JP5019203B2

JP5019203B2 - 半導体ウェハの研磨方法及び半導体ウェハの研磨装置

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Publication number: JP5019203B2
Application number: JP2006308250A
Authority: JP
Inventors: 壮男窪田; 厚重田; 大福島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: US20080113590A1; JP2008124338A

Description

本発明は、半導体ウェハの研磨方法及び半導体ウェハの研磨装置に関する。

半導体装置の微細化に伴い、半導体ウェハの周縁部の研磨が重要となってきている（例えば、特許文献１参照）。通常は、ウェハを円周方向に回転させながら、研磨テープ等の研磨部材をウェハの周縁部の研磨対象面に押し付けて研磨を行う。

しかしながら、ウェハの周縁部は曲率を有しているため、均等な圧力で研磨部材を研磨対象面に押し付けることは難しい。すなわち、研磨領域の中央部では相対的に圧力は高くなるが、研磨領域の両端部では相対的に圧力が低くなる。そのため、研磨領域の中央部と両端部では、大きな圧力差が生じてしまう。

このように、従来は、研磨部材を半導体ウェハの周縁部の研磨対象面に押し付ける際に、広い領域を均等化された圧力で押圧することが困難であった。そのため、半導体ウェハの周縁部の広い領域に効果的に圧力を加えて研磨を行うことが困難であった。
特開２００５−７５１８号公報

本発明は、半導体ウェハの周縁部の広い領域に効果的に圧力を加えて研磨を行うことが可能な半導体ウェハの研磨方法及び半導体ウェハの研磨装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の視点に係る半導体ウェハの研磨方法は、周縁部に研磨対象面を有する半導体ウェハを円周方向に回転させながら、複数の押圧部により前記半導体ウェハの円周に沿って研磨部材を前記研磨対象面に押し付けて、前記研磨対象面を研磨するものである。

本発明の第２の視点に係る半導体ウェハの研磨装置は、半導体ウェハを円周方向に回転させる回転ユニットと、前記回転ユニットによって回転している半導体ウェハの周縁部の研磨対象面を研磨するために、研磨部材を前記研磨対象面に押し付ける押圧ユニットと、を備え、前記押圧ユニットは、前記半導体ウェハの円周に沿って前記研磨部材を前記研磨対象面に押し付ける複数の押圧部を有する。

本発明によれば、半導体ウェハの周縁部の広い領域に効果的に圧力を加えて研磨を行うことができ、研磨効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体ウェハの研磨装置の概略構成を模式的に示した図である。図１は半導体ウェハの主面に平行な方向から見た図であり、図２は半導体ウェハの主面に垂直な方向から見た図である。

本研磨装置は、半導体ウェハ１０を円周方向に回転させる回転ユニット２０と、回転ユニット２０によって回転している半導体ウェハ１０の周縁部１１の研磨対象面を研磨するために、研磨テープ（研磨部材）４１を研磨対象面に押し付ける押圧ユニット３０とを備えている。また、本研磨装置は、研磨テープ４１を移動させるためのテープ移動ユニット５０を備えており、テープ移動ユニット５０はテープ供給リール５１及びテープ回収リール５２によって構成されている。

回転ユニット２０は、半導体ウェハ１０を吸着して保持する保持部２１と、保持部２１を回転させるための回転軸２２とを有している。保持部２１に保持された半導体ウェハ１０を回転軸２２を中心として回転させることにより、半導体ウェハ１０の周縁部１１の研磨対象面を研磨テープ４１によって研磨することが可能である。

押圧ユニット３０は、シリコーンゴムで形成された弾性部材３１と、複数の押圧部となる複数の押圧ヘッド（変位部）３２と、押圧ヘッド３２を変位させるための複数のシャフト３３と、シャフト３３を保持する複数のシリンダー３４と、押圧ヘッド３２の変位を制御するためのコントローラ３５とを有している。押圧ヘッド３２を変位させることで、弾性部材３１及び研磨テープ４１が変形する。その結果、半導体ウェハ１０の円周に沿って研磨テープ４１を半導体ウェハ１０の周縁部１１の研磨対象面に押し付けることができる。各押圧ヘッド３２の変位は、コントローラ３５によって互いに独立に制御することが可能である。

図３は、押圧ユニット３０によって研磨テープ４１を半導体ウェハ１０の研磨対象面に押し付けているときの、研磨対象面に印加される圧力の円周方向での分布を示した図である。本実施形態では、押圧ユニット３０が３つの押圧ヘッド３２を有しているため、圧力分布は、押圧ヘッド３２の変位に対応した３つのピークを有している。すなわち、複数の押圧部（押圧ヘッド３２）の押圧力によって、圧力分布に複数のピークを持たせることができる。このように、本実施形態では、圧力分布のピークを分散させることができるため、広い領域にわたってほぼ均等化された圧力で、研磨テープ４１を半導体ウェハ１０の周縁部１１の研磨対象面に押し付けることが可能である。したがって、研磨対象面の広い領域に効果的に圧力を加えて研磨を行うことができるため、研磨効率を向上させることができ、研磨時間を短縮することが可能である。

また、本実施形態では、各押圧ヘッド３２の変位を独立に制御することが可能である。そのため、各押圧ヘッド３２の変位量を的確に制御することにより、圧力分布を最適化することができる。例えば、圧力分布の複数のピークの高さ（圧力の大きさ）を同等にすることができる。したがって、上述した効果をより一層高めることが可能である。

図４は、半導体ウェハ１０の研磨対象面と研磨テープ４１との位置関係を模式的に示した図である。図４（ａ）は半導体ウェハ１０の周縁部１１の終端面（研磨対象面）１２を研磨するときの研磨テープ４１の位置を示した図であり、図４（ｂ）は半導体ウェハ１０の周縁部１１の斜面（研磨対象面）１３を研磨するときの研磨テープ４１の位置を示した図である。

終端面１２の曲率半径は、斜面１３の曲率半径よりも小さい。そのため、従来の研磨装置で研磨を行うと、終端面１２の研磨領域幅は斜面１３の研磨領域幅よりも狭くなってしまう。したがって、終端面１２を研磨するときには、研磨テープ４１の幅方向で、研磨に使用されない領域が相対的に増大してしまう。その結果、研磨テープ４１の使用量が必然的に増大し、研磨コストの上昇を招くことになる。

本実施形態では、上述したように、押圧ユニット３０が複数の押圧ヘッド３２を有しているため、終端面１２を研磨するときにも、広い領域にわたって研磨テープ４１を終端面１２に押し付けることが可能である。したがって、研磨に使用される領域の幅を増大させることができ、研磨テープ４１の使用量を低減することが可能である。

次に、本実施形態の動作を説明する。

まず、図１に示すように、半導体ウェハ１０を回転ユニット２０の保持部２１にセットする。そして、半導体ウェハ１０を円周方向に回転させるとともに、複数の押圧ヘッド３２により研磨テープ４１を半導体ウェハ１０の周縁部１１の研磨対象面に押し付けて、研磨対象面を研磨する。また、テープ供給リール５１からテープ回収リール５２に研磨テープ４１を送りながら研磨を行う。本研磨により、半導体ウェハ１０の終端面１２や斜面１３に付着した膜（例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜）を除去することが可能である。

半導体ウェハ１０の回転速度は、例えば５００ｒｐｍとする。また、研磨テープ４１には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基材（例えば、幅７０ｍｍ、厚さ５０μｍ）上にバインダーによってダイヤモンド砥粒を固着したものを用いる。研磨テープ４１の送り速度は、例えば５０ｍｍ／ｍｉｎとする。

終端面及び斜面の研磨順序は特に限定されないが、例えば、上側斜面、終端面、下側斜面といった順序で研磨を行う。各面を研磨する際には、各面の曲率に応じて各押圧ヘッド３２の変位量を的確に制御し、研磨テープ４１の幅方向で最適な圧力が印加されるようにする。これにより、終端面及び斜面ともに、広い領域にわたって最適化された圧力で研磨を行うことが可能である。

以上のように、本実施形態によれば、押圧ユニットが複数の押圧部を有しているため、半導体ウェハの円周方向の圧力分布に複数のピークを持たせることができる。このように、圧力分布のピークを分散させることができるため、広い領域にわたってほぼ均等化された圧力を加えることができる。したがって、半導体ウェハの周縁部の広い領域に効果的に圧力を加えて研磨を行うことができるため、研磨効率を向上させることができ、研磨時間を短縮することが可能である。さらに、研磨テープの使用領域幅を増大させることができ、研磨テープの使用量を低減することができる。しかも、複数の押圧部の変位を独立に制御しているので、互いに曲率の異なる半導体ウェハの周縁部の各面に対し、個別に圧力分布を最適化した上で、圧力を印加することが可能となる。

なお、本実施形態では、研磨部材として研磨テープを用いたが、後述する第３の実施形態で示すような固定砥粒パッドを研磨部材として用いてもよい。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、研磨装置の基本的な構成及び基本的な研磨方法は第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態で説明した事項については説明を省略する。

図５は、本実施形態に係る研磨装置の概略構成を模式的に示した図である。

本実施形態では、押圧ユニット３０の構成が第１の実施形態とは異なっている。本実施形態の押圧ユニット３０では、弾性部材３１がベース部３１ａ及び複数の凸状部３１ｂによって構成されており、複数の凸状部３１ｂが複数の押圧部として機能する。また、第１の実施形態では、押圧ヘッド３２、シャフト３３及びシリンダー３４をそれぞれ複数設けていたが、本実施形態では、押圧ヘッド３２、シャフト３３及びシリンダー３４はいずれも１つである。

このように、本実施形態では、押圧ヘッド３２と研磨テープ（研磨部材）４１との間に複数の凸状部３１ｂが介在している。したがって、押圧ヘッド３２を変位させることで凸状部３１ｂが押圧され、凸状部３１ｂからの押圧力により、研磨テープ４１を半導体ウェハ１０の周縁部１１の研磨対象面に押し付けることができる。

研磨テープ４１を半導体ウェハ１０の周縁部に押し付けたとき、中央の凸状部３１ｂの変位量よりも両側の凸状部３１ｂの変位量の方が大きくなる。したがって、押圧ヘッド３２によって３つの凸状部３１ｂ全てを的確に押圧できるようにするため、両側の凸状部３１ｂの高さを中央の凸状部３１ｂの高さよりも高くすることが望ましい。或いは、両側の凸状部３１ｂの大きさを中央の凸状部３１ｂの大きさよりも大きくするか、両側の凸状部３１ｂの硬度を中央の凸状部３１ｂの硬度よりも大きくすることが望ましい。また、第１の実施形態で述べたように、半導体ウェハ１０の終端面と斜面とでは曲率半径が異なる。したがって、曲率半径によらず３つの凸状部３１ｂ全てを押圧ヘッド３２によって的確に押圧できるようにするため、凸状部３１ｂの先端部はラウンドしていることが望ましい。

上記のように、本実施形態では、押圧ユニット３０が３つの凸状部３１ｂを有しているため、圧力分布は、凸状部３１ｂに対応した３つのピークを有している。すなわち、複数の押圧部（凸状部３１ｂ）の押圧力によって、半導体ウェハ１０の円周方向の圧力分布に複数のピークを持たせることができる。そのため、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、圧力分布のピークを分散させることができるため、広い領域にわたってほぼ均等化された圧力で、研磨テープ４１を半導体ウェハ１０の周縁部１１に押し付けることが可能である。したがって、半導体ウェハ１０の終端面及び斜面ともに、広い領域に効果的に圧力を加えて研磨を行うことができる。また、複数の凸状部３１ｂの高さや大きさ、或いは硬度を調整することで圧力分布を最適化することができ、その結果、第１の実施形態と同様、研磨効率を向上させることができ、研磨時間を短縮することが可能である。さらに、第１の実施形態と同様、研磨テープの使用領域幅を増大させることができ、研磨テープの使用量を低減することができる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、研磨装置の基本的な構成及び基本的な研磨方法は第１の実施形態と類似しているため、第１の実施形態で説明した事項については説明を省略する。

図６は、本実施形態に係る研磨装置の概略構成を模式的に示した図である。

本実施形態では、押圧ユニット３０の構成が第１の実施形態とは異なっている。本実施形態の押圧ユニット３０は、メンブレンで形成され且つ複数の押圧部として機能する複数の中空部（変位部）３６と、中空部３６に接続された複数の管３７と、中空部３６内に管３７を通して空気等のガスを供給するガス供給部３８と、中空部３６の変位を制御するコントローラ３５とを有している。各中空部３６の内圧は、コントローラ３５によって互いに独立に制御することが可能である。

また、本実施形態では、研磨部材として固定砥粒パッド４２を用いている。固定砥粒パッド４２は、研磨テープのように移動するものではなく、予め決められた位置に固定されている。この固定砥粒パッド４２は、例えば、弾力性のある樹脂にセリア砥粒を埋め込んだもので形成されている。

本実施形態では、中空部３６内へのガス供給量を制御することで、各中空部３６の変位が制御される。その結果、固定砥粒パッド４２が変形し、固定砥粒パッド４２を半導体ウェハ１０の周縁部に押し付けることができる。

また、本実施形態では、各中空部３６の内圧を独立に制御することが可能である。そのため、各中空部３６の内圧を的確に制御することにより、各中空部３６の変位量を的確に制御することができ、圧力分布を最適化することができる。なお、半導体ウェハ１０の周縁部に沿うように固定砥粒パッド４２を変形させるためには、固定砥粒パッド４２の中央部よりも周辺部の方に相対的に大きな力を加える必要がある。したがって、中央部の中空部３６から周辺部の中空部３６に向かって、中空部３６の内圧を高くしていくことが望ましい。

上記のように、本実施形態では、押圧ユニット３０が複数の中空部３６を有しているため、複数の押圧部（中空部３６）の押圧力によって、半導体ウェハ１０の円周方向の圧力分布に複数のピークを持たせることができる。そのため、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、圧力分布のピークを分散させることができ、広い領域にわたってほぼ均等化された圧力で、固定砥粒パッド４２を半導体ウェハ１０の周縁部１１の研磨対象面に押し付けることが可能である。また、各中空部３６の内圧を独立に制御しているので、互いに曲率の異なる半導体ウェハ１０の周縁部１１の各面に対し、個別に圧力分布を最適化した上で、圧力を印加することが可能となる。したがって、第１の実施形態と同様に、半導体ウェハ１０の終端面及び斜面ともに、広い領域に効果的に圧力を加えて研磨を行うことができる。その結果、第１の実施形態と同様、研磨効率を向上させることができ、研磨時間を短縮することが可能である。

なお、本実施形態では、研磨部材として固定砥粒パッドを用いたが、第１及び第２の実施形態と同様に、研磨部材として研磨テープを用いてもよい。

（実施形態４）
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。なお、研磨装置の基本的な構成及び基本的な研磨方法は第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態で説明した事項については説明を省略する。

図７は、本実施形態の研磨方法を説明するための図である。

本実施形態では、研磨テープ（研磨部材）４１の研磨領域を半導体ウェハ１０の円周方向に移動させながら、半導体ウェハ１０の周縁部の研磨対象面を研磨する。例えば、図７に示すように、研磨ヘッド６０を半導体ウェハ１０の円周方向に徐々に移動させながら研磨を行う。なお、例えば第１の実施形態の研磨装置では、弾性部材３１、押圧ヘッド３２、シャフト３３及びシリンダー３４が概ね研磨ヘッド６０に対応する。研磨ヘッド６０の移動角度θ（移動中心からの最大移動角度）は例えば３°程度とし、移動速度は０．３°／秒程度とする。このように、研磨ヘッド６０を半導体ウェハ１０の円周方向に移動させるため、研磨テープ４１の研磨ヘッド６０によって押圧される領域が移動し、研磨テープ４１の研磨領域（研磨に使用される領域の範囲）が移動する。

図８は、研磨テープ４１の研磨領域４５を示した図である。研磨テープ４１の移動方向（テープ送り方向）に対して垂直な方向に研磨ヘッド６０が移動するため、研磨領域４５は斜め方向に移動する。

第１の実施形態でも述べたように、一般に半導体ウェハ１０の終端面の研磨領域幅は斜面の研磨領域幅よりも狭くなる。したがって、終端面を研磨するときには斜面を研磨するときよりも、研磨ヘッド６０の移動角度θを大きくすることが望ましい。これにより、終端面を研磨するときにも、研磨テープ４１の幅方向で有効に研磨テープ４１を使用することができる。したがって、終端面を研磨するときにも、広い領域にわたって研磨テープ４１を使用することができ、研磨テープ４１の使用量を低減することが可能である。

なお、研磨ヘッド６０を揺動させながら研磨を行うようにしてもよい。例えば、半導体ウェハ１０の終端面を研磨するときには、移動角度（揺動角度）θを３°程度、揺動速度を１００ｒｐｍ程度とし、半導体ウェハ１０の斜面を研磨するときには、移動角度（揺動角度）θを０．５°程度、揺動速度を１５０ｒｐｍ程度とする。この場合にも、広い領域にわたって研磨テープ４１を使用することができ、研磨テープ４１の使用量を低減することが可能である。

また、研磨テープの代わりに、第３の実施形態で示したような固定砥粒パッドを用いるようにしてもよい。この場合には、固定砥粒パッドを半導体ウェハ１０の円周方向に往復移動させるとともに、半導体ウェハ１０の円周方向に対して垂直な方向に固定砥粒パッドを移動させる。その結果、図９に示すように、固定砥粒パッド４２の研磨領域（研磨に使用される領域の範囲）４５はジグザグに移動する。したがって、広い領域にわたって固定砥粒パッド４２を使用することができる。

なお、本実施形態で示した方法は、第１〜第３の実施形態で述べた研磨装置及び研磨方法に適宜適用可能である。したがって、本実施形態でも第１〜第３の実施形態で述べた基本的な効果と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、研磨部材の研磨領域を半導体ウェハの円周方向に移動させながら研磨を行うため、広い領域にわたって研磨部材を使用することができる。また、研磨ヘッドや研磨部材を揺動させた場合、第１〜第３の実施形態で述べた圧力分布のピーク位置が揺動に伴って移動するため、圧力分布のピーク位置を時間的に平均化することができる。したがって、研磨部材の特定箇所に圧力が集中することを防止することができ、研磨部材に加わる圧力を平均化することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態に係る半導体ウェハの研磨装置の概略構成を模式的に示した図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体ウェハの研磨装置の概略構成を模式的に示した図である。本発明の第１の実施形態に係り、研磨対象面に印加される圧力の分布を示した図である。本発明の第１の実施形態に係り、研磨対象面と研磨テープとの位置関係を模式的に示した図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体ウェハの研磨装置の概略構成を模式的に示した図である。本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェハの研磨装置の概略構成を模式的に示した図である。本発明の第４の実施形態に係る半導体ウェハの研磨方法を説明するための図である。本発明の第４の実施形態に係り、研磨領域を示した図である。本発明の第４の実施形態に係り、研磨領域を示した図である。

符号の説明

１０…半導体ウェハ１１…半導体ウェハの周縁部
１２…終端面（研磨対象面）１３…斜面（研磨対象面）
２０…回転ユニット２１…保持部２２…回転軸
３０…押圧ユニット３１…弾性部材
３１ａ…ベース部３１ｂ…凸状部
３２…押圧ヘッド（押圧部）３３…シャフト
３４…シリンダー３５…コントローラ
３６…中空部（押圧部）３７…管３８…ガス供給部
４１…研磨テープ（研磨部材）４２…固定砥粒パッド（研磨部材）
４５…研磨領域
５０…テープ移動ユニット５１…テープ供給リール
５２…テープ回収リール
６０…研磨ヘッド

Claims

周縁部に研磨対象面を有する半導体ウェハを円周方向に回転させながら、複数の押圧部により前記半導体ウェハの円周に沿って研磨部材を前記研磨対象面に押し付け、前記半導体ウェハの円周に沿って前記研磨部材を変形させて、前記研磨対象面を研磨することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
前記複数の押圧部は、独立に制御可能な複数の変位部で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの研磨方法。
前記複数の押圧部は、複数の凸状部で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの研磨方法。
前記研磨部材の研磨領域を前記半導体ウェハの円周方向に移動させながら、前記研磨対象面を研磨する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの研磨方法。
前記押圧部は、弾性部材を介して前記研磨部材を前記研磨対象面に押し付ける
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの研磨方法。
半導体ウェハを円周方向に回転させる回転ユニットと、
前記回転ユニットによって回転している半導体ウェハの周縁部の研磨対象面を研磨するために、研磨部材を前記研磨対象面に押し付ける押圧ユニットと、
を備え、
前記押圧ユニットは、前記半導体ウェハの円周に沿って前記研磨部材を前記研磨対象面に押し付け、前記半導体ウェハの円周に沿って前記研磨部材を変形させる複数の押圧部を有する
ことを特徴とする半導体ウェハの研磨装置。
前記押圧部は、弾性部材を介して前記研磨部材を前記研磨対象面に押し付ける
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体ウェハの研磨装置。