专利名称：用于半导体晶圆的材料去除加工的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于半导体晶圆的材料去除加工的方法，其中固定在晶圆保持器上的半导体晶圆以及位于其对面的磨轮相互独立地旋转，该磨轮相对于半导体晶圆横向偏置地设置，并且以这样的方式定位，即该半导体晶圆的轴向中心进入磨轮的工作范围中，该磨轮以进给速率(infeed rate)朝着半导体晶圆的方向移动，结果当半导体晶圆以及磨轮围绕平行轴线旋转时，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进，于是半导体晶圆的表面被研磨，在去除一定量的材料之后，磨轮以回退速率移动返回。
背景技术：
半导体晶圆的制造包括从晶体上将半导体晶圆切割下来，接下来是许多连续的去除材料的加工步骤。这些加工步骤是为了获得尽可能光滑的表面、半导体晶圆的平行侧面以及提供具有倒圆棱边的半导体晶圆。通常考虑的去除材料的加工步骤包含半导体晶圆的棱边倒圆、研磨或双面研磨、蚀刻及抛光。加工步骤例如双面研磨并且尤其是研磨会增加对晶圆表面的损伤，在随后的步骤(蚀刻、抛光)中必需去除大量的材料。
通过半导体晶圆的精密研磨，即通过利用具有细小粒度的磨轮的平面研磨可防止发生这种情形。这种步骤将先前的加工步骤所造成的半导体晶圆的损伤减至最低，并且意味着在随后的蚀刻过程中仅需要去除少量材料，或者甚至蚀刻步骤可以省去。这又意味着通常与蚀刻相联系的平面度的恶化减至最低，并且在随后的抛光步骤过程中需要去除的材料也减少。
例如从美国专利US 3,905,162、US 5,400,548或欧洲专利EP0955126可得知用于平面研磨半导体晶圆的方法及装置。其中，半导体晶圆的一个表面保持固定在晶圆保持器上，同时由于晶圆保持器和磨轮旋转以及相互施压的原因，相对的表面利用磨轮被加工。半导体晶圆以这样的方式被固定到晶圆保持器，即其中心与该晶圆保持器的旋转中心基本一致。另外，该磨轮以这样的方式定位，即使得该半导体晶圆的旋转中心进入由磨轮的齿形成的加工区域或边缘区域中。结果，不必在研磨平面中作任何运动即可研磨该半导体晶圆的整个表面。
欧洲专利EP 1004399中公开这样的事实当在研磨表面上实施这种类型的方法时，可以观察到彼此距离恒定不变的研磨条纹。所产生的研磨条纹之间的距离根据研磨参数而定，尤其是晶圆保持器以及磨轮的转速。
研磨条纹之间的距离与随后的抛光步骤中需要去除的材料的数量之间有一定的关系，其中所述抛光步骤是为了完全消除研磨条纹。为了将抛光需要去除的材料的数量减至最少，需要使用晶圆保持器的低转速并且研磨条纹之间的距离为1.6毫米或更小，其中半导体晶圆位于所述晶圆保持器上。
但是，当测量利用晶圆保持器的低转速研磨的半导体晶圆的总体平面度时，发现在半导体晶圆的中心处有缺陷。该总体平面度涉及半导体晶圆减去边缘的整个表面，其中所述边缘待限定。它以GBIR(“总体背面-基准理想平面/范围”＝半导体晶圆的整个正面与背面-基准理想平面的正、负偏差范围)进行描述，这对应于以前惯用的专门名词TTV(“总厚度变化”)。
所以现有技术所公开的方法在几何形状及纳米波纹方面具有缺点(半导体晶圆表面上纳米范围的不平坦)。欧洲专利EP-1004399中所述的方法导致半导体晶圆中心处的局部几何形状恶化，这是特别不合适的，因为半导体晶圆中心的这种缺陷不能通过利用抛光去除少量材料而消除。这抵消了平面研磨的主要优点，即在随后的抛光操作过程中仅需要去除少量材料。
发明内容
所以，绪论所述的用于半导体晶圆的材料去除加工的方法是基于改善加工过的半导体晶圆的几何形状的目的。
在用于半导体晶圆的材料去除加工的方法中，其中固定在晶圆保持器上的半导体晶圆以及位于其对面的磨轮互相独立地旋转，该磨轮相对于半导体晶圆横向偏置地设置，并且以这样的方式定位，即使得半导体晶圆的轴向中心进入磨轮的工作范围，该磨轮以进给速率朝着半导体晶圆的方向移动，结果在半导体晶圆以及磨轮围绕平行轴线旋转时，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进，于是半导体晶圆的表面被研磨，在去除一定量的材料后，磨轮以回退速率后移，借助于下述事实实现了该目标，即在半导体晶圆旋转一圈的过程中，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进0.03至0.5微米的距离。
半导体晶圆以及磨轮相互对置，并且围绕着平行轴线旋转，同时磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进，并且半导体晶圆的表面被研磨。
磨轮以及半导体晶圆以进给速率R朝着彼此推进。由下面的进给速率R与半导体晶圆的转速n的关系可得到磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进的距离xx=Rn]]>在半导体晶圆转动一圈的过程中，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进距离x。
应当理解，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进的距离x是指在研磨过程中，半导体晶圆旋转一圈之后，半导体晶圆上形成的研磨台阶(grinding step)的高度。
若推进的距离太大，那么在研磨操作的过程中，磨轮或磨轮的作用区域也就是与半导体晶圆接触并且导致去除材料的磨轮的区域在该半导体晶圆上在磨轮的前方挤压出研磨台阶。在这种情况下，该磨轮主要通过它的侧面中的一个进行研磨，并且因此该磨轮的侧面被磨损。因此在这种情况下，该磨轮的侧面成为该磨轮的主要作用区域；应当理解，主要作用区域一词是指磨轮的负责去除大部分材料的作用区域或工作区域的部分。
若推进距离x选择成足够小，则可避免这种情形，因为这会使形成的研磨台阶的尺寸减小。在这种情况下，磨轮的主要作用区域不再是该磨轮的侧面，相反基本上是该磨轮的整个表面或其与半导体晶圆接触的工作区域。因为推进距离虽然小但却不是零，不过在试磨(run-in)阶段过后磨轮仍然会存在一定的单侧磨损。这种磨损会导致磨轮的主要作用区域的移动。
磨轮与半导体晶圆之间的推进距离可以以这种方式选择，即在半导体晶圆旋转一圈的过程中，磨轮的主要作用区域正好与半导体晶圆的表面上的每个点接触一次，即在半导体晶圆旋转一圈的过程中，半导体晶圆的表面上的每一个点仅被研磨一次。
在根据本发明的方法中，这通过这样的事实而实现，即在半导体晶圆旋转一圈的过程中，磨轮与半导体晶圆朝着彼此推进0.03至0.5微米的距离。
这样，利用公知的方法在半导体晶圆中心所产生的缺陷可以显著降低。这是因为当实施现有技术公知的方法时，半导体晶圆的中心总是被研磨，并且因此持续地被去除材料，然而在根据本发明的方法中，磨轮的主要作用区域的直径变得更小，在半导体晶圆旋转一圈的过程中，半导体晶圆的每个点仅与磨轮接触一次，并且因此半导体晶圆上的每个点基本上去除等量材料。
在无火花研磨操作之后，研磨台阶被消除，其中在两个工作台仍然在旋转时，通过缓慢的退出，即通过磨轮以回退速率缓慢回退，终止磨轮与半导体晶圆朝着彼此的推进。
下表给出了在不同转速n及进给速率R的情况下的磨轮的推进距离x的值的概括。该进给速率在10至20微米/分钟的范围中，并且半导体晶圆的转速在每分钟5至300转的范围中。
下面将参考图1至10对本发明进行更详细的说明。
附图的简单说明图1示出了适合实施上述方法的装置。
图2示出了具有研磨表面以及研磨台阶的半导体晶圆。
图3示出了在推进距离大的情况下磨轮的齿、半导体晶圆的片段以及磨轮的齿的主要作用区域。
图4示出了在推进距离大的情况下并且在磨轮的齿磨损之后磨轮的齿、半导体晶圆的片段以及一个研磨点。
图5示出了在推进距离小的情况下磨轮的齿、半导体晶圆的片段以及磨轮的齿的主要作用区域。
图6示出了在推进距离小的情况下并且在磨轮的齿磨损之后磨轮的齿、半导体晶圆的片段以及一个磨点。
图7示出了在推进距离小的情况下半导体晶圆以及磨轮的主要作用区域。
图8示出了在推进距离大的情况下半导体晶圆以及磨轮的主要作用区域。
图9示出了在利用低的推进距离进行研磨之后在半导体晶圆上实施GBIR测量的结果。
图10示出了在利用高的推进距离进行研磨之后在半导体晶圆上实施GBIR测量的结果。
具体实施例方式
图1示出了一种适于实施上述方法的装置。半导体晶圆1位于晶圆保持器3上。其上方是磨轮2，该磨轮2被固定在工作台4上。另外，磨轮2的齿21示于图中。晶圆保持器3以及工作台4各自独立地旋转。半导体晶圆1以这样的方式固定到晶圆保持器3，即它的中心与该晶圆保持器3的旋转中心一致，也就是该半导体晶圆的轴向中心与晶圆保持器的旋转轴线5一致。工作台4横向偏置地设置，并且以这样的方式定位，即半导体晶圆1的轴向中心5进入由齿21形成的磨轮2的工作区域。工作台4与磨轮2围绕旋转轴线6旋转，同时晶圆保持器3连同该半导体晶圆1围绕旋转轴线5旋转。由于垂直方向的运动，工作台4与磨轮2被挤压在位于晶圆保持器3上的半导体晶圆1上，结果磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进，并且半导体晶圆1的表面被研磨。
图2示出了在半导体晶圆1旋转一圈后具有研磨表面以及研磨台阶的半导体晶圆1。在半导体晶圆1旋转这一圈的过程中，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进一段距离x。
图3示出了半导体晶圆1和磨轮2的齿21的一个片段。磨轮2在其前面挤压出一个研磨台阶。如果磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进的距离大，例如2微米，即发生此种情形。磨轮2的齿的主要作用区域以阴影表示。
图4示出了在试磨阶段之后，如果选择大的推进距离，磨轮2的齿21如何变得磨损。该图还示出了这如何导致磨轮的齿21的主要作用区域或研磨点7的移动。该研磨点7是磨轮2的齿21上首先接触半导体晶圆1的点。
图5示出了半导体晶圆1以及磨轮2的齿21的一个片段。该图同样以阴影示出了如果磨轮和半导体晶圆朝着彼此的推进距离小例如0.1微米的情况下磨轮2的齿21的主要作用区域。原则上；与半导体晶圆1接触的磨轮2的齿21的整个表面执行研磨。
由图6可以看出，在磨轮2和半导体晶圆1的推进距离小的情况中，磨轮2的齿21的表面变得磨损。该图同样示出了研磨点7，该研磨点7比图4更靠右。在试磨阶段之后，磨轮2的齿21变得磨损，导致研磨点7移动。形成已经朝着磨轮2的齿21的中心微微移动的主要作用区域。但是与图4相比较，该主要作用区域或研磨点7右移。这导致磨轮2的主要作用区域的直径较短(比较图7和图8)。已经发现这是如果在半导体晶圆旋转一圈的过程中磨轮和半导体晶圆朝着彼此推进的距离为0.03至0.5微米的情形。
图7和图8示出了根据本发明的方法对于该中心区域的影响。该图示出了两个半导体晶圆1以及在每一种情形中的磨轮的主要作用区域8；在图7中，半导体晶圆1的每个点即包含该中心区域在半导体晶圆旋转一圈的过程中与磨轮2仅接触一次，这是磨轮2和半导体晶圆1朝着彼此推进的距离为0.03至0.5微米时的情形，但在图8中，半导体晶圆1的中心区域与磨轮的主要作用区域8保持恒定的接触，这发生在磨轮2和半导体晶圆1朝着彼此推进的距离较大的情况下。
原则上可以构想，由根据本发明的方法所造成的磨轮的主要作用区域的移动也可以通过磨轮的旋转轴的移动而实现。然而，这并不是对于所有常用的研磨机都是可以实现的，并且在一些情况中并不具有很大的优势，因此当实施上述方法时这并非优选的选择。
利用上述方法加工的半导体晶圆优选是由半导体材料硅、锗、硅-锗或化合物半导体例如砷化嫁所制成的晶圆、由单晶半导体材料制成的晶圆、具有外延沉积层的半导体晶圆、具有应变层例如具有应变硅层的半导体晶圆或S0I(绝缘体硅片)晶圆。
在上述方法中，优选使用具有#2000或更微小的粒度(粒度是依照日本工业标准JIS R 60011998而决定)的磨轮。
进给速率优选为10至20微米/分钟。
在半导体晶圆旋转一圈的过程中，磨轮和半导体晶圆朝着彼此推进的距离优选为0.03至0.1微米。
磨轮的转速优选为每分钟1000至5000转。
在研磨过程中、在无火花研磨及磨轮回退(离开)的过程中，半导体晶圆的转速优选为每分钟50至300转，特别优选为每分钟200至300转。
直径300毫米的半导体晶圆借助于Disco公司生产的具有#2000细微的粒度(粒度5至6微米)的磨轮进行加工。进给速率在每种情况都是10微米/分钟。
实例依照本发明对直径300毫米的半导体晶圆进行加工，即低的推进距离x＝0.033微米，随后测量粗糙度及GBIR。
半导体晶圆1，半导体晶圆的转速n＝300/分钟，推进距离x＝0.033微米。
测得的粗糙度值如下正面89.9±4.5背面86.7±2.5图9示出了在该半导体晶圆上实施GBIR测量的结果。与所比较的实例相比，半导体晶圆的中心处的缺陷显著减少。
比较实例在这种情况中，在推进距离x＝2微米的情况下，对直径300毫米的半导体晶圆的表面同样进行研磨，然后以同样方式测量粗糙度以及GBIR。
半导体晶圆2，半导体晶圆的转速n＝5/分钟，推进距离x＝2微米。
测得的粗糙度值如下正面105.0±6.1
背面99.0±2.7图10示出了在该半导体晶圆上实施GBIR测量的结果。可清楚地看到在半导体晶圆中心处有一明显的缺陷。
所以，粒用磨轮以及半导体晶圆的低的推进距离x＝0.033微米可以获得大幅改善的粗糙度值。本发明的方法不仅改善了半导体晶圆的几何形状，而且使该半导体晶圆的表面品质更好。
权利要求
1.一种用于半导体晶圆的材料去除加工的方法，其中固定在晶圆保持器上的半导体晶圆以及位于其对面的磨轮互相独立地旋转，该磨轮相对于半导体晶圆横向偏置地设置，并且以这样的方式定位，即使得半导体晶圆的轴向中心进入磨轮的工作范围，该磨轮以进给速率朝着半导体晶圆的方向移动，结果在半导体晶圆以及磨轮围绕平行轴线旋转时，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进，于是半导体晶圆的表面被研磨，在去除一定量的材料后，磨轮以回退速率后移，其中在半导体晶圆旋转一圈的过程中，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进的距离为0.03至0.5微米。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用具有#2000或更微小粒度的磨轮。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，磨轮的转速为每分钟1000至5000转。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在研磨、无火花研磨以及在磨轮回退的过程中，半导体晶圆的转速为每分钟50至300转。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，半导体晶圆的转速为每分钟200至300转。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，进给速率为10至20微米/分钟。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在半导体晶圆旋转一圈的过程中，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进的距离为0.03至0.1微米。
全文摘要
本发明涉及一种用于半导体晶圆的材料去除加工的方法，其中固定在晶圆保持器上的半导体晶圆以及位于其对面的磨轮相互独立地旋转，该磨轮相对于半导体晶圆横向偏置地设置，并且以这样的方式定位，即使得半导体晶圆的轴向中心进入磨轮的工作范围，该磨轮以进给速率朝着半导体晶圆的方向移动，结果在半导体晶圆以及磨轮围绕平行的轴线旋转时，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进，于是半导体晶圆的表面被研磨，去除一定量的材料后，磨轮以回退速率移回，其中在半导体晶圆旋转一圈的过程中，磨轮以及半导体晶圆朝着彼此推进的距离为0.03至0.5微米。
文档编号H01L21/02GK1833815SQ200610071810
公开日2006年9月20日 申请日期2006年3月16日 优先权日2005年3月17日
发明者亚历山大·海尔迈尔, 罗伯特·德雷克斯勒, 安东·胡贝尔, 罗伯特·魏斯 申请人:硅电子股份公司