JP2009202259A - 両面研磨装置用キャリア及びこれを用いた両面研磨装置並びに両面研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂インサート取り付け時にキャリア母体がダメージを受けず、高い平坦度を有するウェーハを生産することを可能とする両面研磨装置用キャリアを提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも、研磨布が貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された金属製のキャリア母体と、該キャリア母体の保持孔の内周部に沿って配置され、前記保持されるウェーハの周縁部に接するリング状の樹脂インサートとからなり、前記キャリア母体の前記保持孔の内周端部は上開きのテーパー面を有し、前記リング状の樹脂インサートの外周部は前記キャリア母体の保持孔のテーパー面に対し逆テーパー面とされ、前記樹脂インサートが前記テーパー面を介して前記キャリア母体の保持孔にはめこまれているものであることを特徴とする両面研磨装置用キャリアを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、両面研磨装置において、例えば、半導体ウェーハを研磨する際に半導体ウェーハを保持する両面研磨装置用キャリアに関する。

半導体ウェーハの両面をポリッシング等で同時に研磨する際、キャリアによって半導体ウェーハを保持している。このキャリアは、半導体ウェーハより薄い厚みに形成され、両面研磨装置の上定盤と下定盤の間の所定位置にウェーハを保持するための保持孔を備えている。この保持孔に半導体ウェーハが挿入されて保持され、上定盤と下定盤の対向面に設けられた研磨布等の研磨具で半導体ウェーハの上下面が挟み込まれ、研磨面に研磨剤を供給しながら研磨が行われる。

ここで、このような半導体ウェーハの研磨工程の両面研磨に使用しているキャリアは、金属製のキャリアが主流である。
このため、ウェーハ周縁部を金属製のキャリアによるダメージから保護するために樹脂インサートが保持孔の内周部に沿って取り付けられている。従来、この樹脂インサートの取り付けに際して、半導体ウェーハの加工中や搬送時に外れることを防止するために、樹脂インサートの外周部を楔形状にして、キャリア母体にはめこまれ、さらに接着剤で固定される場合もあった（特許文献１参照）。

この楔形状は、レーザー加工により板材からくり貫かれるが、熱により膨張収縮が起こりキャリア母体に取り付ける際にはめ合いがきつくなることがあり、キャリア母体部の楔形状を変形させてしまうことがあった。
このような樹脂インサートの取り付け時の変形を取り除くためには、樹脂インサート取り付け後にキャリアのラップ等の工程を行う必要があり、また使用するキャリアがコーティングされたものである場合にはラップ工程を行うことはできなかった。

このような、樹脂インサート取り付けによって変形したキャリアを使用して半導体ウェーハの研磨加工を行うと、研磨されたウェーハの形状が悪化するという問題があった。
また、ラップ工程の代わりにキャリアの立ち上げ研磨を行う方法も考えられるが、研磨の場合には、ラップ工程に比べ長時間必要であり生産性が悪くなる上に、精度よく変形を取り除くのが困難であった。

特開２０００−２４９１２号公報

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、樹脂インサート取り付け時にキャリア母体がダメージを受けず、研磨に用いた場合に高い平坦度を有するウェーハを生産することを可能とする両面研磨装置用キャリア、及びこれを用いた両面研磨装置並びに両面研磨方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、両面研磨装置用キャリアであって、少なくとも、研磨布が貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された金属製のキャリア母体と、該キャリア母体の保持孔の内周部に沿って配置され、前記保持されるウェーハの周縁部に接するリング状の樹脂インサートとからなり、前記キャリア母体の前記保持孔の内周端部は上開きのテーパー面を有し、前記リング状の樹脂インサートの外周部は前記キャリア母体の保持孔のテーパー面に対し逆テーパー面とされ、前記樹脂インサートが前記テーパー面を介して前記キャリア母体の保持孔にはめこまれているものであることを特徴とする両面研磨装置用キャリアを提供する（請求項１）。

このような両面研磨装置用キャリアであれば、キャリア母体の保持孔へ樹脂インサートを取り付ける際にテーパー面を介してはめこまれるため、樹脂インサートの脱落が防止され、且つ取り付けが容易であり、取り付け時にキャリア母体へダメージを与えることが無いためキャリア母体が変形しない。このため、本発明のキャリアを使用して両面研磨を行うことで、平坦度の高い半導体ウェーハにすることができる。また、キャリアの立ち上げ加工を施す場合も金属製のキャリア母体を変形がなくなるまで研磨する必要が無いため立ち上げ研磨時間の大幅な短縮にもなり、半導体ウェーハの生産性の向上にもつながる。

また、樹脂インサートの脱着が容易であるため、樹脂インサートのみの取り替えが簡易に行うことができ、コストが低減される。
さらに、テーパー状とすることで、キャリアの下定盤側に現れる樹脂インサート部分が少ないため研磨の際に下定盤側で樹脂インサートが研磨される量が少量であり、樹脂インサートのライフが大幅に延びる。

このとき、前記保持孔のテーパー面が前記キャリア母体の主面から５°〜８５°傾斜しているものであることが好ましい（請求項２）。
この範囲の傾斜角度であれば、研磨、搬送時に樹脂インサートが脱落することはほとんどない。

このとき、前記保持孔のテーパー面と前記樹脂インサートの逆テーパー面が接着剤で固定されているものであることが好ましい（請求項３）。
このように、テーパー面同士を接着剤で固定することにより、研磨時や搬送時に樹脂インサートが脱落することを確実に防止でき、本発明の両面研磨装置用キャリアの取り扱いがより容易となる。

また、前記樹脂インサートが前記キャリア母体の保持孔にはめこまれた前記キャリアが、両面研磨されたものであることが好ましい（請求項４）。
このように、半導体ウェーハを研磨する前に予め樹脂インサートをはめこんだ状態でキャリアを両面研磨することで、樹脂インサートとキャリア母体を同じ厚さとして確実に段差をなくすことができ、その後ウェーハの研磨を行うことで、より平坦なウェーハを得ることができる。また、本発明の両面研磨装置用キャリアであれば、樹脂インサートの取り付けによるキャリア母体の変形が無いため、ほぼ樹脂インサート部分のみの研磨でキャリアの立ち上げが行えるため、短時間で済み、結果として半導体ウェーハの製造の生産性が上がる。

また、前記キャリア母体の材質がチタンであることが好ましい（請求項５）。
このように、キャリア母体の材質がチタンであれば、チタン自体はシリコン等の半導体ウェーハ中の拡散係数が小さいため、不純物として問題となりにくく、また、チタン中にはＦｅなどの拡散係数の大きい金属不純物が存在しないので、半導体ウェーハへの金属不純物の汚染が抑えられる。

また、前記金属製のキャリア母体の表面が窒化チタン膜、ＤＬＣ膜のいずれかによりコーティングされたものであることが好ましい（請求項６）。
このように、金属製のキャリア母体の表面が窒化チタン膜、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜のいずれかによりコーティングされたものであれば、硬度がより上がって傷がつきにくくなり、研磨スラリーへ異物が脱落するのも抑えられて、キャリアライフの延命及びウェーハへの汚染抑制が可能となる。

そして、少なくとも、本発明の両面研磨装置用キャリアを具備したものであることを特徴とする両面研磨装置が好ましい（請求項７）。
このように、本発明の両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置であれば、生産性良く研磨でき、平坦度の高い半導体ウェーハにすることができる。

また、半導体ウェーハを両面研磨する方法であって、研磨布が貼付された上下定盤の間に本発明のキャリアを配設し、該キャリアに形成された保持孔に半導体ウェーハを保持して、前記上下定盤の間に挟み込んで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が好ましい（請求項８）。
このような方法で、本発明の両面研磨装置用キャリアの保持孔に半導体ウェーハを保持して両面研磨すれば、生産性良く研磨でき、平坦度の高い半導体ウェーハにすることができる。

以上のように、本発明の両面研磨装置用キャリアであれば、キャリア母体にダメージを与えることなく樹脂インサートを容易に取り付け可能であるため、取り付けの際のキャリア母体の変形を防止することができる。このため、本発明のキャリアを使用してウェーハを両面研磨することで、平坦度が高く、特にウェーハ外周部の形状が良好な半導体ウェーハにすることができ、キャリアの立ち上げを行う場合にも立ち上げ研磨を省略あるいは、研磨時間を短縮でき、結果として半導体ウェーハを生産性良く研磨することができる。さらに、樹脂インサートの脱着が容易であるため、簡易に樹脂インサートのみの取り替えができコストを低減することもできる。

従来の両面研磨装置用キャリアは、樹脂インサートを金属製のキャリア母体に取り付ける際に、脱落防止のために楔形状の勘合部にはめこみ、さらに接着剤で固定されることで取り付けられていた。しかし、このはめこみ作業の際にキャリア母体の楔形状が変形してしまい、その後の作業に影響してしまう問題があった。

そこで本発明者らは、樹脂インサートの外周部の楔形状を無くしてテーパー面とし、キャリア母体の保持孔の内周端部の上開きのテーパー面を介して樹脂インサートをはめこむことで、加工、搬送時の脱落が防止され、かつ取り付けが容易であるためキャリア母体にダメージを与えずに取り付けが可能な両面研磨装置用キャリアを想到し、本発明を完成させた。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
ここで、図１は本発明の両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置の断面図、図２は平面視による両面研磨装置の内部構造図、図３は本発明のキャリアと従来のキャリアの保持孔の内周端部の断面図および平面図である。

まず、図１、２において本発明の両面研磨装置用キャリア２２を具備した両面研磨装置１０は、上下に相対向して設けられた下定盤１１と上定盤１２を備えており、各定盤１１、１２の対向面側には、それぞれ研磨布１１ａ、１２ａが貼付されている。そして上定盤１２と下定盤１１の間の中心部にはサンギヤ１３が、周縁部にはインターナルギヤ１４が設けられている。半導体ウェーハＷはキャリア母体９の保持孔２１に保持され、上定盤１２と下定盤１１の間に挟まれている。

サンギヤ１３及びインターナルギヤ１４の各歯部にはキャリア２２の外周歯が噛合しており、上定盤１２及び下定盤１１が不図示の駆動源によって回転されるのに伴い、キャリア２２は自転しつつサンギヤ１３の周りを公転する。このとき半導体ウェーハＷはキャリア母体９の保持孔２１で保持されており、上下の研磨布１１ａ、１２ａにより両面を同時に研磨される。研磨時には、ノズル１５から貫通孔１６を通して研磨液が供給される。

なお、図２では各キャリアがそれぞれ１枚のウェーハを保持して研磨を行っているが、複数の保持孔を有するキャリアを用いて、各キャリア内にウェーハを保持して研磨を行ってもよい。

ここで、本発明の両面研磨装置用キャリア２２は、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように保持孔２１の内周端部に上開きのテーパー面を有し、外周部がこのテーパー面に対し逆テーパー面となっているリング状の樹脂インサート２０がテーパー面を介して保持孔２１にはめこまれている。
図３（Ｃ）に示すように、従来の両面研磨装置用キャリアは脱落防止のために、楔形状の勘合部にはめこむことで樹脂インサート３０が固定されていた。しかし、樹脂インサート３０取り付けの際にキャリア母体３１の勘合部が変形してしまうことがあった。

一方、図３（Ａ）（Ｂ）のような本発明の両面研磨装置用キャリアであれば、樹脂インサートのキャリア母体への取り付けが容易であり、取り付け時のキャリア母体へのダメージが無く、テーパー面を介してはめこまれているため、加工、搬送時の樹脂インサートの脱落も防止できる。このため、取り付け時にキャリア母体が変形することはなく、その後の研磨の際に平坦度の高い半導体ウェーハにすることができる。また、樹脂インサート取り付け後にキャリアの立ち上げ研磨を省略することも可能であり、たとえ行う場合にも、変形していないので金属製のキャリア母体をほとんど研磨する必要がなく、短時間の研磨で高い平坦度のキャリアとすることができる。さらに、テーパー状とすることで、下部に現れている樹脂インサートの領域が小さくなり、研磨の際に下定盤側で樹脂インサートが研磨される量は少なくなり、樹脂インサートのライフが延びる。

このときの、樹脂インサート２０の形状としては、図３（Ａ）のような三角形の断面形状であってもよいし、図３（Ｂ）のような台形の断面形状であってもよい。
また、保持孔２１の内周端部のテーパー面がキャリア母体９の主面から５°〜８５°傾斜しているものであることが好ましい。このような傾斜角度の範囲であれば、樹脂インサートの脱落を防止でき、安定した研磨が可能である。このとき例えば、保持孔２１のテーパー面が４５°傾斜している場合は、樹脂インサート２０の外周部のテーパー形状は−４５°傾斜させるようにして逆テーパー面とする。

また、保持孔２１のテーパー面と樹脂インサート２０の逆テーパー面を固定せずに脱着可能にして取り替えを容易にすることもできるし、接着剤で固定することもできる。接着剤で固定することにより、樹脂インサートが加工、搬送時にさらに安定する。
さらに、樹脂インサート２０がキャリア母体９の保持孔２１にはめこまれたキャリア２２を両面研磨することが好ましい。このように、樹脂インサートがはめこまれた状態でキャリアを両面研磨することで、樹脂インサートとキャリア母体の厚さを同じにして段差を無くすことができ、これにより半導体ウェーハを両面研磨する際に、より平坦度の高い半導体ウェーハにすることができる。また、本発明のキャリアであれば、樹脂インサート取り付け時のキャリア母体の変形がないため、このキャリア立ち上げのための研磨が短時間で済む。

このとき、本発明の両面研磨装置用キャリア２２のキャリア母体９の材質としては、ＳＵＳ材等も可能であるが、チタンが好ましい。チタンであれば、ＦｅやＮｉなどのシリコン単結晶中での拡散係数の大きな不純物が存在しない。このため、半導体ウェーハで問題となる金属の汚染を抑制することが可能である。

また、この金属製のキャリア母体９の表面が窒化チタン膜、ＤＬＣ膜のいずれかによりコーティングされたものであることが好ましい。このように、金属製のキャリア母体の表面が窒化チタン膜、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜のいずれかによりコーティングされたものであれば、硬度がより上がって傷がつきにくくなり、研磨スラリーへ異物が脱落するのも抑えられて、キャリアライフの延命及びウェーハへの一層の汚染抑制が可能となる。

以上のような本発明の両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置であれば、樹脂インサート取り付け時のキャリア母体の変形が防止されているため、平坦度の高い半導体ウェーハに研磨することができ、キャリア立ち上げ研磨を行う場合にも短時間で済む。このため、このような本発明の両面研磨装置用キャリアを用いた両面研磨を行えば、平坦度の高い半導体ウェーハを生産性良く製造することができる。

以下、本発明を実施例、比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（実施例、比較例）
（キャリアの立ち上げ比較）
まず、図３（Ａ）に示すキャリア母体９のテーパー面が主面から６０°傾斜しており、樹脂インサート２０の外周部が−６０°の逆テーパー面となっている本発明の両面研磨装置用キャリアａを準備した。また、図３（Ｃ）に示す従来の両面研磨装置用キャリアｂ、ｃを準備し、この３つのキャリアの立ち上げ加工を行った。
両面研磨装置用キャリアａ、ｂ、ｃのキャリア母体の材質はチタンにＤＬＣコーティングを施したものを使用し、樹脂インサートの材質はアラミドを使用した。

キャリアの立ち上げ加工は、不二越機械工業（株）製の両面研磨装置を使用し、加工条件は、研磨布（ウレタンパッド、ｔ＝１．３ｍｍ）、研磨液（コロイダルシリカ）として、装置条件は、上定盤（−１０〜−１５ｒｐｍ）、下定盤（３０〜４０ｒｐｍ）、サンギア（２０〜３０ｒｐｍ）、インターナルギア（５〜９ｒｐｍ）、研磨圧（１００〜２００ｇ／ｃｍ^２）とした。

上記条件で行う立ち上げ加工の研磨時間をキャリアａ、ｂを６０分×２（キャリアの表裏を裏返して両面を均等に研磨する）で行い、キャリアｃを９００分×２（キャリアの表裏を裏返して両面を均等に研磨する）で行った。
このようにして、立ち上げ加工を施した両面研磨装置用キャリアａ、ｂ、ｃの金属製のキャリア母体と樹脂インサートの境界の段差を調べるために、キャリア母体と樹脂インサートの厚さを電子マイクロメータで測定し、また別に表面粗さ計（サーフテスト ＳＪ−４００）で表面粗さを測定して段差を調べた。その結果、本発明のキャリアａはキャリア母体と樹脂インサートの段差が、長時間立ち上げ研磨を行った従来のキャリアｃより小さく、同時間の立ち上げ研磨を行った従来のキャリアｂの段差の半分以下となった。その結果を表１に示す。

（ウェーハの平坦度比較）
上記のように立ち上げ加工された両面研磨装置用キャリアａ、ｂ、ｃを用いて直径３００ｍｍのウェーハを各１００枚両面研磨した。ウェーハの両面研磨条件は、不二越機械工業（株）製の両面研磨装置を使用し、研磨布（ウレタンパッド、ｔ＝１．３ｍｍ）、研磨液（コロイダルシリカ）として、装置条件は、上定盤（−１０〜−１５ｒｐｍ）、下定盤（３０〜４０ｒｐｍ）、サンギア（２０〜３０ｒｐｍ）、インターナルギア（５〜９ｒｐｍ）、研磨圧（１００〜２００ｇ／ｃｍ^２）と、キャリア立ち上げ加工よりも細かい研磨液を使用した。

上記の条件で加工されたウェーハの表面の平坦度（ＳＦＱＲ（ｍａｘ））を平坦度測定器（ＷａｆｅｒＳｉｇｈｔ Ｍ４９モード ＠２６×８／０×０ｍｍ Ｅ・Ｅｘ＝２ｍｍ）で測定した。その結果を図４に示す。
なお、ＳＦＱＲ（ｓｉｔｅ ｆｒｏｎｔ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｒａｎｇｅ）とはウェーハ裏面を平面に矯正した状態で、設定されたサイト内でデータを最小二乗法にて算出したサイト内平面を基準平面とし、各サイト毎のこの平面からの最大、最小の位置変位の差を示す。（ｍａｘ）とは、各サイト毎のその差のうち最大のものを指す。

本発明のキャリアａを使用して研磨されたウェーハは、平均値が２５．２ｎｍであり、従来のキャリアｂ、ｃを使用して研磨されたウェーハは、平均値が４０．２ｎｍ、２８．８ｎｍであった。立ち上げ研磨時間が同じ従来のキャリアｂの場合は、本発明のキャリアａを使用して研磨されたウェーハより平坦度が大幅に低かった。また、従来のキャリアｃを使用して研磨した場合は、比較的平坦度が高かったが、立ち上げの研磨時間が本発明のキャリアａの１５倍の時間がかかった。研磨された全数のウェーハについて、図４に示すように本発明のキャリアａを使用して研磨されたウェーハの平坦度が高いことが分かり、特にウェーハ外周部の形状が従来のキャリアの場合よりも平坦であった。

以上のように、本発明の両面研磨装置用キャリアであれば、キャリア母体の保持孔へ樹脂インサートを取り付ける際にテーパー面を介してはめこまれるため、樹脂インサートの脱落が防止され、取り付け時にキャリア母体が変形することがない。このため、両面研磨の際に平坦度の高い半導体ウェーハに研磨することができ、また、キャリアの立ち上げ加工を施す場合も金属製のキャリア母体を長時間研磨する必要が無いため、研磨時間の大幅な短縮にもなり、半導体ウェーハの生産性の向上にもつながる。

なお、本発明は、上記実施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用キャリアを具備した両面研磨装置の一例を示した縦断面図である。 平面視による両面研磨装置の内部構造図である。 （Ａ）本発明の両面研磨装置用キャリアの拡大断面図と平面図の一例である。（Ｂ）本発明の両面研磨装置用キャリアの拡大断面図と平面図の他の例である。（Ｃ）従来の両面研磨装置用キャリアの拡大断面図と平面図である。 実施例の測定結果である。

符号の説明

９、３１…キャリア母体、 １０…両面研磨装置、 １１…下定盤、 １２…上定磐、
１１ａ、１２ａ…研磨布、 １３…サンギア、 １４…インターナルギア、
１５…ノズル、 １６…貫通孔、 ２０、３０…樹脂インサート、
２１…保持孔、 ２２…両面研磨装置用キャリア、 Ｗ…ウェーハ。

Claims (8)

1. 両面研磨装置用キャリアであって、少なくとも、研磨布が貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された金属製のキャリア母体と、該キャリア母体の保持孔の内周部に沿って配置され、前記保持されるウェーハの周縁部に接するリング状の樹脂インサートとからなり、前記キャリア母体の前記保持孔の内周端部は上開きのテーパー面を有し、前記リング状の樹脂インサートの外周部は前記キャリア母体の保持孔のテーパー面に対し逆テーパー面とされ、前記樹脂インサートが前記テーパー面を介して前記キャリア母体の保持孔にはめこまれているものであることを特徴とする両面研磨装置用キャリア。
2. 前記保持孔のテーパー面が前記キャリア母体の主面から５°〜８５°傾斜している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用キャリア。
3. 前記保持孔のテーパー面と前記樹脂インサートの逆テーパー面が接着剤で固定されているものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の両面研磨装置用キャリア。
4. 前記樹脂インサートが前記キャリア母体の保持孔にはめこまれた前記キャリアが、両面研磨されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリア。
5. 前記キャリア母体の材質がチタンであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリア。
6. 前記金属製のキャリア母体の表面が窒化チタン膜、ＤＬＣ膜のいずれかによりコーティングされたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリア。
7. 少なくとも、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリアを具備したものであることを特徴とする両面研磨装置。
8. 半導体ウェーハを両面研磨する方法であって、研磨布が貼付された上下定盤の間に請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のキャリアを配設し、該キャリアに形成された保持孔に半導体ウェーハを保持して、前記上下定盤の間に挟み込んで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。

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