DE102009051008A1

DE102009051008A1 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE102009051008A1
Application number: DE102009051008A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schwandner; Thomas Buschhardt; Diego Dr. Feijoo; Michael Kerstan; Georg Dr. Pietsch; Günter Schwab
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: SG170662A1; US8685270B2; KR101230112B1; CN102069448B; TWI463555B; KR20110046269A; JP5548583B2; JP2011097055A; DE102009051008B4; US20110097975A1; CN102069448A; TW201118938A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe, umfassend: (a) Kantenverrunden der von einem Kristall abgetrennten Halbleiterscheibe mittels einer Schleifscheibe enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 20,0-60,0 µm; (b) gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung der Halbleiterscheibe zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die Abrasive mit einer mittleren Größe von 5,0-20,0 µm enthält; (c) gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung der Halbleiterscheibe zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die Abrasive mit einer mittleren Größe von 0,5-15,0 µm enthält, wobei die Korngröße kleiner ist als die in Schritt (a) verwendete Korngröße; (d) Kantenverrunden der Halbleiterscheibe mittels einer Schleifscheibe enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 1,0 µm bis zu 20,0 µm, wobei die Korngröße kleiner ist als die in Schritt (a) verwendete Korngröße; (e) Behandlung beider Seiten der Halbleiterscheibe mit einem ätzenden Medium bei einem Materialabtrag von nicht mehr als 1 µm pro Seite der Halbleiterscheibe; (f) Politur wenigstens einer Seite der Halbleiterscheibe mit einem Poliertuch enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 0,1-1,0 µm; (g) Polieren der Kante der Halbleiterscheibe; (h) chemisch-mechanische Politur (CMP) ...

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe.
Gemäß dem Stand der Technik werden Halbleiterscheiben in einer Vielzahl von aufeinander folgenden Prozessschritten hergestellt, die sich allgemein in folgende Gruppen unterteilen lassen:

a) Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial (Kristallziehen);
b) Trennen des Halbleiter-Einkristalls in einzelne Scheiben („Wafering”, „Sägen”);
c) mechanische Bearbeitung der Halbleiterscheiben;
d) chemische Bearbeitung der Halbleiterscheiben;
e) chemo-mechanische Bearbeitung der Halbleiterscheiben;
f) thermische Behandlung der Halbleiterscheiben und/oder epitaktische Beschichtung der Halbleiterscheiben.

Dazu kommt eine Vielzahl an Nebenschritten wie Reinigen, Messen und Verpacken.
Die Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls erfolgt üblicherweise durch Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze (CZ- bzw. „Czochralski”-Verfahren) oder durch Rekristallisation eines Stabes aus polykristallinem Halbleitermaterial (FZ- bzw. „floating zone”-Verfahren).
Als Trennverfahren sind Drahtsägen („multi-wire slicing”, MWS) sowie Innenlochsägen bekannt.
Beim Drahtsägen wird eine Vielzahl von Halbleiterscheiben in einem Arbeitsgang von einem Kristallstück abgetrennt.
Die mechanische Bearbeitung dient der Entfernung von Sägewelligkeiten, dem Abtrag der durch die raueren Sägeprozesse kristallin geschädigten oder vom Sägedraht kontaminierten Oberflächenschichten und vor allem der globalen Einebnung der Halbleiterscheiben. Hier sind Oberflächen-Schleifen (einseitig, doppelseitig) und Läppen bekannt, sowie mechanische Kantenbearbeitungsschritte.
Beim Einseitenschleifen wird die Halbleiterscheibe rückseitig auf einer Unterlage („chuck”) gehalten und vorderseitig von einer Topfschleifscheibe unter Drehung von Unterlage und Schleifscheibe und langsamer radialer Zustellung eingeebnet. Verfahren und Vorrichtungen zum Oberflächenschleifen einer Halbleiterscheibe sind beispielsweise aus der US-3,905,162 sowie der US-5,400,548 oder aus EP-0955126 bekannt. Dabei wird eine Halbleiterscheibe mit ihrer einen Oberfläche auf einem Scheibenhalter festgehalten, während ihre gegenüberliegende Oberfläche mit einer Schleifscheibe bearbeitet wird, indem Scheibenhalter und Schleifscheibe rotieren und gegeneinander gedrückt werden. Dabei wird die Halbleiterscheibe so auf dem Scheibenhalter befestigt, dass ihr Zentrum im Wesentlichen mit dem Rotationszentrum des Scheibenhalters übereinstimmt. Außerdem wird die Schleifscheibe so positioniert, dass das Rotationszentrum der Halbleiterscheibe in einen Arbeitsbereich bzw. den durch Zähne gebildeten Randbereich der Schleifscheibe gelangt. Dadurch kann die gesamte Oberfläche der Halbleiterscheibe ohne jegliche Bewegung in der Schleifebene geschliffen werden.
Beim simultanen Doppelseitenschleifen („double-disk grinding”, DDG) wird die Halbleiterscheibe frei schwimmend zwischen zwei, auf gegenüberliegenden kollinearen Spindeln montierten Schleifscheiben gleichzeitig beidseitig bearbeitet und dabei weitgehend frei von Zwangskräften axial zwischen einem vorder- und rückseitig wirkenden Wasser-(hydrostatisches Prinzip) oder Luftkissen (aerostatisches Prinzip) geführt und radial lose von einem umgebenden dünnen Führungsring oder von einzelnen radialen Speichen am Davonschwimmen gehindert.
Beim Läppen werden die Halbleiterscheiben unter Zuführung einer Abrasivstoffe enthaltenden Suspension (Slurry) zwischen einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe, die meist aus Stahl bestehen und üblicherweise mit Kanälen zur besseren Verteilung des Läppmittels versehen sind, unter einem bestimmten Druck bewegt, wodurch Halbleitermaterial entfernt wird.
DE 103 44 602 A1 und DE 10 2006 032 455 A1 offenbaren Verfahren zum simultanen gleichzeitigen Schleifen beider Seiten mehrerer Halbleiterscheiben mit einem Bewegungsablauf ähnlich dem des Läppens, jedoch dadurch gekennzeichnet, dass Schleifmittel verwendet wird, das fest in Arbeitsschichten („Folien”, „Tücher”) eingebunden ist, die auf die Arbeitsscheiben aufgebracht sind. Ein derartiges Verfahren wird als „Feinschleifen mit Läppkinematik” oder „Planetary Pad Grinding” (PPG) bezeichnet.
Beim PPG verwendete Arbeitsschichten, die auf die beiden Arbeitsscheiben geklebt werden, sind beispielsweise beschrieben in US 6,007,407 A und US 6,599,177 B2 . Während der Bearbeitung sind die Halbleiterscheiben in dünne Führungskäfige, sog. Läuferscheiben, eingelegt, die entsprechende Öffnungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben aufweisen. Die Läuferscheiben besitzen eine Außenverzahnung, die in eine Abwälzvorrichtung aus innerem und äußerem Zahnkranz eingreift und mittels dieser im, zwischen oberer und unterer Arbeitsscheibe gebildeten, Arbeitsspalt bewegt werden.
Die Kante der Halbleiterscheibe einschließlich gegebenenfalls vorhandener mechanischer Markierungen wie einer Orientierungskerbe („notch”) wird üblicherweise auch bearbeitet (Kantenverrunden, „edge-notch-grinding”). Hierzu werden konventionelle Schleifschritte mit profilierten Schleifscheiben oder Bandschleifverfahren mit kontinuierlichem oder periodischem Werkzeugvorschub eingesetzt.
Diese Kantenverrundungsverfahren sind notwendig, da die Kante im unbearbeiteten Zustand besonders bruchempfindlich ist und die Halbleiterscheibe schon durch geringfügige Druck- und/oder Temperaturbelastungen im Kantenbereich beschädigt werden kann.
In einem späteren Bearbeitungsschritt wird die geschliffene und mit einem Ätzmedium behandelte Kante der Scheibe üblicherweise poliert. Dabei wird die Kante einer sich zentrisch drehenden Halbleiterscheibe mit einer bestimmten Kraft (Anpressdruck) gegen eine sich zentrisch drehende Poliertrommel gedrückt. Aus US 5,989,105 ist ein derartiges Verfahren zum Kantenpolieren bekannt, bei dem die Poliertrommel aus einer Aluminium-Legierung besteht und mit einem Poliertuch beaufschlagt ist. Die Halbleiterscheibe ist üblicherweise auf einem flachen Scheibenhalter, einem so genannten Chuck, fixiert. Die Kante der Halbleiterscheibe ragt über den Chuck hinaus, so dass sie für die Poliertrommel frei zugänglich ist.
Die Gruppe der chemischen Bearbeitungsschritte umfasst üblicherweise nasschemische Reinigungs- und/oder Ätzschritte.
Die Gruppe der chemo-mechanischen Bearbeitungsschritte umfasst Polierschritte, mit denen durch teilweise chemische Reaktion und teilweise mechanischen Materialabtrag (Abrasion) die Oberfläche geglättet wird und Restschädigungen der Oberfläche entfernt werden.
Während die einseitig arbeitenden Polierverfahren („single-side polishing”) in der Regel zu schlechteren Planparallelitäten führen, gelingt es mit beidseitig angreifenden Polierverfahren („double-side polishing”), Halbleiterscheiben mit verbesserter Ebenheit herzustellen.
Nach den Schleif-, Reinigungs- und Ätzschritten erfolgt gemäß dem Stand der Technik eine Glättung der Oberfläche der Halbleiterscheiben durch Abtragspolitur. Beim Einseitenpolieren („single-side polishing”, SSP) werden Halbleiterscheiben während der Bearbeitung rückseitig auf einer Trägerplatte mit Kitt, durch Vakuum oder mittels Adhäsion gehalten. Beim Doppelseitenpolieren (DSP) werden Halbleiterscheiben lose in eine dünne Zahnscheibe eingelegt und vorder- und rückseitig simultan „frei schwimmend” zwischen einem oberen und einem unteren, mit einem Poliertuch belegten Polierteller poliert.
Des Weiteren werden die Vorderseiten der Halbleiterscheiben oftmals schleierfrei poliert, beispielsweise mit einem weichen Poliertuch unter Zuhilfenahme eines alkalischen Poliersols. In der Literatur wird dieser Schritt oft als CMP-Politur („chemo-mechanical polishing”) bezeichnet. CMP-Verfahren sind beispielsweise offenbart in US 2002-0077039 sowie in US 2008-0305722 .
Ebenfalls im Stand der Technik bekannt sind die sog. „Fixed Abrasive Polishing”(FAP)-Technologien, bei dem die Siliciumscheibe auf einem Poliertuch poliert wird, das jedoch einen im Poliertuch gebundenen Abrasivstoff enthält („fixed-abrasive pad”). Ein Polierschritt, bei dem ein solches FAP-Poliertuch verwendet wird, wird nachfolgend kurz als FAP-Schritt bezeichnet.
In der WO 99/55491 A1 ist ein zweistufiges Polierverfahren beschrieben, mit einem ersten FAP-Polierschritt und einem nachfolgenden zweiten CMP-Polierschritt. Bei CMP enthält das Poliertuch keinen gebundenen Abrasivstoff. Abrasivstoff wird hier wie bei einem DSP-Schritt in Form einer Suspension zwischen die Siliciumscheibe und das Poliertuch gebracht. Ein solches zweistufiges Polierverfahren wird insbesondere dazu eingesetzt, Kratzer zu beseitigen, die der FAP-Schritt auf der polierten Oberfläche des Substrates hinterlassen hat.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102 007 035 266 A1 beschreibt ein Verfahren zum Polieren eines Substrates aus Siliciummaterial, umfassend zwei Polierschritte vom FAP-Typ, die sich dadurch unterscheiden, dass bei einem Polierschritt eine Poliermittelsuspension, die ungebundenen Abrasivstoff als Feststoff enthält, zwischen das Substrat und das Poliertuch gebracht wird, während beim zweiten Polierschritt an die Stelle der Poliermittelsuspension eine Poliermittellösung tritt, die frei von Feststoffen ist.
Oftmals werden Halbleiterscheiben mit einer epitaktischen Schicht versehen, also mit einer monokristallin aufgewachsenen Schicht mit derselben Kristallorientierung, auf welcher später Halbleiter-Bauelemente aufgebracht werden. Derartige epitaktisch beschichtete bzw. epitaxierte Halbleiterscheiben weisen gegenüber Halbleiterscheiben aus homogenem Material gewisse Vorteile auf, beispielsweise die Verhinderung einer Ladungsumkehr in bipolaren CMOS-Schaltkreisen gefolgt vom Kurzschluss des Bauelementes („Latch-up”-Problem), niedrigere Defektdichten (beispielsweise reduzierte Anzahl an COPs („crystal-originated particles”) sowie die Abwesenheit eines nennenswerten Sauerstoffgehaltes, wodurch ein Kurzschlussrisiko durch Sauerstoffpräzipitate in bauelementerelevanten Bereichen ausgeschlossen werden kann.
Entscheidend ist, wie die zuvor beschriebenen mechanischen und chemo-mechanischen oder rein chemischen Verfahrensschritte in einer Prozesssequenz zur Herstellung einer Halbleiterscheibe angeordnet sind.
Es ist bekannt, dass die Polierschritte wie SSP, DSP und CMP, die Ätzbehandlungen sowie der Epitaxieschritt zu einer Verschlechterung der Ebenheit der Halbleiterscheibe insbesondere im Randbereich führen.
Daher wurden im Stand der Technik Anstrengungen unternommen, den Materialabtrag beim Polieren möglichst gering zu halten, um auch die Verschlechterung der Ebenheit auf ein Minimum zu begrenzen.
In US 5942445 A wird vorgeschlagen, eine Halbleiterscheibe vom Kristall abzutrennen (Sägen), die Kante der Halbleiterscheibe zu verrunden, anschließend einen Schleifschritt durchzuführen, der ein Doppelseitenschleifen und ein Einseitenschleifen von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe umfassen kann, die Halbleiterscheibe einem alkalischen Nassätzen zu unterziehen und schließlich die Halbleiterscheibe mittels DSP zu polieren. Das Doppelseitenschleifen kann auch durch einen Läppschritt ersetzt werden. Nach dem Nassätzen kann auch ein Plasmaätzen erfolgen. Schließlich können die Schleifschritte und dass Nassätzen durch ein Plasmaätzen ersetzt werden.
Die durch dieses Verfahren erhältlichen mittels DSP polierten Halbleiterscheiben weisen aufgrund des Einsatzes nasschemischer Behandlungen sowie des Plasmaunterstützten chemischen Ätzens (PACE) eine unbefriedigende Geometrie im Randbereich auf. Damit sind bestenfalls Halbleiterscheiben mit akzeptablen Ebenheitswerten verfügbar, wenn stets ein Randausschluss von wenigstens 2 mm zugrunde gelegt wird, vgl. ITRS „Roadmap”. Insbesondere die Nanotopologie wird durch Ätzverfahren negativ beeinflusst. Um die Nanotopologie nach dem Ätzschritt zu verbessern, ist bei DSP ein erhöhter Materialabtrag nötig, der jedoch die Geometrie im Randbereich wiederum negativ beeinflusst.
Um Halbleiterscheiben für zukünftige Technologiegenerationen bereitstellen zu können, die den hohen Anforderungen an den Kantenbereich der Halbleiterscheibe genügen, um also beispielsweise auch den äußersten Randbereich der Scheibe den modernen lithographischen Methoden (Immersionslithographie) zugänglich zu machen, sind andere Ansätze nötig.
Aus der beschriebenen Problematik ergab sich die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Prozesssequenz zur Herstellung von Halbleiterscheiben insbesondere mit einem Durchmesser von 450 mm bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe, umfassend:

(a) Verrunden der Kante der von einem Einkristall abgetrennten Halbleiterscheibe mittels einer Schleifscheibe enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 20,0–60,0 μm
(b) gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung der Halbleiterscheibe, die frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheibe zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die Abrasive mit einer mittleren Größe von 5,0–20,0 μm enthält;
(c) gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung der Halbleiterscheibe, die frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheibe zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die Abrasive mit einer mittleren Größe von 0,5–15,0 μm enthält;
(d) Verrunden der Kante der Halbleiterscheibe mittels einer Schleifscheibe enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 1,0–20,0 μm
(e) Behandlung beider Seiten der Halbleiterscheibe mit einem ätzenden Medium bei einem Materialabtrag von nicht mehr als 1 μm pro Seite der Halbleiterscheibe;
(f) Politur wenigstens einer Seite der Halbleiterscheibe mit einem Poliertuch enthaltend Abrasive mit Korngröße 0,1–1,0 μm
(g) Polieren der Kante der Halbleiterscheibe
(h) chemisch-mechanische Politur wenigstens der Vorderseite.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst also in Schritt b) und c) zwei simultan beidseitige Bearbeitungen von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe, von den der erste Schritt ein Grobschleifen und der zweite Schritt ein Feinschleifen vorsieht und bei denen die Halbleiterscheibe ähnlich wie bei Läppen und DSP in der Aussparung einer Läuferscheibe liegt. Daneben sind bezüglich der Bearbeitung der Oberflächen der Halbleiterscheibe wenigstens eine FAP-Politur und wenigstens eine CMP-Politur der Vorderseite der Halbleiterscheibe vorgesehen.
Erfindungsgemäß enthält das Verfahren keinerlei mechanische vollflächige Oberflächenbearbeitung, bei der die Halbleiterscheibe auf ihrer einen Seite mittels eines Scheibenhalters (z. B. Vakuum-Chuck) festgehalten wird, während die andere Seite durch Zustellung einer rotierenden Schleifscheibe bearbeitet wird.
Die Halbleiterscheibe wird in den Schritten (b) und (c) zwangskräftefrei beidseitig simultan und ohne feste Aufspannung auf eine Halterung („Chuck”) der Halbleiterscheibe, also „frei schwimmend”, bearbeitet.
Dies hat den Vorteil, eine Verformung der Halbleiterscheibe bei „Chuckprozessierung” zu vermeiden. Alle abtragsrelevanten Oberflächenbearbeitungsschritte weisen eine Planetenkinematik und eine vollflächige Bearbeitung der Oberflächen der Halbleiterscheibe auf. Diese Verfahren erlauben eine relativ sanfte Änderung der Relativgeschwindigkeiten zwischen Halbleiterscheibe und Arbeitsscheibe sowie eine ausgewogene, gleichförmige Ausnutzung der Arbeitsschichten der Arbeitsscheibe.
Das Verfahren umfasst keinen der im Stand der Technik bekannten Einseitenschleifprozesse („single-side-grinding”, SSG), weder als Grob- noch als Feinschleifen.
Darüber hinaus ist auch das simultane Doppelseitenschleifen (DDG) im erfindungsgemäßen Verfahren nicht vorgesehen.
Die führt zur Vermeidung von Defekten wie dem Schleifnabel im Zentrum der Halbleiterscheibe nach SSG und DDG, den „Ausfeuermarken” bei DDG sowie den Schleifriefen bei SSG, um nur einige zu nennen.
Wie später gezeigt wird, lassen sich auch die Schritte (f) und (h) in einem zweigeteilten Free-Floating-Prozess durchführen, wobei eine herkömmliche Doppelseitenpoliermaschine benutzt wird, wodurch eine simultan gleichzeitige Politur beider Seiten der in einer Läuferscheibe frei schwimmend geführten Halbleiterscheibe ermöglicht wird, die die herkömmliche DSP und CMP kombiniert. Damit erfolgen alle chemisch-mechanischen oder rein mechanischen Oberflächenbearbeitungen zwangskräftefrei beidseitig simultan.
Im Folgenden werden die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und deren bevorzugte Ausführungen im Detail erläutert.
Zunächst wird eine Halbleiterscheibe von einem mittels CZ oder FZ gewachsenen Einkristall aus Halbleitermaterial abgetrennt. Das Abtrennen der Halbleiterscheibe erfolgt vorzugsweise mit einer Drahtsäge. Das Abtrennen der Halbleiterscheibe mittels Drahtsäge erfolgt wie z. B. aus US 4655191 , EP 522 542 A1 , DE 39 42 671 A1 oder EP 433 956 A1 bekannt.
Bei dem gewachsenen Einkristall aus Halbleitermaterial handelt es sich vorzugsweise um einen Einkristall aus Silicium. Bei der Halbleiterscheibe handelt es sich vorzugsweise um eine monokristalline Siliciumscheibe.
Vorzugsweise findet das Verfahren in der angegebenen Reihenfolge gemäß den Schritten (a) bis (h) des erfindungsgemäßen Verfahrens statt. Die Kantenpolitur gemäß Schritt (g) kann vor oder nach Schritt (h) stattfinden. Es ist auch bevorzugt, zwei Kantenpolituren durchzuführen, wobei eine erste Kantenpolitur zwischen Schritt (f) und Schritt (h) und eine zweite Kantenpolitur nach Schritt (h) erfolgt, wobei die zweite Kantenpolitur vorzugsweise mit einem sanft abtragenden Kieselsol erfolgt (Soft-Kantenpolitur).
Schritt (a) – Verrunden der Kante der Halbleiterscheibe mit grobem Schleifmittel
In Schritt (a) wird die Halbleiterscheibe mit einer verrundeten Kante versehen.
Dazu wird die Halbleiterscheibe auf einem sich drehenden Tisch fixiert und mit ihrer Kante gegen die sich ebenfalls drehende Arbeitsfläche eines Bearbeitungswerkzeugs zugestellt. Die dabei eingesetzten Bearbeitungswerkzeuge können als Scheiben ausgebildet sein, die an einer Spindel befestigt sind und Umfangsflächen aufweisen, die als Arbeitsflächen zur Bearbeitung der Kante der Halbleiterscheibe dienen.
Eine dafür geeignete Vorrichtung ist beispielsweise in DE 195 35 616 A1 offenbart.
Vorzugsweise werden die Halbleiterscheiben mit einem zur Mittelebene der Scheibe symmetrischen Profil mit gleichartigen Facetten an der Scheibenvorderseite und der Scheibenrückseite oder aber mit einem asymmetrischen Kantenprofil mit unterschiedlichen Facettenweiten auf Vorder- und Rückseite versehen. Dabei erhält die Kante der Halbleiterscheibe ein Profil, das geometrisch ähnlich zu einem Zielprofil ist.
Vorzugsweise weist die verwendete Schleifscheibe ein Rillenprofil auf. Eine bevorzugte Schleifscheibe ist offenbart in DE 102 006 048 218 A1 .
Die Arbeitsflächen können auch in Form eines Schleiftuchs oder als Schleifband ausgebildet sein.
Das Material abtragende Korn, vorzugsweise Diamant, kann fest in die Arbeitsflächen der Bearbeitungswerkzeuge verankert sein.
Das verwendete Korn weist eine grobe Körnung auf. Nach JIS R 6001:1998 beträgt die Körnung (in Siebgrößen) #240–#800.
Die mittlere Korngröße beträgt 20–60 μm, vorzugsweise 25–40 μm, ganz besonders bevorzugt 25–30 μm oder 30–40 μm.
Schritt (b) – Beidseitige Material abtragende Bearbeitung der von einem Einkristall abgetrennten Halbleiterscheibe mit grobem Schleifmittel
In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beide Seiten der Halbleiterscheibe Material abtragend bearbeitet.
Bei PPG handelt es sich um ein Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält.
Als in den Arbeitsschichten gebundenes Schleifmittel ist ein Hartstoff mit einer Mohs-Härte ≥ 6 bevorzugt. Als Schleifstoffe kommen bevorzugt in Frage Diamant, Siliciumcarbid (SiC), Cerdioxid (CeO₂), Korund (Aluminiumoxid, Al₂O₃), Zirkondioxid (ZrO₂), Bornitrid (BN; kubisches Bornitrid, CBN), ferner Siliciumdioxid (SiO₂), Borcarbid (B₄C) bis hin zu wesentlich weicheren Stoffen wie Bariumcarbonat (BaCO₃), Calciumcarbonat (CaCO₃) oder Magnesiumcarbonat (MgCO₃). Besonders bevorzugt sind jedoch Diamant, Siliciumcarbid (SiC) und Aluminiumoxid (Al₂O₃; Korund).
Die mittlere Korngröße des Schleifmittels liegt bei 5–20 μm, vorzugsweise 5–15 μm und ganz besonders bevorzugt bei 5–10 μm.
Die Schleifpartikel sind bevorzugt einzeln oder als Konglomerate („cluster”) in der Bindungsmatrix der Arbeitsschicht eingebunden. Im Fall einer Konglomeratbindung beziehen sich die als bevorzugt angegebenen Korndurchmesser auf die Primärteilchengröße der Cluster-Konstituenten.
Bevorzugt werden Arbeitsschichten mit keramischer Bindung eingesetzt, besonders bevorzugt ist eine Kunstharzbindung; im Fall von Arbeitsschichten mit Konglomeraten auch ein hybridgebundenes System (keramische Bindung innerhalb der Konglomerate und Kunstharz-Bindung zwischen Konglomeraten und Arbeitsschicht-Matrix).
Vorzugsweise wird während der Bearbeitung die im zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalt herrschende Temperatur konstant gehalten. Zu diesem Zweck können die Läuferscheiben Öffnungen aufweisen, durch die Kühlschmiermittel zwischen unterer und oberer Arbeitsscheibe ausgetauscht werden kann, so dass obere und untere Arbeitsschichten stets gleiche Temperatur aufweisen. Dies wirkt einer unerwünschten Verformung des zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspaltes durch Verformung der Arbeitsschichten bzw. Arbeitsscheiben infolge thermischer Ausdehnung unter Wechsellast entgegen. Außerdem wird die Kühlung der in den Arbeitsschichten eingebundenen Abrasive verbessert und gleichförmiger, und dadurch verlängert sich deren wirksame Lebensdauer.
Vorzugsweise wird die Form des zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalts während des Schleifens bestimmt und die Form der Arbeitsfläche mindestens einer Arbeitsscheibe mechanisch oder thermisch in Abhängigkeit von der gemessenen Geometrie des Arbeitsspalts so verändert, dass der Arbeitsspalt eine vorgegebene Form aufweist.
Vorzugsweise verlassen die Halbleiterscheiben während der Bearbeitung zeitweilig mit einem Teil ihrer Fläche den von den Arbeitsschichten begrenzten Arbeitsspalt, wobei das Maximum des Überlaufs in radialer Richtung mehr als 0% und höchstens 20% des Durchmessers der Halbleiterscheibe beträgt, wobei der Überlauf als die bezogen auf die Arbeitsscheiben in radialer Richtung gemessene Länge definiert ist, um die eine Halbleiterscheibe zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Schleifens über den Innen- oder Außenrand des Arbeitsspalts hinaus steht.
Vorzugweise wird gegen Ende der Bearbeitung ein flüssiges Medium mit einer Viskosität von mindestens 3·10^–3 N/m²·s und höchstens 100·10^–3 N/m²·s über Öffnungen der Läuferscheiben zwischen Arbeitsscheiben und Halbleiterscheiben gebracht. Zumindest während die Arbeitsscheiben von der Halbleiterscheibe entfernt werden, sollte dieses Medium vorhanden sein, wodurch der mechanische Abtrag durch die Arbeitsschichten gedämpft wird. Dadurch lassen sich sonst im Stand der Technik beobachtete Schleifdefekte wie Riefen, Kratzer oder Abhebemarken vermeiden. Dies ist beschrieben in der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2009 048 436.1 , auf die hier in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Als Medium kommen vorzugsweise in Betracht:

• wässrige Mischung enthaltend mehrwertige Alkohole (Glycerin, monomere Glykole, oligomere Glykole, Polyglykole und Polyalkohole)
• wässrige Mischung aus Glycerin, Butanol und einem Tensid
• Suspensionen, wobei die benötigte Viskosität des Mediums durch den Feststoffanteil gewährleistet wird (kolloide Dispersionen aus Siliciumdioxid oder Ceroxid-Partikeln), vorzugsweise je nach Feststoffanteil mit zusätzlichen viskositätserhöhenden Medien (z. B. Alkohole)

Schritt (c) Beidseitige Material abtragende Bearbeitung der von einem Einkristall abgetrennten Halbleiterscheibe mit feinerem Schleifmittel
In Schritt c) erfolgt ebenfalls ein PPG-Schleifen der Halbleiterscheibe, wobei ein Schleiftuch mit feinerer Körnung als in Schritt b) verwendet wird.
Die mittlere Korngröße des Schleifmittels liegt bei 0,5–10 μm, vorzugsweise 0,5–7 μm, besonders bevorzugt 0,5–4 μm und ganz besonders bevorzugt 0,5–2 μm.
Die bevorzugte Anfangsdicke vor der Bearbeitung mit Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt 500 bis 1000 μm. Für Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm ist eine Anfangsdicke von 775 bis 950 μm besonders bevorzugt.
Die Enddicke der Halbleiterscheiben nach Bearbeitung nach Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt bevorzugt 500 bis 950 μm und besonders bevorzugt 775 bis 870 μm.
Der Gesamtabtrag, d. h. die Summe der Einzelabträge von beiden Seiten der Halbleiterscheibe, durch die Schritte (b) und (c) beträgt vorzugsweise 7,5 bis 120 μm und besonders bevorzugt 15 bis 90 μm.
Schritt (d) Kantenverrunden mit feinerem Schleifmittel
In Schritt (d) findet ein zweiter Kantenverrundungsschritt statt. Es wird jedoch ein Schleifwerkzeug mit feinerer Körnung verwendet.
Dazu wird die Halbleiterscheibe wiederum auf einem sich drehenden Tisch fixiert und mit ihrer Kante gegen die sich ebenfalls drehende Arbeitsfläche eines Bearbeitungswerkzeugs zugestellt. Die dabei eingesetzten Bearbeitungswerkzeuge können als Scheiben ausgebildet sein, die an einer Spindel befestigt sind und Umfangsflächen aufweisen, die als Arbeitsflächen zur Bearbeitung der Kante der Halbleiterscheibe dienen.
Die Arbeitsflächen können auch in Form eines Schleiftuchs oder als Schleifband ausgebildet sein.
Das Material abtragende Korn, vorzugsweise Diamant, kann fest in die Arbeitsflächen der Bearbeitungswerkzeuge verankert sein.
Das verwendete Korn weist eine feine Körnung auf. Nach JIS R 6001:1998 sollte die Körnung feiner als #800 sein, vorzugsweise #800–#8000.
Die mittlere Korngröße beträgt 0,5–20 μm, vorzugsweise 0,5–15 μm, besonders bevorzugt 0,5–10 μm und ganz besonders bevorzugt 0,5–5 μm.
Schritt (e) – Ätzen bzw. Reinigen der Halbleiterscheibe
In Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Behandlung beider Seiten der Halbleiterscheibe mit einem ätzenden Medium bei einem Materialabtrag von nicht mehr als 1 μm pro Seite der Halbleiterscheibe.
Der minimale Materialabtrag pro Seite der Halbleiterscheibe beträgt vorzugsweise 1 Monolage, d. h. etwa 0,1 nm.
Vorzugsweise erfolgt eine nasschemische Behandlung der Halbleiterscheibe mit einem sauren Medium.
Als saure Medien eignen sich wässrige Lösungen von Flusssäure, Salpetersäure oder Essigsäure.
Ganz besonders bevorzugt ist es, die Halbleiterscheibe mit einem gasförmigen Medium, enthaltend Fluorwasserstoff und wenigstens ein die Oberfläche der Halbleiterscheibe oxidierendes Oxidationsmittel, zu behandeln. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn das gasförmige Medium die Oberflächen der Halbleiterscheibe mit einer Relativgeschwindigkeit im Bereich von 40 mm/s bis 300 m/s anströmt.
Das gasförmige Medium enthält also Fluorwasserstoff und wenigstens ein Oxidationsmittel. Das Oxidationsmittel muss in der Lage sein, das Halbleitermaterial, z. B. Silicium, zu oxidieren.
Bei der Oxidation einer Siliciumoberfläche entsteht beispielsweise ein Siliciumoxid, bevorzugt Siliciumdioxid. Dieses wiederum wird durch Fluorwasserstoff chemisch angegriffen, wobei als Reaktionsprodukte Hexafluorokieselsäure (H₂SiF₆), Siliciumtetrafluorid (SiF₄) und Wasser entstehen, die durch den Strom des gasförmigen Mediums abgeführt werden. Das gasförmige Medium kann darüber hinaus weitere Bestandteile enthalten, beispielsweise inerte Trägergase wie Stickstoff oder Argon, zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse und Abtragsraten.
Bevorzugt wird wenigstens ein Oxidationsmittel eingesetzt, das aus der Gruppe Stickstoffdioxid, Ozon und Chlor ausgewählt ist. Bei der Verwendung von reinem Chlor ist die Zugabe von Wasserdampf erforderlich, um die Siliciumoberfläche zu oxidieren. Bei Verwendung einer Mischung aus Stickstoffdioxid und Chlor sowie Ozon und Chlor dient die Chlorzugabe dazu, das in der Reaktion von Fluorwasserstoff mit Siliciumdioxid freiwerdende Wasser zur weiteren Oxidation der Siliciumoberfläche zu verwenden, und damit eine Kondensation des in der Reaktion freiwerdenden Wassers auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen zu verhindern. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Ozon wegen seines hohen Oxidationspotentials, der problemlosen Reaktionsprodukte und der einfachen Bereitstellung durch in der Halbleiterindustrie weit verbreitete Ozongeneratoren.
Zur Herstellung des gasförmigen Mediums können die Bestandteile im gewünschten Mengenverhältnis gemischt werden. Typischerweise wird das Verhältnis von Fluorwasserstoff zu Oxidationsmittel im Bereich 1:1 bis 4:1 gewählt. Das gasförmige Medium kann entweder durch direkte Zuleitung der einzelnen Komponenten in die Prozesskammer oder einen davor geschalteten Mischer zugeführt werden, oder indem man das gasförmige Oxidationsmittel durch eine flüssige wässrige Lösung von Fluorwasserstoff geeigneter Konzentration leitet. Dies kann beispielsweise in einer sog. Waschflasche oder einer vergleichbaren Vorrichtung geschehen. Beim Durchtritt des gasförmigen Oxidationsmittels durch die wässrige Lösung wird es mit Wasser und Fluorwasserstoff angereichert, so dass das benötigte gasförmige Medium entsteht.
Bei gleichen Verfahrensparametern und konstantem Verhältnis von Fluorwasserstoff zu Oxidationsmittel zeigen eine Erhöhung der Temperatur sowie eine Erhöhung der Konzentrationen eine reaktionsbeschleunigende Wirkung.
Das Ätzen in der Gasphase dient der Verringerung der Rauhigkeit der Halbleiterscheibe, wodurch der erforderliche Polierabtrag reduziert werden kann, außerdem zum Entfernen von Verunreinigungen und Reduzierung von Oberflächenstörungen der Kristallstruktur.
Die beschriebenen Reinigungs- und Ätzverfahren erfolgen vorzugsweise als Einzelscheibenbehandlung.
Speziell für eine im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugte Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 450 mm eignet sich hierfür das SSEC 3400 ML der Solid State Equipment Corp./USA, das für Substrate bis zu einer Größe von 500 mm × 500 mm ausgelegt ist
Schritt (f) – FAP-Politur wenigstens einer Seite der Halbleiterscheibe
In Schritt (f) wird wenigstens eine Seite der Halbleiterscheibe mit einem Poliertuch enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 0,1–1,0 μm poliert.
Vorzugsweise werden in Schritt (f) Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe simultan gleichzeitig poliert. Dazu eigen sich herkömmliche DSP-Poliermaschinen, wobei die verwendeten Poliertücher Abrasive enthalten.
Vorzugsweise wird in Schritt (f) nur die Vorderseite der Halbleiterscheibe poliert.
Während des Polierschrittes wird vorzugsweise eine Poliermittellösung, die frei von Feststoffen ist, zwischen die zu polierende Seite der Halbleiterscheibe und das Poliertuch gebracht.
Die Poliermittellösung ist im einfachsten Fall Wasser, vorzugsweise deionisiertes Wasser (DIW) mit der für die Verwendung in der Halbleiterindustrie üblichen Reinheit.
Die Poliermittellösung kann aber auch Verbindungen wie Natriumcarbonat (Na₂CO₃), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder beliebige Mischungen davon enthalten. Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung von Kaliumcarbonat. In diesem Fall liegt der pH-Wert der Poliermittellösung vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 12 und der Anteil der genannten Verbindungen in der Poliermittellösung beträgt vorzugsweise 0,01 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,01 bis 0,2 Gew.-%.
Die Poliermittellösung kann darüber hinaus einen oder mehrere weitere Zusätze enthalten, beispielsweise oberflächenaktive Additive wie Netzmittel und Tenside, als Schutzkolloide wirkende Stabilisatoren, Konservierungsmittel, Biozide, Alkohole und Komplexbildner.
Es wird ein Poliertuch verwendet, das einen im Poliertuch gebundenen Abrasivstoff enthält (FAP- oder FA-Tuch bzw. FA-Pad).
Geeignete Abrasivstoffe umfassen beispielsweise Partikel von Oxiden der Elemente Cer, Aluminium, Silicium, Zirkon sowie Partikel von Hartstoffen wie Siliciumcarbid, Bornitrid und Diamant.
Besonders geeignete Poliertücher weisen eine von replizierten Mikrostrukturen geprägte Oberflächentopografie auf. Diese Mikrostrukturen („posts”) haben beispielsweise die Form von Säulen mit einem zylindrischen oder mehreckigen Querschnitt oder die Form von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen.
Nähere Beschreibungen solcher Poliertücher sind beispielsweise in WO 92/13680 A1 und US 2005/227590 A1 enthalten.
Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Poliertuchs mit fest darin gebundenen Abrasiven aus Ceroxid, wie z. B. in US 6602117 B1 beschrieben.
Besonders bevorzugt liegt die mittlere Partikelgröße der Abrasive bei 0,1–0,6 μm.
Ganz besonders bevorzugt ist eine mittlere Partikelgröße von 0,1–0,25 μm.
Für die FA-Politur wird vorzugsweise mit Abträgen von größer oder gleich 1 μm pro Seite gearbeitet, wobei diesbezüglich der Bereich von 1–3 μm besonders bevorzugt wird und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 1,5–2 μm gearbeitet wird.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt (f) eine simultan gleichzeitige Politur der Vorderseite der Halbleiterscheibe mit einem FA-Poliertuch und der Rückseite der Halbleiterscheibe mit einem CMP-Poliertuch. Dazu eignet sich ebenfalls eine herkömmliche DSP-Poliermaschine, wobei ein Polierteller mit einem FA-Poliertuch und der zweite Polierteller mit einem herkömmlichen CMP-Poliertuch beaufschlagt ist.
Schritt (g) – Politur der Kante der Halbleiterscheibe
In Schritt (g) erfolgt eine Politur der Kante der Halbleiterscheibe.
Zur Durchführung von Schritt (g) des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich handelsübliche Kantenpolierautomaten.
Aus US 5,989,105 ist eine solche Vorrichtung zum Kantenpolieren bekannt, bei dem die Poliertrommel aus einer Aluminium-Legierung besteht und mit einem Poliertuch beaufschlagt ist.
Die Halbleiterscheibe ist üblicherweise auf einem flachen Scheibenhalter, einem so genannten Chuck, fixiert. Die Kante der Halbleiterscheibe ragt über den Chuck hinaus, so dass sie für die Poliertrommel frei zugänglich ist. Eine um einen bestimmten Winkel gegen den Chuck geneigte, zentrisch rotierende und mit dem Poliertuch beaufschlagte Poliertrommel und der Chuck mit der Halbleiterscheibe werden einander zugestellt und mit einem bestimmten Anpressdruck unter kontinuierlicher Zuführung des Poliermittels aneinander gepresst.
Bei der Kantenpolitur wird der Chuck mit der darauf gehaltenen Halbleiterscheibe zentrisch rotiert.
Vorzugsweise dauert eine Umdrehung des Chuck 20–300, besonders bevorzugt 50–150 s (Umlaufzeit).
Eine mit dem Poliertuch belegte Poliertrommel, die vorzugsweise mit einer Drehzahl von 300–1500 min^–1, besonders bevorzugt 500–1000 min^–1, zentrisch rotiert wird, und der Chuck werden einander zugestellt, wobei die Poliertrommel unter einem Anstellwinkel gegen die Halbleiterscheibe schräg angestellt und die Halbleiterscheibe so auf dem Chuck fixiert ist, dass sie leicht über diesen hinaus ragt und so für die Poliertrommel zugänglich ist.
Der Anstellwinkel beträgt vorzugsweise 30–50°.
Halbleiterscheibe und Poliertrommel werden mit einem bestimmten Anpressdruck unter kontinuierlicher Zuführung eines Poliermittels, vorzugsweise mit einem Poliermittelfluss von 0,1–1 Liter/min, besonders bevorzugt 0,15–0,40 Liter/min, aneinander gepresst, wobei der Anpressdruck durch an Rollen befestigte Gewichte eingestellt werden kann und vorzugsweise 1–5 kg, besonders bevorzugt 2–4 kg, beträgt.
Vorzugsweise werden nach 2–20, besonders bevorzugt nach 2–8 Umdrehungen der Halbleiterscheibe bzw. des die Halbleiterscheibe haltenden Chuck Poliertrommel und Halbleiterscheibe voneinander entfernt.
Bei diesen üblichen Kantenpolierverfahren wird die lokale Geometrie im Randbereich der Halbleiterscheibe meist negativ beeinflußt. Dies hängt damit zusammen, dass mit den hierbei verwendeten relativ ”weichen Kantenpoliertüchern” (üblicherweise werden relativ weiche und mit Kieselsol beaufschlagte Poliertücher verwendet) nicht nur die Kante selbst, sondern auch noch ein äußerer Teil auf Vorder- und/oder Rückseite der Halbleiterscheibe poliert wird, was durch ein ”Eintauchen” der harten Kante in das mit Poliermittelsuspension beaufschlagte Poliertuch zu erklären ist. Dies führt dazu, dass eben nicht nur im Bereich der eigentlichen Kante abgetragen wird, sondern auch im angrenzenden Bereich auf Vorder- und/oder Rückseite.
Daher erfolgt die Kantenpolitur der Halbleiterscheibe im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt durch Fixieren der Halbleiterscheibe auf einem zentrisch rotierenden Chuck, Zustellen des Halbleiterscheibe und einer gegen den Chuck geneigten, zentrisch rotierenden, mit einem Poliertuch enthaltend fest gebundene Abrasive (FAP-Poliertuch) beaufschlagten Poliertrommel und Aneinanderpressen von Halbleiterscheibe und Poliertrommel unter kontinuierlicher Zuführung einer Poliermittellösung, die keine Feststoffe enthält.
Mittels dieser ist es möglich die Waferkante gezielt zu beeinflussen, ohne den angrenzenden Bereich von Vorder- und/oder Rückseite der Halbleiterscheibe zu beeinträchtigen und somit zum Beispiel die gewünschten Geometrie- und Oberflächeneigenschaften nur auf der Waferkante einzustellen.
Das verwendete FAP-Tuch ist wesentlich härter und weit weniger kompressibel als die standardmäßig verwendeten Poliertücher und bietet zudem den Vorteil den Abtrag ohne alkalisch aufgeladenes Kieselsol – z. B. nur durch Verwendung einer alkalischen Lösung – zu erzeugen, was zudem Poliermittelverschleppung auf die Wafervorderseite und damit die zusätzliche negative Beeinflussung der Waferoberfläche – in Form von z. B. erhöhten Defektraten wie z. B. LLS (localised light scatterers) aufgrund von Anätzungen – vermeidet.
Daneben kann sich auf dem gleichen FAP-Poliertuch ein kurzer Polierschritt mit sanft abtragendem Kieselsol anschließen, um eine Reduzierung der Kantenrauheit und -defektraten zu realisieren.
Die beiden Polierschritte können dann aufeinander abgestimmt werden, so dass sich eine gezielte positive Beeinflussung der Waferkantengeometrie und -oberfläche ohne negative Beeinflussung der Waferpartialsites auf der Wafervorderseite und Waferrückseite vornehmen läßt.
Grundsätzlich wird also die Halbleiterscheibe vorzugsweise mittels einer Poliertrommel, auf deren Oberfläche ein hartes und wenig kompressibles Poliertuch aufgeklebt ist, das fest gebundene Abrasive beinhaltet, unter Zuführung einer alkalischen Lösung poliert.
Vorzugsweise erfolgt anschließend in einem zweiten Schritt auf dem gleichen Poliertuch ein Glättungsschritt unter Zufuhr eines Kieselsols, wie z. B. Glanzox 3900* mit etwa 1 Gew.-% SiO₂.

*Glanzox 3900 ist der Produktname für eine Poliermittelsuspension, die von Fujimi Incorporated, Japan, als Konzentrat angeboten wird. Die Basislösung dieses Konzentrats hat einen pH von 10,5 und enthält ca. 9 Gew.-% kolloidales SiO₂ mit einer mittleren Teilchengröße von 30 bis 40 nm.

Es hat sich gezeigt, dass durch eine solche Kantenpolitur mit einem FAP-Tuch die im Stand der Technik beobachtete Verschlechterung der lokalen Geometrie im Randbereich der Halbleiterscheibe gänzlich vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Poliermittelverschleppungen im abtragenden Schritt der Kantenpolitur und somit das Auftreten von Oberflächendefekten aufgrund von unkontrollierten Anätzungen auf der Waferoberfläche vermieden werden.
Die verwendete Poliermittellösung bei der Kantenpolitur ist im einfachsten Fall Wasser, vorzugsweise deionisiertes Wasser (DIW) mit der für die Verwendung in der Halbleiterindustrie üblichen Reinheit.
Die Poliermittellösung kann aber auch Verbindungen wie Natriumcarbonat (Na₂CO₃), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder beliebige Mischungen davon enthalten.
Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung von Kaliumcarbonat.
Der pH-Wert der Poliermittellösung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 12 und der Anteil der genannten Verbindungen in der Poliermittellösung beträgt vorzugsweise 0,01 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,01 bis 0,2 Gew.-%.
Die Poliermittellösung kann darüber hinaus einen oder mehrere weitere Zusätze enthalten, beispielsweise oberflächenaktive Additive wie Netzmittel und Tenside, als Schutzkolloide wirkende Stabilisatoren, Konservierungsmittel, Biozide, Alkohole und Komplexbildner.
Beim bevorzugten zweiten Schritt der Kantenpolitur wird ein Poliermittel enthaltend Abrasive verwendet. Dieser Schritt findet vorzugsweise nach Schritt (h) statt, wobei die erste Kantenpolitur zwischen Schritt (f) und Schritt (h) erfolgt.
Der Anteil des Abrasivstoffes in der Poliermittelsuspension beträgt vorzugsweise 0,25 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,25 bis 1 Gew.-%.
Die Größenverteilung der Abrasivstoff-Teilchen ist vorzugsweise monomodal ausgeprägt.
Die mittlere Teilchengröße beträgt 5 bis 300 nm, besonders bevorzugt 5 bis 50 nm.
Der Abrasivstoff besteht aus einem das Substratmaterial mechanisch abtragendem Material, vorzugsweise aus einem oder mehreren der Oxide der Elemente Aluminium, Cer oder Silicium.
Besonders bevorzugt ist eine Poliermittelsuspension, die kolloid-disperse Kieselsäure enthält.
Im optionalen zweiten Schritt der Kantenpolitur werden im Gegensatz zum ersten Schritt vorzugsweise keine Zusätze wie Natriumcarbonat (Na₂CO₃), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugesetzt.
Die Poliermittelsuspension kann aber einen oder mehrere weitere Zusätze enthalten, beispielsweise oberflächenaktive Additive wie Netzmittel und Tenside, als Schutzkolloide wirkende Stabilisatoren, Konservierungsmittel, Biozide, Alkohole und Komplexbildner.
Vorzugsweise wird also in Schritt (g) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Poliertuch verwendet, das einen im Poliertuch gebundenen Abrasivstoff enthält (FAP-Tuch bzw. FA-Pad).
Geeignete Abrasivstoffe umfassen beispielsweise Partikel von Oxiden der Elemente Cer, Aluminium, Silicium, Zirkon sowie Partikel von Hartstoffen wie Siliciumcarbid, Bornitrid und Diamant.
Besonders geeignete Poliertücher weisen eine von replizierten Mikrostrukturen geprägte Oberflächentopografie auf. Diese Mikrostrukturen („posts”) haben beispielsweise die Form von Säulen mit einem zylindrischen oder mehreckigen Querschnitt oder die Form von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen.
Die mittlere Partikelgröße des FAP-Poliertuchs beträgt vorzugsweise 0,1–1,0 μm, vorzugsweise 0,1–0,6 μm und besonders bevorzugt 0,1–0,25 μm.
Besonders geeignet zur Durchführung des Verfahrens ist ein Poliertuch mit mehrlagigem Aufbau, umfassend eine Lage enthaltend Abrasive, eine Lage aus einem steifen Kunststoff sowie eine nachgiebige, nicht-gewebte Lage, wobei die Lagen mittels druckempfindlicher Klebeschichten miteinander verbunden sind.
Die Lage aus einem steifen Kunststoff umfasst vorzugsweise Polycarbonat.
Das Poliertuch kann eine zusätzliche Lage aus Polyurethan-Schaum enthalten.
Eine der Lagen des Poliertuchs ist dabei nachgiebig.
Bei der nachgiebigen Lage handelt es sich vorzugsweise um eine nicht-gewebte Schicht.
Die nachgiebige Lage umfasst vorzugsweise Poylesterfasern. Besonders geeignet ist eine Lage aus Polyesterfasern, die mit Polyurethan getränkt sind („non-woven”).
Durch die nachgiebige Lage kann sich die Tuchhöhe anpassen und stetigen Übergängen folgen.
Die nachgiebige Lage entspricht vorzugsweise der untersten Lage des Poliertuchs. Darüber befindet sich vorzugsweise eine Schaumlage z. B. aus Polyurethan, die mittels einer Klebeschicht auf der nachgiebigen Lage befestigt wird. Über dem PU-Schaum befindet sich eine Lage aus einem härteren, steifen Material, vorzugsweise aus einem harten Kunststoff, wozu sich beispielsweise Polycarbonat eignet. Über dieser steifen Lage befindet sich die Schicht mit den Mikroreplikaten, also die eigentliche Fixed Abrasive-Lage.
Die nachgiebige Lage kann sich aber auch zwischen der Schaumschicht und der steifen Lage oder direkt unterhalb der Fixed-Abrasive-Lage befinden.
Die Befestigung der verschiedenen Lagen aneinander erfolgt vorzugsweise mittels druckempfindlicher Klebeschichten (PSA).
Vorzugsweise umfasst das Poliertuch eine Schicht mit den Mikroreplikaten, eine nachgiebige Schicht und eine Lage aus einem steifen Kunststoff wie Polycarbonat, wobei die nachgiebige Schicht entweder die mittlere oder die unterste Lage des Poliertuchs sein kann.
Die Korngrößen der verwendeten mehrlagigen FAP-Poliertücher sind vorzugsweise größer oder gleich 0,1 μm und kleiner oder gleich 1,0 μm, vorzugsweise 0,1–0,6 μm und besonders bevorzugt 0,1–0,25 μm.
Schritte (h) – chemisch-mechanische Politur wenigstens der Vorderseite
In Schritt (h) des Verfahrens erfolgt eine CMP-Politur wenigstens der Vorderseite der Halbleiterscheibe.
Vorzugsweise werden in diesem Schritt beide Seiten der Halbleiterscheibe mittels CMP poliert. Dazu eignet sich eine herkömmliche DSP-Poliermaschine, bei der allerdings statt der herkömmlichen DSP-Abtragspoliertücher weichere CMP-Poliertücher verwendet werden.
Bei den verwendeten CMP-Poliertüchern handelt es sich um Poliertücher mit einer porösen Matrix.
Vorzugsweise besteht das Poliertuch aus einem thermoplastischen oder hitzehärtbaren Polymer. Als Material kommt eine Vielzahl an Werkstoffen in Betracht, z. B. Polyurethane, Polycarbonat, Polyamid, Polyacrylat, Polyester usw.
Vorzugsweise beinhaltet das Poliertuch festes, mikro-poröses Polyurethan.
Bevorzugt ist auch die Verwendung von Poliertüchern aus verschäumten Platten oder Filz- oder Fasersubstraten, die mit Polymeren imprägniert sind.
Beschichtete/Imprägnierte Poliertücher können auch so ausgestaltet sein, dass es im Substrat eine andere Porenverteilung und -größen aufweist als in der Beschichtung.
Die Poliertücher können weitgehend eben oder auch perforiert sein.
Um die Porosität des Poliertuchs zu steuern, können Füllstoffe in das Poliertuch eingebracht sein.
Kommerziell erhältliche Poliertücher sind z. B. das SPM 3100 von Rodel Inc. oder die Tücher der DCP-Serie sowie die Tücher der Marken IC1000^TM, Polytex^TM oder SUBA^TM von Rohm & Hass.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt (h) eine simultan gleichzeitige Politur der Rückseite der Halbleiterscheibe mit einem FA-Poliertuch, also einem Poliertuchs mit fest gebundenen Abrasiven, und der Vorderseite der Halbleiterscheibe mit einem CMP-Poliertuch (ohne Abrasiv). Dazu eignet sich ebenfalls eine herkömmliche DSP-Poliermaschine, z. B. eine Maschine des Typs AC2000 von Fa. Peter Wolters, Rendsburg (Deutschland), wobei ein Polierteller mit einem FA-Poliertuch und der zweite Polierteller mit einem herkömmlichen CMP-Poliertuch beaufschlagt ist.
In diesem Fall sehen die Schritte (f) und (h) einen kombinierten simultanen Doppelseitenpolierprozesses vor, indem simultan eine FAP-Politur und eine CMP-Politur eimal an Vorderseite/Rückseite und anschließend an Rückseite/Vorderseite stattfinden.
Auf den herkömmlichen DSP-Schritt und den nachfolgenden separaten CMP-Schritt wird verzichtet.
Die Poliermaschine AC2000 von Fa. Peter Wolters, Rendsburg (Deutschland), ist ausgestattet mit einer Stiftverzahnung des äußeren und inneren Kranzes zum Antrieb der Läuferscheiben. Die Anlage kann für eine oder mehrere Läuferscheiben ausgelegt sein. Wegen des höheren Durchsatzes ist eine Anlage für mehrere Läuferscheiben bevorzugt, wie sie beispielsweise in der DE-100 07 390 A1 beschrieben ist und bei der sich die Läuferscheiben auf einer Planetenbahn um das Anlagenzentrum bewegen. Zur Anlage gehören ein unterer und ein oberer Polierteller, die horizontal frei drehbar und mit Poliertuch bedeckt sind. Während der Politur befinden sich die Halbleiterscheiben in den Aussparungen der Läuferscheiben und zwischen den beiden Poliertellern, die sich drehen und einen bestimmten Polierdruck auf sie ausüben, während ein Poliermittel kontinuierlich zugeführt wird. Dabei werden auch die Läuferscheiben in Bewegung versetzt, vorzugsweise über sich drehende Stiftkränze, die in Zähne am Umfang der Läuferscheiben eingreifen.
Eine typische Läuferscheibe umfasst Aussparungen zur Aufnahme von drei Halbeiterscheiben. Am Umfang der Aussparungen befinden sich Einlagen, die die bruchempfindlichen Kanten der Halbleiterscheiben schützen sollen, insbesondere auch vor einer Freisetzung von Metallen vom Läuferscheibenkörper. Der Läuferscheibenkörper kann beispielsweise aus Metall, Keramik, Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff oder aus Metall bestehen, das mit Kunststoff oder mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht („diamond like carbon”, DLC-Schicht) beschichtet ist. Bevorzugt sind jedoch Stähle, besonders bevorzugt rostfreier Chromstahl. Die Aussparungen sind vorzugsweise für die Aufnahme einer ungeraden Anzahl von Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm, vorzugsweise 300 mm, ganz besonders bevorzugt 450 mm und Dicken von 500 bis 1000 μm ausgelegt.
Bei der kombinierten simultanen Doppelseitenpolitur (FAP + CMP) wird eine Poliermittelsuspension zugeführt, die Abrasive enthält.
Die Größenverteilung der Abrasivstoff-Teilchen ist vorzugsweise monomodal ausgeprägt.
Die mittlere Teilchengröße beträgt 5 bis 300 nm, besonders bevorzugt 5 bis 50 nm.
Der Abrasivstoff besteht aus einem das Substratmaterial mechanisch abtragendem Material, vorzugsweise aus einem oder mehreren der Oxide der Elemente Aluminium, Cer oder Silicium.
Der Anteil des Abrasivstoffes in der Poliermittelsuspension beträgt vorzugsweise 0,25 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,25 bis 1 Gew.-%.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von kolloid-disperser Kieselsäure als Poliermittelsuspension.
Zum Einsatz kommen beispielsweise die wässrigen Poliermittel Levasil^® 200 von der Fa. Bayer AG sowie Glanzox 3900^® von der Fa. Fujimi.
Vorzugsweise enthält das Poliermittel Zusätze wie Natriumcarbonat (Na₂CO₃), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).
Die Poliermittelsuspension kann aber einen oder mehrere weitere Zusätze enthalten, beispielsweise oberflächenaktive Additive wie Netzmittel und Tenside, als Schutzkolloide wirkende Stabilisatoren, Konservierungsmittel, Biozide, Alkohole und Komplexbildner.
Das verwendete FAP-Poliertuch weist vorzugsweise die unter (f) beschriebenen Eigenschaften auf.
Vorzugsweise erfolgt nach Schritt (h) eine erneute Kantenpolitur, ganz besonders bevorzugt als Feinpolitur mit einem weicheren Poliertuch als in Schritt (g) oder mit einem Poliertuch, das noch feinere Abrasive umfasst als das in Schritt (g) beschriebene FA-Poliertuch.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen
Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungsformen A–E des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die verwendeten Abkürzungen PPG, DDG, FAP und CMP wurden zuvor erläutert. Die Endung_grob bedeutet, dass Schleifmittel (Schleifscheibe, Arbeitsschichten) mit grober Körnung verwendet werden, während bei Schritten mit der Endung_fein Schleifmittel mit feinerer Körnung zum Einsatz kommt. Die beim Kantenverrunden und bei PPG benutzen Schleifmittel und die bevorzugten Korngrößen wurden zuvor erläutert. Kantenpolieren_fein bezeichnet eine Soft-Kantenpolitur mit sanft abtragendem Kieselsol.
A

Abtrennen einer Scheibe vom Einkristall – Kantenverrunden_grob – PPG_grob – PPG_fein – Kantenverrunden_fein – Ätzen – FAP von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe – Kantenpolieren – CMP der Vorderseite

B

Abtrennen einer Scheibe vom Einkristall – Kantenverrunden_grob – PPG_grob – PPG_fein – Kantenverrunden_fein – Ätzen – FAP von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe – Kantenpolieren – CMP von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe

C

Abtrennen einer Scheibe vom Einkristall – Kantenverrunden_grob – PPG_grob – PPG_fein – Kantenverrunden_fein – Ätzen – FAP der Vorderseite und gleichzeitig CMP der Rückseite – FAP Rückseite und gleichzeitig CMP der Vorderseite – Kantenpolieren

D

Abtrennen einer Scheibe vom Einkristall – Kantenverrunden_grob – PPG_grob – PPG_fein – Kantenverrunden_fein – Ätzen – – FAP der Vorderseite und gleichzeitig CMP der Rückseite – Kantenpolieren – FAP Rückseite und gleichzeitig CMP Vorderseite – Kantenpolieren_fein

E

Abtrennen einer Scheibe vom Einkristall – Kantenverrunden_grob – PPG_grob – PPG_fein – Kantenverrunden_fein – Ätzen – FAP der Vorderseite und gleichzeitig CMP der Rückseite – Kantenpolieren – FAP Rückseite und gleichzeitig CMP Vorderseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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DE 10007390 A1 [0167]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS R 6001:1998 [0052]
JIS R 6001:1998 [0074]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe, umfassend: (a) Verrunden der Kante der von einem Einkristall abgetrennten Halbleiterscheibe mittels einer Schleifscheibe enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 20,0–60,0 μm; (b) gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung der Halbleiterscheibe, die frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die Abrasive mit einer mittleren Größe von 5,0–20,0 μm enthält; (c) gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung der Halbleiterscheibe, die frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die Abrasive mit einer mittleren Größe von 0,5–15,0 μm enthält, wobei die Korngröße kleiner ist als die in Schritt a) verwendete Korngröße; (d) Verrunden der Kante der Halbleiterscheibe mittels einer Schleifscheibe enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 1,0 μm bis zu 20,0 μm, wobei die Korngröße kleiner ist als die in Schritt a) verwendete Korngröße; (e) Behandlung beider Seiten der Halbleiterscheibe mit einem ätzenden Medium bei einem Materialabtrag von nicht mehr als 1 μm pro Seite der Halbleiterscheibe; (f) Politur wenigstens einer Seite der Halbleiterscheibe mit einem Poliertuch enthaltend Abrasive mit einer mittleren Korngröße von 0,1–1,0 μm (g) Polieren der Kante der Halbleiterscheibe (h) chemisch-mechanische Politur (CMP) wenigstens der Vorderseite.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (f) die Vorderseite der Halbleiterscheibe unter Verwendung eines Poliertuchs mit fest gebundenen Abrasiven mit einer mittleren Korngröße von 0,1–1,0 μm und gleichzeitig die Rückseite der Halbleiterscheibe mittels CMP poliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt (h) simultan gleichzeitig mit der CMP-Politur der Vorderseite die Rückseite der Halbleiterscheibe mit einem Poliertuch, das fest gebundene Abrasive beinhaltet, poliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das in Schritt (f) verwendete Poliertuch Abrasivpartikel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid, Bornitrid, Diamant und Oxiden der Elemente Cer, Aluminium, Silicium, Zirkon, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Schritt (e) der Materialabtrag pro Seite der Halbleiterscheibe wenigstens 0,1 nm und höchstens 1 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt (g) die Kante einer sich zentrisch drehenden Halbleiterscheibe mit einer bestimmten Kraft gegen eine sich zentrisch drehende Poliertrommel gedrückt wird, wobei die Poliertrommel mit einem Poliertuch, enthaltend fest gebundene Abrasive, beaufschlagt ist und kontinuierlich eine Poliermittellösung, die keine Feststoffe enthält, zugeführt wird, wobei das verwendete Poliertuch Abrasivpartikel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid, Bornitrid, Diamant und Oxiden der Elemente Cer, Aluminium, Silicium, Zirkon, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in Schritt a) die mittlere Korngröße der Schleifscheibe 25–30 μm oder 30–40 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in Schritt b) die Abrasive der Arbeitsschicht eine mittlere Korngröße von 5–10 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in Schritt c) die Abrasive der Arbeitsschicht eine mittlere Korngröße von 0,5–4 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in Schritt a) die mittlere Korngröße der Schleifscheibe 0,5–10 μm beträgt.