JP2007329391A - 半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構 - Google Patents

Abstract

【課題】外周円から結晶方位指示マークまでの凹み量の小さな半導体ウェーハであっても、結晶方位認識マークを確実に検出することができる半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構を提供する。
【解決手段】ウェーハ１は、複数のデバイス３が表面に形成されるか形成される予定のデバイス領域４の周囲に円形の外周余剰領域５を有し、外周余剰領域５の外周縁部の面取り部の領域内に、ウエーハ１の結晶方位を示すマーク８として、ウエーハ１の面方向に直交する平坦面が面取り部の領域内に形成されている。ウェーハ１の面方向に平行な光軸Lを持つ光学式センサ４３からウェーハ１の側面に光が投光され、マーク８で反射した光を光センサ４３が検出することでマーク８を検出する。
【選択図】図９

Description

本発明は、半導体ウェーハの側面に設けられた結晶方位を示す指示マークを検出する機構に係り、特に、半導体ウエーハの外周縁部に形成された曲面状の面取り部の領域内に収まる平坦な結晶方位を表す結晶方位指示マークを検出するための機構に関する。

シリコンなどの単結晶半導体ウェーハ（以下、単に「ウェーハ」と称する）の表面に半導体デバイスを形成した半導体ウェーハを薄化する方法として、デバイス形成領域に相当する裏面のみを必要な厚みに加工し、外周余剰領域を該デバイス形成領域よりも厚く残す方法が知られている（たとえば特許文献１、特許文献２参照）。これらの特許文献にある従来の方法では、半導体ウェーハの結晶方位を表す三角形状のノッチやオリエンテーションフラットなどの結晶方位指示マークを有する半導体ウェーハを用いて、該結晶方位に合わせて半導体ウェーハ表面に半導体デバイスを形成し、そのデバイス形成領域に相当する裏面のみを薄化加工する。この場合において、ノッチやオリエンテーションフラットは、半導体ウェーハの径中心方向に切れ込んだ形状となっているため、外周余剰領域の幅をウェーハ全周で充分に確保するために、外周余剰領域の幅も自ずと大きくする必要がある。このため、ノッチやオリエンテーションフラットを有するウェーハの場合は、その分余計に外周余剰領域の幅を必要とするので、デバイス領域の面積が減少し１枚の半導体ウェーハから生産できるデバイスチップの数も減少し、コスト増加となってしまう。

そこで、本発明者等は、半導体ウエーハの外周余剰領域の外周縁部に、半導体ウエーハの結晶方位を示すマークとして、半導体ウエーハの面方向に直交するとともに、外周縁部に形成された凸面状の面取り部の領域内に収まる平坦面をした半導体ウエーハを提案した（特願２００６−６４１３）。
特開2004-281551 特開2005-123425

ところで、半導体ウェーハの表面にデバイスを形成する際には、オリエンテーションフラットなどの結晶方位指示マークをセンサで検出し、結晶方位に併せてデバイス回路を描画しているが、従来のノッチやオリエンテーションフラットを有する半導体ウェーハでは、半導体ウェーハを回転可能な吸着テーブルに同軸的に吸着し、半導体ウェーハの縁部を挟むように配置した光学センサにより結晶方位指示マークを検出している。この光学センサは、投光部と受光部とを備え、投光部から投光された光が結晶方位指示マークの空隙を通って受光部に受光されることで結晶方位指示マークを検出する。

しかしながら、本発明者等が先に提案した結晶方位指示マークを有する半導体ウェーハでは、半導体ウェーハの外周円に対する結晶方位指示マークの凹み量が少ないため、半導体ウェーハ表裏面から投光受光した場合の光量の変化が少なく、このため、結晶方位指示マークの検出が困難であるという問題があった。

よって本発明は、外周円から結晶方位指示マークまでの凹み量の小さな半導体ウェーハであっても、結晶方位認識マークを確実に検出することができる半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構を提供することを目的としている。

本発明は、複数のデバイスが表面に形成されるか形成される予定のデバイス領域の周囲に円形の外周余剰領域を有し、外周余剰領域の外周縁部の面取り部の領域内に、半導体ウエーハの結晶方位を示すマークとして、半導体ウエーハの面方向に直交する平坦面が面取り部の領域内に形成されている半導体ウエーハの該平坦面を検出する半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構であって、半導体ウェーハの面方向に平行な光軸を持つ光学式センサと、半導体ウェーハを保持する回転可能な保持テーブルとを備えたことを特徴としている。

本発明では、保持テーブルで半導体ウェーハ（以下、「ウェーハ」と略称する）を保持して回転させながら、光学式センサから光をウェーハの側面に投光させると、光学式センサの光軸が平坦面と垂直になったときに平坦面で反射した反射光が光学式センサに受光され、平坦面を検出する。したがって、ウェーハの外周円から結晶方位指示マークまでの凹み量の小さなウェーハであっても、結晶方位認識マーク（以下、「マーク」と略称する）を確実に検出することができる。

本発明の結晶方位指示マーク検出機構によりマークが検出されると、保持テーブルを直ちに停止させてもよい。あるいは、保持テーブルを所定角度回転させてから停止させても良い。そのような動作を行うために、たとえば、保持テーブルの回転軸にエンコーダを具備し、光学式センサが反射光に反応した位置の回転軸のエンコーダ値を記憶する記憶手段と、反応した位置からあらかじめ指定された位置に合致するよう保持テーブルを回転させて停止する回転手段とを備えることができる。

マークが検出され、ウェーハの位置決めがなされたら、ウェーハはその方位を保ったまま保持テーブルから例えばデバイス形成機構に搬送され、半導体の結晶方位に対応した配置でデバイスが形成される。デバイス形成のための工程は数十ステップに及び、したがって、各工程毎に本発明のウェーハの結晶方位指示マーク検出機構が配置され、マークの検出とウェーハの位置決めが行われる。あるいは、デバイスが形成された後にウェーハの薄化が行われ、その後ダイシングテープにウェーハを貼着する際に、ダイシングテープの周囲に貼着されたダイシングフレームとウェーハの方位を位置決めする際にもマークの検出が行われる。なお、ウェーハをダイシングテープに貼着した後は、ダイシングフレームに形成した位置決め用の切欠によりウェーハの位置決めが行われ、その位置を基準にしてダイシングが行われる。

本発明で言う外周縁部はウエーハの外周側のごく小さい幅の曲面状部分であるが、表面側から裏面側にわたって断面円弧状に面取りされた面取り部を外周縁部と定義した場合、マークはその面取り部の領域内に形成されることになる。面取り部に平坦面を形成してできたマークは楕円状となる。また、マークの外形縁を面取り加工して角張った部分を無くすと、割れや欠けあるいは発塵が生じにくくなるので好ましい形態である。さらに、結晶方位を示すマークの径方向内側への切欠き量は、平坦面がある程度の面積を確保できる範囲でなるべく小さいことが望ましく、具体的には外周端部の最外周縁から径方向内側に０．３ｍｍの範囲内に形成されている形態であれば良い。

本発明が対象とするウエーハは、外周余剰領域の裏面側がリブ状に突出しており、これによって該外周余剰領域がデバイス領域よりも肉厚である形状のものを含む。このようなウエーハに上記のようなマークが形成されることにより、リブ状で外周余剰領域に相当する肉厚部の幅を極力小さくすることができ、その結果としてデバイス領域の拡大ならびに生産されるデバイス数の増加が図られる。

本発明では、ウェーハの面方向に平行な光軸を持つ光学式センサと、半導体ウェーハを保持する回転可能な保持テーブルとを備えているから、ウェーハの外周円からの凹み量の小さなウェーハであっても、マークを確実に検出することができる。

１．ウェーハの構成
以下、図面を参照して本発明に係る一実施形態を説明する。
図１は、単結晶シリコン等からなる本実施形態において処理するウエーハ１を示している。円盤状で結晶方位性を有するこのウエーハ１の厚さは、例えば６００μｍ程度である。ウエーハ１の表面には、格子状の分割予定ライン２によって矩形状の半導体チップ（デバイス）３が区画されている。これら半導体チップ３の表面には、電子回路が形成されている。複数の半導体チップ３が形成された領域は、ウエーハ１と同心の概ね円形状のデバイス領域４であり、このデバイス領域４の周囲に環状の外周余剰領域５が存在している。

図２および図３に示すように、ウエーハ１の外周端部は表面側から裏面側にわたって面取りされており、これによって、真円をなす表面縁６ａと裏面縁６ｂとの間に断面円弧状の面取り部７が形成されている。面取り部７を形成したことにより、不用意に受ける衝撃によって割れや欠けあるいは発塵が生じることが防がれる。図３（ａ）に示すように、外周余剰領域５は、表面縁６ａから所定長さ径方向内側に入った位置のデバイス領域外周縁４ａとウエーハ１の最外周縁１ａとの間の環状の領域を指す。そして、面取り部７の所定箇所には、図２および図３（ｂ）に示すように、最外周縁１ａから内側を削り取って形成された結晶方位認識マーク８が形成されている。このマーク８は、ウエーハ１の中心とマーク８を結ぶ直線が格子状の分割予定ライン２に平行または直交する位置に、結晶方位を示すものとして形成されている。

図３（ｂ）に示すように、マーク８はウエーハ１の面方向（平行な表面および裏面）に直交する平坦面であり、図２（ｂ）に示すように長径方向がウエーハ１の接線方向と平行な楕円状を呈している。このマーク８は、図３（ｂ）に示すように面取り部７の領域内に形成されており、例えばウエーハ１の外径がφ２００ｍｍで面取り部７の幅が最外周縁１ａから径方向に０．５ｍｍであった場合、マーク８は最外周縁１ａから径方向内側に０．３ｍｍの範囲内に形成される。ちなみにこの寸法ではマーク８の長径は約２２ｍｍとなる。また、マーク８の楕円を描く外形縁８ａも断面円弧状に面取りされており、その外形縁８ａが角張った状態で無いことによってもウエーハ１は割れや欠けあるいは発塵が生じにくくなっている。

マーク８は、次の方法で形成される。ウエーハ１は、シリコン等の半導体材料を円柱状として得たインゴットを輪切りにスライスして製造されるが、スライス前のインゴットの周面の、結晶方位に応じたマーク８を形成すべき周方向の所定箇所に、軸方向に沿って帯状に延びる平坦面を所定幅（例えば上記２２ｍｍ）で形成し、この後インゴットをスライスしてウエーハ１を得、次いでそのウエーハ１の外周端部を面取り加工する。これによってはじめに形成された帯状の平坦面は楕円状のマーク８として残る。

本実施形態で処理するウエーハ１は、結晶方位を示すマーク８が外周端部である面取り部７に形成した平坦面で構成されている。このため、外周余剰領域５を、マーク８の径方向内側への切欠き量に影響されることなくできるだけ小さい幅の領域に抑えることができるとともに、デバイス領域４を最大限に大きく確保することができる。その結果、従来のノッチやオリエンテーションフラットといった類の結晶方位認識マークと比べると、デバイス領域４内で区画される半導体チップの数を増加させることができる。

次に、デバイス領域４をきわめて薄くし（例えば２００〜１００μｍ程度、あるいは５０μｍ程度）、補強用のリブ状肉厚部を外周余剰領域５の裏面側に突出形成させた形態のウエーハを説明する。そのようなウエーハを製造するには、半導体チップ３の電子回路を保護する保護テープを表面に貼った後に、ウエーハ１のデバイス領域４に対応する裏面側を研削して、そのデバイス領域４を上記厚さに薄化する。

図４および図５は、ウエーハ１の研削に好適な研削装置１０を示している。この研削装置１０は、回転駆動する真空チャック式のチャックテーブル１１と、研削ユニット１２とを備えている。チャックテーブル１１はウエーハ１よりも大きな円盤状で、その上面に載置されるウエーハ１を空気吸引によって吸着、保持する。このチャックテーブル１１は、中心を軸として図示せぬモータにより回転させられる。

研削ユニット１２は、円筒状のハウジング１３内に組み込まれたスピンドル１４がモータ１５によって回転駆動させられると、スピンドル１４の先端にフランジ１６を介して固定されたカップホイール１７が回転し、カップホイール１７の下面の外周部に全周にわたって環状に配列されて固定された多数の砥石１８が、ワークを研削するものである。砥石１８の円形の研削軌跡の外径は、ウエーハ１のデバイス領域４の直径の半径にほぼ等しい。

チャックテーブル１１と研削ユニット１２とは、チャックテーブル１１に対して研削ユニット１２がオフセットされている。詳しくは、図５に示すように、環状に配列された多数の砥石１８のうちの最もチャックテーブル１１の内側に位置するものの刃先の刃厚（径方向長さ）のほぼ中央部分が、チャックテーブル１１の中心を通る鉛直線上に位置するように、相対位置が設定されている。

ウエーハ１は、保護テープが貼られた表面をチャックテーブル１１の上面に対面させ、かつ、中心をチャックテーブル１１の回転中心に合わせて、チャックテーブル１１上に保持される。そして、カップホイール１７を回転させながら研削ユニット１２を降下させて、露出するウエーハ１の裏面に砥石１８を押し付け、かつ、チャックテーブル１１を回転させることにより、裏面のデバイス領域４に対応する部分を研削して薄化する。ウエーハ１は、これによって図６に示すようにデバイス領域４の周囲の外周余剰領域５に対応する部分に、元の厚さが残って裏面側に突出する環状の肉厚部９が形成された断面凹状に加工される。

なお、このようにして形成された肉厚部９は、必要な工程を経た後、最終的には適宜な手段で切断、除去される。また、肉厚部９の幅は、ウエーハ１の直径、肉厚部９の厚さおよび裏面の加工状態から適宜に設定される。例えば直径２００ｍｍ、厚さ７２５μｍのウエーハの場合には肉厚部９の幅は２ｍｍとされ、厚さを３００μｍ程度まで薄くした後に肉厚部９を形成する場合の幅は３ｍｍ程度が望ましい。

図７は、上記のようにして肉厚部９を形成したウエーハ１に対して、ノッチ２１およびオリエンテーションフラット２２をマークとして形成した場合の肉厚部の幅の違いを示している。図７では、マークが形成された部分を符号８で示しているが、このマーク８を形成した場合の肉厚部９の内径が破線９ａであり、破線９ａの内側がデバイス領域４である。ウエーハ１の直径がφ２００ｍｍである場合、その内径９ａは最外周縁１ａから２〜３ｍｍの位置に設定される。

一方、同じ径のウエーハ１にノッチ２１を形成した場合には、ノッチ２１の最深部は最外周縁１ａから約１ｍｍとされ、したがって内径２１ａとなる肉厚部のノッチ２１に対応する部分の幅は、マージン２〜３ｍｍを付与して３〜４ｍｍとなる。また、オリエンテーションフラット２２を形成した場合には、最外周縁１ａからの最大切欠き量は約２．２ｍｍとなり、したがって、内径２２ａとなる肉厚部のオリエンテーションフラット２２に対応する部分の幅は、マージン２〜３ｍｍを付与して５．２〜６．２ｍｍとなる。

このようにノッチやオリエンテーションフラットを形成した場合と比べると、本実施形態で処理するウェーハのマーク８は、面取り部７の範囲内に形成されて径方向内側への切欠き量がきわめて小さいため、肉厚部９の幅を小さくすることができ、その結果デバイス領域４の拡大と半導体チップ３の生産数の増加が図られる。

２．マーク検出機構の構成
次に、図８および図９を参照して本発明の一実施形態のマーク検出機構について説明する。図８において符号３０はマーク検出機構のベースフレームである。ベースフレーム３０には、例えばデバイス形成装置のフレームなどが利用される。ベースフレーム３０には、エンコーダが内蔵されたACサーボモータ３１が取り付けられ、ACサーボモータ３１の出力軸にはテーブルポスト３２を介して回転テーブル３３が取り付けられている。回転テーブル３３の上面には多孔質部３４が配置されている。一方、テーブルポスト３２および回転テーブル３３の内部には、多孔質部３４と連通する孔が形成され、孔に図示しない真空吸引装置が接続されることにより、多孔質部３４にウェーハ１が吸着される。

ベースフレーム３０には、センサポスト４１を介してブラケット４２が取り付けられ、ブラケット４２には、光センサ４３が取り付けられている。光センサ４３は、投光部と受光部とを備え、それらの光軸Lはウェーハ１の側面を向き、光軸Lの高さはウェーハ１の厚さ方向の中心と一致している。図８において符号４４は、マーク検出機構の動作を制御する制御部、４５はモータドライバである。光センサ４３の投光部から投光された光はウェーハ１の側面で反射し、ウェーハ１が回転してマーク８が光センサ４３の真正面に来たときに、受光部に受光される反射光の量が最大となる。制御部４４は、光センサ４３から受光量に対応する反射光量情報を入力し、その情報に基づいてモータドライバ４５を制御する。また、制御部４４には、ACサーボモータ３１のエンコーダからのエンコーダ値情報が入力される。

３．マーク検出機構の動作
次に、上記構成のマーク検出機構の動作を説明する。
先ず、ウェーハ１は、その中心を回転テーブル３３の回転中心に一致させるように位置決めされ、回転テーブル３３上に載置される。その時点で回転テーブル３３の吸引は開始されているので、ウェーハ１は回転テーブル３３に吸着される。次いで、ACサーボモータ３１が回転し、回転テーブル３３の方位はエンコーダの値として制御部４４に入力される。また、光センサ４３は投光部から光をウェーハ１の側面に投光しており、マーク８が光センサ４３の真正面に来たときに、受光部に受光される反射光の量が最大となる。つまり、光センサ４３から制御部４４に入力される反射光量情報が最大となり、制御部４４は、そのときの回転テーブル３３の方位をエンコーダの値として記録する。

制御部４４は、反射光量情報が最大となった後、予め定められた方位で回転テーブル３３を停止させる。たとえば、反射光量情報が最大となった瞬間に回転テーブル３３を停止させたり、あるいは、反射光量情報が最大となったときの回転テーブル３３の位置から所定角度回転させてから回転テーブル３３を停止させることもできる。いずれの態様でもウェーハ１の方位は一定となり、ウェーハ１は、その方位を保持したまま後工程へと搬送される。

上記のようなマーク検出機構では、光センサ４３からウェーハ１の側面に光りを投光して反射光によりマーク８を検出するから、上記のようにウェーハ１の外周円からマーク８までの凹み量が小さい場合であっても、マーク８を確実に検出することができる。

本発明の一実施形態で処理する半導体ウエーハの（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）斜視図である。 一実施形態で処理する半導体ウエーハを拡大した図であって（ａ）一部平面図、（ｂ）斜視図である。 一実施形態で処理する半導体ウエーハの（ａ）マークが形成された部分以外の面取り部の断面図、（ｂ）マークが形成された部分の面取り部の断面図である。 研削装置の斜視図である。 研削装置の側面図である。 外周余剰領域が肉厚部に形成された半導体ウエーハの（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。 本実施形態で処理するウエーハに対してノッチやオリエンテーションフラットを形成した場合の肉厚部の幅の違いを比較したウエーハの平面図である。 本発明の一実施形態の半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構を示す側面図である。 本発明の一実施形態の半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構を示す斜視図である。

符号の説明

１…半導体ウエーハ
３…半導体チップ（デバイス）
４…デバイス領域
５…外周余剰領域
７…面取り部（外周端部）
８…マーク
９…肉厚部
３３…回転テーブル（保持テーブル）
４３…光センサ（光学式センサ）
L…光軸

Claims (2)

1. 複数のデバイスが表面に形成されるか形成される予定のデバイス領域の周囲に円形の外周余剰領域を有し、前記外周余剰領域の外周縁部の面取り部の領域内に、該半導体ウエーハの結晶方位を示すマークとして、該半導体ウエーハの面方向に直交する平坦面が該面取り部の領域内に形成されている半導体ウエーハの該平坦面を検出する機構であって、
   該半導体ウェーハの面方向に平行な光軸を持つ光学式センサと、
   該半導体ウェーハを保持する回転可能な保持テーブルと、
   を備えたことを特徴とする半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構。
2. 前記保持テーブルの回転軸にはエンコーダが具備され、前記光学式センサが反射光に反応した位置の回転軸のエンコーダ値を記憶する記憶手段と、該反応した位置からあらかじめ指定された位置に合致するよう該保持テーブルを回転させて停止する回転手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの結晶方位指示マーク検出機構。

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