TWI574298B - Semiconductor wafer surface processing method - Google Patents

Description

半導體晶圓表面加工方法

本發明係與半導體晶圓製程有關；特別是指一種可創造出所需晶圓之表面形態的半導體晶圓表面加工方法。

於半導體晶圓的製造過程中，當晶圓歷經多道製程之後，不可避免地，於晶圓的結構上會累積大量的應力，以致於晶圓產生翹曲等變形，而前述翹曲變形可能是晶圓切割後，晶圓經過研磨所產生的應力而變形產生；或者是由於晶圓內部多層結構之熱膨脹係數不一，導致晶圓於退火再結晶時產生收縮力、應力不均的情形，進而引起晶圓翹曲的情況加劇。無論如何，晶圓翹曲的存在會導致晶圓的形狀改變，而當晶圓的形狀改變之後，對於後續的製程會產生諸多的問題，舉例來說：於晶圓進行搬運、移動的過程中，除了晶圓叉（Fork）有容易刮傷晶圓表面的問題之外，又晶圓可能會因為翹曲的曲率過大而無法被順利地吸附，以至於容易產生滑脫而破片的情形；另外，於晶圓進行光學對位時，也會降低其對位的精準度；除此之外，於晶圓進行磊晶、蝕刻、黃光、擴散製程等後續製程時，其晶圓表面上不均的翹曲，更會影響後續製程的良率。換言之，如何有效地控制或改善晶圓的翹曲量是目前各家業者所亟欲改善的問題之一。

請參圖１所示，為了消除晶圓上的翹曲，目前業界普遍的作法在於，將晶圓1放置於研磨機的研磨墊2上，並於該晶圓1的上下表面施予壓力以進行雙面研磨或是輪磨，以對該晶圓1的上下表面加工移除一定的厚度，來降低該晶圓1的翹曲量。然而，請參圖２所示，上述透過施加壓力對晶圓1表面磨除一定厚度的方式，除會導致晶圓1的移除量過多而有晶圓材料浪費之成本問題之外，當研磨機所施予晶圓1的壓力解除後，致該晶圓1的彎曲應力釋放，更會造成晶圓1回彈而回復成具有翹曲的狀態，而仍然有翹曲量偏大的問題，此現象在晶圓厚度薄化的的狀況下更為明顯。由此可見，目前控制晶圓翹曲量的方法仍有相當大的改善空間。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種半導體晶圓表面加工方法，可在低移除量的情況下，有效地控制或改善晶圓的翹曲量；或者於晶圓的表面創造出所需的形態。 緣以達成上述目的，本發明提供的半導體晶圓表面加工方法，係適用於一放電加工設備，該放電加工設備包含有一放電電極以及一盛有放電加工液的容器；該晶圓具有相背對的一第一表面以及一第二表面；該半導體晶圓表面加工方法包含有以下步驟： A. 浸置該放電電極與該晶圓於放電加工液中，並驅使該放電電極與該晶圓相互靠近；以及 B. 提供電能予該放電電極，使該放電電極對該晶圓的該第一表面放電移除待加工材料，藉由不同區域材料移除量的控制，以改變該晶圓之該第一表面的表面形態。

本發明之效果在於，藉由該放電電極對該晶圓表面進行放電加工，可在移除量較小的情況下，達到降低、改善晶圓翹曲量的問題；另外，亦可透過該放電電極與該晶圓的相對移動，創造出使用者所需求的晶圓表面形態。

為能更清楚地說明本發明，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。本發明之半導體晶圓表面加工方法係用以針對晶圓的表面進行加工，例如：針對具有半導體特性之4H晶相 N-type 碳化矽晶圓，藉以控制、改善或是消除晶圓的翹曲量，或是將晶圓的表面改變成製程上所需求的表面形態。其中，所述的晶圓係可為自晶柱經如多線切割程序（製程）切片後或研磨、拋光後的碳化矽晶圓片，或是經其他製程（如擴散、微影、蝕刻、離子佈植或薄膜）後等需要改善其翹曲或表面形態的晶圓。其中切割片或研磨片是創造出一後續加工的基準面，而拋光或其他製程則是透過背面的加工修整來控制翹曲量。另外一提的是，本發明之半導體晶圓表面加工方法特別適用於高硬度的單晶碳化矽晶圓的處理，其加工後晶圓之平坦度、表面粗糙度等皆可得到較佳的結果。

請配合圖３及圖４所示，為本發明第一較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，其適用於一放電加工設備，該放電加工設備包含有一機械臂10、一放電電極20、一盛有放電加工液的容器30以及一承載座40。其中，該機械臂10係連接該放電電極20，用以控制該放電電極20的移動及/或轉動，該機械臂10另外設置有傳輸線與該放電電極20連接，用以傳輸電能予該放電電極20供其放電以及傳輸控制訊號控制該放電電極20的放電能量的強弱及放電脈衝頻率等；該放電電極20係呈板狀，且具有一用以放出電能的工作面201；該容器30所盛有的放電加工液可選用具備良好潤滑、冷卻效能的乳化加工液，或是選用煤油等油性加工液，亦或是選用如蒸餾水或去離子水等之水性加工液，其中，放電加工液的選用並非本發明的限制要件之一，可視需求依據晶圓的特性選用；該承載座40用以承載一晶圓50，並可控制該晶圓50移動及/或控制該晶圓50沿其軸心轉動。該晶圓50具有相背對的一第一表面501以及一第二表面502，另外，由圖３中可看出，該晶圓50的第一表面501與第二表面502皆具有翹曲變形。

本發明的半導體晶圓表面加工方法包含有以下步驟：

步驟A、浸置該放電電極20與該晶圓50於放電加工液中，並驅使該放電電極20與該晶圓50相互靠近。於本實施例中，該承載座40係設置於該容器30的底部，該晶圓50的第二表面502係受該承載座40真空吸持而固定於承載座40上，另外，視需求而定的是，該承載座40亦可控制晶圓轉動以增加加工的均勻性，當然控制轉動的轉動軸也可以是另外裝設於機械臂10的一側。該晶圓50的第一表面501係朝上而面對該放電電極20的工作面201，其中該放電電極20的工作面201大於或等於該晶圓的第一表面501或第二表面502，於本實施例中該工作面201係略大於該晶圓的第一表面501。藉此，該機械臂10係可受控制而朝向該晶圓50移動，以驅使該放電電極20的工作面201緩緩靠近該晶圓50的第一表面501。

於該放電電極20與該晶圓50彼此靠近至一預定的距離範圍之內便可進行下一步驟：步驟B、提供電能予該放電電極20，使該放電電極20對該晶圓50的該第一表面501放電，藉以改變該晶圓50之該第一表面的表面形態。

於本實施例中，係透過一控制面板經由該機械臂10上傳輸線供予該放電電極20脈衝放電所需的電能及決定其放電能量的強度與頻率等數據的控制訊號，以促使該放電電極20之工作面201對該晶圓50的第一表面501進行脈衝放電。藉此，該晶圓50之第一表面501與該工作面201之間會形成具有強大電場的離子通道，而有放電現象產生，致使該晶圓50之第一表面501因離子解離、熔融或汽化，據此，透過多次的脈衝放電，便可改變晶圓50的第一表面501的表面形態，使其改變成與該工作面501互補的表面形態。其中，於本實施例中，該放電電極20的工作面501係為一平面，因此，請參圖４所示，於執行步驟B之後，該晶圓50的第一表面501便形成一與該工作面501互補的平坦表面，進而改善了該晶圓50之第一表面501的翹曲量。

此外，於步驟B之後，亦可對該晶圓50之該第一表面501進行研削、磨削及化學機械拋光等加工程序，藉以更進一步獲得更平坦、表面粗糙度更低的第一表面501，或是創造出更細緻、無損傷的原子級平坦表面，而有利於該晶圓50後續其他製程的進行。

接著，當欲改善該晶圓50之第二表面502的翹曲變形，或是欲改變該晶圓50之該第二表面502的表面型態時，除可對該晶圓50之該第二表面502進行研削、磨削以及化學機械拋光加工程序的其中至少一者之外，於步驟B之後，更包含有一步驟C、翻轉該晶圓50，使該晶圓50之該第二表面502面對該放電電極20；以及驅使該放電電極20與該晶圓50互相靠近，並提供電能予該放電電極20，驅使該放電電極20對該晶圓50之該第二表面502放電，藉以改變該晶圓50之該第二表面502的表面形態。其中，於本步驟C與前述步驟B不同之處在於，更包含有一翻轉該晶圓50的程序，用以將該晶圓50尚未進行表面加工處理表面朝向放電電極20，即，使晶圓50的第二表面502面對該放電電極20的工作面201，藉以透過放電電極20的脈衝放電來改變晶圓50之第二表面502至所需求的平面或表面形態。

並且，為進一步得到更細緻的第二表面以利於晶圓後續製程的進行，於步驟C之後更包含有一步驟D、對該晶圓50之該第一表面501及/或該第二表面502進行研削、磨削及化學機械拋光加工程序的其中之一者。於本步驟中，係針對已透過放電加工程序後的晶圓表面，作更進一步的細微處理，藉以創造出更平坦化、表面粗糙度更低的晶圓表面，但若於晶圓於放電加工程序處理後已達到所需求的平坦度，亦可不執行步驟D，而不以上述執行步驟D的實施例為限。

值得一提的是，本發明之晶圓表面加工方法除了可改善晶圓之翹曲變形的問題外，亦可依照製程的需求在晶圓的表面上創造出所需的表面，例如：曲面、甚至是具有反曲點的曲面。請參圖５所示，為本發明第二較佳實施例之晶圓表面加工方法，於前述實施例不同的是，其放電電極21的工作面包括有一曲面211，藉以使經過步驟B的放電處理後的晶圓51之該第一表面511形成與該曲面211互補的表面形態。

另外，除上述板狀之放電電極的加工方式之外，請參圖６所示，為本發明第三較佳實施例之晶圓表面加工方法，於前述實施例不同的是，本實施例的放電電極22茲以棒狀的電極為例，該放電電極22的工作面221的面積係實質上小於該晶圓52之表面521的面積，是以，於進行步驟B使該放電電極22對該晶圓52放電時，更可驅使該放電電極22與該晶圓52的其中至少一者轉動及/或移動，例如：可驅使該晶圓52轉動，並配合該放電電極22自該該晶圓52外周緣依序朝該晶圓52的圓心移動，且當晶圓52轉動一周時，控制該放電電極22進一步朝晶圓52的圓心移動一預設距離，並配合調整該放電電極22與該晶圓52間的垂直距離，藉此，便可於該晶圓52的表面521上形成有圈紋的晶圓52表面形態，圈紋的斷差取決於電極大小、電極形狀、圈與圈間的間距設定、電極-晶圓相對移動速度、放電電壓、晶圓材料導電率等。除此之外，亦可控制該放電電極22與晶圓52形成其他不同形式的運動，藉以產生其他不同的晶圓表面形態，而不以此為限。

另外，請參圖７所示，本發明第四較佳實施例的晶圓表面加工方法，於前述實施例不同的是，本實施例中所應用的放電電極23係為線狀電極，其具有一段概呈直線狀的工作段231，用以對晶圓53放電，且該工作段231的設置方式係實質上與晶圓53的表面531平行或近似平行，或者另可依據其他晶圓表面形態的設計需求，調整該工作段231與該晶圓53表面531的相對位置，並於步驟B中，於該放電電極23的工作段231對該晶圓53表面531進行放電時，驅使該放電電極23之該工作段沿著該晶圓53的徑向方向移動，藉以在晶圓53的表面531加工出所需的平面或其他形態的表面；另參圖８所示，為本發明之第五較佳實施例之晶圓表面加工方法，除了前述實施例驅使放電電極23沿該晶圓的徑向方向移動外，亦可配合驅使該晶圓53移動或旋轉，來形成所需的晶圓表面形態；或先將放電電極23的工作段231移動至垂直該晶圓53的軸線上，並驅使該晶圓53旋轉，來形成所需的晶圓表面形態。換言之，使用者可依照需求預先設定放電電極與晶圓的相對移動或晶圓的旋轉，而可加工出製程所需的平面，而不以上述實施例為限。

值得一提的是，所述的晶圓與放電電極的相對位置並不以上述各實施例的說明為限制。舉例來說，請參圖９所示，為本發明的六較佳實施例之晶圓表面加工方法，與第一實施例不同之處在於，其放電電極24係設置於該容器30底面，且其工作面241係朝上；其待表面加工的晶圓54係以懸掛的方式固定於該容器30的上方，並可受控制朝該放電電極24靠近，藉以進行晶圓表面加工的程序。另外，請參圖10所示，為本發明第七較佳實施例之晶圓表面加工方法，於第一較佳實施例不同之處在於，其支撐固定晶圓55的承載座係設置於該容器30的側壁面，此外，更設計該晶圓55採垂直式的設計，而相對地其所適用的放電電極25亦採垂直式的設計，藉此，同樣可進行本發明的晶圓表面加工方法。是以，由前述的實施例可知，在各種放電電極與晶圓相對位置的配合，皆適用本發明的晶圓表面加工方法。

另一提的是，於前述放電電極對晶圓進行放電加工程序時，亦可在容器內設置有超音波產生裝置，用以提供超音波震盪能量輔助移除物離開晶圓表面，並可配合具添加微磨粒之加工液，而可對晶圓進行表面粗糙度的均勻化處理，藉以輔助晶圓進行表面放電加工的程序，使得晶圓的移除量更為平均、晶圓表面更為平坦化。

其中，本發明的半導體晶圓表面加工方法可適用於各種類尺寸的晶圓，且可在晶圓移除量較低的情況下，達到改善或控制晶圓翹曲量的效果。舉例來說，請參下表一所示，為分別對2吋、4吋晶圓進行各種表面加工後，晶圓的移除量與翹曲量的比較表格，其中，自表一可看出，經過線切割後的2吋晶圓，一般來說具有10~60um的翹曲量；經過線切割後的4吋晶圓，一般來說具有10~100um的翹曲量。由表一可看出，本發明的半導體晶圓表面加工方法不論在2吋晶圓還是4吋晶圓，其晶圓的移除量都是最低的，而且加工後的晶圓翹曲量也是相對較低的，換言之，應用本發明的半導體晶圓表面加工方法可獲得相較於先前技術來說更低的晶圓移除量，以及更有效地控制晶圓的翹曲量。 表一 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0001"><TBODY><tr><td>   </td><td> 2"晶圓 </td><td> 4"晶圓 </td></tr><tr><td> 加工類型 </td><td> 移除量 </td><td> 翹曲量 </td><td> 移除量 </td><td> 翹曲量 </td></tr><tr><td> 線切割 </td><td>   </td><td> 10~60um </td><td>   </td><td> 10~100um </td></tr><tr><td> DSL </td><td> 30~120um </td><td> 0~20um </td><td> 30~300um </td><td> 0~40um </td></tr><tr><td> Grinding </td><td> 30~100um </td><td> 10~60um </td><td> 30~200um </td><td> 10~200um </td></tr><tr><td> 本實施例 </td><td> 30~60um </td><td> 0~20um </td><td> 30~100um </td><td> 0~30um </td></tr></TBODY></TABLE>

綜上所述，本發明的半導體晶圓表面加工方法，透過放電加工以及對不同區域材料移除量的控制，不但可在晶圓移除量較低的情況下，取得更佳的晶圓翹曲量控制，更可依照使用者的需求，在晶圓的表面上形成製程所需的平面或曲面，而有利於後續製程的進行，例如：可針對後續製程可能造成的變形，作出晶圓表面預變形的效果應用。另外，由於本發明的半導體晶圓表面加工方法係採放電加工的方式，其放電電極並沒有直接對晶圓進行壓力施加的動作，因此，於表面加工完成後，並不會有晶圓回彈而造成翹曲量仍然存在的問題。

值得一提的是，前述的晶圓可以是SiC單晶晶圓或是矽晶圓、砷化鎵、氮化鎵等等之其他種類的半導體晶圓，而不以上述之4H晶相 N-type 碳化矽晶圓為限。再一提的是，本發明之半導體晶圓表面加工方法應用於電阻率為0.001~1 ohm-cm的晶圓時，特別能有效降低晶圓的翹曲量。

另外，由於切片後或研磨後晶圓表面仍存在一定損傷層造成表面應力，當放電加工後會因兩面表面應力差異讓加工面產生翹曲變化，因此，於步驟A之前或是加工前，更可對該晶圓進行高溫熱處理，以釋放其應力，藉以降低其翹曲變化與翹曲度。

值得一提的是，前述的多線切割程序可以是鑽石砂漿加鋼線切割、鑽石線切割、多線放電切割程序。前述的放電表面加工程序係透過放電加工設備，依設定之相對移動移除掉晶圓材料，形成所需之表面形貌與面粗度。 前述的研削、磨削等研磨加工程序係可單面上蠟黏合或使用雙面膠黏合後使用一定粒度之鑽石磨粒與磨盤之加工，該鑽石磨粒之粒度為0.5~10um，該磨盤可以是鑄鐵盤、樹脂銅盤、純銅盤、錫盤或軟質研拋墊。

另外，該磨削加工程序係可採用燒結鑽石粒之砂輪進行磨削加工。值得一提的是，研磨加工程序或輪磨加工程序並不一定均須使用，且兩者無特定先後順序，亦即可以先輪磨再採用研磨工序或是先研磨再採用輪磨工序。換言之，於晶圓表面加工時，不論是否有採用研磨或研磨加工程序與否，皆應包含本發明的專利範圍之內。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，於進行晶圓表面加工方法時，亦可先由第二表面進行處理，再進行第一表面的處理。另外，待處理的晶圓表面形態僅作為例示性的說明，而非以第一表面為凹面的翹曲、第二表面為凸面的翹曲為限。舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

［先前技術］

1‧‧‧晶圓

2‧‧‧研磨墊

［本發明］

10‧‧‧機械臂

20‧‧‧放電電極

201‧‧‧工作面

30‧‧‧容器

40‧‧‧承載座

50‧‧‧晶圓

501‧‧‧第一表面

502‧‧‧第二表面

21~24‧‧‧放電電極

211‧‧‧曲面

221‧‧‧工作面

231‧‧‧工作段

241‧‧‧工作面

51~55‧‧‧晶圓

511~531‧‧‧表面

圖１為習用透過研磨機對晶圓進行研磨中的示意圖。 圖２為習用透過研磨機對晶圓進行研磨後的示意圖。 圖３為本發明第一較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，放電電極對晶圓放電的示意圖。 圖４為上述較佳實施例半導體之晶圓表面加工方法，晶圓之第一表面放電加工完成的示意圖。 圖５為本發明第二較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，放電電極對晶圓放電的示意圖。 圖６為本發明第三較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，放電電極對晶圓放電的示意圖。 圖７為本發明第四較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，線狀放電電極對晶圓放電的示意圖。 圖８為本發明第五較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，線狀放電電極對晶圓放電的示意圖。 圖９為本發明第六較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，放電電極對晶圓放電的示意圖。 圖10為本發明第七較佳實施例之半導體晶圓表面加工方法，放電電極對晶圓放電的示意圖。

10‧‧‧機械臂

20‧‧‧放電電極

201‧‧‧工作面

30‧‧‧容器

40‧‧‧承載座

50‧‧‧晶圓

501‧‧‧第一表面

502‧‧‧第二表面

Claims (11)

1. 一種半導體晶圓表面加工方法，係適用於一放電加工設備，該放電加工設備包含有一放電電極以及一盛有放電加工液的容器；該晶圓具有相背對的一第一表面以及一第二表面；該半導體晶圓表面加工方法包含有以下步驟：A.浸置該放電電極與該晶圓於放電加工液中，並驅使該放電電極與該晶圓相互靠近；以及B.提供電能予該放電電極，使該放電電極對該晶圓的該第一表面放電，藉以改變該晶圓之該第一表面的表面形態；其中，該放電電極具有一工作面，該工作面係面對該晶圓，用以對該晶圓放電；其中，該工作面包括有一曲面，以使經過步驟B的放電處理後的該晶圓之該第一表面形成與該曲面互補的表面形態。
2. 如請求項1所述之半導體晶圓表面加工方法，其中該工作面的面積大於或等於該晶圓的該第一表面的面積；步驟B包含有於該放電電極對該晶圓放電時，驅使該晶圓旋轉。
3. 如請求項1所述之半導體晶圓表面加工方法，其中該工作面的面積小於該晶圓的該第一表面的面積；步驟B包含在該放電電極對該晶圓放電時，驅使該放電電極以及該晶圓的其中至少一者轉動及/或移動。
4. 如請求項1所述之半導體晶圓表面加工方法，於步驟B之後更包含有對該晶圓之該第一表面進行研削加工、磨削加工及化學機械拋光的其中至少一者。
5. 如請求項1所述之半導體晶圓表面加工方法，其中所述的晶圓之電阻率為0.001~1ohm-cm。
6. 如請求項1所述之半導體晶圓表面加工方法，其中所述的晶圓係為SiC單晶晶圓、矽晶圓、砷化鎵半導體晶圓、氮化鎵半導體晶圓的其中之一者。
7. 一種半導體晶圓表面加工方法，係適用於一放電加工設備，該放電加工設備包含有一放電電極以及一盛有放電加工液的容器；該晶圓具有相背對的一第一表面以及一第二表面；該半導體晶圓表面加工方法包含有以下步驟：A.浸置該放電電極與該晶圓於放電加工液中，並驅使該放電電極與該晶圓相互靠近；以及B.提供電能予該放電電極，使該放電電極對該晶圓的該第一表面放電，藉以改變該晶圓之該第一表面的表面形態；其中，該放電電極為一線狀電極，該放電電極具有一段呈直線狀的工作段，該工作段實質上與該晶圓的該第一表面平行，用以對該晶圓放電；步驟B中包含有於該放電電極的工作段對該晶圓放電時，驅使該放電電極沿該晶圓的徑向方向移動及/或驅使該晶圓旋轉。
8. 一種半導體晶圓表面加工方法，係適用於一放電加工設備，該放電加工設備包含有一放電電極以及一盛有放電加工液的容器；該晶圓具有相背對的一第一表面以及一第二表面；該半導體晶圓表面加工方法包含有以下步驟：A.浸置該放電電極與該晶圓於放電加工液中，並驅使該放電電極與該晶圓相互靠近； B.提供電能予該放電電極，使該放電電極對該晶圓的該第一表面放電，藉以改變該晶圓之該第一表面的表面形態；以及C.翻轉該晶圓，使該晶圓之該第二表面面對該放電電極；以及驅使該放電電極與該晶圓互相靠近，並提供電能予該放電電極，驅使該放電電極對該晶圓之該第二表面放電，藉以改變該晶圓之該第二表面的表面形態。
9. 如請求項8所述之半導體晶圓表面加工方法，於步驟C之後更包含有一步驟D，對該晶圓之該第一表面及/或該第二表面進行研削加工、磨削加工及化學機械拋光的其中至少一者。
10. 如請求項1或8所述之半導體晶圓表面加工方法，其中當該放電電極對該晶圓進行放電時，更提供超音波震盪能量，藉以對該晶圓進行表面粗糙度均勻化處理。
11. 如請求項1或8所述之半導體晶圓表面加工方法，於步驟A之前更包含有：對該晶圓進行高溫熱處理以釋放應力，藉以降低其翹曲度。