JP2006237098A - 半導体ウェーハの両面研磨装置及び両面研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハへの不純物汚染もなく、高精度で半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに両面研磨することができる両面研磨装置、及び両面研磨方法を提供する。
【解決手段】少なくとも、研磨布が貼付された上定盤２と、下定盤３と、該上下の定盤間で半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成されたキャリア４とを具備する両面研磨装置であって、前記上定盤２に固定されたセンサ５を具備し、該センサは、センサ直下の前記キャリアの上面との間隔１５を測定することにより、前記キャリアに保持された前記半導体ウェーハの研磨による取り代を検出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、予め想定した狙いの厚さに半導体ウェーハを研磨するための半導体ウェーハの両面研磨装置及び両面研磨方法に関する。

従来の半導体ウェーハ研磨工程の両面研磨加工方法では、加工時間を変更することにより、半導体ウェーハを狙い厚さに研磨仕上げしていた。
しかし、研磨布や研磨スラリー、キャリアの磨耗等により状態が変化し、その影響を受けて想定していた研磨スピードにならず、狙い仕上がり厚さまで削れないことが発生し、ばらつきが大きくなり、再度加工を行う必要があった。

一方、ラップ装置においては、加工する半導体ウェーハが狙いの厚さになったらラップ加工を停止する必要があり、半導体ウェーハの厚さを測定しつつラップしている。この厚さを測定する装置は定寸装置と呼ばれている。

従来は加工物と一緒に水晶子を削り、その水晶子の厚さデータを検出する水晶定寸方式や、渦電流法で定盤よりウェーハを飛び出させてウェーハ厚さを検出する方式が主であり、定盤とウェーハ間に研磨布が存在し、定盤からウェーハを飛び出させない両面研磨装置には適用できない。また、渦電流法では０．１Ω・ｃｍ以下の低抵抗のウェーハの厚さは測定できなく、水晶子は使い捨てのために測定コストが高くなるという問題があった（特許文献１参照）。

特開平１１−２８５９６９

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、半導体ウェーハへの不純物汚染もなく、定盤に貼付された研磨布の影響を受けないで、ウェーハの厚さを直接検出しなくてもよく、高精度で半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに両面研磨することができる両面研磨装置、及び両面研磨方法を提供することを課題とする。

本発明は、少なくとも、研磨布が貼付された上下の定盤と、該上下の定盤間で半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成されたキャリアとを具備する両面研磨装置であって、前記上定盤に固定されたセンサを具備し、該センサは、センサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することにより、前記キャリアに保持された前記半導体ウェーハの研磨による取り代を検出するようにしたものであることを特徴とする両面研磨装置を提供する（請求項１）。

このように、少なくとも、研磨布が貼付された上下の定盤と、該上下の定盤間で半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成されたキャリアとを具備する両面研磨装置であって、前記上定盤の外周部に固定されたセンサを具備し、該センサは、センサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することにより、前記キャリアに保持された前記半導体ウェーハの研磨による取り代を検出するようにしたものであれば、高精度で半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに研磨することができる。さらに半導体ウェーハへの汚染の発生を抑え、使い捨てとなる他の材料も必要としないため、コストを低減することができる。

このとき、前記両面研磨装置が、前記キャリアを揺動させて前記半導体ウェーハの研磨を行うものであるのが望ましい（請求項２）。
また、前記両面研磨装置が、前記キャリアの外周歯に噛合するサンギヤ及びインターナルギヤを具備し、前記キャリアを自転及び公転させて前記半導体ウェーハの研磨を行うものであるのが望ましい（請求項３）。
このように、本発明の両面研磨装置はいわゆる揺動式、遊星式のいずれにおいても有効であり、ばらつきを抑えて狙い厚さに半導体ウェーハを両面研磨することができる。

また、前記間隔を測定するキャリアの上面が前記キャリアの外周歯部であるのが望ましい（請求項４）。
このように、遊星式の両面研磨装置において前記キャリアの上面がキャリア外周歯部である場合でも、前記センサによる半導体ウェーハの研磨による取り代の検出には問題がなく、半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに研磨することが可能である。

そして、前記センサが静電容量方式または光学方式によるものであるのが望ましい（請求項５）。
このように、前記センサが静電容量方式または光学方式によるものであれば、センサが半導体ウェーハや研磨布等に接触することがなく、半導体ウェーハへの不純物汚染の発生を避けることができ、高品質のものとすることができる。

また、本発明は、キャリアに保持された半導体ウェーハを研磨布が貼付された上下の定盤で挟み込み、両面を同時に研磨する半導体ウェーハの両面研磨方法であって、前記上定盤にセンサを取り付けて、該センサとセンサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することによって研磨による取り代を検出しながら、前記半導体ウェーハを両面研磨することを特徴とする半導体ウェーハの両面研磨方法を提供する（請求項６）。

このように、キャリアに保持された半導体ウェーハを研磨布が貼付された上下の定盤で挟み込み、両面を同時に研磨する半導体ウェーハの両面研磨方法であって、前記上定盤の外周部にセンサを取り付けて、該センサとセンサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することによって研磨による取り代を検出しながら、前記半導体ウェーハを両面研磨すれば、センサが半導体ウェーハ等に接触することがないため、不純物汚染等の心配がなく、かつ、使い捨てとなる水晶子等を用いることなく半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに研磨する精度を向上させることができる。

このとき、前記検出された間隔が所定値となった時点で研磨を停止するのが望ましい（請求項７）。
このように、検出された間隔が、予め設定した取り代に対応する値に達した時点で研磨を停止すれば、半導体ウェーハを確実に狙い仕上がり厚さに両面研磨することが可能である。

本発明のように、少なくとも、研磨布が貼付された上下の定盤と、該上下の定盤間で半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成されたキャリアとを具備する両面研磨装置であって、前記上定盤に固定されたセンサを具備し、該センサは、センサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することにより、前記キャリアに保持された前記半導体ウェーハの研磨による取り代を検出するようにした両面研磨装置であれば、高精度で半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに研磨することができる。さらに半導体ウェーハへの汚染の発生を抑え、使い捨てとなる他の材料も必要としないため、コストを低減することができる。

また、キャリアに保持された半導体ウェーハを研磨布が貼付された上下の定盤で挟み込み、両面を同時に研磨する半導体ウェーハの両面研磨方法であって、前記上定盤の外周部にセンサを取り付けて、該センサとセンサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することによって研磨による取り代を検出しながら、前記半導体ウェーハを両面研磨する半導体ウェーハの両面研磨方法であれば、センサが半導体ウェーハに接触することがなく、不純物汚染等の心配がなく、半導体ウェーハの狙い仕上がり厚さに研磨する精度を向上させることができる。

以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
従来の両面研磨加工方法では、加工時間を変更することで半導体ウェーハの研磨による取り代を調節していた。しかし、研磨布や研磨スラリー等の状態が変化し、その影響により、想定していた研磨スピードにならず、狙い仕上がり厚さまで研磨できないことが発生し、ばらつきも大きくなっていた。
また、ラップ工程等で行われている渦電流定寸方式、水晶定寸方式では不純物により半導体ウェーハが汚染されてしまう危険があり、さらにコスト面等でも問題がある上に、そもそも上下定盤に研磨布があり、ウェーハを飛び出させない両面研磨には適用できなかった。

そこで本発明者らは、少なくとも、研磨布が貼付された上下の定盤と、該上下の定盤間で半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成されたキャリアとを具備する両面研磨装置であって、前記上定盤の外周部に固定されたセンサを具備し、該センサは、センサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することにより、前記キャリアに保持された前記半導体ウェーハの研磨による取り代を検出するようにした両面研磨装置を考え出した。

このような両面研磨装置であれば、高精度で半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに研磨することができる。さらに半導体ウェーハへの汚染の発生を抑え、使い捨てとなる他の材料も必要としないため、測定コストを低減することができる。

また、キャリアに保持された半導体ウェーハを研磨布が貼付された上下の定盤で挟み込み、両面を同時に研磨する半導体ウェーハの両面研磨方法であって、前記上定盤にセンサを取り付けて、該センサとセンサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することによって研磨による取り代を検出しながら、前記半導体ウェーハを両面研磨するようにした半導体ウェーハの両面研磨方法を考え出した。

このような半導体ウェーハの両面研磨方法であれば、センサが半導体ウェーハに接触することがなく、不純物汚染等の心配がなく、また、半導体ウェーハの狙い仕上がり厚さに研磨する精度を向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。

以下では、本発明である半導体ウェーハの両面研磨装置、両面研磨方法について図を用いて説明する。
ここで、図１は本発明である両面研磨装置の概略図であり、図２は半導体ウェーハを保持するキャリアの概略図である。
両面研磨装置１は上下に相対向して設けられた上定盤２及び下定盤３を備えており、各定盤２、３の対向面側には、それぞれ研磨布２ａ、３ａが貼付されている。上定盤２の上部には研磨スラリーを供給するノズル６、上定盤２には貫通孔７が設けられている。また、半導体ウェーハＷはキャリア４の保持孔８に保持され、上定盤２と下定盤３の間に挟まれている。この状態で、上下定盤２、３を回転させれば、上下定盤に貼付された研磨布２ａ、３ａによりウェーハＷの表裏面を同時に研磨することができるようになっている。そして、本発明では上定盤２の外周部にはセンサ５が固定されており、直下にはキャリア上面４ａがみえる。

この両面研磨装置１において、ノズル６から貫通孔７を通して研磨スラリーを供給しながら、上下の定盤２、３に挟まれ、キャリア４の保持孔８で保持された半導体ウェーハＷを上下の研磨布２ａ、３ａで両面を同時に研磨しつつ、上定盤２に固定されたセンサ５により、センサ５と直下のキャリア上面４ａとの間隔を測定すれば、半導体ウェーハＷの研磨による取り代を検出することができる。検出される取り代が予め設定した取り代に到達した時、すなわち前記間隔がそれに対応する値に達した時点で研磨を停止すれば、狙いの厚さに仕上げることができる。

本発明の両面研磨装置１は揺動式、遊星式のいずれにおいても有効であり、半導体ウェーハＷを両面研磨すると同時に、センサ５によって、センサ５と直下のキャリア上面４ａとの間隔を測定することにより、半導体ウェーハＷの研磨による取り代を検出して狙い仕上がり厚さに研磨することができる。

ここで、図３に平面視による遊星式の両面研磨装置の内部構造の一例を示す概略図を示す。
遊星式において、キャリア４は保持孔８に半導体ウェーハＷを保持し、外周歯部９がサンギヤ１０及びインターナルギヤ１１と噛合している。研磨時にキャリア４はサンギヤ１０の周りを自転、公転する。このとき、キャリア上面４ａを外周歯部９とし、インターナルギヤ１１と噛合する部分の外周歯部９とセンサ５の間隔を測定することにより研磨による取り代を検出することが可能である。

一方、図４は平面視による揺動式の両面研磨装置の内部構造の一例を示す概略図である。
揺動式ではキャリア４はキャリアホルダ１２に保持され、研磨の際に偏心アーム１３の回転により、キャリア４が自転せずに水平面内で小さな円を描くようにして円運動を行う。この場合もキャリア上面４ａとセンサ５の間隔を測定することにより研磨による取り代を検出することが可能である。

そして、センサ５は静電容量方式または光学方式によるものとすることができる。静電容量方式または光学方式のように半導体ウェーハに接触することなく測定をすることができるものであれば、半導体ウェーハＷを不純物汚染の危険から回避することができるし、安価に構成できる。但し、センサ５は直下のキャリア上面４ａとの間隔を半導体ウェーハＷと接触せずに測定することができればよく、特に限定されない。

図５に本発明である半導体ウェーハの両面研磨方法における研磨前後の図を示す。図５（Ａ）は研磨加工開始時の様子であり、（Ｂ）が研磨加工終了時の様子である。
まず、予め半導体ウェーハＷの狙い仕上がり厚さを規定し、その値から研磨による取り代を算出しておく。次に上定盤２の外周部に固定されたセンサ５で、センサ５と直下のキャリア上面４ａとの間隔１５を測定することにより研磨による取り代を検出しながら、半導体ウェーハＷの両面研磨を開始する。そして、検出される取り代が予め設定した取り代に到達した時、すなわち前記間隔１５がそれに対応する値に達した時点で研磨を自動停止させる。

この本発明の半導体ウェーハの両面研磨方法により、センサが半導体ウェーハや研磨布、その他の部材に接触することがないため半導体ウェーハへの不純物汚染等の心配がなく、また、半導体ウェーハを狙い仕上がり厚さに研磨する精度を向上させることができる。

以下に本発明の実施例および比較例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１・比較例１）
サンプルウェーハとして、直径３００ｍｍ、０．０１５Ω・ｃｍ以下の低抵抗品であるシリコンウェーハを用意した。図３に示したような遊星方式の両面研磨装置において、研磨布にはウレタン樹脂製のものを使用し、研磨スラリーにはアルカリ性コロイダルシリカを用意した。この両面研磨装置を用いて、従来方法である時間調節による両面研磨を行った。研磨速度を０．４μｍ／ｍｉｎとしてサンプルウェーハの表面全体を１４μｍ研磨して、厚さ７７７μｍ狙いで３５分間両面研磨を行った。得られた加工ウェーハを光学式形状測定器ナノメトロ（黒田精工製）により、加工ウェーハの厚さ分布を測定した（比較例１）。
ナノメトロはサンプルウェーハを垂直に立たせて回転させ、両サイドから光学式距離センサーによりサンプルウェーハとセンサー間の距離をウェーハ外周から内周にかけて測定してサンプルウェーハの厚さを測定するものである。

また、比較例１と同じ研磨布、研磨スラリーを用意し、図１、５に示したようにセンサを両面研磨装置の上定盤に取りつけて、研磨時間を調節して両面研磨を行う方法ではなく、センサとセンサ直下のキャリア上面間隔を測定しつつ本発明の両面研磨方法により比較例１と同様にウェーハの厚さ７７７μｍ狙いで研磨して、加工ウェーハの厚さ分布を測定した（実施例１）。

実施例１と比較例１の測定結果を図６に示す。
実施例１においては、狙った厚さ（７７７μｍ）を中心に分布が見られる。狙い厚さで最も高い値を示し、分布が狙い厚さから−２〜＋４μｍの狭い範囲にとどまっている。
一方、比較例１においては、最も高い値を示している厚さが狙い厚さから＋３μｍずれており、かつ他の厚さにおける値に対して突出しているわけでもなく、さらには分布も−２〜＋９μｍと広範囲でばらつきが大きい。

このように、本発明の両面研磨装置、両面研磨方法により、半導体ウェーハを両面研磨すれば、従来よりも高い精度で狙いの厚さに仕上げることができることが判る。
また、センサ等が半導体ウェーハ等に接触しないため、測定の際に不純物で半導体ウェーハを汚染することなく、例えば従来の方法である渦電流法とは異なって低抵抗品のウェーハ厚さを測定でき、さらに水晶片を用いる必要がないためコストを抑えることが可能である。

なお、本発明は、上記形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の両面研磨装置の一例を示した概略図である。 半導体ウェーハを保持するキャリアの概略図である。 平面視による遊星式の両面研磨装置の内部構造の一例を示す概略図である。 平面視による揺動式の両面研磨装置の内部構造の一例を示す概略図である。 本発明である半導体ウェーハの両面研磨方法における研磨前後の図である。 実施例１・比較例１の測定結果である。

符号の説明

１…両面研磨装置、 ２…上定盤、 ３…下定盤、 ２ａ、３ａ…研磨布、
４…キャリア、 ４ａ…キャリア上面、 ５…センサ、 ６…ノズル、
７…貫通孔、 ８…保持孔、 ９…外周歯部、 １０…サンギヤ、
１１…インターナルギヤ、 １２…キャリアホルダ、 １３…偏心アーム、
１５…センサとキャリア上面との間隔、 Ｗ…半導体ウェーハ。

Claims (7)

1. 少なくとも、研磨布が貼付された上下の定盤と、該上下の定盤間で半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成されたキャリアとを具備する両面研磨装置であって、前記上定盤に固定されたセンサを具備し、該センサは、センサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することにより、前記キャリアに保持された前記半導体ウェーハの研磨による取り代を検出するようにしたものであることを特徴とする両面研磨装置。
2. 前記両面研磨装置が、前記キャリアを揺動させて前記半導体ウェーハの研磨を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
3. 前記両面研磨装置が、前記キャリアの外周歯に噛合するサンギヤ及びインターナルギヤを具備し、前記キャリアを自転及び公転させて前記半導体ウェーハの研磨を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
4. 前記間隔を測定するキャリアの上面が前記キャリアの外周歯部であることを特徴とする請求項３に記載の両面研磨装置。
5. 前記センサが静電容量方式または光学方式によるものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の両面研磨装置。
6. キャリアに保持された半導体ウェーハを研磨布が貼付された上下の定盤で挟み込み、両面を同時に研磨する半導体ウェーハの両面研磨方法であって、前記上定盤にセンサを取り付けて、該センサとセンサ直下の前記キャリアの上面との間隔を測定することによって研磨による取り代を検出しながら、前記半導体ウェーハを両面研磨することを特徴とする半導体ウェーハの両面研磨方法。
7. 前記検出された間隔が所定値となった時点で研磨を停止することを特徴とする請求項６に記載の半導体ウェーハの両面研磨方法。
   

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