具有改良局部平整度的半導體圓片及其製造方法

2023-06-01 02:34:11

專利名稱：具有改良局部平整度的半導體圓片及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有改良局部平整度(毫微位相)的半導體圓片及一種用以製造該類半導體圓片的方法。
直至數年前，圓片所需的平整度值僅是為整個圓片或各個組件所佔表面面積而總體性界定或規範。舉例言之，特性變量TTV(總厚度變化)是指圓片整個面積上圓片厚度的差異。另一方面，特性變數SFQR(局部聚焦平面最小二乘方差異範圍(峰頂至谷底)與各個組件組合體的廣度(部位；曝光點；如面積為25毫米×25毫米的微處理器)有關。除這些長—距特性變量之外，亦曾有及仍有對各個組件長度量度上短距(原子級)不平整度的規定，由於該起始表面的殘留粗度直接影響建構在該起始表面上及由其所形成各個組件的運作功能。由於用以大規模實施多層組件內組件夾層平整化的化學—機械拋光法的出現，除這些傳統技術外，尤其短—矩及長—矩規定區域，在毫米範圍內及略高的最大殘留不平度現在亦加以規範。屬於此範圍內的諸結構被稱作毫微結構。
SEMI(國際半導體裝置及材料)將「毫微位相」或「毫微構形」一詞界定為在三維波長約0.2至20毫米(橫向相關長度)區及在「品質帶」(FQA，「固定品質區」；產品規範中所要求的圓片性能必須滿足的表面區)內整個圓片正面平整度的差異。
所以，尤其將列為屬於毫微位相的圓片特徵，利用其特有側面廣度(相關長度或位且頻率)，就可比較量級的高度變化而言，與其他特徵有所不同。舉例言之，即使具有僅20毫微米高度(峰頂至谷底)的毫微位相特徵，亦可導致施加於半導體圓片上薄膜結構的厚度改變，對這些組件造成不良影響而在製作過程中顯現出薄膜的染色不均勻(變色)。
舉例言之，對整平此型薄層所用的成功的化學—機械拋光法而言，優良的毫微位相特別重要。化學機械拋光期間所用拋光布的剛性以及化學機械拋光的其他加工參數可精確地達成毫微位相範圍內的適合平滑度。如此可造成半導體圓片上組件結構的薄度不均勻，此乃與化學機械拋光加工的毫微位相較差有關。因此，該組件的特性受到傷害，若夾層(介電物質)一經穿透，可能導致發生短路。
毫微位相是通過掃描整個圓片表面而測得，隨測量範圍大小不同，全部地或夾有重疊部分。在每個這些測量範圍內未發現任何一個表面高度變化(峰頂至谷底)可超過整個圓片所需的最大值。測量範圍的大小視規範而定且是描述為2毫米×2毫米，(5毫米×5毫米)及10毫米×10毫米。就這些測量範圍而言，例如在組件最小側面特徵尺寸為0.13微米的案例中，容許的最大高度差異為(20毫微米，(＜30毫微米)及＜50毫微米。對毫微位相的特別嚴格要求亦正是對超大規模集成微電子組件(這些集成微電子組件幾乎全是唯獨利用化學機械拋光加工所製作者)的要求。由於化學—機械拋光法獨具特色，該尋要求遠較總體、部位參考及微觀殘留不平度值更嚴格，用製造半導體圓片的傳統切削程序則無法達成或僅在產量太低不合經濟效益的情況下可達成。
所以需要提供一種半導體圓片，該半導體圓片的毫微位相極佳，可滿足製造特別需求的微電子組件，尤其在多層技術且具有一化學機械拋光步驟用以製造0.13微米側面組件特徵尺寸及以下以及用以製造直徑200毫米或以上圓片，對所提起始平整度所提的要求。
依照現有技術，半導體圓片(尤其矽圓片)的製造是由包括許多加工組的切削程序由一低缺點單片式單晶體開始a)將單晶體分離(「鋸割「)成若干圓片，b)機械切削，c)化學切削，d)化學—機械切削。
此外，可實施各種其他步驟，例如清潔、分類、測量及包裝等，但這些步驟對圓片表面平整度並無影響，所以於下文內不作更詳細的考量。
依照現有技術，分離步驟a)的實施，通常是藉助於一內徑鋸(ID)、一鋼絲鋸(多鋼絲鋸，MWS)、藉分離/平整化研磨(研磨—切片，GS)、藉助於一帶鋸(單一切割)或一網鋸(多重切割)。
機械切削b)包括；藉助於機械式研磨、材料移除等步驟實施圓片邊緣的磨圓及圓片表面的平整化作用。圓邊(邊緣/凹槽磨圓，ENR)的實施是利用圓形、條狀或類似工具藉助於研磨或拋光作用。圓片表面平整化作用的實施是採用整批式(亦即同時許多圓片)，利用一精研漿液以未粘合顆粒精研，或採用單一圓片方式以經粘合顆粒研磨。若是研磨，半導體的一面是藉真空作用固定在卡盤上，另一面則是由一覆以研磨粒的研磨碟加以切削。半導體圓片兩面的切削是依序實施。通常所用的是利用精研運動學的整批雙面研磨法，其中經粘合的研磨劑或塗在覆蓋物(布)上的研磨劑(該處研磨劑業經「巢(嵌)套」在準固定狀態)是位於兩個甚大、相對的工作碟上，半導體圓片是在半自由狀態下於其間實施研磨，所以這些工作碟可依照精研過程中的同樣方式在導槽內的兩個面上移動。另有一種所謂「平整磨石磨」的方法，其中工作碟配有覆以堅硬材料的小球。
化學切削c)包括一個或更多個清理及蝕刻步驟。在蝕刻過程中(整批或每個單一圓片)將材料自兩面移除，為作「深度清理」，將晶性受損的表面帶移除並於機械切削之後減低機械錶面應力。許多業經公開的線性程序消除了蝕刻步驟，蓋因由蝕刻移除材料的量表示材料的額外消耗而且增加有關半導體圓片製造總切削工作的支出，進而涉及造成機械切削期間先前達成的圓片幾何形狀(平整度，尺寸精確度)的毀壞。
化學一機械切削d)包括許多拋光步驟。依照現有技術，這些步驟包含(也許)一種多步驟預拋光加工及一通常多步驟精細拋光加工。在此情況下，預拋光(粗拋光，一次拋光)及精細拋光(清晰拋光，二次拋光)的實施可採用許多工件夾在不同機器上並穿插清理、分類、測量及其他步驟的形式，或在集成機械工具內(其中半導體圓片是直接轉移至性能總是對預拋光及精細拋光加以最優化、具有不同拋光布的拋光碟。
該拋光步驟通常是一化學—機械拋光步驟，在該步驟中膠體分散、化學修飾矽石溶膠(漿液)藉機械研磨、但更重要地藉化學蝕刻作用將部分材料移除，結果造成半導體圓片與拋光布間的相對運動，此項材料移除工作完成了圓片的平整化作用，所以無任何結晶缺陷(幾何形狀)，而且使表面達到微觀或平滑(粗度)。
單面拋光加工是用於預拋光及精細拋光，雙面拋光加工亦是用於預拋光。在單面拋光的案例中，這些半導體圓片是將其背面粘合在一支撐盤上(粘固粉拋光)、藉真空作用固定或藉摩擦作用附著在所謂後支撐墊上(主要在精細拋光的案例中)。單面拋光採用個別圓片拋光及整批拋光兩種加工方式。精細拋光僅是用於隨後實施的半導體圓片正面。視隨後圓片背面的預期亮光程度而定，在預拋光的過程中，僅正面予以加工，隨後背面保持先前加工所預定的粗度，或採取另一種方式，兩個面是實施循序單面拋光或同時雙面拋光。雙面拋光僅用於預拋光加工。現有技術亦包括一種整批式加工，其中半導體圓片是適當地插入薄導槽內，使其可半自由地移動並利用精研運動學原理於附有拋光布的兩個盤之間同時實施兩面拋光。
再者，圓片的邊緣有通常是在預拋光之前實施最終切削(拋光)。但，其他加工程序亦經公開，其中包含若干程序可於單一步驟內提供集成預磨圓(去角取面)及精細磨圓(光邊)。
眾所周知的是，在實施機械切削b)的過程中利用同時雙面研磨法(雙碟研磨，DDG)可達成切削圓片的特佳幾何形狀。但，迄今業經揭示且包含一同時雙面研磨步驟的全部切削程序所具有的共同特徵是這些程序均包括許多機械(材料—移除)切削步驟。
迄今為止，原則上，僅具有雙碟研磨步驟的切削程序(其中雙碟研磨是僅用作粗略預先研磨步驟或於一兩段加工中用作預先研磨及最終研磨步驟)曾經考慮過可能及可行。歐洲專利EP 1 049 145 A1曾揭示一種切削程序，該程序包括一雙碟研磨預先研磨步驟(粗磨)，繼之以一個或更多個(序列型)單面最終-研磨步驟(最終加工)。相反地，美國專利US,6,066,565中曾述及於一具有雙面預先研磨及雙面最終-研磨的兩段式加工中使用雙碟研磨法。此種情形需要兩部機器而且需要工件經過夾持許多次。
上述依照現有技術的切削步驟，其特徵事實是雙碟研磨切削的一般優點是以用雙碟研磨時經常考量為必需的許多步驟內機械切削的缺點作為代價而得來的。現有技術的若干多段式部分機械切削程序，包括一個或更多個雙碟研磨步驟，以雙碟研磨為基礎的所有切削程序具有下列重大缺點材料的消耗量隨切削步驟的數目而增加。以雙段式或多段式切削為例，因磨入及磨出加工以及直至達到熱平衡時的「預熱研磨」會發生許多次，所以自工件上磨去材料的總量較單一步驟切削者多。再者，新加的材料移除工作(這些材料移除工作容許每個步驟必須可靠地達成品質目標所需的最低材料移除量)必須適用於材料的許多次利用。
除材料移除量之外，報廢率亦隨切削步驟的數目而增加，因為每個步驟的產率均低於100％。
再者，具有許多切削步驟的長加工程序的特點是彈性低，整個切削程序工作效率差及出產所需時間久。通常，個別步驟增加，切削程序的總工作效率降低。所以，為避免製造上的浪費，需要設置庫存量及備份機器。
所以，總體而言，半導體圓片的製造成本隨切削步驟的數目增加。此種情形甚至亦適用於現有技術的多段式切削程序(這些程序包含另外有利的雙碟研磨步驟)。
一種用以製造半導體圓片的方法可達成此目的，該方法包含於單一步驟內，將半導體圓片的兩個面同時研磨(1S-DDG)，其中該研磨作用是用以切削半導體圓片表面的唯一材料移除機械切削步驟。
在本發明用以製造半導體圓片的方法中，半導體圓片表面的成形機械切削是藉助於一「單一步驟同時雙面研磨」。[「單一步驟同時雙碟研磨」(1S-DDG)。在所述同時研磨法的說明中「雙碟研磨」與「雙面研磨」具有同樣的意義]。此應了解的是，其意謂一種於一同時雙面研磨機上實施的方法，其特徵為該方法僅包括一僅具有一個工件夾的單一切削操作。這意味著，預先切削及精細切則(「粗磨」及「最終研磨」)通常需要在單一、綜合切削步驟內進行。
不過，對可接受(合格)的起始表面而言並無限制。可能切削的表面，其所有實際粗度及結構是先前加工步驟所形成的，尤其由多重鋼絲鋸(MWS)(單向及雙向)、內徑鋸、研磨切片或鋼鋸所形成的。對已經研磨甚至已經拋光的表面實施加工亦屬可能。尤其，單一步驟雙碟研磨可消除表面的粗化作用(該表面粗化作用是現有技術在粗磨步驟內的加工中經常考慮為必需者)，為了隨後最後加工步驟，特別在由先前成功的分離加工中(精密分離)所形成的光滑表面上製造一個「嚙合粗度」，亦即製造一種精密研磨步驟的細研磨粒可嚙合的粗度。
就粗度、厚度或幾何形狀而言，無需要求移除更多的材料，該單一步驟雙碟研磨加工對起始圓片品質起伏變化的容忍度極高。通常，第一步驟雙碟研磨步驟可免除現有技術多步驟機械切削加工的上述缺點，所以在操作中大量材料可節省下來。
同時，在雙面研磨加工內兩個主軸的共線配置，可能使經雙面拋光的半導體圓片達到極高的最終厚度尺寸精度。
依照本發明，不再有預先切削或藉精研的再切削，單面研磨(SSG)、圓片兩面的循序單面研磨(2×SSG)或現有技術所要求、通過主要為機械的、晶片移除的材料移除所實施的任何其他切削步驟。但並不排除研磨步驟前、後所實施的圓邊或光邊，因為這些加工並不切削半導體圓片的表面，僅涉及其邊緣。
依照本發明的方法，利用極少數個別切削步驟即可製造半導體圓片。由於個別切劇步驟少，所以具有許多優點生產彈性(迅速反應顧客規範的寬廣範圍)、物流(線上原料存量低，可更迅速處理)等。再者，半導體圓片的生產特別節省原料。單晶半導體錠的製造佔半導體圓片總生產成本的比例極高。在半導體圓片製成成品之前，在單晶體錠隨後切削的許多步驟中，減少材料損失可大幅節省成本。
依照現有技術，僅將雙面研磨(雙碟研磨，DDG)的步驟曾被考慮用於切削程序，這些切削程序必須還包含藉精研、單面研磨或循序單面研磨所實施的機械預切削或再切削。迄今，尚未曾嘗試利用雙碟研磨作為重要的機械平整化步驟。但驚奇的是，經發現這些特性可用單一步驟同時兩面研磨(1S-DDG)達成。所以本發明方法可在產量高及品質無損的情況下製造半導體圓片。再者，本發明方法的優點，由於需要結合許多步驟，是現有技術加工程序所不具備或喪失的。
本發明方法的一頊特殊優點是半導體圓片是在單一步驟同時兩面研磨加工中通過交叉—研磨而加以切削。這就是說在研磨過程中，彼此相交的個別研磨體可形成研磨標記(條紋)，與軌道研磨不同，例如在SSG加工方法中，僅形成平行的研磨標記。交叉研磨及其特性可決定待隨後實施的、通過蝕刻的化學切削或化學—機械拋光的半導體圓片的起始形態。交叉研磨產生許多被肯定的特性利用交叉研磨運動學原理的材料移除較軌道研磨(例如在依照現有技術的切削案例中，藉助於SSG、2×SSG或結合DDG及SSG或2×SSG)更指迅速，所以較為低廉。
交叉研磨較軌道研磨更具晶體等向性。由於單晶體具有方向性(晶體非等向性)，有若干特定方向，這些特定方向中，有些較容易切削，有些較難以切削。若是交叉研磨，沿容易切削晶體等向性方向的材料移除量並不比沿更困難切削晶體等向性方向的情況多，因為在經切削的圓片表面的任何一點上，不同方向的研磨標記經常相互交叉，所以所有個別切割速率(該切割速率視晶體定向而定)終於得以平均。
若是軌道研磨，其路徑彼此不交叉，晶體切削角度視半導體圓片上的位置而定。所以，自不同位置移除材料的量不同。此種情形僅受研磨碟剛性的限制，以防止半導體圓片的變薄作用過度不均勻。若是軌道研磨，所形成的是一個很長距的圖案，其所選擇的方向可反映出晶體對稱性。若是矽表面(該表面平行於晶面100(Si100)，例如，形成一十字、若是Si111，則形成一六角星。在隨後的切削步驟中，此類長波幾何形狀破壞無法移除，或僅在移除大量材料的情況下方可移除。一個不合意的「研磨十字」仍留在最後切削的半導體圓片上，該「研磨十字」無論在定性方面(尤其利用所謂的魔鏡測量法)、或在定量方面(例如利用幹涉量度法或雷射三角定位法)都是值得注意的。
依照現有技術，在結合DDG及SSG或2×SSG的切削加工中，決定圓片表面形態的是第二個SSG步驟。所以，在現有技術切削程序中，選擇性實施的化學或化學—機械後續切削加工，不再能獲得DDG所造成的有利交叉研磨。通過選擇性破壞已由機械切削削弱的晶格區，這些後續切削加工實際上形成該研磨十字。
就本發明的觀點而論，最好利用一同時雙面研磨加工法(該加工法採用一種工件架，實質上無需強迫性導向，該工件架即可支撐及移動該半導體圓片(自由浮動法，FFP)。舉例言之，FFP切削的一般性優點是已知的，這些優點是由不完全摻合或完全摻合、其本身通常容易發生失誤的工具架所導致限制性強迫性條件的消除而形成的，已由(雙面)精研及雙面拋光(DSP)予以公開，且經海斯瑪(J·Haisma)等人(應用光學，33(34)(1994)7945)就DSP特有的性能，以典型的應用場合為範例加以敘述。
再者，就本發明的觀點而論，適合使用粘附堅硬陶瓷粒的研磨輪。由於其剛性，這些研磨輪可使半導體圓片的最終厚度尺寸精度達到特別高。再者，在1S-DDG中的粘附陶瓷研磨碟可防止磨除塑膠材料的表面汙染及金屬的表面及體內汙染。舉例言之，當使用粘附樹脂研磨碟時，若無磨除塑膠存在，即可以省去通過材料移除蝕刻所實施的後續「深度清除步驟」。
省去蝕刻步驟的先決條件是研磨後具有足夠的平滑處理，因為蝕刻也可減低由機械切削導致晶體損壞所造成的表面應力。若晶體應力及瑕疵密度太高，拋光過程中的機械負荷(尤其在半導體可自由移動的「自由浮動」DSP中)可導致甚至最終產品內這些暇疵的擴大及留存。
所以，對本發明的方法而言，最好使用特別微細的研磨粒，以確保1S-DDG加工之後圓片表面的粗度很低。但是，藉助於1S-DDG，半導體圓片起始表面(亦即藉助於MWS鋸割單晶體錠之後)直接切削必須仍屬可能(所用研磨粒越粗越容易)的事實，對研磨粒的細度設下限度。由特別粘附陶瓷研磨碟可滿足這些矛盾要求，所以，就本發明方法的觀點而言，最好使用這些研磨碟。尤以所用研磨碟粘附研磨粒粒徑對應於美國網目或日本工業標準網目#2000(且對應於FEPA標準；平均粒徑約為4至6微米)或更細者為最佳。另外亦特別適合的是粘合硬度及多孔性、研磨粒密度及分布曲線，以及1S-DDG中所用的若干其他材料參數及加工參數，例如主軸前進及策略以及配合削除材料的移除速率。
實施1S-DDG的切削次步驟之後，依照本發明製造的半導體圓片，其表面粗度低而且存留晶格瑕疵(損壞)的密度及深度均低。舉例言之，在根據本發明之方法的一優選實施例中，用#2000研磨粒篩(4至6微米粒徑)的陶瓷粘附研磨輪可達成的粗度約為400埃均方根值，而用1.5微米粒徑則可達成的粗度約為100埃均方根值。再者，依照本發明，於單一1S-DDG切削操作中，利用一研磨輪原型曾達成的粗度約為50埃均方根值。此種情形可與一項事實加以比較即使採用一樹脂粘附研磨輪(該研磨輪可提供經濟上仍屬可行、最佳的可能材料移除速率，而且亦可依照現有技術自行變尖(不致受到阻礙))，單面研磨(軌道研磨)亦不能達成遠低於500埃均方根值的粗度。(測量值是取自附有1微米鑽石針頭以＜80微米為上限的表面粗度計。)尤其粗度如此低，以致於即使節省材料的後續拋光移除亦可提供預期的最終加工。再者，不會因拋光過程中機械負荷而造成瑕疵擴大，所以留存的晶體瑕疵不致一路下來持續至最終產品。原則上，本發明的1S-DDG法容許接近網狀精密切削。無卡盤的事實意味著，無需保持接觸所導致的研磨圓片損壞，所以亦無刮傷等等，這些損壞及刮傷必須以材料密集方式予以移除或加以修理。
在1S-DDG切削次步驟之後，這些半導體圓片環繞加工目標值的厚度分散程度極低。所以本發明的另一內容是一半導體圓片，在一個步驟內半導體圓片經過同時實施雙面研磨之後，該半導體圓片與預期平均目標厚度(厚度，THK)的差異為ΔTHK≤0.75微米(ΔTHK＝在該測試組內平均圓片厚度THK的標準差異)且總厚度變化(TTV)為TTV≤1微米。
再者，在1S-DDG切削次步驟之後，這些半導體圓片呈特別地轉動性對稱，亦即該厚度分布(該厚度分布形成半導體圓片內的其餘TTV值)幾乎全部取決於徑向對稱(一個參數)橫斷面圖像。所以，本發明的另一內容是一種半導體圓片，在一個步驟內半導體圓片經過同時實施雙面研磨之後，該半導體圓片的轉動性不對稱ΔROT≤0.5微米。
就定義而言，轉動性不對稱ΔROT(該ΔROT是由厚度分布的殘留角度相關性所產生)必須總是低於或等於總厚度變化TTV。在最接近現有技術的研磨加工中，對總厚度變化TTV＝maxψ，r{THK(ψ1，r1)-THK(ψ2，r2)}的重大影響實際上是由轉動性不對稱ΔROT導致的，例如半導體圓片的楔形，例如在單面研磨的情況中，由於滾磨卡盤(tumblingchuck)(垂直運動)的作用。
以類似於TTV的方式，ΔROT可定義為ΔROT＝maxr[maxψ{THKr(ψ1)-THKr(ψ2)}]其中maxψ，r代表當角度ψ及半徑r變化時所得的最大高度差異THK(ψ1，r1)-THK(ψ2，r2)，maxψ代表當r固定及ψ變化時所得的最大值，maxr代表當r變化及ψ固定時所得的最大值，及THK(ψ)代表r固定隨ψ變化的局部厚度THK。
由於其優良目標厚度尺寸精確度，本發明的半導體圓片特別適於通過拋光直接施以其他加工。在絕大多數的情況中，預拋光一多圓片加工，其中許多圓片是同時加以切削而且在一次切削操作中平行於拋光碟。進入這種多圓片拋光加工程序中的半導體圓片，其起始厚度必須非常均勻，方可保證以能保持拋光批內所有圓片的材料移除均勻及幾何形狀及毫微位相不變及優良而著稱的拋光加工獲得成功。只有在拋光操作中所有圓片的個別拋光運動均相同的情況下才能滿足該條件。尤其在雙面拋光的情況中，圓片是鬆散地置於薄導引槽內且拋光時浮動於兩拋光碟之間，起始厚度的分散可導致個別圓片上負荷分布不均勻。如此造成破裂的風險提高，因為在拋光加工初期，這些最厚的圓片將絕大部分來自拋光碟的負荷吸收。再者，若起始厚度分散太廣，則會導致圓片與圓片間的運動不同，亦即對個別運動而言的厚圓片轉動迅速，薄圓片轉動緩慢。對個別圓片而言，在實施雙面拋光之後，更會導致幾何形狀不同。再者，起始厚度的起伏變化可增加為達成幾何形狀及其他性能合格及起始厚度實質上均勻的目標，在實施多圓片拋光期間所需的最低材料移除量。
通過拋光以移除材料是成本非常密集的。所以，拋光加工時間以儘可能短暫為佳。因此，要求起始厚度必須非常均勻，例如1S-DDG加工所提供者。舉例言之，在包括DDG粗磨及SSG或2×SSG精磨的組合加工中，DDG法的固有優點(主要可提供一致的圓片起始厚度)將由SSG或2×SSG的再切削所抵銷，因為SSG本來僅能提供最終厚度穩定性，但相對而言，該穩定性並不甚佳。這是由於將DDG情況中研磨主軸諸軸的共線性與SSG情況中卡盤及研磨主軸間諸軸的偏位加以對比所致。DDG情況中的共線性使該方法得以免除研磨輪瞬時切割速率的起伏變化，而且原本極精密並可抗拒扭力。若研磨輪的切割速率自然變化，諸軸間的偏位可導致諸軸間彼此傾斜並與機器內的彈性扭力傾斜，以補償由研磨主軸進給所建壓力的反壓力。
再者，在加工過程中瞬間工件厚度的精確測量(加工內量具)僅DDG加工可能，因為在此情況下，在切削過程中圓片的兩面均可自由地接近。在SSG情況中，圓片的一面是置於一卡盤上，該卡盤阻礙瞬時厚度的精確測量，因為卡盤上通常起伏不平的半導體圓片不夠平整所形成、留在卡盤上面與工件下面之間若干部位的空間不詳，更多剩餘垂直運動及卡盤本身的不平會使厚度測量失真。在2×SSG加工中，通常輪流使用一軟卡盤及一硬卡盤，在軟卡盤上厚度測量通常不可能精度太高，所以目前圓片厚度的測量工作非常困難。
在1S-DDG切削次步驟之後，半導體圓片的目標尺寸精度甚高。這就意味著，在1S-DDG加工之後，半導體圓片的實際形狀與操作後續拋光或(也許)蝕刻切削步驟起始形狀的預期形狀僅有微小的差異。再者，1S-DDG之後可能留存下來的殘留形狀差異總是對後續加工不特別重要。
舉例言之，雙面拋光(DSP)對圓片厚度THK的殘留轉動性不對稱ΔROT的反應較對其總厚度變化TTV(得自隨機分布的局部厚度THK＝THK(ψ，r)總是ΔROT及TTV的可比較值)更為重要，因為DSP本身製造轉動性對稱圓片幾何形狀及類似的轉動性不對稱(例如楔形)僅可通過有關更多材料移除的另外拋光作用予以移除。通常，即使利於後續切削的最佳起始形狀與理想平整圓片的形狀經常有所差異，尤其若這些後續加工的特定性能可預先由形狀的目標差異加以補償時更是如此。可提到的實例再一次是DSP，在某些情況下且與預期(及可達成)的平面平行表面理想有所差異時，該DSP將形成若干呈轉動性對稱卻中凸彎曲的表面(「雙中凸透鏡」，所以在1S-DDG之後，從一故意中凹彎曲而且同樣必需呈轉動性對稱的表面獲益(「雙中凹透鏡」)。
由於利用1S-DDG而造成總加工程序的縮短意味著經研磨的圓片更接近完全切削圓片的最終加工，即使實施機械成形切削之後，優良幾何形狀問題仍很重要。因為本發明加工程序內的後續加工不再導致圓片幾何形狀的任何重大變化，尤其在拋光過程中材料移除量大幅減低的短加工程序情況內，在機械切削步驟之後，一特別平整的圓片(如1S-DDG加工所提供者)通常均屬有利。
根據本發明的一種用以製造半導體圓片的優選加工程序包括下列次步驟a)將一半導體錠分成許多個半導體圓片，b)將半導體圓片的邊緣磨圓，c)將半導體圓片的兩面同時加以研磨，1S-DDG，d)將這些半導體圓片加以拋光，其中步驟c)是用以切削半導體圓片表面的唯一材料移除機械切削步驟。
步驟a)是一分離步驟，其中是將一圓片狀的單元從一尺寸精確、抽拉而成的單晶體分離出來。該分離步驟是依照現有技術實施，且可能是一循序式分離法(依序每次一個圓片)或一同時分離法(同批所有圓片一次切割完成)。舉例言之，循序分離法是利用內徑鋸(ID)或條帶鋸實施。圓片鋸割及錠終端表面(亦即所形成半導體圓片的表面)研磨的同時實施(研磨切片GS)亦屬可能。但，就本發明加工程序而論，一種藉助於鋼絲鋸的同時分離法(多重鋼絲切片，MWS)，也許利用一切割懸浮液(漿液切割—精研，S-MWS)或一粘有研磨粒鋼絲(例如鑽石鋼絲切割—精研，D-MWS)甚為適合，MWS加工的優點是成本低、產量及可用性高，即使晶體錠的直徑相當大亦如此。MWS的典型缺點，舉例言之，鋸割的起伏不平表面是由後續雙面研磨步驟在本發明的加工中特別有利地加以消除。
在步驟b)中，將圓片邊緣加以修飾(邊緣/凹槽磨圓，去角取面)。此步驟可依照預期自現有技術加工方法中選擇。亦可能考慮利用皺面研磨體(profiled abrasive body)實施研磨，利用半導體圓片外形在一研磨體或輥筒上的移動實施研磨，條帶或布料研磨。尤其，亦可能利用邊緣精密磨圓或有關邊緣去角取面及邊緣拋光的整體加工。在傳統粗磨圓的情況中，實施進一步切削程序期間的某適當位置可能必須包含—邊緣/凹槽拋光步驟。
另一種變通方法，圓邊工作亦可能在1S-DDG之後實施。由於圓片直徑尚未達到尺寸精確及圓片邊緣尚尖銳，在後續圓邊過程中圓片必須再度加以夾持，會危及半導體圓片上由1S-DDG所達成的表面精密加工，所以該變通方法的缺點是在實施1S-DDG的過程中，工件處理的困難加大。另一方面，其優點是在圓邊過程中，可能利用整體的去角取面及精密磨圓加工(研磨及拋光)，例如日本專利JP 08090401 A中所述。
步驟c)是1S-DDG加工，該加工已經廣泛述及如上。
步驟d)是一種現有技術的拋光加工。通常該加工包括預拋光及最終拋光，所以將加以分開討論如下。預拋光可能是一多圓片或單圓片拋光加工及可能是一單面或雙面拋光加工。雙面拋光加工可能是一循序單面拋光加工(首先背面，隨後正面)或一同時雙面拋光加工(DSP)。單圓片及多圓片、單面及雙面拋光加工的所有組合亦屬可能。迄今，有關DSP，僅部分現有技術是採用多圓片DSP。最終拋光的實施通常是採用單面拋光。
利用步驟d)內不同拋光加工的下列本發明切削程序甚為適合拋光可能包括一雙面預拋光—圓片正面單面最終拋光的程序。此外，亦可能利用若干切削加工，其中半導體圓片的兩面實施循序單面拋光，隨後半導體正面實施最終拋光。單面預拋光及單面最終拋光可能彼此分開實施或加以偶聯。舉例言之，亦可能在一部機器上或一次加工中實施背面及正面的預拋光。另一變通方法是，亦可能利用在一部機器上或一次加工中實施正面預拋光及正面最終拋光的組合方式。有一種可能的程序是，其中僅半導體圓片正面先施以預拋光，隨後再施以最終拋光。單面預拋光及單面最終拋光的再度實施可採取隔離方式(例如在分離的機器上)或採取整體方式(例如在一部附有不同拋光碟的機器上，半導體圓片是經直接轉移於這些拋光碟之間，無需中斷加工或任何裝載及卸除操作，也許其間另外實施一個清除步驟)。
在雙面研磨c)及拋光d)之間，可以可選地添加一蝕刻或(深度)清除步驟，其中通過化學方法將材料自圓片表面移除，同時在雙面或循序單面或僅一個面(例如利用—旋轉—蝕刻加工)上進行。如此，必要時，晶格損壞及表面應力得以減低及汙染得以移除。但是，以不含蝕刻步驟的切削程序為佳。如此可節省材料、時間及成本並簡化加工程序。再者，機械切削過程中所達成的、由蝕刻而經常引起的圓片形狀毀壞得以免除。
此外，亦可實施許多其他步驟，例如清除、分類、測量及包裝等，但這些步驟不影響圓片表面的平整性。再者，經最終拋光之後，圓片表面可能加以塗覆，例如通過外延作用。
經依照本發明實施精密切削的半導體圓片，例如精密拋光之後，其局部平整度(毫微位相)極佳。所以，本發明的另一內容是一半導體圓片，其尺寸為2毫米×2毫米的任何預期測量範圍內的圓片正面最大不均度低於20毫微米、及尺寸為10毫米×10毫米的任何預期測量範圍內者低於50毫微米。
因此，該圓片特別適於實施後續進一步加工，以高產量製作利用CMP加工曾製造的品質特別高的組件。該CMP加工對上述短距內殘留不均度的反應特別重要。
尤其利用一鋼絲鋸切割半導體綻(多重鋼絲切片，MWS)期間，在步驟a)內，若鋼絲撕斷必須換以新鋼絲，本發明的加工方法亦可導致極佳的毫微位相。切割之後，如此可導致圓片厚度圖像的一個重要步驟。依照現有技術，此類「鋼絲撕斷」的圓片不能用於高級應用場合而且通常予以報廢，對應地造成整體製造成本提高的嚴重後果，因為撕斷的鋼絲經常影響該鋸割批內的所有圓片，亦即同時約200至300個圓片。本發明方法甚至可將這些圓片加工成高品質的最終產品。
經由本發明方法所制半導體圓片的另一特別有利性能是其一直到達最外邊緣的平整度均高。尤其，甚至評價圓片表面時以往曾遭排除的邊緣區(邊緣排除，EE)，這些圓片仍具有甚佳的幾何形狀特性。目前邊緣排除通常為3毫米。在本發明製造的半導體圓片中，當特定表面面積增加時，例如至邊緣排除為2毫米(預期標準)、1毫米(未來)及0.5毫米，品質僅略微受損。
尤其是，本發明製造的圓片無任何「邊緣低落」，亦即朝向圓片邊緣無任何厚度中凸或變窄。在SSG或2×SSG的情況中，這些加工所需的大研磨碟直徑導致發生此類邊緣低落。SSG內所用研磨碟直徑通常大於待切削半導體圓片的直徑。為接近切割路徑儘可能沿圓片直徑上直線走向的理想必須如此。這就抵消了由於卡盤軸與研磨主軸軸的偏位引起研磨期間力量引進的不均勻所導致的不穩定性。所以，SSG所需的大研磨碟幾乎沿垂直方向磨入圓片邊緣上的圓片表面。圓片表面的垂直、迅速研磨嚙合導致結構較弱邊緣的微觀邊緣剝落。再者，由於已知的所謂軌道研磨的研磨運動(不相互交叉平行研磨標記)，SSG導致圓片邊緣的晶格變弱，在後續切削(例如化學蝕刻或化學機械拋光)過程中，此種變弱現象會導致圓片邊緣材料移除量的增加。
在SSG的情況中，通常是由工件的中凹式夾持將非交叉、徑向軌道研磨強制性地加在略微中凸盤上以致卡盤或主軸線彼此間略微傾斜。原則上，SSG亦可實施交叉研磨。但，如此並非有利，因為卡盤/主軸的軸偏位及所造成的不穩定傾向，意味著即使較不均勻的嚙合，連帶振動、膠著—及—滑動等等，將比以蓄意預加的諸軸定向操作時更易發生。
但，在DDG的情況中，使用較小的研磨碟，其直徑約為切削中半導體圓片直徑的一半，亦屬有利地可能。此種情形可能由於兩個研磨輪主軸的軸是精確地彼此排成一條直線(共線性)，而且與SSG不同，在DDG情況中所有的力均加以精確地彌補。如此可導致研磨體幾乎沿平行於圓片邊緣的方向，所以非常「平緩地」以小研磨角磨入圓片表面。如此可減低邊緣處產生微剝落片的可能。再者，DDG的交叉研磨意味著邊緣區內後續步驟過程中，無材料移除。不均的結晶學上選擇性的晶格損壞。
以下參考附圖及實施例將本發明方法的優點作更詳細的說明。


圖1A及B所示是一本發明所制、且經施以雙面研磨的矽圓片的圓片表面顯微影像(圖1A)及一依照現有技術製造的矽圓片(圖1B)，在每一情況中都是在完成機械切削之後。
圖2A及B所示是一本發明所制、且經施以雙面研磨的矽圓片邊緣區內表面圖像(圖2A)及一依照現有技術製造的矽圓片(圖2B)，在每一情況中都是在完成機械切削之後。
圖3A及B所示是一本發明所制、經完成拋光後的矽圓片毫微位相(圖3A)與一依照現有技術製造的同樣完成拋光後的矽圓片(圖3B)。
圖4A及B所示是如圖3及圖3B的比較，但所不同的是，這些矽圓片是源自錠的一片，其中在利用綱絲鋸切割(MWS)的過程中鋸鋼絲曾經撕斷。
圖中元件編號說明1 研磨標記2 研磨標記3 磨損4a 圓片表面4b 圓片表面5a 圓片邊緣5b 圓片邊緣7 邊緣低落(過早低落)8a 完全平整表面8b 短距高度局部差異9a 最終產品表面9b 完全切削(拋光後)圓片表面10a 直到圓片邊緣的優良平整度10b 圓片邊緣區未濾光斷面描繪圖
11 高通濾光粗度曲線具體實施例的說明實施例1依照本發明，通過(1)採用鋼絲鋸將一尺寸業已精確、公稱直徑300毫米的單晶體加以切割，(2)圓邊，(3)利用粘有#2000(約4至6微米)研磨粒的研磨輪實施1S-DDG，(4)利用一蝕刻裝置內的氫氟酸與硝酸的適當混合物以層流方式流經晶圖表面上，施以蝕刻，(5)依照本發明施以雙面預拋光及單面最終拋光，而製得矽圓片。
圖1A所示是經施以1S-DDG切削次步驟的後矽圓片表面的放大圖(在顯微鏡下)。由1S-DDG切削所產生的研磨標記2(彼此交叉)可清晰地看到。表面上無磨耗的材料或汙染，而且粗度及損壞深度均低，所以無需後續蝕刻或後續深度清除。該表面非常清潔及均勻。
圖2A所示是經施以1S-DDG切削次步驟之後，圓片邊緣的定性表現(利用掃描探針記錄的斷面描繪圖)。一直到達圓片邊緣的優良平整度10a可清晰地辮認出來，圓片表面4a與圓片邊緣5a(已經蓄意地加以磨圓)間有驟然轉變。實施圓邊過程中所產生的去角取面，在由靈敏的高度刻度(單位10千埃＝1微米)所形成、實質上垂直向下的直線處可以看到。
圖3A所示是經完全切削、拋光的矽圓片的正面。局部高度差異(-200毫微米至+75微米)的灰度表現是由一幹涉量度計檢查法所測得的。表面8a是實質上完全平整。尤其，在整個表面上任何2毫米×2毫米及10毫米×10毫米的預期測量面內，所有局部高度差異分別低於20毫微米或低於50毫微米。這些灰度代表表面上的絕對高度，零高度對應於一回歸面。
比較例1矽圓片的製造方式類似於實施例1，但不同的是在機械切削步驟過程中，將1S-DDG加工代之以實施兩次之循序單面研磨(2×SSG)。該2×SSG加工包括第一個軟卡盤研磨步驟，經過矽圓片的脫卡盤、轉動及立即清除之後，繼之以第二個、硬卡盤研磨步驟。所用樹脂一粘合研磨輪粘有粒徑15微米(約#1200)的研磨粒。再者，在機械切削及拋光之間進行一種酸性層流蝕刻步驟，其中總材料移除量為20微米。
圖1B所示是實施機械切削之後，矽圓片表面的放大圖(在顯微鏡下)。大致平行且彼此不相交的個別研磨標記甚為明顯。研磨輪樹脂粘合料的磨損3需要後續材料移除深度清除或一蝕刻步驟。在這些額外步驟中，由於曾發生磨損部位的護罩作用，材料堆高區仍留存在原處，此種情形對粗度具有不良影響而且需要將相當更大量的材料移除。
圖2B所示是實施機械切削之後圓片表面邊緣區的斷面描繪圖10b。所用研磨加工意味著圓片表面4b朝向邊緣區5b(先前已經蓄意加以磨圓)有一過早低落7。對3毫米的邊緣排除(目前常見的情形，本圖所示約位於x＝7000毫微米處)而言，討厭的邊緣低落7(差異約為3千埃＝0.3微米)尚不能對矽圓片總平整度作出決定性差異。將來，2毫米(在此情況約位於x＝8000微米，該處的差異Δy約為4千埃＝0.4微米)、1毫米(x～9000微米；Δy～6千埃＝0.6微米)、或0.5毫米(x～9500微米；Δy～8千埃＝0.8微米)的縮小邊緣排除帶，以及對圓片整個表面平整度的其他更高要求，由品質及產量的降低可明顯地察覺到此邊緣低落7的存在。圖中所示是未經濾光的斷面描繪圖10b及一高通濾光粗度曲線11。
圖3B所示是經完全切削矽圓片的亳微位相。-155毫微米至+95毫微米的灰度表現亦是源自幹涉量度計檢查法。顯著的短距局部高度差異(8b)可清楚地看出，且在所選2毫米×2毫米或10毫米×10毫米的測量範圍內，其尺寸常分別大於20毫微米或50毫微米。由本發明製造的此類半導體圓片太需要進一步加工，而且不適用於超大規模集成微電子多層組件及尤其用以製造這些組件的化學機械拋光(CMP)加工。
實施例2以實施例1所述的類似方式，依照本發明製成矽圓片。與實施例1的唯一差別是由MWS切割矽單晶體的過程中，鋸鋼絲經撕斷，而且新鋼絲裝上後切割操作仍繼續進行。熱流失及許多其他理由足以說明，加工中斷常導致如此所切圓片的厚度輪廓內一個顯著步驟。然而，如圖4A中的幹涉圖所示，進一步加工將此步驟幾乎完全消除。終端產品的表面9a幾乎呈完美平整。
比較例2由實施例2鋸割批(其中曾發生鋼絲撕斷狀況)所製造的矽圓片，是以比較例1所述的類似方式，依照現有技術進行進一步加工。圖4B所示是經完全切削矽圓片的幹涉圖。即使利用比圖4A大得多的高度尺度(-165毫微米至+145毫微米，而圖4A中為-100毫微米至+35毫微米)，表面9b內的步驟(當鋼絲撕斷時所形成的)，在完全切削(亦即拋光之後)的圓片上仍可清楚地看出一嚴重的高度局部差異。依照現有技術製造的此類圓片，所以以及曾發生鋼絲撕斷狀況的整個鋸切批太需要進一步加工而且不適用於非常大型秋體微電子多層組件，尤其是在化學機械平整化(CMP)處理被用於製造這些組件的情況下。
權利要求
1.一種製造半導體圓片的方法，該方法包含在單一步驟內對半導體圓片進行雙面同時研磨(1S-DDG)，其中，該研磨加工是用以切削半導體圓片之表面的唯一材料移除機械切削步驟。
2.如權利要求1所述的方法，該方法包含下列諸次步驟a)將一半導體錠分成許多個半導體圓片，b)將半導體圓片的邊緣磨圓，c)將半導體圓片的兩面同時加以研磨(1S-DDG)，d)將這些半導體圓片加以拋光。
3.如權利要求2所述的方法，其中，在半導體圓片進行拋光之前，用一蝕刻介質將圓片之表面的一面或兩面加以處理。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其中，在該研磨過程中採用陶瓷粘附研磨輪。
5.如權利要求1、2、3或4所述的方法，其中，在該研磨過程中，所用研磨輪的研磨粒粒徑可提供半精密(最終)加工。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所用研磨粒粒徑是日本工業標準/美國標準#2000網目或更細。
7.一種半導體圓片，在一個步驟內同時對半導體圓片之兩面進行研磨(1S-DDG)之後，該圓片與預期目標厚度THK的差異ΔTHK≤0.75微米，其幾何形狀值TTV≤1微米及轉動性對稱ΔROT為≤0.5微米。
8.一種半導體圓片，在任何2毫米×2毫米大小的預期測量範圍內，其圓片正面上的最大不均度低於20亳微米，在任何10毫米×10毫米大小的預期測量範圍內，其圓片正面上的最大不均度低於50毫微米。
9.如權利要求8所述的半導體圓片，其中，除邊緣排除為0.5毫米之外，該半導體圓片可符合最大不均度標準。
全文摘要
本發明涉及一種製造半導體圓片的方法，該方法包含在單一步驟內實施半導體圓片的雙面同時研磨(1S－DDG)，其中該研磨加工是用以切削半導體圓片的唯一材料移除機械切削步驟。本發明還涉及具有改良的幾何形狀與毫微位相的半導體圓片。
文檔編號B24B7/22GK1434489SQ0214198
公開日2003年8月6日 申請日期2002年8月30日 優先權日2001年8月30日
發明者格奧爾格·J·皮奇, 米夏爾多·克斯坦, 安東·胡貝爾 申請人:瓦克矽電子股份公司