JP2006108125A

JP2006108125A - 半導体ウェーハの両面研磨方法およびそれに用いる研磨装置

Info

Publication number: JP2006108125A
Application number: JP2004288255A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kawamoto; 真也川本
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】研磨中に研磨条件の変化を生じないベアウエーハの研磨終点検出でき、研磨布の形状が悪化せず、研磨ウエーハの平坦度も悪くならない研磨方法を得る。
【解決手段】回転可能な上定盤と下定盤の対向面に貼付した研磨布の間に、ウェーハが孔に挿入されているキャリアプレート３０を挟持して、上定盤の研磨布と下定盤の研磨布をウェーハ５０に押圧しながら定盤とキャリアプレート３０を相対的に回転してウェーハ５０を両面研磨する方法であって、キャリアプレート３０のウェーハ５０を挿入する孔の周囲に、ウェーハ５０よりも磨耗性の大なる素材の研磨調整部材のリング３４を、ウェーハ５０の研磨狙い目厚さ寸法に対応する高さ位置に配置しておき、研磨中にウェーハ５０が所定の狙い目厚さ寸法まで研磨されて、磨耗性の大なる素材３４の研磨によって摩擦抵抗値が変化した時点を検出してウェーハ５０の研磨終点を検出するようにしたことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

この発明は、半導体ウェーハの研磨方法およびそれに用いる研磨装置に関する。

半導体ウェーハの表面を鏡面に仕上げる場合は、一般的にＣＭＰ（化学的機械的研磨）が用いられている。これは、回転可能な定盤の表面に半導体ウェーハを固着し、これに対向して設けられた回転可能な定盤の表面に研磨布を貼設して、研磨剤を供給しながら対向する定盤を相対的に回転させて、半導体ウェーハを研磨する方法である。

このような半導体ウェーハの研磨は、これまで一般に、表面にデバイス形成のためのパターンニング、凹凸等が形成されているウェーハの研磨で、これについて各種の提案がなされている。しかしながら、表面に特にデバイス構造が形成されていないベアウェーハの研磨においては、その研磨量の管理はこれまで特に重視されていなかった。そのため、ベアウェーハの研磨においては、研磨時間を一定として研磨布の使用回数で管理するという画一的な方法で行われている。

しかしながら、ベアウェーハに対するこうした従来の研磨においては、研磨布の目詰まりによる研磨温度の低下により研磨速度が低下してしまうため、研磨量の誤差が大きくなり、その結果として、仕上がりにバラツキが生じてしまい製品歩留まりに大きな影響を与えていた。

半導体ウェーハの研磨終点を判定する先行技術としては、研磨摩擦力が予め設定された単位時間ｔ内に予め設定された変化量ｈで変化したことを検出したものがある（例えば、特許文献１。）。さらに、凹凸を研磨している時の摩擦力と、平坦面を研磨している時の摩擦力と差異に基いて決定し、その時点から所定時間の後を研磨終点とするものがある（特許文献２。）。さらに、研磨するときの温度変化点を検出することによって研磨終点を検出するものがある（特許文献３。）。さらに、研磨パットに形成された観測窓を通して、光源ユニットからの白色光を研磨中のウェーハに照射し、その反射光を分光測定解析することで研磨終点を検出するものがある（特許文献４。）。さらに、ウェーハの両面研磨において、ウェーハを保持するキャリアプレートに、硬くて磨耗し難い材質の中子を挿入しておき、ウェーハが研磨されて中子の厚さに達する時点で研磨終点を検出するようにしたものがある（特許文献５。）。
特開２００２−３５３１７９号公報（請求項１）特開平９−１３１６６３号公報（請求項１）特開平８−３３０２６１号公報（請求項１）特開２００３−１６８６６７号公報（請求項１）特開平５−１６９３６５号公報（請求項１，３頁，３欄，段落００１２）

上記の先行技術の特許文献１ないし４は、いずれもウェーハの片面研磨の技術であるとともに、その研磨する被加工物のウェーハ表面には酸化膜、凹凸、その他デバイス構造が形成されたものが適用されるＣＭＰに関するものである。しかしながら、ウェーハ表面に上記のような酸化膜、デバイス構造などが形成されている場合には、ウェーハ表面を研磨している間に積層されている層が変わるために、研磨温度、ヘッド回転電流といった研磨条件が大きく変化するものである。上記の先行技術は、いずれもこうした研磨中に生ずる研磨条件の変化を用いた技術であって、ウェーハ表面に酸化膜、デバイス構造などがなく、研磨中に研磨条件の変化の生じないベアウェーハに対する技術の開示は何らない。

また、特許文献５はウェーハの両面研磨の技術ではあるが、この先行技術についても同じようにベアウェーハの研磨については何ら記載がない。さらに、この技術はキャリアプレートに複数の孔を設け、この孔にアルミナ焼結体など硬い複数の中子を挿入してウェーハの研磨中に被研磨物の厚さが中子の高さに近づくと中子が作用にして摩擦の程度が低下するのでこの時点を検知して研磨終点として、良好な平坦度で研磨されたウェーハを得るようにしたものである。しかしながら、この技術ではアルミナ焼結体などの硬い中子を用いるので、研磨中に中子が研磨布に接するとこの部分では研磨抵抗が低下し、研磨終点として検出されるまでの間は研磨布が中子に押圧された状態となって研磨布の形状が悪化し、そのために研磨ウェーハの平坦度も悪くなる可能性がある。

本願の発明は、研磨中に研磨条件が何ら変化しないベアウェーハの研磨装置であって、ウェーハの挿入されるキャリアプレートのウェーハ挿入孔の周囲に磨耗性の大なる厚さ調整部材のリングを埋設することによって研磨中に研磨布の形状を悪化させることなく摩擦抵抗が変化するようにして、研磨終点の判定を容易にできるようにしたウェーハの両面研磨装置を得ようとしたものである。

この発明は、回転可能な上定盤と下定盤の対向面に貼付した研磨布の間に、ウェーハが孔に挿入されているキャリアプレートを挟持して、上定盤の研磨布と下定盤の研磨布をウェーハに押圧しながら定盤とキャリアプレートを相対的に回転してウェーハを両面研磨する方法であって、キャリアプレートのウェーハを挿入する孔の周囲に、ウェーハよりも磨耗性の大なる素材の研磨調整部材のリングを、ウェーハの研磨狙い目厚さ寸法に対応する高さ位置に配置しておき、研磨中にウェーハが所定の狙い目厚さ寸法まで研磨されて、磨耗性の大なる素材の研磨によって摩擦抵抗値が変化した時点を検出してウェーハの研磨終点を検出するようにしたことを特徴とする半導体ウェーハの両面研磨方法（請求項１）、回転軸に固定して回転可能としかつ対向する面にそれぞれ研磨布を貼り付けた上定盤および下定盤と、この上下の定盤の間にあってウェーハを挿入する孔が設けられているキャリアプレートと、このキャリアプレートの周囲に設けたギアと噛合してキャリアプレートを回転させるサンギアと、さらにキャリアプレートの全てを囲繞してキャリアプレートを公転させるインターナルギヤとからなるウェーハの両面研磨装置であって、キャリアプレートのウェーハを挿入する孔の周囲に、ウェーハよりも磨耗性の大なる素材の研磨調整部材のリングを、ウェーハの研磨狙い目厚さ寸法に対応する高さ位置に配置して、磨耗性の大なる素材の研磨によって摩擦抵抗値が変化するようにしたことを特徴とする半導体ウェーハの両面研磨装置（請求項２）および前記研磨調整部材が、シリコン部材にポリシリコンが被覆されているものである請求項２記載の半導体ウェーハの両面研磨装置（請求項３）である。

この発明の半導体ウェーハの両面研磨方法によれば、ウェーハ表面に酸化膜、その他のデバイス構造が形成されていないために、研磨中に研磨条件が何ら変化しないベアウェーハの研磨においても、ウェーハの研磨終点の判定を容易にすることが可能である。

また、研磨時の摩擦抵抗の差を検知し厚さ調整部材の機能を有する研磨調整部材のリングは、その表面にウェーハよりも研磨性の大なる軟質の素材が被覆されているため、研磨終点検出の際に研磨調整部材が研磨布に押圧されても、研磨布の形状が変化することなく研磨加工を終了することができる。

図１はこの発明の一実施例の研磨装置の側断面図、図２はウェーハを挿入したキャリアプレートと、それに噛合するサンギアおよびインターナルギヤとの関係を概念的に示した模式図である。この発明のウェーハ両面研磨装置は、キャリアプレートの構成に特徴があって、その他の構成は従来の装置と同様である。

この研磨装置は、図１に示すように、図示しない駆動原によって回転する回転軸１０を中心にして、上定盤１１と下定盤１２を対向して回転可能に設置されている。この上定盤１１と下定盤１２には、ウェーハの両面を研磨するように、内側に対向してそれぞれに研磨布１３，１４が貼付されている。

また、上定盤１１と下定盤１２には、それぞれ孔１５，１６が穿設されていて、この各孔１５，１６にプローブ１７，１８が挿入されている。このプローブ１７，１８の先端にはそれぞれに研磨布１９，２０が貼着されていて、先端がそれぞれ上定盤１１、下定盤１２の対向面に貼着されている研磨布１３，１４と同一面をなすようにしてある。プローブ１７，１８の研磨中における温度変化は、図示しない温度検知によって検知されるようになっている。２１は研磨液をキャリアプレートの研磨面に供給するための研磨液供給管である。

さらに、上定盤１１と下定盤１２の対向面に設けた研磨布１３，１４の間には複数のキャリアプレート３０が、上下の定盤で挟まれて押圧されるようにして設けられている。このキャリアプレート３０の外周に設けられているギア３１は、図２に示すようにして回転軸１０の周囲に設けられたサンギア３２に噛合されているとともに、外側ではインターナルギヤ４０とも噛合するようになっている。このインターナルギヤ４０は図示しない駆動源によって回転し、これによって研磨布１３，１４は自転しながらキャリアプレート３０が公転するようになっている。なお、図２ではキャリアプレート３０は１個しか図示されていないが、実際は回転軸１０との位置関係を図２に示したと同じようにして回転軸１０の周りに複数個が回転するようにしてある。

このキャリアプレート３０には、それぞれに複数の孔３３，３３…が穿設されていて、この孔３３，３３…にウェーハ５０，５０，…が挿入されている。このキャリアプレート３０は、例えばエポキシ樹脂などの合成樹脂で、その厚さはここに挿入されているウェーハ５０の研磨仕上がり狙い目厚さ（例えば７２５μｍ）よりは厚さを薄くしておく（例えば５００μｍ）。

さらに、このキャリアプレート３０には、その表側および裏側でウェーハ５０，５０の挿入孔３３，３３…の外周に、図３，図４に示すように、研磨調整部材のリング３４が固着されている。このリング３４は、図４に示すように、ウェーハ５０の研磨狙い目厚さ寸法に対応するように位置して、キャリアプレート３０のウェーハ挿入孔３３の上下の外周に着脱可能に段差を有して配置されている。そして、リング３４の表面はキャリアプレート表面と同一面となるようにしておく。図４においてウェーハ５０の上下の破線は、ウェーハの研磨狙い目厚さを示したものである。

ここに用いるリング３４の材質は、被研磨材料であるウェーハよりも磨耗性の大きい素材（例えば、高純度ポリシリコン等）を加工して用いることが好ましい。より好ましくは、その材質がシリコンで構成されているリングであって、その表面にはポリシリコンが被膜されていることが好ましい。このリング３４の厚さは特に限定されないが、作業性、強度等を得るうえで２５０〜４００μｍ程度であることが好ましい。なお、図４では、リング３４がキャリアプレート３０のウェーハ挿入孔３３の上下の外周に着脱可能に配置されている形態を示したが、図５に示すようにウェーハ挿入孔３３の外周全体がリング３４であってもかまわない。

いずれにしても、図４および図５に示すように、リング３４の配置または厚さをキャリアプレート３０の厚さよりも大きくすることで、キャリアプレート自体の平坦度をよくしなくとも、リング３４の厚さを均一に加工することで足りる。

次に、この研磨装置の動作を説明する。図１および図２に示すように、研磨液供給管２１から研磨液を供給しつつ、研磨定盤１１，１２でこの間にあるキャリアプレート３０を所定の圧力で押付けながら、サンギア３２とインターナルギア４０を用いて相対的に回転して、キャリアプレート３０に保持されてウェーハ５０を研磨する。

即ち、回転軸１０の回転を行うと同時にインターナルギヤ４０を図示しない駆動装置で回転軸１０を中心にして回転軸と同じ方向に回転して、キャリアプレート３０が自転しながら回転軸１０を中心にして公転するようにする。この状態にすると、回転軸１０を中心にして回転する上下の定盤の研磨布１３，１４は、自転をしながら回転軸１０の周りを公転しているキャリアプレート３０に挿入されているウェーハ５０を研磨する。研磨開始時までは、ウェーハ５０はキャリアプレート３０の厚さよりも厚いので（図４参照）、この研磨加工によって厚さの厚いウェーハ５０から研磨が進行し、さらにウェーハ５０の磨耗が進んでいくと全てのウェーハ５０の厚さが狙い目厚さで均一となる。さらに研磨が進むと、ウェーハ５０の上面がキャリアプレート３０のキャリア挿入孔３３の外周に配置されている研磨調整部材のリング３４の表面高さの位置と一致するようになる。また、キャリアプレートの下面についても同じような位置までウェーハが研磨されて、同様の状態となる。

この段階までウェーハの研磨が進行すると、それまでの研磨布とウェーハとの摩擦抵抗は、研磨布とキャリアプレートの表面に配置したリング３４との摩擦抵抗も加わって摩擦抵抗値が変化する。この摩擦抵抗の変化は定盤に組み込んだプロ−グ先端の温度変化によって検知されて、ウェーハの研磨終点として捉え、その時点で自動的に研磨を終了する。その結果、ウェーハは常に加工キャリアプレートと同厚で仕上がりばらつきがなく、均一の研磨ウェーハが得られるものである。また、リング３４が軟質な素材であるので研磨終点時研磨布の形状を悪化させることがないため、ウェーハ外周部の形状もフラットになり平坦度が良好になるものである。さらに、研磨調整部材にポリシリコンを用いた場合は、ポリシリコンのゲッタリング力によって研磨中の金属汚染をゲッタリングする効果もある。

本発明の効果を確認するために、図１に示す研磨装置で８インチウェーハを２０枚研磨し、得られたウェーハの平坦度（ＴＴＶ）をそれぞれ評価した。また、研磨調整部材のリングを用いていない従来の方法で研磨したものを比較例として示した。

この発明になるウェーハ研磨終点検出方法に用いる装置の横断面を概念的に示した説明図。図１に示すウェーハ研磨装置のキャリアプレートと、中心軸とインターナルギヤとの配置関係を概略的に示す説明図。図３はキャリアプレートと、ウェーハ挿入孔の外周に研磨調整材のリングが固着されたキャリアプレートの正面図。キャリアプレートのウェーハ挿入孔の上下外周に配置した研磨調整材のリングとウェーハの高さ位置関係を模式的に示した模式図。キャリアプレートのウェーハ挿入孔の外周全体に配置した研磨調整材のリングとウェーハの高さ位置関係を模式的に示した模式図。

符号の説明

１０…回転軸、１１…上定盤、１２…下定盤、１３，１４…研磨布、１５，１６…孔、１７，１８…プローグ、２１…研磨液供給管、３０…キャリアプレート、３２…サンギア、４０…インターナルギア、５０…ウェーハ、３４…研磨調整部材のリング。

Claims

回転可能な上定盤と下定盤の対向面に貼付した研磨布の間に、ウェーハが孔に挿入されているキャリアプレートを挟持して、上定盤の研磨布と下定盤の研磨布をウェーハに押圧しながら定盤とキャリアプレートを相対的に回転してウェーハを両面研磨する方法であって、キャリアプレートのウェーハを挿入する孔の周囲に、ウェーハよりも磨耗性の大なる素材の研磨調整部材のリングを、ウェーハの研磨狙い目厚さ寸法に対応する高さ位置に配置しておき、研磨中にウェーハが所定の狙い目厚さ寸法まで研磨されて、磨耗性の大なる素材の研磨によって摩擦抵抗値が変化した時点を検出してウェーハの研磨終点を検出するようにしたことを特徴とする半導体ウェーハの両面研磨方法。
回転軸に固定して回転可能としかつ対向する面にそれぞれ研磨布を貼り付けた上定盤および下定盤と、この上下の定盤の間にあってウェーハを挿入する孔が設けられているキャリアプレートと、このキャリアプレートの周囲に設けたギアと噛合してキャリアプレートを回転させるサンギアと、さらにキャリアプレートの全てを囲繞してキャリアプレートを公転させるインターナルギヤとからなるウェーハの両面研磨装置であって、キャリアプレートのウェーハを挿入する孔の周囲に、ウェーハよりも磨耗性の大なる素材の研磨調整部材のリングを、ウェーハの研磨狙い目厚さ寸法に対応する高さ位置に配置して、磨耗性の大なる素材の研磨によって摩擦抵抗値が変化するようにしたことを特徴とする半導体ウェーハの両面研磨装置。
前記研磨調整部材が、シリコン部材にポリシリコンが被覆されているものである請求項２記載の半導体ウェーハの両面研磨装置。