用于對半導體晶圓進行等離子體切片的方法和設備的制造方法
【專利說明】用于對半導體晶圓進行等離子體切片的方法和設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請與2011年3月14日提交的、發(fā)明名稱為“Apparatus for Plasma Dicing aSem1-conductor Wafer(用于對半導體晶圓進行等離子體切片的設備)”的共同擁有的美國臨時專利申請N0.61/452，450有關并要求其優(yōu)先權，該臨時專利申請以引用的方式并入本文。本申請是2012年3月5日提交的、發(fā)明名稱為“Method and Apparatus for PlasmaDicing a Sem1-conductor Wafer(用于對半導體晶圓進行等離子體切片的方法和設備)”的共同待決專利申請N0.13/412，119的部分繼續(xù)申請，該共同待決專利申請的內(nèi)容被并入本文。
技術領域
[0003]本發(fā)明涉及用于從半導體晶圓形成單獨器件芯片的設備的使用，尤其涉及使用等離子體蝕刻將晶圓分離為單獨裸片的設備。
【背景技術】
[0004]半導體器件被制造在薄晶圓形式的襯底上。硅通常用作襯底材料，但也使用其它材料，例如II1-V族化合物(例如GaAs和InP)。在一些情形中(例如，LED的制造)，該襯底是藍寶石或碳化硅晶圓，其上沉積有一層薄的半導體材料。這種襯底的直徑在2英寸和3英寸到200mm、300mm和450mm的范圍內(nèi)變化，且存在許多標準(例如SEMI)來描述這種襯底的尺寸。
[0005]等離子體蝕刻設備廣泛用于處理這些襯底以產(chǎn)生半導體器件。這種設備通常包括真空室，該真空室配備有諸如電感耦合等離子體(ICP)的高密度等離子體源，其用于確保高的蝕刻速率，這是成本有效的制造所需的。為了移除在處理期間產(chǎn)生的熱量，襯底通常被夾持到溫度控制的支撐件。加壓流體(通常是諸如氦氣的氣體)被維持在襯底與支撐件之間，以提供用于熱傳遞的導熱路徑?？墒褂脤⑾蛳碌牧κ┘拥揭r底頂側的機械夾持機構，但由于夾具和襯底之間的接觸，這可能會導致污染。當使用機械夾具時，由于接觸通常發(fā)生在工件的邊緣處且加壓流體在工件的背面上施加力，也可能發(fā)生工件的拱形彎曲(bowing)。更常見的是，使用靜電吸盤(ESC)來提供夾持力。
[0006]已開發(fā)了適用于待蝕刻材料的許多氣體化學制劑。這些氣體化學制劑經(jīng)常采用鹵素(氟、氯、溴或碘)或添加了額外氣體的含鹵素氣體，以提高蝕刻的質量(例如，蝕刻各向異性、掩膜選擇性和蝕刻均勻性)。諸如SF6、F2SNF3的含氟氣體用于在高的速率下蝕刻硅。特別地，使高速率硅蝕刻步驟和鈍化步驟交替進行以控制蝕刻側壁的工藝(Bosch或TDM)通常用于將深的特征蝕刻到硅中。含有氯和溴的氣體通常用于蝕刻II1-V族材料。
[0007]等離子體蝕刻不限于半導體襯底和器件。該技術可適用于其中用于蝕刻襯底的適當氣體化學制劑可用的任何襯底類型。其它襯底類型可包括含碳襯底(包括聚合物襯底)、陶瓷襯底(例如，AlTiC和藍寶石)、金屬襯底、玻璃襯底和裸片貼附膜。
[0008]為了確保結果一致、破損率低且易于操作，通常在制造過程中使用機器人晶圓處理。處理裝置被設計成以最小的接觸支撐晶圓，以使可能的污染最小并減少顆粒的產(chǎn)生。通常僅采用邊緣接觸，或者，采用僅在接近晶圓邊緣的數(shù)個位置處(通常在晶圓邊緣的3-6_內(nèi))的底側接觸(underside contact)。處理方案被設計成處理如上所述的標準晶圓尺寸，該處理方案包括晶圓盒、機器人臂、和處于處理室內(nèi)的固定裝置(包括晶圓支撐件和ESC)。
[0009]在襯底上制造之后，各個器件(裸片或芯片)在封裝或用于其它電子電路中之前被彼此分離。多年來，一直使用機械手段來使裸片彼此分離。這樣的機械手段包括沿著與襯底晶體軸線對準的劃割線(scribe line)來切斷晶圓，或者使用高速金剛石鋸在裸片之間的區(qū)域(格線)內(nèi)鋸入襯底中或鋸穿襯底。最近，已使用激光來促進該劃割工藝。
[0010]這種機械式晶圓切片技術的局限性會影響此方法的成本效益。沿著裸片邊緣的碎肩和破裂會減少所制造的良好裸片的數(shù)目，且隨著晶圓厚度的減小而變得更成問題。由鋸條消耗掉的區(qū)域(鋸縫)可能大于100微米，而這是不可用于裸片制造的有價值區(qū)域。對于包含小裸片(例如，具有500微米X500微米的裸片尺寸的單獨半導體器件)的晶圓來說，這可能代表著大于20%的損失。另外，對于具有許多小裸片且因此具有許多格線(streets)的晶圓來說，由于每個格線被單獨地切割，切片時間增加了，且生產(chǎn)率也降低了。機械手段也局限于沿著直線的分離以及正方形芯片或長方形芯片的制造。這可能不代表底層的器件布局結構(例如，高功率二極管是圓的)，因此，直線的裸片形式導致可用襯底區(qū)域的顯著損失。激光切片的局限性還在于:會在裸片表面上留下殘余材料或將應力引入到裸片中。
[0011]重要的是，注意到鋸切技術和激光切片技術本質上是串行的操作。因此，隨著器件尺寸減小，對晶圓進行切片的時間與晶圓上的總切片格線長度成比例地增加。
[0012]近來，已提出了等離子體蝕刻技術，作為將裸片分離并克服這些局限性中的一些局限性的手段。在器件制造之后，用適當?shù)难谀げ牧蠈σr底進行遮蓋，從而在裸片之間留下開放的區(qū)域。然后，使用反應氣體等離子體來處理被遮蓋的襯底，該反應氣體等離子體蝕刻在裸片之間暴露的襯底材料。對襯底的等離子體蝕刻可部分地或完全貫穿襯底來進行。在部分等離子體蝕刻的情況下，通過隨后的切割步驟來分離裸片，從而留下彼此分開的單獨裸片。該技術相比于機械式切片具有多種益處:
[0013]1)減少了破裂和碎肩；
[0014]2)鋸縫尺寸能夠減小到遠低于20微米；
[0015]3)處理時間不隨著裸片數(shù)目的增加而顯著增加；
[0016]4)對于更薄的晶圓減少了處理時間；和
[0017]5)裸片的布局結構不限于直線形式。
[0018]在器件制造之后但在裸片分離之前，可通過機械研磨或類似工藝使襯底減薄到幾百微米、甚至小于一百微米的厚度。
[0019]在切片工藝之前，襯底通常被安裝在切片固定裝置上。該固定裝置通常包括支撐粘性膜的剛性框架。待切片的襯底被粘附到該膜。該固定裝置固持所述彼此分開的裸片以用于后續(xù)的下游操作。用于晶圓切片的大部分工具(基于鋸或激光的工具)被設計成以這種構造處理襯底，并且已建立了許多種標準的固定裝置;然而，這樣的固定裝置與它們所支撐的襯底截然不同。盡管這種固定裝置被優(yōu)化以用在當前的晶圓切片設備中，但它們不能在已設計成處理標準襯底的設備中被處理。因此，當前的自動化等離子體蝕刻設備不適合處理為了切片而被固定的襯底，且難以實現(xiàn)等離子體蝕刻技術在裸片分離方面應有的益處。
[0020]一些團體已考慮使用等離子體從晶圓襯底形成單獨的裸片。美國專利6，642，127描述了一種等離子體切片技術，其中，在設計成處理硅晶圓的設備中進行等離子體處理之前，襯底晶圓首先經(jīng)由粘附材料附接到載體晶圓。該技術提出了將待切片的襯底的形狀尺寸參數(shù)(form factor)調(diào)適為與標準的晶圓處理設備相匹配。盡管該技術允許標準的等離子體設備對晶圓進行切片，但所提出的這種技術將不與該切片操作下游的標準設備相匹配。將需要額外的步驟，以適應下游設備或針對下游的標準設備而恢復襯底的形狀尺寸參數(shù)。
[0021 ]美國專利申請2010/0048001考慮使用被粘附到薄膜并支撐在框架內(nèi)的晶圓。然而，在2010/0048001申請中，掩膜工藝是通過在等離子體處理之前將掩膜材料粘附到晶圓的背面并使用激光形成蝕刻格線來實現(xiàn)的。與從正面對襯底進行單體化(singulate)的標準切片技術相比，該技術引入了額外的復雜且昂貴的步驟，這可能抵消等離子體切片的某些優(yōu)點。它還需要另外將背面的掩膜與正面的器件圖案對準。
[0022]因此，需要一種等離子體蝕刻設備，它能夠用于將半導體襯底切片成單獨的裸片，它與所建立的對安裝在帶上并支撐在框架中的襯底進行處理的晶圓切片技術相匹配，并且也與標準的正面掩膜技術相匹配。
[0023]現(xiàn)有技術完全沒有提供本發(fā)明所帶來的益處。
[0024]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進，該改進克服了現(xiàn)有技術器件的不足，且對使用等離子體蝕刻設備進行半導體襯底切片的進步有重大貢獻。
[0025]本發(fā)明的另一目的是提供一種用于對襯底進行等離子體處理的方法，該方法包括:提供具有壁的處理室;鄰近處理室的所述壁提供等離子體源;在處理室內(nèi)提供工件支撐件;將工件裝載到所述工件支撐件上，所述工件具有支撐膜、框架和襯底;在襯底上提供至少兩個切割區(qū)域，所述切割區(qū)域位于所述襯底上的所有相鄰的器件結構之間；使用等離子體源產(chǎn)生等離子體;以及，使用所產(chǎn)生的等離子體處理所述工件。
[0026]本發(fā)明的又一目的是提供一種用于對襯底進行等離子體處理的方法，所述方法包括:提供具有壁的處理室;提供與所述處理室的壁相鄰的等離子體源;在所述處理室內(nèi)提供工件支撐件;將工件加載到所述工件支撐件上，所述工件具有支撐膜、框架和所述襯底;在所述襯底上提供至少一個器件結構，所述器件結構的整個周界與所述襯底上的一個或多個切割區(qū)域相鄰;使用所述等離子體源產(chǎn)生等離子體；以及，使用所產(chǎn)生的等離子體處理所述工件。
[0027]本發(fā)明的再一個目的是提供一種用于對襯底進行等離子體處理的方法，所述方法包括:提供具有壁的處理室;提供與所述處理室的壁相鄰的等離子體源;在所述處理室內(nèi)提供工件支撐件;將工件加載到所述工件支撐件上，所述工件具有支撐膜、框架和所述襯底；在所述襯底上提供被圖案化在切片輔助區(qū)域中的多個分隔間隙;使用等離子體源產(chǎn)生等離子體;以及，使用所產(chǎn)生的等離子體處理所述工件。
[0028]上文已經(jīng)概述了本發(fā)明的一些相關目的。這些目的應被解釋為僅用于舉例說明本發(fā)明的一些更突出的特征和應用。通過以不同的方式應用所公開的本發(fā)明或在本公開的范圍內(nèi)修改本發(fā)明，能夠獲得許多其它的有益結果。因此，除了由權利要求書限定的本發(fā)明的范圍之外，通過參照
【發(fā)明內(nèi)容】
及結合附圖進行的優(yōu)選實施例的詳細描述，可獲得對本發(fā)明的其它目的及其更完整的理解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]本發(fā)明描述了一種允許對半導體襯底進行等離子切片的等離子體處理設備。在器件制造和晶圓減薄之后，襯底的正面(電路側)使用常規(guī)的掩膜技術被掩膜，這保護了電路元件并在裸片之間留下了未保護區(qū)域。襯底安裝在被支撐于剛性框架內(nèi)的薄帶上。該襯底/帶/框架組件被傳送到真空處理室中并暴露于反應氣體等離子體，由此，裸片之間的未保護區(qū)域被蝕刻掉。在此過程期間，框架和所述帶受到保護，免于被反應氣體等離子體損傷。該處理留下了彼此完全分開的裸片。在蝕刻之后，襯底/帶/框架組件被另外暴露于等離子體，這從襯底表面上移除了潛在地造成損傷的殘余物。在襯底/帶/框架組件傳送到處理室外部之后，使用眾所周知的技術將裸片從所述帶上移除，然后根據(jù)需要被進一步處理(例如，封裝)。
[0030]本發(fā)明的另一個特征是提供一種用于對襯底進行等離子體處理的方法。該襯底能夠具有諸如硅的半導體層和/或襯底能夠具有諸如GaAs的II1-V族層。該襯底能夠具有被圖案化在襯底的電路側上的保護層，如光致抗蝕劑層。提供了具有壁的處理室，其中，等離子體源鄰近處理室的所述壁。該等離子體源能夠是高密度等離子體源?？梢蕴峁┡c處理室流體連通的真空栗以及與處理室流體連通的氣體入口。提供了在處理室內(nèi)的工件支撐件。通過將襯底放置到載體支撐件上來形成工件。該襯底具有至少兩個切割區(qū)域，其中所述切割區(qū)域位于襯底上的所有相鄰的器件結構之間。能夠通過將襯底粘附到支撐膜并然后將帶有支撐膜的襯底安裝到框架來形成該工件。該支撐膜能夠具有聚合物層和/或導電層。該支撐膜能夠是標準的切片帶。該框架能夠具有導電層和/或金屬層。該工件然后被裝載到工件支撐件上以進行等離子體處理。RF功率源能夠聯(lián)接到工件支撐件，以在工件周圍產(chǎn)生等離子體。能夠通過將諸如氦氣的加壓氣體從工件支撐件供應到工件來提供工件和工件支撐件之間的熱連通?？蓪㈧o電吸盤并入到工件支撐件中，由此，該靜電吸盤能夠將支撐膜夾持到該靜電吸盤。通過等離子體源產(chǎn)生等離子體，從而通過所產(chǎn)生的等離子體來蝕刻工件。
[0031]本發(fā)明的又一特征是提供一種用于對襯底進行等離子體處理的方法。該襯底能夠具有諸如硅的半導體層和/或該襯底能夠具有諸如GaAs的II1-V族層。該襯底能夠具有被圖案化在襯底的電路側上的保護層，如光致抗蝕劑層。提供了具有壁的處理室，其中，等離子體源鄰近處理室的所述壁。該等離子體源能夠是高密度等離子體源?？梢蕴峁┡c處理室流體連通的真空栗以及與處理室流體連通的氣體入口。提供了在處理室內(nèi)的工件支撐件。通過將襯底放置在載體支撐件上來形成工件。該襯底具有至少一個器件結構，其中所述器件結構的整個周界與襯底上的一個或多個切割區(qū)域相鄰?？赏ㄟ^將襯底粘合到支撐膜并然后將帶有支撐膜的襯底安裝到框架來形成該工件。該支撐膜能夠具有聚合物層和/或導電層。該支撐膜能夠是標準的切片帶。該框架能夠具有導電層和/或金屬層。該工件然后被裝載到工件支撐件上以進行等離子體處理。RF功率源能夠聯(lián)接到工件支撐件，以在工件周圍產(chǎn)生等離子體。能夠通過將諸如氦氣的加壓氣體從工件支撐件供應到工件來提供工件和工件支撐件之間的熱連通?？蓪㈧o電吸盤并入到工件支撐件中，由此，該靜電吸盤能夠將支撐膜夾持到該靜電吸盤。通過等離子體源產(chǎn)生等離子體，從而通過所產(chǎn)生的等離子體來蝕刻工件。
[0032]本發(fā)明的又一個特征是提供一種用于對襯底進行等離子體處理的方法。該襯底能夠具有諸如硅的半導體層和/或該襯底能夠具有諸如GaAs的II1-V族層。該襯底能夠具有被圖案化在襯底的電路側上的保護層，如光致抗蝕劑層。提供了具有壁的處理室，其中，等離子體源鄰近處理室的所述壁。該等離子體源能夠是高密度等離子體源。可以提供與處理室流體連通的真空栗以及與處理室流體連通的氣體入口。提供了在處理室內(nèi)的工件支撐件。通過將襯底放置到載體支撐件上來形成工件。該襯底具有被圖案化在切片輔助區(qū)域中的多個分隔間隙。能夠通過將襯底粘附到支撐膜并然后將帶有支撐膜的襯底安裝到框架來形成該工件。該支撐膜能夠具有聚合物層和/或導電層。該支撐膜能夠是標準的切片帶。該框架能夠具有導電層和/或金屬層。該工件然后被裝載到工件支撐件上以進行等離子體處理。RF功率源能夠聯(lián)接到工件支撐件，以在工件周圍產(chǎn)生等離子體。能夠通過將諸如氦氣的加壓氣體從工件支撐件供應到工件來提供工件和工件支撐件之間的熱連通?？蓪㈧o電吸盤并入到工件支撐件中，由此，該靜電吸盤能夠將支撐膜夾持到該靜電吸盤。通過等離子體源產(chǎn)生等離子體，從而通過所產(chǎn)生的等離子體來蝕刻工件。
[0033]為了可以更好地了解本發(fā)明的以下詳細描述以便更充分地理解本發(fā)明對本領域的貢獻，上文已相當寬泛地概述了本發(fā)明的更多相關和重要的特征。下文將描述本發(fā)明的附加特征，本發(fā)明的附加特征形成本發(fā)明的權利要求的主題。本領域技術人員應當理解，所公開的構思和具體實施例可作為為了實現(xiàn)本發(fā)明的相同目的而修改或設計其它結構的基礎而被容易地利用。本領域技術人員也應理解，這種等同的構造并未脫離如所附權利要求中闡明的本發(fā)明的精神和范圍。
【附圖說明】
[0034]圖1是半導體襯底的俯視圖，示出了由格線分隔開的多個單獨器件；
[0035]圖2是半導體襯底的橫截面視圖，示出了由格線分隔開的多個單獨器件；
[0036]圖3是安裝到帶和框架上的半導體襯底的橫截面視圖；
[0037]圖4是正通過等離子體工藝蝕刻的、安裝到帶和框架上的半導體襯底的橫截面視圖；
[0038]圖5是安裝到帶和框架上的彼此分開的半導體器件的橫截面視圖；
[0039]圖6是真空處理室的橫截面視圖；
[0040]圖7是在處理位置的晶圓/框架的橫截面圖；
[0041 ]圖8是真空處理室中的框架和蓋環(huán)的放大的橫截面視圖；
[0042]圖9是是所述室內(nèi)部的一部分的橫截面視圖，其中，蓋環(huán)被安裝到室壁；
[0043]圖10是所述室內(nèi)部的一部分的橫截面視圖，其中，蓋環(huán)被安裝到內(nèi)部散熱件；
[0044]圖11是由傳送臂支撐的、安裝到帶和框架上的半導體襯底的俯視圖；
[0045]圖12是由傳送臂支撐的、安裝到帶和框架上的半導體襯底的橫截面圖；
[0046]圖13是處于傳送位置的晶圓/框架的橫截面圖；
[0047]圖14是遮蔽網(wǎng)(screen)的頂視圖；
[0048]圖15是根據(jù)現(xiàn)有技術的靜電吸盤的頂視圖；
[0049]圖16是根據(jù)現(xiàn)有技術的多區(qū)域靜電吸盤的頂視圖；
[0050]圖17是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的靜電吸盤的頂視圖；
[0051 ]圖18是根據(jù)現(xiàn)有技術的靜電吸盤上的襯底的橫截面視圖；
[0052]圖19是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的靜電吸盤上的工件的橫截面視圖；
[0053]圖20是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的靜電吸盤的橫截面視圖；
[0054]圖21是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的靜電吸盤的橫截面視圖；
[0055]圖22是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有多個襯底的工件的頂視圖；
[0056]圖23a到圖23c是根據(jù)本發(fā)明的機械隔板的變型例的橫截面視圖；
[0057]圖24是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的蝕刻出的特征的橫截面圖；
[0058]圖25是根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)機械隔板的方法的流程圖；
[0059]圖26是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的靜電吸盤的橫截面；
[0060]圖27是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的靜電