减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法
【专利摘要】减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法，属于硅片加工领域，为避免抛光过程中对衬底片表面TTV影响，该方法：根据对金刚砂粒径的要求，选择25000以上材质目数，对硅片进行加工；保持硅片始终在减薄机主轴与吸盘角度状态在0μm-11μm-20μm之间；将高目数磨轮放置在纯水浇注条件下；使用修刀板将磨轮中的磨牙进行修整，使用钢制块硅进行校准，保证磨牙与硅片形成加工角度在5mm-5.02mmm之间；将陶瓷吸盘转速控制在100rpm-300rpm，主轴转速控制在2000rpm-3000rpm；加工过程中使用范围在4L/min-7L/min冷却水流量控制；调整减薄机主轴进给程序四刀循序磨削控制。
【专利说明】 减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种衬底加工方法，属于半导体衬底硅片加工制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在集成电路制造中，半导体硅材料由于其资源丰富，制造成本低，工艺性好，是集成电路重要的基体材料。从集成电路断面结构来看，大部分集成电路是在硅基体材料的浅表面层上制造。由于制造工艺的要求，对于镜片尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构提出很高要求，这就需要加工出尺寸精准、表面粗糙度极低形成光亮镜面的衬底片。因此在几百道工艺流程中，不可采用较薄的晶片，只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片。通常在衬底片加工中，需要将晶片多余的基体材料去除一定的厚度，这一工艺过程称之为衬底片减薄技术；需要将晶片基体材料加工得到表面平整、光亮“镜面”技术称之为衬底片抛光技术。
[0003]在减薄加工中，选用合理的工艺条件(正向压力、金刚石磨头的目数、磨盘的转速、切削液黏度及流量等)，可获得较大的磨削速率，及高品质的硅片表面质量。为确保加工精度，一般常先选用金刚石的粒度500#-800#-1500#进行粗减薄，然后再选用金刚石的粒度2000#-3000#-4000#进行精减薄，减薄后表面损伤、表面粗糙度会更小。
[0004]表面减薄技术具有加工效率高、加工后表面平整度好、成本低、产生的表面损伤小等特点，故在300mm以下衬底片制备工艺中，现已广泛采用表面减薄技术来替代传统的研磨技术。
[0005]由于减薄技术中磨轮目数的局限性，导致在加工过程中硅片表面会存在磨削印痕(Grindingmark)边缘破碎层及一定深度且不容忽视的损伤层(Damage)如图1所示，因此目前半导体加工工艺中为提高硅片强度，有效去除因减薄机磨轮机械加工对硅片造成的磨削印痕、边缘破碎层及对硅片带来的亚损伤，在减薄后采取化学机械腐蚀的方式加入抛光工艺(CMP)，抛光前需使用蜡质粘合剂为介质将硅片I牢牢粘在以铁盘为材质的承载盘2，抛光后为了去除硅片背面附着的蜡质粘合剂及硅片表面颗粒沾污，因此又加入了清洗工艺，最终检验合格后完成入库，形成芯片成品。
[0006]如图2所示，抛光工艺是由粘片、抛光两部分组成，首先经过厚度分档使用蜡质粘合剂将厚度相近的硅片I按压至承载盘2上，同时使用压头加压冷却方式使硅片3与承载盘2吸附更加彻底、牢固，使用特定的有压抛光专用设备进行抛光，通过一定配比的抛光液4作为抛光试剂，有压抛头将粘有硅片3的承载盘2按在绒毛抛光布5表面，通过电机控制大盘6的转数使硅片与抛光布形成相对摩擦，当抛光后测试厚度已达到芯片要求时，进行承载盘卸片处理，最终完成抛光作业。清洗工艺是针对抛光工艺对硅片表面产生的影响进而预加的，通过使用一定配比的化学试剂+复频超声将硅片表面颗粒完全去除，蜡质预清洗液去除硅片表面蜡质粘合剂，最后使用酸碱试剂对硅片表面颗粒沾污进行完全去除。
[0007]与此同时，抛光工艺及清洗工艺存在着一定缺陷，由于硅片蜡质粘合剂是通过人工手动涂抹在承载盘表面，由于手法的差异，片与片之间的蜡层厚度存在偏差，抛光过程中由于抛光机功能部件的压头压力也存在着差异，在抛光加工过程中，会造成承载盘中的硅片厚度存在偏差，同时由于抛光机工作的过程中，底盘与承载盘通过有压压头持续按压进行工作，摩擦造成的热量可达到50° -60°之间，产生热量的同时，抛光机底盘6及承载盘2本身均存在着变形隐患，同时增大了承载盘表面的硅片翘曲度，使控制硅片的厚度容差更加困难，目前针对抑制大盘及承载盘变形的工艺控制是无压后使用纯水循环并持续冷却，但是不能从根本上避免变形问题，由于目前芯片标准持续加严，手工操作及设备本身的局限性已然成为了抑制产品质量提升的重要因素。整个抛光过程中，抛光布作用不仅与硅片发生机械摩擦作用，同时抛光布表面绒毛孔洞结构可带走反应掉的硅酸盐及辅助抛光液的传输。随着抛光布不同位置磨损差异增大，导致不同位置的抛光速率发生变化，从而导致同一片硅片片内平整度出现偏差，影响硅片总厚度偏差TTV、局部平整度SFQR等，如图3所示。
[0008]加之后续的清洗工艺，为了去除硅片表面的粘合剂及颗粒，经过反复清洗后可有效去除，但同时由于硅片在酸、碱性环境中长期放置，同种程度上增加了自沾污、表面划伤的可能性，从而加大了返工的几率，对制造过程中产品生产周期的影响非常大，制约着生产。
【发明内容】
[0009]为了避免抛光过程中人为因素、设备自身偏差、清洗沾污及划伤等一系列对衬底片表面TTV影响，避免因衬底片质量偏差影响芯片质量的因素，缩短生产周期，提高生产过程中异常问题反馈速率，从而更好的控制衬底片表面精度，提高硅片片内及片间一致性可以提升参数性能，提出一种以一步代替多步的工艺手法，以减薄替代抛光和清洗的衬底片加工工艺方式，得到表面平整、光亮“镜面”来彻底改善衬底片表面质量。
[0010]本发明采取的技术方案是:
[0011 ] 减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法，其特征是，包括以下步骤，
[0012]第一步，根据对金刚砂粒径的要求，选择25000以上材质目数，对硅片进行加工，控制金刚砂对硅片带来的机械损伤极限；
[0013]第二步，在减薄加工时，保持被加工的硅片始终在减薄机主轴与吸盘角度状态在Oum-1 lum_20um 之间；
[0014]第三步，将高目数磨轮放置在2.0L/min-4.0L/min流量的纯水浇注条件下，可以使磨牙表面生成的自然氧化层速率降低，使高目数磨牙保持湿润，避免风干导致磨牙脆性及粘合强度降低；
[0015]第四步，使用修刀板将磨轮中的磨牙进行修整，使用5mm-5.05mm的钢制块硅进行校准，保证磨牙与硅片形成加工角度在5mm-5.02_之间，使磨牙高度一致，避免加工过程中娃片受力不均造成碎片；
[0016]第五步，将陶瓷吸盘转速控制在100rpm-300rpm,主轴转速控制在2000rpm-3000rpm ；
[0017]第六步，加工过程中使用范围在4L/min-7L/min冷却水流量控制；
[0018]第七步，调整减薄机主轴进给程序四刀循序磨削控制，调整范围控制在第一刀为5um/min,第二刀在3um/min,第三刀在3um/min,第四刀进行无火花研磨，空磨表面。
[0019]本发明的有益效果是:本发明减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法，规避了抛光过程中人为操作的不可控因素对硅片质量的影响，杜绝了因抛光过程中高温度对抛光布、抛光机底盘带来的损耗与变形，避免了因抛光速率不稳定对硅片质量的影响，从而提升硅片局部平整度SFQR及表面TTV，规避抛光后清洗工艺，避免硅片因清洗不当及酸碱气氛长时间停留带来的离子沾污、划伤等问题，降低返工率，提高生产周期的灵活性，缩短生产过程中有效时间，提高效率，同时硅片表面加工后表面残留的弱磨削印痕同样会对扩散均匀性有所帮助，提升一致性，芯片参数中放大一致性有明显改善，提升近25%，成本方面经过测算也有很大优势，全品种切换单片成本节约0.82元。
[0020]本发明减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法，使一步替代多步，减薄替代抛光技术已成为可能。每个环节工艺的合理性都至关重要，通过高目数减薄工艺技术与固有减薄工艺加工后衬底片表面损伤层数据对比，从数据对比中可以看出，如图3、5所示，高目数减薄工艺技术加工后的衬底片表面损伤层已远远好于减薄固有工艺加工后的衬底片，损伤层深度降低近100倍左右，更加确定了减薄加工技术可以替代抛光技术。通过采取新型工艺的成功应用，包括对磨轮金刚砂粒径选择、磨削冷却液流量、吸盘转速的范围、主轴转速范围、主轴进给的合理控制及反复摸索实验，形成了一套平稳有效的生产工艺。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为普通磨轮工艺做片后硅片表面效果图。
[0022]图2为抛光做片工艺效果图。
[0023]图3为普通磨轮硅片加工后表面损伤层深度效果图。
[0024]图4为高目数减薄新工艺做片后硅片表面效果图。
[0025]图5为高目数减薄新工艺硅片加工后表面损伤层深度效果图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0027]减薄机Z2单元使用研发成功的30000#减薄磨具加工工艺对硅片进行减薄。
[0028]减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法，包括以下步骤:
[0029]第一步，根据对金刚砂粒径的要求，选择30000目材质目数；对硅片进行加工，使用专用修刀板进行修刀使加工后硅片达到最佳镜面效果，控制金刚砂对硅片带来的机械损伤极限；
[0030]第二步，在减薄加工时，保持被加工的硅片始终在减薄机主轴与吸盘角度状态在Oum-1 lum-20um之间；这样可减少被加工娃片的自重而弓I起的变形，减薄加工时不会受到其自重变形的影响；使用新型工艺，使减薄加工后的硅片表面近乎于完美形成抛光片表面状态。
[0031]第三步，将高目数磨轮放置在2.0L/min-4.0L/min流量的纯水浇注条件下，可以使磨牙表面生成的自然氧化层速率降低，使高目数磨牙保持湿润，避免风干导致磨牙脆性及粘合强度降低；
[0032]第四步，使用修刀板将磨轮中的磨牙进行修整，修整分为2部分，第一部分先修10um,第二部分再修200um,完毕后使用5mm_5.05mm的钢制块娃进行校准,保证磨牙与娃片形成加工角度在5mm-5.02_之间，使磨牙高度一致，避免加工过程中硅片受力不均造成碎片；
[0033]第五步，将减薄机Z2单元陶瓷吸盘转速控制在300rpm，主轴转速控制在2000rpm磨轮与硅片接触形成良好的动平衡，表面去层更加均匀，厚度更加受控。
[0034]第六步，加工过程中使用范围在4.5±0.5L/min冷却水流量控制，保证做片过程中磨牙本身的热能充分释放程度，保证了磨牙有效使用寿命，避免了磨牙断裂，焦糊等情况，在减薄过程中脱落的沙粒及磨屑不会停留在硅片表面上，避免硅片表面产生局部较深的磨削印痕。
[0035]第七步，调整减薄机主轴进给程序四刀循序磨削控制，调整范围控制在第一刀为5um/min,第二刀在3um/min,第三刀在3um/min,第四刀进行无火花研磨，空磨表面。控制做片过程中磨牙对硅片带来的亚损伤、边缘破碎层、最终损伤层深度，使硅片具备最强强度，避免了后道工艺加工中运输、做片时碎片问题；去除了产品本身高目数磨削材质加工过程中易打滑造成的硅片糊片问题，有效的去除原减薄工艺加工硅片表面明显的“磨削印痕”，减少抛光片表面的纳米形貌特性。
[0036]调整结束后，使用样片进行调试，样片加工后日光灯下表面无糊片、无深扫痕、无暗纹等，可获得光亮、镜面的衬底片，如图4所示。减薄结束后可以达到的硅片表面损伤层深度，如图5所示。操作过程中其它检验与正常工艺相同，减薄完成后，进行硅片测试，厚度及TTV符合产品标准，加工合格。
【权利要求】
1.减薄替代抛光及后序清洗的衬底加工方法，其特征是，包括以下步骤， 第一步，根据对金刚砂粒径的要求，选择25000以上材质目数，对硅片进行加工，控制金刚砂对硅片带来的机械损伤极限； 第二步，在减薄加工时，保持被加工的硅片始终在减薄机主轴与吸盘角度状态在Oum-1 lum_20um 之间； 第三步，将高目数磨轮放置在2.0L/min-4.0L/min流量的纯水浇注条件下，可以使磨牙表面生成的自然氧化层速率降低，使高目数磨牙保持湿润，避免风干导致磨牙脆性及粘合强度降低； 第四步，使用修刀板将磨轮中的磨牙进行修整，使用5mm-5.05mm的钢制块娃进行校准，保证磨牙与硅片形成加工角度在5mm-5.02_之间，使磨牙高度一致，避免加工过程中娃片受力不均造成碎片； 第五步，将陶瓷吸盘转速控制在100rpm-300rpm,主轴转速控制在2000rpm-3000rpm ； 第六步，加工过程中使用范围在4L/min-7L/min冷却水流量控制； 第七步，调整减薄机主轴进给程序四刀循序磨削控制，调整范围控制在第一刀为5um/min,第二刀在3um/min,第三刀在3um/min,第四刀进行无火花研磨，空磨表面。
【文档编号】B24B7/22GK104347357SQ201410466023
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】姜宏达, 唐明军, 庞振宇, 李景仑, 李志伟 申请人:吉林华微电子股份有限公司