CN102886733A - 用于晶圆研磨的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于晶圆研磨的装置。其中，一种研磨砂轮包括：外部基底，具有第一附接的磨粒抛光垫；内部框架，具有第二附接的磨粒抛光垫；以及主轴，通过外部基底和内部框架共享该主轴，其中，外部基底和内部框架中在至少一个可以沿着共享的主轴独立的移动；以及其中，外部基底、内部框架、以及共享主轴均具有相同中心。一种研磨***包括：上述研磨砂轮；和除了驱动研磨砂轮旋转的电机以外，还包括砂轮头，附接至共享主轴，能够垂直移动；以及卡盘工作台，用于将晶圆固定在卡盘工作台的顶部；其中，研磨砂轮与卡盘工作台的一部分重叠，研磨砂轮和卡盘工作台均能够以另一个的相反方向旋转。

Description

用于晶圆研磨的装置
技术领域
本发明涉及半导体领域，更具体地，涉及用于晶圆研磨的装置。
背景技术
将硅晶圆用作衬底，从而制造多数半导体器件。制造硅晶圆从单晶硅锭的生长开始。工艺序列用于将硅锭变换为晶圆。晶圆可以为完整晶圆或者切割硅(衬底)晶圆。该工艺通常由以下步骤组成：切割、圆边或者倒角、平整化(碾磨或研磨)、蚀刻、以及抛光。研磨是用于硅晶圆的表面的平整化工艺，而不是用于边的平整化工艺。
在晶圆的前面上，制造半导体器件。通过研磨将晶圆的背侧薄化到某一厚度。将这种研磨晶圆背侧简单地称作背侧研磨，通常通过金刚石砂轮来实施该背侧研磨。在背侧研磨中，去除量通常为几百微米(晶圆厚度)，并且通过以两个步骤实施该背侧研磨：粗磨和细磨。
粗磨利用具有更大金刚石磨料的粗磨金刚石砂轮，用于去除需要的总去除量的大部分，还利用更快的进给速率，从而实现更大的生产能力。对于细磨来说，将更慢的进给速率和具有更小金刚石磨料的细磨砂轮用于去除少量硅。
传统的研磨工具通常具有多个研磨模块，将该多个研磨模块用于在研磨工艺的各个阶段中研磨半导体晶圆1的背侧。在第一阶段或者第一位置处通过第一研磨砂轮实施粗磨，并且随后在第二阶段通过第二研磨砂轮实施细磨。在两个不同阶段或位置之间的移动导致延迟和未对准问题，该延迟和未对准问题可能影响整体工艺的成本和质量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种研磨砂轮，包括：外部基底，具有第一附接的磨粒抛光垫；内部框架，包含在外部基底内，具有与第一附接的磨粒抛光垫不同的磨粒尺寸的第二附接的磨粒抛光垫；以及主轴，外部基底和内部框架共用主轴，其中，外部基底和内部框架中的至少一个可以沿着所共用的主轴独立地移动；其中，外部基底、内部框架、以及所共用的主轴均具有相同的旋转中心。
其中，外部基底和内部框架均可以沿着所共用的主轴独立地移动。
其中，外部基底为杯形。
其中，内部框架为杯形。
其中，第一附接的磨粒抛光垫具有#1000至#4000的磨粒尺寸，第二附接的磨粒抛光垫具有#3至#240的磨粒尺寸。
该研磨砂轮进一步包括：第二内部框架，包含在外部基底内和内部框架内，并且具有第三附接的磨粒抛光垫，第三附接的磨粒抛光垫具有与第一附接的磨粒抛光垫和第二附接的磨粒抛光垫不同的磨粒尺寸。
其中，外部基底和内部框架为同心环形。
此外，还提供了一种研磨***，包括：研磨砂轮，包括：外部基底，被配置成可分离地容纳第一磨粒抛光垫；内部框架，包含在外部基底内，并且被配置成可分离地容纳第二磨粒抛光垫；主轴，外部基底和内部框架共用主轴，其中，外部基底和内部框架中的至少一个可以沿着所共用的主轴独立地移动；控制模块，被配置成控制外部基底和内部框架中的至少一个沿着所共用的主轴移动；其中，外部基底、内部框架、以及所共享的主轴均具有相同的旋转中心；砂轮头，附接至研磨砂轮的外部基底和内部框架的所共享的主轴，能够垂直移动；电机，被配置成驱动研磨砂轮旋转；以及卡盘工作台，被配置成容纳在其上的晶圆；其中，研磨砂轮与卡盘工作台的一部分重叠，研磨砂轮和卡盘工作台均能够在与另一个相反的方向上旋转。
其中，研磨砂轮的外部基底与卡盘工作台的中心重叠。
其中，研磨砂轮的内部框架与卡盘工作台的中心重叠。
其中，砂轮头可以向下移动，从而使得研磨砂轮的外部基底和研磨砂轮的内部框架能够与卡盘工作台接触。
该研磨***进一步包括：控制单元，用于选择性地将具有第一附接的磨粒抛光垫的外部基底或者具有第二附接的磨粒抛光垫的内部框架，或者外部基底和内部框架这两者移动至卡盘工作台。
该研磨***被配置成允许以下两种情况中的至少一个：研磨砂轮能够相对于卡盘工作台倾斜，卡盘工作台可以相对于研磨砂轮倾斜。
该研磨***进一步包括：第一磨粒抛光垫，附接至研磨砂轮的内部框架，并具有#1000至#4000的磨粒尺寸。
该研磨***进一步包括：第二磨粒抛光垫，附接至研磨砂轮的外部基底，并具有#3至#240的磨粒尺寸。
该研磨***进一步包括：抛光位置。
该研磨***进一步包括：第二内部框架，被设置在内部框架内并被配置成可分离地容纳第三磨粒抛光垫。
此外，还提供了一种研磨晶圆的方法，包括：将晶圆定位在研磨砂轮下方并且将晶圆和研磨砂轮对准；研磨砂轮的外部基底的研磨表面与晶圆接触，与此同时旋转晶圆和研磨砂轮中的至少一个；研磨砂轮的内部框架的研磨表面与晶圆接触，与此同时旋转晶圆和研磨砂轮中的至少一个，而不改变在晶圆和研磨砂轮之间的对准；以及从位于研磨砂轮的下方的位置移除晶圆。
其中，将晶圆和研磨砂轮对准，从而使得研磨砂轮的外部边缘位于晶圆的中心的上方。
该研磨***进一步包括：在第一接触步骤和第二接触步骤中的至少一个期间相对于晶圆的主面横向摆动研磨砂轮。
附图说明
为了更好地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1(a)至图1(c)为具有单个研磨砂轮的研磨***的示例性实施例和控制器的示例性实施例的原理图，该单个研磨砂轮具有粗磨和细磨功能；
图1(d)至图1(f)为具有细磨/粗磨部分的研磨砂轮沿着相同的共享轴向上移动、向下移动、或者不移动的示例性实施例的原理图；
图1(g)至图1(h)为在晶圆上实施细磨或粗磨的研磨砂轮的相对位置的示例性实施例的原理图；
图2(a)至图2(b)为研磨砂轮相对于晶圆倾斜的相对位置的示例性实施例的原理图。
附图、原理图、以及示图为示例性的并不打算限定，而是本发明的实施例的示例，为了说明，简化了附图、原理图、以及示图，并且没有按比例绘制。
具体实施方式
下面，详细讨论本示例性实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明的实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。
结合具体上下文的示例性实施例描述了本发明，即，使用具有粗磨和细磨功能的研磨砂轮的晶圆背侧研磨***。
图1(a)为具有具备粗磨和细磨功能的单个研磨砂轮101的研磨***的一部分的示例性实施例的示意图。通过机器人或用手将半导体晶圆201正面向下置于研磨卡盘工作台202上方，从而将晶圆201保持在卡盘工作台202上。研磨卡盘工作台202可以通过真空作用使晶圆201保持在下面。代替真空吸盘，可以将双面胶带或边夹用于也将晶圆201固定至卡盘工作台202。将研磨卡盘工作台202置于转台203的上方，该转台可以沿转台轴204旋转。如在下文中更详细地说明的，研磨卡盘工作台202可以在研磨期间旋转。
研磨砂轮头103可以垂直移动。研磨砂轮主轴102和研磨砂轮101被安装在研磨砂轮头的下端，而用于驱动砂轮主轴102的电机104被安装在研磨砂轮头的上部。通过电机104驱动和旋转砂轮主轴102。通过位于该***中的控制单元105来控制砂轮头103的移动。研磨砂轮101同时旋转，并且当砂轮头下降时，通过研磨砂轮101研磨位于卡盘工作台顶部的晶圆201。研磨砂轮101能够通过砂轮头降低，从而到达卡盘工作台202，使得一旦晶圆被置于卡盘工作台上，不管晶圆的厚度是多少，可以降低研磨砂轮101，从而到达晶圆。研磨砂轮101可以选择性地实施粗磨和细磨。控制单元106基于来自用户的实时或者提前编程的各个输入选择研磨砂轮101实施哪种研磨操作。
在研磨期间，砂轮头103垂直向下移动，从而使得研磨砂轮101的下表面与半导体晶圆201的一部分接触，该研磨砂轮的下表面为其磨粒抛光垫(在图1(b)中所示的1013或者1011)。优选地，研磨砂轮101的磨粒抛光垫和半导体晶圆201的重叠不超过半导体晶圆201的半径。研磨砂轮101以反时钟方向旋转移动，并且可以自由地调节研磨砂轮的速度，而半导体晶圆201顺时针移动。通过向下移动砂轮头103，逐渐研磨晶圆表面201。砂轮头103在研磨期间向下移动的速度等于进给速度。
在完成工艺以后，通过砂轮头103提起研磨砂轮101，并且例如，转台203顺时针方向旋转，从而使得将半导体晶圆201移动到位于研磨***上的不同位置，例如，蚀刻位置或抛光位置。
图1(b)为具有粗磨和细磨功能的单个研磨砂轮101的示例性实施例的原理图。研磨砂轮101具有形成杯形框架的外部基底1014，并且这是所谓的因为研磨砂轮看起来像杯子。将第一磨粒抛光垫(grain pad)1013附接至外部基底1014的表面。外部基底1014进一步围绕也为杯形的内部框架1012，其中，将第二磨粒抛光垫1011附接至内部框架1012的表面。第一磨粒抛光垫1013和第二磨粒抛光垫1011可以为通过金刚石或者镀层金刚石所形成的不同材料；具有不同磨粒尺寸(grain size)，例如，粗磨粒(例如，在#4至#240范围内)或者细磨粒(例如，对于网格尺度(mesh scale)，与#1000至#4000一样细)。具有更小磨粒尺寸的砂轮通常生成更平滑的表面。因此，第一磨料磨粒抛光垫1013和第二磨料磨粒抛光垫1011可以通过控制单元106的控制选择性地在晶圆上实施粗磨或细磨。图1(b)示例性地示出了为粗磨粒的1011和细磨粒的1013。也可以使用其他选项，例如，抛光垫1011为细磨粒的并且1013为粗磨粒的。由于减少从一个位置至另一个位置的移动，示例性的研磨砂轮101可以改进晶圆输出，从而实施粗研磨，然后实施细研磨。
内部框架1012和外部基底1014共用共享主轴(common spindle axis)102，该共用主轴附接至在图1(a)中所示的砂轮头103。主轴102、外部基底1014、以及内部框架1012均具有相同的中心，该相同的中心为主轴的中心，在图1(b)中标示为中线1015。通过共享粗磨和细磨的相同中心，可以减小晶圆的总厚度变化(TTV)。因此，在接下来的蚀刻状态下更少使用化学蚀刻，进一步降低了成本。
在图1(c)中示出了示例性研磨器的高度示意性表示。可见，可以在单个位置中实现粗磨位置和细磨位置，因此，改善对准和TTV性能，还简化了机器并降低了成本。在其他实施例中，任选地，还可以在单个结合位置中包括分离的缓冲区位置。通过在图1(a)和1(c)中所示的研磨***内的控制单元106控制，还可以通过沿着共享轴102垂直向上、垂直向下、或者垂直向上和垂直向下移动内部框架1012来完成粗磨或细磨的选择。还可以通过沿着共享轴102垂直向上、垂直向下、或者垂直向上和垂直向下移动外部基底1014来完成粗磨或细磨的选择。在图1(d)、图1(e)、以及图1(f)中示出了垂直移动内部框架1012和金属基底1014的示例性的相对位置。图1(d)示出了向上移动内部框架1012，从而使得当研磨砂轮101与晶圆接触时，金属基底1014仅通过其附接的磨粒抛光垫1013与晶圆接触。图1(e)示出了向下移动内部框架1012，从而使得当研磨砂轮101与晶圆接触时，内部框架1012仅通过其附接的磨粒抛光垫1011与晶圆接触。图1(f)进一步示出了内部框架1012和金属基底1014位于水平位置，该水平位置为当研磨砂轮101不实施粗磨或者细磨的默认位置。
图1(g)至1(h)通过俯视图示出了图1(a)的研磨工具的多部分。更具体地，图1(g)至图1(h)示出了研磨砂轮101、半导体晶圆201、卡盘工作台202、以及转台203。研磨砂轮101位于半导体晶圆201的一部分的上方。晶圆201位于卡盘工作台203上方，从而使得该晶圆和卡盘工作台均具有相同的中心。研磨砂轮101与半导体晶圆201和卡盘工作台203不同心。相反，仅研磨砂轮101的一部分位于半导体晶圆201和卡盘工作台203的上方。为了研磨半导体晶圆201，研磨砂轮101降低，从而使得适当的磨粒抛光垫1011或者1013，或者在一些情况下，磨粒抛光垫1011和1013仅与半导体晶圆的一部分接触。同样地，当研磨砂轮位于图1(d)中所示的位置中时，图1(g)示出了具有其附接的抛光垫1013的金属基底1014与晶圆201接触重叠。同样地，当研磨砂轮位于图1(e)中所示的位置中时，图1(h)示出了具有其附接的抛光垫1011的内部框架1012与晶圆201接触重叠。在具有金属基底或内部框架的研磨砂轮和晶圆之间的重叠范围在0至150mm范围内。优选地，磨粒抛光垫(或者1011或者1013)和半导体晶圆201的重叠不超过半导体晶圆201的半径，因此，到达卡盘工作台203的中心。磨粒抛光垫(或者1011或者1013)和研磨卡盘202旋转，从而使得在工艺期间研磨半导体晶圆201的所有区域。
当研磨砂轮101位于粗磨位置或者位于细磨位置中时，研磨砂轮101可以相对于晶圆201倾斜。该倾斜可以通过倾斜如图2(a)中所示的晶圆201的轴实施，例如，倾斜转台203，或者通过倾斜如在图2(b)中所示的研磨砂轮101的轴实施，例如，通过倾斜砂轮头103和/或主轴102实施。研磨砂轮101可以在电机104和/或另一控制电机(未示出)的控制下沿着轴102(如图2(a)所示的)进一步摆动。研磨头和磨粒抛光垫沿着晶圆的摆动移动可能会导致更多的不均匀的研磨工艺。可以在粗磨工艺或者细磨工艺中通过相同的研磨砂轮101进一步使用研磨剂。
在图1(a)中所示的***与元件向上和向下移动垂直对准，从而研磨晶圆。可以水平对准示例性***，并且也可以在这种***中使用在图1(b)中所示的研磨砂轮，其中，研磨砂轮可以沿着水平轴向后并向前移动，从而在相应位置研磨晶圆。本领域技术人员很容易意识到，具有实现等效功能的多个变型例，并且仅为了说明的目的，实施这些示例性实施例。
尽管已经详细地描述了本实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。例如，可以以软件、硬件、韧体(firmware)、或者其组合实施上述多个部件和功能。作为另一实例，本领域中的技术人员很容易理解，可以进行各种改变，同时这些改变在本发明的范围内。
而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims (10)

1.一种研磨砂轮，包括：
外部基底，具有第一附接的磨粒抛光垫；
内部框架，包含在所述外部基底内，具有与所述第一附接的磨粒抛光垫不同的磨粒尺寸的第二附接的磨粒抛光垫；以及
主轴，所述外部基底和所述内部框架共用所述主轴，其中，所述外部基底和所述内部框架中的至少一个可以沿着所共用的主轴独立地移动；
其中，所述外部基底、所述内部框架、以及所共用的主轴均具有相同的旋转中心。
2.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其中，所述外部基底和所述内部框架均可以沿着所共用的主轴独立地移动。
3.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其中，所述外部基底为杯形。
4.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其中，所述内部框架为杯形。
5.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其中，所述第一附接的磨粒抛光垫具有#1000至#4000的磨粒尺寸，所述第二附接的磨粒抛光垫具有#3至#240的磨粒尺寸。
6.根据权利要求1所述的研磨砂轮，进一步包括：
第二内部框架，包含在所述外部基底内和所述内部框架内，并且具有第三附接的磨粒抛光垫，所述第三附接的磨粒抛光垫具有与所述第一附接的磨粒抛光垫和所述第二附接的磨粒抛光垫不同的磨粒尺寸。
7.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其中，所述外部基底和所述内部框架为同心环形。
8.一种研磨***，包括：
研磨砂轮，包括：
外部基底，被配置成可分离地容纳第一磨粒抛光垫；
内部框架，包含在所述外部基底内，并且被配置成可分离地容纳第二磨粒抛光垫；
主轴，所述外部基底和所述内部框架共用所述主轴，其中，所述
外部基底和所述内部框架中的至少一个可以沿着所共用的主轴独立地移动；
控制模块，被配置成控制所述外部基底和所述内部框架中的至少一个沿着所共用的主轴移动；
其中，所述外部基底、所述内部框架、以及所共享的主轴均具有相同的旋转中心；
砂轮头，附接至所述研磨砂轮的所述外部基底和所述内部框架的所共享的主轴，能够垂直移动；
电机，被配置成驱动所述研磨砂轮旋转；以及
卡盘工作台，被配置成容纳在其上的晶圆；
其中，所述研磨砂轮与所述卡盘工作台的一部分重叠，所述研磨砂轮和所述卡盘工作台均能够在与另一个相反的方向上旋转。
9.根据权利要求8所述的研磨***，其中，所述研磨砂轮的所述外部基底与所述卡盘工作台的中心重叠。
10.一种研磨晶圆的方法，包括：
将所述晶圆定位在研磨砂轮下方并且将所述晶圆和所述研磨砂轮对准；
所述研磨砂轮的外部基底的研磨表面与所述晶圆接触，与此同时旋转所述晶圆和所述研磨砂轮中的至少一个；
所述研磨砂轮的内部框架的研磨表面与所述晶圆接触，与此同时旋转所述晶圆和所述研磨砂轮中的至少一个，而不改变在所述晶圆和所述研磨砂轮之间的对准；以及
从位于所述研磨砂轮的下方的所述位置移除所述晶圆。
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