CN110405546A - 晶圆减薄***和相关方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于减薄半导体衬底的***,所述***的实施方式可包括:被配置成接收用于减薄的半导体衬底的衬底卡盘、心轴、联接到所述心轴的砂轮、和被配置成在减薄期间与所述半导体衬底接触的水介质。超声能量源可直接联接到所述衬底卡盘、所述心轴、所述砂轮、所述水介质、或它们的任意组合。
Description
技术领域
本文档的各方面整体涉及用于减薄半导体衬底(诸如晶圆)的***和方法。
背景技术
半导体材料在用于形成半导体器件的工艺中用作衬底。通常,半导体衬底采用晶圆的形式,该晶圆通常通过锯切与晶锭或半导体材料的其他块体分离。半导体衬底的内部结构能够是单晶、多晶或无定形的。
发明内容
用于减薄半导体衬底的***的实施方式可包括:被配置成接收用于减薄的半导体衬底的衬底卡盘、心轴(spindle)、联接到心轴的砂轮、和被配置成在减薄期间与半导体衬底接触的水介质。超声能量源可直接联接到衬底卡盘、心轴、砂轮、水介质、或它们的任意组合。
用于减薄半导体衬底的***的实施方式可包括以下各项中的一者、全部或任一者:
半导体衬底可包含碳化硅。
砂轮可包含金刚石。
超声能量源可发射介于20kHz至3GHz之间的声能。
该***还可包括至少第二衬底卡盘、至少第二心轴、至少第二超声能量源或它们的任意组合。
用于减薄半导体衬底的***的实施方式可包括被配置成接收用于减薄的半导体衬底的衬底卡盘、其上联接有砂轮的心轴、和被配置成接触衬底卡盘的至少一部分和砂轮的至少一部分的水介质。在半导体衬底的减薄期间,可将超声能量源施加到衬底卡盘、心轴、砂轮、水介质或它们的任意组合。
用于减薄半导体衬底的***的实施方式可包括以下各项中的一者、全部或任一者:
半导体衬底可包含碳化硅。
砂轮可包含金刚石。
超声能量源可发射介于20kHz至3GHz之间的声能。
该***可包括至少第二衬底卡盘、至少第二心轴、至少第二超声能量源或它们的任意组合。
用于减薄半导体衬底的***的实施方式可采用半导体衬底减薄的方法的实施方式。该方法可包括:将半导体衬底与衬底卡盘联接,将砂轮与心轴联接,以及使水介质与半导体衬底接触以及与衬底卡盘的至少一部分接触以及与砂轮的至少一部分接触。该方法可包括:在减薄半导体衬底时在将超声能量源施加到衬底卡盘、心轴、砂轮、水介质或它们的任意组合时,旋转砂轮、衬底卡盘、或砂轮和衬底卡盘两者。
半导体衬底减薄的方法的实施方式可包括以下各项中的一者、全部或任一者:
该方法可包括通过超声能量源提高半导体衬底的减薄速率。
半导体衬底可包含碳化硅。
砂轮可包含金刚石。
超声能量源可发射介于20kHz至30GHz之间的声能。
该方法还可包括通过超声能量源降低砂轮的磨损速率。
对于本领域的普通技术人员而言,通过说明书和附图并且通过权利要求书,上述以及其他方面、特征和优点将会显而易见。
附图说明
将在下文中结合附图来描述各实施方式,其中类似标号表示类似元件,并且:
图1是半导体衬底减薄***的第一实施方式的侧面剖视图;
图2是半导体衬底减薄***的第二实施方式的侧面剖视图;
图3是半导体衬底减薄***的第三实施方式的侧面剖视图;
图4是半导体衬底减薄***的第四实施方式的侧面剖视图。
具体实施方式
本公开、其各方面以及实施方式并不限于本文所公开的具体部件、组装工序或方法元素。本领域已知的符合预期半导体衬底减薄***及相关方法的许多附加部件、组装工序和/或方法元素将显而易见地与本公开的特定实施方式一起使用。因此,例如,尽管本发明公开了特定实施方式,但是此类实施方式和实施部件可包括符合预期操作和方法的本领域已知用于此类半导体衬底减薄***以及实施部件和方法的任何形状、尺寸、样式、类型、模型、版本、量度、浓度、材料、数量、方法元素、步骤等。
存在各种各样的半导体衬底类型,并且它们在制造半导体器件过程中使用。可使用本文档中公开的原理处理的半导体衬底的非限制性示例包括单晶硅、二氧化硅、玻璃、绝缘体上硅、砷化镓、蓝宝石、红宝石、碳化硅、前述中的任一个的多晶或无定形形式,以及用于构造半导体器件的任何其他衬底类型。在本文档中,术语“晶圆”也与“衬底”一起使用,因为晶圆是常见类型的衬底,但不是用于指代所有半导体衬底类型的专门术语。在各种实施方式中,作为非限制性示例,本文档中公开的各种半导体衬底类型可以是圆形、圆化、方形、矩形或任何其他封闭形状。
参见图1,以剖视图示出了半导体衬底(衬底)减薄***2的第一实施方式。如图所示,衬底卡盘4具有联接到其上的半导体衬底6。在图1所示的实施方式中,衬底6为其上形成有器件层8的成品晶圆,并且衬底6联接到晶圆的器件层8侧上的衬底卡盘4。在各种实施方式中,可在器件层8联接到衬底卡盘4之前将其他保护层放置在器件层上方,作为非限制性示例,诸如背磨胶带、旋涂膜或其他保护层。背磨胶带可不用于其上不具有器件层的衬底。通过使用施加到卡盘4中的各个孔/区域的真空将衬底6固定到衬底卡盘4,所述孔/区域抽吸空气(和衬底)以使其抵靠衬底卡盘4。如图所示,衬底卡盘4可大于衬底6自身以有助于在研磨期间支撑衬底6。另外,衬底卡盘4的真空区域可被设计成略小于衬底6的尺寸,使得晶圆能够密封真空区域以防止水或其他液体进入卡盘的真空(尤其是在衬底卡盘4为多孔卡盘的情况下)。衬底6上方是其上附连有多个齿12的砂轮10,该砂轮与心轴14联接。心轴14被设计成在所述多个齿12接触并砂磨衬底6的非器件侧(背面)时,允许砂轮10相对于衬底6旋转。如图所示,在一些实施方式中,心轴16还可联接到衬底卡盘4,从而允许衬底卡盘4相对于砂轮10独立地旋转。在衬底6已放置在衬底卡盘4上之后,通常使用下降***将砂轮10下降到衬底6上。
在本文档所公开的减薄***的各种实施方式中,砂轮可抵靠衬底旋转,衬底可抵靠砂轮旋转,或者砂轮和衬底两者可同时旋转。在发生同时旋转的情况下,衬底可在与砂轮的旋转的旋转方向相反的方向上旋转,或者可在与砂轮的旋转方向相同的旋转方向上[以不同的速度]旋转。另外,在各种实施方式中,砂轮可相对于衬底以各种旋转图案移动,以允许齿(以椭圆形、偏心、圆形等图案)均匀地接触并砂磨衬底的材料,具体取决于砂轮上的齿的图案、衬底的尺寸以及砂轮的尺寸。然而,在许多实施方式中,砂轮可在固定位置旋转,并且衬底卡盘的旋转连同衬底卡盘和半导体衬底相对于砂轮的较大尺寸允许砂轮研磨晶圆的整个表面。如图所示,衬底卡盘可以非平角跨衬底卡盘的顶部固定晶圆以促进使用砂轮的研磨。
如图1所示,超声能量源18与衬底卡盘4联接。联接的结构和方法被设计成允许超声能在卡盘4的整个结构中延伸,并且因此将超声能传递到衬底6自身。在各种实施方式中,这通过将超声能量源18与衬底卡盘4自身的心轴16联接来实现。在减薄操作期间,衬底的超声能与砂轮10的齿12的相互作用导致增强衬底6的微观和/或块体材料的击穿,并因此提高减薄速率和/或延长砂轮10自身的寿命。在各种实施方式中,超声能量源18的使用还可有助于去除减薄过程期间生成的颗粒,并将它们传递到接触衬底6并且至少部分地覆盖衬底卡盘4和/或砂轮10的一部分的水介质20。在图1中,含水(水)介质20被示出为限定在环绕减薄装置的容器20中;然而,在许多实施方式中,水介质20可通过在减薄过程期间主动流动或喷射到这些部件上/上方来覆盖衬底6以及衬底卡盘4和/或砂轮10的部分。在此类实施方式中,用过的水介质20可被收集在各种部件的下方,同时在***2的操作期间使新鲜的水介质20流动/喷射到部件上/上方。在各种实施方式中,可将其他组分添加到水介质中以有助于减薄过程,作为非限制性示例,诸如表面活性剂、蚀刻剂、防腐剂、以及被设计成有助于减薄过程和/或保留***自身的组分的其他组分。
尽管在本文图1至图4中所示的各种***实施方式中,衬底卡盘定位在砂轮下方,但在其他实施方式中,这种布置可颠倒,使得砂轮定位在衬底卡盘下方。此外,砂轮与衬底的相对尺寸可不同于附图中所示的比例,因为砂轮可大于、小于或同于衬底的尺寸。衬底卡盘的相同相对尺寸适用,因为在各种实施方式中,衬底卡盘可大于、小于或同于衬底的尺寸。另外,在各种***实施方式中,在单个***实施方式中可采用不止一个的衬底卡盘、砂轮、心轴或超声能量源。在一些实施方式中,减薄***可包括同时处理多个衬底的多个同时操作的砂轮;在其他实施方式中,在与单个衬底卡盘联接的同时,单个衬底可使用多个砂轮来相继处理。在其他实施方式中,单个衬底可在被多个砂轮处理时通过多个衬底卡盘进行处理。可使用本文所公开的原理开发衬底卡盘、砂轮、心轴和超声能量源的许多不同构型。
参见图2,示出了衬底减薄***24的第二实施方式。该***示出了与图1的衬底类似的衬底26,该衬底联接到被放置用于在砂轮30下方减薄的衬底卡盘28。在该实施方式中,水介质32覆盖衬底26,并且超声能量源34通过直接延伸到水介质中来与水介质32直接联接。在该实施方式中,水介质32将超声能传送到衬底26,衬底卡盘28,以及砂轮30的接触水介质32的那些部分。如前所述,作用于这些部件上的超声能可有助于在减薄过程和/或去除衬底的砂磨材料的期间击穿衬底材料的微观/块体结构。在超声能量源34与水介质32联接的实施方式中,***的部件可在操作期间浸没在水介质中,而不是如由容纳在容器36中的水介质所示的那样,在操作期间使水介质流动/喷射到它们上方。
参见图3,示出了衬底减薄***38的第三实施方式。该实施方式包括联接有晶圆42的衬底卡盘40。晶圆42具有粗化边缘44,该粗化边缘示意性地指示晶圆需要在减薄过程期间使用砂轮46进行减薄/光滑化。如图所示,超声能量源34已与联接到砂轮46的心轴50直接联接。来自超声能量源34的超声能沿心轴50行进并被传递到砂轮46及其多个齿52。在减薄过程期间,所述多个齿52将超声能传递到晶圆42,并且由此,超声能以先前讨论的各种方式有助于晶圆42的材料的击穿。
图3所示的晶圆42为单晶碳化硅晶圆,并且粗化边缘44为示意图,该示意图被设计成示出此类SiC晶圆在使用激光损伤过程分离时如何沿晶圆的表面呈现条纹。在激光损伤过程期间,通过在衬底的C平面中传播裂纹来形成条纹,该C平面与联接到衬底卡盘42的晶圆的平坦平面表面成介于1度至6度之间(通常为4度)的角度延伸。在分离之后,需要从晶圆上去除这些条纹。另外,由于在一些碳化硅晶圆形成工艺中,出于晶圆厂处理需求,所得碳化硅晶圆的厚度比器件所需的厚度要厚,因此在处理以形成半导体器件之前或者在封装已经形成的半导体器件之前,可能需要减薄碳化硅晶圆。
对于涉及碳化硅的晶圆,由于碳化硅的硬度接近包括在砂轮的齿中的金刚石材料的硬度,因此加速碳化硅晶圆的减薄速率和/或延长砂轮寿命的能力(通过降低砂轮的磨损速率)能够得到显著的成本节约。另外,减薄速率的提高能够得到每个晶圆更快的运行时间,这能够减少处理给定数量的碳化硅晶圆所需的减薄设备的总量,从而进一步降低使用碳化硅作为衬底用于半导体晶圆处理的成本。
参见图4,示出了衬底减薄***54的第四实施方式。如图所示,***54包括已联接有碳化硅晶圆58的衬底卡盘56。碳化硅晶圆58在晶圆58的两个相对表面上具有条纹60、62,因为该晶圆在从SiC晶锭分离之后尚未抛光,并且晶锭表面在晶圆形成之前未抛光。该图示出了在各种实施方式中能够如何使衬底卡盘56与未抛光和平整的晶圆联接,以允许晶圆的每一面都通过前述各种联接机构中的任一种进行抛光。如图所示,第一超声能量源64联接到衬底卡盘56并将超声能传递到衬底卡盘和晶圆58。砂轮66定位在晶圆58上方并联接到心轴68。第二超声能量源70联接到心轴68并将超声能传递到心轴68和砂轮66。水介质72环绕晶圆58以及砂轮66和/或衬底卡盘56的至少一部分。第三超声能量源74与水介质72联接,并且在减薄过程期间将超声能传输到晶圆58、砂轮66和衬底卡盘56。在图4所示的实施方式中,所有三个超声能量源64、70、74的使用可全部叠加性地提高减薄速率,或者可由于在操作期间晶圆58的微观/块体材料的击穿速率的增强而协同地使减薄速率提高到高于每个源的叠加速率。在该实施方式中,如在图2所示的实施方式中,水介质72围绕***的各部件的静态存在通过容器76的存在来示出。然而,在各种实施方式中,第三超声能量源74可在操作期间通过使水介质72流动/喷射到***的部件上方来传输超声能。
在本文所示的各种***实施方式中,超声能量源可采取各种形式,具体取决于它们所联接的***的部件(衬底卡盘、心轴或水介质)。超声能量源可采用多种频率,所述频率可在约20kHz至约3GHz的范围内。在超声能量源40所使用的声频高于360kHz的情况下,能量源也可被称为兆声能量源(如本文所用,出于更容易地讨论的目的,超声用于指超声频率和兆声频率)。在特定的实施方式中,超声能量源可在40kHz的功率下以80W的功率生成超声振动。在各种实施方式中,超声能量源可施加介于约30kHz至约50kHz或约35kHz至约45kHz之间的频率。然而,在各种实施方式中,可采用高于50kHz的频率,包括兆声频率。在各种实施方式中还可采用多种功率电平。
可采用多种液体来与***的各种部件发生静态或流动接触,作为非限制性示例,所述液体诸如含水液体、有机液体、水、溶剂、以及在浴内的条件下作为液体存在的任何其他液体。在各种实施方式中,超声能量源的形式可包括探针,该探针延伸到晶圆中并且与探针延伸到其中的容器振动地隔离,使得由探针生成的超声能基本上传输到水介质中并且不传输到容器本身的材料中。在各种实施方式中,多个超声能量源可联接到液体介质。在各种实施方式中,超声能量源可采用多种换能器设计,作为非限制性示例,包括磁致伸缩换能器和压电换能器。在使用磁致伸缩换能器的情况下,换能器使用盘绕线来形成交变磁场,从而在表现出磁致伸缩特性的材料中以期望的频率引起机械振动,作为非限制性示例,诸如镍、钴、铽、镝、铁、硅、铋、铝、氧、它们的任何合金、以及它们的任意组合。机械振动然后传递到超声能量源的接触液体(或***的心轴或其他部件)的部分。在采用压电换能器的情况下,压电材料经受电荷施加,并且所得到的振动被传递到超声能量源的接触液体的部分。可用在各种实施方式中的压电材料的示例包括,作为非限制性示例,石英、蔗糖、黄玉、电气石、钛酸铅、钛酸钡、锆钛酸铅、以及表现出压电特性的任何其他晶体或材料。
对于联接到衬底卡盘的超声能量源,超声能量源可紧固到卡盘的下表面、嵌入卡盘中、或固定地附接到卡盘的与接触衬底的侧面相对的侧面。在衬底卡盘相对于砂轮旋转的情况下,可使用嵌入卡盘中的超声能量源。另外,在各种实施方式中,可将多个超声能量源联接到同一个卡盘,以确保能量在卡盘的表面上均匀传输。
对于与心轴联接的超声能量源,在各种实施方式中,可使用围绕心轴联接的套管和轴承来传输超声能,或者超声能量源可将能量传输到整个心轴组件(包括电机)。在其他实施方式中,超声能量源可联接在心轴的与联接到砂轮的端部相对的端部上,使得能量能够沿心轴的轴向上传输。虽然超声能量源可联接在砂轮自身中,但由于砂轮是耗材,因此联接到心轴通常可为较低成本的选项。在一些实施方式中,可将多个超声能量源连接到心轴。
类似于本文所述那些的减薄***实施方式可包括包含金刚石的砂轮。
各种减薄***实施方式中的超声能量源可发射介于20kHz至3GHz之间的声能。
在以上描述中提到晶圆减薄***特定实施方式以及实施部件、子部件、方法和子方法的地方,应当易于显而易见的是,可在不脱离其实质的情况下作出多种修改,并且这些实施方式、实施部件、子部件、方法和子方法可应用于其他晶圆减薄***。
Claims (10)
1.一种用于减薄半导体衬底的***,所述***包括:
衬底卡盘,所述衬底卡盘被配置成接收用于减薄的半导体衬底;
心轴;
砂轮,所述砂轮联接到所述心轴;
水介质,所述水介质被配置成在减薄期间与所述半导体衬底接触;和
超声能量源,所述超声能量源直接联接到以下各项中的一项:所述衬底卡盘、所述心轴、所述砂轮、所述水介质、以及它们的任意组合。
2.根据权利要求1所述的***,其中所述半导体衬底包含碳化硅。
3.根据权利要求1所述的***,还包括以下各项中的一项:
至少第二衬底卡盘;
至少第二心轴;
至少第二超声能量源;以及
它们的任意组合。
4.一种用于减薄半导体衬底的***,所述***包括:
衬底卡盘,所述衬底卡盘被配置成接收用于减薄的半导体衬底;
心轴,所述心轴上联接有砂轮;和
水介质,所述水介质被配置成接触所述衬底卡盘的至少一部分和所述砂轮的至少一部分;
其中在所述半导体衬底的减薄期间,超声能量源被施加到以下各项中的一项:所述衬底卡盘、所述心轴、所述砂轮、所述水介质、以及它们的任意组合。
5.根据权利要求4所述的***,其中所述半导体衬底包含碳化硅。
6.根据权利要求4所述的***,还包括以下各项中的一项:
至少第二衬底卡盘;
至少第二心轴;
至少第二超声能量源;以及
它们的任意组合。
7.一种半导体衬底减薄的方法,所述方法包括:
将半导体衬底与衬底卡盘联接;
将砂轮与心轴联接;
使水介质与所述半导体衬底接触以及与所述衬底卡盘的至少一部分接触以及与所述砂轮的至少一部分接触;
在减薄所述半导体衬底时在将超声能量源施加到以下各项中的一项时:所述衬底卡盘、所述心轴、所述砂轮、所述水介质、以及它们的任意组合,旋转以下各项中的一项:所述砂轮、所述衬底卡盘、以及所述砂轮和所述衬底卡盘两者。
8.根据权利要求7所述的方法,还包括通过所述超声能量源提高所述半导体衬底的减薄速率。
9.根据权利要求7所述的方法,其中所述半导体衬底包含碳化硅。
10.根据权利要求7所述的方法,还包括通过所述超声能量源降低所述砂轮的磨损速率。
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