JP2005223344A - 半導体ウェーハ、該半導体ウェーハを製造するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好なナノトポロジと、機械的加工の後のダメージの少ない「フィニッシュ」とを有する、特に平坦な半導体ウェーハを経済的に製造する。
【解決手段】それぞれ内側の部分スピンドル２Ａ，２Ｂと外側の部分スピンドル３Ａ，３Ｂとを備えた２つのダブルスピンドル１Ａ，１Ｂと、半導体ウェーハ８のローディングおよびアンローディングのための装置と、両ダブルスピンドルの間に配置されたワーク収容部とが設けられており、該ワーク収容部によって半導体ウェーハ８が研削ステップの間、自由にフローティングするように保持されており、部分スピンドルが同軸的に配置されていて、半導体ウェーハ８の両面を研削するための研削砥石４Ａ，４Ｂ；６Ａ，６Ｂを支持しており、ダブルスピンドル１つ当たりそれぞれ少なくとも一方の部分スピンドルがダブルスピンドルの他方の部分スピンドルとは別個に独立して軸方向に移動可能である。
【選択図】図２

Description

本発明の対象は、良好なナノトポロジ（Nanotopologie）と、機械的な加工の後のダメージの少ない「フィニッシュ（Finish）」とを有する、特に平坦な半導体ウェーハを製造するための方法、このような半導体ウェーハおよび扁平なワークを両面研削するための装置である。

エレクトロニクス、マイクロエレクトロニクスおよび（マイクロ）エレクトロメカニクスのためには、グローバルな平坦度およびローカルな平坦度、厚さ分布、片面に関するローカルな平坦度（ナノトポロジ）、粗さおよび清浄度に対して極端な要求を課せられた出発材料（基板）が必要とされる。基板としては、使用目的に応じて、金属、絶縁体または半導体材料から成る「ウェーハ（Wafer）」が使用される。半導体材料としては、特にガリウムヒ素のような化合物半導体が使用されるが、しかし多くの場合、シリコンのような元素半導体および時々はゲルマニウムも使用される。さらに、人工的に形成された層構造体を有する基板、たとえば二酸化ケイ素上のシリコン（SOI、silicon on insulator）、有利にはエピタキシャル的に製造されたシリコン・ゲルマニウム混合結晶（格子歪み型のシリコン、「ストレインドシリコン」；strained silicon）および二酸化シリコン上のシリコン・ゲルマニウム混合結晶（sSOI、ストレインドSOI）を有する基板も「半導体ウェーハ」であると解釈される。半導体ウェーハは特にマイクロエレクトロニクスにおける使用時では、特に厚さ一定で、グローバルにもローカルにも平坦で、平滑でかつ清浄に形成されていなければならない。

たとえば２ｍｍ×２ｍｍまたは１０ｍｍ×１０ｍｍの、表面に配置された測定窓内での半導体ウェーハの、表面（構成部分側）に関する平坦度は、ＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials International）規格によれば「ナノトポロジ」と呼ばれる。最も小さく、かつなおも規定された状態でかつ再現可能に製造された構造体延在長さに応じて呼称される、それぞれ新しい構成部分世代（「デザインルール」）が生まれるたびに、ナノトポロジに対してはその都度厳格化された要求が課されている。現在では、既に１３０ｎｍ世代、９０ｎｍ世代および６５ｎｍ世代のための要求が満たされなければならない。

公知先行技術によれば、シリコンから成る半導体ウェーハは連続する多数のプロセスステップにおいて製造される。これらのプロセスステップは一般に次のようなグループに仕分けすることができる：
ａ）単結晶シリコンインゴットの製造（結晶成長）
ｂ）シリコンインゴットの、個々のウェーハへの分断（「スライシング」、「ソーイング」）
ｃ）機械的な加工（メカニカル加工）
ｄ）化学的な加工（ケミカル加工）
ｅ）化学機械的な加工（ケモメカニカル加工）
ｆ）場合によってはコーティング。

これに加えて、多数のサブステップ、たとえばクリーニング、分級、測定、パッケージング等が挙げられるが、しかしこれらのサブステップはウェーハ平坦度および特にナノトポロジに対しては直接的な影響を持たないので、以下、これらのサブステップについては取り上げない。

単結晶のシリコンインゴットの製造は通常、るつぼ引上げ（チョクラルスキ法）により行われる。さらに、ゾーン引上げ（多結晶シリコンから成るインゴットの再結晶）によっても≦２００ｍｍの直径を有するインゴットが製造される。

有利な分断法は、ワイヤソーイング（「マルチワイヤスライシング」、MWS）、特に微粒子を有するワイヤソーイング（「スラリ」式MWS）または結合された粒子を有するワイヤソーイング（ダイヤモンドワイヤ式MWS）である。

機械的な加工は、ソーイングうねり（ソーマーク）の除去、より粗いソーイングプロセスに基づき結晶にダメージを受けた表面層またはソーシングワイヤにより汚染された表面層の除去、およびとりわけ半導体ウェーハのグローバルな平坦化のために役立つ。この場合、シーケンシャルな片面研削法（「single-side grinding」、SSG）および同時両面研削法（「double-disk grinding」、DDG）ならびにラッピングおよび平面ホーニングが使用される。

片面研削の場合、半導体ウェーハの裏面はベース（「チャック」）上に保持され、表面はカップ形研削砥石または（あまり使用されていないが）外部研削砥石によってベースおよび研削砥石の回転下およびゆっくりとした半径方向の送り下に平坦化される。

たとえば欧州特許出願公開第８６８９７４号明細書に記載されている同時両面研削の場合には、半導体ウェーハが、互いに向かい合って位置するコリニア（共線的）なスピンドルに組み付けられた２つの砥石車の間に自由フローティング式に支承されて同時に両面加工され、そしてこの場合、ほとんど強制力なしに表側および裏側で作用するウォータクッション（ハイドロスタティック原理）またはエアクッション（エアロスタティック原理）の間で軸方向に案内され、半径方向では周囲の薄いガイドリングまたは個々の半径方向のスポークによってルーズに保持されてフロートアウェイ（浮動離反）が阻止される。半導体ウェーハは研削の間、その対称軸線を中心にして回転する。この回転は表側に作用する摩擦車と裏側に作用する摩擦車とにより行われるか、半導体ウェーハに設けられた向き認識切欠き（「ノッチ」）内に係合する連行体（「ノッチフィンガ」）を介して行われるか、または半導体ウェーハの周面に部分的に巻き掛けられた摩擦ベルトにより行われる。半導体ウェーハの極めて良好なジオメトリ値およびナノトポロジ値を得るためにDDG原理にとって特に重要となるのは、スピンドル相互の正確な位置整合（共線性）および研削砥石間の中央平面と半導体ウェーハの中心平面との正確な位置整合（共面性）である。さらに、エアクッションまたはウォータクッション（「ハイドロパッド」）の配置、圧力、厚さ、通流速度および同一性も特に重要となる。このエアクッションまたはウォータクッションを形成するための装置は、剛性的に配置されていてよく、その場合、半導体ウェーハの厚さが減少するにつれて、エアクッションまたはウォータクッションの厚さは研削の間、増大するか、または（有利には材料除去の間、エアクッションまたはウォータクッションの一定の厚さに合わせて制御されて）研削の間、追従される。正確な位置整合を保証するためには、一連の種々の測定装置が使用される。これらの測定装置は半導体ウェーハの位置を監視し、そしてスピンドルの軸方向移動により、発生した非対称性を阻止する。半導体ウェーハの位置の絶対測定に対して付加的に、一般に半導体ウェーハの厚さも、表側および裏側の同期的なプロービングによりその場で求められ、そして研削プロセスステップ（スピンドル送り）の制御および特に目標厚さに正確な最終スイッチオフのために使用される。

半導体ウェーハの縁部は一般にやはり加工されなければならない（エッジラウンディング）。このためには、プロファイリングされた研削ディスクを用いたコンベンショナルな研削ステップ、連続的な工具送りまたは周期的な工具送りを行うベルト研削法または統合されたエッジラウンディング法（エッジ研削とエッジ研磨とを１つのステップで行う）が使用される。

化学的な加工ステップのグループは、特に不純物の除去、ダメージを受けた表面層の除去および表面粗さの低減のためのクリーニング・エッチングステップを有している。エッチングの場合には、アルカリ性媒体を用いたエッチングステップ、特にＮａＯＨ、ＫＯＨまたはテトラメチルアンモニウム−ヒドロキシド（TMAH）を主体としたアルカリ性媒体を用いたエッチングステップおよび酸性媒体、特にＨＮＯ_３／ＨＦの混合物を主体とした酸性媒体を用いたエッチングステップまたはこれらのエッチングステップの組合せが使用される。時折、プラズマエッチングのような別のエッチング法も使用される。

ケモメカニカルな加工ステップのグループはポリシングステップを有している。ポリシングステップを用いて、部分的に化学的な反応と部分的に機械的な材料除去（砥粒切削；Abrasion）とによって表面が平滑化される。片面ポリシング（single-side polishing、SSP）の場合には、半導体ウェーハの裏面が加工の間、キャリヤプレート上に接着剤、真空または粘着によって保持される。両面ポリシング（DSP）の場合には、半導体ウェーハが薄い歯付ディスク内にルーズに嵌め込まれ、そして研磨布で被覆された上下の両研磨定盤の間で「自由フローティング式」に表側と裏側とで同時に研磨される。研磨は一般に１回または複数回の前研磨ステップ（除去研磨）およびヘイズフリー研磨ステップ（精密研磨）および場合によってはさらに中間ステップ（「バフ研磨」）を有している。前研磨は単ウェーハ式または多ウェーハ式のＳＳＰまたはＤＳＰとして実施され得る。ヘイズフリー研磨では、より高い摩擦力（より柔らかい研磨布）に基づき、単ウェーハ研磨または多ウェーハ研磨の形のＳＳＰしか使用されない。

特に要求の多い用途では、上記方法を超えて半導体ウェーハの精密後加工が必要となり得る。この精密後加工を用いて形状偏差が的確に局所的に後加工される。このようないわゆる「サブアパーチュア法（Sub-Apertur-Verfahren）」の例は「プラズマ・アシスティド・ケミカル・エッチング（PACE）」および類似のプラズマエッチング法、たとえば「ジェット・エッチ法（jet-etch-Verfahren）」である。大きなポテンシャルを有する比較的新しいサブアパーチュア法が磁気レオロジ「フィニッシング」（MRF）である。このMRFは、たとえば国際公開第２００３／０６００２０号パンフレットに詳しく説明されており、単ウェーハ式または多ウェーハ式の加工法として実施され得る。MRF法は局所的な材料除去のために磁気レオロジ液体（強磁性流体）を利用する。磁気レオロジ流体（MR流体）の粘度は磁界内では磁界強度に関連して最大数オーダだけ増大する。これによって、局所的に、剛性的な（磁気的に「濃縮された」）「研削工具」を形成することができる。この「研削工具」を用いて半導体ウェーハの表面が研削除去される。MRF法を用いて得られる平坦度は、かなり大きな加工手間（サイクル時間）をかけた場合、ポリシングにより得られる平坦度よりも最大１オーダ分だけすぐれている。

良好なナノトポロジを有する特に平坦な半導体ウェーハを製造するためには、多段式の機械的な材料除去加工ステップが使用されると有利である。たとえば米国特許第５９４２４４５号明細書に記載の方法は、第１の研削機械における第１の粗い研削ステップ（この場合、有利にはＤＤＧが使用される）と、その後に第２の研削機械で行われる、微細な研削砥石を用いた両面のシーケンシャルなＳＳＧとから成る一連のプロセスを有している。しかし、このような多段式の連続プロセスは複雑であり、あまり自在性を有しておらず、しかも繰り返される切込み・仕上げ研削（Ein-und Ausschleifen）に基づき、総合的には極めて高い材料除去量を必要とする。しかし、特にＳＳＧは先行したＤＤＧの利点の大部分を再び無効にしてしまう。

米国特許第６０６６５６５号明細書には、２段式の機械的なプラナリゼーションステップを有するプロセス経過が記載されている。この場合、半導体ウェーハのエッジラウンディングは第１の機械的なプラナリゼーションステップと第２の機械的なプラナリゼーションステップとの間に実施される。両プラナリゼーションステップはそれぞれ独立して、提案された機械的な加工プロセスのグループ全体から選び出される。このグループはＤＤＧ、ＳＳＧ、ラッピングならびにプラズマエッチングを包含している。このプロセス経過も複雑で、材料集中的であり、しかも故障が発生し易く、かつ高価である。
欧州特許出願公開第８６８９７４号明細書 国際公開第２００３／０６００２０号パンフレット 米国特許第５９４２４４５号明細書 米国特許第６０６６５６５号明細書

本発明の課題は、特に良好なナノトポロジと、逐次プロセスステップにおいて場合によってはなお必要となる材料除去の低減を可能にする、機械的な加工の後のダメージの少ない「フィニッシュ」とを有する、特に平坦な半導体ウェーハを経済的に製造するための方法および装置を提供することである。

上記課題を解決するために本発明の方法では、半導体ウェーハの両面研削を包含する、半導体ウェーハを製造するための方法であって、半導体ウェーハを研削工具によって両面同時に、最初は粗くかつ引き続き精密に研削する形式の方法において、粗研削と精密研削との間に半導体ウェーハを研削機械にチャックしたまま残し、粗研削から精密研削への移行時にほぼ一定の、つまりほぼ不変の負荷をかけて研削工具を係合させるようにした。

上記課題を解決するために本発明の装置では、扁平なワークを両面研削するための装置であって、それぞれ内側の部分スピンドルと外側の部分スピンドルとを備えた２つのダブルスピンドルと、ワークのローディングおよびアンローディングのための装置と、両ダブルスピンドルの間に配置されたワーク収容部とが設けられており、該ワーク収容部によってワークが研削ステップの間、自由にフローティング（浮動）するように保持されている形式のものにおいて、部分スピンドルが同軸的に配置されていて、ワークの互いに背中合わせに位置する面を研削するための研削砥石を支持しており、ダブルスピンドル１つ当たりそれぞれ少なくとも一方の部分スピンドルがダブルスピンドルの他方の部分スピンドルとは別個に独立して軸方向に移動可能であるようにした。

本発明による装置は、たとえば米国特許第３８８５９２５号明細書および国際公開第９９／３９８７３号パンフレットに代表される公知先行技術とは、特に２つのダブルスピンドルが配置されている点で異なっている。このような特徴によってはじめて、本発明による方法も実現可能となる。

本発明による方法の第１の実施態様では、半導体ウェーハの粗研削と精密研削とを包含する同時両面研削が、中断なしの作業ステップで１つの機械において実施され、この場合、半導体ウェーハはコリニアに、つまり共線的に配置された一対のダブルスピンドルの間で研削される。半導体ウェーハの中心平面と各研削砥石（ホイール）の間の中央平面とはコプレーナ、つまり共面的である。

本発明による方法の第２の実施態様では、半導体ウェーハの粗研削と精密研削とを包含する同時両面研削が、中断なしの作業ステップで１つの機械において実施され、この場合、半導体ウェーハは一対のダブルスピンドルの間で研削され、半導体ウェーハの中心平面と各研削砥石（ホイール）の間の中央平面とはコプレーナ、つまり共面的である。第１の実施態様とは異なり、ダブルスピンドルは粗研削の間、コリニア配置から傾倒されており、そして精密研削時に再びコリニアに位置整合されている。

本発明による方法は特に、半導体ウェーハの同時両面加工が粗研削から精密研削へのチェンジ時にほとんど負荷交番なしに、つまり中断なしの作業ステップの形で行われることにより特徴付けられている。粗研削から精密研削へのチェンジ時では、ダブルスピンドルの両精密研削砥石が表側と裏側とで係合させられ、この場合、半導体ウェーハは係合交番時の間、半導体ウェーハを軸方向で案内する収容クッションの間での、応力なしの中央位置から離脱せず、したがって変形を招くという理由で望ましくないとされる合成強制力が半導体ウェーハに加えられることはない。このためには、研削砥石前縁部の実際の位置、つまり研削パッドの摩耗に基づき位置変化を受ける実際の位置が、半導体ウェーハの位置および厚さの監視によってそれぞれ測定されかつ追従され、この場合、研削砥石の侵入前に常に最小のかつ有利には極僅かな安全マージンを持って（「エアカット」）、研削を行うことができる。

このように本発明による方法は負荷交番をほとんど有していないが、このことは本発明による方法の第２の実施態様では、粗研削時にダブルスピンドルの傾斜を調節することによって半導体ウェーハの非プレーナ（非平坦）な形状が意図的に調節され、そして粗研削された半導体ウェーハのこのような形状に基づき、精密研削時では精密研削砥石が半導体ウェーハと広範囲にわたって完全に係合するのではなく、ゆっくりとかつ連続的な、急激でない力交番下に、前研削された非プレーナな半導体ウェーハに侵入するようになり（「切込み」）、精密研削時にはじめて半導体ウェーハの最終的に所望される平行平面性が形成されることにより達成される。

応力なしのワーク案内と同時の表面・裏面加工とを有する粗研削および精密研削のためのそれぞれ２つの研削砥石を備えたダブルスピンドルを用いる、十分に負荷交番なしの、多段式でかつ中断なしの本発明による加工（Dual spindle Double-Disk Grinding、DDDG）に基づき、種々の機械において種々の工具を用いて行われる多段式の加工法の前記欠点が回避され、そして特に以下に述べるような利点が得られる。

すなわち、迅速な加工が保証されている。なぜならば、両面研削時の所要の精度に基づき機械チェンジ時に原理的な理由から極めて長い時間がかかる完全なローディング・アンローディングサイクルが節約されるからである。ほぼ任意の粗研削砥石／精密研削砥石の組合せを使用することができる。特に、粗研削砥石が、従来では許容され得ないような粗い表面を形成するような粗研削砥石／精密研削砥石の組合せを使用することができる。機械チェンジを伴う粗研削と精密研削とを包含する従来の方法においてこのような組合せが使用された場合、半導体ウェーハはローディング・アンローディング時または搬送時のハンドリングの間、このような粗研削された半導体ウェーハの高い破壊し易さに基づいて脱落してしまう。しかし、特にダメージの少ない平滑な表面（「フィニッシュ」）を形成するための精密研削砥石は加工能率的には低い（schnittunwillig）とみなされ、このような研削砥石を半導体ウェーハ内に侵入させることができるようにするためには典型的な研削加工粗さ、つまりたとえば粗く前研削された表面を必要とする。提案された方法を用いると、機械チェンジを伴う相応する多段式の研削方法の場合には経済的に不可能であるような表面フィニッシュを形成することができる。すなわち、粗く前研削された表面における、特に微細な研削パッドを備えた精密研削砥石を用いた後研削は精密研削砥石の極めてゆっくりとした緩速な侵入をも必要とすることが判っている。迅速な侵入が行われると、精密研削砥石の加工能率が低いことに基づき、負荷ピークが発生し、この負荷ピークはノッチまたはノッチフィンガにおける過剰負荷を招いて、半導体ウェーハの破壊を生ぜしめる恐れがある。このような緩速な侵入は、研削砥石の侵入前の極僅かの安全マージン（「エアカット」）を用いるだけで経済的なサイクル時間で可能となる。機械チェンジを有する相応する方法では、熱ドリフトに基づいた変動により、短いサイクル時間が妨げられる。本発明による単機械・ダブルスピンドル型の両面同時研削（ＤＤＤＧ）では、粗研削ステップと精密研削ステップとが直接に連続して行われることに基づいて経済性が与えられている。なぜならば、両部分ステップの間に熱ドリフトが発生する危険はなく、そして同時に精密研削の出発厚さにもなる粗研削の最終厚さが同一の測定工具によって従来よりも著しく正確にその場で（in situ）監視されかつ制御され得るからである。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、粗研削されかつ研磨された半導体ウェーハにおけるナノトポロジおよび光散乱性の表面欠陥の測定結果が示されている。この場合、種々の加工能率の研削砥石が粗研削のために使用された。

図２には、単機械・ダブルスピンドル型の両面同時研削（ＤＤＤＧ）のための本発明による装置の原理が示されている。

図３ａ〜図３ｇには、前記装置および半導体ウェーハが前記方法の種々の時点で、前記方法の第１の実施態様（図３ａ、図３ｂ、図３ｃ、図３ｄ）および第２の実施態様（図３ｅ、図３ｆ、図３ｇ）に関してそれぞれ別個に示されている。すなわち、図３ａは研削装置への半導体ウェーハのローディングを示しており、図３ｂは半導体ウェーハの粗研削を示しており、図３ｃは半導体ウェーハの精密研削を示しており、図３ｄは研削装置からの半導体ウェーハのアンローディングを示している。図３ｅは前記方法の第２の実施態様による粗研削から精密研削への負荷交番なしの移行および半導体ウェーハの非プレーナ中間形状を示しており、図３ｆは半導体ウェーハ上への精密研削砥石の載着を示しており、図３ｇは半導体ウェーハのプレーナ最終形状の形成時における半導体ウェーハの精密研削を示している。

図４ａには、特に平坦でかつ平行平面な半導体ウェーハを製造するための、本発明に関係する一般的な方法の主要ステップが示されている。図４ｂは、別のプロセスステップを包含する前記一般的な方法の特に有利な実施態様が示されている。

まず、図１について詳細に説明する。図１には、種々異なる粗さの、つまり種々異なる加工能率のＤＤＧ研削砥石を用いて同時に両面研削されている、研磨された半導体ウェーハのグループのナノトポロジ（上部）および光散乱性の表面欠陥（下部）の統計的な分布（中央値、四分位、２シグマ値、外れ値；「箱ヒゲ図；Box and Whisker-Plot」）が示されている。研削砥石がアグレッシブになればなるほど、つまり粗くなればなるほど、もしくは加工能率が高くなればなるほど、測定されたナノトポロジはますます良好になるが、しかし半導体ウェーハ表面の、エッチングおよびポリシングの後になおも残った残留ダメージもますます大きくなることが判った。良好なナノトポロジと、ダメージの少ない表面とを同時に得ること、つまり唯一つの研削砥石を用いて得ることは不可能であることは明らかである。それどころか、粗研削と精密研削とを有する二重加工ステップが必要となる。発明によれば、このような二重加工ステップが１つのＤＤＤＧ装置を用いて実施される。

図２には、単機械・ダブルスピンドル型の両面同時研削（ＤＤＤＧ）のための本発明による装置の原理図が示されている。この装置は互いに向かい合って位置するコリニアに位置整合されたダブルスピンドル１Ａ（左側のダブルスピンドル）および１Ｂ（右側のダブルスピンドル）を備えている。ダブルスピンドル１Ａ，１Ｂは、それぞれ同軸配置された内側の粗研削スピンドル２Ａ，２Ｂと外側の精密研削スピンドル３Ａ，３Ｂとから成っている。粗研削スピンドル２Ａ，２Ｂおよび精密研削スピンドル３Ａ，３Ｂはそれぞれ粗い研削砥石６Ａ，６Ｂおよび精密な研削砥石４Ａ，４Ｂを支持している。これらの研削砥石はそれぞれ粗い研削粒子を有する研削パッド７Ａ，７Ｂおよび微細な研削粒子を有する研削パッド５Ａ，５Ｂを有している。択一的には、粗い研削砥石と精密な研削砥石とが置き換えられて配置されていてもよい。すなわち、粗い研削砥石が精密な研削砥石に対して外側に位置していてもよい。半導体ウェーハ８は軸方向において表側および裏側でウォータクッションまたはエアクッション１１Ａ，１１Ｂ、つまり「ハイドロパッド」または「エアパッド」を有するワーク収容部によってルーズに案内される。半径方向では、半導体ウェーハ８の周面を取り囲むリング１２によって、半導体ウェーハ８のフロートアウェイ（浮動離反）が阻止され、この場合、リング１２は閉じられているか、またはスポーク状の複数の区分から成っている。リング１２は半導体ウェーハ８の最終厚さよりも薄く形成されていて、安定的な支持リング９内に緊締されている。

図３ａに示したように、本発明による方法の開始時では、側壁１０Ａ，１０Ｂにより仕切られた研削チャンバが開放され、この研削チャンバ内に半導体ウェーハ８がローディングされる。内側の粗研削スピンドル２Ａ，２Ｂと外側の精密研削スピンドル３Ａ，３Ｂに取り付けられた粗研削砥石６Ａ，６Ｂおよび精密研削砥石４Ａ，４Ｂを備えた研削スピンドルもしくはダブルスピンドル１Ａ，１Ｂは引き戻されている。半導体ウェーハ８は、たとえばローディング装置として働くロボットアーム（図示しない）によって研削チャンバ内に導入される。ローディング装置が引き戻されると、たとえば研削チャンバの図面で見て右側の部分に真空１３をかけることにより、半導体ウェーハ８が研削チャンバ内に留まることが確保される。引き続き、研削チャンバは側壁１０Ａの戻し運動によって閉鎖される。図３ｂに示した時点では、外側の精密研削スピンドル３Ａ，３Ｂに対して軸方向で固定量だけストローク運動を実施することのできるダブルスピンドル１Ａ，１Ｂの内側の粗研削スピンドル２Ａ，２Ｂが、送られた位置に位置しているので、ダブルスピンドル１Ａ，１Ｂが半導体ウェーハ８へ接近させられると、粗研削砥石６Ａ，６Ｂだけが半導体ウェーハ８と係合する。半導体ウェーハ８はウォータクッションまたはエアクッション１１Ａ，１１Ｂの間で応力なしに浮動しており、半導体ウェーハ８の中心平面は研削砥石の間の中央平面に対してコプレーナもしくは共面的に位置している。粗研削砥石６Ａ，６Ｂは、回転するダブルスピンドル１Ａ，１Ｂを回転する半導体ウェーハ８内へゆっくりと送り込むことによって半導体ウェーハ８を粗研削目標厚さ１４にまで研削する。粗研削目標厚さ１４の達成は、その場で（in situ）作動する測定手段２０Ａ，２０Ｂによって検出される。この測定手段２０Ａ，２０Ｂは半導体ウェーハ８の表面と裏面とを同時にプロービングし、これにより研削継続中に半導体ウェーハ８の目下の厚さを連続的に求める。粗研削ステップおよび精密研削ステップの終了時における目標厚さの到達の時点でダブルスピンドル１Ａ，１Ｂの実際の位置との比較によって、粗研削砥石６Ａ，６Ｂの研削パッド７Ａ，７Ｂおよび精密研削砥石４Ａ，４Ｂの研削パッド５Ａ，５Ｂの目下の実際高さが互いに別個に独立して求められ、かつ各スピンドル位置の所要の軸方向位置補正のために使用される。測定手段２０Ａ，２０Ｂまたは別の距離センサを用いて、半導体ウェーハ８の中心平面が常時、研削砥石の間の中央平面に位置することも確保される。さらに、研削パッド７Ａ，７Ｂおよび研削パッド５Ａ，５Ｂの各前縁部の、目標厚さの達成時に求められた実際位置により、ダブルスピンドル１Ａ，１Ｂの位置が補正されるので、研削パッドの前縁部は研削の間、同じく前記中央平面に向かって対称的に接近する。こうして、半導体ウェーハ８が、応力なしの中央位置から離脱しなくなり、そして特に切込み・仕上げ研削（ワークへの侵入もしくは「スパークアウト」および引戻し）の臨界的な瞬間に強制力が半導体ウェーハ８に全く作用しないか、またはほとんど作用しないことが確保されている。

粗研削目標厚さ１４の達成時には、内側の部分スピンドル２Ａ，２Ｂが、軸方向の往復動機構により規定された引戻し量１８Ａ，１８Ｂだけ引き戻されるので、粗研削砥石６Ａ，６Ｂは半導体ウェーハ８との係合状態から解離され、そして精密研削砥石４Ａ，４Ｂが前側の位置に到達する。それと同時に、または少なくともその直後に、両部分スピンドル２Ａ，２Ｂおよび３Ａ，３Ｂを備えたダブルスピンドル１Ａ，１Ｂが、内側の部分スピンドル２Ａ，２Ｂの軸方向のストローク運動の量１９Ａ，１９Ｂだけ、かつ粗研削パッド７Ａ，７Ｂおよび精密研削パッド５Ａ，５Ｂの種々異なる摩耗度を考慮して送られる。

図３ｃに示した時点で、精研削砥石４Ａ，４Ｂは既に前側の位置に位置していて、ダブルスピンドル１Ａ，１Ｂをさらに送ることにより研削パッド５Ａ，５Ｂによって半導体ウェーハ８に切り込んでいる。この切込みは、測定手段２０Ａ，２０Ｂによって規定の精密研削目標厚さ１５の達成が確認されるまで行われる。

図３ｄに示した時点では、ダブルスピンドル１Ａ，１Ｂが完全に引き戻されており、半導体ウェーハ８の回転は停止されており、そしてウォータクッションまたはエアクッション１１Ａ，１１Ｂに対する供給も遮断されている。半導体ウェーハ８は、たとえば図面で見て研削チャンバの右側の部分に真空２２をかけることにより、研削チャンバの不動の側壁１０Ｂに位置固定され、研削チャンバは側壁１０Ａの引戻しによって開放される。引き続き、半導体ウェーハ８はアンローディング装置、たとえばロボットアームを用いて研削チャンバから取り出され、これによって研削サイクルは終了される。

図３ｅには、当該方法の第２の実施態様による粗研削から精密研削への負荷交番なしの移行および半導体ウェーハ８の非プレーナ中間形状が示されている。この第２の実施態様は半導体ウェーハ８の特に穏やかな、ほぼ連続的な、中断・強制力なしの加工を可能にする。ダブルスピンドル１Ａ，１Ｂは粗研削の前に、有利には対称的な角度２１Ａ，２１Ｂだけ傾けられ、これにより研削砥石は半導体ウェーハ８を粗研削時に非プレーナ中間形状にもたらす。

図３ｆに示したように、半導体ウェーハ８が粗研削後に有している平坦ではない非プレーナ中間形状１８に基づき、精密研削砥石４Ａ，４Ｂが特に穏やかに、応力少なく、かつ急激な負荷交番を回避しながら半導体ウェーハ８へ侵入し得ることが可能となる。半導体ウェーハ８内への進入時に精密研削砥石４Ａ，４Ｂは半導体ウェーハ８との点接触１７しか有しないので、初期の段階では極めて小さな切削力しか働かない。半導体ウェーハ８の精密研削の前に、仰角もしくは当付け角２１Ａ，２１Ｂは取り戻されるので、ダブルスピンドル１Ａ，１Ｂは再びコリニアもしくは共線的に位置整合されていて、半導体ウェーハ８の中心平面と、研削砥石の間の中央平面とはコプレーナもしくは共面的となる。図３ｇに示した、半導体ウェーハ８の最終厚さを有する平行平面的な目標形状１６は精密研削によって形成される。引き続き、図３ｄに示した構成に相応して、研削サイクルは終了される。

図４ａには、少なくとも１つの研磨された面を備えた特に平坦でかつ平行平面的な半導体ウェーハを製造するための一般的な方法の主要ステップが示されている。この場合、本発明による単機械・ダブルスピンドル型の両面同時研削（ＤＤＤＧ）は、一般的な方法の一連のステップの１つである。一連の主要ステップは（１）インゴット、特に単結晶からの半導体ウェーハの切断、（２）ＤＤＤＧおよび（３）研削された半導体ウェーハの少なくとも１つの面のポリシングを包含している。

図４ｂには、別のプロセスステップを包含する一般的な方法の特に有利な実施態様が示されている。実線により描かれた矢印は、実施が義務付けられているプロセスステップを表し、破線により描かれた矢印は付加的な選択的なプロセスステップを表す。この場合、選択的なプロセスステップの記載は例示的なものであって、完全なものではない。この実施態様は２つの異なるコア手順、つまり
（１）切断→エッジラウンディング→ＤＤＤＧ→精密ポリシングの各ステップ、
（２）切断→ＤＤＤＧ→エッジラウンディング→精密ポリシングの各ステップ
を有する２つのコア手順に分けられる。

両コア手順において、機械的な加工の後に選択的にエッチングを行うことができる。エッチングにより、半導体ウェーハの片面または両面から材料が除去される。さらに、選択的に精密ポリシングの前に前ポリシングを行うことができる。この場合、この前ポリシングは同時両面ポリシング（ＤＳＰ）またはシーケンシャル片面ポリシング（ＳＳＰ）であってよい。さらに、ＳＳＰは、半導体ウェーハの裏面だけを研磨するステップであってよい（backside touch-polish、BSTP）。付加的に、前ポリシングと精密ポリシングとの間に、サブアパーチュア法、有利には磁気レオロジフィニッシング（ＭＲＦ）を用いたジオメトリ精密後加工を行うことができる。

使用例
本発明によるＤＤＤＧ法の使用例として、以下のプロセスパラメータが有利であることが明らかにされる：
粗研削時では、このことは、４〜５０μｍの粒度と、セラミックまたは金属により結合された砥粒（Abrasiv）としてのダイヤモンドとを有する、内側の部分スピンドルまたは外側の部分スピンドルによって保持された研削砥石、１０００〜１２０００ｒ．ｐ．ｍ．のスピンドル回転数および１５〜３００μｍ／分（両スピンドルに関して）のスピンドル送り速度における２×２０μｍ〜２×６０μｍの研削除去量ならびに５〜１００ｒ．ｐ．ｍ．の半導体ウェーハの回転数および０．１〜５リットル／分の水を用いた冷却潤滑である。結果は２５０〜３０００Å ＲＭＳ（１〜８０μｍ）の粗さおよび０．７〜３μｍ（粗研削時の、同軸的に配置されたダブルスピンドルを用いた方法の場合）の厚さむらＴＴＶ（total thickness variation）を有する、粗研削された面を備えた半導体ウェーハである。

精密研削時では、このことは、０．１〜５μｍの粒度と、セラミックまたは合成樹脂、場合によってはセラミックと合成樹脂とにより有利には団塊物形成（Konglomeratbildung）下に結合されている砥粒としてのダイヤモンド、ＣｅＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＢａＣＯ_３（特に有利にはダイヤモンドである）とを有する、内側の部分スピンドルまたは外側の部分スピンドルによって保持された研削砥石、１０００〜１２０００ｒ．ｐ．ｍ．のスピンドル回転数および５〜６０μｍ／分（両スピンドルに関して）のスピンドル送り速度における２×２．５μｍ〜２×２０μｍの研削除去量ならびに５〜１００ｒ．ｐ．ｍ．の半導体ウェーハの回転数および０．１〜５リットル／分の水を用いた冷却潤滑である。結果は５〜２００Å ＲＭＳ（１〜８０μｍのフィルタを有する形状測定器を用いて測定）の粗さおよび１μｍ＜の厚さむらＴＴＶを有する、精密研削された面を備えた半導体ウェーハである。

軸方向移動可能な内側スピンドルを備えた、有利に使用されたＤＤＤＧ装置の軸方向ストロークは５〜２５ｍｍ、特に有利には１２ｍｍである。半導体ウェーハの厚さをその場で（in-situ）検出するための測定器具の精度は有利には±０．７μｍよりも良好であり（２σ値）、この場合、測定は容量型または誘導型の測定検出部を有する機械的なプロービングを介して行われると有利である。

コア手順（１）または（２）による方法の結果は、表側で２ｍｍ×２ｍｍの面積の測定窓（サイト）内の１６ｎｍよりも小さくかつ１０ｍｍ×１０ｍｍの面積の測定窓内の４０ｎｍよりも小さなローカル平坦度値を有する半導体ウェーハである。このような半導体ウェーハも本発明の対象である。このような半導体ウェーハは有利には最大２００Å ＲＭＳの表面粗さを有していて、かつ有利には主としてシリコン、化合物半導体、「ストレインドシリコン」基板、ＳＯＩ基板またはｓＳＯＩ基板から成っている。

粗研削されかつ研磨された半導体ウェーハにおけるナノトポロジおよび光散乱性の表面欠陥の測定結果を示す箱ヒゲ図である。

単機械・ダブルスピンドル型の両面同時研削（ＤＤＤＧ）のための本発明による装置の原理を示す断面図である。

本発明による方法の第１の実施態様を研削装置への半導体ウェーハのローディングの時点で示す断面図である。

本発明による方法の第１の実施態様を半導体ウェーハの粗研削の時点で示す断面図である。

本発明による方法の第１の実施態様を半導体ウェーハの精密研削の時点で示す断面図である。

本発明による方法の第１の実施態様を研削装置からの半導体ウェーハのアンローディングの時点で示す断面図である。

本発明による方法の第２の実施態様を、粗研削から精密研削への負荷交番なしの移行の時点で示す断面図である。

本発明による方法の第２の実施態様を半導体ウェーハ上への精密研削砥石の載着の時点で示す断面図である。

本発明による方法の第２の実施態様を半導体ウェーハのプレーナな最終形状の形成時における半導体ウェーハの精密研削の時点で示す断面図である。

特に平坦でかつ平行平面な半導体ウェーハを製造するための、本発明に関係する一般的な方法の主要ステップを示す概略図である。

別のプロセスステップを有する前記一般的な方法の特に有利な実施態様を示す概略図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ ダブルスピンドル
２Ａ，２Ｂ 粗研削スピンドル
３Ａ，３Ｂ 精密研削スピンドル
４Ａ，４Ｂ 研削砥石
５Ａ，５Ｂ 研削パッド
６Ａ，６Ｂ 研削砥石
７Ａ，７Ｂ 研削パッド
８ 半導体ウェーハ
９ 支持リング
１０Ａ，１０Ｂ 側壁
１１Ａ，１１Ｂ ウォータクッションまたはエアクッション
１２ リング
１３ 真空
１４ 粗研削目標厚さ
１５ 精密研削目標厚さ
１６ 目標形状
１７ 点接触
１８Ａ，１８Ｂ 引戻し量
１９Ａ，１９Ｂ 送り量
２０Ａ，２０Ｂ 測定手段
２１Ａ，２１Ｂ 角度
２２ 真空

Claims (19)

1. 半導体ウェーハの両面研削を包含する、半導体ウェーハを製造するための方法であって、半導体ウェーハを研削工具によって両面同時に、最初は粗くかつ引き続き精密に研削する形式の方法において、粗研削と精密研削との間に半導体ウェーハを研削機械にチャックしたまま残し、粗研削から精密研削への移行時にほぼ一定の負荷をかけて研削工具を係合させることを特徴とする、半導体ウェーハを製造するための方法。
2. 複数の研削砥石を備えた２つのダブルスピンドルの間で半導体ウェーハを研削する、請求項１記載の方法。
3. 半導体ウェーハを両面研削の前に半導体結晶から切断し、両面研削の後で研磨する、請求項１または２記載の方法。
4. 半導体ウェーハのエッジを両面研削の前または後にエッジラウンディングにより研磨する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 半導体ウェーハを両面研削の後にエッチング剤で処理し、この場合、半導体ウェーハの片面または両面から材料を除去する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 半導体ウェーハに粗研削によって非プレーナな中間形状を付与し、精密研削によってプレーナな最終形状を付与する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 半導体ウェーハを両面研磨の後に、材料を除去するサブアパーチュア法に施し、引き続き研磨する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 半導体ウェーハを両面研削の後に、除去ポリシングと精密ポリシングとに施す、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 除去ポリシングを両面ポリシングまたは片面ポリシングとして実施する、請求項８記載の方法。
10. 除去ポリシングを、半導体ウェーハの裏面のポリシングとしてのみ実施する、請求項８記載の方法。
11. 半導体ウェーハの裏面の除去ポリシングを、裏面から５μｍよりも少ない材料が除去されるショートポリシングとして実施する、請求項１０記載の方法。
12. 半導体ウェーハを精密ポリシングの前に、材料を除去するサブアパーチュア法に施す、請求項８から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 半導体ウェーハをサブアパーチュア法の実施時に磁気レオロジ媒体によって加工する、請求項７または１２記載の方法。
14. 扁平なワークを両面研削するための装置であって、それぞれ内側の部分スピンドルと外側の部分スピンドルとを備えた２つのダブルスピンドルと、ワークのローディングおよびアンローディングのための装置と、両ダブルスピンドルの間に配置されたワーク収容部とが設けられており、該ワーク収容部によってワークが研削ステップの間、自由にフローティングするように保持されている形式のものにおいて、部分スピンドルが同軸的に配置されていて、ワークの互いに背中合わせに位置する面を研削するための研削砥石を支持しており、ダブルスピンドル１つ当たりそれぞれ少なくとも一方の部分スピンドルがダブルスピンドルの他方の部分スピンドルとは別個に独立して軸方向に移動可能であることを特徴とする、ワークを両面研削するための装置。
15. ダブルスピンドルが互いにコリニアに配置されている位置から、ダブルスピンドルが互いに所定の角度を成す位置へダブルスピンドルが傾けられるようになっている、請求項１４記載の装置。
16. ダブルスピンドルの部分スピンドルが、ダブルスピンドル１つ当たりワークの粗研削のための１つの粗研削砥石とワークの精密研削のための１つの精密研削砥石とを支持している、請求項１４または１５記載の装置。
17. 表側で２ｍｍ×２ｍｍの面積の測定窓内の１６ｎｍよりも小さなローカル平坦度値および１０ｍｍ×１０ｍｍの面積の測定窓内の４０ｎｍよりも小さなローカル平坦度値を有する半導体ウェーハ。
18. 表面粗さが最大で２００Å ＲＭＳである、請求項１７記載の半導体ウェーハ。
19. 当該半導体ウェーハが主としてシリコン、化合物半導体、「ストレインドシリコン」基板、ＳＯＩ基板またはｓＳＯＩ基板から成っている、請求項１７または１８記載の半導体ウェーハ。

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