TWI819737B - 研磨半導體晶圓的方法 - Google Patents
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Abstract
一種研磨半導體晶圓的方法，其中半導體晶圓被加工以藉由包含高度為h的磨齒的磨具去除材料，並且將冷卻介質輸送到旋轉的半導體晶圓和磨具之間的接觸區域中，其中在研磨的每個瞬間，藉由一個或多個噴嘴將第一冷卻劑流速施加到半導體晶圓一側的第一區域上，並且在研磨的每個瞬間，藉由一個或多個噴嘴將第二冷卻劑流速施加到半導體晶圓該一側的第二區域上，其特徵在於，第一區域以半導體晶圓的左下象限為界，並且第二區域以半導體晶圓的右下象限為界，並且第一冷卻劑流速相對於第一冷卻劑流速和第二冷卻劑流速之和的比率不大於35% 且不小於25%。
Description
本發明的主題是一種研磨由半導體材料製成的晶圓的方法。本發明是基於流體在研磨工具周圍的最佳分佈，以便處理半導體晶圓，從而同時從二側移除材料。
對於電子、微電子和微機電，需要對整體和局部平坦度、單側參考局部平坦度（nanotopology，奈米拓撲）、粗糙度和清潔度有極端要求的半導體晶圓作為起始材料（基板）。半導體晶圓是半導體材料的晶圓，尤其是例如砷化鎵的化合物半導體或例如矽和鍺的元素半導體。
根據現有技術，半導體晶圓是在多個連續的製程步驟中生產的。一般採用以下生產順序：
1、生產單晶的半導體棒（晶體生長），
2、將半導體棒分成單獨的棒塊，
3、將棒分割成單獨的晶圓（內徑或線鋸），
4、晶圓的機械處理（研光，研磨），
5、晶圓的化學處理（鹼性或酸性蝕刻），
6、晶圓的化學機械處理（拋光），
7、視需要地進一步的塗覆步驟（例如磊晶、熱處理）。
半導體晶圓的機械處理用於去除由鋸切（sawing）引起的波紋（corrugation），也用於去除因較粗的鋸切製程而在晶體結構方面受損或被鋸線（sawing wire）污染的表面層，並且最重要的是使半導體晶圓整體平坦化。半導體晶圓的機械處理還用於產生均勻的厚度分佈，也就是說，半導體晶圓具有均勻的厚度。
研光和表面研磨（單盤、雙盤）已知作為半導體晶圓的機械處理的方法。
同時對多個半導體晶圓進行雙盤研光（double-disk lapping）的技術早已為人所知，並且例如在EP 547894 A1中進行了描述。在雙盤研光中，半導體晶圓在一定壓力下移動，同時將含有研磨物質的懸浮液輸送到上下工作盤之間，工作盤通常由鋼構成，並設有通道以更好地分佈懸浮液，從而實現材料的去除。半導體晶圓由承載盤（carrier disk）引導，該承載盤具有用於在研光期間保持半導體晶圓的凹槽，半導體晶圓藉由承載盤保持在幾何路徑上，承載盤被設置為藉由驅動齒輪旋轉。
在單盤研磨（single-disk grinding）中，半導體晶圓的後側固定在卡盤（chuck）上，並藉由杯形研磨輪（cup grinding wheel）在正面進行平坦化，卡盤和研磨輪旋轉，軸向和徑向前進速度較慢。例如從US 2008 021 40 94 A1或從EP 0 955 126 A2中已知用於對半導體晶圓進行單盤表面研磨的方法和裝置。
KR 2011 006 6282 A公開了一種研磨輪（grinding wheel），為了提高冷卻效率，該研磨輪配備有至少一個冷卻劑輸送孔，使得冷卻劑可以直接供給至磨具（grinding tool）。
在同時雙盤研磨（simultaneous double-disk grinding，sDDG）中，半導體晶圓在二側同時進行處理，並且在安裝在相對的共線主軸上的二個研磨輪之間自由地浮動，在這種情況下，半導體晶圓在作用於前後二側的水墊（流體靜力學原理）或氣墊（氣體靜力學原理）之間被軸向地引導，基本上不受約束力（constraining force）的約束，並藉由周圍的薄導環（guide ring）或單個徑向輪輻（radial spoke）徑向鬆散地防止浮動。例如從EP 0 755 751 A1、EP 0 971 398 A1、DE 10 2004 011 996 A1和DE 10 2006 032 455 A1中已知用於同時對半導體晶圓進行雙盤表面研磨的方法和裝置。
然而，由於運動學，半導體晶圓的雙盤研磨（DDG）原則上會導致在半導體晶圓的中心去除更多的材料（「grinding navel ，研磨臍」）。為了在研磨之後獲得具有盡可能好的幾何形狀的半導體晶圓，安裝研磨輪的二個研磨主軸必須精確地對準共線，因為徑向及／或軸向偏差對被研磨的晶圓的形狀和奈米拓撲結構具有負面的影響。例如DE 10 2007 049 810 A1教導了一種用於校正雙盤研磨機中的研磨主軸的位置的方法。
在研磨過程中（這涉及單盤和雙盤研磨方法）有必要冷卻磨具及／或正在處理的半導體晶圓。水或去離子水通常用作冷卻劑。在雙盤研磨機中，冷卻劑通常從磨具中心流出，並藉由離心力輸送或彈射到研磨輪外緣上呈圓形排列的磨齒上。冷卻劑通量，即在規定時間內流出的冷卻劑的量，可以藉由電子或機械方法控制。
DE 10 2007 030 958 A1教導了一種用於研磨半導體晶圓的方法，其中半導體晶圓被處理，從而在提供冷卻劑的情況下，藉由至少一個研磨工具在一側或二側去除材料。為了確保在研磨過程中持續冷卻，冷卻劑流速會隨著磨齒高度的減小而減小，因為冷卻劑流速保持較高而不改變將不可避免地導致水漂效應（aquaplaning effect）。
DE 10 2017 215 705 A1中的發明係基於流體在用於處理半導體晶圓的研磨工具中的最佳分佈，以便同時去除二側的材料，這藉由使用最佳化的防滑板（skidding plate）來實現。這裡教導了流體的不均勻分佈對研磨結果具有負面影響。
US 2019/134782 A1公開了可用於雙盤研磨的研磨輪的某些設計。這裡還教導了使用通過噴嘴從內部施加到研磨輪的磨齒上的水。它與研磨水一起將研磨磨損和工具磨損沖離處理區域。
所有所述的現有技術文獻都具有共同的缺點，即在半導體晶圓的中心處的材料去除量高於在邊緣處的材料去除量。因此，該處理步驟中的半導體晶圓的幾何參數會劣化。在隨後的處理步驟中不能或不能充分地校正這種失常。採用現有技術中已知的方法，藉由研磨獲得的幾何形狀的品質是不足的。
本發明的目的是提供一種沒有上述缺點的方法。
該目的係藉由一種用於研磨半導體晶圓的方法來實現，該半導體晶圓被處理以便藉由包含高度為h的磨齒的磨具去除材料，並且將冷卻劑輸送到旋轉的半導體晶圓和磨具之間的接觸區域中。在研磨的每個瞬間，藉由一個或多個噴嘴將第一冷卻劑流速施加到半導體晶圓一側的第一區域上，並且在研磨的每個瞬間，藉由一個或多個噴嘴將第二冷卻劑流速施加到半導體晶圓該一側的第二區域上，其中，第一區域以半導體晶圓的左下象限為界，第二區域以半導體晶圓的右下象限為界，並且第一冷卻劑流速相對於第一冷卻劑流速和第二冷卻劑流速之和的比率不大於35%且不小於25%。
較佳地，半導體晶圓具有300毫米的標稱直徑，並且冷卻劑流速的總和不小於800毫升／分鐘且不大於1200毫升／分鐘。
還較佳地，同時處理半導體晶圓的二側以去除材料。
同樣較佳的是冷卻劑流速的總和隨著高度h的減小而減小。
更佳地，第一區域是環形扇區（annular sector），其具有環形的寬度w、中點和外半徑，並且以通過中點的第一直線為界，該第一直線相對於半導體晶圓的垂直對稱軸以角度α傾斜，並且進一步以通過該中點的第二直線為界，該第二直線相對於半導體晶圓的垂直對稱軸以角度β傾斜，並且第二區域源自第一區域通過半導體晶圓垂直對稱軸的反射，該中點位於半導體晶圓的垂直對稱軸上，並且距半導體晶圓中點不小於75毫米，角度α不小於25°，角度β不小於45°，環形的寬度w不小於10毫米且不大於25毫米，該外半徑不小於80毫米且不大於90毫米。
有許多用於評估半導體晶圓幾何形狀的標準化測量過程和測量方法。發明人限制了他們自己藉由參數THA25和翹曲度（warp）來評估半導體晶圓。
關於THA25：為了研究奈米形貌，可以使用干涉儀，例如來自KLA-Tencor公司的WaferSightTM 型的儀器。這種干涉儀適用於測量半導體晶圓上側的形貌。該儀器形成半導體晶圓上側的高度圖，該高度圖被過濾並且具有限定分析區域的分析視窗在該高度圖上移動。分析視窗中高度差的評估是藉由THA（threshold height analysis ，閾值高度分析），根據標準SEMI M43-0418和SEMI M78-0618的方法規範進行的。
翹曲測量可以例如根據 SEMI MF 1390-0218 進行。
儘管經過最佳化調整的DDG機器可以生產具有改進的形狀、弓形、翹曲和奈米形貌的研磨半導體晶圓，但是發現這些半導體晶圓的品質還是不足。
發明人已經發現，半導體晶圓的改進的幾何形狀可以藉由冷卻劑的受控輸送來實現，該冷卻劑的受控輸送在研磨期間發生在半導體晶圓的限定區域處。
用線鋸將一塊標稱直徑為300毫米的矽晶體切割成半導體晶圓，矽晶體是從使用柴氏拉晶法拉製的晶棒中獲得的。
在Koyo DSGX320型研磨系統上，在不同的冷卻劑流速的條件下研磨半導體晶圓。在這種情況下，研磨系統配備了來自ALMT公司的型號為#3000-OVH的市售磨具（研磨輪）。
在雙盤研磨機中，加工冷卻液通常從磨具的中心流出，並藉由離心力輸送到磨齒。可以調節冷卻劑通量，使得冷卻劑流速可以保持在設定值。
根據現有技術，研磨水的量被輸送的過程中，同時根據齒高進行調節（根據DE 10 2007 030 958 A1）。這確保了在過程中，當過多的冷卻劑從磨具內部向外排出時，磨具在待處理的晶圓上不會漂浮，相當於水漂，並且當過程中可用的冷卻劑太少時，待處理的晶圓不會出現過熱（相當於研磨燒傷）和研磨輪故障。
發明人已經發現冷卻劑在半導體晶圓上的分佈對結果有顯著的影響。例如，在傳統的研磨系統中，冷卻劑藉由離心力分佈在待研磨的半導體晶圓上，這顯然並不總是足以實現所需的表面品質（平坦度）。
因此，發明人已經開發了一種裝置，借助該裝置，可以藉由多個具有時間和位置解析度（position resolution）的噴嘴將冷卻劑施加到半導體晶圓的正面和背面上。
圖1示意性地示出了一種適用於在研磨期間在半導體晶圓上施加冷卻劑的裝置。
本發明人成功地改進了研磨半導體晶圓的方法，藉由處理半導體晶圓，以便借助於包含高度為h的磨齒的磨具去除材料，同時將冷卻劑輸送到旋轉的半導體晶圓和磨具之間的接觸區域中。
在研磨的每個瞬間，藉由一個或多個噴嘴將第一冷卻劑流速施加到半導體晶圓一側上的第一區域上。
同時，藉由一個或多個噴嘴將第二冷卻劑流速施加到半導體晶圓該一側上的第二區域上。
他們發現，特別較佳地，第一區域以半導體晶圓的左下象限為界，而第二區域以半導體晶圓的右下象限為界。發明人還發現，第一冷卻劑流速相對於第一冷卻劑流速和第二冷卻劑流速之和的比率必須不大於35%且不小於25%。
較佳地，半導體晶圓在研磨過程中旋轉。旋轉以順時針方向發生，順時針方向的旋轉意指在觀察半導體晶圓上的接觸區域時所看到的。
第一區域和第二區域在圖2中以圖形方式表示。
特別較佳地，半導體晶圓具有300毫米的標稱直徑，並且冷卻劑流速的總和不小於800毫升／分鐘且不大於1200毫升／分鐘。
更佳地，同時處理半導體晶圓的二側以去除材料。
同樣較佳地，冷卻劑流速的總和隨著磨齒高度h的減小而減小。
圖3示出了發明人取得最佳結果的區域。在此情況中，第一區域是環形扇區，其具有環形的寬度w、中點和外半徑，並且以通過該中點的第一直線為界，該第一直線相對於半導體晶圓的垂直對稱軸以角度α傾斜，並且進一步以通過該中點的第二直線為界，該第二直線相對於半導體晶圓的垂直對稱軸以角度β傾斜。
在此情況中，第二區域源自第一區域通過半導體晶圓垂直對稱軸的反射，該中點位於半導體晶圓的垂直對稱軸上，並且距半導體晶圓中點不小於75毫米。
角度α較佳不小於 25°，角度β不小於45°，並且環形的寬度w較佳不小於10毫米且不大於25毫米，並且外半徑較佳不小於80毫米且不大於90毫米。
較佳使用水作為冷卻劑，儘管也可以考慮使用添加劑。
藉由添加冷卻劑，已經發現晶圓的幾何形狀得到顯著地改善。然而，如果在研磨過程中冷卻劑的流動中斷，半導體晶圓的幾何形狀也會再次劣化。因此，在研磨過程中冷卻劑的流動不被中斷是很重要的。
10:裝置
11:噴嘴
20、30:半導體晶圓
21、31:第二區域
22、32:第一區域
33:中點
34:圓圈
35:垂直對稱軸
圖1以示例的方式示出了裝置（10），其可用於在研磨過程中施加所需量的冷卻劑。在這種情況下，噴嘴（11）以這樣的方式安裝，即它們可以將冷卻劑施加到半導體晶圓的待研磨的一側上。理想地，在這種情況下，噴嘴可以彼此分開地控制，使得每個噴嘴可以以預定的並且視情況地隨時間變化的冷卻劑通量來操作。
圖2示出了半導體晶圓（20）上的二個區域，冷卻劑較佳施加到這些區域上，以便在幾何形狀方面實現有利的效果。示出了位於半導體晶圓的左下象限的第一區域（22）和位於半導體晶圓的右下象限的第二區域（21）。
圖3示出了半導體晶圓（30）上的二個特別較佳的區域（陰影），冷卻劑可以施加到這些區域以進一步改進幾何形狀。第一區域（32）是具有環形的寬度w、中點（33）和外半徑的環形扇區。它以通過中點（33）的第一直線為界，第一直線相對於半導體晶圓（30）的垂直對稱軸（35）以角度α傾斜。它還以通過中點（33）的第二直線為界，第二直線相對於半導體晶圓的垂直對稱軸（35）以角度β傾斜。還示出了第二區域（31），其源自第一區域（32）通過半導體晶圓的垂直對稱軸（35）的反射。二個區域的外邊界位於所示的圓圈（34）上。
中點（33）位於半導體晶圓（30）的垂直對稱軸（35）上，同時位於半導體晶圓的水平對稱軸的下方。
20:半導體晶圓
21:第二區域
22:第一區域
Claims (6)
- 一種研磨半導體晶圓的方法， 該半導體晶圓（20，30）被加工以藉由磨具（grinding tool）去除材料，該磨具包含高度為h的磨齒（grinding teeth），並且將冷卻劑輸送到旋轉的半導體晶圓和該磨具之間的接觸區域內， 在該研磨的每個瞬間，藉由一個或多個噴嘴（11）將第一冷卻劑流速施加到該半導體晶圓（20，30）之一側上的第一區域（22）上， 在該研磨的每個瞬間，藉由一個或多個噴嘴（11）將第二冷卻劑流速施加到該半導體晶圓（20，30）之該一側上的第二區域（21）上， 其中，該第一區域（22）以該半導體晶圓的左下象限為界，該第二區域（21）以該半導體晶圓的右下象限為界，並且 該第一冷卻劑流速相對於該第一冷卻劑流速和該第二冷卻劑流速之和的比率不大於35%且不小於25%。
- 如請求項1所述的方法，其中該半導體晶圓（20，30）具有300 毫米的標稱直徑，並且該冷卻劑流速的總和不小於800 毫升／分鐘且不大於1200 毫升／分鐘。
- 如請求項1所述的方法，其中同時處理該半導體晶圓（20，30）的二側以去除材料。
- 如請求項1所述的方法，其中該半導體晶圓（20，30）在研磨過程中旋轉，並且觀察該接觸區域，該旋轉發生在順時針方向。
- 如請求項1所述的方法，其中該冷卻劑流速的總和隨著高度h的減小而減小。
- 如請求項1所述的方法，其中 該第一區域（32）是環形扇區（annular sector）， 其具有環形寬度w，中點（33）和外半徑， 並且以通過該中點（33）的第一直線為界， 該第一直線相對於該半導體晶圓（20，30）的垂直對稱軸（35）以角度α傾斜， 並且進一步以通過該中點（33）的第二直線為界，該第二直線相對於該半導體晶圓（20，30）的垂直對稱軸（35）以角度β傾斜，並且 該第二區域（31）係源自該第一區域（32）通過該半導體晶圓（20，30）的垂直對稱軸（35）的反射， 該中點（33）位於該半導體晶圓（20，30）的垂直對稱軸（35）上，並且距該半導體晶圓（20，30）之中點不小於75毫米， 該角度α不小於 25°， 該角度β不小於45°， 該環形的寬度w不小於10毫米且不大於25毫米，並且 該外半徑不小於80毫米且不大於90毫米。
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