DE10132504C1 - Verfahren zur beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben und seine Verwendung - Google Patents
Verfahren zur beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben und seine VerwendungInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Halbleiterscheiben in mittels eines ringförmigen äußeren und eines ringförmigen inneren Antriebskranzes in Rotation versetzten Läuferscheiben liegen und zwischen zwei gegenläufig rotierenden Arbeitsscheiben in einer Weise bewegt werden, die sich durch je eine Bahnkurve relativ zur oberen Arbeitsscheibe und eine Bahnkurve relativ zur unteren Arbeitsscheibe beschreiben lässt, das sich dadurch auszeichnet, dass die beiden Bahnkurven nach sechs Schlaufen um das Zentrum ein noch offenes Erscheinungsbild besitzen und an jeder Stelle einen Krümmungsradius aufweisen, der mindestens so groß ist wie der Radius des inneren Antriebskranzes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitig beidsei
tigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben
("wafer") unter Verwendung von optimierten Bahnkurven der Halb
leiterscheiben relativ zur oberen und unteren Bearbeitungs
scheibe.
Eine typische Prozesskette zur Herstellung von Halbleiterschei
ben umfasst die Prozessschritte Sägen - Kantenverrunden - Läp
pen oder Schleifen - nasschemisches Ätzen - Polieren nebst Rei
nigungsschritten vor und/oder nach zumindest einigen der aufge
führten Prozessschritte. Insbesondere an Halbleiterscheiben,
die als Ausgangsprodukt für die Fertigung moderner Bauelemente
generationen beispielsweise mit Linienbreiten von 0,13 µm oder
0,10 µm Verwendung finden sollen, sind hohe Anforderungen an
Planparallelität und Ebenheit gestellt, was sich in den genann
ten Fällen durch das Ebenheitsmaß SFQRmax gleich oder kleiner
0,13 µm oder 0,10 µm für eine Bauelementfläche von beispiels
weise 25 mm × 25 mm ausdrücken lässt. Dieser Anforderung kann
Rechnung getragen werden, indem in der Prozesskette mindestens
ein Fertigungsschritt als gleichzeitig die Vorderseite und die
Rückseite der Halbleiterscheiben bearbeitender Schritt ausge
führt wird. Beispiele für derartige Prozesse sind doppelseiti
ges Läppen, doppelseitiges Schleifen und doppelseitiges Polie
ren, die als Einzelscheibenprozess oder unter gleichzeitiger
Bearbeitung von etwa 5 bis 30 Halbleiterscheiben ausgeführt
werden können.
Die Technik des doppelseitigen Läppens von gleichzeitig mehre
ren Halbleiterscheiben ist seit langem bekannt und beispiels
weise in der EP 547 894 A1 beschrieben, und es sind geeignete
Anlagen in verschiedenen Größen von mehreren Herstellern am
Markt erhältlich. Dabei werden die Halbleiterscheiben unter
Zuführung einer Abrasivstoffe enthaltenden Suspension zwischen
einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe, vom Fachmann als
Läppscheibe bezeichnet, die meist aus Stahl besteht und mit
Kanälen zur besseren Verteilung der Suspension versehen ist,
unter einem gewissen Druck bewegt und dadurch Halbleitermateri
al entfernt, wobei sie durch mittels Antriebskränze in Rotation
versetzte Läuferscheiben ("carrier") mit Aussparungen zur Auf
nahme der Halbleiterscheiben auf einer geometrischen Bahn ge
halten werden.
Aufgaben des Läppens sind, beim Aufsägen des Halb
leiterkristalls erzeugte gestörte oberflächennahe Bereiche
("damage") zu entfernen sowie eine vorgegebene Dicke und Plan
parallelität der Halbleiterscheiben herzustellen. Typische
Abträge sind dabei 20 µm bis 120 µm Halbleitermaterial, die
sich bevorzugt gleichmäßig auf beide Seiten der Halbleiter
scheibe verteilen.
Verfahren zum doppelseitigen Schleifen von Halbleiterscheiben
sind ebenfalls bekannt und kommen in jüngerer Zeit auf Grund
von Kostenvorteilen verstärkt an Stelle des Läppens zum Ein
satz. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise in der DE 196 26 396 A1
ein Verfahren beansprucht, das mehrere Halbleiter
scheiben gleichzeitig bearbeitet und mit Bewegungen der Halb
leiterscheibe ähnlich denen beim doppelseitigen Läppen arbei
tet. Dem doppelseitigen Schleifen kommen dabei die gleichen
Aufgaben wie dem Läppen zu; die typischen Abträge sind eben
falls vergleichbar.
Das Verfahren der doppelseitigen Politur von Halbleiterscheiben
stellt eine Weiterentwicklung des Läppens dar, wobei an Stelle
der oberen und unteren Läppscheibe als Arbeitsscheiben mit Po
liertuch beklebte planare Polierteller treten und eine meist
alkalisch stabilisierte Kolloide enthaltende Poliersuspension
zugeführt wird. Gemäß der US 5,855,735 findet ab einer Fest
stoffkonzentration von 6 Gew.-% ein Übergang von der chemisch
mechanischen doppelseitiges Politur in eine doppelseitige Grob
politur im Läppmodus statt.
Wiederum werden die Halbleiterscheiben dabei durch in Rotation
versetzte Läuferscheiben bei sich in der Regel gegenläufig drehendem
oberen und unteren Polierteller auf einer festgelegten Bahn bewegt. Eine dies
bezügliche Poliermaschine ist beispielsweise in der DE 100 07 390 A1 beansprucht. Ein
Verfahren zur doppelseitigen Politur von Halbleiterscheiben zur Erzielung hoher Eben
heiten, wobei die fertig polierten Halbleiterscheiben nur um 2 bis 20 µm dicker sind als
die Läuferscheiben aus Edelstahl, ist aus der DE 199 05 737 C2 bekannt. Mit diesem
Verfahren lassen sich Halbleiterscheiben mit lokalen Ebenheitswerten, ausgedrückt als
SFQRmax für ein Raster mit Bauelementeflächen von 25 mm × 25 mm, von gleich oder
kleiner 0,13 µm erzielen, die für Halbleiterbauelemente-Prozesse mit Linienbreiten
gleich oder kleiner 0,13 µm erforderlich sind. Ein Verfahren zur Nacharbeit durch dop
pelseitige Politur ist in der DE 199 56 250 C1 beschrieben. Zum Schutz der Kante der
Halbleiterscheiben verfügen die Läuferscheiben sinnvoller Weise gemäß einer in der EP 208 315 B1
beschriebenen Ausführungsform über mit Kunststoff ausgekleidete Ausspa
rungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben, ein Verfahren, das vielfach auch beim
Läppen Anwendung findet.
Die DE 199 19 583 A1 offenbart ein Verfahren zur beidseitigen Material abtragenden
Bearbeitung von Halbleiterscheiben mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei
die Halbleiterscheiben in mittels eines ringförmigen äußeren und eines ringförmigen in
neren Antriebskranzes in Rotation versetzten Läuferscheiben liegen und zwischen zwei
gegenläufig rotierenden Arbeitsscheiben bewegt werden.
In der WO 00/07230 A1 ist ein Polierverfahren für Halbleiterscheiben beschrieben, bei
dem das Halbleitersubstrat und das Poliertuch in bestimmter Weise rotieren, um einen
gleichmäßigen Polierabtrag zu gewährleisten.
Aufgabe der doppelseitigen Politur sind, die endgültige Planparallelität und Ebenheit der
Halbleiterscheibe einzustellen und gestörte Kristallschichten sowie Oberflächenrauig
keiten aus den Vorprozessen, beispielsweise Läppen oder Schleifen gefolgt von Ätzen,
zu eliminieren. Die hohe Ebenheit doppelseitig polierter Halbleiterscheiben, gepaart mit
dem Vorliegen einer polierten Rückseite mit reduzierter Neigung zur Partikeladhäsion,
hat dazu geführt, dass dieses abtragende Polierverfahren insbesondere bei der Her
stellung von Halbleiterscheiben der Durchmesser 200 mm und größer von deutlich hö
herer Bedeutung als die einseitige Politur der Vorderseite ist. Typische Abträge sind da
bei 10 µm bis 50 µm Halbleitermaterial.
Meist wird bei der doppelseitigen Politur gleich viel Material von der Vorderseite und der
Rückseite der Halbleiterscheiben abgetragen. In der WO 00/36637 A1 ist dagegen ein
Verfahren beansprucht, durch erhöhten Vorderseitenabtrag bei der doppelseitigen Poli
tur, der durch eine erhöhte Drehzahl des oberen Poliertellers
realisiert werden kann, gezielt gestörte Kristall
schichten auf der Rückseite der Scheibe zu hinterlassen. Gemäß
der DE 197 04 546 A1 gelingt ein derartiger asymmetrischer
Abtrag auch durch ein mehrstufiges Verfahren doppelseitige
Politur - Beschichtung der Rückseite beispielsweise mit Oxid -
erneute doppelseitige Politur.
Um als Hersteller von Halbleiterscheiben wettbewerbsfähig zu
bleiben, ist es vordringlich, Prozesse und Verfahren bereitzu
stellen, die eine Fertigung geforderter Qualitäten zu möglichst
niedrigen Kosten ermöglichen. Ein wichtiger Ansatzpunkt hierbei
ist, die Ausbringung an Halbleiterscheiben pro Maschine auf das
höchstmögliche Maß zu steigern. Im Falle der doppelseitigen Po
litur bedeutet dies beispielsweise, hohe Abtragsraten gepaart
mit einer hoher Standzeit der Poliertücher zu realisieren. Für
die doppelseitig arbeitenden Läpp- und Schleifverfahren gilt
Analoges, wobei im Falle der Arbeitsscheiben an Stelle der Le
bensdauer der Poliertücher diejenige der Läppscheiben bezie
hungsweise der Schleifkörper tritt.
Nachteil dieser Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass
es beim doppelseitige Läppen, Schleifen und Polieren nicht
möglich ist, unter Einhaltung bestimmter Produkteigenschaften,
beispielsweise hohe Ebenheit und/oder Abwesenheit von Oberflä
chenkratzern, einen erhöhten Maschinendurchsatz beziehungsweise
eine verkürzte Zykluszeit bei festgelegtem Materialabtrag zu
realisieren. Versuche, die Abtragsrate an Halbleitermaterial
durch Erhöhung des Bearbeitungsdrucks zu steigern, führen zu
einer Verschlechterung der Ebenheiten und/oder zum Auftreten
von Oberflächenkratzern, womit die so produzierten Scheiben
nicht weiterverarbeitet werden können sondern verworfen oder
unter erhöhtem Kostenaufwand nachgearbeitet werden müssen.
In der US 6,180,423 B1 ist beschrieben, dass im Falle der
einseitigen Politur von nur einer Halbleiterscheibe, die von
einem Träger gehalten und um ihr Zentrum drehend über einen
ebenfalls rotierenden Polierteller bewegt wird, ihre Bahnkurve
relativ zum Poliertuch vom Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten
von Polierteller m und Träger n abhängt; beansprucht ist eine möglichst gleich
mäßige Bedeckung des Poliertuchs durch diese spiralartige Bahnkurve, was durch ein
möglichst hohes kleinstes gemeinsames Vielfaches von m und n erreicht wird. Als Vor
teil wurden eine nachhaltig höhere Abtragsrate und eine verlängerte Lebensdauer des
Poliertuchs festgestellt. Auch dieses Verfahren schließt die oben genannte Lücke im
Stand der Technik nicht, da eine Anwendung auf beidseitig arbeitende Abtragsverfahren
nicht möglich ist, bei der eine Rotation der Läuferscheibe durch eine Translation um das
Maschinenzentrum relativ zu den Poliertellern überlagert ist und daher 4 statt 2 Frei
heitsgrade (Drehzahlen oberer und unterer Teller, Drehzahlen innerer und äußerer An
trieb der Läuferscheiben) beachtet werden müssen.
Es war daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material
abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben beispielsweise durch Läppen, Schlei
fen oder Polieren zu entwickeln, das über eine höhere Ausbringung von Halbleiterschei
ben festgelegter Qualität pro Bearbeitungsmaschine zu Kostenvorteilen führt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtra
genden Bearbeitung von Halbleiterscheiben (H) mit einer Vorderseite und einer Rück
seite, wobei die Halbleiterscheiben (H) in mittels eines ringförmigen äußeren (6) und
eines ringförmigen inneren (5) Antriebskranzes in Rotation versetzten Läuferscheiben
(1) liegen und zwischen zwei gegenläufig rotierenden Arbeitsscheiben (7) in einer Weise
bewegt werden, die sich durch je eine Bahnkurve eines Punktes (P) der Halbleiterschei
ben relativ zur oberen Arbeitsscheibe und eine Bahnkurve dieses Punktes relativ zur
unteren Arbeitsscheibe beschreiben lässt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die
beiden Bahnkurven
- a) nach sechs Schlaufen um die Zentrumsachse (M) der Poliermaschine ein noch offe nes Erscheinungsbild besitzen und
- b) an jeder Stelle einen Krümmungsradius aufweisen, der mindestens so groß ist wie der Radius (ri) des inneren Antriebskranzes (5).
Anders ausgedrückt sind die beiden Bahnkurven nach gleich oder
kleiner sechs Schlaufen um das Zentrum nicht in sich geschlos
sen oder nicht nahezu in sich geschlossen und sie weisen an
keiner Stelle einen Krümmungsradius auf, der kleiner als der
des inneren Antriebkranzes ist.
Die Bahnkurven der Erfindung unterscheiden sich in ihrer Form
von den streng spiralförmigen Kurven der einseitigen Politur
nach dem Stand der Technik dadurch, dass durch Antrieb der Läu
ferscheiben und Antrieb der Arbeitsscheiben mehrere Bewegungen
überlagert sind. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es,
dass nicht nur eine gleichmäßige Bedeckung sowohl der oberen
als auch der unteren Arbeitsscheibe mit der Bahnkurve der Halb
leiterscheibenbewegung relativ zur Arbeitsscheibe vorhanden
ist, sondern auch abrupte Richtungswechsel unterbleiben. Wäh
rend beispielsweise bei der doppelseitigen Politur durch die
erste Forderung eine gleichmäßige Abnutzung und schnelle Rege
neration des oberen und des unteren Poliertuchs gewährleistet
ist, wird durch die zweite Forderung eine unsanfte Fahrweise
der Halbleiterscheiben vermieden, die zur Schwingung der Läu
ferscheibe und/oder Verkippung der Halbleiterscheibe mit dem
Risiko schlechter Ebenheiten bis hin zum Bruch der Halbleiter
scheibe durch Verlassen der Läuferscheibe führen kann. Diese
Zusammenhänge sind überraschend und waren nicht vorhersehbar.
Für das doppelseitige Läppen und Schleifen gelten analoge Be
trachtungsweisen, wie sie für das doppelseitige Polieren ausge
führt wurden.
Ausgangsprodukt des Verfahrens ist eine Halbleiterscheibe, die
auf bekannte Weise von einem Kristall abgetrennt und kantenver
rundet und gegebenenfalls weiteren Prozessschritten unterworfen
wurde. Sie kann, je nach Verfahren und Zielsetzung, eine gesäg
te, geläppte, geschliffene, geätzte, polierte oder epitaxierte
Oberfläche besitzen. Falls dies gewünscht wird, kann die Kante
der Halbleiterscheibe poliert sein.
Endprodukt des Verfahrens ist eine Halbleiterscheibe, die dop
pelseitig geläppt, geschliffen oder poliert ist, eine hohe
Ebenheit und Kratzerfreiheit besitzt und den nach dem Stand der
Technik hergestellten Halbleiterscheiben gleicher Qualität be
züglich ihrer Herstellkosten überlegen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur doppelseitigen Bearbei
tung verschiedenartiger scheibenförmiger Körper beispielsweise
durch Läppen, Schleifen und Polieren eingesetzt werden, die aus
einem Material bestehen, welches durch die genannten Verfahren
bearbeitbar ist. Derartige Materialien sind beispielsweise
Gläser, etwa auf Siliciumdioxid-Basis, und Halbleiter, etwa
Silicium, Silicium/Germanium und Galliumarsenid. Silicium in
einkristalliner zur Weiterverwendung in der Fertigung von elek
tronischen Bauelementen, beispielsweise Prozessoren und Spei
cherelementen, ist im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt.
Das Verfahren eignet sich besonders zur Bearbeitung von Halb
leiterscheiben mit Durchmessern von gleich oder größer 200 mm
und Dicken von 500 µm bis 1200 µm. Diese können entweder direkt
als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiterbauele
menten eingesetzt werden oder nach Durchführung weiterer Pro
zessschritte wie nasschemisches oder Plasmaätzen, Polieren
und/oder nach Aufbringen von Schichten wie Rückseitenversiege
lungen oder einer epitaktischen Beschichtung der Scheibenvor
derseite und/oder nach Konditionierung durch eine Wärmebehand
lung ihrem Bestimmungszweck zugeführt werden. Neben der Her
stellung von Scheiben aus einem homogenen Material kann die
Erfindung natürlich auch zur Herstellung von mehrschichtig
aufgebauten Halbleitersubstraten wie SOI-Scheiben (silicon-on-
insulator) eingesetzt werden.
Die weitere Beschreibung des Verfahrens erfolgt am Beispiel der
doppelseitigen Politur von Siliciumscheiben. Die Angaben zur
Berechnung und Festlegung der optimierten Bahnkurven sind für
den Fachmann problemlos auf Verfahren mit analoger kinemati
scher Wirkungsweise wie doppelseitiges Läppen oder Schleifen
übertragbar, wenn beispielsweise statt mit Poliertuch belegte
Polierteller mit Kanälen oder Schleifkörpern ausgestattete Ar
beitsscheiben zum Einsatz kommen und statt von einer Abnutzung
des Poliertuchs von einer Abnutzung der Läpp- oder Schleif
scheibe gesprochen wird.
Prinzipiell ist es möglich, eine Anzahl beispielsweise durch
ein Innenloch- oder Drahtsägeverfahren gesägter Siliciumschei
ben direkt dem erfindungsgemäßen doppelseitigen Polierschritt
zu unterziehen. Es ist jedoch bevorzugt, die scharf begrenzten
und daher mechanisch sehr empfindlichen Scheibenkanten mit
Hilfe einer geeignet profilierten Schleifscheibe zu verrunden.
Weiterhin ist es zwecks Verbesserung der Geometrie und teil
weisem Abtrag der zerstörten Kristallschichten bevorzugt, die
Siliciumscheiben abtragenden Schritten wie Läppen und/oder
Schleifen und/oder Ätzen zu unterziehen, wobei alle genannten
Schritte nach dem Stand der Technik ausgeführt werden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Polierschrittes kann
eine handelsübliche Maschine zur doppelseitigen Politur geeig
neter Größe verwendet werden, welche die gleichzeitige Politur
von mindestens drei Siliciumscheiben unter Verwendung von min
destens drei Läuferscheiben ermöglicht. Besonders bevorzugt ist
der gleichzeitige Einsatz von drei bis fünf Läuferscheiben, die
mit jeweils mindestens drei in gleichen Abständen auf einer
kreisförmigen Bahn angeordneten Siliciumscheiben belegt sind.
Jedoch ist auch die Belegung jeder Läuferscheibe mit nur je
weils einer Siliciumscheibe möglich, die, um die Erfindung um
setzen zu können, jedoch azentrisch in der Läuferscheibe ange
ordnet sein sollte.
Die Poliermaschine besteht im Wesentlichen aus einem frei hori
zontal drehbaren unteren Polierteller und einem frei horizontal
drehbaren oberen Polierteller, die jeweils beide mit Poliertuch
bedeckt, bevorzugt beklebt sind, und erlaubt unter kontinuier
licher Zuführung eines Poliermittels geeigneter chemischer Zu
sammensetzung das doppelseitige abtragende Polieren. Die Läu
ferscheiben, die bevorzugt aus rostfreiem Chromstahl bestehen,
verfügen über geeignet dimensionierte, mit Kunststoff ausgekleidete
Aussparungen zur Aufnahme der Siliciumscheiben und
sind beispielsweise mit einer Triebstock-Stiftverzahnung oder
einer Evolventenverzahnung mit der Poliermaschine über einen
sich drehenden inneren und einen sich gegenläufig drehenden
äußeren Stift- oder Zahnkranz in Kontakt und werden dadurch in
eine rotierende Bewegung zwischen den beiden gegenläufig rotie
renden Poliertellern versetzt. Die Triebstock-Stiftverzahnung
ist wegen des ruhigeren Laufverhaltens der Läuferscheiben und
der einfachen Auswechselbarkeit der Stifte besonders bevorzugt.
Die Läuferscheiben für das erfindungsgemäße Polierverfahren
besitzen eine bevorzugte Dicke von 500 bis 1200 µm, die sich
nach der Enddicke der polierten Siliciumscheiben richtet, wel
che letztlich vom Durchmesser der Siliciumscheiben und vom
geplanten Anwendungszweck abhängt. Im Hinblick auf die Herstel
lung sehr ebener Siliciumscheiben ist bevorzugt, dass die End
dicke der polierten Scheiben um 2 bis 20 µm größer ist als die
Läuferscheibendicke, wobei der Bereich von 3 bis 10 µm beson
ders bevorzugt ist. Der Siliciumabtrag durch die doppelseitige
Politur beträgt bevorzugt 2 bis 70 µm und besonders bevorzugt 5
bis 50 µm.
Zur Beschreibung der Erfindung gehören Figuren, welche diese
verdeutlichen. In den Zeichnungen markierte Größen sind in den
nachfolgenden Betrachtungen zu den Bahnkurven fett aufgeführt.
Alle Angaben beziehen sich auf die Politur von Siliciumscheiben
des Durchmessers 300 mm auf einer handelsüblichen Doppelseiten-
Poliermaschine des Typs AC2000 von Fa. Peter Wolters, Rendsburg
(Deutschland), ausgestattet mit Stiftverzahnung des äußeren und
inneren Kranzes zum Antrieb der Läuferscheiben. Die der Erfin
dung zu Grunde liegenden Zusammenhänge lassen sich analog auf
kleinere oder größere Poliermaschinen sowie Läpp-, Schleif- und
sonstige mit vergleichbarer Kinematik arbeitende Abtragsmaschi
nen und auf die Bearbeitung von kleineren oder größeren Halb
leiterscheiben übertragen; die Figuren beinhalten daher in kei
nem Fall eine Einschränkung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Läuferscheibe mit einem Durchmesser von 720 mm
zur Aufnahme von drei 300-mm-Siliciumscheiben für die dop
pelseitige Politur.
Fig. 2 zeigt die Anordnung von mehreren der in Fig. 1 darge
stellten Läuferscheiben in einer Doppelseiten-Poliermaschine,
wobei der Durchmesser der äußeren Stiftkranzes 1970 mm und der
des inneren Stiftkranzes 530 mm beträgt.
Fig. 3 zeigt die bei gleichzeitiger Rotation von oberem und
unterem Polierteller sowie äußerem und innerem Stiftkranz für
die Bewegung einer Siliciumscheibe relativ zum Poliertuch
relevanten geometrischen Verhältnisse in einer Doppelseiten-
Poliermaschine gemäß Fig. 2.
Fig. 4 zeigt die Bahnkurve einer Siliciumscheibe während der
doppelseitigen Politur auf der in Fig. 2 gezeigten Polierma
schine relativ zum oberen (links) und unteren Poliertuch
(rechts) nach 6 sec, 20 sec und 120 sec Laufzeit für die im
Vergleichsbeispiel 1 eingestellten Rotationsparameter in einem
kartesischen Koordinatensystem. Horizontal aufgetragen ist, wie
allgemein üblich, die x-Achse, vertikal aufgetragen die y-Ach
se. Die Punkte (x, y) im rechten oberen Quadranten besitzen po
sitive Vorzeichen.
Fig. 5 entspricht Fig. 4 für Vergleichsbeispiel 2.
Fig. 6 entspricht Fig. 4 für Vergleichsbeispiel 3.
Fig. 7 entspricht Fig. 4 für Beispiel 1.
Fig. 8 entspricht Fig. 4 für Beispiel 2.
Fig. 9 entspricht Fig. 4 für Beispiel 3.
Die in Fig. 1 dargestellte Läuferscheibe für die doppelseitige
Politur 1 ist gekennzeichnet durch eine äußere Verzahnung 2,
die mit den Stiften des äußeren und des inneren Stiftkranzes
der Poliermaschine in Eingriff treten können. Sie weist darüber
hinaus mit Kunststoff ausgekleidete Öffnungen 3 zur Aufnahme
der zu polierenden Siliciumscheiben sowie zusätzliche Öffnungen
4 auf, die eine bessere Verteilung des Poliermittels zwischen
den beiden Poliertüchern gewährleisten.
Fig. 2 zeigt die typische maximale Belegung einer Poliermaschi
ne des Typs AC2000 mit Läuferscheiben 1, die mit jeweils drei
Halbleiterscheiben H, in diesem Falle Siliciumscheiben, des
Durchmessers 300 mm belegt sind. Eine analoge geometrische An
ordnung ergibt sich beispielsweise auch, wenn eine Polierma
schine des kleineren Typs AC1500, ebenfalls hergestellt von Fa.
Peter Wolters, mit 200-mm-Halbleiterscheiben belegt wird. Die
Läuferscheiben 1 werden durch einen inneren Stiftkranz 5 und
einen äußeren Stiftkranz 6 in Rotation versetzt, wobei die
Drehrichtungen von 5 und 6 bevorzugt unterschiedliche Vorzei
chen besitzen. Die Halbleiterscheiben H sind dabei im Kontakt
mit dem Poliertuch eines sich drehenden oberen Poliertellers
und eines sich bevorzugt gegenläufig drehenden unteren Polier
tellers 7, die in der Aufsicht deckungsgleich sind.
Fig. 3 enthält Angaben, die zur Herleitung der geometrischen
Verhältnisse während des doppelseitigen Polierens von Bedeutung
sind. Dabei drehen sich die Stiftkränze 5 und 6 sowie die bei
den Polierteller 7 um die feste Zentrumsachse der Poliermaschi
ne M, während sich die Läuferscheiben 1 um ihr eigenes Zentrum
M' drehen, das nicht ortsfest sein muss. Folgende Rotations
kennzahlen (angegeben beispielsweise in U/min = Umdrehungen pro
Minute) sind in diesem Zusammenhang von Bedeutung:
no = Drehzahl oberer Polierteller 7 um M
nu = Drehzahl unterer Polierteller 7 um M
na = Drehzahl äußerer Stiftkranz 6 um M
ni = Drehzahl innerer Stiftkranz 5 um M
nLSrot = Drehzahl Läuferscheibe 1 um M'
nLStrans = Drehzahl Läuferscheibe 1 um M
no = Drehzahl oberer Polierteller 7 um M
nu = Drehzahl unterer Polierteller 7 um M
na = Drehzahl äußerer Stiftkranz 6 um M
ni = Drehzahl innerer Stiftkranz 5 um M
nLSrot = Drehzahl Läuferscheibe 1 um M'
nLStrans = Drehzahl Läuferscheibe 1 um M
Vom Maschinenbetreiber frei wählbar sind dabei no und nu sowie
zwei der vier Größen na, ni, nLSrot und nLStrans. Dies ergibt sich
aus den geometrischen Relationen
na = (rLS/ra) × nLSrot + nLStrans (1)
und ni = (rLS/ri) × nLSrot + nLStrans (2)
oder nach Umformung von (1) und (2)
nLSrot = (na - ni)/(rLS/ra + rLS/ri) (3)
und nLStrans = (ra × na + ri × ni)/(ra + ri) (4)
mit rLS = Radius der Läuferscheibe 1
ra = Radius des äußeren Stiftkranzes 6
ri = Radius des inneren Stiftkranzes 5.
ra = Radius des äußeren Stiftkranzes 6
ri = Radius des inneren Stiftkranzes 5.
Für eine Maschine des Typs AC2000
wird (3) zu nLSrot = 0,5801 × (na - ni) (5)
und (4) zu nLStrans = 0,7880 × na + 0,2120 × ni (6).
Es sei nun die Bahnkurve eines Punktes P im Abstand a vom Zent
rum M' der Läuferscheibe 1 relativ zum oberen Poliertuch 7 be
trachtet. Dieser Punkt P kann der Mittelpunkt der Halbleiter
scheiben H sein, wenn diese alle im gleichen Abstand um den
Punkt M' angeordnet sind. Bevorzugt ist P ein Punkt auf einem
Kreis um M', der am dichtesten mit Halbleitermaterial belegt
ist, um der Beanspruchung des Poliertuchs Rechnung zu tragen.
Im beschriebenen Fall der Verwendung von Läuferscheiben 1 auf
einer Poliermaschine AC2000 wurde der Radius dieses Kreises a
mit 200 mm angenommen.
Durch Abrollen der Läuferscheibe 1 auf entlang des äußeren
Stiftkranzes 6 würde der reale Punkt P zunächst in den fiktiven
Punkt P' übergehen, der sich in einem Winkel ϕ in Bezug auf M
von P befindet. Diese Bewegung lässt sich als Hypozykloidenbahn
auffassen und in einem kartesischen Koordinatensystem durch die
dem Fachmann bekannten Formeln
x = (ra - rLS) × cosϕ + a × cos[ϕ × (ra - rLS)/rLS] (7)
und y = (ra - rLS) × sinϕ - a × sin[ϕ × (ra - rLS)/rLS] (8)
beschreiben. (Wegen ra - rLS = ri + rLS ist im gewählten Fall
auch eine Beschreibung mittels der Gleichungen für eine Epizyk
loidenbahn möglich, wobei die Läuferscheibe um den inneren
Stiftkranz abgerollt wird.)
Während der Punkt P durch einen Ausschnitt ϕ der Hypozykloiden
bahn in den Punkt P' überführt wird, dreht sich beispielsweise
der obere Polierteller in Gegenrichtung um den Winkel -τo, was
zur Rotation des Punktes P' um M um den Winkel τo (= "Transla
tion" von M' auf einer Kreisbahn um M) und damit zum Punkt P"
führt. Um die Lage des Punktes P" relativ zum Ausgangspunkt P
bezogen auf den oberen Polierteller nach einer Zeiteinheit t
berechnen zu können, müssen zunächst die Zeiten zur Abwicklung
der Winkel ϕ und τo, ins Verhältnis gesetzt werden. Dazu sei der
äußere Antriebskranz als Referenzkreis angenommen, der sich
fiktiv nicht bewegen soll:
na' = na - na = 0
→ no' = no - na (9)
ni' = ni - na (10)
nLStrans' = nLStrans - na (11)
nLSrot' = nLSrot (12)
Dann ist τo = -no' × t (13)
(beziehungsweise τu = -nu' × t; negative Vorzeichen wegen un
terschiedlicher Drehrichtung von no oder nu und τo oder τu)
und ϕ = nLStrans' × t (14).
Mit (9) folgt τo = (na - no) × t (15);
Einsetzen von (11) und (14) in (1) ergibt
ϕ = -(rLS/ra) × nLSrot × t (16).
Gleichsetzen von (15) und (16) über t ergibt
τo = (no - na) × ϕ × ra/(nLSrot × rLS) (17).
Während also vom Punkt P auf Grund der Hypozykloidenbewegung
(Gleichungen (7) und (8)) um M der Winkel ϕ zurückgelegt wird,
findet gleichzeitig eine Drehbewegung τo relativ zum oberen
Polierteller statt, die gemäß Gleichung (17) als Funktion von ϕ
beschrieben werden kann. Eine Superposition der beiden Bewegun
gen kann durch Drehung des die Hypozykloidenbewegung beschrei
benden Koordinatensystems x - y um -τo in ein Koordinatensystem
x' - y' erfolgen:
x' = x × cos(-τo) + y × sin(-τo) (18)
y' = -x × sin(-τo) + y × cos(-τo) (19)
Die Gesamtbewegung P → P" lässt sich nunmehr durch Einsetzen
von (7), (8) und (17) in (18) und (19) beschreiben:
x' = x × cos(-τo) + y × sin(-τo) (18)
→ x' = {(ra - rLS) × cosϕ + a × cos[ϕ × (ra - rLS/rLS]} × cos(-τo)
+ {(ra - rLS) × sinϕ - a × sin[ϕ × (ra - rLS)/rLS]} × sin(-τo)
x' = {(ra - rLS) × cosϕ + a × cos[ϕ × (ra - rLS)/rLS]} × cos[-(no - na) × ϕ × ra/(nLSrot × rLS)] + {(ra - rLS) × sinϕ - a × sin[ϕ × (ra - rLS)/rLS]} × sin[-(no - na) × ϕ × ra/(nLSrot × rLS)] (20)
y' = -x × sin(-τo) + y × cos(-τo) (19)
y' = {-(ra - rLS) × cosϕ - a × cos[ϕ × (ra - rLS)/rLS]} × sin(-τo)
+ {(ra - rLS) × sinϕ - a × sin[ϕ × (ra - rLS)/rLS]} × cos(-τo)
y' = {-(ra - rLS) × cosϕ - a × cos [ϕ × (ra - rLS)/rLS]}
× sin[-(no - na) × ϕ × ra/(nLSrot × rLS)]
+ {(ra - rLS) × sinϕ - a × sin[ϕ × (ra - rLS)/rLS]}
× cos[-(no - na) × ϕ × ra/(nLSrot × rLS)] (21)
Dabei entspricht (x', y') den Koordinaten des Punktes P" nach
Durchlaufen des Winkels ϕ durch die Hypozykloidenbahn. Für ϕ =
0 ergibt sich x' = ra - rLS + a und y' = 0.
Die mittlere Geschwindigkeit vo (vu) der Punktes P relativ zum
oberen (beziehungsweise unteren) Polierteller lässt sich aus
der Wegstrecke des Punktes (x', y')
s = Σ[(xj' - xi')2 + (yj' - yi')2]½ (22)
und Gleichung (16), aufgelöst nach der Zeit t,
t = -ϕ × ra/(rLS × nLSrot) (16)
zu v = s/t (beziehungsweise vo = so/t und vu = su/t)
v = -(rLS × nLSrot)/(ϕ × ra) × Σ[(xj' - xi')2 + (yj' - yi')2]½ (23)
berechnen, wenn die Wegstrecke s aus der Summe der Abstände
(xj, yj) und (xi, yi) für Winkel < 360° kleine Winkelinkremente
Δϕ, beispielsweise in Abständen von 1°, unter Verwendung der
Gleichungen (20) und (21) aufsummiert wird. Auch die Berechnung
von Geschwindigkeitsänderungen ist möglich.
Mit Hilfe der aufgeführten Berechnungsformeln (20), (21) und
(23) gelingt die Berechnung von Bahnkurven und Geschwindigkei
ten mit einem handelsüblichen Tabellenkalkulationsprogramm auf
jedem hinreichend leistungsstarken Tischrechner ("PC").
Theoretisch können für die Drehzahlen no, nu, na und ni und der
daraus resultierenden mittleren Relativgeschwindigkeiten vo und
vu sowie den Polierdruck P beliebige Kombinationen gewählt wer
den. Allerdings sind den Möglichkeiten in der Praxis Grenzen
gesetzt, die vor allem durch Maschinenauslegung, Materialbean
spruchung und Sicherheitsaspekte bedingt sind. Bevorzugt ist
eine unterschiedliche Drehrichtung des oberen und unteren Tel
lers sowie des äußeren und inneren Antriebskranzes, was sich in
den Vorzeichen äußert. Für die gleichzeitige Politur von 15 Si
liciumscheiben des Durchmessers 300 mm auf einer Poliermaschine
AC2000 sind folgende besonders bevorzugte Parameterbereiche
sinnvoll und im Produktionsbetrieb beherrschbar und waren Ge
genstand der ausführlichen Untersuchungen, die zur Erfindung
geführt haben:
no = +10. . .+25 U/min
nu = -10. . .-26 U/min
vo = -0,5. . .-2,0 m/sec
vu = +0,5. . .+2,0 m/sec
na = +3. . .+10 U/min
ni = -10. . .-26 U/min
P = 0,10. . .0,25 bar
no = +10. . .+25 U/min
nu = -10. . .-26 U/min
vo = -0,5. . .-2,0 m/sec
vu = +0,5. . .+2,0 m/sec
na = +3. . .+10 U/min
ni = -10. . .-26 U/min
P = 0,10. . .0,25 bar
Unter diesen Bedingungen ergaben sich Silicium-Abtragsraten
zwischen 0,4 und 2,0 µm/min. Bevorzugt im Rahmen der Erfindung
sind Abtragsraten zwischen 0,65 und 1,8 µm/min um ausreichend
hohe Maschinendurchsätze zu gewährleisten; besonders bevorzugt
sind Abtragsraten zwischen 0,8 und 1,5 µm/min.
Ein theoretischer Ansatz zum Verständnis des Polierens, der
gleichermaßen auch auf jedes andere Material abtragende Verfah
ren anwendbar sein sollte, besagt, dass die Abtragsrate propor
tional zum Polierdruck P und zur Relativgeschwindigkeit Siliciumscheibe/Poliertuch
v sein sollte (Preston-Gleichung). Demnach
sollte es möglich sein, die Abtragsrate bei konstanten Rotati
onsverhältnissen durch Erhöhung des Drucks zu erhöhen oder bei
gleicher Relativgeschwindigkeit, aber einer unterschiedlichen
Kombination von Rotationsparametern zum gleichen Polierergebnis
zu gelangen.
Insbesondere bei doppelseitig arbeitenden Verfahren, beispiels
weise der doppelseitigen Politur, ist diese Gleichung nur be
dingt anwendbar, da Steigerungen der Abtragsrate durch Erhöhung
von P und/oder vo/vu oft mit einer Verschlechterung der Eben
heit, ausgedrückt beispielsweise als SFQRmax, oder einer Erhö
hung der Kratzerrate, beispielsweise durch Materialablagerung
auf den Poliertüchern, einhergehen. Daher wurden im Rahmen der
Erfindung optimale Kombinationen von Bahnkurven und Drücken
gesucht.
Es zeigte sich unter Anwendung der Gleichungen (20), (21) und
(23), dass durch verschiedene Kombinationen der Parameter no,
nu, na und ni die unterschiedlichsten Bahnkurven des Punkte P
relativ zum oberen beziehungsweise unteren Poliertuch sowie
verschiedene Relativgeschwindigkeiten erzeugt werden können.
Einige Beispiele sind in den Fig. 4 bis 9 abgebildet. Prin
zipiell kann man zwischen so genannten offenen Bahnkurven (
Fig. 4 sowie 7 bis 9) und nach nur wenigen Schlaufen geschlos
senen Bahnkurven (Fig. 5 und 6) unterscheiden. Bei den offe
nen Bahnkurven wiederum kann man zwischen Kurven mit relativ
schwach ausgeprägten Krümmungen (Fig. 7 bis 9) und starken
Krümmungen (Fig. 4 rechts) unterscheiden.
Geschlossene Bahnkurven tauchen bei Variation der Drehzahlen in
den angegebenen Bereichen periodisch auf. Beispielsweise für na
= 5,4 U/min und ni = -16 U/min findet man sie im Bereich von
folgenden Tellerdrehzahlen:
Doppelschlaufe: no = 25,69 U/min und nu = -23,96 U/min
3er-Schlaufe: no = 19,48 U/min und nu = -17,75 U/min
4er-Schlaufe: no = 17,41 U/min und nu = -15,69 U/min
5er-Schlaufe: no = 16,38 U/min und nu = -14,65 U/min
6er-Schlaufe: no = 15,76 U/min und nu = -14,03 U/min
einfache Schlaufe: no = 13,28 U/min und nu = -11,55 U/min
3er-Rosette: no = 10,17 U/min
Doppelschlaufe: no = 25,69 U/min und nu = -23,96 U/min
3er-Schlaufe: no = 19,48 U/min und nu = -17,75 U/min
4er-Schlaufe: no = 17,41 U/min und nu = -15,69 U/min
5er-Schlaufe: no = 16,38 U/min und nu = -14,65 U/min
6er-Schlaufe: no = 15,76 U/min und nu = -14,03 U/min
einfache Schlaufe: no = 13,28 U/min und nu = -11,55 U/min
3er-Rosette: no = 10,17 U/min
Einfache Schlaufen sind in Fig. 5 abgebildet, 3er- und 4er-
Schlaufen in Fig. 6.
Die Bewegung der Siliciumscheiben relativ zum oberen und unte
ren Poliertuch, ausgedrückt durch die Bewegung des Punktes P →
P", auf geschlossenen Bahnkurven hat eine ungleichmäßige Bean
spruchung des Poliertuchs zur Folge. Zum einen relaxiert das
Tuch auf diesen Bahnen nach der Kompression während des Polier
vorgangs nicht ausreichend, bevor es mit den nächsten Silicium
scheibe überstrichen wird, was zu Lasten der erzielbaren Eben
heit der Scheibe geht. Zum anderen findet auf den Bahnen höchs
ter Belastung eine bevorzugte Ablagerung von abpoliertem Sili
cium oder seiner Reaktionsprodukte statt, was der Fachmann an
sinkenden Abtragsraten und teilweise an der Bildung von braunen
Streifen auf dem Poliertuch erkennt, die in verkratzten Ober
flächen der Siliciumscheiben mündet. Diese Effekte kommen vor
allem dann zum Tragen, wenn zwecks Erzielung höherer Abtragsra
ten eine Steigerung des Polierdrucks von beispielsweise 0,10
bis 0,15 bar auf 0,18 bis 0,25 bar durchgeführt wird.
Im Rahmen der Untersuchungen zur Erzielung der Erfindung haben
wir festgestellt, dass eine Erhöhung des Polierdrucks ohne nen
nenswerten negativen Einfluss auf Geometrie und Polierkratzer
dann erzielt wird, wenn geschlossene Bahnkurven, wie in den
Fig. 5 und 6 abgebildet, oder nahezu geschlossene Bahnkurven
vermieden werden, deren Schlaufenanzahl bei gleich oder kleiner
sechs liegt. Dies gelingt, indem beispielsweise für den Fall
der Kranzdrehzahlen na = 5,4 U/min und ni = -16 U/min der Be
reich (das heißt ±0,1 bis ±0,25 U/min) der weiter oben ange
gebenen Drehzahlen no und nu für den oberen und unteren Polier
teller vermieden werden. Für modifizierte Kombinationen für die
Kranzdrehzahlen na und ni verschieben sich die kritischen Werte,
wobei in der Regel mit denselben Bahnfiguren zu rechnen ist.
Diese Forderung, kritische Bahnkurven zu vermeiden, ist in den
in den Fig. 7 bis 9 abgebildeten Bahnkurven erfüllt.
Geschlossene oder nahezu geschlossene Bahnkurven mit Schlaufen
zahlen größer als sechs bedeuten de facto eine gleichmäßige Be
deckung der Poliertücher und sind im Rahmen der Erfindung un
kritisch.
Eine zweite Bedingung, die für die Erfindung relevant ist, be
trifft die im Verlauf einer Bahnkurve auftretenden Krümmungs
radien. Wir fanden heraus, dass abrupte Richtungswechsel der
Bahnkurve in Verbindung mit der an dieser Stelle stattfindenden
Abbremsung der Relativbewegung insbesondere für die Erzielung
hinreichend hoher Ebenheiten der Siliciumscheibe von Nachteil
sind, insbesondere wenn die genannte Steigerung des Polier
drucks von beispielsweise 0,10 bis 0,15 bar auf 0,18 bis 0,25 bar
durchgeführt wird. Bei Fahrweisen an der oberen Grenze des
Druckbereiches kann es vorkommen, dass Siliciumscheiben durch
Verkippung aus den Läuferscheiben gezogen werden, was unver
meidlich zum Bruch führt, wobei in der Regel nicht nur Silici
umscheiben und Poliertücher, sondern auch der Satz Läuferschei
ben zerstört wird. Ein Beispiel für eine derartige Fahrweise
ist in Fig. 4, Punkt 9 zu erkennen. Derart kritische Krümmungs
radien der Bahnkurven können bei relativ niedrigen Poliertel
lerdrehzahlen (< 10. . .12 U/min) sowie bei im Verhältnis zu den
Tellerdrehzahlen relativ hohen Rotationsgeschwindigkeiten der
Läuferscheiben auftreten.
Daher sind für eine Erhöhung der Abtragsrate beim doppelseiti
gen Polieren, ohne Qualitätsverluste in Kauf nehmen zu müssen,
neben geschlossenen Bahnkurven auch Krümmungsradien der Bahn
kurven zu vermeiden, die niedriger sind als der Krümmungsradius
der inneren Antriebskranzes 5. Es ist selbstverständlich, dass
diese beiden Bedingungen gleichzeitig für die Bahnkurve relativ
zum oberen und zum unteren Polierteller gelten müssen. Im Rah
men der Erfindung ist durch Anwendung der Gleichungen (20) und
(21) eine präzise Vorhersage möglich, welche Bahnkurven beide
genannten Bedingungen erfüllen. Es hat sich gezeigt, dass sich
nur eine gewisse Auswahl der Vielzahl der möglichen Kombinati
onen aus no, nu, na und ni, die den Gegenstand der Erfindung
bildet, aus den genannten Gründen in der betrieblichen Praxis
bewährt.
Mit diesen die Erfindung charakterisierenden Bedingungen ge
lingt die doppelseitige Politur von Siliciumscheiben bei Bahn
geschwindigkeiten vo beziehungsweise vu von ±1,0 bis ±1,8 m/sec
und Drücken von 0,18 bis 0,25 bar mit typischen Abtrags
raten von 0,8 und 1,5 µm/min. Üblich bei Verfahren nach dem
Stand der Technik bei gleichen Rahmenbedingungen sind gemäß der
DE 199 05 737 C2 beispielsweise bei einem Druck von 0,15 bar
eine Abtragsrate von 0,55 µm/min.
Die Erfindung kann genutzt werden, indem von Vorderseite und
Rückseite der Siliciumscheiben gleich viel Material abgetragen
wird. Die gelingt mit einer gewissen Genauigkeit, wenn vo und vu
annähernd gleich gewählt werden. Es kann durch geeignete Wahl
von vo und vu jedoch auch mehr Material von einer Seite, bei
spielsweise von der Vorderseite, entfernt werden, um bei in
Summe möglichst niedrigen Gesamtabträgen eine Entfernung von
gestörten Kristallschichten und sonstiger Oberflächenfehler von
der Vorderseite zu gewährleisten. Selbstverständlich können die
optimierten Bahnkurven auch für den Einsatz von Bürstenscheiben
zur Tuchreinigung oder mit Schleifkörpern belegter Trägerschei
ben zur Tuchkonditionierung verwendet werden, wenn eine Ausfüh
rung dieser Schritte gewünscht wird, um eine gleichmäßige Bear
beitung des oberen und unteren Poliertuchs zu gewährleisten.
Im Rahmen der hinsichtlich der Rotations- und Druckverhältnisse
gemachten Ausführungen wird der doppelseitige Polierschritt ei
ner dem Fachmann bekannten Art und Weise durchgeführt.
Bevorzugt wird mit einem handelsüblichen Polyurethan-Poliertuch
einer Härte von 50 bis 100 (Shore A) poliert, das über eingear
beitete verstärkende Polyesterfasern verfügen kann. Im Falle
der Politur von Siliciumscheiben empfiehlt sich die kontinuier
liche Zuführung eines Poliermittels mit einem pH-Wert von bevorzugt
9,5 bis 12,5 aus bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% SiO2 in Was
ser.
Zur Beendigung des Polierschrittes muss die chemisch sehr reak
tive hydrophobe Scheibenoberfläche passiviert werden. Im Rahmen
der Erfindung erfolgt dies bevorzugt durch Zuführung einer
Flüssigkeit oder nacheinander mehrerer Flüssigkeiten, die einen
oder mehrere filmbildende Stoffe enthalten, mit der Folge einer
vollständigen Benetzung von polierter Vorderseite, Rückseite
und Kante der Siliciumscheiben mit einem Flüssigkeitsfilm, wo
bei im Allgemeinen ein Konzentrationsbereich zwischen 0,01 und
10 Vol-% von filmbildendem Stoff im Stoppmittel sinnvoll ist.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines in einer nachfolgen
den Reinigung entfernbaren Stoffes oder mehrerer Stoffe aus
einer Gruppe von Verbindungen, die ein- oder mehrwertige Alko
hole, Polyalkohole und Tenside umfasst. Eine dasselbe Prinzip
verwirklichende, ebenfalls besonders bevorzugte Ausführungsform
des Stoppvorganges ist die Zuführung eines wässrigen Poliermit
tels auf SiO2-Basis, das einen oder mehrere Stoffe aus den ge
nannten Gruppen von Verbindungen in Anteilen von 0,01 bis 10 Vol-%
enthält.
Die Siliciumscheiben werden nach Beendigung der Zuführung an
Stoppmittel und gegebenenfalls Reinstwasser aus der Polierma
schine entnommen und nach dem Stand der Technik gereinigt und
getrocknet. Es schließt sich eine Bewertung der Siliciumschei
ben hinsichtlich durch den Polierschritt beeinflusster, durch
den Weiterverarbeiter der Scheiben spezifizierter Qualitäts
merkmale nach dem Fachmann bekannten Methoden an. Derartige
Merkmale können beispielsweise lokale Geometriedaten sein, die
auf einem handelsüblichen, nach einem kapazitiven oder opti
schen Prinzip arbeitenden Messinstrument bestimmt werden kön
nen. Weitere bewertete Qualitätsmerkmale können die Vordersei
te, die Rückseite und/oder die Kante der Scheiben betreffende
Eigenschaften sein. Hierbei kommt der visuellen Beurteilung des
Auftretens und Umfanges von Kratzern, Flecken und sonstiger
Abweichungen von der idealen Siliciumoberfläche unter stark
gebündeltem Licht eine hohe Bedeutung zu. Darüber hinaus können
beispielsweise Untersuchungen von Rauigkeit, Topologie und
Metallkontamination auf handelsüblichen Messgeräten sinnvoll
beziehungsweise gefordert sein.
Hinsichtlich dieser zur Scheibencharakterisierung herangezoge
nen Parameter weisen die erfindungsgemäß hergestellten Silici
umscheiben keine Nachteile gegenüber Siliciumscheiben auf, die
nach dem Stand der Technik hergestellt wurden. Sie eignen sich
für die Herstellung von Halbleiterbauelementen mit Linienbrei
ten gleich oder kleiner 0,13 µm; insbesondere werden sehr hohe
lokale Ebenheiten, ausgedrückt beispielsweise als SFQRmax gleich
oder kleiner 0,13 µm, in Verbindung mit kratzerfreien Oberflä
chen erzielt. Auf Grund der mit der Erfindung möglichen Aus
bringungssteigerung der Anlagen durch Optimierung der Bahn
kurven und damit verbundener Steigerung der Abtragsraten zur
gleichzeitig beidseitig Material abtragenden Bearbeitung der
Halbleiterscheiben lassen sie sich allerdings um bis zu 40%
kostengünstiger pro beidseitig Material abtragendem Prozess
schritt beziehungsweise und bis zu 15% kostengünstiger mit
Blick auf die Gesamt-Prozesskette als nach Verfahren gemäß dem
Stand der Technik herstellen, was einen entscheidenden Wettbe
werbsvorteil bedeutet.
Abhängig von ihrer weiteren Bestimmung kann es notwendig sein,
die Scheibenvorderseite einer Oberflächenpolitur zur Erzielung
einer schleierfrei polierter Vorderseite nach dem Stand der
Technik zu unterziehen, beispielsweise mit einem weichen Po
liertuch unter Zuhilfenahme eines alkalischen Poliermittels auf
SiO2-Basis unter Abtrag von 0,1 bis 1 µm Silicium. Falls ge
wünscht, kann an einer beliebigen Stelle der Prozesskette eine
Wärmebehandlung der Siliciumscheibe eingefügt werden, bei
spielsweise um thermische Donatoren zu vernichten, eine Störung
von oberflächennahen Kristallschichten auszuheilen oder eine
gezielte Dotierstoffverarmung herbeizuführen. Eine Reihe wei
terer, für bestimmte Produkte erforderliche Prozessschritte wie
die Aufbringung von Rückseitenbeschichtungen aus Polysilicium,
Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid oder die Aufbringung einer
Epitaxieschicht aus Silicium oder weiteren halbleitenden Materialien
auf die Vorderseite der Siliciumscheibe lässt sich
ebenfalls nach dem Fachmann bekannten Verfahren an den geeigne
ten Stellen in die Prozesskette einbauen. Die Siliciumscheiben
könne außerdem an verschiedenen Stellen der Prozesskette, bei
spielsweise vor dem Ätzen, mit einem eindeutigen Identifizie
rungsmerkmal, beispielsweise einer Lasermarkierung, beauf
schlagt werden.
Vergleichsbeispiele und Beispiele betreffen die doppelseitige
Politur von Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm
im Produktionsmaßstab. Die Siliciumscheiben wurden nach dem
Stand der Technik durch Drahtsägen eines Einkristalls, Kanten
verrunden, beidseitiges sequenzielles Oberflächenschleifen,
Ätzen in einem konzentrierten Salpetersäure/Flusssäure-Gemisch
und Kantenpolieren hergestellt und besaßen eine Dicke von 805 µm.
Mit fünf Läuferscheiben aus rostfreiem Chromstahl der Dicke
770 µm, deren je drei Aussparungen zur Aufnahme der Silicium
scheiben mit PVDF ausgekleidet waren, wurden die Siliciumschei
ben bis zu einer Enddicke von 775 µm poliert. Als Poliertuch
fand ein handelsübliches Polyesterfaser-verstärktes Polyure
thantuch der Härte 74 (Shore A) Verwendung. Das wässrige Po
liermittel enthielt 3 Gew.-% SiO2 und besaß eine pH-Wert von
11,5. Oberer und unterer Polierteller wurden jeweils auf 38°C
temperiert.
Nach Beendigung der Politur wurde unter reduziertem Druck ein
Stoppmittel zugeführt, das 1 Vol-% Glycerin, 1 Vol-% Butanol
und 0,07 Vol-% Tensid enthielt. Nach Reinigung und Trocknung
erfolgte eine visuelle Inspektion unter Hazelicht und eine
Geometriemessung auf einem nach dem kapazitiven Prinzip arbei
tenden Geometriemessgerät. Kriterien zur Weitergabe der so
prozessierten Scheiben war die Abwesenheit von Oberflächen
kratzern sowie eine lokale Ebenheit SFQRmax von 0,12 µm für ein
Flächenraster von 25 mm × 25 mm. Siliciumscheiben, welche diese
Bedingungen nicht erfüllten, wurden nach dem Stand der Technik
unter zusätzlichem Abtrag von 5 µm Halbleitermaterial nachge
arbeitet. Das Geometriemessgerät wurde auch zur Bestimmung der
Dicke der Siliciumscheiben vor und nach der Politur verwendet,
woraus sich die Abtragsrate des Poliervorganges bestimmen
lässt. Die Verteilung des Abtrages auf Vorder- und Rückseite
der Siliciumscheiben wurde durch Testscheiben bestimmt, die
eine Lasermarkierung besaßen, deren Tiefe von und nach der Po
litur mikroskopisch vermessen wurde.
Nachfolgende Tabelle gibt die relevanten Prozessdaten für die
Vergleichsbeispiele 1 bis 3 (= V1 bis V3; entsprechend den
Bahnkurven in der Fig. 4 bis 6) und die Beispiele 1 bis 3 (=
B1 bis B3 entsprechend den Bahnkurven in der Fig. 7 bis 9)
an. Die erfinderische Bedingung (a) für die Bahnkurve bedeutet
die Abwesenheit von geschlossenen oder nahezu geschlossenen
Bahnkurven mit gleich oder kleiner sechs Schlaufen; Bedingung
(b) bedeutet die Abwesenheit von Krümmungsradien gleich oder
kleiner dem Krümmungsradius des inneren Antriebskranzes. Beide
Bedingungen müssen für die Bahnkurven der Siliciumscheiben re
lativ zum oberen und zum unteren Polierteller gelten.
Mit den aufgeführten Prozessbedingungen wurden größere Mengen
an Siliciumscheiben prozessiert. Dabei wurde zunächst bei nied
rigerem Druck poliert und anschließend bei höherem Druck. Für
jede Versuchsreihe wurde ein neues Poliertuch verwendet, um
gleiche Ausgangsbedingungen zu gewährleisten. Die nachfolgende
Tabelle enthält die Ergebnisse hinsichtlich der mittleren Ab
tragsraten und der Scheibenqualität nach der Reinigung. VS =
Vorderseite; RS = Rückseite der Siliciumscheiben. Bei den relativen
Prozesskosten ist eine Nachpolitur nicht spezifika
tionsgerechter Scheiben berücksichtigt.
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Ver
fahren zur doppelseitigen Politur von Siliciumscheiben insbe
sondere bei Verwendung von Polierdrücken von gleich oder größer
als 0,15 bar deutliche Kostenvorteile gegenüber Verfahren nach
dem Stand der Technik aufweist.
Claims (14)
1. Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halb
leiterscheiben (H) mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Halbleiter
scheiben (H) in mittels eines ringförmigen äußeren (6) und eines ringförmigen inneren
(5) Antriebskranzes in Rotation versetzten Läuferscheiben (1) liegen und zwischen zwei
gegenläufig rotierenden Arbeitsscheiben (7) in einer Weise bewegt werden, die sich
durch je eine Bahnkurve eines Punktes (P) der Halbleiterscheiben relativ zur oberen
Arbeitsscheibe und eine Bahnkurve dieses Punktes relativ zur unteren Arbeitsscheibe
beschreiben lässt, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bahnkurven
- a) nach sechs Schlaufen um die Zentrumsachse (M) der Poliermaschine ein noch offe nes Erscheinungsbild besitzen und
- b) an jeder Stelle einen Krümmungsradius aufweisen, der mindestens so groß ist wie der Radius (ri) des inneren Antriebskranzes (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig beidseiti
ge Material abtragende Bearbeitung als doppelseitige Politur zwischen zwei mit Polier
tuch bedeckten Poliertellern unter Abtrag von mindestens 2 µm Halbleitermaterial aus
geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheiben
(H) in mit Kunststoff von im Wesentlichen gleicher Dicke wie die Läuferscheibe (1) aus
gekleideten Aussparungen (3) von mehreren ebenen Läuferscheiben (1) aus Stahl lie
gen, deren mittlere Dicke um 2 bis 20 µm geringer bemessen ist als die mittlere Dicke
der fertig polierten Halbleiterscheiben (H).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab
tragsrate an Halbleitermaterial mindestens 0,65 µm/min beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
mittlere Dicke der Läuferscheiben (1) um 3 bis 10 µm geringer bemessen ist als die
mittlere Dicke der fertig polierten Halbleiterscheiben (H) und der Abtrag an Halblei
termaterial 5 bis 50 µm beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass min
destens drei Halbleiterscheiben (H) gleichzeitig poliert werden und mindestens drei
Läuferscheiben (1) gleichzeitig zum Einsatz kommen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein im
Wesentlichen aus Polyurethan bestehendes unteres und oberes Poliertuch mit einer
Härte von 50 bis 100 (Shore A) zum Einsatz kommt und ein Poliermittel mit einem SiO2-
Feststoffgehalt von 1 bis 5 Gew.-% und einem pH-Wert von 9,5 bis 12,5 kontinuierlich
zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch
Wahl vergleichbarer mittlerer Bahngeschwindigkeiten von Halbleiterscheiben (H) relativ
zum oberen und zum unteren Polierteller (7) von einer Vorderseite und einer Rückseite
annähernd gleich viel Material abgetragen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch
Wahl einer höheren mittleren Bahngeschwindigkeit von Halbleiterscheiben (H) relativ
zum oberen Polierteller (7) verglichen mit der mittleren Bahngeschwindigkeit relativ zum
unteren Polierteller (7) von einer Vorderseite der Halbleiterscheiben (H) mehr Material
abgetragen wird als von einer Rückseite.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig beidsei
tige Material abtragende Bearbeitung als doppelseitiger Läppschritt zwischen zwei
Läppscheiben unter Abtrag von mindestens 10 µm Halbleitermaterial ausgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheiben
(H) in mit Kunststoff ausgekleideten Aussparungen (3) von ebenen Läuferscheiben (1)
aus Stahl liegen und sich unter Zuführung einer Abrasivteilchen enthaltende Suspension
zwischen zwei Läppscheiben aus Stahl mit kanalartigen Vertiefungen bewegen.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass von
einer Vorderseite und einer Rückseite gleich viel Material abgetragen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig beidsei
tige Material abtragende Bearbeitung als doppelseitiger Schleifschritt zwischen zwei mit
Schleifkörpern belegter Arbeitsscheiben (7) unter Abtrag von mindestens 10 µm Halb
leitermaterial ausgeführt wird.
14. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 innerhalb einer
Prozesskette zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silicium mit einer lokalen E
benheit SFQRmax von gleich oder kleiner 0,13 µm, bezogen auf eine Bauelementefläche
von 25 mm × 25 mm.
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TW091114889A TW554485B (en) | 2001-07-05 | 2002-07-04 | Process for material-removing machining of both sides of semiconductor wafers |
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DE10132504A DE10132504C1 (de) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Verfahren zur beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben und seine Verwendung |
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