CN102029573A - 用于研磨半导体晶片的方法 - Google Patents

Abstract

用于处理半导体晶片的方法，其中至少一个研磨工具和至少一个半导体晶片的侧面被彼此进给，由此从所述至少一个半导体晶片除去材料，其中粘度最低310^-3N/m²·s且最高10010^-3N/m²·s的液体介质位于所述至少一个研磨工具和所述至少一个半导体晶片之间，所述至少一个研磨工具和所述至少一个半导体晶片彼此移开以结束处理操作。

Description

用于研磨半导体晶片的方法

本发明涉及一种用于研磨半导体晶片的方法。

半导体晶片的机械加工用来去除锯切波纹、去除更粗糙的锯切方法在晶体形状(crystalline fashion)中损伤的表层或由锯线污染的表层，并主要用于半导体晶片的总体平整。表面研磨(单面，双面)及精研已为人所知，边缘机械处理步骤也已是知道的。

在单面研磨的情况下，半导体晶片的背面被固定在支承体(“卡盘”)上，通过旋转支承体和研磨盘以及径向慢速进给(deliver)，由杯式(cup)研磨盘对其正面进行平整。例如，用于半导体晶片表面研磨的方法和装置从US 3,905,162和US 5,400,548或EP 0955126已为人所知。在此情况下，半导体晶片的其一个表面稳固地固定在晶片固定器上，而其相对的表面利用晶片固定器和研磨盘的旋转及其相互压迫，通过研磨盘进行处理。在此情况下，半导体晶片固定在晶片固定器上，其方式能使其中心基本上对应于晶片固定器的旋转中心。此外，研磨盘的布置方式应能使半导体晶片的旋转中心到达由研磨盘的齿形成的工作区或边缘区。结果，研磨平面不用做任何运动，半导体晶片的整个表面就可以得到研磨。

在同步双面研磨(“双盘研磨”，DDG)的情况下，半导体晶片的双面同时处理，其方式应使晶片能在安装于相对的共线心轴上的两个研磨盘之间自由浮动，并能在方法中得到引导，其方式应使其能在作用于正面和背面的水垫(流体静力学原理)或气垫(气体静力学原理)之间在轴向基本上没有约束力，并通过围绕的薄导向环或单个的径向辐条防止其在径向松散地飘离开。

在研磨过程中-单面和双面研磨方法均适用-有必要冷却研磨工具和/或所处理的半导体晶片。传统上用水或去离子作冷却剂。商业的研磨机械有例如Disco Corp.的DFG 8540型和DFG 8560型(“Grinder 800系列”)，这两种型号分别适合于研磨直径100-200mm和200-300mm晶片，可在工厂对其配备真空单元，以保证在研磨过程中保持1或3l/min(升/分钟)的恒定冷却剂流速，冷却剂流速具体取决于冷却剂的温度(低于22℃的温度下恒定在1l/min，大于22℃的温度下恒定在3l/min)。

例如，双面研磨机还可从Koyo Machine Industries Co.Ltd.得到。举例来说，DXSG320型合适用于直径300mm的晶片的DDG研磨。垂直以及水平心轴两者均可与特殊的金刚石研磨工具组合使用。这些研磨工具分别设计为仅切割边缘、能结合快速的推进速度、且几乎不产生热量。将待处理的半导体晶片用水压垫从两面固定在输送环中。晶片仅通过一个小拖柄(lug)驱动，该小拖柄啮合到半导体晶片的取向缺口中。用这种方法可以保证半导体晶片的无应力安装。

在精研的情况下，在上工作盘和下工作盘之间提供含磨擦材料的浆液，半导体晶片在特定的压力下移动，从而除去半导体材料，其中工作盘通常由钢组成，并且一般配备有用于更好分散精研剂的通道。然而，精研并不是本发明主题的一部分。

DE 10344602A1和DE 102006032455A1公开了用于同时对多个半导体晶片的两个面进行同步研磨的方法，其中的运动顺序类似于精研，但是其特征在于使用了研磨剂，所述研磨剂牢固地结合在适用于工作盘的工作层(“薄膜”，“垫子”)中。处理过程中，将半导体晶片插入到薄的引导盒中，即所谓的运载装置中，所述引导盒具有相应的用于容纳半导体晶片的开口。运载装置带有外齿，外齿啮合到滚动装置中，滚动装置包括内齿环和外齿环，并且其通过所述滚动装置在上下工作盘之间形成的工作间隙中移动。运载装置带有开口，经由该开口冷却剂可以在下工作盘和上工作盘之间交换，以使上工作层和下工作层总是处于相同的温度下。

以上所提及的所有研磨方法都会在半导体晶片上留下明显的破坏。破坏应该理解为是指由于机械加工造成的表面附近的晶体破坏(“亚表面破坏”)。研磨之后半导体晶片表面上的划痕及由机械引起的其它缺陷也构成了这类破坏。所述晶体破坏必须通过后续的蚀刻方法予以消除。然而-如为本领域技术人员所知-这些蚀刻方法会不利地影响半导体晶片的几何结构，尤其是边缘几何结构和纳米形貌。由于蚀刻后的纳米形貌差，为了实现所要求的纳米形貌，必须要做更长的清除抛光处理。

因此，本领域技术人员设法在最大程度上减少研磨之后的破坏，并希望在研磨之后，能够提供具有最佳几何结构和纳米形貌的半导体晶片，但主要是要明显减少破坏。这有可能会使蚀刻方法可以全部省略。然而，主要是使得在抛光过程中的加工时间有可能更短，因为首先是获得最佳的表面粗糙度，而不是修正纳米形貌。

DE 102007030958要求保护一种用于研磨半导体晶片的方法，其中半导体晶片通过至少一个研磨工具以去除材料的方式在一面或双面上进行处理，在每个示例中都有冷却剂提供到半导体晶片与至少一个研磨工具之间的接触区中，其中在每个示例中冷却剂的流速根据所述至少一个研磨工具的研磨齿高度进行选择，并且所述冷却剂的流速随着研磨齿高的降低而减小，由此可以实现工件与研磨工具之间的接触区的恒定冷却，因为实际上冷却剂聚集在研磨齿前面，并且围绕后者流动，且根据研磨齿的高度，冷却剂涡漩进入工件与研磨工具之间的接触区。根据DE102007030958，到达所述接触区的冷却剂的量对于研磨结果(“亚表面破坏”)及研磨工具的使用寿命至关重要。

DE 102007030958所述方法的不利之处在于，在其研磨方法中必须自始至终对研磨齿的高度进行测定，以便能相应调整冷却剂的流速。这是因为与标准的方法相比，DE 102007030958从明显提高的冷却剂流速着手，因此所述冷却剂的流速也必须随着齿高降低而减小，因为不然的话，不变的高冷却剂流速会不可避免地导致水层(aquaplaning)效应。

总之，对于PPG，DE 102007030958所描述的方法不能适用，因为使用的研磨工具不是齿合的研磨盘(“齿合的轮”)，是工作盘，而所述工作盘包括其中结合了研磨剂的工作层。

本发明的目的是找到一种能避免现有技术缺点的新型研磨方法。

该目的通过一种用于处理半导体晶片的方法来实现，其中至少一个研磨工具和至少一个半导体晶片的侧面被彼此进给，由此从所述至少一个半导体晶片除去材料，其中粘度最低3·10^-3N/m².s、且最高100·10^{- 3}N/m².s的液体介质位于所述至少一个研磨工具和所述至少一个半导体晶片之间，而所述至少一个研磨工具和所述至少一个半导体晶片要彼此移开以结束处理操作。

本发明提供用于改进传统的研磨步骤，其既可以是单面研磨也可以是双面研磨，其方式使得在研磨步骤接近结束时可加入粘度更增大的介质，以便在单面或双面研磨的过程中抑制研磨工具的机械去除。除了在结束研磨的过程中移出研磨工具和半导体晶片的方法以外，研磨并不通过使用提高粘度的介质或添加剂来实现的，因为首先在实际的磨除处理过程中使用低粘度的介质时，例如没有添加剂或低粘度的添加剂(冷却剂)的水时，将能更方便地实现研磨，其次，通过所述低粘度介质，处理过程中产生的“研磨切屑”能更好地移出，且研磨工具的切割能力得以保持。在结束研磨的过程中通过加入比水粘度更高的介质，正是用来减弱甚至消除研磨工具的切割能力。

用这种方法处理的半导体晶片显示没有研磨细沟、没有抬起痕迹(传统的单面研磨法接近结束时研磨盘的抬起)，并且研磨之后没有研磨划痕。

在半导体晶片处理方法接近结束时提供粘稠介质。

在单面研磨的情况下，在特定的材料的除去已经实现、研磨过程结束之后在半导体晶片和研磨工具彼此移开之前，凭借以返回速度带回的研磨工具，在半导体晶片和研磨工具之间引入所述介质。

在同步双面研磨(DDG)的情况下采取类似的方法：在研磨过程结束之后且在半导体晶片和两个研磨工具彼此移开之前，在半导体晶片和研磨工具之间引入所述介质。

无论在单面研磨情况下还是在双面研磨情况下，两者均通过研磨工具的中心引入介质。研磨工具通常具有开口，以便使研磨工具和/或被处理的半导体晶片能够得到冷却。传统上用水或去离子水作冷却剂。在处理操作接近结束时，将抑制机械去除的介质引入以代替冷却剂。

在利用精研动力学进行研磨的情况下，介质经由运载装置中的开口引入。在现有技术中，提供的这些开口用于经由所述开口将冷却剂输送到工作盘。在本发明中，再一次地在加工操作接近结束时，经由运载装置中的所述开口引入抑制机械去除的介质，以代替冷却剂。

由此可见，本发明的方法不需要对传统的研磨机械作任何变更。

选择抑制机械去除的介质至关重要。

所述介质为粘度最低3·10^-3N/m²·s、且最高100·10^-3N/m²·s的液体介质。优选地，所述介质的粘度为3-80·10³N/m²·s，尤其优选3-60·10³N/m²·s，特别是优选3-40·10³N/m²·s。

众所周知，粘度是对流体粘性的测量。粘度的倒数是流动性系数，是对流体流动性的测量。粘度越大，流体越粘(更不流动)；粘度越低，流体越不粘(更能流动)。

优选地，介质包括多元醇(多元的含义为“多于一个羟基”)。

优选地，多元醇选自以下组中：甘油、单体乙二醇、低聚乙二醇、聚乙二醇和多醇(polyalcohol)。

存在多于一个羟基可导致形成氢桥键合的可能性更大，也就是说分子间的相互作用更强，其最终导致粘度提高。

优选地，介质包括少量的表面活性剂。

优选地，介质含有多元醇、多醇和表面活性剂。

优选地，介质含有短链或更长链的聚乙二醇、溶胶或凝胶。

优选地，介质包括甘油。

优选地，介质包括聚醚多元醇和聚乙烯醇。

尤其优选使用甘油-水的混合物。

表1显示了在20℃的温度下甘油-水混合物在各种甘油比例时的粘度变化(其中数据根据：WEAST，R.C.[Ed.]：″CRC Handbook ofChemistry and Physics″，56th Ed.，CRC Press，Boca Raton)。

纯甘油粘度在室温下可高达1500mPa s，用于以目标方式将去离子水的粘度提高到3-100mPa s，而去离子水的粘度原来仅为约1mPa s。

表1-甘油-水混合物在20℃时的粘度

优选地，在20℃的温度下甘油比例为大约50-85重量％。

此外，粘度与温度极为相关：对于纯甘油，T＝20℃时粘度为约1.760Pa s，而T＝25℃时则下降到约0.934Pa s。纯水的粘度也与温度有关。

因此当使用甘油-水的混合物时，应该考虑温度为20℃下提供所述介质。

如果介质明显用于更高的温度，为了保证所要求的粘度，优选甘油比例可提高到85重量％以上。

优选地，介质为由甘油、丁醇和表面活性剂组成的水性混合物。

浆液也是特别优选使用的，其中所要求的介质粘度可通过固体的比例得到保证。

该浆液可以与上述提高粘度的混合物组合使用，也可以以纯料的形式使用，即例如以传统的硅溶胶形式，不用加入提高粘度的组分，在此情况下，通过合理选择所溶解溶胶颗粒的浓度来设定所要求的粘度。

使用这类浆液关系到其它效果。通过具有精密机械效果的溶胶颗粒，可以降低被处理表面的表面粗糙度。使用相对较高浓度的浆液时，这一点尤其有效。为了防止提供介质的管线上发生干燥或结晶以及继发的有关结垢，在研磨步骤结束之后-特别是使用高浓度的溶胶用于中止的典型的研磨去除时-推荐用水彻底漂洗以对其予以净化。

特别优选使用由二氧化硅或氧化铈颗粒组成的胶态分散液。

无定形二氧化硅的胶态分散水溶液包括二氧化硅，其为表面上含有羟基的未相互交联的单个球形颗粒形式。

包括空间上未交联的颗粒的这些浆液的粘度是浓度和粒径或比表面积的函数。

例如，可通过移液管或落球式粘度计准确测定粘度。混合物或浆液的粘度优选在其使用之前根据本发明的方法测量。

通常更小的颗粒粘度更高。粘度随着体积固含量的增加而增加，这样颗粒装填更加紧密，并且就其自由流动性而言更受限制(内摩擦)。此外，单个颗粒之间的相互作用和碰撞也会增加。

体积固含量较低的浆液的行为大约类似于牛顿流体。

粘度与剪切速率无关。

优选地，使用包括窄粒径分布颗粒的浆液。平均粒径优选5-50nm。

二氧化硅或氧化铈的固体比例优选大于1重量％，直至最高50重量％。

如果要求降低半导体晶片所处理表面的表面粗糙度，则优选20-50重量％的固体比例。

在1-低于20重量％的更低固体比例时，优选例如通过诸如甘油的上述粘度改进添加剂之一来提高粘度。

提供抑制机械去除的介质可保证产生较少的亚表面破坏，尤其是不会在半导体晶片上产生抬起痕迹、明显的研磨细沟和明显的研磨划痕。这是因为粘度比水更高的介质可在研磨过程接近结束时，减少半导体晶片表面上的机械力作用。

现有技术中的抬起痕迹尤其发生在DDG之后，其对几何结构和纳米形貌十分关健。根据现有技术在单面研磨情况下会产生研磨细沟，它们类似地对几何结构和纳米形貌有不利的影响。根据现有技术，划痕会在所有研磨方法中产生，这对于半导体晶片的几何结构和表面性能十分关健。

通过根据本发明的方法，这些缺陷都可以完全消除。

如上所已经描述的，所述方法可以在具有平面板和相应的介质分配装置的所有机器类型上进行。

对于具有行星动力学(精研动力学)特性的双面平面研磨，传统的双面抛光机械是合适的，其中使用相应的研磨垫(工作盘的工作层)代替不含研磨剂的抛光垫。

以下介绍实施本方法的特别优选的方法参数。

单面研磨：

·(含金刚石、CeO2、Al2O3、SiC或BaCO3作为研磨剂)细粒尺寸为#2000或更细的研磨盘

·研磨盘的旋转速度为1000-5000rpm，尤其优选2000-4000rpm

·半导体晶片的旋转速度为50-300rpm，尤其优选200-300min^-1

·推进速度10-20μm/min

·冷却剂：水0.1-51/min

·处理接近结束时，以0.1-5l/min，尤其优选以3-5l/min提供粘度最低3·10^-3N/m²·s且最高100·10^-3N/m²·s的液体介质

双面研磨：

·研磨盘的颗粒为4-50μm，金刚石作为研磨剂(陶瓷或金属粘结的)

·心轴旋转速度为1000-12000rpm，尤其优选4000-8000rpm

·心轴给料速度15-300μm/min(就两个心轴而言)

·半导体晶片的旋转速度为5-100rpm，尤其优选25-50rpm

·用水冷却润滑，以0.1-5l/min

·处理接近结束时，以0.1-5l/min、尤其优选3-5l/min提供粘度最低3·10^-3N/m²·s且最高为100·10^-3N/m²·s的液体介质，

举例来说，由丁醇、甘油和表面活性剂组成的水混合物适用于提供粘度最低为3·10^-3N/m²·s且最高为100·10^-3N/m²·s的液体介质。介质的体积流速为5l/min。甘油比例为1重量％，丁醇比例为1重量％。此外，加入表面活性剂，其比例为0.07重量％。

表面活性剂为基于烷基苯磺酸和乙氧基化胺(amine ethoxylate)的制剂。

同样，研磨加工接近结束时，适合的是加入SiO₂浓度为30重量％的硅溶胶，作为半导体晶片上的粘性保护层。

Claims (16)

1.一种用于处理半导体晶片的方法，其中至少一个研磨工具和至少一个半导体晶片的侧面彼此进给，由此从所述至少一个半导体晶片除去材料，其中粘度最低3·10^-3N/m².s且最高100·10^-3N/m².s的液体介质位于所述至少一个研磨工具和所述至少一个半导体晶片之间，以及将所述至少一个研磨工具和所述至少一个半导体晶片彼此移开，以结束处理操作。

2.权利要求1的方法，其中所述液体介质包括多元醇。

3.权利要求2的方法，其中所述多元醇选自以下组中：甘油、单体乙二醇、低聚乙二醇、聚乙二醇和多醇。

4.权利要求2或3的方法，其中所述多元醇的比例为0.01-10体积％。

5.权利要求1-4之一的方法，其中所述液体介质包括甘油。

6.权利要求1-5之一的方法，其中所述液体介质包括聚醚多元醇和聚乙烯醇。

7.权利要求1-6之一的方法，其中所述液体介质包括少量的表面活性剂。

8.权利要求5的方法，其中所述液体介质是甘油比例为50％-85％的甘油-水的混合物。

9.权利要求1-8之一的方法，其中所述液体介质是含甘油、丁醇和表面活性剂的水性混合物。

10.权利要求1-7之一的方法，其中所述液体介质包括二氧化硅或氧化铈颗粒形式的固体。

11.权利要求10的方法，其中二氧化硅或氧化铈的平均粒径为5-50nm。

12.权利要求10或11的方法，其中固体的比例为大于1重量％，直至最高为50重量％。

13.权利要求12的方法，其中所述固体比例为1-30重量％。

14.权利要求1-13之一的方法，其中半导体晶片通过其一个表面被稳固地固定在晶片固定器上，而其相对的表面利用晶片固定器和研磨盘的旋转及其相互压迫，通过研磨盘形式的研磨工具进行处理，其中经由研磨盘中的开口，在研磨盘与半导体晶片之间引入粘度最低3·10^-3N/m².s且最高100·10^-3N/m².s的液体介质。

15.权利要求1-13之一的方法，其中半导体晶片同时在双面进行处理，处理方式使该半导体晶片在安装于相对的共线心轴上的两个研磨工具之间自由浮动，并且晶片在该方法中得到引导，其方式使作用于正面和背面上的水垫或气垫之间在轴向基本上没有约束力，其中经由两个研磨工具中的开口，在研磨工具与半导体晶片之间引入粘度最低3·10^-3N/m².s且最高100·10^-3N/m².s的液体介质。

16.权利要求1-13之一的方法，其中多个半导体晶片同时进行处理，其中每个半导体晶片以可自由移动的方式位于多个运载装置之一的切口中，所述运载装置通过环形的外驱动环和环形的内驱动环引起旋转，并因此在摆线轨迹上移动，而半导体晶片则在两个研磨工具之间以材料去除的方式进行处理，研磨工具为旋转环形状的包括工作层的工作盘的形式，其中经由运载装置中的开口，在工作盘和半导体晶片之间引入粘度最低3·10^-3N/m².s且最高100·10^-3N/m².s的液体介质。