤的徑向形狀的情況中進行修整，之前在未進行黏結的工作盤之間已測定了工作盤之間的間隙的最大均勻徑向曲線(『最優工作點』)。
第3圖顯示了修整後二個工作表面之間的距離G的曲線G=G(R)。距離G係指第5圖中工作間隙17的寬度。
在修整過程中達到的各情況中的平均材料去除量約60微米遠多於初始拋光(暴露於磨料顆粒)的非成型修整所需量，但仍過小而難以得到均勻間隙G(R)=常數：儘管能夠減少工作盤的距離W=W(R)的非均勻性(第1圖；約32微米)，但是對於約17微米的幅度，該量仍然明顯過大而難以由此得到其表面的平面平行度適於高要求應用的半導體晶圓。第3圖只顯示了0°的間隙曲線34。間隙的方位角上的非均勻性係經極大地消除，使得以徑向的非均勻性為主，並且對於一個角度的間隙34完全說明了整個工作間隙。
如果所使用的工作層是拋光墊，由修整得到的約60微米材料的材料去除量將使拋光墊無法使用，因為拋光墊的有效厚度僅為數十微米，並且將不能得到均勻的工作間隙。
實施例
特徵為第1圖和第2圖中所示的不均勻性的工作盤與0.5毫米厚的玻璃纖維補強的環氧樹脂平板黏結為四分之一圓，從尺寸為1000×1000平方毫米的平板切割出環形段形狀。這是非常適用於進行本發明方法的塑膠。由於在電子印刷電路板的製造中將GFRP-EP大量用作標準材料，所以易以大尺寸、良好的尺寸精確性和穩定的品質得到該塑膠。利用50微米厚的無負載的高黏性合成樹脂黏合層先進行黏結，使得在失效的情況下，可將所施加的中間層再次去除而無殘留。由保護膜支撐黏合劑層，並且在熱和壓力(熨燙)下將其黏結至經切割的環氧樹脂平板上。在剝離保護膜之後，由此GFRP切割片以自黏結的形式構成，並由此黏結到工作盤。在工作盤和中間層之間的加力鎖定和強制聯鎖連接可藉由後續的手動輥壓得到。
將第5圖所示類型的修整設備用於整平由此施加的中間層。各修整設備包括由15毫米的鋁構成的環形修整盤34；由6毫米不銹鋼構成的環形外齒37，該外齒與該環形修整盤螺紋連接並嚙合到由雙面加工設備的內針齒輪和外針齒輪形成的輥裝置中；及圓柱形磨料體35、36，該磨料體以正面24個和背面24個黏結在修整盤上，並且其直徑為70毫米，高度為25毫米，並由高等級的粉紅色剛玉構成，其均勻地排布在直徑為604毫米的節距圓上。將4個該類型的修整設備以均勻分佈的方式插入雙面加工設備中。
在上工作盤的支承力為400十牛頓(daN)，且上工作盤和下工作盤以相對於修整設備約30/分鐘(每分鐘轉速)的轉速相反方向旋轉的條件下進行修整，而該修整設備在該加工設備中以約1/分鐘的轉速旋轉，並相對於它們各自的軸以約6/分鐘的轉速旋轉。在最優工作點處(在黏結中間層之前最大的均勻工作間隙)再次進行修整。在多次部分去除中進行中間層的修整，以能夠同時檢查去除成功性並測試所達到的平整度。環氧樹脂平板已在多個位置上先設置有小開口，可經由開口使用測試設備感知下面的工作盤，並由此確定環氧樹脂平板的殘餘厚度。在修整加工結束時，任何測試可得到的最薄位置仍在100微米以下，並且預計實際最薄的位置為50微米。這相當於玻璃纖維層的厚度(50微米)。因此，即使在它的最薄位置，當更換工作層時，中間層仍穩定並且不脫離或變形，在該過程中，還是出現拉伸力(藉由剝離運動使工作層被剝離)。
在整平中間層之後，將作為工作層的、購自3M的677XAEL類型的PPG研磨墊黏結至二個中間層的各層上。
最後進行初始拋光。考慮到在安裝於高度平坦的中間層之後已有的極佳平整度，約10微米的材料去除足以對研磨墊的所有區域中的所有『瓦片』進行拋光。藉由顏色標記對此進行檢查，在修整之前在墊表面的各位置上以分散的方式施加顏色標記，並在修整後顏色標記全部被均勻地去除。對於初始拋光，以與上述對中間層修整的方法類似的方法使用修整設備。最後，藉由徹底清洗鬆散的殘餘剛玉而清潔工作表面。
第4圖顯示了以此方式製備的工作層所相互面對的工作表面之間的工作間隙寬度G(微米)的徑向曲線。在686毫米的總環寬度的640毫米上測試可得的徑向範圍上，工作間隙的寬度變化僅為±1微米。在上工作盤變形至最優的均勻工作間隙並將上工作盤安裝在3個設置在下工作盤上的塊規之後，得到該測試。該方法的測試精確度約為±1微米，該精確度來自設備腳(foot)的支承精確度，該設備腳應足夠大以牢固支承多個構成研磨墊並且尺寸為數平方毫米的瓦片，以及來自於藉由測試感測器對相對工作表面的感知的精確度和度盤指示器本身的測試精確度，該測試感測器同樣必須牢固地支承多個瓦片。
各有3個開孔的5個承載器具有總共15個插入其中的直徑為300毫米的半導體晶圓，將該承載器插入根據本發明製造的雙面加工設備中，並進行控制運行。儘管在初始拋光中少量去除材料，但是工作層顯示出與不使用經整平的中間層，並使用顯著提高的成型初始修整(150微米的去除)的預先試驗相似出現的研磨力和材料去除速率。在設置最佳的工作盤相互之間的可能平行度下進行控制運行，從校正曲線已知該設置。在該運行中重新調整工作盤的形狀，即在出現熱和力學迴圈負載下保持恆定。經處理的半導體晶圓的平坦度約為1微米TTV。
最後，已發現首先以去除材料的方式加工半導體晶圓的工作表面相互之間的平行度，對於可得到的半導體晶圓平整度是關鍵性的。出現以下情況：如果單個工作表面僅在短波上平整，則是足夠的；允許它們在長波下變形，只要它們在各角度位置上具有相互平行的工作表面。在該情況中，「短波」應理解為比由於有限的硬度在其長度上半導體晶圓可變形的那些長度更大的長度，但其顯著小於半導體晶圓的尺寸；「長波」應理解為顯著大於半導體晶圓直徑的長度，但小於雙面加工設備的直徑(1至2公尺)的長度。
因此以多個常規設置的、在各情況中具有數毫米寬的「瓦片」和「槽」形式的PPG研磨墊的結構沒有不利地影響可得到的平坦度，因為考慮到硬度，毫米尺度的半導體晶圓不適用於以此方式構成的工作表面。因此，考慮到適用於進行本發明的方法的雙面加工設備的旋轉對稱性，中間層可相對於轉軸略微呈徑向對稱地彎曲，也就是說例如一個工作表面凹陷，而另一工作表面以與其精確互補的方式凸起。實際上，在修整過程中通常得到幾乎在相對的方向上球形彎曲的工作表面(球形殼)。只要在整個工作層上的平坦形狀的偏差上最大差別小於50微米，將得到具有與用完美平面平行的工作表面加工相同的表面平面平行度的半導體晶圓。
1．．．在0°方位角的情況中工作盤之間的距離的徑向曲線(非根據本發明的方法)
2．．．在90°方位角的情況中工作盤之間的距離的徑向曲線(非根據本發明的方法)
3．．．在180°方位角的情況中工作盤之間的距離的徑向曲線(非根據本發明的方法)
4．．．在270°方位角的情況中工作盤之間的距離的徑向曲線(非根據本發明的方法)
5．．．在0°方位角的情況中下工作層形狀的徑向曲線(非根據本發明的方法)
6．．．在90°方位角的情況中下工作層形狀的徑向曲線(非根據本發明的方法)
7．．．在180°方位角的情況中下工作層形狀的徑向曲線(非根據本發明的方法)
8．．．在270°方位角的情況中下工作層形狀的徑向曲線(非根據本發明的方法)
9．．．在0°方位角的情況中工作表面之間的工作間隙的徑向曲線(根據本發明的方法)
10．．．在90°方位角的情況中工作表面之間的工作間隙的徑向曲線(根據本發明的方法)
11．．．在180°方位角的情況中工作表面之間的工作間隙的徑向曲線(根據本發明的方法)
12．．．在270°方位角的情況中工作表面之間的工作間隙的徑向曲線(根據本發明的方法)
13．．．上工作盤
14．．．半導體晶圓
15．．．承載器
16．．．上中間層
17．．．工作表面之間的工作間隙
18．．．用於進料液體工作介質的通道
19．．．下工作表面
20．．．外針齒輪
21．．．內針齒輪
22．．．用於測定靠近內圓周的工作盤表面之間的間隙寬度的設備
23．．．用於測定靠近外圓周的工作盤表面之間的間隙寬度的設備
24．．．上工作盤的轉軸
25．．．下工作盤的轉軸
26．．．下工作盤
27．．．用於容納半導體晶圓的承載器的開口
28．．．雙面加工設備的整體轉軸和對稱軸
29．．．下中間層
30．．．整平前的下中間層表面
31．．．整平後的下中間層表面
32．．．下工作層
33．．．藉由本發明的方法製造之後的下工作層的平坦工作表面
34．．．修整盤
35．．．上修整體
36．．．下修整體
37．．．修整設備的外齒
38．．．上工作表面
39．．．上工作層
40．．．整平前的上中間層表面
41．．．整平後的上中間層表面
42．．．藉由本發明的方法製造之後的上工作層的平坦工作表面
W．．．工作盤相互面對的表面之間的距離
U．．．下工作盤的高度(厚度)
G．．．工作表面之間的距離
R．．．工作盤上的徑向位置
no ．．．上工作盤的轉速
nu ．．．下工作盤的轉速
ni ．．．內針齒輪的轉速
na ．．．外針齒輪的轉速
第1圖：工作盤之間距離的徑向曲線(radical profile)。
第2圖：下工作盤形狀的徑向曲線。
第3圖：藉由非本發明的方法製造後的工作表面之間的距離的徑向曲線。
第4圖：藉由本發明的方法製造後的工作表面之間的距離的徑向曲線。
第5圖：根據現有技術的雙面加工設備的主要部件的示意圖。
第6圖：用於根據本發明方法整平中間層的修整設備的實施態樣。
第7A至7D圖：根據本發明方法的步驟a)至c)的示意圖。
13．．．上工作盤
16．．．上中間層
19．．．下工作表面
26．．．下工作盤
28．．．雙面加工設備的整體轉軸和對稱軸
29．．．下中間層
30．．．整平前的下中間層表面
31．．．整平後的下中間層表面
32．．．下工作層
33．．．藉由本發明的方法製造之後的下工作層的平坦工作表面
38．．．上工作表面
39．．．上工作層
40．．．整平前的上中間層表面
41．．．整平後的上中間層表面
42．．．藉由本發明的方法製造之後的上工作層的平坦工作表面

Claims (13)

  1. 一種在一雙面加工設備的二個工作盤(13、26)的每一個工作盤上提供平坦工作層(32、39)的方法，該雙面加工設備包括一環形的上工作盤(13)、一環形的下工作盤(26)和一輥裝置(20、21)，其中以相對於該雙面加工設備的對稱軸(28)可旋轉的方式安裝該二個工作盤(13、26)和輥裝置(20、21)，並且其中該方法係按照如下順序包括以下步驟：(a)將一下中間層(29)施加於該下工作盤的表面(26)並將一上中間層(16)施加於該上工作盤的表面(13)；(b)藉由至少3個修整設備以同時整平二個中間層(16、29)，各該修整設備係包括一修整盤(34)、至少一個含磨料物質的修整體(35、36)和一外齒(37)，其中在壓力以及添加一不含具有摩擦功能之物質的冷卻潤滑劑下，該等修整設備藉由該輥裝置(20、21)和該外齒(37)以擺線軌跡在該等中間層(16、29)上運動，並由此從該等中間層(16、29)引起一材料去除；以及(c)將厚度均勻的下工作層(32)施加於該下中間層(29)並將厚度均勻的上工作層(39)施加於該上中間層(16)。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該等中間層(16、29)係由塑膠構成。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中在步驟b)中，該至少一個修整體(35、36)係在接觸該等中間層(16、29)時釋放出磨料物質，並由此利用鬆散顆粒從該等中間層(16、29)引起一材料去除。
  4. 如請求項3所述之方法，其中包含在該至少一個修整體(35、36)中的該磨料物質係包含以下物質中的至少一種：氧化鋁(Al2 O3 )、碳化矽(SiC)、二氧化鋯(ZrO2 、氮化硼(BN)、碳化硼(B4 C)、石英(SiO2 )、以及二氧化鈰(CeO2 )。
  5. 如請求項1或2所述之方法，其中在步驟(b)中，該至少一個修整體(35、36)係包含固結的磨料物質，該固結的磨料物質藉由固結的顆粒從該等中間層(16、29)引起一材料去除。
  6. 如請求項5所述之方法，其中包含在該至少一個修整體(35、36)中的該磨料物質係包含金剛石或碳化矽(SiC)。
  7. 如請求項1或2所述之方法，其中在實施步驟(b)後，各該等中間層(16、29)仍完全覆蓋各工作盤(13、26)，且各中間層(16、29)的剩餘最小厚度最多為相關中間層(16、29)之剩餘最大厚度的1/10。
  8. 如請求項1或2所述之方法，其中該等工作層(32、39)係適用於半導體晶圓之化學機械拋光且不含磨料物質的拋光墊。
  9. 如請求項8所述之方法，其中係在步驟(c)之後，進行另外步驟(d)，步驟(d)包括藉由至少3個修整設備以同時修整二個工作層(32、39)，各該修整設備均包括一修整盤(34)、至少一個包含固結磨料物質的修整體(35、36)和一外齒(37)，其中在壓力以及添加一不含具有摩擦功能之物質的冷卻潤滑劑下，該等修整設備係藉由該輥裝置(20、21)和該外齒(37)以擺線軌跡在該等工作層(32、39)上運動，並由此藉由黏結顆粒從該等工作層(32、39)引起一材料去除，其中該材料去除係小於各工作層(32、39)之有效層厚度的1/10。
  10. 如請求項9所述之方法，其中包含在該至少一個修整體(35、36)中的該磨料物質係包含金剛石或碳化矽(SiC)。
  11. 如請求項1或2所述之方法，其中該工作層(32、39)係適用於研磨半導體晶圓且包含固結磨料物質的研磨墊。
  12. 如請求項11所述之方法，其中係在步驟(c)之後，進行另外的步驟(d)，步驟(d)包括藉由至少3個修整設備以同時修整二個工作層(32、39)，各該修整設備均包括一修整盤(34)、至少一個修整體(35、36)和一外齒(37)，其中在壓力以及添加一不含具有摩擦功能之物質的冷卻潤滑劑下，該修整設備係藉由該輥裝置(20、21)和該外齒(37)以擺線軌跡在該等工作層(32、39)上運動，其中該至少一個修整體(35、36)在與該等工作層(32、39)接觸時釋放出磨料物質，並由此藉由鬆散顆粒從該工作層(32、39)引起一材料去除，並且其中該材料去除係小於各工作層(32、39)之有效層厚度的1/50。
  13. 如請求項12所述之方法，其中包含在該至少一個修整體(35、36)中的該磨料物質係包含以下物質中的至少一種：氧化鋁(Al2 O3 )、碳化矽(SiC)、二氧化鋯(ZrO2 )、氮化硼(BN)、以及碳化硼(B4 C)。
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