JP2016058675A - 研磨装置および半導体ウェハの研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面研磨中の半導体ウェハの変形を抑制する研磨装置および半導体ウェハの研磨方法を提供すること。
【解決手段】実施形態によれば、研磨装置１は、ステージ２と、研磨部３と、変形抑制部４と、吸着機構を備える。ステージ２は、半導体ウェハ６を載置する。研磨部３は、ステージ２に載置された半導体ウェハ６の裏面６ａを押圧して研磨する。変形抑制部４は、前記研磨中、ステージ２に載置された半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部を押圧する。吸着機構は、前記研磨中、半導体ウェハ６の研磨箇所から中心側の裏面６ａの領域を吸着する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、研磨装置および半導体ウェハの研磨方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウェハの裏面外周部に発生した不要な膜（バリ）を除去するために、裏面研磨が実施されることがある。半導体ウェハの裏面研磨は、研磨部をバリに接触させ、裏面を押圧することにより実施される。このため、裏面研磨中の半導体ウェハは、研磨部からの圧力を受けて、裏面側から表面側に反るように変形する。

また、このような半導体ウェハの変形を抑えるため、半導体ウェハの表面から半導体ウェハを保持する真空チャックの吸着力を高めることも可能であるが、この場合、吸着力を高めることにより半導体ウェハ１０の表面にダメージが発生するおそれがある。このようなダメージを回避するために半導体ウェハの外周部のみで半導体ウェハを保持する手法もあるが、この手法では半導体ウェハの裏面研磨による前述した変形を十分抑えることができない。

特許第４１５６２００号公報

一つの実施形態は、裏面研磨中の半導体ウェハの変形を抑制する研磨装置および半導体ウェハの研磨方法を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、研磨装置は、ステージと、研磨部と、変形抑制部と、吸着機構を備える。前記ステージは、半導体ウェハを載置する。前記研磨部は、前記ステージに載置された半導体ウェハの裏面を押圧して研磨する。前記変形抑制部は、前記研磨中、前記ステージに載置された半導体ウェハの表面の外周部を押圧する。前記吸着機構は、前記研磨中、前記半導体ウェハの研磨箇所から中心側の前記裏面の領域を吸着する。

図１は、第１の実施形態にかかる研磨装置の構成を示す図である。 図２は、図１に示す変形抑制部の変形例を示す図である。 図３は、第２の実施形態にかかる研磨装置の計測部の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる研磨装置および半導体ウェハの研磨方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる研磨装置１の構成を示す図である。図示するとおり、研磨装置１は、ステージ２と、研磨部３と、変形抑制部４を備える。ステージ２は、例えば、真空吸着機構を備えており、上面２ａに載置される半導体ウェハ６を真空吸着によって保持することができる。真空吸着機構は、力Ｆ３を半導体ウェハ６に作用させ、半導体ウェハ６をステージ２に吸着する。図示の例において、力Ｆ３は、ステージ２に載置された半導体ウェハ６の裏面６ａに対して、上から下（半導体ウェハ６の裏面６ａとは反対側に位置する表面６ｂから裏面６ａの方向）に作用する。また、ステージ２は、図示されないモータ等の回転機構から回転力を付与されると、軸Ａ１の周りに高速回転し、上面２ａに載置された半導体ウェハ６を高速回転させる。軸Ａ１は、上面２ａに対して略垂直である。半導体ウェハ６は、裏面６ａをステージ２の上面２ａに載置され、表面６ｂに素子や配線を備えたチップ領域が形成される。半導体ウェハ６の裏面６ａの外周部には、図示されないバリによって凹凸が発生している。

研磨部３は、ステージ２の外側であって、ステージ２の上面２ａに載置された半導体ウェハ６の裏面６ａの外周部に配置される。研磨部３は、研磨テープ３１と、ガイドローラ３２，３３と、ヘッド３４とを備える。研磨テープ３１は、図示されない供給リールからヘッド３４と半導体ウェハ６の裏面６ａの間に供給される。研磨テープ３１は、ガイドローラ３２，３３に係回され、ガイドローラ３２，３３の間でヘッド３４から所定の圧力（力）Ｆ１を加えられ、半導体ウェハ６の裏面６ａの外周部に接触し、力Ｆ１で裏面６ａの外周部を下から上（裏面６ａから表面６ｂの方向）に押圧する。研磨テープ３１は、半導体ウェハ６との接触面にダイヤモンド等の砥粒が固定されている。研磨テープ３１は、当該接触面と高速回転する半導体ウェハ６の裏面６ａとの間に発生する摩擦によって、裏面６ａの外周部を研磨し、バリを除去する。研磨テープ３１は、図示されない供給リールから回収リールに向けて所定の速度で走行し、裏面６ａの研磨によって摩耗した接触面を回収リールに回収される。ヘッド３４は、半導体ウェハ６の半径方向に移動可能であって、半導体ウェハ６の裏面６ａでの研磨位置を調整することが可能となっている。研磨装置１は、複数の研磨部３を備えることで、裏面６ａの研磨時間を短縮することができる。

変形抑制部４は、図示されない機構によって半導体ウェハ６の外周部に配置され、裏面６ａを研磨されている半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部における非チップ領域（チップ領域の外側）を上から下（表面６ｂから裏面６ａの方向）に力Ｆ２で押圧する機能（以下において、「押圧機能」と称する）を有する。ここで比較例として、半導体ウェハ６が裏面６ａを研磨されている間において、変形抑制部４により表面６ｂを押圧されない場合を考える。この比較例の場合、半導体ウェハ６は、研磨部３から裏面６ａに加えられる力Ｆ１により、図１に点線Ｌ１で示すように裏面６ａの側から表面６ｂの側に向かって反るように変形（以下において、「半導体ウェハ６の変形」と称する）する。これに対して、変形抑制部４は、押圧機能を発揮し、力Ｆ１に対抗する力Ｆ２により半導体ウェハ６の変形を抑制することができる。図示の例において、研磨装置１は、２つの変形抑制部４を備えるが、変形抑制部４の数は２つに限られるものではない。研磨装置１は、１つ又は３つ以上の変形抑制部４を備えていてもよく、変形抑制部４の数が多いほど半導体ウェハ６の変形を抑制する効果を高めることができる。

図１に示された変形抑制部４は、軸Ａ１と略平行な軸Ａ２に回転自在に支持され、軸Ａ２の周りを一周してつながる溝４１が形成されており、図示する側面から見て略Ｈ型の形状となっている。溝４１は、半導体ウェハ６の外周部を差し込むことができ、溝４１に差し込まれた半導体ウェハ６のステージ２の上での高速な回転を維持できる寸法となっている。図１の変形抑制部４は、溝４１に半導体ウェハ６の外周部を差し込まれることで、半導体ウェハ６の外周部を挟持し、半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部を力Ｆ２で押圧することで、半導体ウェハ６の変形を抑制することができる。また、図示された変形抑制部４は、半導体ウェハ６の表面６ｂを押圧する間に回転中の半導体ウェハ６からの摩擦力を受け、当該摩擦力によって軸Ａ２の周りに回転する。このような半導体ウェハ６の回転に連動した変形抑制部４の回転によって、半導体ウェハ６と変形抑制部４の間の回転摩擦によるダメージ（例えば、半導体ウェハ６の表面６ｂや変形抑制部４が互いの摩擦により削れて傷が付くこと）が抑制される。

また、半導体ウェハ６の裏面６ａのうち、研磨部３による研磨箇所（裏面６ａと研磨テープ３１の接触部分）から中心側（軸Ａ１に相当）の領域においては、ステージ２により半導体ウェハ６の裏面６ａが力Ｆ３で吸着されている。そのため、研磨部３による研磨箇所から中心側においても半導体ウェハ６の変形が抑えられ、半導体ウェハ６は、その全体を通して変形が抑制される。なお、本実施形態では、半導体ウェハ６を保持するステージ２により半導体ウェハ６の裏面６ａを吸着し、半導体ウェハ６の表面６ｂから裏面６ａ方向への力Ｆ３を作用させているが、力Ｆ３は、ステージ２に基づく作用に限られるものではない。半導体ウェハ６の裏面６ａの研磨中、裏面６ａのうち研磨部３による研磨箇所から中心側の領域に対して力Ｆ３を作用させる吸着機構が設けられていればよい。

次に、図１に示す研磨装置１による半導体ウェハ６の研磨方法について説明する。まず、研磨対象とする半導体ウェハ６の裏面６ａをステージ２の上面２ａに載置し、図示されない吸着機構によって、半導体ウェハ６の裏面６ａのうち研磨部３による研磨箇所となる部分から中心側の領域に対して力Ｆ３を作用させ、半導体ウェハ６をステージ２に吸着してステージ２に保持する。続いて、ステージ２の回転により、軸Ａ１の周りに半導体ウェハ６を高速回転させる。そして、変形抑制部４を半導体ウェハ６の外周部に配置し、半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部における非チップ領域を力Ｆ２で押圧するとともに、裏面６ａの外周部に研磨テープ３１を接触させ、裏面６ａの外周部を力Ｆ１で押圧する。これにより、裏面６ａと研磨テープ３１の間に摩擦力が発生し、裏面６ａを研磨することができる。なお、裏面６ａの研磨中、半導体ウェハ６の変形を抑制するためにも、半導体ウェハ６に対して力Ｆ２，Ｆ３を作用させ続ける必要がある。

図２は、図１に示す変形抑制部４の変形例を示す。変形抑制部４は、半導体ウェハ６の表面６ｂに対する押圧機能を有するものであれば形態を限定されるものではなく、様々な形態をとり得る。変形抑制部４は、例えば、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す形態をとり得る。

図２（ａ）に示す変形抑制部４は、半導体ウェハ６の表面６ｂに配置され、半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部に接触することで力Ｆ２を発生させ、表面６ｂを押圧する。この変形抑制部４は、半導体ウェハ６の表面６ｂと略平行（図１に示す軸Ａ１と略垂直）な軸Ａ３に回転自在に支持されており、半導体ウェハ６の表面６ｂに接触している間に、回転中の半導体ウェハ６からの摩擦力を受け、当該摩擦力により軸Ａ３の周りに回転する。このような回転によっても、半導体ウェハ６と変形抑制部４の間の回転摩擦によるダメージを抑制することができる。

図２（ｂ）に示す変形抑制部４は、間接部材４２と、保持部材４３を備える。図２（ｂ）は、間接部材４２の一部を断面で示す。間接部材４２は、固定部４２ａと鍔部４２ｂを有する。固定部４２ａは、半導体ウェハ６の表面６ｂに固定される部分である。鍔部４２ｂは、固定部４２ａから鍔状に突出する部分であり、半導体ウェハ６の外周全体に設けられる。間接部材４２は、固定部４２ａを半導体ウェハ６の表面６ｂに固定されるので、半導体ウェハ６と一体となって高速回転する。保持部材４３は、半導体ウェハ６の表面６ｂに対して略垂直（図１に示す軸Ａ１と略平行）な軸Ａ４に回転自在に支持され、軸Ａ４の周りを一周してつながる溝４４を形成されており、図示する側面から見て略Ｈ型の形状となっている。保持部材４３は、溝４４に間接部材４２の鍔部４２ｂを差し込むことができ、溝４４に鍔部４２ｂが差し込まれた状態であっても、半導体ウェハ６の間接部材４２と一体となった高速回転を維持できるような寸法となっている。

図２（ｂ）に示す変形抑制部４は、半導体ウェハ６の表面６ｂに固定された間接部材４２の鍔部４２ｂが溝４４に差し込まれると、保持部材４３を挟持する。また、この際、変形抑制部４は、間接部材４２と保持部材４３が接触することで発生する力Ｆ２で半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部を押圧する。即ち、図２（ｂ）に示す変形抑制部４は、間接部材４２を介して保持部材４３により半導体ウェハ６の表面６ｂを押圧する。このように、半導体ウェハ６と保持部材４３の間に間接部材４２が介在することで、回転する半導体ウェハ６と変形抑制部４の間の回転摩擦が抑制され、当該回転摩擦による半導体ウェハ６に対するダメージ（例えば、半導体ウェハ６の表面６ｂが摩擦により削れて傷が付くこと）が抑制される。また、保持部材４３は、間接部材４２を介して半導体ウェハ６の表面６ｂを押圧する間に、半導体ウェハ６と共に回転する間接部材４２からの摩擦力を受け、当該摩擦力によって軸Ａ４の周りに回転する。このような回転によって、間接部材４２と保持部材４３の間の回転摩擦によるダメージ（例えば、間接部材４２と保持部材４３が摩擦により削れること）が抑制される。

図２（ｃ）に示す変形抑制部４は、ノズル４５を備える。ノズル４５は、半導体ウェハ６の表面６ｂの上方に配置され、表面６ｂの外周部に向けて高圧の流体４６を吐出する。流体４６は、水等の液体または空気等の気体である。このように変形抑制部４は、流体４６を半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部に吐出することで、流体４６の圧力として力Ｆ２を発生させ、半導体ウェハ６の表面６ｂを押圧することができる。半導体ウェハ６は、このように、液体や気体によって押圧されることで、個体との接触がなくなり、ダメージを抑制される。

第１の実施形態によれば、研磨装置１は、半導体ウェハ６の裏面６ａの研磨中、変形抑制部４が発生させる力Ｆ２で、ステージ２に載置された半導体ウェハ６の表面６ｂの外周部を押圧することで研磨部３から加えられる力Ｆ１に対抗する。したがって、研磨装置１は、半導体ウェハ６の変形を抑制して、裏面６ａを研磨することができる。このように、半導体ウェハ６の変形を抑制することで、研磨装置１は、例えば、裏面６ａを強い力Ｆ１で研磨することが可能となり、バリ等の研磨レートを向上させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態にかかる研磨装置１の計測部５の構成を示す図である。第２の実施形態にかかる研磨装置１は、図３に示された範囲から必ずしも明らかではないが、第１の実施形態にかかる研磨装置１の構成の全てを備え、研磨量ΔＰを測定することを特徴とする。以下、第１の実施形態と同様の構成には同一の符号を付して、重複説明を省略する。また、図３は、変形抑制部４を断面で示す。

図３に示すように、第２の実施形態にかかる研磨装置１は、計測部５を備える。計測部５は、変位計５１，５２と、演算部５３を備える。変位計５１，５２は、先端面５１ａ，５２ａの高さが一致するように変形抑制部４に取り付けられ、変形抑制部４と共に回転する。変位計５１，５２は、この回転により半導体ウェハ６の裏面６ａと対向する位置に移動し、半導体ウェハ６の裏面６ａと先端面５１ａ，５２ａの間の距離Ｌ２１，Ｌ２２を計測する。変位計５１，５２は、例えば、光学式や作動トランス式のものを採用することができる。なお、変位計５１，５２は、必ずしも変形抑制部４に取り付けられる必要はなく、半導体ウェハ６の裏面６ａと対向する位置に固定的に取り付けられていてもよい。

変位計５１は、半導体ウェハ６の裏面６ａと対向する位置に移動したとき、非研磨面６ｃ（裏面６ａのうち図１に示す研磨部３によって研磨されない面）と対向する位置に配置され、非研磨面６ｃから先端面５１ａまでの距離Ｌ２１を計測し、計測結果を演算部５３へ送信する。半導体ウェハ６の裏面６ａの研磨中、距離Ｌ２１は基本的に変動することはないため、距離Ｌ２１を研磨量ΔＰの計測に当たっての裏面６ａからの基準距離として採用できる。

変位計５２は、半導体ウェハ６の裏面６ａと対向する位置に移動したとき、研磨面６ｄ（裏面６ａのうち図１に示す研磨部３によって研磨された面）と対向する位置に配置され、研磨面６ｄから先端面５２ａまでの距離Ｌ２２を計測し、計測結果を演算部５３へ送信する。距離Ｌ２２は、半導体ウェハ６の裏面６ａの研磨量ΔＰに応じて変動し、研磨量ΔＰが多いほど大きくなる。

演算部５３は、計測部５から距離Ｌ２１，Ｌ２２に関する計測結果を受信すると、下記の数式（１）にしたがって、研磨量ΔＰを
ΔＰ＝Ｌ２２−Ｌ２１・・・数式（１）
として算出する。演算部５３は、算出された研磨量ΔＰを、例えば図示されない表示部に表示する。なお、研磨量ΔＰは、必ずしも演算部５３によって算出される必要はない。例えば、変位計５１，５２で測定した距離Ｌ２１，Ｌ２２を変位計５１，５２に表示させ、表示された距離Ｌ２１，Ｌ２２に基づき、研磨装置１の利用者が数式（１）にしたがって研磨量ΔＰを算出してもよい。

第２の実施形態によれば、研磨装置１は、計測部５によって半導体ウェハ６の裏面６ａの研磨量ΔＰを算出する。このような研磨装置１を利用することで、研磨量ΔＰのモニタリングおよび研磨量ΔＰの制御が容易化される。なお、この研磨量ΔＰの制御には、例えば、研磨量ΔＰの時間変化に応じて力Ｆ１を調整することや所定の研磨量ΔＰ（エンドポイント）で半導体ウェハ６の研磨を終了することが含まれる。

また、第２の実施形態によれば、研磨装置１は、２つの変位計５１，５２によって距離Ｌ２１，Ｌ２２を測定し、研磨量ΔＰを測定する。したがって、研磨装置１は、半導体ウェハ６の研磨前の裏面６ａと変位計５１，５２の先端面５１ａ，５２ａの間の間隔（距離Ｌ２１に相当）の影響を排除して、研磨量ΔＰを計測することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 研磨装置、２ ステージ、２ａ 上面、３ 研磨部、４ 変形抑制部、４１ 溝、４２ 間接部材、４２ａ 固定部、４２ｂ 鍔部、４３ 保持部材、４４ 溝、４５ ノズル、４６ 流体、５ 計測部、５１，５２ 変位計、５１ａ，５２ａ 先端面、５３ 演算部、６ 半導体ウェハ、６ａ 裏面、６ｂ 表面、６ｃ 非研磨面、６ｄ 研磨面、Ａ１〜Ａ４ 軸、Ｆ１〜Ｆ３ 力、Ｌ１，Ｌ２１，Ｌ２２ 距離、ΔＰ 研磨量。

Claims (5)

1. 半導体ウェハを載置するステージと、
   前記ステージに載置された半導体ウェハの裏面を押圧して研磨する研磨部と、
   前記研磨中、前記ステージに載置された半導体ウェハの表面の外周部を押圧する変形抑制部と、
   前記研磨中、前記半導体ウェハの研磨箇所から中心側の前記裏面の領域を吸着する吸着機構と、
   を備える研磨装置。
2. 前記変形抑制部は、前記ステージに載置された半導体ウェハの前記表面に接触することで前記表面を押圧する、
   請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記変形抑制部は、前記ステージに載置された半導体ウェハの回転に連動して回転する、
   請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記ステージは、前記吸着機構を備えている、請求項１から３のいずれか１つに記載の研磨装置。
5. 半導体ウェハをステージに載置する工程と、
   前記ステージに載置された半導体ウェハの裏面を押圧して研磨する工程と、
   前記研磨中、前記ステージに載置された半導体ウェハの表面の外周部を押圧する工程と、
   前記研磨中、前記半導体ウェハの研磨箇所から中心側の前記裏面の領域を吸着する工程と、
   を備える半導体ウェハの研磨方法。

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