(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハ回転中心と該ウェーハを支持する研磨ヘッドの回転中心を一致させた状態でワックスを用いることなく研磨ヘッドとバッキングパッドによりウェーハを保持して研磨を行なう枚葉式研磨方法において、
研磨前工程時におけるウェーハの平坦度の凸側部分に対応する位置に、前記バッキングパッドより硬質な回転対称の薄層シート体を介装するとともに、前記硬質な回転対称の薄層シート体を、前記凸側部分の加工圧力が増加するように、ウェーハ中央部が凹で外周側が凸の場合はウェーハ外周側の凸部に対応する径方向の幅を有するリング円状の回転対称体に、ウェーハ中央部が凸になっている場合は半径円状の回転対称体に、シート体の形状を選択して介装させて研磨を行ない、ウェーハの平坦度を改善することを特徴とするウェーハの枚葉式研磨方法。
【請求項２】
前記薄層シート体を、前記凸側部分の平坦度偏差より大で且つ１００μｍ以下の面圧分布が変化する程度の肉厚の紙若しくは樹脂シートで形成することにより、その凸側部分の面圧を高めて研磨を行ない、ウェーハの平坦度を改善することを特徴とする請求項１記載のウェーハの枚葉式研磨方法。
【請求項３】
ウェーハ回転中心と該ウェーハを支持する研磨ヘッドの回転中心を一致させた状態でワックスを用いることなく研磨ヘッドとバッキングパッドによりウェーハを保持して研磨を行なう枚葉式研磨装置において、
研磨前工程時におけるウェーハの平坦度の凸側部分に対応する位置に、前記バッキングパッドより硬質な回転対称の薄層シート体を介装するとともに、前記硬質な回転対称の薄層シート体を、前記凸側部分の加工圧力が増加するように、ウェーハ中央部が凹で外周側が凸の場合はウェーハ外周側の凸部に対応する径方向の幅を有するリング円状の回転対称体に、ウェーハ中央部が凸になっている場合は半径円状の回転対称体に、シート体の形状を選択して介装させて研磨を行ない、ウェーハの平坦度を改善することを特徴とするウェーハの枚葉式研磨装置。
【請求項４】
前記薄層シートが、前記凸側部分の平坦度偏差より大で且つ１００μｍ以下の面圧分布が変化する程度の肉厚の紙若しくは樹脂シートで形成されている薄層シート体を介装させたことを特徴とする請求項３記載のウェーハの枚葉式研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高平坦度を得ることの出来る枚葉式研磨方法とその装置に係り、特にワックスレスマウント方式によるウェーハの枚葉研磨において、高平坦度を得るのに好適なウェーハの枚葉式研磨方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体ウェーハは円筒状のインゴットをスライス切断、面取りを行なった後、研磨（ラップ）定盤とアズカットウェーハとを砥粒を含む研磨液を介して摺擦させながらラッピングを行ない、そして該ラッピングされたウェーハはケミカルエッチング処理された後、仕上げ加工工程に導かれる。
【０００３】
仕上加工工程においては、研磨（ポリッシング）パッドとウェーハとの間にＳｉＯ2 系微粒子を弱アルカリ液中に懸濁させたポリッシング液を用い、化学機械的研磨法により、平滑で無歪の鏡面に鏡面研磨される。
【０００４】
半導体ウェーハの化学機械的研磨法は、研磨剤を供給しながらウェーハと研磨布の間に一定の荷重と相対速度を与えながら行なう。研磨剤はアルカリ溶液中に焼成シリカやコロイダルシリカ等を分散させたものが主に用いられる。
シリコンウェーハの鏡面研磨はアルカリ溶液によってウェーハ表面に軟質なシリ力水和膜が形成され、その水和膜が研磨剤粒子によって除去されて加工が進むと考えられている。
【０００５】
かかる化学機械的研磨法においては、従来複数のウェーハをワックスの接着材によりガラスプレートやセラミックプレートに貼り付けて研磨する方法が主流であった。
かかるワックス法においては、接着層（ワックス層）の厚さの不均一性がそのまま、研磨後ウェーハの平面度、平行度等を反映するため、接着層厚を均一にすることが重要である。また、ウェーハ研磨後にウェーハからワックスを除去する必要があるため、工程が複雑になるという問題点があった。
【０００６】
かかる欠点を解消するために、ワックスを用いることなくウェーハを保持するワックスレスマウント方式が提案されている。
かかるワックスレスマウント方式には真空吸着によるワックスレス保持方法と、多孔質の樹脂、例えばポリウレタン樹脂多孔質体からなるバッキングパッドを用いてウェーハを水貼りするワックスレス保持方法とが利用されているが、いずれも前記したウェーハに対するワックスの塗布、除去が不要になるという長所がある。
【０００７】
さて前記した研磨装置は生産効率の面より、テンプレートに複数枚のウェーハを保持して研磨を行なうバッチ式研磨方法が主流であったが、近年、ウェーハの大口径化と、より平坦度に優れたウェーハ需要を背景に、テンプレートに一枚のウェーハを保持してウェーハ回転中心と該ウェーハを支持する研磨ヘッドの回転中心を一致させた状態で研磨を行なう枚葉式研磨方式が検討されている。
【０００８】
かかる枚葉式研磨方式に一枚ずつバッキングパッドとテンプレートで保持しつつ研磨するワックレスマウント方式を採用した場合、弾性に優れた研磨布、バッキングパッド、及び研磨ヘッドの機構により、ウェーハ面内に比較的一様な圧力が加わり、その結果、取り代の面内分布が均一となり、結果として前工程のウェーハの平坦度を維持するような研磨が行なわれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来の技術では、以下の問題を有している。
従来の技術では、前工程のウェーハの平坦度を維持するような研磨が行なわれるため、前工程における平坦度が優れている場合には、その平坦度を悪化させることなく研磨でき、結果として平坦度に優れたウェーハを得ることができる。一方、前工程における平坦度が不十分である場合には、従来の技術では、前工程のウェーハの平坦度を維持するような研磨が行なわれるため、結果として得られるウェーハの平坦度は不十分なままであり、平坦度を改善することができないという問題があった。
【００１０】
かかる欠点を解消するために、研磨ヘッド背面側より印加する研磨荷重分布、言換えればウェーハの面内荷重を部分的に強制変化させるために、研磨ヘッド背面側より液体圧（ウオータバッグ）若しくは空気圧（エアバッグ）を利用して前工程時のウェーハ平坦度の凹凸に対応した面内荷重を得るようにした技術も開示されているが、エアバッグやウオータバッグを研磨ヘッドに押圧する場合、装置構成が複雑になりやすく且つ必ずしも精度良い任意の面内荷重分布を得ることは困難である。
【００１１】
本発明は、特にワックレスマウント法を用いた化学機械的研磨法において、前工程におけるウェーハの平坦度が不十分である場合に、簡単な構造若しくは安価で汎用的な部材の付加で高精度の平坦度を得ることの出来るウェーハの枚葉式研磨方法とその装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１記載の本発明は、ウェーハ回転中心と該ウェーハを支持する研磨ヘッドの回転中心を一致させた状態でワックスを用いることなく研磨ヘッドとバッキングパッドによりウェーハを保持して研磨を行なう枚葉式研磨方法において、
研磨前工程時におけるウェーハの平坦度の凸側部分に対応する位置に、前記バッキングパッドより硬質な回転対称の薄層シート体を介装するとともに、前記硬質な回転対称の薄層シート体を、前記凸側部分の加工圧力が増加するように、ウェーハ中央部が凹で外周側が凸の場合はウェーハ外周側の凸部に対応する径方向の幅を有するリング円状の回転対称体に、ウェーハ中央部が凸になっている場合は半径円状の回転対称体に、シート体の形状を選択して介装させて研磨を行ない、ウェーハの平坦度を改善することを特徴とする。この場合に、薄層シート体は、前記凸側部分の平坦度偏差より大で且つ１００μｍ以下の面圧分布が変化する程度の肉厚の紙若しくは樹脂シートで形成されているのがよい。
【００１３】
請求項３記載の発明は、かかる発明を効果的に実施するための装置に関する発明で、ウェーハ回転中心と該ウェーハを支持する研磨ヘッドの回転中心を一致させた状態でワックスを用いることなく研磨ヘッドとバッキングパッドによりウェーハを保持して研磨を行なう枚葉式研磨装置において、
研磨前工程時におけるウェーハの平坦度の凸側部分に対応する位置に、前記バッキングパッドより硬質な回転対称の薄層シート体を介装するとともに、前記硬質な回転対称の薄層シート体を、前記凸側部分の加工圧力が増加するように、ウェーハ中央部が凹で外周側が凸の場合はウェーハ外周側の凸部に対応する径方向の幅を有するリング円状の回転対称体に、ウェーハ中央部が凸になっている場合は半径円状の回転対称体に、シート体の形状を選択して介装させて研磨を行ない、ウェーハの平坦度を改善することを特徴とする。
そして前記薄層シートは、前記凸側部分の平坦度偏差より大で且つ１００μｍ以下の面圧分布が変化する程度の肉厚の紙若しくは樹脂シートで形成されているのがよい。
【００１４】
尚、本発明に用いるシート体は、バッキングパッド（例えばポリウレタン樹脂多孔質体）より硬質な薄層シート、より具体的にはシートの材質にもよるが、前記凸側部分の平坦度偏差（通常は０．５〜３０μｍ程度）より大で、約１００μｍ以下の面圧分布が変化する程度の肉厚の紙若しくは樹脂シートで形成するのがよい。ウェーハの凸側部の偏差より薄いシート体では面圧を高める効果が少なく、また厚過ぎても過剰な研磨につながる。具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂等の樹脂シートが用いられるが、これらに限定されるものではない。
【００１５】
又、その径方向の幅（若しくは半径）もウェーハの凸部幅目一杯に設定することなく、凸部幅より小なる幅に設定するのがよい。
【００１６】
本発明を図１及び図２に基づいて説明する。
前述したように化学機械的研磨法による枚葉式研磨装置、特にワックスレスの枚葉式装置の場合においては、弾性に優れた研磨布、バッキングパッド、及び研磨ヘッドの機構により、略０．５〜３０μｍ程度の平坦度偏差を有するウェーハであってもウェーハ面内に比較的一様な圧力が加わる。
しかしバッキングパッド６と研磨ヘッド４の間に挿入されたシート１２がある部分では、シート１２の厚みにより、シート１２が存在していない領域に比べウェーハ１０に大きい圧力が加わり、取り代が増加する。
【００１７】
前工程で得られるウェーハ１０の形状が図１に示すように、ウェーハ１０中央部が凸になっている回転対称の形状を考える。この場合、通常通り研磨を行なうと前述のように前工程の形状が維持されるよう研磨されるため、中央部の凸形状が維持されたまま研磨される。平坦度を改善向上させるには、外周部に比べ、中央部の取り代が大きければよい。中央部の取り代を外周部より大きくするには、研磨時における中央部の面圧が外周部より大きくすればよい。よって図１に示したように、中央部の凸形状に対応した形状、大きさのシート１２を研磨ヘッド４とバッキングパッド６の間に挿入する。このことにより、シート１２が挿入された中央部の面圧が増し、外周部に比べ取り代が大きくなり、平坦度を改善することが出来る。
【００１８】
逆に前工程で得られるウェーハ１０の形状が図２に示すように、ウェーハ１０中央部が凹になっている回転対称の形状を考える。この場合には、外周部の取り代が中央部のそれより大きくなれば平坦度を改善することが出来る。よって、図２に示したように、外周部の凹形状に対応した形状、大きさのシート１２を研磨ヘッド４とバッキングパッド６の間に挿入する。このことにより、シート１２が挿入された外周部の面圧が増し、中央部に比べ取り代が大きくなり、平坦度を改善することが出来る。このような研磨方法はひとつの研磨ヘッドで１枚のウェーハを処理する枚葉式が好ましい。枚葉式にすることでウェーハ形状に対応したシートを容易に選択できる。
また、ウェーハの保持については真空吸着や水貼りタイプがある。研磨ヘッドが回転するため、ウェーハの保持方法は特に限定されないが、水貼りタイプでウェーハを保持した場合、研磨中にウェーハがウェーハ保持部材内で回転し、回転対称の形状を効率よく改善できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図３は本発明の実施例に係る枚葉式ワックスレス化学機械的研磨装置を示し、バッキングパッドを用いたワックスフリー研磨装置は、同図に示すように、研磨布２（ポリッシングパッド）を貼着した下側回転テーブル１と、下面側にバッキングパッド６を介して、ひとつの保持孔１３ａに１枚のウェーハ１０が保持されたテンプレート１３が接着された複数の研磨ヘッド４と、前記研磨布２にスラリー（研磨懸濁液）を供給するスラリー管５からなり、そして前記研磨布２を介してウェーハ１０を回転テーブル１側に押し付けてウェーハ１０の凹凸を平滑化する研磨装置であり、そしてかかる装置に用いるテンプレート１３はガラスエポキシ樹脂、ポリカーボネートシート、ポリエステルシート等から形成されており、またバッキングパッド６は多孔質の樹脂、例えばポリウレタン樹脂多孔質体から形成されている。
【００２０】
そして、ウェーハ１０は研磨ヘッド４との回転中心を一致させてバッキングパッド６に一体的に保持するとともに、回転テーブル１の回転中心に対し、複数の研磨ヘッド４の回転中心を半径方向に変位した位置に配置し、両者を互いに矢印方向に回転させることにより、テンプレート１３の保持孔１３ａに嵌設させたウェーハ１０は研磨布２に対し相対的に自転且つ公転しながら研磨される。
【００２１】
かかる装置を用いて、研磨パッド４とウェーハ１０との間にＳｉＯ2 系微粒子を弱アルカリ液中に懸濁させたポリッシング液を供給しながら化学機械的研磨を行なった場合の加工速度Ｖ（取り代）は、近似的に下記１）式であらわせられる。
Ｖ＝Ｋ・ｐ・ｖ・ ｔ    ……    １）
Ｋ：比例定数  ｐ：加工圧力  ｖ：相対速度  ｔ：加工時間
【００２２】
さて本装置のように、ワックスレスの枚葉式装置の場合においては研磨時のウェーハ１０の平坦度偏差が略０．５〜３０μｍ程度あっても、弾性に優れた研磨布、バッキングパッド６、及び研磨ヘッド４の機構により、ウェーハ１０面内に比較的一様な圧力が加わる。
そこで本実施例では、バッキングパッド６と研磨ヘッド４の間にシート１２を装入して、シート１２の厚みによりその部分の加工圧力ｐが増加するようにシート１２の形状を選択することによって、凸形状部分の面圧の増加を図り、言換えればシート１２が存在していない領域に比べウェーハ１０に大きい圧力が加わり、加工速度Ｖ（取り代）が増加するように設定する。
【００２３】
従って前工程で得られるウェーハ１０の形状が図１に示すように、ウェーハ１０中央部が凸になっているもの（図３の右図）であっても、また図２に示すように、ウェーハ１０中央部が凹になっているもの（図３の左図）であっても、シート１２の装入により、面内に不均一な面圧が生じ、取り代が調整され研磨される。
【００２４】
次に本発明と従来技術との比較実験を行なった。
先ず本装置を用いた研磨時の面圧を示す。図４は従来通り研磨へッド４とバッキングパッド６の間に何も介装することなくウェーハ１０にセットした場合の面圧分布である。
また図５はウェーハ１０形状の中央部が凸だった場合を想定し、研磨ヘッド４とバッキングパッド６の間にその凸部分より多少小さい径の円形シート１２（厚さ約９０μｍの樹脂シート）を挿入し、ウェーハ１０をセットしたときの面圧分布である。この図で凸状になっている部分の面圧が高い。
図４の従来の方法ではウェーハ１０面内全域にほぼ均一に圧力がかかっているが、一方図５のバッキングパッド６と研磨ヘッド４の間にシート１２を挿入した場合には、シート１２がある部分で圧力が増加していることが分かる。
【００２５】
前述したように、面圧が高い場合には、取り代が増加するので、シート１２を挿入した部分で取り代が増加し、ウェーハ平坦度を改善できることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、前工程におけるウェーハの平坦度が不十分である場合に、簡単な構造若しくは安価で汎用的な部材の付加で高精度の平坦度を得ることの出来、特に弾性に優れた研磨布、バッキングパッド、及び研磨ヘッドの機構により、ウェーハ面内に比較的一様な圧力が加わるワックレスマウント式の枚葉式研磨装置に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るウェーハ形状が中央部が凸になっているウェーハのシート形状とその装入位置を示す研磨ヘッド部の要部断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るウェーハ形状が中央部が凹になっているウェーハのシート形状とその装入位置を示す研磨ヘッド部の要部断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る枚葉式ワックスレス化学機械的研磨装置を示す全体図である。
【図４】従来技術に係る研磨へッドとバッキングパッドの間に何も介装することなくウェーハをセットした場合の面圧分布図である。
【図５】本発明に係る研磨へッドとバッキングパッドの間にシートを介装した状態でウェーハをセットした場合の面圧分布図である。
【符号の説明】
１    下側回転テーブル
２    研磨布
４    研磨ヘッド
５    スラリー管
６    バッキングパッド
１０  ウェーハ
１２  シート
１３  テンプレート
【図１】
0003821944.tif 000002
【図２】
0003821944.tif 000003
【図３】
0003821944.tif 000004
【図４】
0003821944.tif 000005
【図５】
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