TWI511840B

TWI511840B - 修整用於半導體晶圓之同時雙面拋光之拋光墊的方法

Info

Publication number: TWI511840B
Application number: TW103104870A
Authority: TW
Inventors: Johannes Staudhammer
Original assignee: Siltronic Ag
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-12-11
Also published as: JP2014156006A; KR20140103052A; TW201431647A; SG2014009971A; CN103991033B; CN103991033A; DE102013202488B4; DE102013202488A1; US20140235143A1; JP5826306B2; US9296087B2; KR101588512B1

Description

修整用於半導體晶圓之同時雙面拋光之拋光墊的方法

本發明係涉及一種修整在一雙面拋光裝置中用於半導體晶圓之同時雙面同步拋光之拋光墊的方法，該雙面拋光裝置具有由一拋光墊覆蓋的二個環形拋光板和一用於承載盤的滾動裝置，該拋光板和該滾動裝置係安裝成可圍繞著共線設置的軸線旋轉。

電子元件的生產需要半導體晶圓，特別是單晶矽的半導體晶圓，來作為基本材料。這種元件的製造商要求半導體晶圓具有盡可能平坦且平面平行的表面。為滿足該要求，係使半導體晶圓經受提高側面的平面度和平面平行度並降低其粗糙度的一系列加工步驟。在該加工範疇中，通常執行一或多個拋光步驟。

雙面拋光(DSP)係特別適宜的，其在存在一懸浮液(也稱為漿料)形式的拋光劑的情況下，同時拋光半導體晶圓的二個表面(正面和背面)。在雙面拋光期間，該半導體晶圓與其它半導體晶圓一起放置在一下拋光墊與一上拋光墊之間的間隙中。該間隙被稱為工作間隙。每個拋光墊覆蓋一對應的下拋光板或上拋光板。在雙面拋光期間，半導體晶圓位於引導並保護半導體晶圓的承載盤的凹槽中。該承載盤係外部帶齒的(圓)盤，其設置於拋光裝置的一內齒緣輪(toothed wheel)與一外齒緣輪或針齒輪之間。齒緣輪或針齒輪在下文中被稱為驅動齒輪。在拋光過程期間，該承載盤係藉由內驅動齒輪的轉動或者藉由內及外驅動齒輪的轉動而圍繞其自身的軸線旋轉並且同時圍繞拋光裝置的軸線進行回轉運動。此外，拋光板通常也圍繞其自身的軸線轉動。對於雙面拋光來說，這導致所謂的行星運動學(planetary kinematics)的特徵，其中半導體晶圓的側面上的一點在對應的拋光墊上描繪出一擺線路徑。

半導體晶圓的雙面拋光的一個主要目的係改善整體和局部幾何形狀。於此，係預定在不發生卷邊的情況下以一經濟的加工生產盡可能平坦的半導體晶圓。這可以藉由拋光過程中的各個加工參數的相互作用而實現。一重要的參數係上、下拋光墊之間的拋光間隙。在本文中，拋光墊表面的修整對拋光加工扮演一關鍵的角色。在修整期間，一方面清理拋光墊的表面(修理)，另一方面，引起輕微的材料磨耗，以便賦予拋光墊表面大體上盡可能平坦的期望幾何形狀(整形)。

通常，在此情況中係利用修整盤加工(處理)拋光墊，其中修整盤朝向拋光墊的表面塗覆有例如金剛石的磨料顆粒。修整盤具有外齒，以使得其可以如承載盤那樣被放置在下拋光墊上，外齒與內、外驅動齒輪嚙合。上拋光板係放置在修整盤上，以使得修整盤位於上及下拋光墊之間的工作間隙中。在修整期間，係採用與拋光中類似的運動學原理。因此，修整盤在修整過程期間在工作間隙中按行星運動學移動，並且根據使用一或二個側面上塗覆有磨粒的修整盤加工上拋光墊或下拋光墊，或者加工該二個拋光墊。

利用該標準方法，可以獲得一平面平行的工作間隙。此外，可以消除拋光墊表面上的不均勻性。已經假定，可以藉由一盡可能平面平行的工作間隙而獲得拋光半導體晶圓的最佳幾何形狀。

US 2012/0028547 A1描述了一種藉由使用具有一凸形或凹形表面的修整工具賦予拋光墊一對應的凹形或凸形表面的可能性。類似於待拋光之半導體晶圓，修整工具係放置於承載盤的凹槽中。藉由這種方式，可以調整拋光墊表面的幾何形狀，以使得所拋光之半導體晶圓的幾何形狀被改善。例如，其指出，可以藉由凹形拋光墊表面(即，一在拋光板的內、外邊緣處的小寬度的拋光間隙和一在該拋光板的徑向中心處的較大的間隙寬度)避免拋光半導體晶圓的明顯雙凹結構。

然而，已經發現，為滿足拋光半導體晶圓的幾何形狀的提高的要求，即使該措施也是不夠的。

因此，本發明之目的係進一步改善拋光半導體晶圓的幾何形狀。

該目的藉由一種修整在一雙面拋光裝置中用於半導體晶圓之同時雙面拋光之拋光墊的方法而實現，該雙面拋光裝置具有一環形下拋光板、一環形上拋光板和一用於承載盤的滾動裝置，該下拋光板、該上拋光板和該滾動裝置係安裝成可圍繞著共線設置的軸線旋轉，並且該下拋光板係由一第一拋光墊覆蓋，該上拋光板係由一第二拋光墊覆蓋，其中藉由該滾動裝置使具有外齒的至少一個修整工具和具有外齒的至少一個間隔件在一形成於該第一和該第二拋光墊之間的工作間隙中圍繞該滾動裝置的軸線進行回轉運動並且同時自轉，以使得該至少一個修整工具藉由其相對運動產生該二個拋光墊中的至少一個的材料磨耗，該至少一個修整工具的厚度不同於該至少一個間隔件的厚度。

導致本發明的研究已顯示，可藉由改變從外邊緣至內邊緣之拋光間隙的寬度進一步改善拋光半導體晶圓的幾何形狀。該尺寸對該拋光半導體晶圓之幾何形狀的影響前所未知且無法預料到的。藉由簡單的修整方法，在無需巨額費用的情況下，根據本發明的方法能夠產生一具有一在徑向方向(radial direction)上變化的間隙寬度的工作間隙。

以下將藉由附圖詳細描述本發明。

1‧‧‧上拋光板

2‧‧‧下拋光板

3‧‧‧上拋光墊

4‧‧‧下拋光墊

5‧‧‧拋光板的旋轉軸線

6‧‧‧內驅動齒輪

7‧‧‧外驅動齒輪

8‧‧‧承載盤

9‧‧‧承載盤的齒

10‧‧‧承載盤中用於放置一半導體晶圓的凹槽

11‧‧‧修整工具

12‧‧‧修整工具的齒

13‧‧‧塗覆有磨料顆粒的表面區域

14‧‧‧間隔件

15‧‧‧間隔件的齒

d_S ‧‧‧間隔件的厚度

d_D ‧‧‧修整工具的厚度

w_i ‧‧‧工作間隙在內邊緣處的寬度

w_o ‧‧‧工作間隙在外邊緣處的寬度

第1圖係顯示一穿過一具有根據本發明而產生之拋光間隙的雙面拋光裝置的豎直剖面；第2圖係顯示一穿過在一根據本發明之修整過程期間的雙面拋光裝置的豎直剖面；第3圖係顯示根據本發明之一具體實施態樣之具有二個修整工具和一個間隔件之一可能配置的雙面拋光裝置的下拋光板；第4圖係顯示根據本發明之另一具體實施態樣之具有二個修整工具和二個間隔件之可能配置的雙面拋光裝置的下拋光板；以及第5圖係顯示根據本發明之又一具體實施態樣之具有一個修整工具和二個間隔件之可能配置的雙面拋光裝置的下拋光板。

根據本發明的方法係用於製備一根據現有技術的雙面拋光裝置。執行該方法後，可根據現有技術但在一具有沿徑向方向變化的間隙寬度的工作間隙中執行半導體晶圓的雙面拋光。

下面將首先描述該雙面拋光裝置及其於拋光半導體晶圓的用途。

上拋光墊3(參見第1圖)係固定於上拋光板1上，並且下拋光墊4係固定於下拋光板2上。在彼此面對的拋光墊的表面之間，係存在工作間隙。在該工作間隙中，存在具有齒9的承載盤8，其與內驅動齒輪6和外驅動齒輪7嚙合。驅動齒輪6、7可為齒緣輪或針齒輪。該二個驅動齒輪6、7係一起形成承載盤8的滾動裝置，也就是說，藉由至少一個驅動齒輪或者較佳係二個驅動齒輪的旋轉，使得承載盤8圍繞其自身的軸線轉動並且同時圍繞著滾動裝置的旋轉軸線進行回轉運動。拋光板和形成滾動裝置的驅動齒輪的旋轉軸線5係共線地設置。承載盤8具有凹槽10，待拋光半導體晶圓放置於凹槽10中並且同時可自由移動。拋光裝置同時含有至少三個承載盤。同時裝配有五個承載盤也是常見的。取決於拋光裝置和半導體晶圓的尺寸，承載盤相應具有至少一個用於放置半導體晶圓的凹槽10。然而，一般而言，一承載盤係具有三個或更多個用於半導體晶圓的凹槽10。

如第1圖所示，根據本發明的修整方法的效果是拋光墊3、4的內邊緣處的工作間隙的寬度w_i 係不同於拋光墊3、4的外邊緣處的工作間隙的寬度w_o 。此差異的較佳值主要係取決於拋光板的尺寸。其中關鍵的是拋光墊的環寬度，亦即，拋光墊的內邊緣與外邊緣之間的距離。較佳地，以每公尺的該等拋光墊的環寬度計，該二個間隙寬度w_i 和w_o 之間的差值係至少70微米，特別較佳係至少140微米。較佳地，該差值最多係300微米。(因此，對於半公尺的環寬度，該二個間隙寬度w_i 和w_o 之間的差值較佳係至少35微米，且特別較佳係至少70微米。在此情況中，最大值較佳係150微米。)

已經發現，當該拋光間隙在內邊緣處的寬度大於該拋光間隙在外邊緣處的寬度時，特別是當遵循上述較佳之範圍時，可獲得特別優良的半導體晶圓的整體和局部幾何形狀。拋光半導體晶圓總體上(整體幾何形狀)係更平坦且具有減少的卷邊 (局部幾何形狀)。

較佳係採用拋光間隙的寬度的單調分佈(monotonic profile)，特別較佳係作為徑向位置的函數的線性分佈。

根據本發明，係藉由在執行拋光過程之前利用修整對二個拋光墊中的至少一個進行成形，來調整在內邊緣與外邊緣之間具有所述間隙寬度差的工作間隙。在該情況下，係以徑向位置函數從二個拋光墊中的至少一個磨掉不同的材料量。如果與在外邊緣處相比，在內邊緣處磨掉較多材料，則該工作間隙在內邊緣處的寬度係大於在外邊緣處的寬度，反之亦然。可以對應地僅修整二個拋光墊中的一個，以使得拋光間隙寬度的徑向分佈對應於材料磨耗的徑向分佈並且因此對應於該修整過的拋光墊的厚度的徑向分佈。然而，也可以以徑向位置函數修整二個拋光墊，以使得二個拋光墊的表面對該徑向間隙寬度的分佈的貢獻疊加在一起。

較佳地，根據本發明的修整方法係適用於具有低壓縮率的硬拋光墊，因為取決於徑向位置的期望厚度無法輕易地藉由一修整過程即賦予軟的可壓縮拋光墊。較佳地，壓縮率最多為3%，且特別較佳係最多為2.5%。壓縮率的測定係按照與標準JIS L-1096類似的方式執行。拋光墊的硬度較佳係80至100肖氏A(Shore A)。

第2至5圖中係描繪根據本發明的修整過程。在該情況下，藉由滾動裝置6、7使具有外齒12的至少一個修整工具11和具有外齒15的至少一個間隔件14在工作間隙中轉動來修整至少一個拋光墊3、4。

為了修整拋光墊3、4，將修整工具11和間隔件14放置在雙面拋光裝置中而不是承載盤8中。修整工具11和間隔件14二者均具有與承載盤8類似的外齒。確定修整工具11和間隔件14的尺寸，以使得其外齒12、15可與滾動裝置的內、外驅動齒輪6、7嚙合。該修整工具可呈圓形或環形地構形。

修整工具11具有塗覆有例如金剛石的磨料顆粒之表面區域13。較佳地，該塗覆有磨料顆粒的表面區域13係沿著外齒12以環形方式設置在該修整工具上。

藉由驅動齒輪6、7中的至少一個的轉動，修整工具 11和間隔件14圍繞著其自身軸線旋轉，並且同時圍繞著雙面拋光裝置的中心，也就是說，係圍繞著與拋光板的旋轉軸線5共線地延伸的滾動裝置的旋轉軸線進行回轉運動。同時，較佳地，至少由待修整的拋光墊所覆蓋的拋光板係轉動。當同時修整二個拋光墊時，較佳係使二個拋光板均轉動。藉由該修整工具與至少一個拋光墊之間的相對運動，利用修整工具11中塗覆有磨料顆粒的表面區域13產生所述的拋光墊3、4的材料磨耗。

可以使用其中僅在一側面上或者在二個側面上均具有塗覆有磨料顆粒的表面區域13的修整工具11。如果僅預定修整二個拋光墊中的一個，則使用單面修整工具。如果將修整二個拋光墊，則同樣可以使用單面修整工具。在該情況下，係依序執行上拋光墊及下拋光墊的修整。然而，在該情況下較佳係使用在二個側面上均具有塗覆有磨料顆粒的表面區域13的雙面修整工具(如第2圖所示)，並且因此得以同時修整二個拋光墊。

為了在修整期間實現拋光墊的徑向非均勻材料磨耗，需要間隔件14。為執行其功能，間隔件14的厚度d_S 必須與修整工具11的厚度d_D 不同。為了在具有半公尺或更大環寬度的拋光墊的傳統DSP裝置中產生於上述範圍內的間隙寬度差，需要修整工具與間隔件之間有至少0.1毫米的厚度差。

第2圖描繪了根據本發明的方法的功能。在該情況下係採用上拋光板的擺動安裝。這是必要的，因為上拋光板必須能夠補償下拋光板的高度偏移或擺動並適應該移動。為此，所有傳統雙面拋光裝置皆具有擺動安裝的上拋光板。間隔件不具有塗覆有磨粒的表面，並且因此不會產生任何拋光墊的材料磨耗。它們僅用於傾斜上拋光板。具有所欲厚度的傳統承載盤亦可用作間隔件。

於第2圖所示的情況下，修整工具11的厚度d_D 係大於間隔件14的厚度d_S 。此導致該擺動式懸置的上拋光板1略微傾斜，使得上拋光板1在較薄的間隔件14的區域相較於在較厚的修整工具11的區域更為降低。此進而造成沿徑向方向觀察時，該修整工具的內部部分(即，第2圖中所示的修整工具11的左手區域)的負載增加，並因此增加拋光墊3、4的靠近內驅動齒輪6的內邊緣區域中的材料磨耗。

因此，可以藉由厚度小於修整工具之間隔件(如第2 圖所示)在拋光墊的內邊緣處產生增加的材料磨耗(並且因此，在內邊緣處產生一較大的工作間隙寬度，即，w_i >w_o ，如第1圖所示)。反之，可以藉由厚度大於修整工具之間隔件在拋光墊的外邊緣處產生增加的材料磨耗(並且因此，在外邊緣處產生一較大的工作間隙寬度，即，w_o >w_i )。

藉由修整工具與間隔件之間的厚度差決定上拋光板以及因此產生的徑向間隙的寬度差的傾斜方向和程度。在700毫米的拋光墊環寬度的情況下，例如，可以藉由將間隔件的厚度d_S 選定為比修整工具的厚度d_D 小約1毫米(d_D -d_S =1毫米)，產生內邊緣處的間隙寬度比在外邊緣處的間隙寬度大300微米(即，w_i -w_o =300微米)的工作間隙。反之，可以藉由選定d_D -d_S =-1毫米，產生外邊緣處大300微米(w_i -w_o =-300微米)的工作間隙。對於相同的DSP系統尺寸，可以藉由修整工具與間隔件之間之相應較小的厚度差而獲得較小的間隙寬度差。對於較大的DSP系統，需要一相應較大厚度差，以便產生特定的間隙寬度差，而在較小的DSP系統中，需要一相應較小厚度差。

對於給定的修整工具和間隔件的厚度，可藉由選擇修整工具與間隔件彼此之間的距離而進行傾斜的精細調整。

如上所述，在修整期間係需要藉由修整工具與間隔件的不同厚度略微傾斜上拋光板，以便實現取決於徑向位置的拋光墊的材料磨耗。原則上，可以利用一修整工具11和一相對安裝的間隔件14而獲得該效果。然而，這可能造成上拋光板的不穩定定位。因此，較佳使用至少二個相鄰設置的修整工具11或者至少二個相鄰設置的間隔件14，如第3至5圖所示。該等圖式係顯示一應用修整工具11和間隔件14的下拋光板(更確切地說，下拋光墊4)的平面圖。特別較佳地，係使用一個修整工具11和二個間隔件14(第5圖)或者二個修整工具11和一個間隔件14(第3圖)。在該等情況下，上拋光板1係穩定地支承在三個點上。也可以使用二個修整工具11和二個間隔件14(第4圖)。在該情況下，二個修整工具11和間隔件14必須分別彼此靠近，以便由於修整工具11與間隔件14之間的厚度差而傾斜上拋光板1。

根據本發明的修整過程具有以下優點，即其藉由修整工具的轉動進行，其中藉由不同厚度的修整工具和間隔件實現取決於徑向位置的拋光墊的材料磨耗。因此避免在修整過的拋光墊上形成溝槽或者凹痕。因此，保留了該修整方法的主要優點。同時，可以藉由可自由選擇內邊緣與外邊緣之間的間隙寬度差的簡單手段而產生拋光間隙。同樣，可以藉由所述方法使磨損到不同程度的使用過的拋光墊恢復至所欲形狀。

還可以設想，藉由二個拋光板中的至少一個的變形而獲得拋光板的內邊緣與外邊緣之間的拋光間隙的不同寬度。允許上拋光板的液壓變形(hydraulic deformation)的雙面拋光機是已知的。然而，已經發現，由拋光墊的內邊緣與外邊緣處的不同拋光墊厚度所引起的間隙寬度差與由相應的拋光板變形獲得的同樣大的間隙寬度差相比，具有顯著更佳的效果。在修整期間藉由取決於徑向位置的材料磨耗的間隙寬度差的調整另具有下列優點，即該方法還可以用於不具有可變形的拋光板的拋光機。

根據本發明的方法可用於製備雙面拋光任何半導體晶圓的拋光墊。在矽晶圓、特別是單晶矽晶圓的拋光中的使用因其顯著的經濟重要性和非常高的幾何形狀要求而是特別較佳的。