JP3839903B2 - 半導体ウエーハの研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンウエーハ、ＧａＡｓウエーハ等の半導体ウエーハをバッチ式にワックスレス方法により研磨する装置および、これを用いる研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、半導体ウエーハの鏡面研磨（化学的機械的研磨）では、高度の平坦度および平行度を有する研磨ウエーハが得られることが要求されている。
この鏡面研磨方法・装置としては、研磨プレートに保持されたバッキングパッドの片面に半導体ウエーハを水貼りにより保持してワックスレス法により研磨するものが採用されてきた。とくに、ワックスレス法でバッチ式に研磨する場合には、複数枚の半導体ウエーハをセラミック製またはガラス製の研磨プレートに、樹脂多孔質体によるバッキングパッド、または樹脂多孔質体と不織布とを積層したバッキングパッドを介して保持し、研磨するのが一般的であった。
【０００３】
図７は、鏡面研磨装置の従来例を示しており、この研磨装置２１は研磨荷重２２と、テンプレート２３と、定盤２５とを備えて構成されている。テンプレート２３は研磨プレート２６と、バッキングパッド２７と、テンプレートブランク２８とを積層して構成されている。２７ａはバッキングパッド２７のウエーハ保持面であり、２８ａはテンプレートブランク２８に複数形成された、ウエーハ挿入用の円形貫通孔である。
バッキングパッド２７は研磨プレート２６に、テンプレートブランク２８はバッキングパッド２７に、研磨パッド２４は定盤２５に、それぞれ接着剤により固定されている。
【０００４】
半導体ウエーハの鏡面研磨に際しては、準備操作として、半導体ウエーハＷをテンプレートブランク２８の円形貫通孔２８ａに挿入し、水貼りによりバッキングパッド２７のウエーハ保持面２７ａで保持する。半導体ウエーハＷは、あらかじめラッピングにより厚さがウエーハ内で均一にされたものである。
次いで、研磨荷重２２を降下させ、半導体ウエーハＷの被研磨面を研磨パッド２４に押圧させ、この状態で、微細な砥粒を含む研磨液を供給するとともに、研磨荷重２２を研磨パッド２４に対して自転および公転自転させながら、複数枚の半導体ウエーハＷを同時に鏡面研磨する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記複数枚の半導体ウエーハ間に厚さのバラツキがある場合、図７の研磨装置では、ウエーハにかかる研磨圧力が、ウエーハ内およびウエーハ間で不均一となるため、研磨後ウエーハの平坦度および平行度が研磨前に比べて低下してしまうという問題があった。
【０００６】
この問題点解決の手段として、厚さが揃った半導体ウエーハを選択して研磨する方法が考えられた。しかし、この方法では、研磨前の全てのウエーハについて、厚さを測定して厚さ別に分類し、研磨プレートにセットされるウエーハの厚さのバラツキが、できるだけ小さくなるようにウエーハを選択しなければならず、操作が煩雑になる不具合があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、その目的は、研磨プレートで複数枚の半導体ウエーハを保持し、バッチ式にワックスレス法で研磨（複数枚同時研磨）する場合に、ウエーハ間に多少の厚さのバラツキがあっても、研磨前の平坦度および平行度が維持され、したがって平坦度および平行度に優れた鏡面研磨ウエーハが容易に得られる研磨装置および研磨方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体ウエーハの研磨装置は、研磨プレートに保持されたバッキングパッドの片面に半導体ウエーハを水貼りにより保持し、バッチ式のワックスレス法により研磨する装置において、シート状弾性体が、前記バッキングパッドの反対面に直接接触して、かつ相互に固定されることなく設けられていることを特徴とする。
【００１０】
前記シート状弾性体としてはシート状ゴム、シート状樹脂発泡体、不織布のいずれか一種、または、これらから任意に複数種を選んで積層したものが採用できる。
また、シート状弾性体は、圧縮率（ＪＩＳ Ｌ−１０９６による。荷重はＷ０が３００ｇ／ｃｍ² 、Ｗ１が１８００ｇ／ｃｍ² である。）が３０％以上、８０％以下であるものが好ましい。
圧縮率が３０％未満では、いわゆるクッション効果が充分でなく、ウエーハ内およびウエーハ間での厚さのバラツキを吸収するのが困難であり、研磨によるウエーハの平坦度および平行度の向上が困難になる。圧縮率が８０％を越えると少しの荷重変化にも大きく変形することとなり、シート状弾性体を介在させる意味がなくなる。
【００１１】
前記バッキングパッドとしては、従来使用されている市販のポリウレタンの多孔質体が好適に用いることができる。このポリウレタン多孔質体は圧縮率が５〜３０％、厚さが０．５〜０．６ｍｍである。
【００１２】
本発明の研磨装置により半導体ウエーハを研磨するに際しては、厚さが最大の半導体ウエーハと厚さが最小の半導体ウエーハとの厚さの差をΔｔとするとき、シート状弾性体として、厚さがΔｔの１．３倍以上、８倍以下のものを使用することが望ましい。
厚さがΔｔの１．３倍未満であると半導体ウエーハとの厚さのバラツキを吸収するのに期待される変形量よりも不十分な変形しか得ることができない。厚さがΔｔの８倍を越えると半導体ウエーハとの厚さのバラツキを吸収するのに期待される変形量よりも過剰の変形量となってしまい、好ましくない。
【００１３】
本発明の研磨装置による半導体ウエーハの研磨では、複数のウエーハ間に厚さのバラツキがあっても、このバラツキがシート状弾性体の弾性変形により吸収されるため、それぞれのウエーハ間で、かつ、それぞれのウエーハ内で研磨圧力が均一になる。このため、研磨前ウエーハの平坦度および平行度が維持されるので、平坦度および平行度に優れた鏡面研磨ウエーハが容易に得られる。したがって、研磨前ウエーハの厚さ測定を行った後、ウエーハを厚さごとに分類するという面倒な作業を省略することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
図１は研磨装置の要部を示す断面図、図２は図１のＡ部拡大図である。図３は図１のＢ−Ｂ線矢視図である。この研磨装置は円筒状のトップリング１（研磨荷重）と、このトップリング１の下面に保持されたテンプレート１１と、研磨パッド８を接着した定盤９とを備えている。
この研磨装置は、半導体ウエーハ挿入保持用の円形貫通孔７ａを複数形成したテンプレートブランク７を研磨プレート２に固定し、シート状弾性体４およびバッキングパッド５を円形貫通孔７ａに挿入してテンプレート１１を構成し、それぞれのバッキングパッド５により半導体ウエーハを１枚ずつ保持して研磨するようにしたものである。
【００１５】
さらに詳細に説明すると、この研磨装置では、円形貫通孔７ａが５つ形成された円板状のテンプレートブランク７が、両面テープ３により円板状の研磨プレート２の下面に接着されている。円形貫通孔７ａは、研磨プレート２と同心の円上に等角度ピッチで形成されている。直径が円形貫通孔７ａのそれよりわずかに小さい円形のシート状弾性体４が、研磨プレート２下面の円形貫通孔７ａに臨む部分に、両面テープ３により接着されている。直径がシート状弾性体４とほぼ同一の円形シートであるバッキングパッド５が、シート状弾性体４の下面に直接接触して、かつ、該下面のほぼ全面を被うように配置されている。バッキングパッド５とシート状弾性体４とは、接着剤により固定されてはいない。これら研磨プレート２、テンプレートブランク７、シート状弾性体４およびバッキングパッド５によりテンプレート１１が構成されている。
【００１６】
研磨プレート２はセラミック製である。シート状弾性体４はポリウレタンゴムからなる。バッキングパッド５は、内部に独立気泡が多数形成されたポリウレタン樹脂多孔質体からなり、ウエーハ保持面は平坦に形成されている。テンプレートブランク７は、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維の積層板である。研磨パッド８は不織布製である。
【００１７】
半導体ウエーハ６はテンプレート１１に、以下の手順で保持する。まず、研磨プレート２の下面に、大きさが該下面とほぼ同じ両面接着テープ３を貼り付ける。テンプレートブランク７を研磨プレート２に、両面接着テープ３により研磨プレート２と同心状に接着する。シート状弾性体４を研磨プレート２に、テンプレートブランク７の円形貫通孔７ａを介して両面接着テープ３により接着する。バッキングパッド５を円形貫通孔７ａを介してシート状弾性体４に接触させる。バッキングパッド５の下面に水を塗布し、余分な水を除去した後、半導体ウエーハ６を円形貫通孔７ａに挿入してバッキングパッド５に押しつけ、水の表面張力により保持する。図１〜３は、このようにして半導体ウエーハ６をテンプレート１１で保持した後、研磨を開始するために半導体ウエーハ６の下面を、研磨パッド８に接触させた状態を示している。
【００１８】
参考例
図４は研磨装置の要部を示す断面図である。この研磨装置では、シート状弾性体４が研磨プレート２の下面に、かつ、該下面のほぼ全面を被うように接着され、バッキングパッド５がシート状弾性体４下面のほぼ全面を被うように接着されている。図１のテンプレートブランク７と同様構成のテンプレートブランク７がバッキングパッド５の下面に接着され、これら研磨プレート２、シート状弾性体４、バッキングパッド５およびテンプレートブランク７によりテンプレート１１が構成されている。上記それぞれの構成部材の材質は、図１に示すものと同一である。
【００１９】
実施の形態１または上記参考例の研磨装置により半導体ウエーハをバッチ式に研磨するに際しては通常、片面面積がバッキングパッド５のウエーハ保持面面積と同一、またはこれより小さい半導体ウエーハ６を、バッキングパッド５と同心状に保持する。また、実施の形態１または上記参考例の研磨装置により半導体ウエーハをバッチ式に研磨するに際しては、厚さが最大の半導体ウエーハと厚さが最小の半導体ウエーハとの厚さの差をΔｔとするとき、シート状弾性体として、厚さがΔｔの１．３倍以上、８倍以下のものを使用し、かつ、片面面積がバッキングパッドのウエーハ保持面面積と同一、またはこれより小さい半導体ウエーハを、バッキングパッドと同心状に保持することが好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
実施例１
５枚の、直径１５０ｍｍのシリコン半導体ウエーハをバッチ式に研磨した。コロイダルシリカを含むアルカリ性研磨液を、図１に示す研磨装置の研磨パッド８上に供給しながら、トップリング１を定盤９に対して通常の回転数で自転および公転させた。この場合、シート状弾性体４として、ポリウレタンゴムからなる厚さ０．５ｍｍ、圧縮率５０％のものを使用した。バッキングパッド５として、厚さ０．６ｍｍのポリウレタン樹脂の多孔質体を用いた。
バッキングパッド５に保持された５枚の半導体ウエーハの平均厚さ、平坦度および平行度は、［表１］に示すとおりであった。これらは、厚さ測定器で測定した。
【００２１】
上記平均厚さ、平坦度および平行度の測定では、非接触式の静電容量型センサ１対を、半導体ウエーハの裏面および表面に設置し、半導体ウエーハを移動させながら、全面数千点の厚さを測定した。これを図解すると図５，６に示すとおりで、平坦度（ＴＩＲ：TOTAL INDICATOR READING ）は、ウエーハ表面上の３点で決定される基準平面までの距離の最大値と最小値の差である。平行度（ＴＴＶ：TOTAL THICKNESS VARIATION ）は、ウエーハ厚さの最大値と最小値の差である。
【００２２】
【表１】

【００２３】
研磨後ウエーハの厚さを同様に厚さ測定器で測定し、平均研磨代、平坦度および平行度を求めた結果を［表２］に示す。
【００２４】
【表２】

【００２５】
［表１］と［表２］を比較して明らかなように、５枚の半導体ウエーハ間で研磨代が実質的に同一であるため、研磨によりウエーハの平坦度および平行度が極端に崩れていないことが確認できた。
【００２６】
次に、従来の研磨装置による半導体ウエーハの研磨について説明する。
比較例１
シート状弾性体４を設けない点以外は、実施例１と同一の研磨装置を使用し、実施例１と同一条件で研磨を行った。ただし、バッキングパッドは研磨プレートに接着した。
研磨前ウエーハの平均厚さ、平坦度および平行度を［表３］に示し、研磨後ウエーハの平均研磨代、平坦度および平行度を［表４］に示す。
【００２７】
【表３】

【００２８】
【表４】

【００２９】
［表３］と［表４］を比較から明らかなように、５枚の半導体ウエーハ間、およびウエーハ内で研磨代が均一にならないため、研磨前後でウエーハの平坦度および平行度がかなり異なるものとなった。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、複数のウエーハ間に厚さのバラツキがあっても、このバラツキがシート状弾性体の弾性変形により吸収されるため、それぞれのウエーハ間で、かつ、それぞれのウエーハ内で研磨圧力が均一になる。このため、研磨前ウエーハの平坦度および平行度が維持され、平坦度および平行度に優れた鏡面研磨ウエーハが容易に得られので、研磨前ウエーハの厚さ測定を行った後、ウエーハを厚さごとに分類するという面倒な作業を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る研磨装置の要部を示す断面図である。
【図２】 図１のＡ部拡大図である。
【図３】 図１のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図４】 参考例に係る研磨装置の要部を示す断面図である。
【図５】 平坦度測定方法の説明図である。
【図６】 平行度測定方法の説明図である。
【図７】 従来の鏡面研磨装置の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ 研磨プレート
３ 両面接着テープ
４ シート状弾性体
５ バッキングパッド
６ 半導体ウエーハ
７ テンプレートブランク
７ａ 円形貫通孔
８ 研磨パッド
９ 定盤
１１ テンプレート

Claims (3)

1. 研磨プレートに保持されたバッキングパッドの片面に半導体ウエーハを水貼りにより保持し、バッチ式のワックスレス法により研磨する装置において、
   前記研磨プレートと、半導体ウエーハ保持用の円形貫通孔が複数形成され前記研磨プレートの下面に接着されたテンプレートブランクと、該テンプレートブランクの円形貫通孔に臨む部分に接着されたシート状弾性体と、前記円形貫通孔に挿入されたバッキングパッドとによりテンプレートを構成し、
   前記シート状弾性体の下面に、前記バッキングパッドの半導体ウエーハ保持面と反対側の面を直接接触させて、かつ、これらシート状弾性体とバッキングパッドを相互に固定することなく設けて、前記シート状弾性体の下面のほぼ全面を被ってなり、
   前記シート状弾性体はシート状ゴム、シート状樹脂発泡体、不織布のいずれか一種、または、これらから任意に複数種を選んで積層した、圧縮弾性率（ＪＩＳ Ｌ−１０９６）が３０％以上、８０％以下のものであり、
   前記バッキングパッドは、ポリウレタンの多孔質体である、
   ことを特徴とする半導体ウエーハの研磨装置。
2. 請求項１に記載の研磨装置により半導体ウエーハをバッチ式に研磨するに際し、厚さが最大の半導体ウエーハと厚さが最小の半導体ウエーハとの厚さの差をΔｔとするとき、シート状弾性体として、厚さがΔｔの１．３倍以上、８倍以下のものを使用すること特徴とする半導体ウエーハの研磨方法。
3. 請求項１に記載の研磨装置により半導体ウエーハをバッチ式に研磨するに際し、厚さが最大の半導体ウエーハと厚さが最小の半導体ウエーハとの厚さの差をΔｔとするとき、シート状弾性体として、厚さがΔｔの１．３倍以上、８倍以下のものを使用し、かつ、片面面積がバッキングパッドのウエーハ保持面面積と同一、またはこれより小さい半導体ウエーハを、バッキングパッドと同心状に保持すること特徴とする半導体ウエーハの研磨方法。

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