(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨すべき半導体ウエーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、前記半導体ウエーハの両面を同時に研磨するウエーハ研磨方法において、
前記キャリアの研磨前厚みを前記半導体ウエーハの最終仕上がり厚みと同一か、僅かに小さくし、前記キャリアの研磨前厚みと前記半導体ウエーハの最終仕上がり厚みとの差を６μｍ以下とするとともに、
前記キャリアとほぼ同じ厚みまで前記半導体ウエーハの研磨が進行すると前記上側の回転定盤を持ち上げる方向に背圧が発生するため前記半導体ウエーハに付加される圧力が激減することで生じる前記回転定盤の駆動トルクの低下から研磨終了時点を検知することを特徴とするウエーハ研磨方法。
【請求項２】
前記研磨終了と判断する前記回転定盤の駆動トルクの低下は、前記駆動トルクの最大値からの低下率が５〜５０％であることを特徴とする請求項１に記載のウエーハ研磨方法。
【請求項３】
前記半導体ウエーハの最終仕上がり厚みの目標値が７５０μｍとされることを特徴とする請求項１又は２に記載のウエーハ研磨方法。
【請求項４】
前記キャリアがステンレス鋼、または、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドのいずれかに強化繊維を複合したＦＲＰからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のウエーハ研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下の回転定盤間でキャリアを用いて半導体ウエーハの両面を同時研磨するウエーハ研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化が急速に進み、その素材である半導体ウエーハに要求される平坦度は益々厳しくなっている。また、半導体デバイスの製造コスト低減の観点からは、半導体ウエーハの大径化が進められているため、その平坦度の向上は一層困難なものになっている。このような事情から、半導体ウエーハの加工プロセスにおいては、エッチング後に研削工程を導入したプロセスの提案がなされ、研削に続く鏡面研磨工程においては、従来の片面研磨より優れた加工精度を有する両面研磨方式が注目されている。
【０００３】
半導体ウエーハの両面研磨装置としては、通常、遊星歯車方式のものが使用される。この両面研磨装置は、上下一対の回転定盤と、回転定盤間の回転中心部に設けられた太陽歯車と、回転定盤間の外周部に設けられた環状の内歯歯車とを備えている。上側の回転定盤は昇降可能で、加圧用を兼ねるシリンダにより昇降駆動され、その回転方向は下側の回転定盤の回転方向と反対である。上下の回転定盤の対向面には、それぞれ研磨布が貼付されている。
【０００４】
研磨作業では、上側の回転定盤を上昇させた状態で、下側の回転定盤上の回転中心回りに複数のキャリアをセットすると共に、各キャリアに半導体ウエーハをセットする。遊星歯車である複数のキャリアは、内側の太陽歯車及び外側の内歯歯車にそれぞれ噛み合っており、その回転中心から偏心した位置にホールと呼ばれるウエーハ収容孔を有している。
【０００５】
キャリア及び半導体ウエーハのセットが終わると、上側の回転定盤をゆっくり下降させ、複数の半導体ウエーハを上下の回転定盤間に所定圧力で挟む。そして、回転定盤間に研磨液を供給しながら回転定盤、太陽歯車及び内歯歯車を回転させる。これにより、複数のキャリアは逆方向に回転する回転定盤の間で自転しつつ太陽歯車の回りを公転する。こうして、複数の半導体ウエーハの両面が同時に研磨される。
【０００６】
ここで使用されるキャリアの厚みは、研磨プロセスの全体にわたって所定の圧力が確実にウエーハへ付加されるように、ウエーハの最終仕上がり厚みの目標値より十分に薄く設定されている。具体的に言えば、最終仕上がり厚みの目標値が７５０μｍの１２インチウエーハの場合、これに組み合わされるキャリアの厚みは６５０μｍ程度である。また、キャリアの材質としては、ガラス繊維で強化された樹脂、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ナイロン樹脂の他、ステンレス鋼が主に使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような半導体ウエーハの両面鏡面研磨工程では、平坦度の改善のみならず、前工程までの加工歪みの除去と表面粗さの矯正のために、研磨量の管理が重要な技術課題とされており、その管理は、従来は研磨時間の管理により行われていた。
【０００８】
すなわち、鏡面研磨工程における研磨量は研磨条件によって大きく異なり、特に研磨布のライフによるコンディションの変化に大きく左右される。このため、バッチ毎又はプロセス毎に鏡面研磨の前後で、装置外に設けた自動又は手動の厚み計でウエーハ厚みの測定を行い、その差である研磨量と研磨時間とから研磨速度を算出し、所定の研磨量を確保するべく次バッチ又は次プロセスでの研磨時間を設定するフィードバック制御が行われている。
【０００９】
そして、鏡面研磨工程前に研削工程を導入するプロセスの提案により、研削後のウエーハ間の厚みバラツキが飛躍的に改善された結果、ウエーハの厚みデータが既知情報として鏡面研磨工程に供されるようになり、研磨前の厚み測定については割愛することが可能になった。
【００１０】
しかし、剛体からなる上下の回転定盤間で直接両面を加工し、それらの定盤間隔によりウエーハ厚を検出できるラッピング工程と異なり、粘弾性体からなる研磨布を介してウエーハの両面を加圧し加工する鏡面研磨工程の場合は、定盤間隔によるインプロセスでのウエーハ厚の検出が不可能であり、定寸研磨ができない。このため、研磨後の厚み測定については、依然としてオフラインでの測定が必要である。
【００１１】
その結果、装置の肥大化や稼働率の低下が問題になる。すなわち、オフラインでの厚み測定では、測定機種によっては厚み測定前にウエーハ乾燥工程を必要とし、装置の肥大化を招く。また工程の煩雑さを助長し、稼働率の低下を招く。
【００１２】
本発明の目的は、ウエーハの厚み測定を行わずとも、また研磨布のコンディションに影響されることもなく、簡単かつ正確に所定量の研磨を行うことができるウエーハ研磨方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らはウエーハの仕上がり厚みに対するキャリアの厚みに着目した。
【００１４】
すなわち、従来は、前述したとおり、研磨プロセスの全体にわたって所定の圧力が確実にウエーハへ付加されるように、ウエーハに組み合わされるキャリアの厚みは、そのウエーハの最終仕上がり厚みより十分に薄く設定される。これにより、ウエーハの厚みが最終仕上がり厚みに達した時点でも、上下の研磨布はウエーハにのみ圧接し、キャリアの上下面には実質的に接触しない。このため、上側の回転定盤からの所定の加圧力が、研磨終了までウエーハのみに付加されることになる。
【００１５】
ウエーハの厚みが最終仕上がり厚みに達した後も研磨を続けると、ウエーハが更に薄くなる。キャリアとほぼ同じ厚みまで研磨が進行すると、上側の回転定盤からの加圧力がウエーハ及びキャリアの両方に付加され、分散される。また、常時、上側の回転定盤を経由して回転定盤間に供給されていた研磨液の逃げ場がなくなり、上側の回転定盤を持ち上げる方向に背圧が発生するため、ハイドロプレーン研磨（スリップ研磨）の状態になり、ウエーハに付加される圧力が激減する。その結果、研磨が実質的に停止する。また、上下の回転定盤を駆動するモータのトルクが急激に低下する。更に、この状態では、キャリアの上下面に研磨布が接触するものの、ハイドロプレーン研磨のため、キャリアが研磨布から受けるダメージは意外に軽微である。
【００１６】
本発明者らは、ウエーハの厚みがキャリアとほぼ同じ厚みに達するまで研磨を続けると、その研磨が実質的に停止する点、この時点で上下の回転定盤を駆動するモータのトルクが急激に低下する点、更には、キャリアのダメージが軽微である点に着目して、キャリアの厚みを基準に研磨量、更にはウエーハの最終仕上がり厚みを管理することを企画し、実験検討を行った。その結果、キャリアの厚みとして、ウエーハの最終仕上がり厚みと同一かこれより僅かに小さい値を選択しておくと、ウエーハの厚みがキャリア厚みより僅かに小さい値に達した時点で回転定盤を駆動するモータトルクの急激な低下が始まり、その低下から研磨量や研磨後のウエーハ厚を簡単かつ正確に管理できることが明らかになった。
【００１７】
本発明のウエーハ研磨方法は、かかる知見に基づいて発明されたものであり、研磨すべき半導体ウエーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、前記半導体ウエーハの両面を同時に研磨するウエーハ研磨方法において、
前記キャリアの研磨前厚みを前記半導体ウエーハの最終仕上がり厚みと同一か、僅かに小さくし、前記キャリアの研磨前厚みと前記半導体ウエーハの最終仕上がり厚みとの差を６μｍ以下とするとともに、
前記キャリアとほぼ同じ厚みまで前記半導体ウエーハの研磨が進行すると前記上側の回転定盤を持ち上げる方向に背圧が発生するため前記半導体ウエーハに付加される圧力が激減することで生じる前記回転定盤の駆動トルクの低下から研磨終了時点を検知することを特徴とする。
また、本発明は、前記研磨終了と判断する前記回転定盤の駆動トルクの低下は、前記駆動トルクの最大値からの低下率が５〜５０％であることができる。
また、本発明は、前記半導体ウエーハの最終仕上がり厚みの目標値が７５０μｍとされることを特徴とすることが好ましい。
また、本発明は、前記キャリアがステンレス鋼、または、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドのいずれかに強化繊維を複合したＦＲＰからなることができる。
本発明のウエーハ研磨方法は、研磨すべき半導体ウエーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、前記半導体ウエーハの両面を同時に研磨するウエーハ研磨方法において、前記キャリアの厚みを前記半導体ウエーハの最終仕上がり厚みと同一か、これより僅かに小さくするものである。
【００１８】
こうすることにより、ウエーハの厚みがキャリア厚みより僅かに小さい値となった時点で、回転定盤の駆動トルクの急激な低下が始まり、その低下を検知することにより、ウエーハ厚を測定したり、研磨時間を管理せずとも、研磨終了時点が正確に求まる。
【００１９】
キャリアの厚みと半導体ウエーハの仕上がり厚みとの差は６μｍ以下が望ましい。この差が６μｍを超える領域では、駆動トルクの顕著な低下が生じず、研磨終了時点の正確な検知が困難である。なお、半導体ウエーハの仕上がり厚みがキャリアの厚み未満になるまで研磨を行うには長時間を要し、キャリアの磨耗も顕著になるため好ましくない。
【００２０】
本発明では、従来と比べ研磨布とキャリアの間隔は小さくなり、研磨布とキャリアの接触圧も大きくなるため、キャリアの磨耗が進みやすく、厚みが小さくなれば、ウエーハの最終仕上がり厚みもその磨耗量だけ小さくなり、定寸精度に支障をきたす。キャリアの磨耗は、定盤に貼り付けられた研磨布との摩擦で起こるので、キャリアの材質としては、耐磨耗性が高く研磨布との摩擦係数が小さい材質で、且つｐＨ８〜１２のアルカリ研磨液中での耐薬品性が高いものが好ましい。このような条件を満足するキャリア材としては、ステンレス鋼の他、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド等の樹脂にガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の強化繊維を複合したＦＲＰを挙げることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を説明するための研磨装置の構成図、図２は図１のＡ−Ａ線矢示図である。
【００２２】
研磨装置は、水平に支持された環状の下定盤１と、下定盤１に上方から対向する環状の上定盤２と、環状の下定盤１の内側に配置された太陽歯車３と、下定盤１の外側に配置されたリング状の内歯歯車４とを備えている。
【００２３】
下定盤１は、モータ１１により回転駆動される。上定盤２は、シリンダ５にジョイント６を介して吊り下げられ、下定盤１を駆動するモータ１１とは別のモータにより逆方向に回転駆動される。また、下定盤１との間に研磨液を供給するためのタンク７を含む研磨液供給系統を装備している。太陽歯車３及び内歯歯車４も、定盤を駆動するモータとは別のモータ１２により独立に回転駆動される。
【００２４】
下定盤１及び上定盤２の対向面には、不織布にウレタン樹脂を含浸させた研磨布、或いは発泡ウレタン等からなる研磨布が貼付されている。
【００２５】
下定盤１上には、複数のキャリア８が太陽歯車３を取り囲むようにセットされる。セットされた各キャリア８は、内側の太陽歯車３及び外側の内歯歯車４にそれぞれ噛み合う。各キャリア８には、半導体ウエーハ１０を収容するホール９が偏心して設けられている。そして、各キャリア８の厚みは、ウエーハ１０の最終仕上がり厚みの目標値と同一か、これより僅かに小さく設定されている。
【００２６】
ウエーハ１０の研磨を行うには、上定盤２を上昇させた状態で、下定盤１上に複数のキャリア８をセットし、各キャリア８のホール９にウエーハ１０をセットする。上定盤２を下降させ、各ウエーハ１０に所定の加圧力を付加する。この状態で、下定盤１と上定盤２の間に研磨液を供給しながら、下定盤１、上定盤２、太陽歯車３及び内歯歯車４を所定の方向に所定の速度で回転させる。
【００２７】
これにより、下定盤１と上定盤２の間で複数のキャリア８が自転しながら太陽歯車３の周囲を公転するいわゆる遊星運動を行う。各キャリア８に保持されたウエーハ１０は、研磨液中で上下の研磨布と摺接し、上下両面が同時に研磨される。研磨条件は、ウエーハ１０の両面が均等に研磨されるように設定される。
【００２８】
研磨中、下定盤１を駆動するモータ１１のトルク、或いは上定盤２を駆動するモータのトルクが監視される。そして、そのトルクが安定値から、予め設定した比率、例えば１０％低下した時点で、上定盤２を上昇させて研磨を終了する。これにより、ウエーハ１０の最終仕上がり厚さは、研磨前キャリア厚みより僅かに薄いか同一の厚みに高精度かつ安定的に管理される。
【００２９】
詳しく説明すると、ここでは、各キャリア８の厚さは、ウエーハ１０の最終仕上がり厚みと同一か、これより僅かに小さく設定されている。このため、研磨前のウエーハ１０の厚みは、キャリア８の厚みより十分に大きい。従って、この段階では、上下の研磨布は、ウエーハ１０の上下面にのみ実質接触しキャリア８の上下面には圧接しない。
【００３０】
研磨初期の段階においては、キャリア８より十分に厚いウエーハ１０が集中的に加圧され、投入された複数のウエーハ１０の厚みのバラツキが解消される。この間、下定盤１を駆動するモータ１１のトルク、或いは上定盤２を駆動するモータのトルクは、急上昇し、複数のウエーハ１０の厚みのバラツキが解消された時点でピークを向かえ、安定領域に入る。
【００３１】
研磨が更に進んでウエーハ１０の厚みがキャリア８の厚さより僅かに大きい値になると、前述したように、上定盤２からの加圧力がウエーハ１０及びキャリア８の両方に付加され、分散される。また、常時、上定盤２を経由して定盤１，２間に供給されていた研磨液の逃げ場がなくなり、上定盤２を持ち上げる方向に背圧が発生するため、ハイドロプレーン研磨（スリップ研磨）の状態になり、ウエーハ１０に付加される圧力が激減する。その結果、研磨が実質的に停止すると共に、下定盤１を駆動するモータ１１のトルクも、上定盤２を駆動するモータのトルクも急激に低下する。
【００３２】
従って、これらのトルクが、最大値から予め設定した比率、例えば１０％低下した時点を検知して研磨終了とすることにより、ウエーハ１０の最終仕上がり厚みは、キャリア８の厚さと同等かこれより僅かに小さい値に高精度に一致する。また、研磨前後にウエーハ１０の厚みを測定する作業も、研磨速度から研磨時間を算出して、これを管理する作業も不要になる。
【００３３】
研磨終了と判断するトルクの最大値からの低下率は５〜５０％が好ましく、５〜３０％が特に好ましい。５％未満では検出自体が困難であり、５０％超では研磨速度が遅く、無駄な研磨時間が生じ、またキャリアの磨耗が増加するため、好ましくない。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明の実施結果を従来例と比較して説明する。共通の研磨条件は以下のとおりである。
【００３５】
使用ウエーハ：１２インチシリコンウエーハ
研磨装置：Ｐｅｔｅｒ  Ｗｏｌｔｅｒｓ製両面研磨装置ＡＣ２０００Ｐ
研磨布：ロデール・ニッタ製発泡ウレタン研磨布ＭＨＮ１５Ａ
研磨液：Ｎａｌｃｏ２３５０  ２０倍希釈液
研磨圧：２００ｇ／ｃｍ2
使用キャリア：ステンレス鋼製
【００３６】
厚みが７４５μｍ、７４０μｍ、７２０μｍのキャリアを使用した。各研磨での上定盤のモータトルク値の経時変化を図３に示す。各トルク値が最大値より１０％低下した時点で研磨を終了した。７４５μｍ厚の第１のキャリアを使用した場合、研磨開始から４０数分後にトルク値が急激に低下し、最大値の１０％減で研磨を停止したときの最終仕上がり厚みは、７５１μｍに管理された。
【００３７】
これに対し、７４０μｍ厚の第２のキャリアを使用した場合、研磨開始から約６０分後にトルク値が急激に低下した。最大値の１０％減で研磨を停止すると、最終仕上がり厚みは、７４４μｍであった。７２０μｍ厚の第３のキャリアを使用した場合、研磨開始から８０数分後にトルク値が急激に低下した。最大値の１０％減で研磨を停止したときの最終仕上がり厚みは、７２６μｍであった。
【００３８】
本発明例として、ウエーハの最終仕上がり厚さ（７５０μｍ）より６μｍ薄い７４４μｍ厚のキャリアを使用し、上定盤のモータトルク値が最大値より１０％低下した時点で研磨を終了するトルク管理型の研磨方法を１０サイクル連続して実施した。また、従来例として、最終仕上がり厚さ（７５０μｍ）より１００μｍ薄いキャリアを使用し、サイクル毎にウエーハの厚みを測定して研磨速度を算出し、その研磨速度から次サイクルの研磨時間を算出する研磨時間管理型の研磨方法を１０回実施した。また、参考例として、研磨布初期状態での研磨速度の不安定さを露見させるために、研磨時間を一定にして連続研磨を行った。
【００３９】
それぞれの場合の最終仕上がり厚みを図４に示す。研磨布の使用初期では、研磨速度が不安定になる。一般に、その初期では、研磨剤が研磨布に十分に含浸しいないため、研磨が促進されず、研磨速度は小さい。サイクルを重ねると、徐々に研磨速度は大きくなる。従来の研磨時間管理型の場合、前サイクルの研磨速度から研磨時間を設定する。研磨布の１サイクル目や装置停止後の１サイクル目は、過去の実績値を参考に研磨時間を設定するため、仕上がり厚みの精度が不安定になりやすい。しかるに、本発明法の場合は、キャリア厚を基準にしたトルク管理により、安定して高精度が得られる。
【００４０】
最終仕上がり厚みと合わせて、その厚みの面内分布も評価した。結果を図５に示す。研磨時間管理型の従来法の場合、研磨後のウエーハの外周部に面ダレが発生しやすく、ＴＴＶ平均値が１μｍ強であったが、本発明法では、このＴＴＶ平均値が０．４μｍに改善された。本発明法でウエーハ外周部の面ダレが抑制される理由としては、ウエーハの研磨がキャリアの厚み近くまで進行した時点でウエーハ外周部にかかる荷重がキャリアによって緩和されることが考えられる。
【００４１】
図６は、上定盤モータトルクの低下挙動と、そのトルク低下がウエーハ厚及びキャリア厚に与える影響を示している。
【００４２】
この図から分かるように、上定盤を駆動するモータのトルク低下現象は、低下開始時に顕著で、低下開始からの時間が経過すると共に、低下速度が遅くなる。このモータトルクの低下と共に、ウエーハの仕上がり厚みはキャリア厚みに近づき、モータトルクの低下率が５〜３０％の範囲内で研磨を停止することにより、ウエーハの仕上がり厚みは、キャリア厚みに対して＋６μｍ以下に管理される。また、この範囲内では、キャリアの磨耗も実質的に生じない。
【００４３】
具体的に説明すると、研磨を停止するモータトルクの低下率を１０％とすれば、ウエーハの仕上がり厚みは、キャリア厚みの＋５〜６μｍとなる。すなわち、ここではウエーハの仕上がり厚みより５〜６μｍ薄いキャリアが使用される。研磨を停止するモータトルクの低下率を２０％とすれば、ウエーハの仕上がり厚みは、キャリア厚みの＋４〜５μｍとなる。研磨を停止するモータトルクの低下率を３０％とすれば、ウエーハの仕上がり厚みは、キャリア厚みの＋３〜４μｍとなる。研磨を停止するモータトルクの低下率を４０％とすれば、ウエーハの仕上がり厚みは、キャリア厚みの＋３μｍとなるが、キャリアに若干磨耗が生じる。研磨を停止するモータトルクの低下率を５０％とすれば、ウエーハの仕上がり厚みは、キャリア厚みに一致するが、キャリアの磨耗が大きくなり、研磨時間も長くなる。
【００４４】
なお、上記実施例では、研磨終了時期を決定するためのトルク値の変化を上定盤を駆動するモータのトルク値で検出したが、下定盤を駆動するモータのトルク値で検出してもよく、要は上下の回転定盤の少なくとも一方の回転駆動に関与するモータのトルク値の変化から、研磨終了時期を決定すればよい。
【００４５】
上記実施例では又、キャリアに公転運動と自転運動を組み合わせた遊星運動を行わせたが、キャリアを定位置で自転させてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のウエーハ研磨方法によれば、研磨後のウエーハの厚み測定及びその結果を基にした研磨時間の設定等の煩雑な作業が不要になる。また、簡単な作業にもかかわらず、ウエーハの仕上がり厚みが研磨布のコンディションに影響されない。このため、高精度な定寸研磨が簡単かつ安定に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するための研磨装置の構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢示図である。
【図３】定盤駆動モータのトルク変化とキャリア厚さとの関係を示すグラフである。
【図４】従来例、参考例及び本発明例についてウエーハの仕上がり厚さを示すグラフである。
【図５】従来例及び本発明例についてウエーハ厚さの面内バラツキを示すグラフである。
【図６】モータトルクの低下挙動と、その低下がウエーハ厚及びキャリア厚に与える影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１  下定盤
２  上定盤
３  太陽歯車
４  内歯歯車
８  キャリア
１０  ウエーハ
１１，１２  モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003991598.tif 000005
【図５】
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【図６】
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