(57)【要約】【課題】２枚の接合されたウエハについて、上層ウエハを研磨しながら容易かつ正確に厚みを調節し、非破壊的な方法でその厚みを計測し、さらに規格化分類する方法を提供する。【解決手段】材料となるシリコンウエハの１表面に複数の厚み検査用の各サイズのマスクパターンを形成し、一定時間の化学エッチングを経て、様々な深さのＶ形トレンチ２１０、２２０、２３０を形成し、さらに研磨して現れたＶ形トレンチ２１０、２２０、２３０の開口２１２のサイズにより、上層ウエハ１の残存厚みを計測する。さらに適用規格により分類してマイクロセンサ素子、シリコンピエゾメータや加速度計などの構成素子として提供する。【選択図】　　　　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．１つのシリコン基板の第１面に複数の厚み検査用のマスクパターンを形成し、これを露光して上層ウエハとするステップと、
ｂ．前記上層ウエハの第１面に前記マスクパターンを利用し、異方性エッチング工程を施してＶ形のトレンチを形成するステップと、
ｃ．前記上層ウエハの第１面に、下層ウエハとして他の１枚のウエハを接合するステップと、
ｄ．前記上層ウエハの第２面をラッピングおよびポリッシングする研磨のステップと、
を有することを特徴とするウエハ接合体の製造方法。
【請求項２】
前記上層ウエハはラッピング、グラインディング（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）、ポリッシング、あるいは化学機械研磨、または、これらの組み合わせにより、薄くされることを特徴とする請求項１に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項３】
前記ポリッシングするステップは、前記トレンチのＶ形の頂点に達するまで続けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項４】
前記厚み検査用のマスクパターンの形状は正方形、または矩形であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項５】
前記ウエハの接合は、シリコン溶融接合によることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項６】
前記上層ウエハは、面方位（１，０，０）のウエハであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項７】
前記下層ウエハは、面方位（１，０，０）、（１，１，０）、または（１，１，１）のウエハであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項８】
前記上層ウエハは、シリコンウエハ、または表面にシリコン酸化膜層のあるシリコンウエハであることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項９】
前記下層ウエハは、シリコンウエハ、表面にシリコン酸化膜層があるシリコンウエハ、または表面にシリコン窒化膜層のあるシリコンウエハであることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のウエハ接合体の製造方法。
【請求項１０】
ａ．１つのシリコン基板の第１面に複数の厚み検査用のマスクパターンを形成し、これを露光して上層ウエハとするステップと、
ｂ．前記上層ウエハの第１面に前記マスクパターンを利用し、異方性エッチング工程を施してＶ形のトレンチを形成するステップと、
ｃ．前記上層ウエハの第１面に、下層ウエハとして他の１枚のウエハを接合するステップと、
ｄ．前記上層ウエハの第２面をラッピングおよびポリッシングする研磨のステップと、を経て形成されたウエハ接合体の厚さを測定する厚さ測定方法であって、
ｅ．ラッピングおよびポリッシングを経た前記上層ウエハの表面に現れたトレンチの開口状態に基づいて、前記上層ウエハの厚さを判定し分類するステップを有することを特徴とするウエハの厚さ計測方法。
【請求項１１】
ポリッシングした後の前記上層ウエハ表面に現れたトレンチの開口のサイズに基づいて前記ウエハの厚さを計測することを特徴とする請求項１０に記載のウエハの厚さ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウエハ接合体の研磨工程と厚さの計測方法に関し、詳しくはウエハ接合体を研磨しながら簡単かつ正確にその厚みを調節し、非破壊的にその厚みを計測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハの接合技術のうち、２枚のシリコンウエハ（その表面にシリコン酸化膜層あるいはシリコン窒化膜層があるか、表面にいずれの層もない）をファンデルワールス力で接着した後、高温度をかけて両者を１枚のウエハに仕上げる方法がある。
【０００３】
できたウエハは、一定の厚さの薄膜がその上表面に形成されるように研磨してすり減らす。そして、このような構造のウエハを用いるデバイスの制作のために、後続の加工工程に供給する。
【０００４】
このような新しいウエハの研磨工程において、いかにしてその薄膜化した上層のウエハの厚みを計測し、さらにこれを分類規格化するかは、非常に重要な問題である。
【０００５】
マイクロメカニカル工程（ｍｉｃｒｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓ）において、このような薄いウエハはいろいろな方面に応用されている。たとえば、圧力センサや加速度センサなどのようなデバイスの特性は、ウエハの厚さに大きく左右される。上述のように２枚のシリコンウエハを接合してから、その中の１枚を研磨して薄片とした後、その厚みを測定するには、通常下記の２つの方法がある。
【０００６】
第１の方法は、研磨機に付随した接触式高度計を使用することである。まず、研磨の前に高度計でウエハの厚みを測定し、すり減らすべき厚みを予め決定する。次に研磨機の工作能率により、研磨時間を設定する。所望のウエハ厚さを得たら、もう１度高度計でその厚みを確認する。
【０００７】
以上は、現在当業界で広く採用されている計測方式であるが、研磨される多数のウエハにはもとよりその厚みに多少のばらつき（数μｍから数十μｍ）がある上、さらに研磨機の圧力や速度の変化などの要素を加えたら、仕上げの結果にかなり影響してしまう。これにより、ウエハの厚さのばらつきは、数十μｍに達することも珍しくない。
【０００８】
ウエハの厚さの統一と正確を期するため、一般に厚みの測定分類を施行しているが、この方法では２枚の接合されたウエハのうち、研磨される上層ウエハの研磨後の厚さだけを計測することはできない。
【０００９】
第２の方法は、非接触式の即時光学計測方式を利用するものである。その原理は次の通りである。ある光線で測定される材料の表面を照射した場合、その一部が表面から反射され（これを反射信号１とする）、他の部分は材料内を透過して下層の材料に至り、その一部が下層材料の表面から即座に反射され（これを反射信号２とする）、残存の光線は下層材料を透過する。
【００１０】
このように材料の表面または下層で反射される２つの反射光線の反射信号１、２は、互いに平行となるので、検測器で探知して材料の厚さを計測することができる。
【００１１】
この方法は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により得た良好な平坦面を有する材料の厚さの計測には最適であるが、第１の方法と同様に、上層のウエハの研磨後の暑さの計測には利用することができない。
【００１２】
研磨後のウエハの厚さの計測（機械的接触方式、あるいは工学的非接触方法）方法に関する最近の特許には以下のようなものがある。
【００１３】
１）蔡培衛等の台湾特許公告第３５９７４６号には、研磨中のウエハの背面の厚さの計測に、機械式測定方法を利用している。図２は、台湾特許公告第３５９７４６号を説明するための図である。
【００１４】
台湾特許公告第３５９７４６号に記載の発明は、ダイヤモンドプローブ（ｄｉａｍｏｎｄ　ｐｒｏｂｅ）２１をウエハ２０に接触させ、計測棒２２で受け取った信号を計測チャンバ（ｃｈａｍｂｅｒ）２３内のセンサに送って、ウエハの全厚みを計測するものである。詳細な説明は省略する。
【００１５】
２）Ｔｒｕｎｇ　Ｔ．　Ｄｏａｎの米国特許Ｎｏ．６，３０１，００６号には、上述のＣＭＰ工程進行中のウエハの厚さを非接触的光学計測方法で側材に計測する方法が記載されている。図３は、米国特許Ｎｏ．６，３０１，００６号を説明するための図である。
【００１６】
ウエハ３０をウエハトレイ３１内に載せ、上からディテクタユニット３１でウエハトレイ３１の測定面を測定して、研磨工程進行中のウエハの厚さと研磨速度などのパラメータを得る。詳細な説明は省略する。
【００１７】
Ｃ．Ｌ．Ｌｉｎなどの米国特許Ｎｏ．６，０７１，１７７号には、ＣＭＰ工程進行中にシリコンウエハ表面のＳｉＯ２のフィルムの厚さを非接触的光学計測方法で即座に計測する発明が記載されている。
【００１８】
図４は、米国特許Ｎｏ．６，０７１，１７７号を説明するための図である。透光性のある研磨パッドの下にフォトディテクタユニット（ｐｈｏｔｏ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｕｎｉｔ）４１を置き、研磨中のパッドの中心に対してウエハ４０を公転させ、ウエハ４０がフォトディテクタユニット４１を通過する際、そのフィルムの厚さを計測する。詳細な説明は省略する。
【００１９】
なお、以上の３つの発明についての詳細については、参考文献として、（１）蔡培衛等“晶円厚度量測装置”中華民国専利公報公告編号：３５９７４６、（２）Ｔｒｕｎｇ　Ｔ．　Ｄｏａｎ、“Ｅｎｄｐｏｉｎｔ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　Ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ａ　Ｃｈａｎｇｅ　Ｉｎ　Ｗａｆｅｒ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ”，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．６，３０１，００６Ｂ１（２００１），（３）Ｃ．Ｌ．Ｌｉｎ，ｅｔ　ａｌ．“Ｍｅｔｈｏｄ　Ａｎｄ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｆｏｒ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｄ　Ｐｏｉｎｔ　Ｉｎ　Ａ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ”，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．６，０７１，１７７（２０００）を参照されたい。
【００２０】
以上、３つの発明の特許には、それぞれ創意に富んでいるが、どの発明によっても２枚の接合したウエハのうち研磨された方のウエハの厚さを計ることができない。
【００２１】
上層ウエハの厚さがコントロールできないのでは、これにより制作されたセンサ素子の特性にむらが生ずる。本発明の発明者は、長期にわたる苦心研鑚の結果、本発明に係るウエハ接合体の製造方法および該ウエハ接合体の厚さ測定方法の開発の成功に至った。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、２枚の接合されたウエハのうち、その上層ウエハを研磨しながら手軽に、そして正確にその厚みを調節し、非破壊的な方法でその厚みを計測し、さらにこれを規格化分類することができるウエハ接合体の製造方法および該ウエハ接合体の厚さ測定方法を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明のウエハ接合体の製造方法は、ａ．１つのシリコン基板の第１面に複数の厚み検査用のマスクパターンを形成し、これを露光して上層ウエハとするステップと、ｂ．前記上層ウエハの第１面に前記マスクパターンを利用し、異方性エッチング工程を施してＶ形のトレンチを形成するステップと、ｃ．前記上層ウエハの第１面に、下層ウエハとして他の１枚のウエハを接合するステップと、ｄ．前記上層ウエハの第２面をラッピングおよびポリッシングする研磨のステップとを有することを特徴とする。
【００２４】
（２）前記上層ウエハはラッピング、グラインディング（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）、ポリッシング、あるいは化学機械研磨、または、これらの組み合わせにより、薄くされる。
【００２５】
（３）前記ポリッシングするステップは、前記トレンチのＶ形の頂点に達するまで続ける。
【００２６】
（４）前記厚み検査用のマスクパターンの形状は正方形、または矩形である。
【００２７】
（５）前記ウエハの接合は、シリコン溶融接合による。
【００２８】
（６）前記上層ウエハは、面方位（１，０，０）のウエハである。
【００２９】
（７）前記下層ウエハは、面方位（１，０，０）、（１，１，０）、または（１，１，１）のウエハである。
【００３０】
（８）前記上層ウエハは、シリコンウエハ、または表面にシリコン酸化膜層のあるシリコンウエハである。
【００３１】
（９）前記下層ウエハは、シリコンウエハ、表面にシリコン酸化膜層があるシリコンウエハ、または表面にシリコン窒化膜層のあるシリコンウエハである。
【００３２】
（１０）本発明のウエハの厚さ計測方法は、ａ．１つのシリコン基板の第１面に複数の厚み検査用のマスクパターンを形成し、これを露光して上層ウエハとするステップと、ｂ．前記上層ウエハの第１面に前記マスクパターンを利用し、異方性エッチング工程を施してＶ形のトレンチを形成するステップと、ｃ．前記上層ウエハの第１面に、下層ウエハとして他の１枚のウエハを接合するステップと、ｄ．前記上層ウエハの第２面をラッピングおよびポリッシングする研磨のステップと、を経て形成されたウエハ接合体の厚さを測定する厚さ測定方法であって、ｅ．ラッピングおよびポリッシングを経た前記上層ウエハの表面に現れたトレンチの開口状態に基づいて、前記上層ウエハの厚さを判定し分類するステップを有することを特徴とする。
【００３３】
（１１）ポリッシングした後の前記上層ウエハ表面に現れたトレンチの開口のサイズに基づいて前記ウエハの厚さを計測する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【００３５】
図１はウエハ上に形成されたマスクパターンを異方性エッチングした後に形成されるＶ形トレンチを示す概略図である。
【００３６】
図１に示すようにＫＯＨの溶液中におけるシリコン（１，０，０）方位のエッチング率は、シリコン（１，１，１）方位よりもはるかに大きいというシリコン結晶体の異方性エッチング特性に着目している。シリコン（１，０，０）方位と、シリコン（１，１，１）方位との間の角度を５４．７°とし、ウエハの１表面に複数の厚み検査用の各サイズのマスクパターンを形成する。
【００３７】
一定時間のケミカルエッチングを経て、様々な深さのＶ形トレンチが形成される（図１参照）。研磨後の上層ウエハの残存厚みをＶ形トレンチの開口サイズにより判定し、これらのデータを適用規格により分類して、出力信号をウエハの厚さに敏感に影響されるマイクロセンサ素子、シリコンピエゾメータ（ｐｉｅｚｏｍｅｔｅｒ）や加速度計などの構成素子として提供する。
【００３８】
本発明では、シリコン基板を構造材料として、半導体製作工程で上層のウエハの第１表面に複数の厚み検査用のマスクパターンを形成し、これを露光して上層のウエハとし、その第１面をマスクパターンを使用して異方性エッチングを施してＶ形のトレンチを形成し、上層ウエハの第１面に他の１枚のウエハを接合し、上層ウエハの第２面を研磨してその表面にできた開口の状態により、上層ウエハの厚さを判定分類する。
【００３９】
実際の操作は必ずしも上述の工程に全部符合しなければならないというわけではなく、当業者により本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で、様々な修正や変更を加えて実施することができる。本実施の形態では、以下に、２つの実施例により本発明を説明する。
【００４０】
（実施例１）
図５〜図７とを参照して、本発明に係るウエハの研磨工程と、厚さの計測過程とを説明する。
【００４１】
図５はシリコンウエハの状態を示す図、図６はウエハの研磨および計測の手順を示すフローチャート、図７は幾何学的手法による上層ウエハの厚さの計測を説明するための図である。
【００４２】
まず、ステップＳ１では、シリコンウエハ１（表面にシリコン酸化膜層、またはシリコン窒化膜層があるもの、またはいずれの層ともないもの）の一方の面である第１面に複数の厚み検査用のマスクパターン２１０、２２０、２３０を形成し、これらを露光して上層のウエハとする（図５（Ａ）参照）。この上層ウエハの第１面（背面）に、上述のマスクパターンを利用して、異方性ウェットエッチング工程を施してＶ形のトレンチ２１１、２２１、２３１を形成する（図５（Ｂ）参照）。ここで、上層ウエハ１は面方位（１，０，０）のウエハである。
【００４３】
次に、ステップＳ２では、上層ウエハ１の第１面に他の１枚のウエハ３（表面にシリコン酸化膜層あるいは窒化膜層があるもの、またはいずれの層ともないもの）をシリコン溶融接合（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｆｕｓｉｏｎ　ｂｏｎｄｉｎｇ）して、両ウエハ１、３を１枚のウエハにする（図５（Ｃ）参照）。以下では、上層ウエハ１に接合されるウエハ３を下層ウエハ３と称する。ここで、下層ウエハ３は面方位（１，０，０）、（１，１，０）、または（１，１，１）のウエハである。
【００４４】
ステップＳ３では、上層ウエハの第１面に対して反対の面である第２面（正面）を研磨、精製して、上層ウエハ１を薄くし、１枚の薄いウエハとする（図５（Ｄ）参照）。ここで、研磨は、ラッピング、グラインディング（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）、ポリッシング、あるいは化学機械研磨、または、これらの組み合わせにより実行される。
【００４５】
ステップＳ４では、研磨（ｌａｐｐｉｎｇとｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）は、ウエハの表面にＶ形トレンチの正方形の開口２１２が現れるまで行われ、この開口２１２の広さにより残余フィルムの厚さを精密に計測することができる（図５（Ｅ）参照）。たとえば、図５（Ｅ）に示すように、研磨後にウエハの第２面上に小孔２１２が露出する。
【００４６】
ステップＳ５では、ウエハの厚さを分類する。この分類は、具体的には以下のようにして実行する。
【００４７】
図５においてマスクパターン２１０、２２０、２３０は正方形に設けられ、その一辺の長さは、それぞれ、たとえば、２８．３μｍ、２６．９μｍ、２５．５μｍであり、シリコン（１，０，０）方位とシリコン（１，１，１）方位間の角度は５４．７°である。この関係から計算して、Ｖ形トレンチ２１１、２２１、２３１の深さＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ２０．０μｍ、１９．０μｍ、１８．０μｍとなる。
【００４８】
したがって、図７に示すような幾何学的手法により、光学顕微鏡などの装置でＶ形トレンチの開口のサイズを測定し、上層ウエハの残存厚さＺ＝〔（Ｗ１−Ｗ２）／２〕ｔａｎ（５４．７°）が計測される。このようにウエハの厚さを分類するので、マイクロセンサ素子に使用するその他の測定装置の助けを必要としない。
【００４９】
（実施例２）
現在のマイクロマシーン工業ではセンサ素子としてシリコン薄膜を使用する。たとえば、シリコンピエゾエータはこのシリコン薄膜で圧力の変化を探知する。このシリコン薄膜の厚さは圧力探知の感度に大きく左右する。したがって、このシリコン薄膜の厚さのコントロール如何により、製作される機器の性能が左右される。
【００５０】
図８は、実施例２におけるウエハを示す概略図である。
【００５１】
図８は、実施例１と同様の工程で製作されたものであるが、下層のシリコンウエハ４０１は事前にＩＣＰＲＩＥ（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｐｌａｓｍａ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｅｔｃｈｉｎｇ）により、その接合面にトレンチをエッチングした後、接合研磨したものである。
【００５２】
フィルムの厚さを精密に把握するため、事前に本発明の計測方法で厚さ測定器を用い、上層シリコンウエハ４０４上に深さ２０．０μｍ、１９．０μｍ、１８．０μｍの厚み検査用パターン４０２を設定した後、既にトレンチ４０３が形成されている下層シリコンウエハ４０１と溶融接合し、既知の研磨手法で上層ウエハをすり減らし、本発明の計測方法を用いて、精密にウエハの厚さをコントロールする（本実施例での厚さはｄ＝１８．０μｍ）。このウエハは内外両側の圧力変化の探知に好適に応用されるものである。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シリコンウエハ接合体の上層ウエハの厚さは、研磨後現れたＶ形トレンチの開口の形状とサイズにより簡単、正確、かつ非破壊に他の計測器の助けを借りずに測定可能である。したがって、特性の一定したマイクロセンサ機器の素子を提供でき、本発明の産業上の利用価値は甚大である。
【００５４】
本発明は、本発明の技術的思想から逸脱することなく、他の様々な形態で実施することができる。上述の実施例はあくまで、本発明の技術的内容を明らかにするものであって、上記実施例の具体例に限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の技術的思想と特許請求の範囲内でさまざま変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウエハ上に形成されたマスクパターンを異方性エッチングした後に形成されるＶ形トレンチを示す概略図である。
【図２】台湾特許公告第３５９７４６号を説明するための図である。
【図３】米国特許Ｎｏ．６，３０１，００６号を説明するための図である。
【図４】米国特許Ｎｏ．６，０７１，１７７号を説明するための図である。
【図５】シリコンウエハの状態を示す図である。
【図６】ウエハの研磨および計測の手順を示すフローチャートである。
【図７】幾何学的手法による上層ウエハの厚さの計測を説明するための該略図である。
【図８】実施例２におけるウエハを示す概略図である。
【符号の説明】
１…上層ウエハ、
３…下層ウエハ、
２１０、２２０、２３０…マスクパターン、
２１１、２２１、２３１…Ｖ形トレンチ、
２１２…小孔、開口、
４０１…下層シリコンウエハ、
４０２…検査用パターン、
４０３…トレンチ、
４０４…上層シリコンウエハ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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