TWI608897B - Monolithic lapping method for semiconductor wafer and monolithic lapping device for semiconductor wafer - Google Patents
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Description
本發明係有關於半導體晶圓之逐片式單面研磨方法及半導體晶圓之逐片式單面研磨裝置。
矽晶圓等之要求高平坦度之半導體晶圓的表面研磨方法大致分成對半導體之雙面同時進行研磨的雙面研磨法、與僅對單面進行研磨的單面研磨法。單面研磨法係從使用比較硬質之研磨布的粗研磨至使用比較軟質之研磨布的精研磨被廣為使用。
此處，使用第1圖，說明以往所使用之單面研磨裝置10之一般的單面研磨方法。研磨裝置10具有：研磨頭12，係經由支承板11握持半導體晶圓1；平台14，係被黏貼研磨布13。此外，研磨頭12包括：轉動機構，係使研磨頭12轉動；及移動機構，係使研磨頭12移動至平台14的內外。在該單面研磨裝置10，研磨頭12係一面握持半導體晶圓1一面對被黏貼於平台14之上面的研磨布13推壓半導體晶圓1的被研磨面(即，與研磨頭12相反側的面)，使研磨頭12與平台14一起轉動，藉此，使研磨頭12與平台14進行相對運動，一面從研磨液供給手段15供給研磨液16，一面僅對半導體晶圓1的被
研磨面進行化學機械研磨。
藉單面研磨，可達成某程度的平坦度，但是無法得到充分之平坦面。尤其在半導體晶圓周緣部之被稱為「面下垂」之研磨後之平坦度的惡化係在現況無法避免。因此，進行防止研磨所造成的面下垂，以得到平坦度高之半導體晶圓的嘗試。
例如，在專利文獻1記載一種半導體晶圓之研磨方法，該方法係將至研磨結束所需的研磨時間分割成至少2階段，並將休息時間設置於該分割的研磨與研磨之間，而對一片半導體晶圓進行多階段的研磨。在此研磨方法，將休息時間設置於研磨與研磨之間，進行多階段的研磨，藉由防止在研磨時間變長時所產生之平坦度的惡化，可抑制研磨面的面下垂。
[專利文獻1]日本特開平成9-174394號公報
根據在專利文獻1所記載之研磨方法，可比以往更高平坦度地對半導體晶圓進行精研磨，但是在根據該方法研磨後之半導體晶圓的平坦度，在微細化愈來愈微細的今天係不充分。進而，在對複數片半導體晶圓進行研磨後之各片半導體晶圓的平坦度之不均大，亦導致良率變差。
因此，本發明係目的在於提供一種可提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且抑制平坦度之不均的逐片式單面
研磨方法及逐片式單面研磨裝置。
本發明者係專心檢討了解決該課題之手段。此處，藉由經由支承板被研磨頭吸附，來握持半導體晶圓，這係如上述所示。可是，因為支承板係藉黏著劑等與研磨頭黏著，所以因各構件之影響，在握持半導體晶圓之支承板的握持面，nm等級之微小的凹凸無法避免地存在。本發明者著眼於在研磨時，因為因該凹凸而不均勻之壓力作用於半導體晶圓，所以存在於半導體晶圓的握持面之微小的凹凸被轉印至研磨後的半導體晶圓，而發生研磨切削裕度形狀的面內不均，這成為平坦度之惡化、或平坦度之不均的原因，尤其在晶圓之外周部係顯著。因此，在研磨頭之轉向使研磨頭與半導體晶圓之相對位置移動後，進行使研磨頭換握半導體晶圓之換握步驟，藉此，可使微小之凹凸的影響平均化，結果，本發明者發現可提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且抑制平坦度的不均，以至於完成本發明。
即，本發明的主旨構成係以下以所示。
本發明之半導體晶圓的逐片式單面研磨方法之特徵為：包含：研磨步驟，係將研磨頭所握持之半導體晶圓推壓至平台，並對該半導體晶圓進行研磨；及換握步驟，係將該研磨頭所握持之半導體晶圓從該平台搬運至該平台外的托盤上，接著，使該半導體晶圓脫離該研磨頭，並將該半導體晶圓載置於該托盤，在該研磨頭之轉向使該載置之該半導體晶圓及該研磨頭的相對位置移動，然後，藉該研磨頭握持該載置之半
導體晶圓；進行該研磨步驟複數次，並在該複數次研磨步驟之間的空檔，進行該換握步驟至少一次以上。
此處，在將該複數次設定成N(其中，N係2以上的整數)次時，進行該換握步驟(N-1)次較佳。
在此情況，將在該換握步驟之該轉向的移動設定成(360/N)度較佳。
又，本發明之半導體晶圓的逐片式單面研磨裝置之特徵為具有：研磨頭，係握持半導體晶圓，並包括轉動機構及移動機構；平台，係被黏貼對該半導體晶圓進行研磨的研磨布；架座，係具備載置該半導體晶圓之托盤；以及控制部，係在該研磨頭握持被載置於該托盤之該半導體晶圓時，控制該半導體晶圓及該研磨頭之在該研磨頭的轉向之相對位置。
在此情況，該架座係具備轉動手段較佳。
若依據本發明，因為在研磨頭之轉向使研磨頭與半導體晶圓的相對位置移動後，進行使研磨頭握持半導體晶圓的換握，所以可提供一種可提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且抑制平坦度之不均的逐片式單面研磨方法及逐片式單面研磨裝置。
10、100‧‧‧單面研磨裝置
11、110‧‧‧支承板
12、120‧‧‧研磨頭
13、130‧‧‧研磨布
14、140‧‧‧平台
170‧‧‧控制部
180‧‧‧架座
181‧‧‧旋轉工作台
190‧‧‧托盤
第1圖係說明以往之半導體晶圓之單面研磨方法的模式圖。
第2圖係說明根據本發明之一實施形態之逐片式單面研磨
方法的模式圖，第2(A)圖係表示研磨步驟的模式圖，第2(B)圖係表示換握步驟的模式圖。
第3圖係表示在第1-1實施例之單面研磨後的矽晶圓之形狀輪廓的圖形。
第4圖係表示在第1-2實施例之單面研磨後的矽晶圓之形狀輪廓的圖形。
第5圖係表示在第1-1習知例之單面研磨後的矽晶圓之形狀輪廓的圖形。
第6圖係表示在第2實施例之單面研磨後的矽晶圓之ESFQR變化量的圖形。
第7圖係表示在第2實施例之單面研磨後的矽晶圓之ESFQR變化量的圖形。
以下，參照圖面，說明本發明之實施形態。第2圖係在模式上表示在使用根據本發明之逐片式單面研磨裝置的逐片式單面研磨方法之各步驟之截面構造的圖，第2(A)圖係表示研磨步驟的模式圖，第2(B)圖係表示換握步驟的模式圖。此外，第2圖係從實際之百分比誇張地表示半導體晶圓及裝置之構成元件之縱橫的百分比。又，為了簡化圖面，在模式上僅表示構成之主要部。
第2(A)圖係本發明之一實施形態的半導體晶圓之逐片式單面研磨裝置100之在研磨步驟的模式圖。此逐片式單面研磨裝置100具有：研磨頭120，係握持半導體晶圓1，並
包括轉動機構及移動機構；平台140，係被黏貼對半導體晶圓1進行研磨的研磨布130；以及架座180，係具備載置半導體晶圓1之托盤190。此處，逐片式單面研磨裝置100的特徵為具有控制部170，該控制部170係在研磨頭120握持被載置於托盤190之半導體晶圓1時，控制半導體晶圓1及研磨頭120之在研磨頭120的轉向之相對位置。藉由具有該構成，可進行後述之半導體晶圓的逐片式單面研磨方法。以下，說明各構成的細節。
研磨頭120係一般經由支承板110握持半導體晶圓1。研磨頭120與支承板110係藉以往周知之黏著劑等相黏貼。在握持半導體晶圓1時，一般使用水等之液體的表面張力或真空吸附，但是研磨頭120係可利用任意的手段握持半導體晶圓1或使其脫離。又，此研磨頭120係具備使研磨頭120升降及搬運至平台之內外的移動機構，又，具備可使研磨頭120轉動的轉動機構。
在平台140，被黏貼因應於從粗研磨至精研磨之所要的研磨目的之粒度的研磨布130。又，在對半導體晶圓1進行研磨時，一般藉馬達等使平台140轉動。
此外，雖未圖示，亦可本實施形態之逐片式單面研磨裝置100係具有使用第1圖已述的研磨液供給手段。藉由使用該研磨液供給手段，可對半導體晶圓1進行化學機械研磨。當然，本實施形態之研磨係未限定為化學機械研磨，即使是機械研磨，亦可應用本發明。
在平台140之外面，設置於用以暫時載置半導體
晶圓1的托盤190。此托盤190一般設置於架座180上。亦可此架座180具備轉動手段，在此情況，可藉控制部170控制轉動。作為具備轉動手段之架座180的一具體例，可列舉旋轉工作台181。即，亦可將托盤190設置於旋轉工作台181上。以下，說明不具備轉動手段之一般的架座之實施形態。
此處，說明係本實施形態之特徵事項之一的控制部170。如上述所示，控制部170係在研磨頭120握持被載置於托盤190之半導體晶圓1時，控制半導體晶圓1及研磨頭120之在研磨頭120的轉向之相對位置。具體而言係可依以下所示的方式控制該相對位置。即，如第2(A)圖所示，從研磨頭120握持半導體晶圓1之狀態，一面握持半導體晶圓1一面將研磨頭120搬運至托盤190上。接著，使半導體晶圓1脫離研磨頭120，再將半導體晶圓1載置於托盤190。然後，使研磨頭120轉動。此轉動本身係可使用馬達等之一般的手段，使轉動角度僅轉動所要的角度，而移動半導體晶圓1及研磨頭120之在研磨頭120的轉向之相對位置，這係重要。
在以往之單面研磨裝置，在藉研磨頭握持半導體晶圓時，未對設置於半導體晶圓之缺口或定向平面進行在研磨頭的轉向之握持面的位置對準等，更何況上述之相對位置的控制亦未進行。如上述所示，因為微小的凹凸存在於被黏貼於研磨頭之支承板之與半導體晶圓的握持面，所以因該凹凸的影響，在半導體晶圓之研磨後之平坦度的提高或對複數片半導體晶圓進行研磨時之平坦度之不均的改善有極限。
因為本實施形態之逐片式單面研磨裝置100具有
上述之控制部170，所以可進行細節將後述之半導體晶圓的換握。藉該換握，提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且可抑制平坦度的不均。
此處，本實施形態之逐片式單面研磨裝置100係具有可檢測出半導體晶圓1及研磨頭120之在研磨頭120的轉向之相對位置之可動度的檢測部亦較佳。作為這種檢測部，可將雷射偵測器等設置於研磨頭120。除此以外，亦可藉研磨頭120之伺服馬達的脈波控制等，亦可檢測出使研磨頭轉動時的角度。
此外，作為架座180，在使用具備轉動手段之旋轉工作台181的情況，在上述之實施形態使研磨頭120及旋轉工作台181之任一方或雙方轉動即可。又，與研磨頭120一樣，亦可藉伺服馬達的脈波控制等使旋轉工作台181轉動，檢測出該轉動角度。
其次，說明本發明之一實施形態之半導體晶圓的逐片式單面研磨方法。
本發明之一實施形態之半導體晶圓的逐片式單面研磨方法包含：研磨步驟(第2(A)圖)，係將研磨頭120所握持之半導體晶圓1推壓至平台140，並對半導體晶圓1進行研磨；及換握步驟(第2(B)圖)，係將研磨頭120所握持之半導體晶圓1從平台140搬運至該平台外的托盤190上，接著，使半導體晶圓1脫離研磨頭120，並將半導體晶圓1載置於托盤190，在研磨頭120之轉向使該載置之半導體晶圓1及研磨頭120
的相對位置移動，然後，藉該研磨頭120握持該載置之半導體晶圓1。在本實施形態，其特徵為：進行該研磨步驟複數次，並在該複數次研磨步驟之間的空檔，進行該換握步驟至少一次以上。藉由經過該步驟，可提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且抑制平坦度之不均。以下，說明各步驟。
在本實施形態，進行複數次研磨步驟(第2(A)圖)，這是本實施形態的特徵之一，但是所進行之複數次研磨步驟的各個係可根據一般方法進行。如上述所示，一般係研磨頭120一面握持半導體晶圓1一面對被黏貼於平台140之上面的研磨布130推壓半導體晶圓1的被研磨面(即，與研磨頭120相反側的面)，使研磨頭120與平台140一起轉動，藉此，使研磨頭120與平台140進行相對運動，一面從研磨液供給手段供給研磨液，一面僅對半導體晶圓1的被研磨面進行化學機械研磨。可是，亦可僅使研磨頭120轉動，亦可僅使平台140轉動。又，亦可在不供給研磨液下進行機械研磨。
又，換握步驟(第2(B)圖)係在藉控制部170所進行之研磨頭120與半導體晶圓1之在研磨頭的轉向之相對位置的控制是如上述所示。即，一度使半導體晶圓1從研磨頭120脫離至托盤190，並在使半導體晶圓1及研磨頭120的相對位置在研磨頭120的轉向移動後，研磨頭120再握持半導體晶圓1，藉此，半導體晶圓1被換握。
此處，在本實施形態，進行複數次研磨步驟(第2(A)圖)，並在該複數次研磨步驟之間的空檔，進行該換握步驟(第2(B)圖)至少一次以上，這係重要。即，在複數次研磨步驟之間
的空檔，對半導體晶圓1進行換握步驟，藉此，可使存在於研磨頭120與半導體晶圓1之握持面的支承板110之nm等級之微小凹凸的影響平均化。結果，可提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且抑制平坦度之不均。
此處，在本實施形態，在將該複數次設定成N(其中，N係2以上的整數)次時，進行該換握步驟(N-1)次較佳。即，在所進行之複數次研磨步驟的各步驟之間都進行換握步驟較佳。藉半導體晶圓之換握，可使凹凸的影響平均化，可提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且抑制平坦度之不均。因為換握次數愈多，凹凸的影響愈小，所以較佳，但是因為換握次數過度時導致生產效率降低，所以雖然不打算限定，可將上限設定成100次。另一方面，因為只要進行換握一次，就可得到本發明之效果，所以換握次數的下限係一次。此外，為了一面更確實地得到本發明之效果，一面提高生產效率，將換握次數設定成1~10次較佳，設定成2~8次更佳，設定成3~6次最佳。
又，在本實施形態，使半導體晶圓1及研磨頭120之相對位置在研磨頭120的轉向移動之轉動角度係只要相對位置有變化即可，無限定。可是，為了將在半導體晶圓1的握持面之凹凸的影響抑制成平均化，以使其轉動至少2度以上之方式使相對位置移動較佳，以使其轉動5度以上之方式使相對位置移動更佳。又，為了將凹凸的影響抑制成最平均化，在將該複數次設定成N次時，將使半導體晶圓1及研磨頭120之相對位置在研磨頭120的轉向移動之轉動角度設定成(360/N)度最佳。
此處，與是本實施形態的特徵之換握步驟的實施無關，研磨之研磨裕度係與研磨時間成正比。進行N次研磨步驟的總研磨時間T係可因應於所要的裕度適當地設定，各研磨步驟之研磨時間係任意。但，在如上述所示將轉動角度設定成(360/N)度的情況，為了使凹凸的影響平均化，將各研磨步驟之研磨時間設定成相同(即，T/N)較佳。
此外，本發明係可應用於任意的半導體晶圓，無任何限定之想法，可列舉例如矽晶圓、化合物半導體(GaAs、GaN、SiC)晶圓，亦可將本發明應用於在表面具有外延層的半導體外延晶圓。
此處，在本專利說明書所指之「相同」或「相等」不是意指嚴格上數學上之意義的相等，當然包含以在半導體晶圓之製程上所產生之無法避免的誤差為首之在具有本發明之作用效果的範圍所容許的誤差。例如，本發明包含約2%的誤差。
以下，使用實施例，更詳細地說明本發明，但是本發明係未限定為以下的實施例。例如，支承板110、研磨頭120、研磨布130、平台140、托盤170以及架座180(旋轉工作台181)係可應用任意的構件。
準備直徑300mm、厚度775μm的矽晶圓，並將仿麂皮布材料之研磨布設置於平台的表面，藉第2(A)、(B)圖所示之逐片式單面研磨裝置100進行精研磨。又，支承板110使
用仿麂皮布材料之構件。在研磨與研磨之間每次換握矽晶圓。研磨條件係如以下所示。
研磨壓力：135g/cm2
研磨步驟次數：6次(換握步驟次數：5次)
總研磨時間：360秒
在各研磨步驟之研磨時間：60秒
換握時之轉動角度：60度
研磨液：鹼性研磨液(含有矽酸膠)
經由以上之單面研磨，得到第1-1實施例的矽晶圓。
除了將在第1-1實施例之研磨步驟次數、研磨時間以及轉動角度變更成在如下之第1表所記載之條件以外，與第1-1實施例一樣地得到第1-2實施例的矽晶圓。
除了將在第1-1實施例之研磨步驟次數、換握步驟次數、研磨時間以及轉動角度變更成在如下之第1表所記載之條件以外，與第1-1實施例一樣地得到第1-1習知例的矽晶圓。即，在第1-1習知例未進行換握步驟。
使用平坦度測量裝置(KLA-Tencor公司製：WaferSight)測量第1-1實施例、第1-2實施例以及第1-1習知例之研磨後之矽晶圓的形狀。在第3圖~第5圖分別表示結果。第3圖~第5圖係將第1-1實施例、第1-2實施例以及第1-1習知例之研磨後之矽晶圓的形狀在圓周方向劃分成8個扇形(每隔45度)。圖形之橫軸表示從晶圓中心之徑向的位置。即，晶圓中心相當於0mm，晶圓的外周端相當於150mm。又，縱軸係晶圓之厚度的相對值，採用任意單位(A.U.)，圖中之縱向的箭號表示厚度範圍的絕對值。
自第3圖~第5圖，得知相對在第1-1習知例，周緣部之不均係約150nm，在第1-1實施例，可將周緣部之不均改善至20nm，在第1-2實施例，可將周緣部之不均改善至50nm。
準備63片直徑300mm、厚度775μm的矽晶圓，並將仿麂皮布材料之研磨布設置於平台的表面，藉第2(A)、(B)圖所示之逐片式單面研磨裝置100進行精研磨。在研磨與研磨之間每次換握矽晶圓。研磨條件係如以下所示。
研磨壓力：135g/cm2
研磨步驟次數：6次(換握步驟次數：5次)
總研磨時間：360秒
在各研磨步驟之研磨時間：60秒
換握時之轉動角度：60度
研磨液：鹼性研磨液(含有矽酸膠)
經由以上之單面研磨，得到第2-1實施例的矽晶圓。
除了將在第2-1實施例之研磨步驟次數、研磨時間以及轉動角度變更成在如下之第2表所記載之條件以外，與第2-1實施例一樣地得到第2-2實施例的矽晶圓。
除了將在第2-1實施例之研磨步驟次數、研磨時間以及轉動角度變更成在如下之第2表所記載之條件以外，與第2-1實施例一樣地得到第2-3實施例的矽晶圓。
除了將在第2-1實施例之研磨步驟次數、研磨時間以及轉動角度變更成在如下之第2表所記載之條件以外，與第2-1實施例一樣地得到第2-4實施例的矽晶圓。
除了將在第2-1實施例之研磨步驟次數、換握步驟次數、研磨時間以及轉動角度變更成在如下之第1表所記載之條件以外，與第2-1實施例一樣地得到第2-1習知例的矽晶圓。即，在第2-1習知例未進行換握步驟。
[第2表]
使用平坦度測量裝置(KLA-Tencor公司製：WaferSight)測量藉第2-1實施例~第2-4實施例及第2-1習知例所得之各矽晶圓之研磨前後的ESFQR(Edge flatness metric、Sector based、Front surface referenced、least sQuares fit reference plane、Range of the data within sector)。在第6圖表示第2-1實施例、第2-2實施例、第2-3實施例以及第2-1習知例之ESFQR之研磨前後的變化量([研磨前的ESFQR]-[研磨後的ESFQR])。又，在第3表表示第2-1實施例、第2-2實施例、第2-3實施例以及第2-1習知例之研磨前後的ESFQR之變化量的平均值及標準偏差。一樣地，在第7圖表示第2-2實施例及第2-4實施例之ESFQR之研磨前後的變化量，在第3表一併表示第2-2實施例及第2-4實施例其平均值及標準偏差。
此外，ESFQR係由SEMI規格所規定之表示晶圓之平坦度的指標，係對形成於晶圓全周之周緣區域的扇形(從晶圓外起算30mm之範圍內圓周方向72等分)之各區域的晶圓厚度，算出自根據最小平方法所求得之基準面的最大位移量之絕對值的和，藉此所求得。此外，ESFQR之值愈小，意指晶圓
之平坦度愈良好。
從第6圖及第3表，可確認在第2-1實施例~第2-3實施例，可使研磨前後的ESFQR值之變化量的絕對值及不均比第2-1習知例小。又，從第7圖及第3表，可確認在將研磨頭及矽晶圓之轉動角度設定成5度的第2-4實施例，亦可使研磨前後的ESFQR值之變化量的絕對值及不均比第2-1習知例小。其中，比較第2-2實施例與第2-4實施例時，可確認藉由將轉動角度設定成(360/[研磨步驟數])度，可使研磨前後的ESFQR值之變化量的絕對值及不均變成更小。又，亦可確認研磨步驟次數及換握步驟次數愈多，可更確實地得到本發明之效果。
若依據本發明，可提供可提高研磨後之半導體晶圓的平坦度，而且抑制平坦度之不均的逐片式單面研磨方法及逐片式單面研磨裝置。
1‧‧‧半導體晶圓
100‧‧‧單面研磨裝置
110‧‧‧支承板
120‧‧‧研磨頭
130‧‧‧研磨布
140‧‧‧平台
170‧‧‧控制部
180‧‧‧架座
181‧‧‧旋轉工作台
190‧‧‧托盤
Claims (3)
- 一種半導體晶圓之逐片式單面研磨方法，其特徵為包含：研磨步驟，係將研磨頭所握持之半導體晶圓推壓至平台，並對該半導體晶圓進行研磨；及換握步驟，係將該研磨頭所握持之半導體晶圓從該平台搬運至該平台外的托盤上，接著，使該半導體晶圓脫離該研磨頭，並將該半導體晶圓載置於該托盤，在該研磨頭之轉向使該載置之該半導體晶圓及該研磨頭的相對位置移動，然後，藉該研磨頭握持該載置之半導體晶圓；進行該研磨步驟N(其中，N係2以上的整數)次，並在該N次研磨步驟之間的空檔，進行該換握步驟(N-1)次，且將在該換握步驟之該轉向的移動設定成(360/N)度。
- 一種進行如申請專利範圍第1項所述的方法所構成的半導體晶圓之逐片式單面研磨裝置，其特徵為具有：該研磨頭，係握持該半導體晶圓，並包括轉動機構及移動機構；該平台，係被黏貼對該半導體晶圓進行研磨的研磨布；該架座，係具備載置該半導體晶圓之托盤；以及控制部，係在該研磨頭握持被載置於該托盤之該半導體晶圓時，使該半導體晶圓或該研磨頭轉動，以控制該半導體晶圓及該研磨頭之相對位置。
- 如申請專利範圍第2項之逐片式單面研磨裝置，其中該架座係具備轉動手段。
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