JP2014116590A - 半導体ウェハの両面研磨装置および半導体ウェハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェハの外周部でのチッピングの発生を抑制できる両面研磨装置を提供する。
【解決手段】平坦研磨加工をキャリア４０に形成した円形穴４２内に半導体ウェハ５０のみを設置して行うのではなく、外周治具６０と共に半導体ウェハ５０を設置して行うようにする。これにより、外周治具６０と半導体ウェハ５０とが供回りするようにでき、半導体ウェハ５０の外周部が円形穴４２の内周面に対して摺動させられないようにできる。したがって、半導体ウェハ５０の外周部にチッピング発生の要因となる段差や線状の凹凸が形成されないようにできる。これにより、半導体ウェハ５０の外周部でのチッピングの発生を抑制することができる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、半導体ウェハの表裏面の平坦研磨加工（両面ラッピング）を行って両面が平坦な半導体ウェハを得る両面研磨装置およびそれを用いた半導体ウェハの製造方法に関するものである。

従来より、半導体ウェハの表裏面を同時に研磨する方法として、金属定盤などを用いたラッピング、研磨布を用いたポリッシング、研磨布と化学反応するスラリーを用いた化学機械研磨（CMP：Chemical Mechanical Polishing）等の平坦研磨加工を行う研磨装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。この研磨装置では、上定盤と下定盤との間にキャリアと共に半導体ウェハを設置し、上定盤側から下定盤側に向けて加圧した状態で駆動軸を回転させる。そして、上定盤と下定盤との間にダイヤモンド砥粒を含む研磨液を供給して、半導体ウェハの両面研磨を行う。

具体的には、歯車形状とされたキャリアの内部に円形穴が設けられている。その円形穴内に半導体ウェハを収容した状態で、キャリアおよび半導体ウェハを上定盤と下定盤との間に設置する。そして、キャリアの外周面と同様、駆動軸の外周面や下定盤の外縁部に設けられた環状枠の内周面にもギアが形成されている。駆動軸を回転させると、各ギアの噛み合いに基づいてキャリアが自転しながら駆動軸を中心として公転させられる。また、上定盤と下定盤とによって半導体ウェハが加圧された状態になっている。そのため、キャリアが自転しても半導体ウェハは上定盤と下定盤との接触抵抗により、自転するキャリアの回転方向に対して反対方向に自転させられる。さらに、キャリアの中心と円形穴の中心とを偏心させているため、半導体ウェハがキャリアの中心に対して公転回転させられる。これにより、上定盤と下定盤との間において駆動軸に対する径方向の広い範囲を偏り無く移動しながら半導体ウェハの両面研磨が行われるようになっている。

特開２００７−８８１５２号公報

しかしながら、本願の発明者の検討によると、平坦研磨加工中に半導体ウェハとキャリアとの間にダイヤモンド砥粒が入り込み、キャリアの内周面と半導体ウェハの外周部とが接触することで半導体ウェハの外周部が削られ、チッピングが発生する恐れがある。チッピングの発生により後工程の加工中若しくは加工後にウェハ割れを誘発したり、ウェハ外周部の面取りを実施する場合に余分な加工量を必要とする恐れがある。特に、炭化珪素（ＳｉＣ）のような硬質な半導体材料からなる半導体ウェハの平坦研磨加工を行う場合には、これらの問題が顕著になる。

例えば、キャリアにはＳＵＳ等の金属製キャリアとガラスエポキシキャリアなどがあるが、いずれの場合にも上記の事態が発生する可能性がある。具体的には、図９Ａに示すように、キャリアＪ１が金属製の場合には半導体ウェハＪ２の外周面がキャリアＪ１の厚み相当分削られる。そして、削られている部分と削られていない部分との間に段差ができ、その段差の部分においてチッピングが発生する恐れがある。また、図９Ｂに示すように、キャリアＪ１がガラスエポキシ製の場合には、半導体ウェハＪ２の外周面に周方向に沿ったライン状の凹凸が形成され、この凹凸部分においてチッピングが発生する恐れがある。

本発明は上記点に鑑みて、チッピングの発生を抑制できる半導体ウェハの両面研磨装置およびそれを用いた半導体ウェハの製造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、請求項１に記載の発明では、上定盤（１０）と下定盤（２０）との間に配置される歯車状のキャリア（４０）の円形穴（４２）に、半導体ウェハ（５０）が収容される収容穴（６１）が形成されると共に、該収容穴内での半導体ウェハの相対回転を規制して、円形穴内において半導体ウェハと供回りさせるストッパ部（６２）を備えた外周治具（６０）を備えることを特徴としている。

このような構成の研磨装置では、平坦研磨加工をキャリアに形成した円形穴内に半導体ウェハのみを設置して行うのではなく、外周治具と共に半導体ウェハを設置して行うことになる。このため、外周治具と半導体ウェハとが供回りするようにでき、半導体ウェハの外周部が円形穴の内周面に対して摺動させられないようにできる。したがって、半導体ウェハの外周部にチッピング発生の要因となる段差や線状の凹凸が形成されないようにできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる研磨装置の斜視図である。 図１に示す研磨装置の断面図である。 研磨装置に備えられるキャリア４０および外周治具６０と、外周治具６０内に半導体ウェハ５０を配置したときの状態を示した正面図である。 研磨装置による平坦研磨加工の様子を示した斜視図である。 比較例としてキャリア４０の円形穴４２に半導体ウェハ５０のみを設置したときの状態を示した正面図である。 図４の構成において、ダイヤモンド砥粒７０を含む研磨液を供給したときの様子を示した比較例としての研磨装置の断面図である。 第１実施形態の構成において、ダイヤモンド砥粒７０を含む研磨液を供給したときの様子を示した研磨装置の断面図である。 外周部の加工を施した比較例としての半導体ウェハ５０の外周部の断面図である。 外周部の加工を施した比較例としての半導体ウェハ５０の外周部の断面図である。 他の実施形態で説明する研磨装置に備えられるキャリア４０および外周治具６０と、外周治具６０内に半導体ウェハ５０を配置したときの状態を示した正面図である。 関連技術において、金属製のキャリアＪ１を用いた場合の半導体ウェハＪ２の外周部の様子を示した断面図である。 関連技術において、ガラスエポキシ製のキャリアＪ１を用いた場合の半導体ウェハＪ２の外周部の様子を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本実施形態にかかる両面研磨装置について、図１A〜図６を参照して説明する。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本実施形態にかかる両面研磨装置は、上定盤１０、下定盤２０、環状枠２３および駆動軸３０を備えている。この両面研磨装置により、上定盤１０と下定盤２０の間にキャリア４０と共に半導体ウェハ５０を設置した状態で、半導体ウェハ５０の表裏面の平坦研磨加工を行う。なお、本実施形態にかかる両面研磨装置は、どのような半導体材料で構成される半導体ウェハ５０に対しても適用可能である。ただし、特に、炭化珪素（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、ダイヤモンド、サファイアなどの硬質な半導体材料の半導体ウェハ５０に対して両面研磨装置を適用すると好適である。

上定盤１０は、駆動軸３０が挿通される中心孔１１が形成された円盤状部材とされている。上定盤１０において、下定盤２０と対向する下面側が研磨面１２とされ、例えば金属定盤や研磨布が配置されている。この上定盤１０は、図示しない支持部に支持され、支持部の移動に伴って駆動軸３０に沿って上下移動が可能に構成されている。そして、上定盤１０を上に移動させたときに下定盤２０におけるキャリア４０の設置面が露出してキャリア４０の設置を可能とする。また、上定盤１０を下に移動させたときに下定盤２０との間において半導体ウェハ５０を加圧できるようになっている。

下定盤２０は、駆動軸３０が挿通される中心孔２１が形成された円盤状部材とされている。上定盤１０に対向する上面側が研磨面２２とされ、例えば金属定盤や研磨布が配置されている。ここでは下定盤２０に中心孔２１を形成したが、下定盤２０の中心に駆動軸３０を支持する支持部を形成しても良い。なお、下定盤２０は、駆動軸３０と一体化された図示しない土台の上に載置され、駆動軸３０の回転に伴って土台と共に回転可能となっている。

環状枠２３は、下定盤２０の外縁部、つまり研磨面２２の外周を囲むように、下定盤２０に対して同心状に配置されている。この環状枠２３の内周面にはギア２４が形成されている。環状枠２３は、下定盤２０の外周面から所定距離離間して配置されており、下定盤２０に対して相対回転可能に構成されている。また、環状枠２３は、図示していない回転制御装置によって駆動され、下定盤２０を中心として一方向およびそれと逆方向に回転可能に構成されている。

駆動軸３０は、上定盤１０および下定盤２０の中心に備えられ、各中心孔１１、２１に挿通されている。駆動軸３０における下定盤２０と対応する位置において、駆動軸３０の外周面にはギア３１が備えられている。下定盤２０は、駆動軸３０の回転に伴って回転させられるようになっている。この駆動軸３０は、図示していない回転制御装置によって駆動され、軸中心を回転中心として一方向および逆方向に回転可能に構成されている。なお、駆動軸３０を駆動する回転制御装置と環状枠２３を駆動する回転制御装置は、駆動軸３０と環状枠２３の回転を独立して制御できるものであれば、１つのものであっても良いし、別々のものであっても良い。

キャリア４０は、図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示すように外周面にギア４１が備えられた歯車形状とされている。キャリア４０は、金属製やガラスエポキシ製などとされ、半導体ウェハ５０よりも薄くされている。キャリア４０の直径は、下定盤２０におけるギア２４の内径と駆動軸３０におけるギア３１の外径との差と一致する長さに設定されている。つまりキャリア４０の直径は、両ギア２４、３１の間の距離と一致している。また、これら各ギア２４、３１、４１は歯幅がほぼ同じ寸法で構成されている。したがって、キャリア４０に備えられたギア４１が、環状枠２３および駆動軸３０に形成されたギア２４、３１と噛み合わさるようになっている。

キャリア４０には、円形穴４２が形成されている。円形穴４２の中心は、キャリア４０の中心からずれている。円形穴４２の径は、半導体ウェハ５０の径よりも大きくされている。なお、本実施形態では、キャリア４０に対して円形穴４２を１つだけ形成しているが、円形穴４２を複数形成しても良い。

このような円形穴４２内に半導体ウェハ５０を収容して、半導体ウェハ５０の表裏面の平坦研磨加工が行われる。ところで、半導体ウェハ５０のみを円形穴４２に収容して平坦研磨加工を行うと、チッピング発生を引き起こす恐れがある。このため、本実施形態では、円形穴４２の内側に円環状の外周治具６０を配置してある。そして、この外周治具６０に形成された半導体ウェハ５０の外形に整合する収容穴６１内に半導体ウェハ５０を収容した状態で平坦研磨加工が行われる。

図２に示すように、外周治具６０は、外周側は真円とされ、外径が円形穴４２の内径よりも若干小さく設定されている。外周治具６０の内周側はほぼ円形とされている。外周治具６０は、半導体ウェハ５０の収容穴６１内での回転を規制するストッパ部６２を備えている。つまりストッパ部６２は、半導体ウェハ５０が外周治具６０に対して相対回転することを規制する。本実施形態の場合、ストッパ部６２は、半導体ウェハ５０に形成されているオリエンテーションフラット（以下、フラット部という）５１と対応する直線状の部分である。このように構成される外周治具６０は、キャリア４０とほぼ同じ厚みとされ、かつ、半導体ウェハ５０よりも薄くされている。

なお、図示していないが、研磨装置には、研磨液供給部が備えられている。この研磨液供給部は、ダイヤモンド砥粒７０（後述する図５参照）を水溶液もしくは油性液にて分散した研磨液を供給する。研磨液は、上定盤１０と下定盤２０との間に供給される。例えば、研磨液は、上定盤に設けた貫通孔を介して上定盤１０と下定盤２０との間に供給される。または、駆動軸３０の内部に設けた図示しない通孔を通じて、研磨液を上定盤１０と下定盤２０との間に供給してもよい。

次に、前述した両面研磨装置を用いて表裏面を平坦研磨した半導体ウェハ５０の製造方法について説明する。

まず、図１Ａおよび図１Ｂに示したように、上定盤１０を上方に移動させた状態とすることで、下定盤２０の研磨面２２を露出させる。そして、下定盤２０の研磨面２２にキャリア４０を設置すると共に、円形穴４２内に外周治具６０と共に半導体ウェハ５０を配置する。キャリア４０や外周治具６０および半導体ウェハ５０の組については１組だけでなく、複数組みを研磨面２２に配置することもできる。その場合、駆動軸３０を中心として周方向にずらして各組を配置すれば良い。

続いて、図３に示すように、上定盤１０を下方に移動させ、上定盤１０と下定盤２０とによってキャリア４０や外周治具６０および半導体ウェハ５０を挟む。この状態で、上定盤１０を下定盤２０に向けて加圧する。そして、研磨液供給部から研磨液を供給しながら駆動軸３０および環状枠２３を回転させる。このとき、駆動軸３０と環状枠２３とを互いに逆方向に回転させることもできるし、回転数に差を設けつつ同方向に回転させることもできる。駆動軸３０および環状枠２３の回転方向や回転数に応じてキャリア４０の回転速度を適宜調整できる。

これにより、各ギア２４、３１、４１の噛み合いに基づいてキャリア４０が自転しながら駆動軸３０を中心として公転させられる。また、上定盤１０と下定盤２０とによって半導体ウェハ５０が加圧された状態になっている。そのため、キャリア４０が自転しても半導体ウェハ５０は上定盤１０と下定盤２０との接触抵抗により、自転するキャリア４０の回転方向と反対方向に自転させられる。また、半導体ウェハ５０を収容穴６１に収容している外周治具６０も、フラット部５１およびストッパ部６２によって半導体ウェハ５０が外周治具６０内において回転しないようにされている。その結果、半導体ウェハ５０と外周治具６０とが供回りする。このため、半導体ウェハ５０の外周部は、外周治具６０によって常に囲まれた状態となる。

さらに、キャリア４０の中心と円形穴４２の中心とを偏心させているため、半導体ウェハ５０がキャリア４０の中心に対して公転回転させられる。これにより、上定盤１０と下定盤２０との間において駆動軸３０に対する径方向の広い範囲を偏り無く移動しながら半導体ウェハ５０の両面研磨が行われる。

このようにして平坦研磨加工を行うことにより、半導体ウェハ５０の外周部にチッピング発生の要因となる段差や線状の凹凸が形成されないようにできる。

ここで、図４に示すように、キャリア４０に形成した円形穴４２内に半導体ウェハ５０のみを設置した場合を比較例として想定する。図５に示すように、上下定盤１０、２０と半導体ウェハ５０の隙間に入り込んだダイヤモンド砥粒７０によって半導体ウェハ５０の表裏面を研磨する。しかしながら、円形穴４２内において半導体ウェハ５０が回転させられるため、キャリア４０と半導体ウェハ５０との間に入り込んだダイヤモンド砥粒７０によって、半導体ウェハ５０の外周部が削られる恐れがある。

これに対して、本実施形態の両面研磨装置によれば、外周治具６０内において半導体ウェハ５０が回転しない。したがって、図６に示すように半導体ウェハ５０と外周治具６０との間にダイヤモンド砥粒７０が入り込んでも、半導体ウェハ５０の外周部はあまり削られない。このため、半導体ウェハ５０の外周部にチッピング発生の要因となる段差や線状の凹凸が形成されないようにできる。

以上説明したように、本実施形態では、キャリア４０に形成した円形穴４２内に、外周治具６０と共に半導体ウェハ５０を設置して、平坦研磨加工を行うようにしている。このため、外周治具６０と半導体ウェハ５０とが供回りする。したがって、半導体ウェハ５０の外周部が円形穴４２の内周面に対して摺動させられないようにできる。その結果、半導体ウェハ５０の外周部にチッピング発生の要因となる段差や線状の凹凸が形成されないようにできる。

そして、このような両面研磨装置によれば、既存の両面研磨装置に対して外周治具６０を追加するだけでよい。したがって、現在用いられているキャリア４０を変更することなくそのまま利用することができる。

なお、半導体ウェハ５０の外周部のチッピング防止手法として、図７Ａに示すように半導体ウェハ５０の外周面を円弧状にＲ加工したり、図７Ｂに示すように半導体ウェハ５０の外周面の両角部を面取りしたテーパ加工することも考えられる。しかしながら、これらの加工を行ってから平坦研磨加工を行ったとしても、半導体ウェハ５０のみを円形穴４２に設置して行うと、半導体ウェハ５０が円形穴４２の内周面に対して摺動する。その結果、やはりチッピング発生の要因となる段差や線状の凹凸が形成される恐れがある。このことからも、本実施形態の両面研磨装置は、チッピング防止に有効であることが判る。

（他の実施形態）
上記実施形態では、キャリア４０の一例を示したが、他の構成のキャリア４０を用いても良い。例えば、上記実施形態では、各キャリア４０に対して円形穴４２を１つだけ備えた構成としたが、複数備えた構成としても良い。その場合においても、各円形穴４２に対して１つずつ外周治具６０と共に半導体ウェハ５０を配置するようにすれば良い。

上記実施形態では、外周治具６０に備えたストッパ部６２を半導体ウェハ５０に形成してあるフラット部５１に対応した形状とした。しかしながら、これも単なる一例を示したに過ぎない。例えば、突起部などによってストッパ部６２を形成し、半導体ウェハ５０のうちストッパ部６２と対応する部分に切り欠きを設けてもよい。そして、突起部が切り欠きに係合することで、半導体ウェハ５０と外周治具６０とが供回りするようにしても良い。

また、砥粒としてダイヤモンド砥粒７０を用いた研磨液を用いているが、他の砥粒を用いた研磨液を用いても構わない。

また、上記実施形態では、半導体ウェハ５０がフラット部５１を有した外形とされる場合について説明した。しかしながら、半導体ウェハ５０の外形が他の形状とされる場合、例えば図８に示すように、外周部にノッチ部（切り欠き）５２が形成された形状であっても良い。この場合、キャリア４０に形成された収容穴６１も、半導体ウェハ５０の外形に整合させて、図８に示すようにノッチ部５２と対応する突起部６３が備えられた形状とすれば良い。

１０ 上定盤
２０ 下定盤
４０ キャリア
４２ 円形穴
５０ 半導体ウェハ
５１ フラット部
６０ 外周治具
６１ 収容穴
６２ ストッパ部
７０ ダイヤモンド砥粒

Claims (6)

1. 下面側が研磨面（１２）とされた上定盤（１０）と、
   前記上定盤と対向する上面側が研磨面（２２）とされた下定盤（２０）と、
   前記上定盤と前記下定盤との間に配置されると共に、円形穴（４２）が形成された歯車状のキャリア（４０）と、
   前記上定盤と前記下定盤との間において、前記キャリアを公転させながら自転させる駆動軸（３０）と、
   前記円形穴に配置され、半導体ウェハ（５０）が収容される収容穴（６１）が形成されると共に、該収容穴内での前記半導体ウェハの相対回転を規制して、前記円形穴内において前記半導体ウェハと供回りさせるストッパ部（６２）を備えた外周治具（６０）とを有していることを特徴とする半導体ウェハの両面研磨装置。
2. 前記収容穴は、円形状の一部が前記半導体ウェハに形成されるオリエンテーションフラット（５１）と対応する直線状とされた形状の穴であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの両面研磨装置。
3. 前記収容穴は、円形状の一部が前記半導体ウェハの外周に形成されるノッチ部（５２）と対応する突起部（６３）が形成された穴であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの両面研磨装置。
4. 前記収容穴は、前記半導体ウェハの外形に整合する形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体ウェハの両面研磨装置。
5. 前記円形穴の中心は、前記キャリアの中心からずれていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体ウェハの両面研磨装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の両面研磨装置を用いて表裏面を平坦研磨した半導体ウェハの製造方法であって、
   前記下定盤の研磨面上に前記キャリアを配置すると共に、該キャリアの円形穴内に前記外周治具と共に平坦研磨前の前記半導体ウェハを設置する工程と、
   前記上定盤と前記下定盤との間を加圧しつつ、これらの間に砥粒（７０）を含む研磨液を供給しながら前記駆動軸を回転させ、前記上定盤と前記下定盤の両研磨面において前記半導体ウェハの表裏面を同時に平坦研磨加工する工程と、を含むことを特徴とする半導体ウェハの製造方法。

Images