JP4752475B2 - 半導体ウェーハの両頭研削装置、静圧パッドおよびこれを用いた両頭研削方法 - Google Patents

半導体ウェーハの両頭研削装置、静圧パッドおよびこれを用いた両頭研削方法 Download PDF

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Description

本発明は半導体ウェーハの両頭研削装置および両頭研削方法に関し、特に原料ウェーハの両面に供給された流体の静圧により原料ウェーハをその両面で非接触支持する静圧パッドに関するものである。
半導体シリコンウェーハ（以下, ウェーハと記す）においては、近年、「ナノトポグラフィ」と呼ばれる表面うねり成分の大小が問題となっている。このナノトポグラフィは、ウェーハの表面形状の中から「そり」や「Ｗａｒｐ」より波長が短く、「表面粗さ」よりは波長の長い、λ= ０．２〜２０ｍｍの波長成分を取り出したものであり、ＰＶ値は０．１〜０．２μｍ以下の極めて浅いうねりである。
ナノトポグラフィは一般に「光学干渉式」の測定機（商標名 ; Ｎａｎｏｍａｐｐｅｒ（ＡＤＥ Ｃｏｒｐ.）やＤｙｎａｓｅａｒｃｈ（（株）レイテックス））によって測定されており、図５に測定例を示す。図５(a) はナノトポグラフィ・マップであり、その濃淡でナノトポグラフィの強度を定性的に表している。一方、図５(b) は４５°おきに測定した４断面（直径)上のナノトポグラフィの形状と定量的な強度を表しており、グラフの山谷はナノトポグラフィ・マップの濃淡に対応している。なお、図６はナノトポグラフィ・マップとナノトポグラフィ断面形状の対応を模式的に説明したものである。
このナノトポグラフィはデバイス製造におけるＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）工程の歩留まりに影響するといわれている。ナノトポグラフィはウェーハの加工工程（スライス〜研磨）中で作り込まれるものであり、研削加工、特に両頭研削の影響が強い。
両頭研削の概略を図２に模式的に示す。原料ウェーハＷ（スライス・ウェーハ）は、ガラスエポキシ製薄板（不図示）に穿ったウェーハとほぼ同径の孔に挿入され、図２(a)に示すように、左右２枚の概略ウェーハ径の金属製の厚板である静圧パッド１１、２１の間に、静圧パッドとウェーハの間隙ｈを有するように保持される。図４（a）に示すように、静圧パッドは、その表面にランド１３（土手部分）とポケット１４（凹部）を有する。図２(ｃ)に示すように、ポケット１４には静圧水が供給され、これによってウェーハＷを回転自在に保持している。図４（a）に示すように静圧パッドの一部は切り抜いてあり、ここに研削砥石１２、２２を挿入して、図２(b)に示すようにウェーハＷおよび研削砥石１２、２２を回転させ、ウェーハＷを左右両面から同時に研削する。研削中、ウェーハＷは、例えばエッジ部分に駆動ローラを押し当てたり、ノッチ部にツメを引っかけて駆動することにより、数１０ｒｐｍで回転する。なお、図４（a）に示すように、従来の静圧パッドのランド１３のパターンは、ウェーハの自転中心（パッドの中心と一致）に対して同心円状となっている。
このような両頭研削により研削されたウェーハについて、上述したようにＮａｎｏｍａｐｐｅｒ等でナノトポグラフィを測定する。このデータを演算プログラムにより処理して、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値、すなわち８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を得る（図７(a)）。得られた８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を、半径方向の各位置における８点で平均し、図７(ｂ)に示す「平均値成分」を得る（半径方向の位置は図１０参照）。
平均値成分については、図７(ｂ)に示すように、ウェーハ中心からの距離によって両頭ヘソ、中央部凹凸、中間リング、最外周リング等に分けられることが分かっている。
従来、両頭研削中にウェーハ両面の切削加重のアンバランス等により研削されたウェーハに反りが発生することがあり、この反りの発生を抑えるためにウェーハと砥石の相対位置の調整を行う両頭研削方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなウェーハＷと砥石１２、２２の位置関係の調整方法の具体例を図８に示す。ひとつは「シフト調整」と呼ばれ、ウェーハ面に対して垂直方向に砥石１２、２２を平行移動させる調整であり（図８(a)）、もう一つは「チルト調整」と呼ばれ、ウェーハ面と砥石１２、２２の相対角度を変化させる調整である（図８(b)）。
このようなシフト調整およびチルト調整を両頭研削装置について行い、調整後の両頭研削装置で研削したウェーハのナノトポグラフィを測定し、このナノトポグラフィ測定値を処理して得た異なる調整量の平均値成分１０例について、重ね書きしたものを図９に示す。図９から、シフト調整やチルト調整によって「中央部凹凸」や「最外周リング」は＋/−方向にその向きと大きさを変化させることができ、改善することができるが、「中間リング」はその向きと大きさがほとんど変化していないことがわかる。このように、従来のシフト調整やチルト調整だけでは、ナノトポグラフィの平均値成分の「中央部凹凸」や「最外周リング」を最小化することはできても、「中間リング」を最小化することができなかった。
国際公開第００／６７９５０号パンフレット
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、両頭研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得られる平均値成分の「中間リング」を、最小化することができる半導体ウェーハの両頭研削装置および両頭研削方法を提供することを目的としたものである。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、半導体ウェーハの両頭研削装置において、原料ウェーハの両面に供給された流体の静圧により前記原料ウェーハをその両面で非接触支持する静圧パッドであって、該静圧パッドの原料ウェーハを支持する側の表面に形成されたポケットを囲む土手であるランドのパターンが、前記原料ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ前記静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称であることを特徴とする静圧パッドを提供する（請求項１）。
このように、原料ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称である静圧パッドであれば、両頭研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得られる平均値成分の「中間リング」を最小化することができ、デバイス製造工程における歩留まりを改善することができる。
また、本発明は、少なくとも、流体の静圧により原料ウェーハを支持し、該原料ウェーハの両面を同時に研削する半導体ウェーハの両頭研削装置であって、上記静圧パッドを具備することを特徴とする両頭研削装置を提供する（請求項２）。
このように、上記静圧パッドを具備した両頭研削装置であれば、両頭研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得られる平均値成分の「中間リング」を最小化することができ、デバイス製造工程における歩留まりを改善することができる両頭研削装置となる。
また、本発明は、半導体ウェーハの両頭研削方法であって、原料ウェーハの両面に流体を供給して、その静圧により原料ウェーハの両面を上記の静圧パッドで非接触支持しながら、該原料ウェーハの両頭研削を行うことを特徴とする半導体ウェーハの両頭研削方法を提供する（請求項３）。
このように、上記の静圧パッドを用いてウェーハを両頭研削すれば、両頭研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得られる平均値成分の「中間リング」を最小化することができ、デバイス製造工程における歩留まりを改善することができる。
以上説明したように、本発明によれば、原料ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称である静圧パッドが提供される。この静圧パッドを用いてウェーハの両頭研削を行うことで、研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得られる平均値成分の「中間リング」を最小化することができ、良好なナノトポグラフィを有するウェーハを製造することができるので、このウェーハを用いたデバイス製造工程における歩留まりを改善することができる。
以下、本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
上述したように、シフト調整およびチルト調整により、両頭研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得た平均値成分の「中央部凹凸」や「最外周リング」の向きと大きさを変化させ最小化することはできたが、「中間リング」の向きと大きさを変化させることができなかった（図９参照）。そこで、本発明者らは、「中間リング」は「中央部凹凸」や「最外周リング」とは原因が異なるのではないかと考え、鋭意検討を行った結果、静圧パッドのランドパターンとナノトポグラフィの「中間リング」とが対応していることが判り、静圧パッドのランドパターンを従来の同心円パターンから非同心円パターンかつ静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称であるパターンに改めることで、「中間リング」を最小化できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち本発明の静圧パッドは、半導体ウェーハの両頭研削装置において、原料ウェーハの両面に供給された流体の静圧により前記原料ウェーハをその両面で非接触支持する静圧パッドであって、該静圧パッドの原料ウェーハを支持する側の表面に形成されたポケットを囲む土手であるランドのパターンが、前記原料ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ前記静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称である静圧パッドである。
このように、本発明の静圧パッドは、外周のランドパターンはウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンはウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ前記静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称であることを特徴とする。
原料ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して同心円状である必要がある。そして、従来は、図４（ａ）に示したようにその他のパターンも同じ同心円状のパターンであった。しかし、それでは前述のようにランドパターンに対応してナノトポグラフィに「中間リング」が発生してしまう。そこで、本発明では、外周のランドパターンより内側にあるランドパターンをウェーハの自転中心（パッドの中心）と同心円とはならないようにし、かつ静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称であるようにすることで、むしろ均一に両頭研削ができるようにした。
このような静圧パッドのランドパターンは特に限定されないが、たとえば、図１（ａ）を挙げることができる。図１（ａ）に示すように、本発明に係る静圧パッド３１は、ランド２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２５（土手部分）とポケット２４（凹部）を有する。パッドの中心をＯとすると、原料ウェーハを支持するために必要な外周のランド２５のパターンは、ウェーハの自転中心Ｏ（パッドの中心に一致する）に対して同心円状である。一方、外周のランドパターンより内側にあるランド２３ａ、２３ｂ等のパターンは、ウェーハの自転中心Ｏに対して非同心円状となっていて、研削砥石が挿入される孔と同心の半円状となっている。さらに、外周のランドパターンより内側にあるランド２３ｃ、２３ｄ等のパターンは、静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称となっていて、具体的には、ウェーハの自転中心Ｏと研削砥石が挿入される孔の中心Ｏ’とを結ぶ直線を対称軸としたときに、その軸の左右で非対称となっている。
なお、外周のランドパターンより内側にあるランドのパターンは、図１（ａ）に示したものに限定されず、ウェーハの自転中心Ｏに関して点対称の度合いが小さいものであればよい。
また、本発明に係る静圧パッドは、図１（ａ）に示すように円形であることが好ましい。このように静圧パッドが円形であることによって、面積の小さい半円形や扇形である場合と比較して、原料ウェーハをより確実に支持することができる。
また、本発明は、少なくとも、流体の静圧により原料ウェーハを支持し、該原料ウェーハの両面を同時に研削する半導体ウェーハの両頭研削装置であって、上記静圧パッドを具備することを特徴とする両頭研削装置を提供する。
上記静圧パッドを具備する両頭研削装置を、図１（ｂ）を参照して具体的に説明する。本発明に係る両頭研削装置は、上記本発明の静圧パッド３１、４１を具備する。上述したように、本発明の静圧パッド３１、４１の具体例としてはたとえば図１（ａ）を挙げることができる。図１（ａ）に示すように、静圧パッドは、その表面にランド２３（土手部分）とポケット２４（凹部）を有し、ポケット２４に供給された流体の静圧により、ウェーハＷを回転自在に非接触保持することができる。静圧パッド３１、４１の一部は切り抜いてあり、ここに研削砥石１２、２２を挿入して、ウェーハＷおよび研削砥石１２、２２を回転させ、ウェーハＷを左右両面から同時に研削することができる。
このような本発明の静圧パッドまたはそれを具備する両頭研削装置を用いて両頭研削を行えば、静圧パッドのランドのパターンが、原料ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンは原料ウェーハの自転中心に対して同心円状であり、外周のランドパターンより内側にあるランドパターンは原料ウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称となっているので、両頭研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得られる平均値成分の「中間リング」を、最小化することができ、デバイス製造工程における歩留まりを改善することができる。
また、本発明は、半導体ウェーハの両頭研削方法であって、原料ウェーハの両面に流体を供給して、その静圧により原料ウェーハの両面を上記の静圧パッドで非接触支持しながら、該原料ウェーハの両頭研削を行うことを特徴とする半導体ウェーハの両頭研削方法を提供する。
上記両頭研削方法を図１（ｂ）を参照して具体的に説明する。原料ウェーハＷ（スライス・ウェーハ）を、ガラスエポキシ製薄板（不図示）に穿ったウェーハとほぼ同径の孔に挿入し、本発明に係る左右２枚の概略ウェーハ径の金属製の厚板である静圧パッド３１、４１の間に、静圧パッドとウェーハの間隙ｈを有するようにウェーハを保持する。ここで用いる静圧パッドは、上記で説明したランドパターンを有するもので、その具体例としてはたとえば図１（ａ）を挙げることができる。図１（ａ）に示すように、静圧パッドは、その表面にランド２３（土手部分）とポケット２４（凹部）を有する。ポケット２４には流体が供給され、流体の静圧によってウェーハＷを回転自在に非接触保持する。図１（ａ）に示すように静圧パッドの一部は切り抜いてあり、ここに研削砥石１２、２２を挿入して、ウェーハＷおよび研削砥石１２、２２を回転させ、ウェーハＷを左右両面から同時に研削する。研削中、ウェーハＷは、例えばエッジ部分に駆動ローラを押し当てたり、ノッチ部にツメを引っかけて駆動することにより、数１０ｒｐｍで回転する。
このような両頭研削方法により研削したウェーハについて、Ｎａｎｏｍａｐｐｅｒ等の光学干渉式測定器を用いてナノトポグラフィを測定する。このデータを演算プログラムにより処理して、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値、すなわち８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を得る。得られた８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を、半径方向の各位置における８点で平均し、「平均値成分」を得る。
図７(ｂ)に示すように、従来は平均値成分は、ウェーハ中心からの距離によって両頭ヘソ、中央部凹凸、中間リング、最外周リング等に分けられる。前述のように、中央部凹凸および最外周リングについては、ウェーハを研削する砥石を調整することで最小化できることが判ったが、砥石の調整では中間リングを改善することができなかった。
しかし、本発明の両頭研削方法により両頭研削を行えば、例えば図３（ｃ）に示すように、両頭研削後のウェーハのナノトポグラフィを平均して得られる平均値成分の「中間リング」を、最小化することができ、デバイス製造工程における歩留まりを改善することができる。
以下、本発明を実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（比較例１）
試料ウェーハとしてＣＺ法で製造された直径３００ｍｍの単結晶シリコンウェーハを用いた。
半導体ウェーハ製造の両頭研削工程で用いる両頭研削装置において、図４（a）のランドパターンがウェーハの自転中心に対して同心円状となる従来の静圧パッド（同心円パターン）を用い、図２（a）に示すように、この静圧パッドにより原料ウェーハの両面を非接触支持しながら２枚のウェーハの両頭研削を行った。
両頭研削後のウェーハについて光学式の測定装置Ｎａｎｏｍａｐｐｅｒでナノトポグラフィの測定を行った。得られたナノトポグラフィのデータを演算プログラムにより処理して、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値、すなわち８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を得た。得られた８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を、半径方向の各位置における８点で平均し、図３（a）に示す「平均値成分」を得た。図３（a）では、「中間リング」「中央部凹凸」「最外周リング」が確認できた。
（比較例２）
上記で得た「中央部凹凸」「最外周リング」のＰＶ値を基にして、それらを最小化するように両頭研削装置の砥石のシフト調整およびチルト調整を行った。
さらに、静圧パッドを、ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンはウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンはウェーハの自転中心に対して非同心円状である静圧パッド（非同心円パターン、図４（ｂ））を用いた他は、比較例１と同条件で２枚のウェーハの両頭研削を行った。
両頭研削後のウェーハについて光学式の測定装置Ｎａｎｏｍａｐｐｅｒでナノトポグラフィの測定を行い、比較例１と同様にして、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値を平均して平均値成分を得た。得られた平均値成分を図３（ｂ）に示した。図３（ｂ）から、平均値成分の「最外周リング」が最小化されている一方で、「中間リング」「中央部凹凸」が残存していることがわかる。
このように、静圧パッドのランドパターンを非同心円パターンとするだけでは、「中間リング」を最小化することができないことがわかる。
（実施例１）
静圧パッドとして、ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンはウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンはウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ前記静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称である静圧パッド（非同心円かつ非対称パターン、図１（a））を用いた他は、比較例２と同条件で２枚のウェーハの両頭研削を行った。
両頭研削後のウェーハについて光学式の測定装置Ｎａｎｏｍａｐｐｅｒでナノトポグラフィの測定を行い、比較例１と同様にして、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値を平均して平均値成分を得た。得られた平均値成分を図３（ｃ）に示した。図３（ｃ）では図３（a）と比較して、平均値成分の「中間リング」「中央部凹凸」「最外周リング」が最小化され、ナノトポグラフィが改善されていることがわかる。
このように、静圧パッドのランドパターンを非同心円かつ非対称パターンとすることによって、「中間リング」「中央部凹凸」を最小化してナノトポグラフィを改善できることが確認できた。
また、静圧パッドのランドパターンを従来の同心円パターンから非同心円パターンとした方が、さらには非同心円かつ非対称パターンとした方がナノトポグラフィの「中間リング」を低減する効果が大きいことが判った。これはウェーハの自転中心に対して、ランドパターンの点対称の度合いが小さくなるほど、中間リングの強度が改善することを意味している。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
たとえば、ナノトポグラフィの測定は、光学干渉式の測定機以外に、静電容量式測定機やレーザ式センサで行ってもよい。また、本発明により製造されるウェーハは半導体シリコンウェーハに限られず、化合物半導体ウェーハであってもよい。
(ａ)は本発明に係る静圧パッドの一例であり、（ｂ）は本発明に係る両頭研削装置の概略図である。 (ａ)は従来の両頭研削の概略図であり、（ｂ）はウェーハと砥石の回転方向を示す概略図であり、（ｃ）は静圧パッドとウェーハの位置関係を示す概略図である。 (ａ) および（ｂ）は、従来の静圧パッドを用いて両頭研削したウェーハのナノトポグラフィ・マップおよび測定値であり、（ｃ）は本発明の静圧パッドを用いて両頭研削したウェーハのナノトポグラフィ・マップおよび測定値である。 （ａ）は従来の静圧パッドの一例であり、（ｂ）は従来の静圧パッドの別の例である。 (a)は濃淡でナノトポグラフィの強度を定性的に表すナノトポグラフィ・マップであり、(b) は４５°おきに測定した４断面（直径)上のナノトポグラフィの形状と定量的な強度を表すグラフである。 ナノトポグラフィ・マップとナノトポグラフィ断面形状の対応を説明する概略図である。 ナノトポグラフィ測定値から平均値成分を求めたグラフである。 (a)はシフト調整を説明する概略図であり、 (b)はチルト調整を説明する概略図である。 シフト調整およびチルト調整を行ってから両頭研削したウェーハのナノトポグラフィを平均した平均値成分を、ウェーハ１０枚分重ね書きしたグラフである。 ウェーハ面の８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を用いる場合の、半径方向の位置を示す概略図である。
１１…従来の左静圧パッド、 ２１…従来の右静圧パッド、
３１…本発明の左静圧パッド、 ４１…本発明の右静圧パッド、
１２…左砥石、 ２２…右砥石、 １３…従来の静圧パッドのランド、
１４…従来の静圧パッドのポケット、
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…本発明の静圧パッドの外周のランドより内側のランド、
２４…本発明の静圧パッドのポケット、 ２５…本発明の静圧パッドの外周のランド、
ｈ…静圧パッドとウェーハの間隙、 Ｗ…ウェーハ、
Ｏ…ウェーハの自転中心（パッドの中心）、 Ｏ’…研削砥石が挿入される孔の中心。

Claims (3)

  1. 半導体ウェーハの両頭研削装置において、原料ウェーハの両面に供給された流体の静圧により前記原料ウェーハをその両面で非接触支持する静圧パッドであって、該静圧パッドの原料ウェーハを支持する側の表面に形成されたポケットを囲む土手であるランドのパターンが、前記原料ウェーハを支持するために必要な外周のランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して同心円状であり、該外周のランドパターンより内側にあるランドパターンは前記原料ウェーハの自転中心に対して非同心円状で、かつ前記静圧パッドを二等分するすべての直線について非対称であることを特徴とする静圧パッド。
  2. 少なくとも、流体の静圧により原料ウェーハを支持し、該原料ウェーハの両面を同時に研削する半導体ウェーハの両頭研削装置であって、請求項１に記載の静圧パッドを具備することを特徴とする両頭研削装置。
  3. 半導体ウェーハの両頭研削方法であって、原料ウェーハの両面に流体を供給して、その静圧により原料ウェーハの両面を請求項１に記載の静圧パッドで非接触支持しながら、該原料ウェーハの両頭研削を行うことを特徴とする半導体ウェーハの両頭研削方法。
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