JP2572577B2 - 半導体ウエハを研摩するための方法および装置 - Google Patents

半導体ウエハを研摩するための方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、一般に、半導体ウェハ処理装置に関し特
に、けい素または半導体装置製造に使用される他の材料
から成る半導体ウェハを研摩するための装置に関する。
（従来の技術） 半導体装置は、通常けい素等から作られる基板上に製
造される。基板すなわちウェハは各種サイズの鋳塊から
切分けられる。切分けの結果表面損傷を生じ、ウェハの
厚さ変化および平行度のずれが生ずる。ウェハ平坦度と
平行度を改善し、切断跡と表面損傷を除くためウェハは
ラップ処理または研削処理、エッチングおよび研摩処理
を受ける。
ラップ後の荒表面は通常、表面損傷を除くためエッチ
され続いて、半導体装置への処理に適当なウェハにする
ため研摩され平坦な鏡面にされる。研摩後のウェハは欠
陥がなく特に平坦でなければならない。これはサブミク
ロン装置では特に重要である。
ウェハ研摩は通常２段階処理で、第１段階即ち１次研
摩では蓄積物が除かれ、ここでは各ウェハから約17マイ
クロメータの材料が除去される。次段階は最終研摩で極
めて少量の材料が除去される。１次研摩も最終研摩も同
様の機械で実行されるが異なった泥状物（スラリ）と研
摩板（パッド）が使用される。最終研摩時間は１次研摩
時間の約20％にすぎないので各々の最終研摩用機械に対
して４〜５台の１次研摩用機械が使用され得る。
（発明が解決しようとする問題点） 現存する研摩装置では高度な集積回路の原材料に必要
な高品質平坦仕上げは得られないことが知られている。
更に、ウェハの２％を超える部分が１次研摩装置の取外
し、ウェハ輸送、および最終研摩装置の取付け中のウェ
ハに対する手による取扱いのために損傷を受けることが
分かっている。
従って、１次研摩と最終研摩の双方を実行でき更に大
直径、超平坦かつ欠陥のないウェハを最小の操作者介入
で作成できる自動研摩システムが望まれている。
従って、本発明の目的は半導体ウェハまたは工作物を
研摩するための改良された装置を提供することである。
本発明の他の目的は欠陥または破損のため受入れ不可
能なウェハを減少または除去することである。
本発明の他の目的は半導体ウェハを高精密度、高正確
度、および高平坦制御で研摩することである。
本発明の他の目的は計算機制御の研摩装置を提供する
ことである。
（問題点を解決するための手段） 上記および他の目的更に利点は、框体に取付けられた
サーボ駆動の研摩アームを発明の一部に用いる本発明に
よって達せられる。研摩アームには工作物保持器が接続
され、これはウェハチャックとも呼ばれる。研摩アーム
に隣接して研摩アームおよび付設されたウェハチャック
による取上げのために工作物またはウェハを位置づける
ための積載部（load station）が設けられる。積載部に
続いて、次ウェハの取上げ前にウェハチャック内の溝を
自動的に清潔にするブラシ部がある。框体上のブラシ部
の隣には、荒い材料の殆んどを除去するための１次研摩
部が設けられる。１次研摩部に並んで、ウェハの表面仕
上げをするための最終研摩部がある。研摩アームは研摩
後のウェハを最終研摩部の隣りに置かれた荷卸し部に放
出する。
（実施例） 第１図は半導体ウェハまたは同様な工作物を自動研摩
する摩擦研摩装置の等角投影図である。研摩装置は計算
機に制御されて研摩アーム10およびウェハチャック11を
使用してウェハを各部（station）間で移動させる。こ
れら各部には積載部12、ブラシ部13、主または１次（pr
imary）研摩部14、最終研摩部15、および荷卸し部16が
ある。１次および最終研摩部14と15は加工面25として働
く可動蓋内の開口である。加工面25の下には１次研摩タ
ーンテーブルと最終研摩ターンテーブルが置かれる。こ
れらターンテーブルについては以下に詳述する。
研摩装置の主集合体（アセンブリ）は框体17、液体制
御部（バネル18の後部）、クイル速度制御部（パネル19
の後部）、制御箱20、研摩アーム10、およびターンテー
ブル駆動部61（パネル21の後部）を含む。矢印22は研摩
アーム10の水平運動を示す。板23は第３図の説明で検討
する。
パネル18の後部の液体制御集合体は２方向および３方
向ソレノイドバルブ、1/4および3/8インチステンレスス
チール管、および種々の付属品を含む。液体制御集合体
の機能は真空、高温および低温イオン消失後の（deioni
zed:DI）水、高圧DI水（200PSI）および１次／最終泥状
物を制御箱20によって指令されたように制御することで
ある。真空は研摩アーム10において使用され半導体ウェ
ハをウェハチャック11に取付ける。高温水は１次研摩部
14と最終研摩15で使用されウェハと研摩板（polishing
pad）を洗浄する。研摩板は以下に詳述される。低温DI
水は積載部12、１次研摩部14、最終研摩部15、および荷
卸し部16で使用される。低温DI水はウェハチャック11で
も使用され積載部12においてウェハ後側を洗浄し、ウェ
ハを荷卸し部16で解放するため真空導管を満たす。高圧
水は１次および最終研摩板を洗浄するために水噴射部で
使用される。水噴射部は制御された変形率で研摩板上で
揺動するステンレススチール管である。典型的な１次泥
状物はチゾクス（Tizox）1300とDI水の混合液で典型的
な最終泥状物はナルコ（Nalco）2355とDI水の混合液で
ある。これら泥状物は各々対応板の中央に向けられる。
クイル速度制御部はパネル19の後部に配置されウェハ
チャック11の回転速度を調整するために使用される。ク
イルとはウェハチャック11を支持する軸の別名である。
本発明では、ウェハチャック11は１次および最終研摩板
と同一速度で回転するのが望ましい。しかし、好ましい
実施例においては２個の研摩板は同一RPMでは作動しな
い。クイル速度は直流モータを制御する制御箱20によっ
て制御される。
第１図には水準決定部24も示されている。水準決定部
24はウェハチャック11をクイル軸45に垂直に搭載するた
めに使用される。
第２図に制御箱20の詳細を示す。流量計30は１次およ
び最終研摩板に対する高温DI水、低温DI水、および研磨
泥状物の流量を制御するために使用される。
流量計30の隣りには警報音発生器31およびキーロック
32が設けられる。警報器31は誤動作を操作者に報知する
ために使用され、ロック32は権限のない要員によるプロ
グラム変更を防止するために使用される。
警報器31の左には表示装置とスイッチの集合体（アセ
ンブリ）33があり、制御箱20内に置かれたマイクロコン
ピュータのプログラムのために使用される。集合体33は
鍵盤34、機能表示部35、装置状態表示灯36、および表示
窓37を含む。機能表示部35は活状態鍵盤34からプログラ
ム可能な各種機能に対する参照索引として使用される。
装置状態表示灯36は到達された上／下限およびウェハ位
置を示す。表示窓37は液晶表示装置（LCD）で機能およ
び省略時指定値（default values）を表示できる。省略
時指定値はウェハ直径、研摩時間、振動割合、研摩アー
ム圧力、および加速度のような値である。
表示窓37は研摩装置が使用中の13個の基本パラメータ
を連続的に示す。表示窓37は鍵盤34と関連して省略時指
定パラメータを表示および／または変更するのに使用で
きる。
スイッチ集合体33の後部にはモトローラ社のMC6809マ
イクロプロセッサ装置（MPU）と他の支援電子装置が含
まれる。MPUは研摩処理を通しての全パラメータの制御
および監視に使用される。
計算機プログラムは泥状物欠損、ウェハ欠如、および
取上げまたは放出孔部内でのウェハの不正位置等の各種
障害モードに好適に対応する。更に、MPUは１次研摩段
階での振動量およびその振動の加速要素によってウェハ
形状と平坦度を制御する。振動は研摩アーム10の行程長
さを示し、この変化によってウェハ平坦度はプラスまた
はマイナスになる。加速度は各行程の終りでの速度変化
率である。流量計30の後部には３個のモータ駆動圧力調
整器（図示せず）があり、これらは研摩アーム10への
高、中、低圧力設定に使用される。この設定によって研
摩アーム10から研摩板に印加される力を調整する。中圧
力設定は研摩サイクル中に形成される可能性のある乾燥
した泥状物をウェハチャック11から除去するために使用
される。高圧は研摩アーム10がウェハをウェハチャック
11に持ち１次研摩部14にある時に要求される。即ち、材
料の多くがウェハまたは工作物から除去された時であ
る。ウェハが荷卸し部16に置かれた後、研摩アーム10は
１次研摩部14に移動しチャック11を緩める。低圧設定は
冷却サイクルの一部としての１次研摩サイクルの後半部
で使用され、更に全最終研摩サイクルにおいて使用され
る。圧力設定は制御箱20内のMPUによって監視され調整
される。
第３図に研摩アーム10の詳細を示す。研摩アーム10は
框体40の減速器46の軸受で支持される。軸41は減速器46
とサーボモータ47に結合され、これらは軸41を、従って
研摩アーム10を240度だけ水平回転させる。板蓋部42の
後部には３ 1/4インチ（約8.25cm）の孔と６インチ（1
5.2cm）の行程長さを持つ空気筒43がある。空気筒43の
１端は研摩アーム10の上部に搭載される。空気筒43の他
端は板23に搭載される。これによって研摩アーム10は精
密線型軸受システムによって案内され垂直面内で６イン
チ移動する。板23は更に軸受框体40によって支持され垂
直面内でなく水平面内で移動する。研摩アーム10内には
更にクイル駆動モータ44とクイル軸45がある。クイルモ
ータ44は少くとも1/8HPの直流モータで例えば300RPMの
ターンテーブル回転速度に一致する可変速度を有し、１
次研摩処理と最終研摩処理間で速度を変えるため制御箱
20によってプログラムされるものとする。クイル軸受集
合体は垂直位置からの角方向調整部を有し所望の位置で
ロック可能である。クイル軸45はターンテーブルに対し
て垂直には動かない。望ましい実施例では、クイル軸45
は垂直方向から１度より僅かに少ない方向である。クイ
ル框体は該角度が調整可能なように構築される。クイル
軸45の角度のずれの利点は小型クイルモータ44が使用可
能なことである。クイル軸45と取付けられたウェハチャ
ック11が研摩板（パッド）に接触すると、研摩板の回転
運動は、このウェハチャック11の円運動を助ける。
ウェハチャック11はネオプレン管48によってクイル軸
に取付けられる。クイル軸45の端は曲面でウェハチャッ
ク11内の整合用凹部に一致する。管48によってウェハチ
ャック11は僅かに旋回転運動が可能であるが軸45とチャ
ック11の間での回転滑りは禁止される。第４図は框体17
内に収められたターンテーブル駆動部61の詳細を示す。
ベルト50と心車51を使用して主駆動モータ52は１次ター
ンテーブル55と最終ターンテーブル56に締付けられた駆
動軸54を回転するために使用される。パット板57と58は
ボルト59によってターンテーブル55と56に締付けられ
る。ターンテーブル上でのパッド板のすべりを防ぐため
パッド板57、58とターンテーブル55、56の間に中程度の
軟らかさの駆動ピン（図示せず）が使用される。パッド
板57と58は厚さ22mmで直径が559mmおよび527mmのアルミ
ニウム製である。パッド板57のパッド材料は典型的には
ロードス（Rhoads）LP57のような多孔地を持つポリウレ
タンフォームである。パッド板58のパッド材料はローデ
ル（Rodel）205等の滑らかな地を持つポリウレタン混和
繊維である。パッド材料をパッド板に固定するために接
着剤が使用される。
ターンテーブル55、56は無電解ニッケルメッキを施し
た鋳鉄で安定性のために焼きならしされる。ターンテー
ブル55、56は望ましい実施例では外部径約508mmで直径
に関して0.025mm以内の平坦度を有する。
ターンテーブル55、56は軸受装置60によって固定支承
され約300RPMで滑らかに連続回転でき、最大454.5kgの
スラスト荷重とこれに付加される回転中心から178mmの
位置で454.5kgスラスト荷重によって生成される半径方
向荷重までが許される。この中心を外れた荷重は常に同
一位置に加えられる。ターンテーブル55、56駆動軸54、
および軸受60の温度は約344゜ｋと予測される。軸受ク
リアランスと注油は上記温度を連続的に保持するもので
なければならない。
１次ターンテーブル55の回転速度は約300RPMである。
最終ターンテーブル56の回転速度は約230RPMである。駆
動モータ52は7.5HP高効率３相1200RPMモータで直接駆動
ベルト50およびターンテーブル55と56への減速部（redu
ction）を有する。両ターンテーブル55、56は同一方
向、即ち逆時計回り方向（CCW）に回転する。最終ター
ンテーブル56は１次ターンテーブル55のテーブル回転速
度の77％で動作する。
１次および最終泥状物は該テーブル中心から25mmずれ
た位置のステンレススチール管を介して研摩板に送出さ
れる。これによって中心のガスケット付き固定ボルト59
に対するクリアランスが与えられる。該スチール管はパ
ッドに洗浄液をも供給する。泥状物−洗浄液管はパッド
交換時に該テーブルに当たらないで揺動可能にするため
軸の周囲に取付けられる。
第５図は動作流れ図で本発明のウェハ研摩ステプを示
す。これによって本発明の新規性およびシステムの動作
がより明確に理解されると考えられる。
ブロック70は研摩装置が付勢される前に必要な準備作
業を示す。ターンテーブルの厚さと質量を下方に押しつ
けておく動作において、研摩アーム10の下方への力によ
ってターンテーブル55がいくらか撓むことが分った。ウ
ェハの平行度を保持しターンテーブルの撓みを補償する
ため、１次研摩パッドはウェハ研摩に使用される前に整
形されねばならないことが決定された。１次パッドのみ
が整形処理されるが、これは損傷を受けたほとんどの材
料が除去されるのがこの位置であり、研摩アーム10から
は下方への最大圧力が印加されるからである。パッド整
形はウェハチャック11を特別の研摩チャックと交換する
ことで実施される。整形後のパッド中央は外端よりも0.
09mm低い。この形状によって極めて平坦な76mm〜150mm
のウェハが製造される。このとき、チェックまたは充填
されるものには、１次および最終泥状物液、流量計30の
設定、および制御箱20内の計算機プログラムがある。プ
ログラムのチェックは適当なウェハサイズ、圧力、およ
び時間を指定するために行なわれる。
ブロック71は研摩装置の電気的、機械的動作の始まり
を示す。“始動”ホタンは制御箱20上にある。
ブロック72は積載部12への手動ウェハ設置を示す。
ブロック73は積載部12からのウェハチャック11による
ウェハの積込みまたは獲得を示す。積載部12は異なった
サイズのウェハに対して容易に交換可能な設計である。
積載部12の底部には光ファイバ検出器が設けられ、これ
によってウェハが取出し準備完了したことを研摩アーム
10に報知する。研摩アーム10に取付けられたウェハチャ
ック11はウェハに真空をかけてウェハチャック11に保持
されるようにする。ウェハ取上げ前に、チャック11から
の噴出水がウェハ後側を洗浄し付着している粒子を除去
する。これはウェハ後側に付着した粒子によって欠陥が
ウェハの表面へ“伝達”されるのを防ぐために行なわれ
る。
ウェハがチャック11に取付けられると、研摩アーム10
は１次研摩部14を過ぎるまで回転する。これをブロック
74に示す。空気筒43によって研摩アーム10は降下されパ
ッド板57上のパッド材料に接触する。パッド板57は約30
0RPMで回転するターンテーブル55に固設される。ウェハ
チャック11も300RPMで回転し、研摩アーム10はウェハサ
イズに依存して１〜４インチの振幅で振動する。ターン
テーブルが回転すると１次泥状物は研摩パッド中央に置
かれる。この段階で大部分の材料がウェハから除去され
る。１次研摩サイクルの後半では冷却が行なわれる。泥
状物に代って低温水が研摩パッド中央に供給される。更
に、研摩アーム10の下方圧力は“高”から“低“へ変え
られる。冷却処理の完了時、研摩アーム10はブロック76
で示されるように最終研摩部15へ回転移動する。研摩ア
ーム10が研摩部14を外れると、高圧水噴流（200PSI）は
229mm/分の低速で研摩パッド上を移動しながら残留物を
洗い落す。これをブロック75に示す。
最終研摩ターンテーブル56は約230RPMで回転する。ク
イル速度制御部（パネル19の後部に設置）は制御箱20に
信号を送り、これによってクイルモータ44はターンテー
ブル56の回転速度に一致させられる。この結果ウェハチ
ャック11はターンテーブル56と同一速度で回転する。低
速回転の他に、最終研摩処理では研摩アーム10に対して
“最終泥状物”と“低”圧設定を適用する。
研摩処理完了時、ウェハはブロック78で示される荷卸
し部16に解放される。ここで最終研摩部15はブロック77
で示されるように高圧噴流水で洗浄される。積載部12と
同様に、荷卸し部16は異なるサイズのウェハに対して容
易に交換可能である。更に、荷卸し部16はウェハ検出用
の光ファイバ検出器を有する。荷卸し部16にウェハが存
在し研摩アーム10が他のウェハに対する研摩を完了して
いれば、該ウェハは荷卸し部16が開放されるまで最終研
摩部15に保持される。保持中は研摩部15は泥状物の代り
に低温水だけを供給する。これによってウェハから更に
材料を除去するという不要な作業を防ぐ。
研摩アーム10が荷卸し部16でウェハを落下させると再
び１次研摩部14に戻る。“中”圧設定を使用して研摩ア
ーム10は１次研摩パッド上に降下しウェハチャック11を
緩める。これをブロック79に示す。緩める作業の目的は
ウェハチャック11上に残留する乾燥した泥状物の除去で
ある。
ウェハチャック11が緩められると研摩アーム10はブラ
シ部13へ移動するがこれはブロック80で示されている。
ブラシ部13では、ブラシに対してチャック11を回転当接
させ同時にチャック内の開口から水を噴出させることに
よってウェハチャック11内の真空路を洗浄する。
研摩アーム10が積載部12に他のウェハを検出すると上
記処理が繰返される。これをブロック81に示す。
従って、改良された半導体材料研摩装置が提供される
ことが明らかとなった。得られた装置は計算機制御摩擦
研摩器であって、１次研摩および最終研摩を自動的に行
ないより少ない破損および欠陥で超平坦なウェハを製造
可能である。これは部分的には洗浄装置を含むことで実
現され、例えば、ウェハ後端を洗浄する水、研摩パッド
上への噴出水、ウェハチャックの緩め動作、およびウェ
ハチャックをブラシで洗浄すること等によって行なわれ
る。更に、操作者が研摩ウェハサイズを入力すると自動
的に圧力、振動、加速度、時間等を設定するMPUの使用
によって操作誤りが減少する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る研摩装置の等角投影図である。 第２図は第１図の装置用の制御箱の正面図を示す。 第３図は第１図の装置用の研摩アームおよびウェハチャ
ックの側面図である。 第４図は第１図の装置用のターンテーブル駆動集合体の
概略図である。 第５図は研摩装置動作の理解を助けるための動作流れ図
である。 10……研摩アーム、11……ウェハチャック、12……積載
部、13……ブラシ部、14……１次研摩部、15……最終研
摩部、16……荷卸し部、20……制御箱、24……水準決定
部、30……流量計、31……警報器、32……キーロック、
46……減速器、47……サーボモータ、50……ベルト、51
……心車、52……主駆動モータ、54……駆動軸、55……
１次ターンテーブル、56……最終ターンテーブル。
フロントページの続き (72)発明者 ジェームズ・エイチ・ジョーンズ アメリカ合衆国アリゾナ州 85029、フ エニツクス、ウエスト・デザート・コー プ 1621 (72)発明者 アシット・ジー・パテル アメリカ合衆国アリゾナ州 85224、チ ヤンドラー、ウエスト・チルトン・スト リート 607

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体ウェハを研摩するための装置であっ
    て、 第１ターンテーブルと該第１ターンテーブルに結合され
    該第１ターンテーブルの撓みを補償するために整形処理
    可能な第１次研摩板とを有する主研摩部、 第２ターンテーブルと該第２ターンテーブルに結合され
    た第２次研摩板とを有する最終研摩部、 研摩すべきウェハを積載するウェハ積載部、 研摩後のウェハを荷卸しする荷卸し部、 ブラシを有するブラシ部、 前記各部にウェハを移動させる研摩アームであって、該
    研摩アームはウェハ積載部において半導体ウェハを取上
    げるためのウェハチャックを備え、該ウェハチャックは
    該ウェハ取上げ前に該ウェハを洗浄するために水を供給
    しかつ該ウェハの取上げのために真空を使用することが
    可能であり、前記研摩アームは前記ウェハをウェハ積載
    部から前記ウェハが前記第１次研摩板に対して研摩され
    る前記主研摩部へ、前記ウェハが前記第２次研摩板に対
    して研摩される前記最終研摩部へ、そして前記ウェハが
    荷卸しされるウェハ荷卸し部へと、そして前記チャック
    がブラシに対して洗浄されるブラシ部へと移動させるも
    の、 研摩アームの行程長さと研摩アームの各行程の終端での
    該行程の加速度とを変化させて研摩中のウェハの平坦度
    を制御する計算機制御手段、そして 研摩動作後に前記第１次研摩板を洗浄するための高水圧
    噴射部、 を具備することを特徴とする半導体ウェハを研摩するた
    めの装置。
  2. 【請求項２】半導体ウェハを研摩するための方法であっ
    て、 第１次研摩板を整形処理し、該第１次研摩板が搭載され
    る第１ターンテーブルの撓みを補償するためのステッ
    プ、 ウェハを研摩のために取上げる直前に該ウェハの裏側を
    洗浄するステップ、 真空取上げ部を持つチャックで該洗浄後のウェハを取上
    げるステップ、 該ウェハを前記第１次研摩板上に設置するステップ、 前記第１次研摩板に研摩泥状物を塗りかつ該ウェハを研
    摩するために前記第１次研摩板を回転するステップ。 研摩中のウェハの平坦度を制御するため前記チャックを
    保持する研摩アームの行程の長さと各行程の終端での該
    行程の加速度と計算機制御によって変えるステップ、 該ウェハの最終研摩を実施するため前記ウェハを第２次
    研摩板へ移動するステップ、 前記ウェハを荷卸し部に移動し前記ウェハが前記チャッ
    クから荷卸しされ得るようにするステップ、 前記第１次研摩板を洗浄するステップ、そして 研摩されるべき次のウェハを取上げる前にブラシ上で前
    記チャックを洗浄するステップ、 を具備することを特徴とする半導体ウェハを研摩するた
    めの方法。
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