JP2015207658A - 円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法、及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
装置及び研磨パッドの長寿命化を可能とし、ウェーハ表裏面の欠点を少なくするウェーハエッジ部の研磨方法及び装置を提供する。
【解決手段】
円盤状半導体ウェーハをその中心軸線の回りに回転せしめ、研磨パッドが装着された弧状の研磨面を有する少なくとも１つの研磨ヘッド及びウェーハエッジ部を当接させ、前記研磨パッドに研磨用組成物のスラリーを供給してウェーハエッジ部の研磨を行なう方法において、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめた後、スラリーを含浸せしめた研磨パッド及び回転させた前記ウェーハのエッジ部を相対的に接触させて円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法及びその装置。
【選択図】図１
装置及び研磨パッドの長寿命化を可能とし、ウェーハ表裏面の欠点を少なくするウェーハエッジ部の研磨方法及び装置を提供する。
【解決手段】
円盤状半導体ウェーハをその中心軸線の回りに回転せしめ、研磨パッドが装着された弧状の研磨面を有する少なくとも１つの研磨ヘッド及びウェーハエッジ部を当接させ、前記研磨パッドに研磨用組成物のスラリーを供給してウェーハエッジ部の研磨を行なう方法において、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめた後、スラリーを含浸せしめた研磨パッド及び回転させた前記ウェーハのエッジ部を相対的に接触させて円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法及びその装置。
【選択図】図１
Description
本発明は、予め研磨用組成物のスラリーを含浸させた研磨パッド及び回転させた円盤状半導体ウェーハのエッジ部を相対的に接触させて、円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨加工を行なう方法、及びその装置に係わる。以下円盤状半導体ウェーハを単にウェーハと略記することもある。
シリコン単結晶等半導体素材を原材料としたＩＣ、ＬＳＩあるいは超ＬＳＩ等の電子部品は、シリコンの単結晶インゴットを薄い円板状にスライスし表面仕上げをしたウェーハ（ベアウェーハ）に多数の微細な電気回路の書き込みを行ない、それを分割した小片状の半導体素子チップを基に製造されるものである。インゴットからスライスされたベアウェーハは、両面同時ラッピング、エッチング、更には両面同時研磨（以下両面研磨、両面ポリッシングと記載することもある）という工程を経て、鏡面ウェーハに加工される。
そのあと、デバイス工程において、その鏡面仕上げされたベアウェーハ表面に微細な電気回路が書き込まれる。そして、半導体素子チップに分割されるまでは最初の円盤状の形状を保ったまま加工が行なわれるのであり、各加工工程の間には洗浄、乾燥、搬送等の操作が入る。その間、ベアウェーハの段階を含めて、ウェーハのエッジ部の形状が切り立ったままでかつ未加工の粗な状態の面であると、その部分が各工程中に装置や他物体と接触し微小破壊が起こり、微細粒子が発生したり、その粗な状態の面の中に汚染粒子を巻き込み、その後の工程でそれが散逸して精密加工を施した面を汚染し、ＩＣ、ＬＳＩあるいは超ＬＳＩ等の電子部品の製品の歩留まりや品質に大きな影響を与えたりすることが多い。これを防止するために、エッジ部を研磨することが一般に行なわれている。
エッジ部はウェーハ平面部の外縁部に台形状に形成され、外縁部の表面及びその裏面に形成された傾斜面及びこの傾斜面間に形成された端面からなる。この部分の研磨加工は一般的にエッジ研磨と呼ばれ、ウェーハ表裏面の研磨加工とは別個の装置により行なわれるのが通常である。このエッジ研磨は、合成樹脂発泡体、合成皮革あるいは不織布等からなる研磨布（研磨パッド）を貼付した研磨布支持体、及びウェーハのエッジ部を相対的に押圧させながら、コロイダルシリカ等の研磨粒子を主成分とする研磨用組成物のスラリーを供給しつつ、研磨布支持体とウェーハの双方もしくはどちらか一方を回転させて行なわれる。この際用いられる研磨用組成物の粒子としては、ベアウェーハの表面研磨に用いられるコロイダルシリカや、デバイスウェーハの表面研磨に用いられるヒュームドシリカやセリア、アルミナなどが使用されている。特にコロイダルシリカやヒュームドシリカは微細な粒子であるため平滑な鏡面が得られ易い。このような研磨用組成物は一般的に高濃度の状態で製造、販売され、実使用時に稀釈され用いられる。実使用時に適宜稀釈されたものは「スラリー」と呼ばれ、本発明においてはこのような研磨用組成物のスラリーを単にスラリーと記載することもある。
研磨装置に関しては、例えば、特許文献１（特開平１１−１８８５９０号公報）には研磨パッドを貼付した回転ドラムに、ウェーハを高速回転させながらそのエッジ面を前記回転ドラムに一定の角度をもって押圧し、加工点にスラリーを供給しながらポリッシング加工を行なう装置が開示されており、特許文献２（特開平１０−０２９１４２号公報）には内側に研磨パッドを固定した凹形状をなすボウル状の研磨台にウェーハの外周面取り部を全周にわたり押し当て回転させ、研磨剤であるスラリーを研磨台底部より研磨パッドに供給してエッジ部分のミラー面取り加工を行なう装置が開示されている。特許文献３（特開２００２−１４４２０１号公報）には研磨パッドを貼付した凹形円弧状の作業面を有するエッジ用研磨部材をウェーハの軸線に対して傾斜させてウェーハの上下エッジ部に接触させウェーハを回転させてエッジ部を研磨する装置が開示されている。特許文献４（特開２００８−０６８３２７号公報）には、研磨ヘッドに装着された研磨パッドに、研磨ヘッドを貫通する流路もしくは研磨ヘッドに添わせて形成された流路からスラリーを供給しエッジ研磨を行なう装置が記載されている。更に、この装置には加工中に研磨ヘッドを超音波振動せしめ、研磨効率を良くすることも記載されている。これらの装置の特徴は、エッジ部と研磨パッドが点接触あるいは線接触という小さい面積で接触し研磨加工を行なうことであり、効率的な加工を行なうには、面圧を高くし、回転数を高くする必要がある。そして研磨作用面にはスラリーを定常的に供給することが必要である。
このようにエッジ研磨はウェーハ表裏面の両面研磨に比較して過酷な条件で行なわれるので、ウェーハ回転装置や荷重装置に対する負荷が大きく消耗が激しいため、装置寿命が短くなる。また、ウェーハを把持する際にウェーハの中心軸とウェーハ把持部の回転軸を厳密に一致させなければならない。ウェーハの中心軸とウェーハ把持部の回転軸が一致していないと、回転中心からウェーハ外周までの距離が周方向によって異なってしまい、研磨ヘッドを一定の荷重でウェーハに押圧してもウェーハにかかる応力が不均一となる。そのため、局所的に高い応力が研磨パッド及びウェーハにかかり、研磨パッドの偏摩耗やウェーハの外周形状の悪化、把持しているウェーハの剥離や破損といった問題が生じ、装置及びウェーハ双方に悪影響を与える。また、ウェーハの回転中心とウェーハの中心軸との軸ずれによるウェーハの偏心が研磨ヘッドの振動を引き起こし、その振動が装置全体に伝播し、装置寿命に影響を及ぼす。さらに、ウェーハの中心軸とウェーハ把持部の回転軸が一致していたとしても、高速で回転しているウェーハによって研磨パッド表面が削られ摩耗したり、研磨パッドに高い面圧がかかり研磨パッドが押し潰されたりするため、研磨パッドの厚さが薄くなりやすく、研磨パッドの寿命が短くなる。そして高速回転するウェーハのエッジ部と研磨パッドとの点状あるいは線状の接触部にスラリーを供給するのであるから、スラリーはウェーハの高速回転に伴う遠心力により飛散し、ウェーハ表裏面に固着しウェーハを汚染させるので、その後の洗浄工程に多大な負担をかけることになるのみならず、その部分が欠点となり半導体素子チップの収率を低下させる要因ともなる。
例えば、特許文献３に示した従来装置で３００ｍｍφのシリコンベアウェーハのエッジ研磨を行う場合、効率的な研磨加工を行なうためには、ウェーハを１３００ｍｉｎ−１程度で高速回転し、ウェーハと研磨ヘッドを当接させて７．６Ｋｇ／ｃｍ２程度の面圧を生じさせ、２〜４Ｌ／分程度の流量でスラリーを供給する必要がある。スラリーは、ウェーハ表裏面に近接して設けられたスラリー供給用ノズルから、ウェーハ表裏面上に供給され、ウェーハの回転に伴う遠心力によりウェーハ面に沿って流れ、研磨パッド表面の研磨作用面に到達する。特許文献３の研磨加工方法によると、ウェーハ表裏面は研磨加工中常にスラリーで濡れた状態におかれるため、ウェーハ表裏面の乾燥を防止し、ウェーハ表裏面へのスラリー成分の乾燥固着を防止するという効果を有する。しかし、スラリーがウェーハ裏面とウェーハ把持部との間に滲み込み、滲み込んだスラリーがウェーハ把持部に蓄積されるため、ウェーハ把持部と接触するウェーハ裏面にはスラリー成分の固着が多く発生し、強固なシミや汚れとなり、その後の洗浄工程に大きな負担をかけることとなる。
特許文献４に示したエッジ研磨装置の場合、研磨ヘッドを貫通した流路もしくは研磨ヘッドに添わせて形成された流路を通してスラリーが研磨パッドに供給されるが、研磨パッドにスラリーを含浸させず研磨パッドとウェーハエッジ部との間にスラリーを浸入させるためにスラリーは常に研磨作用面に供給され、スラリーの供給は過剰になりがちで、装置周辺へのスラリーの飛散が抑制されることはあっても、むしろスラリーがウェーハ表裏面上へ微小な点状に付着し、それが乾燥することにより、後の洗浄工程でも除去し切れない強固なシミや汚染となる。
また、効率的なエッジ研磨には適正範囲の加工点温度が必要であるが、スラリーは常に研磨作用面に供給され、加工点が冷却されるため、加工点の温度を適正範囲に維持するには研磨パッドとウェーハの摩擦を増大させなければならず、よって、ウェーハの回転速度を下げることができない。そのため、装置にかかる負荷を軽減することができず、装置の長寿命化も図れない。さらに、ウェーハは従来のエッジ研磨と同じく速い回転速度で回転されるため、上述したようなウェーハの高速回転に伴う弊害、例えばウェーハ回転装置に対する高負荷による装置の短寿命、また研磨パッドの偏摩耗や摩耗による研磨パッドの短寿命、ウェーハの外周形状の悪化や把持しているウェーハの剥離・破損といった問題は依然として解決されない。
本発明で言う研磨用組成物とは、シリコン単結晶に対し、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）による研磨に用いる研磨剤を指すものであり、シリコンウェーハの表面研磨に用いられるものもエッジ研磨に用いられるものもほぼ類似の組成のものであるが、特にエッジ研磨用の好ましいものとしては、例えば特許文献５（特開２０００−１５８３２９号公報）に示されるようなものがある。その主成分は、研磨粒子であるコロイダルシリカ、ケミカル作用を行なうアルカリ成分及びｐＨ緩衝剤を主成分として構成される。即ち、スラリーの持つ高いｐＨにより、シリコンウェーハの表層を化学的に浸食し軟らかい変質層を形成し、その層をコロイダルシリカの微粒子が研磨粒子として作用し接触回転に伴う擦過作用により変質層の機械的除去作業及びポリッシングを行なう。その浸食作用、即ち深さは、ｐＨの値及び加工温度により強く左右される。アルカリ成分としては、アルカリ金属の水酸化物やアミン等の強アルカリ成分を加える。そして、スラリーのｐＨが、外的条件変化、例えば熱的変化、濃度変化あるいは夾雑物の混入等に対し変動しないようにすることが肝要であるので、ｐＨ緩衝剤をスラリーの主要な構成要素として使用する。一般的にスラリーのｐＨは９以上である。
アルカリ成分としては、例えばアルカリ金属の水酸化物（例えば水酸化カリウム）や第４級のアミン類等が使用され、またｐＨ緩衝剤としては、例えば弱酸と強塩基を組み合わせた塩類が用いられる。エッジ研磨においてはこれらの成分が飛散し、ウェーハの表裏面に固着し、シミ等の欠点や重金属汚染、研磨粒子であるコロイダルシリカによるパーティクルの残存等の問題点を引き起こし、そのまま後工程にまで残存すると、製品の歩留まり低下や品質に大きな影響を与えることとなる。その様な好ましからざる現象を回避するために、洗浄工程が設けられているが、汚染が激しいと、この洗浄工程に大きな負担をかけることとなる。
本発明者等は、上述の従来のウェーハエッジ研磨方法あるいは装置に伴う問題点を十分に検討し、本発明を完成させたものであり、その目的は装置及び研磨パッドの長寿命化を可能とし、ウェーハ表裏面の欠点を少なくするウェーハエッジ研磨方法及び装置を提供することにある。
本発明者等は、鋭意研究を行なった結果、研磨パッドの状態を管理し、スラリーの供給方法及び供給開始のタイミングを変え、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッドを用いてウェーハエッジ部を研磨加工することにより、研磨加工時のウェーハ及び装置にかかる負荷を軽減することができ、それに伴い、装置及び研磨パッドの長寿命化、ウェーハ表裏面の欠点の減少が可能となり、更には研磨効率が改善することを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
即ち、本発明に係る円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法は、円盤状半導体ウェーハをその中心軸線の回りに回転せしめ、研磨パッドが装着された弧状の研磨面を有する少なくとも１つの研磨ヘッド及びウェーハエッジ部を当接させ、前記研磨パッドに研磨用組成物のスラリーを供給してウェーハエッジ部の研磨を行なう方法において、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめた後、スラリーを含浸せしめた研磨パッド及び回転させたウェーハのエッジ部を相対的に接触させて円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法である。
本発明に言うエッジ部とは、前述の通り、円盤状のシリコンウェーハの外縁部に形成されるものであり、ウェーハ平面部の外縁部に台形状に形成され、外縁部の表面及び裏面に形成された傾斜面及びこの傾斜面間に形成された端面からなる。その断面形状を図３に示す。そして、本発明でいうエッジ研磨とは、上述の上下の傾斜面と端面を研磨することをいう。
本発明に係る第２の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法は、前述の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法において、研磨加工が開始されてから研磨加工が終了するまでの間においても、スラリーを研磨パッドにのみ供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめながら、スラリーを含浸せしめた研磨パッド及び回転させたウェーハのエッジ部を相対的に接触させて円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法である。
本発明に係る第３の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法は、前述の第１または第２の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法において、研磨用組成物のスラリーが乾燥防止成分を含有することを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法である。
本発明に係る第４の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法は、前述の第３の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法において、乾燥防止成分の含有量が、使用する研磨用組成物のスラリーに対し１〜１０重量％であることを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法である。
本発明に係る第５の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法は、前述の第１ないし第４の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法のいずれかにおいて、円盤状半導体ウェーハの表面の上部または裏面の下部の少なくとも一方にミスト供給手段を設け、円盤状半導体ウェーハの表面または裏面の少なくとも一方に向けてミストを散布しつつ円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法である。
また、本発明に係る円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨装置は、円盤状半導体ウェーハを把持するウェーハ把持手段と、把持された前記円盤状半導体ウェーハを中心軸線回りに回転せしめるウェーハ回転手段と、研磨パッドが装着された弧状の研磨面を有する少なくとも１つの研磨ヘッドと、前記研磨パッドの内部に研磨用組成物のスラリーを含浸せしめるスラリー含浸手段、とを有し、前記研磨ヘッドに装着され内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッド及び前記円盤状半導体ウェーハのエッジ部が相対的に接触するように配設されていることを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置である。
前述の円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置において、円盤状半導体ウェーハの表面の上部または裏面の下部の少なくとも一方にミスト供給手段を設けることが好ましい。
本発明に関する円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法及び装置を用いることにより、研磨加工時のウェーハ及び装置にかかる負荷を軽減することができ、それに伴い、装置及び研磨パッドの長寿命化、ウェーハ表裏面の欠点の減少が可能となり、更には研磨効率を改善することが可能となり、その産業界に資すること極めて大である。
上述の本発明のエッジ研磨方法において、使用する研磨パッドは合成樹脂発泡体、合成皮革、不織布、不織布の樹脂加工品あるいはこれらの複合品等であり、これらは研磨パッドの製造過程において予め研磨粒子を内添した研磨粒子入り研磨パッドではない。従って、研磨パッド自体は研磨力を有するものではない。従来の方法では研磨加工開始とともにスラリーがウェーハの表裏面に供給され、スラリーはウェーハの回転に伴う遠心力によりウェーハ表裏面に沿って流れ、スラリーが研磨パッド上に存在するようになるが、内部には浸透しておらず、そのため立ちあがりの数バッチは研磨力が劣り不安定である。これに対し、本発明方法においては、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸させてから加工を行なう。即ち、コロイダルシリカとアルカリ成分及びｐＨ緩衝剤等からなるスラリーが内部に存在する研磨パッドを用いて研磨加工を行なうことをその特徴とする。本発明方法においては、研磨力は立ち上りから安定し、正常なエッジ研磨が可能である。即ち、本発明方法においては、スラリーを直接ウェーハには供給せず研磨パッドにのみ供給し、スラリーを十分に含浸せしめた研磨パッドを用いて研磨加工を行なうということが重要な点である。
スラリーを研磨パッド内部に含浸せしめる方法については、研磨パッドにノズルを接触させて研磨パッドにのみスラリーを供給し研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめる方法、研磨パッドに近接するノズルから研磨パッドにのみスラリーを滴下して研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめる方法、研磨パッドに近接するノズルからスラリーを霧状に散布し研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめる方法、研磨パッド下部に液溜めを設け研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめる方法等を挙げることができ、特に限定を受けるものではない。
研磨パッドにノズルを接触させて研磨パッドにのみスラリーを供給し研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめる方法を用いると、研磨パッドがノズルに接触するよう研磨パッドの装着位置を厳密に調整する必要はあるが、ノズルから直接研磨パッドにのみスラリーを供給し含浸せしめることができるため、スラリーが研磨パッド以外のもの、例えばウェーハや研磨ヘッド等に飛散する恐れがなく、スラリーを研磨パッドにのみ確実に含浸せしめることができる。研磨パッドに近接するノズルから研磨パッドにのみスラリーを滴下して研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめる方法を用いると、研磨パッドとノズルが接触していないため、研磨ヘッドに対する研磨パッドの装着位置を厳密に調整する必要がない。また、研磨ヘッドに研磨パッドを装着した後ノズルの位置を調整する必要がないため、研磨パッド交換時の工数を削減することができる。さらに、研磨パッド交換時にノズルが交換作業の妨げとなることがないため、交換作業を円滑に進めることができる。研磨パッドに近接するノズルからスラリーを霧状に散布し研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめる方法を用いると、研磨パッド全面に均一に適量のスラリーを供給し含浸せしめることができる。これらの含浸方法においては、ノズルに連結した配管に定量ポンプ、閉止弁を設置し、研磨パッドが飽和する量のスラリーを正確に供給し含浸せしめることが好ましい。さらに、研磨パッド下部に液溜めを設け研磨パッドにスラリーを含浸せしめる方法を用いると、研磨パッドを液溜めに浸漬させるだけで研磨パッドにスラリーを含浸せしめることができるため、スラリー含浸用ノズルやスラリー含浸量制御装置等を省略することができる。
また、研磨装置を長時間待機させると、研磨パッドに含まれるスラリーの水分が蒸発し、スラリーに含まれるコロイダルシリカが研磨パッド表面及び内部に固着し、研磨パッドは硬化するので、従来方法ではやはり、立ちあがりの数バッチは不安定であるとの問題点は存在する。本発明方法においては、前述と同等に、この問題点も解決することができる。
研磨加工時間はウェーハの種類や加工面の粗さ等の状況に応じて適宜設定することができる。一回の研磨加工に要する時間が長い場合は、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッドを用いて研磨加工を行ない、研磨加工が開始されてから研磨加工が終了するまでの間においてもスラリーをスラリー含浸手段から研磨パッドにのみ供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめながら研磨加工を行なうことが好ましい。この場合、研磨加工中に研磨パッドにスラリーを供給し含浸せしめるため、スラリーが該研磨パッドから散逸することがないように含浸せしめることが必要である。本発明方法は、研磨加工が開始される前にスラリーを研磨パッドにのみ供給し含浸させたのち、内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッドを用いて研磨加工を行ない、研磨の進行に伴い消費された量のスラリーを研磨パッドにのみ供給し含浸せしめながら研磨加工を行なうため、研磨加工の進行中に余剰のスラリーが研磨パッドから溢れ、散逸飛散し、ウェーハ表裏面を汚染することはない。スラリー含浸量制御の具体例としては、スラリー含浸用ノズルの配管に設置された微量定量ポンプを作動せしめ、設定された必要量のスラリーを研磨パッドにのみ供給し含浸せしめることが好ましい。
スラリーの供給量については、本発明方法においては、前述の通り研磨パッドのみに必要量のスラリーを研磨加工が開始される前に供給し含浸せしめ、さらに研磨加工が開始されてから研磨加工が終了するまでの間においても研磨パッドにのみ必要量のスラリーを随時供給し含浸せしめるのであるから、スラリーは研磨加工に必要な量だけ供給されることとなり、余剰のスラリーが散逸し飛散してウェーハを汚染することなく、その使用量が従来と比較して格段に少なくなるという利点も挙げることができる。そして、そのため、スラリーの回収、リサイクルのための装置及びスラリー濃度管理システムも不必要になるという利点をも有する。また、研磨パッド及び装置の寿命を大きく向上できるという利点をも有する。
例えば特許文献３に示した装置を用いた従来の方法においては、前述の通り、３００ｍｍφのウェーハを１３００ｍｉｎ−１程度で高速回転し、ウェーハと研磨ヘッドとを当接させて７．６Ｋｇ／ｃｍ２程度の面圧を生じさせ、その間２〜４Ｌ／分程度の流量で大量のスラリーを供給する。一方、本発明の方法においては、後述する実施例において説明するが、３００ｍｍφのウェーハの場合３３０ｍｉｎ−１程度のウェーハの回転数、７．０Ｋｇ／ｃｍ２程度の面圧、４０ｍＬ／分・枚程度のスラリー流量で十分な研磨加工が行なえることが実証できた。即ち、ウェーハの回転数は従来の方法と比べると約１／４の回転数である。このような低い回転数で効率的なエッジ研磨ができるようになった理由は、研磨パッドとウェーハの摩擦による加工熱を有効利用したためである。従来の方法では高速・高圧条件下でウェーハの表裏面に大量のスラリーを供給し機械的なエッジ研磨を行なっていた。そのため、研磨パッドとウェーハとの間に加工熱が発生してもスラリーによる冷却効果が生じ加工点の温度上昇が抑制されてしまい、好適な加工温度に達するためにはウェーハを高速で回転せざるを得なかった。それに対し、本発明の方法では加工熱を有効利用したため、ウェーハが低速回転であってもウェーハ表裏面へスラリーを供給しないため系全体の冷却効果が小さく、加工点の温度上昇が抑制されることなく好適な加工温度に達する。
本発明方法において使用するスラリーは、表面研磨に用いる研磨用組成物、あるいはエッジ研磨に用いる研磨用組成物を適宜希釈して調整するものであるが、その主成分は、コロイダルシリカあるいは酸化セリウム等の研磨粒子、及びｐＨを９以上にするためのアルカリ成分またはスラリーのｐＨを一定に保つためのｐＨ緩衝剤の少なくとも一方を含むものであって特に限定を受けるものではない。そして、これらの必要成分を適宜混合して直接スラリーを調整してもよい。表面研磨やエッジ研磨に用いられる一般的な研磨用組成物としては、その一次粒子径が１〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素粒子を水に懸濁したコロイダルシリカである研磨粒子、アルカリ金属の水酸化物、第四アンモニウムの水酸化物、水溶性アミン等のアルカリ成分、及び強塩基と弱酸からなる水溶性の塩等からなるｐＨ緩衝剤を適宜組み合わせた混合物を挙げることができる。
上述の通り、一般的な研磨用組成物を使用するが、研磨加工時あるいは待機時に研磨パッドが良好な湿潤状態を保つためには、エチレングリコール等の乾燥防止成分（以下乾燥防止剤と略記することもある）をスラリーに加えることが好ましい。乾燥防止剤は、水との相溶性に優れ、親水性が強く、揮発性の少ない化合物から選ぶことができる。乾燥防止剤の添加量は特に限定を加えるものではないが、使用するスラリーに対し１〜１０重量％であることが好ましい。１重量％未満であると研磨パッドが良好な湿潤状態を保つことができず、１０重量％を超えると研磨レートが低下しスラリーとしての性能に影響を与えるので好ましくない。好ましい範囲は１〜５重量％である。
このような乾燥防止剤を加えることにより、研磨加工時にスラリーがウェーハ表裏面やエッジ部に付着したとしても、スラリーが乾燥しないため、付着した部分が乾燥し、強固なシミや汚染となることを効果的に防止することが可能となる。また、研磨加工時あるいは待機時の研磨パッドの乾燥硬化を防止し、立ち上りから正常な研磨を行なうことができ、その効果は前述よりもさらに効果的である。上述の乾燥防止成分はスラリー調整時に加えてもよいし、原液である研磨用組成物に予め加えておいてもよい。
上述の乾燥防止剤としてはエチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール（２価アルコール）類及びその誘導体、例えばジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等、更には、グリセリン等の３価アルコール及びその誘導体、例えばグリセライド類等、更にはソルビトール、マンニトール等の多価アルコール類、ブドウ糖、果糖、ショ糖等の糖類を挙げることができるが、特に限定を受けるものではない。
本発明の方法において、ウェーハ表裏面への僅かなスラリーの微小飛沫の付着による微小汚染を更に防止するためには、加工中のウェーハ表裏面を常時湿潤状態に保っておくことが好ましい。そのためにはウェーハの表面または裏面の少なくとも一方にミスト供給手段を設け、ウェーハの表面または裏面の少なくとも一方に向けてミストを散布し、ウェーハ表裏面を湿潤状態に保つことが効果的である。そしてこの場合、ミスト供給手段としてミスト供給用ノズルを用い、ノズルに連結した配管に定量ポンプを設置してミストの供給量を制御することが好ましい。ミストを供給することにより、ウェーハ表裏面にスラリーの微小飛沫が付着したとしても、スラリーが乾燥固着せず微小汚染を防止することができると同時に、研磨パッドとウェーハの摩擦による加工熱が研磨パッドへ拡散し、熱による研磨パッドの変質や破損またはスラリーの蒸発やスラリーの蒸発に伴うスラリーの固着を防ぐことができる。ミストの供給量については、特に限定を受けるものではないが、５〜５０ｍＬ／分が上述の目的達成のために好ましい。５ｍＬ／分未満であると良好な湿潤状態を保つことはできず、また、５０ｍＬ／分を超えると過剰であり研磨力が低下する。より好ましい範囲は１０〜３０ｍＬ／分である。そして、ミストの水分の混入によるスラリーの濃度の低下、それによる研磨力の低下を防止するためにミスト供給用ノズルの位置を工夫し、ミストが直接研磨加工点及び研磨パッドにかからないように考慮することが肝要である。
本発明のもう一つの目的である円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置について説明する。本発明の円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置は、円盤状半導体ウェーハを把持するウェーハ把持手段と、把持された前記円盤状半導体ウェーハを中心軸線回りに回転せしめるウェーハ回転手段と、研磨パッドが装着された弧状の研磨面を有する少なくとも１つの研磨ヘッドと、前記研磨パッドの内部に研磨用組成物のスラリーを含浸せしめるスラリー含浸手段、とを有し、前記研磨ヘッドに装着され内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッド及び前記円盤状半導体ウェーハのエッジ部が相対的に接触するように配設されていることを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置である。そして、円盤状半導体ウェーハの表面の上部または裏面の下部の少なくとも一方にミスト供給手段を設けることが好ましい。
図１は、本発明に係る円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置の外観を示す斜視図であり、図２はその軸方向断面図である。図３は円盤状半導体ウェーハエッジ部を示す部分断面図である。これらの図面において、１はシリコンウェーハ（以下単にウェーハと略記する）、２はウェーハ外縁部の表面に形成されたエッジ部の上部傾斜面、３はウェーハ外縁部の裏面に形成されたエッジ部の下部傾斜面、４はその傾斜面間に形成された端面を示す。５はウェーハ把持手段であり、ウェーハはウェーハ回転手段６の回転に従って回転される。７は上部傾斜面２に当接する弧状の研磨面を有する上部傾斜面用研磨ヘッド、８は端面４に当接する弧状の研磨面を有する端面用研磨ヘッド、９は下部傾斜面３に当接する弧状の研磨面を有する下部傾斜面用研磨ヘッドであり、各研磨ヘッドの表面には研磨パッド１０が貼付されている。各研磨ヘッドは、各々の軸線方向に摺動することができ、ウェーハエッジ部の各研磨面に当接する弧状の研磨面を有する。
研磨パッドを装着した各研磨ヘッドの上方にスラリー含浸用ノズル１１を配設し、研磨パッド上部の中央付近から研磨パッドにのみスラリーを供給し研磨パッドにスラリーを含浸せしめる。スラリー貯留槽(図示せず）からスラリー含浸用ノズルまでの配管の間に閉止弁、定量ポンプ（いずれも図示せず）を設け、スラリー含浸用ノズルからのスラリーの供給を正確、かつ安定に行なうことができる。
ウェーハの表面の中央付近にミスト供給用ノズル１２を配設、またウェーハ裏面の外周部近くに別のミスト供給用ノズル１２’を配設しておくことにより、研磨加工中に適宜ミストを供給することができる。ミスト用流体貯留槽（図示せず）から各ミスト供給用ノズルまでの配管の間に閉止弁、定量ポンプ（いずれも図示せず）を設け、ミスト供給用ノズルからのミストの供給を正確に、かつ安定に行なうことができる。
ウェーハのエッジ研磨加工は、スラリー含浸用ノズル１１より研磨パッド１０にのみスラリーを供給し、研磨パッド１０にスラリーを含浸せしめたのち、ウェーハ１をウェーハ把持手段５に、例えば真空吸着等の方法で固定し、ウェーハ回転手段６によりウェーハ把持手段５及びウェーハ１を軸回りに所定の回転数で回転させ、スラリーを含浸せしめた研磨パッドが装着された各研磨ヘッドを、ウェーハのエッジ部の上部傾斜面２、下部傾斜面３及び端面４に所定の加工荷重で当接させ、各々の軸線方向に摺動させることにより、エッジ部の研磨加工を行なう。
次に実施例及び比較例をあげて本発明を具体的に説明するが、これにより限定を受けるものではない。
図１の装置を用い、３００ｍｍφのシリコンベアウェーハのエッジ研磨を行なった。使用した研磨パッドはロデールニッタ製のＳＵＢＡ４００（不織布の樹脂加工品）の３ｍｍ厚のものであり、上部傾斜面用研磨ヘッド、端面用研磨ヘッド、下部傾斜面用研磨ヘッドに各々取り付けた。
実施例及び比較例においてエッジ研磨に使用したスラリーは、市販のコロイダルシリカ、アルカリ成分及びｐＨ緩衝剤を主成分として組み合わせ、研磨用組成物を調製し、それを適宜倍率で稀釈して調整したスラリーでありｐＨは１０．５である。また、乾燥防止剤としてグリセリンを使用し、グリセリンを添加する場合はそのスラリー中の濃度が３重量％になるように調整した。
研磨加工時間はウェーハの種類や加工面の粗さ等により異なるので適宜設定するが、実施例１〜３では３０秒とし、研磨加工が開始される前にスラリーをスラリー含浸用ノズルから研磨パッドにのみ供給し研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめた状態となるようにして研磨加工を行ない、研磨加工中はスラリーを補給しないようにした。即ち、研磨加工が開始される前のみにスラリーを供給し、内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッドで研磨加工を行なう例である。実施例１〜３の研磨加工における動作フローを図４に示す。図において、ミストを供給する使用の場合の動作フローが記載されているが、実施例１、２ではこの動作は行なわない。
また、エッジ部の加工面が粗い場合、あるいは除去量が多く必要とされる場合を想定した実施例４及び５では、研磨加工時間を実施例１〜３よりも長く９０秒に設定し、この場合は、スラリーが研磨加工中に枯渇しないように、研磨加工が開始される前にスラリーを研磨パッドにのみ供給し研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめた状態となるようにしてから研磨加工を行ない、研磨加工が開始されてから終了までの間においてもスラリー含浸用ノズルからスラリーを随時研磨パッドのみに供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめながら研磨加工を行なうようにした。その際、研磨パッドへのスラリー供給量が過剰になりスラリーが研磨パッドから散逸することがないようにスラリー供給量を制御した。実施例４及び５の研磨加工における動作フローを図５に示す。図において、ミストを供給する場合の動作フローが記載されているが、実施例４ではこの動作は行なわない。
一方、比較例の場合は、実施例と同等のウェーハ把持手段、ウェーハ回転手段、研磨ヘッドを用いたが、本発明のスラリー含浸用ノズルは使用せず、ウェーハ表裏面に近接した位置にそれぞれ１つずつ設置された２つのスラリー供給用ノズルからウェーハ表裏両面にスラリーを連続的に常時供給するようにした。比較例の研磨加工における動作フローを図６に示す。
実施例１〜５においては、ウェーハを３３０ｍｉｎ−１の速度で回転させ、各研磨ヘッドの加工荷重を５５Ｎ（ニュートン）に設定しウェーハのエッジ部に押圧させて加工を行なうとともに、研磨加工中に各研磨ヘッドを各々の軸線方向に摺動せしめた。それに対し比較例においては、ウェーハを１３００ｍｉｎ−１の速度で回転させ、各研磨ヘッドの加工荷重を６０Ｎに設定しウェーハのエッジ部に押圧させて加工を行なうとともに、研磨加工中に各研磨ヘッドを各々の軸線方向に摺動せしめた。なお、本実施例では、ウェーハに対して研磨ヘッドを当接させて押圧する形態にて説明しているが、研磨ヘッドに対してウェーハを当接させて押圧する形態としてもよい。
実施例３及び５においては、研磨加工中にミスト供給用ノズル１２及び１２’を作動し、ウェーハ表面の中央付近及び裏面の外周部近くにミストを供給し、ウェーハの露出部分の乾燥を防止するようにした。ミスト供給用ノズルはウェーハの表裏面全面が斑なく湿潤する位置に配置するとともに、ミストが加工点及び研磨パッドにかからないように供給量及び供給位置を制御するようにした。このように制御することにより、研磨パッドに含浸されたスラリーの濃度を変化させないようにした。
本発明の実施例１〜５及び比較例を表１に示す。
表１の「スラリー供給タイミング」の項において、「研磨加工前のみ」とは、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめることを示したものであり、内部にスラリーを含浸せしめた状態にした研磨パッドで、研磨加工を行なっている。この場合は研磨パッドに含浸されたスラリーのみで１枚のウェーハのエッジ研磨を行なったことを示している。「連続＊」とは研磨時間が長く、研磨加工が開始される前に研磨パッドに含浸せしめたスラリーのみではエッジ研磨が完遂できないため、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、内部にスラリーを含浸せしめた状態にした研磨パッドで研磨加工を行ない、研磨加工が開始されてから研磨加工が終了するまでの間においてもスラリー含浸用ノズルからスラリーを研磨パッドにのみ随時供給し研磨パッドにスラリーを含浸せしめながらエッジ研磨を行なったことを示している。また、「スラリー供給量」はそれぞれの研磨パッドへの供給量の合計を示す。比較例の「連続＊＊」はスラリー供給用ノズルからウェーハ表裏両面にスラリーを研磨加工が開始されてから研磨加工が終了するまで連続的に常時供給したことを示している。そして、「ミストシャワー流量」とは表裏両面に設置されたミスト供給用ノズルの流量の合計を示している。
「加工速度」の項における評価は、比較例の加工速度を基準として４段階による評価を行なった。即ち、
◎ 比較例よりも優れた加工速度
〇 比較例の加工速度と同等
△ 比較例の加工速度よりやや劣る
× 比較例の加工速度より劣る
である。
◎ 比較例よりも優れた加工速度
〇 比較例の加工速度と同等
△ 比較例の加工速度よりやや劣る
× 比較例の加工速度より劣る
である。
表１の「洗浄後ウェーハ表裏面状態」とは、エッジ研磨したウェーハの洗浄工程後、即ち、純水を供給しながらスポンジブラシで洗浄する工程後のウェーハ表裏面の状態を評価するものであり、４段階の評価を行なった。即ち、
◎ スラリーによる汚染が全くなく極めて良
〇 スラリーによる汚染が殆どなく良
△ ウェーハ表裏面にスラリーによる汚染が若干あるがやや良
× ウェーハ表裏面の汚染が著しく不良
である。
◎ スラリーによる汚染が全くなく極めて良
〇 スラリーによる汚染が殆どなく良
△ ウェーハ表裏面にスラリーによる汚染が若干あるがやや良
× ウェーハ表裏面の汚染が著しく不良
である。
表１の実施例１の結果から明らかな通り、予めスラリーを含浸せしめた状態にした研磨パッドを用いることにより、エッジ研磨は可能であり比較例と同等以上の加工速度を確保することができる。また、本発明方法によれば、研磨加工時のウェーハ及び装置にかかる負荷を軽減すること、具体的にはウェーハの回転数を約１／４まで低減し、加工荷重も比較例よりも軽減することが可能となる。このことは、装置及び研磨パッドの寿命を長くするという付随の効果をももたらすものである。
更に、乾燥防止剤（グリセリン）をスラリーに添加することにより、ウェーハ表裏面の状態の品質を向上させることは明らかである。即ち、乾燥防止剤を含有しないスラリーを用いる実施例１では、ウェーハ表裏面にスラリーの微小飛沫による微小な乾燥固着が発生したが、乾燥防止剤であるグリセリンを含有したスラリーを使用した場合は、実施例２〜５に示す通り、この固着は発生せず、ウェーハ表裏面の状態は向上する。これは、エッジ研磨加工中に、たとえスラリーの微小飛沫がウェーハ表裏面に付着しても、乾燥防止剤の存在により、その微小飛沫の乾燥固着を防止し、ウェーハ表裏面の品質を向上することができることを意味する。そのため、後の洗浄工程に大きな負担をかけることなくスラリー成分を除去することができた。
更にまた、研磨加工中にミストを供給し、ウェーハ表裏面を湿潤状態においてエッジ研磨加工を行なうことにより、スラリーの微小飛沫による軽微な汚染の発生の可能性をも排除することができる。このことは、実施例３及び５の結果に示す通りであり、洗浄後ウェーハ表裏面状態は、スラリーによる汚染が全くなく極めて良好であった。即ち、ミストを供給した雰囲気の中で、エッジ研磨加工を行なえば、ウェーハ表裏面の品質は、更に格段に向上し、極めて優れた結果が得られることが証明できた。
表１の実施例１〜５の「スラリー使用量」の結果から明らかな通り本発明方法によれば、１枚の３００ｍｍφウェーハのエッジ研磨加工に必要なスラリーの量は僅か４０〜９０ｍＬ程度であるのに対し、比較例でのスラリーの使用量は５Ｌ（５０００ｍＬ）程度であり、本発明方法では比較例に比べてスラリーの使用量を大幅に削減することができた。この結果は、従来行なわれていたスラリーの回収、循環、リサイクルの必要がなくなり、そのためのスラリー回収装置、再使用に係わる装置及び濃度管理システムも必要がなくなったという極めて重要かつ有益な効果が得られたことを示す。
次に、乾燥防止剤の添加の効果を確認するために、グリセリンの添加量を変化せしめ、ミストの供給の有及び無の状態で実施例６〜１９に示す研磨加工を行ない、洗浄後のウェーハ表裏面状態及び加工速度の評価を行なった。表２にミストの供給なしの状態での実施例６〜１２（グリセリン以外の研磨加工条件は実施例２に相当）の結果を示し、表３にミストの供給の有の状態での実施例１３〜１９（グリセリン以外の研磨加工条件は実施例３に相当）の結果を示す。
図７において、実施例６〜１９において得られた結果をグラフにて示す。
表２、３及び図７のグラフに示された如く、スラリーへのグリセリンの添加が洗浄後のウェーハ表裏面状態に及ぼす効果は、含有量が１重量％以上であれば明瞭である。反面、含有量が１０重量％程度にまで増えれば加工速度が低下することも明らかである。この傾向はミストの供給がある場合も同等であるが、加工速度の低下の傾向はミスト供給のある方が顕著である。なお、表２、３中での加工速度の評価基準は表１の場合と同じである。
上述の本発明の実施例と、従来技術である比較例を比較すると、スラリーの供給方法及び供給開始のタイミングを変え、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッドを用いてウェーハエッジ部を研磨加工することにより、ウェーハの回転数が低減し、また加工荷重が軽減するため、研磨加工時のウェーハ及び装置にかかる負荷を軽減することができ、それに伴い、装置及び研磨パッドの寿命を向上でき、スラリーの飛散固着によるウェーハの汚染を顕著に減少し、しかも従来と同等または同等以上の加工速度を得ることができた。また、スラリーへの乾燥防止成分の含有量を加減することにより、その効果は更に拡大することが確認できた。
本発明によれば、研磨加工時のウェーハ及び装置にかかる負荷を軽減することができ、それに伴い、装置及び研磨パッドの長寿命化、ウェーハ表裏面の欠点の減少が可能となり、更には研磨効率が改善することが可能となり、その産業界に資すること極めて大である。
１：シリコンウェーハ
２：エッジ部の上部傾斜面
３：エッジ部の下部傾斜面
４：エッジ部の上下傾斜面間に形成された端面
５：ウェーハ把持手段
６：ウェーハ回転手段
７：上部傾斜面２に当接する上部傾斜面用研磨ヘッド
８：端面４に当接する端面用研磨ヘッド
９：下部傾斜面３に当接する下部傾斜面用研磨ヘッド
１０：研磨パッド
１１：スラリー含浸用ノズル
１２、１２’：ミスト供給用ノズル
２：エッジ部の上部傾斜面
３：エッジ部の下部傾斜面
４：エッジ部の上下傾斜面間に形成された端面
５：ウェーハ把持手段
６：ウェーハ回転手段
７：上部傾斜面２に当接する上部傾斜面用研磨ヘッド
８：端面４に当接する端面用研磨ヘッド
９：下部傾斜面３に当接する下部傾斜面用研磨ヘッド
１０：研磨パッド
１１：スラリー含浸用ノズル
１２、１２’：ミスト供給用ノズル
Claims (7)
- 円盤状半導体ウェーハをその中心軸線の回りに回転せしめ、研磨パッドが装着された弧状の研磨面を有する少なくとも１つの研磨ヘッド及びウェーハエッジ部を当接させ、前記研磨パッドに研磨用組成物のスラリーを供給してウェーハエッジ部の研磨を行なう方法において、研磨加工が開始される前に研磨パッドにのみスラリーを供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめた後、スラリーを含浸せしめた研磨パッド及び回転させた前記ウェーハのエッジ部を相対的に接触させて円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法。
- 研磨加工が開始されてから研磨加工が終了するまでの間においても、スラリーを研磨パッドにのみ供給し、研磨パッド内部にスラリーを含浸せしめながら、スラリーを含浸せしめた研磨パッド及び前記ウェーハのエッジ部を相対的に接触させて円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする請求項１に記載の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法。
- 研磨用組成物のスラリーが乾燥防止成分を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法。
- 乾燥防止成分の含有量が、使用する研磨用組成物のスラリーに対し１〜１０重量％であることを特徴とする請求項３に記載の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法。
- 円盤状半導体ウェーハの表面の上部または裏面の下部の少なくとも一方にミスト供給手段を設け、円盤状半導体ウェーハの表面または裏面の少なくとも一方に向けてミストを散布しつつ円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨を行なうことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の円盤状半導体ウェーハエッジ部の研磨方法。
- 円盤状半導体ウェーハを把持するウェーハ把持手段と、把持された前記円盤状半導体ウェーハを中心軸線回りに回転せしめるウェーハ回転手段と、研磨パッドが装着された弧状の研磨面を有する少なくとも１つの研磨ヘッドと、前記研磨パッドの内部に研磨用組成物のスラリーを含浸せしめるスラリー含浸手段、とを有し、前記研磨ヘッドに装着され内部にスラリーを含浸せしめた研磨パッド及び前記円盤状半導体ウェーハのエッジ部が相対的に接触するように配設されていることを特徴とする円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置。
- 円盤状半導体ウェーハの表面の上部または裏面の下部の少なくとも一方にミスト供給手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の円盤状半導体ウェーハエッジ部研磨装置。
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