JP2010040543A - 半導体ウェーハの加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ウェーハ厚さを正確に測定できるウェーハの加工装置を提供する。
【解決手段】被加工物である半導体ウェーハ11を実質的に水平に載置する基台12と、前記半導体ウェーハに加工用流体14を供給するべく前記半導体ウェーハの加工面に対向する供給口26a,27aを有するノズル26,27と、前記ノズル内部に配置され、前記供給口を介して前記半導体ウェーハの加工面に音波または電磁波を出射して前記半導体ウェーハの厚さを測定する厚さ測定手段41a,42aと、を備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体ウェーハのエッチング装置その他の加工装置に関するものである。
シリコンなどの半導体ウェーハの製造工程において、ラッピング工程とポリッシング工程との間で行われるエッチング工程は、前工程で発生したウェーハ表面の加工変質層を除去するために、ウェーハを高速回転させながらウェーハ表面にエッチャントを滴下し、遠心力を利用してエッチャントを滴下箇所からウェーハ全体に広げるものである(特許文献1)。
そして、上記特許文献1に開示された枚葉式エッチング装置では、エッチャントの供給ノズルの先端にウェーハの厚さを測定するための近赤外光による厚さ測定センサを設け、測定されたウェーハ厚さに応じて供給ノズルの移動速度やエッチャントの供給量を制御することでエッチング量をコントロールする。
特開2007−207810号公報
しかしながら、近赤外光の反射光による厚さ測定では、ウェーハ表面に滴下したエッチャントの波立ちによって正確なウェーハ厚さを測定できないという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、ウェーハ厚さを正確に測定できるウェーハの加工装置を提供することである。
本発明の半導体ウェーハの加工装置は、被加工物である半導体ウェーハを実質的に水平に載置する基台と、 前記半導体ウェーハに加工用流体を供給するべく前記半導体ウェーハの加工面に対向する供給口を有するノズルと、前記ノズル内部に配置され、前記供給口を介して前記半導体ウェーハの加工面に音波または電磁波を出射して前記半導体ウェーハの厚さを測定する厚さ測定手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、半導体ウェーハの厚さを正確に測定することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第1実施形態》
第1実施形態は、本発明の半導体ウェーハの加工装置を枚葉式エッチング装置に適用した例であり、図1は枚葉式エッチング装置を示す要部縦断面図、図2は同装置の平面図、図3はノズル部分の拡大断面図である。
図1に示すように、シリコンウェーハの枚葉式エッチング装置10は、図示を省略したチャンバに収容され、一枚の薄円板状のシリコンウェーハ11を載せて水平に保持するウェーハチャック12と、ウェーハ11をその鉛直中心線を中心に水平面内で回転させる回転手段13と、チャック12に載せられたウェーハ11のエッジ部11aを伝わって流下するエッチング液14をガスの噴射によりウェーハ11の半径方向外側に吹き飛ばすガス噴射機構17とを備える。
シリコンウェーハ11はシリコン単結晶インゴットをスライスして得られ、このウェーハ11の外周縁、すなわちエッジ部11aは所定の曲率半径を有する凸状エッジ部となるように面取り加工が施される。
ウェーハチャック12は、直径がウェーハ11の直径より大きく形成された円板状のベース部材19と、このベース部材19の中央に鉛直方向に延びて形成された通孔19aに軸部21aが挿通された保持軸21とを有する。
保持軸21は、上記軸部21aと、軸部21aの上面にこの軸部21aと一体的に形成された大径のウェーハ受け部21bと、保持軸21の中心にこの保持軸21の下面から上部まで鉛直方向に延びて形成された透穴21cと、一端が透穴21cの上端に連通接続され透穴21cを中心としてウェーハ受け部21bの半径方向外側に放射状に延び他端が閉止された複数の連通穴21dと、ウェーハ受け部21bの上面に同心状に形成された複数のリング溝21eと、連通穴21dとリング溝21eとを連通接続する複数の小孔21fとを有する。上記透穴21cの下端は真空ポンプ(図示せず)に連通接続されている。
ウェーハ受け部21bの外径は、軸部21aの外径より大きくウェーハ11の外径より小さく形成され、ウェーハ受け部21bの上面にはこのウェーハ受け部21bと同心状にウェーハ11が載るように構成されている。そして、図示しない真空ポンプが駆動されて透穴21c内が負圧になると、連通穴21d、小孔21f及びリング溝21e内が負圧になり、ウェーハ11下面が保持軸21のウェーハ受け部21bに吸着されて、ウェーハ11が水平に保持されるようになっている。
また回転手段13は、上記保持軸21と、この保持軸21を回転させる駆動モータ(図示せず)とを有する。駆動モータにより保持軸21を回転させることにより、保持軸21にて保持されたウェーハ11が保持軸21とともに回転するように構成されている。
一方、ガス噴射機構17は、チャック12の上面にこのチャック12の円周方向に沿って設けられたリング状の噴射口17aと、チャック12に設けられ上端が噴射口17aに連通するリング状の噴射溝17bと、噴射溝17bに連通するガス供給手段(図示せず)とを有する。
上記噴射口17aは、ウェーハ11のエッジ部11a近傍の下面を臨むように形成されている。上記噴射溝17bは、ベース部材19の上面にベース部材19と同心状にウェーハ受け部21bとテーパ部材22とを取付けることにより設けられている。この噴射溝17bは下方に向うに従って直径が小さくなるように形成されるとともに、上方に向かうに従って次第に狭くなるように形成され、噴射口17aが最も狭くなるように形成されている。
噴射溝17bの下部は、ウェーハ受け部21bから軸部21aにわたって形成された4つのガス供給孔17cの一端に連通され、これらのガス供給孔17cの他端はガス供給手段に接続されている。
ガス供給手段は、窒素ガス又は空気等のガスを圧縮するコンプレッサ等により構成され、このガス供給手段により圧縮されたガスはガス供給孔17c及び噴射溝17bを通って噴射口17aに供給される。
また、図1及び図2に示すように、本例の枚葉式エッチング装置10には、供給口26a,27aからウェーハ11の上面にエッチング液14を噴射可能な複数の供給ノズル26,27を備える。図示する例では、ノズルの数が2つの場合を示し、2つのノズル26,27は、別々に設けられたノズル移動手段28,29によりそれぞれ別々に独立して移動可能に構成されている。
図示する例における一方のノズル26を移動させる一方のノズル移動手段28は、その一方のノズル26の基端に設けられ、そのノズル26を、基端を中心として先端を揺動(回転)させるステッピングモータで構成されている。そして、その揺動するノズル26の先端に供給口26aが形成されている。
他方のノズル移動手段29は、他方のノズル27を軸方向に直動させる回転モータであり、その回転軸29aにボールねじ29bが同軸上に接続され、他方のノズル27にはそのボールねじ29bに螺合する雌ねじ部材29cが取付けられる。そして、回転モータ29の回転軸29aを回転させてボールねじ29bを回転させることにより、雌ねじ部材29cとともに他方のノズル28がその軸方向に直線往復移動するように構成されている。
図1に戻り、2つのノズル26,27には、それらにエッチング液14を供給してこれらのノズル26,27のそれぞれの供給口26a,27aからウェーハ11の上面(エッチング加工面)にエッチング液14をそれぞれ噴射させるエッチング液供給手段30が接続されている。
エッチング液供給手段は、液体供給本管31を備え、一方のノズル26には第1液体供給管31aの一端が接続され、他方のノズル27には第2液体供給管31bの一端が接続されている。また、第1液体供給管31a及び第2液体供給管31bのそれぞれの他端が前述した液体供給本管31の一端に接続され、液体供給本管31の他端はエッチング液14が貯留された液体タンク33に接続されている。そして、液体供給本管31には液体タンク33内のエッチング液14をそれぞれのノズル26,27に供給するためのポンプ36が設けられている。
第1液体供給管31aには、一方のノズル26へのエッチング液14の供給量を調整する第1液体調整弁34が設けられ、第2液体供給管31bには他方のノズル27へのエッチング液14の供給量を調整する第2液体調整弁35が設けられている。
第1及び第2液体調整弁34,35は同一品であり、第1液体調整弁34を代表して説明すると、この第1液体調整弁34は第1〜第3ポート34a〜34cを有する三方弁であり、第1ポート34aはポンプ36の吐出口に接続され、第2ポート34bはノズル26に接続され、更に第3ポート34cは戻り管37を介して液体タンク33に接続されている。そして、第1液体調整弁34がオンすると第1及び第2ポート34a,34bが連通し、オフすると第1及び第3ポート34a,34cが連通するように構成されている。
2つのノズル26,27の内部には、シリコンウェーハ11の厚さを非接触で測定可能なセンサ41,42が設けられている。このセンサ41,42は、2つのノズル26,27の内部に実際に設けられた超音波発信受信器(探触子またはプローブともいう。)41a,42aと、データ解析装置41b,42bを備え、超音波発信受信器41a,41bは、たとえば周波数が20kHz以上の超音波をウェーハ11のエッチング面に向かって発信し、その反射波(反射超音波)を受信することができるように構成されている。
一方、データ解析装置41b,42bは超音波発信受信器41a,42aが受信した反射波を分析して、超音波発信受信器41a,42aが超音波を発信した部分のウェーハ11の厚さを計測し、その計測結果をこのセンサ41,42の検出出力として出力するように構成されている。
そしてこのセンサ41,42の各検出出力はマイクロコンピュータからなるコントローラ44の制御入力に接続され、コントローラ44の制御出力は第1及び第2液体調整弁34,35、ポンプ36、及びノズル移動手段を構成するそれぞれのモータ28,29にそれぞれ接続されている。
なお、超音波発信受信器41a,42aから発信された超音波は直進性に優れ、音響インピーダンスの異なった物質間の境界面で反射する特性を有する。したがって、ウェーハ11のエッチング面(一方の主面)に超音波を発信すると、当該エッチング面に入射する際に第1の反射波が発生し、さらに超音波がウェーハ11内を直進してエッチング面の裏面から出射する際に第2の反射波が発生する。そして、超音波を発信した時刻と、上記第1の反射波および/または第2の反射波を受信した時刻とに基づいてウェーハ11の厚さを求めることができる。
たとえば、第1の反射波と第2の反射波との受信時刻の差Δtがウェーハ11の厚さに対応することから、Δtにシリコン単結晶中における音速(約8500m/sec)を乗じることでウェーハ11の厚さが求められる。
またこれに代えて超音波の多重反射波を利用してウェーハ11の厚さを測定することもできる。
すなわち、超音波発信受信器41a,42aから発信された超音波はウェーハ11のエッチング面の裏面で反射するが、この反射波はさらにウェーハのエッチング面とその裏面で多重反射する。この多重反射した反射波は超音波発信受信器41a,42aにより受信され、図4に示すような波形B1〜B11を示すことになる。ここで、これらの多重反射波の中から複数の反射波を抽出し、第N番目(Nは自然数)に検出された時刻と第N+M番目(Mは自然数)に検出された時刻との時間差Δtに基づいて、T=t×音速/M/2によりウェーハの厚さTを測定することができる。なお、ここでの音速はシリコンウェーハ内における音速(約8500m/sec)である。
また、超音波発信受信器41a,42aから発信された超音波はウェーハ11のエッチング面で反射して超音波発信受信器41a,42aに受信されるが、このとき超音波発信受信器41a,42aの受信面でさらに反射してウェーハ11に向かい、この反射波がウェーハ11のエッチング面の裏面でさらに反射し、この反射波が上述したようにウェーハのエッチング面とその裏面で多重反射する。この多重反射波を用いて上記式によりウェーハ11の厚さを測定することもできる。
いずれの方法によっても複数の多重反射波を用いてウェーハ11の厚さを測定すると、一つの反射波により求めたウェーハ11の厚さに比べ、より精度の高い測定値を得ることができる。
また、超音波によるウェーハ11の厚さ測定に代えて、近赤外光その他の光などの電磁波を用いてウェーハ11の厚さを測定することもできる。
超音波や電磁波のいずれによっても、本例では、それを発信及び受信するプローブ(図1の例でいえば超音波発信受信器41a,42a)を、エッチング液14が流通するノズル26,27の内部に設けているので、超音波や電磁波がエッチング液14中を伝播することになり、ウェーハ11のエッチング面で生じるエッチング液14の波立ちにより測定値が影響を受けることがなくなる。
図1に戻り、コントローラ44はメモリ47を備え、メモリ47には、センサ41,42により測定されたシリコンウェーハ11の厚さに応じた第1及び第2液体調整弁34,35のオン時間及びその間隔や、各種モータ28,29の回転速度やその方向、ポンプ36の作動の有無が予め記憶されている。
そして、ノズル26,27からのエッチング液14の供給量をそのウェーハ11の部位における厚さに応じて調整するように構成されている。たとえば、コントローラ44は、センサ41,42により測定されたシリコンウェーハ11の厚さが目標とする厚さより厚い場合には、ノズル26,27の移動速度を低下させるか或いはそのノズル26,27から噴射されるエッチング液14の量を増加させてそのエッチング量が増加するように制御する。両者を同時に制御することもできる。
これに対し、センサ41,42により測定されたシリコンウェーハ11の厚さが目標とする厚さより薄い場合には、ノズル26,27の移動速度を増加させるか或いはそのノズル26,27から噴射されるエッチング液14の量を低下させてそのエッチング量が減少するように制御する。両者を同時に制御することもできる。
次に本例の枚葉式エッチング装置10の動作を説明する。
先ず保持軸21のウェーハ受け部21b上にウェーハ11を載せた状態で、保持軸21の透穴21aの下端に連通接続された真空ポンプを作動させて透穴21cを負圧にし、この負圧力によりウェーハ11を吸着保持する。この状態で回転手段13の駆動モータを作動させて、保持軸21とともにウェーハ11を水平面内で回転させる。
次いで、ガス噴射機構17のガス供給手段を作動させて窒素ガス又は空気からなる圧縮ガスをガス供給孔17c及び噴射溝17bを通って噴射口17aから噴射させることにより、テーパ部材22上面とウェーハ11下面との間の隙間に、ウェーハ11の半径方向外側に向って流れるガス流を作る。
次に、コントローラ44は、ノズル移動手段を構成するステッピングモータ28と回転モータ29をそれぞれ駆動させ、一方のノズル26を揺動させるとともに、他方のノズル27をその軸方向に独立して移動させる。
これとともにコントローラ44は、ポンプ36を駆動するとともに第1及び第2液体調整弁34,35をそれぞれオンして2つのノズル26,27の双方の供給口26a,27aからエッチング液14をウェーハ11の上面に連続的に供給する。
ウェーハ11の上面に供給されたエッチング液14は、ウェーハ11の水平面内での回転に伴って生じた遠心力により、エッチング液14の供給した箇所(例えばウェーハ11上面中心近傍)からウェーハ11のエッジ部11aに向ってウェーハ11上面の加工変質層をエッチングしながら徐々に移動する。そしてウェーハ11上のエッチング液14の大部分は上記ウェーハ11の回転に伴う遠心力により液滴となってウェーハ11外方へ飛散し、チャンバ外に排出される。この様子を図3に示す。
ここで、本例のセンサ41,42の超音波発信受信器41a,42aは、エッチング液が流通するノズル26,27の内部に設けられ、超音波をウェーハ11のエッチング面に向かって発信するが、発信された超音波は連続して供給されるエッチング液14の液中を伝播してエッチング面に至ることになる。したがって、エッチング液14がウェーハ表面で波立っても、この波立ちの影響を受けることなくウェーハ11の厚さを精度よく測定することができる。
なお、ウェーハの上面をエッチングするエッチング液14は、2つのノズル26,27の双方の供給口26a,27aから噴射されるので、そのエッチング液14は液干渉するが、ノズル26、27の動きを最適化することで、ウェーハ面内のエッチング量分布制御の自由度を高めることができ、ウェーハ表面にうねりを生じていても、研削痕やうねりを確実に取除くことができる。この結果、ウェーハのエッチング時における高平坦化を効率よく達成することができ、その生産性を向上することができる。
また本例では、揺動するノズル26と直動するノズル27を設けたので、互いのノズル26,27は異なった軌跡上を移動しながらウェーハ表面をエッチングする。この結果、同一移動方式のノズルの使用に比べてウェーハ11面内のエッチング量分布をより高い自由度で制御することが可能となり、ウェーハ表面にうねりや研削痕をより効率的に取除くことができる。
また、本例のウェーハの枚葉式エッチング装置10では、ノズル26,27の先端にシリコンウェーハ11の厚さを測定可能なセンサ41,42を設けたので、エッチング中のウェーハ11の厚さを検出することができ、コントローラ44はその検出出力によりノズル26,27の移動速度やエッチング液14の供給量を調整することにより、ウェーハ11の厚さをリアルタイムにフィードバックしてそのエッチング精度を向上させることができ、ウェーハの厚さのばらつきを小さくすことができる。
そして、ノズル26,27からのエッチング液14の供給量をウェーハ11の部位における厚さに応じて調整するので、そのエッチング精度を向上させることができ、ウェーハ11の厚さのばらつきを小さくできるとともに、エッチング後の厚みが揃うことから次工程の研磨への投入が容易にすることができる。このため、スライス後のウェーハ11でも狙いの厚みでエッチングが可能となり、従来必要とされたラップ工程や研削工程を省略することも期待できる。
なお、上述した実施形態では、ノズル26,27の数が2つであり、一方のノズル26は基端を中心として先端が揺動し、他方のノズル27は軸方向に直動する場合を例にして説明したが、ノズルの数が2つの場合には、ノズルの双方が基端を中心として先端が揺動するものであっても良く、ノズルの双方が直動する供給ノズルであっても良い。
また、上述した実施形態では、ノズル26,27の数が2つの場合を説明したが、ノズルは3つであっても良く、4つ以上であっても良い。
さらに上述した実施形態では、本発明の加工装置をエッチング装置に適用した例を示したが、本発明の加工装置はエッチング装置以外にも、たとえば研削装置などに適用することができる。
図5は、上述したエッチング工程の前工程に設けられる研削工程(ラッピング工程)で用いられる片面研削装置100の一例を示す側面図、図6はその平面図である。
図5及び図6に示す片面研削装置100は、被加工物であるシリコンウェーハ11を真空吸着などの手段により保持するチャックテーブル110と、ウェーハ11の研削面(この場合は図示する上面)に接触して当該研削面を研削する研削ホイール120とを備える。
チャックテーブル110は、図示しない駆動装置により所定方向に回転し、吸着保持したウェーハ11を所定方向に所定速度で回転する。一方、研削ホイール120は、図示しない駆動装置によりチャックテーブル110に対して接近離反するように上下移動するとともに、図示しない駆動装置により所定方向に所定速度で回転する。
すなわち、固定されたチャックテーブル110に対し、研削ホイール120は、図5に示すように、研削ホイール120の下面に装着された研削材121がウェーハ11に接触する位置と、離間する位置との間を上下移動する。また、チャックテーブル110と研削ホイール120は、図6に示すように、研削ホイール120の研削材121の外周縁がチャックテーブル110の中心を通るように互いにオフセットして設けられている。
ウェーハ11の研削面を研削加工するための研磨剤(アルミナなどを含む研磨溶液)は、ノズル130からウェーハ11の研削面に向かって連続して供給される。本例では、ウェーハ11の厚さを測定するためのプローブ140(図1に示す例の超音波発信受信器26,27に相当する。)がノズル130の内部に設けられている。
そして、研削中において超音波を発信すると、発信された超音波は連続して供給される研磨剤の中を伝播し、上述した実施形態と同様にウェーハ11の研削面と当該研削面の裏面とで反射し、この反射波またはその多重反射波を用いてウェーハ11の厚さを測定することができる。
この測定されたウェーハ11の厚さデータは、研磨剤の供給量、チャックテーブル110の回転速度、研削ホイール120の回転速度、研削時間などにフィードバックされ、それぞれ又はいずれかが制御されることにより目的とする厚さのウェーハ11を得ることができる。
なお、図5及び図6に示す研削装置100は片面研削装置を示したが、ウェーハ11の両面を同時に研削する両面研削装置に適用することもできる。
発明の実施形態に係る枚葉式エッチング装置を示す要部縦断面図である。 図1のエッチング装置の平面図である。 図1のエッチング装置のノズル部分の拡大断面図である。 図1に示すエッチング装置のセンサで検出される反射波を示すグラフである。 発明の他の実施形態に係る片面研削装置を示す側面図である。 図5の片面研削装置の平面図である。
符号の説明
10…枚葉式エッチング装置
11…シリコンウェーハ
12…ウェーハチャック
14…エッチング液
26,27…ノズル
26a,27a…供給口
41,42…センサ
41a,42a…超音波発信受信器(プローブ)
41b,42b…データ解析装置

Claims (8)

  1. 被加工物である半導体ウェーハを実質的に水平に載置する基台と、
    前記半導体ウェーハに加工用流体を供給するべく前記半導体ウェーハの加工面に対向する供給口を有するノズルと、
    前記ノズル内部に配置され、前記供給口を介して前記半導体ウェーハの加工面に音波または電磁波を出射して前記半導体ウェーハの厚さを測定する厚さ測定手段と、を備えたことを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
  2. 請求項1に記載の半導体ウェーハの加工装置において、
    前記厚さ測定手段は、前記供給口を介して前記半導体ウェーハの加工面に超音波を出射し、前記半導体ウェーハの加工面からの反射波と当該加工面の裏面からの反射波との受波時間差に基づいて、前記半導体ウェーハの厚さを測定することを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
  3. 請求項1に記載の半導体ウェーハの加工装置において、
    前記厚さ測定手段は、前記供給口を介して前記半導体ウェーハの加工面に超音波を出射し、前記半導体ウェーハの加工面の裏面からの反射波が当該半導体ウェーハの表裏面で多重反射して発生する波形ピークに基づいて、前記半導体ウェーハの厚さを測定することを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
  4. 請求項3に記載の半導体ウェーハの加工装置において、
    前記厚さ測定手段は、多重反射して発生する波形ピークを検出し、第N番目(Nは自然数)に検出された時刻と第N+M番目(Mは自然数)に検出された時刻との時間差tに基づいて、下記式により前記半導体ウェーハの厚さTを測定することを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
    <式1>半導体ウェーハの厚さT=t×音速/M/2
    ただし、音速は半導体ウェーハ内における音速である。
  5. 請求項1に記載の半導体ウェーハの加工装置において、
    前記厚さ測定手段は、前記供給口を介して前記半導体ウェーハの加工面に光を出射し、前記半導体ウェーハの加工面からの反射光と当該加工面の裏面からの反射光との光干渉作用に基づいて、前記半導体ウェーハの厚さを測定することを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの加工装置において、
    前記ノズルの供給口を前記半導体ウェーハの加工面に対して相対的に移動させる移動手段と、
    前記供給口から供給される前記加工用液体の単位時間当たりの供給量を調節する調節手段と、の少なくとも一方を備えたことを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
  7. 請求項6に記載の半導体ウェーハの加工装置において、
    前記ノズルの供給口を前記半導体ウェーハの加工面に対して相対的に移動させる移動手段を備え、
    前記厚さ測定手段により測定された前記半導体ウェーハの厚さが目標厚さより小さいときは前記移動手段による前記供給口の移動速度を増加させ、前記厚さ測定手段により測定された前記半導体ウェーハの厚さが目標厚さより大きいときは前記移動手段による前記供給口の移動速度を減少させることを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
  8. 請求項6に記載の半導体ウェーハの加工装置において、
    前記供給口から供給される前記加工用液体の単位時間当たりの供給量を調節する調節手段を備え、
    前記厚さ測定手段により測定された前記半導体ウェーハの厚さが目標厚さより小さいときは前記調節手段による前記加工用液体の単位時間当たりの供給量を減少させ、前記厚さ測定手段により測定された前記半導体ウェーハの厚さが目標厚さより大きいときは前記調節手段による前記加工用液体の単位時間当たりの供給量を増加させることを特徴とする半導体ウェーハの加工装置。
JP2008198005A 2008-07-31 2008-07-31 半導体ウェーハの加工装置 Pending JP2010040543A (ja)

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