JP5450946B2 - 半導体ウェハの両面研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハの両面研磨方法に関する。

半導体ウェハは、ＣＺ法等により引き上げられたインゴットをワイヤソーで枚葉に切断し、ラッピング、エッチング等の種々の工程を経た後、研磨工程が行われる。この仕上研磨工程は、半導体ウェハ表面の平坦化を目的として行われる。
研磨工程では両面研磨が行われ、この研磨工程で用いられる両面研磨機は、複数の半導体ウェハを収納するキャリアと、このキャリアを挟む上定盤及び下定盤と、上定盤及び下定盤のそれぞれに設けられる研磨パッドとを備えて構成されている。
そして、両面研磨機では、上定盤及び下定盤が互いに異なる方向に回転し、キャリアは、この間で自転しつつ、上定盤及び下定盤の回転中心を中心に公転するように動作し、上定盤及び下定盤の間に研磨スラリを供給することにより、キャリア内の半導体ウェハは、上定盤側の研磨パッド、下定盤側の研磨パッドによって両面が同時に研磨される。

このような両面研磨機で用いられる研磨パッドは、従来、研磨工程終了後、半導体ウェハを取り出す際、研磨スラリの表面張力によって上定盤側に半導体ウェハが貼り付いてしまい、取り出しが困難な場合があるため、従来、研磨面に格子状の溝を付け、上定盤側への貼り付きを防止することが知られている。
また、研磨スラリーの分布、流れを制御するために、種々の特殊な溝形状を形成し、研磨効率の向上、研磨スラリーの浪費低減を狙った技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００６−１９２５６８号公報 特開２００６−２８９６０５号公報

しかしながら、従来の格子状の溝を有する研磨パッドで両面研磨を行う場合、パッド面と溝部で研磨速度が異なり、かつ定盤の回転方向と同じ方向の溝はウェハに作用する機会が多く影響を受け易いため、研磨後のウェハの平坦度、ナノトポロジ品質、ＥＲＯ（Edge Roll Off）が悪化することがある。
また、溝のパターンが半導体ウェハ表面に転写することがあり、やはり品質が悪化してしまうという問題がある。
このような課題は、前記特許文献１及び特許文献２に記載の技術においても全く検討されていない。

本発明の目的は、両面研磨機を用いて半導体ウェハの両面研磨を行う際に、表裏面双方の研磨面の平坦度を向上することができ、かつ、貼り付きを防止することのできる半導体ウェハの両面研磨方法を提供することにある。

本発明に係る半導体ウェハの両面研磨方法は、
複数の半導体ウェハを収納するキャリアと、前記キャリアを挟む上定盤及び下定盤と、上定盤及び下定盤のそれぞれに設けられる研磨パッドとを備えた両面研磨機により、前記半導体ウェハの表裏面を同時に研磨加工する半導体ウェハの両面研磨方法であって、
前記上定盤及び下定盤は互いに異なる方向に回転し、前記キャリアは前記上定盤及び下定盤の間で自転しつつ、前記上定盤及び下定盤の回転中心を中心に公転することにより両面研磨が行われ、
前記上定盤側の研磨パッドは、該研磨パッドの回転中心から放射状に延びる複数の溝が形成されたものを用い、
前記上定盤側の研磨パッドは、研磨パッドの半径方向途中位置で円周方向に沿った溝ピッチが異なっており、
前記上定盤側の研磨パッドにおける溝の角度ピッチが変化する境界位置は、前記キャリア内の半導体ウェハのうち、最外周及び最内周に位置する半導体ウェハが跨らない位置であり、
前記下定盤側の研磨パッドは、全く溝が形成されていないものを用いて両面研磨を行うことを特徴とする。

ここで、下定盤側の研磨パッドとしては、上定盤側の研磨パッドとはピッチの異なる放射状の溝が形成されたものを採用してもよいが、全く溝が形成されていない研磨パッドを採用するのが、研磨効率、品質の点で好ましい。
この発明によれば、研磨パッドの溝が常に回転方向に直交する方向から半導体ウェハに当たるため、半導体ウェハを均等に研磨することができ、半導体ウェハの平坦度を向上させることができる上、溝が形成されていることにより、上定盤側への貼り付きも防止できる。

以上において、例えば、半径方向内側の溝の角度ピッチに対して、半径方向外側の溝の角度ピッチが１／２とされているのが好ましい。
上定盤の内側と外側における溝の当たり度合い、例えば、単位時間当たりに半導体ウェハに溝が当たる回数を、上定盤の内側と外側で略同じにすることができるため、内側と外側で研磨の偏りが生じることを防止でき、研磨後の半導体ウェハの研磨面の平坦度を一層向上できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には本発明の実施形態に係る両面研磨機１が示され、この両面研磨機１は、上定盤１０、下定盤２０、インナーギア３０、アウターギア４０、及び複数のキャリア５０を備えて構成され、キャリア５０内には、複数の半導体ウェハＳが収納されている。
上定盤１０は、定盤本体１１と、この定盤本体１１を下定盤２０に対して接近離間させる昇降機構１２とを備えて構成される。

定盤本体１１は、略円坂状に形成され、図１では図示を略したが、その下面には半導体ウェハＳを研磨する際に半導体ウェハＳの面と当接する研磨パッドが設けられ、上面には、研磨時に研磨スラリーの供給や純水でリンスするための孔が複数穿設され、研磨スラリー、純水を上定盤１０及び下定盤２０の間に供給できるようになっている。
昇降機構１２は、定盤本体１１の略中央に設けられる軸部を有し、図示を略したが、上部に配置される門型フレームに設けられるモータによって、定盤本体１１を上下に昇降させる。

下定盤２０は、両面研磨機１の台座上に回転自在に設けられる円板状体であり、この下定盤２０の上定盤１０と対向する面には研磨パッド２１が設けられ、研磨する際にはこの研磨パッド２１が半導体ウェハＳの面と当接する。また、図１では図示を略したが、上定盤１０の下定盤２０と対向する面には、後述する研磨パッド２２が設けられている。
インナーギア３０は、下定盤２０の円板の略中心に、下定盤２０と独立して回転するように設けられ、その外周側面には、キャリア５０と噛合する歯３１が形成されている。
アウターギア４０は、下定盤２０を囲むリング状体から構成され、リングの内側面には、キャリア５０と噛合する歯４１が形成されている。

上定盤１０、下定盤２０、インナーギア３０、及びアウターギア４０の回転中心には、それぞれ駆動モータの回転軸が結合され、各駆動モータによってそれぞれが独立して回転するようになっている。
キャリア５０は、円板状体から構成され、その外周側面には前記のインナーギア３０及びアウターギア４０と噛合する歯５１が形成され、円板状体内部には、複数の孔５２が形成され、この孔５２内部に半導体ウェハＳが収納される。

このような両面研磨機１により、半導体ウェハＳを研磨する際には、まず、下定盤２０上にキャリア５０をセットし、孔５２内に半導体ウェハＳを収納した後、昇降機構１２により上定盤１０を下降させ、上定盤１０を下方向に所定の圧力で加圧した状態で、上定盤１０の定盤本体１１に形成された孔から研磨スラリーを供給した後、それぞれの駆動モータを駆動させることにより、両面研磨が行われる。研磨中、キャリア５０は、外周の歯５１がインナーギア３０及びアウターギア４０と噛合しているため、自転をしつつインナーギア３０の回りを公転するように動作し、研磨パッド２１及び研磨パッド２２全体で半導体ウェハＳの研磨が実施される。尚、半導体ウェハＳは、下側が表面研磨、上側が裏面研磨となるように配置され、下定盤２０に取り付けられる研磨パッド２１が半導体ウェハＳの表面研磨用、上定盤１０に取り付けられる研磨パッド２２が半導体ウェハＳの裏面研磨用となる。

図２には、前述した両面研磨機１の上定盤１０に設けられる上研磨パッド２２が示されている。この上研磨パッド２２は、半径Ｒ１の円形状に構成され、回転中心Ｏ１を中心として複数の溝２２１が放射状に形成され、図２では図示を略したが、角度ピッチθ１degで回転中心Ｏ１回りに３６０degに形成されている。また、研磨パッド２２の外周部分には、内側からＲ２の位置から外周縁に向かう複数の溝２２２が形成されている。本実施形態では、溝２２１の回転中心回りの角度ピッチθ１≒４degに設定されており、溝２２２はこの半分の角度ピッチθ２≒２degに設定されている。

溝２２２の内側端部位置Ｒ２は、図３に示されるように、両面研磨機１による研磨に際して、キャリア５０が回転しながら研磨が実施される際に、最も外側の半導体ウェハＳ１が溝２２２の端部に跨らない位置を、最も外側として設定することができ、最も内側の半導体ウェハＳ２が溝２２２の端部に跨らない位置を、最も内側として設定することができる。最外周及び最内周のウェハＳ１、Ｓ２は、上定盤１０の回転方向に直交する状態で研磨が実施されることとなり、最も溝２２１、２２２の影響を受け易くなっているからである。

次に、本発明の実施例について説明する。
■１．第１段階
まず、実施例１として、両面研磨機１の上定盤１０側の研磨パッド２２を図２に示されるような放射状の溝２２１、２２２が形成されたものとし、下定盤２０側の研磨パッド２１として溝のないものとして、両面研磨機１による研磨を行った。
比較例１としては、図４に示されるように、従来の格子状の溝２３１、２３２を有する研磨パッド２３を、上定盤１０及び下定盤２０のそれぞれに貼り付けて両面研磨機１による研磨を行った。尚、上定盤１０側の研磨パッド２３の格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝１５ｍｍ、下定盤２０側の研磨パッド２３の格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝４５ｍｍとした。

また、各研磨パッドは、不織布タイプの研磨パッド（使用時間：０分）を用い、研磨スラリーは、ＳｉＯ_２（シリカ）スラリーを用い、研磨加工面圧１００〜２００g／cm^２、温度３７〜３８℃で研磨を行った。
両面研磨機１による研磨の終了後、実施例１に係る半導体ウェハと、比較例１に係る半導体ウェハの上定盤１０側の研磨面（裏面）の状況をナノトポグラフィ測定装置で測定した。結果を表１、図５、図6に示す。尚、図５はナノトポグラフィー２mm□の測定結果であり、図６はナノトポグラフィー１０mm□の測定結果である。

表１、図５、及び図６から判るように、実施例１のナノトポグラフィは、２ｍｍ□、１０ｍｍ□共に、比較例１のナノトポグラフィよりも平均値が小さく、かつバラツキが少ないことが確認された。比較例１においては、裏面ナノトポグラフィのマップに線状のパターンが発生しており、この線状のパターンは、研磨パッド２３の格子状のパターンが転写されたものと推測される。一方、実施例１では、このような線状のパターンは発生しておらず、定盤回転方向に沿った溝を形成せずに、回転中心から放射状に溝２２１、２２２を有する研磨パッド２２を採用することにより、ナノトポグラフィが大幅に改善できることが確認された。

■２．第２段階
次に、上定盤１０側の研磨パッド２２と、下定盤２０側の研磨パッド２１との組合せを変更し、両面研磨機１による研磨を行った後、研磨後の半導体ウェハの裏面（上定盤１０側）、表面（下定盤２０側）のナノトポグラフィ測定を行った。
実施例２では、上定盤１０、下定盤２０のそれぞれの研磨パッド２２、２１に放射状の溝が形成されたものを用いている。この際の下定盤２０側の研磨パッド２１は、図２におけるθ１＝１８deg、θ２＝９degの研磨パッド、上定盤１０側の研磨パッド２２は、図２におけるθ１＝４deg、θ２＝２degの研磨パッドを採用した。
実施例３では、上定盤１０側の研磨パッド２２は、θ１＝４deg、θ２＝２degの研磨パッドを採用し、下定盤２０側の研磨パッド２１は、溝の形成されていないものを採用した。
比較例２では、上定盤１０側の研磨パッド２３の格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝１５ｍｍ、下定盤２０側の研磨パッド２３の格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝４５ｍｍとされた研磨パッドを採用した。研磨パッドの組合せを表２に示す。また、各研磨パッドは、不織布タイプの研磨パッド（使用時間：０分）を用い、研磨スラリーはＳｉＯ_２（シリカ）スラリーを用い、研磨加工面圧１００〜２００g／cm^２、温度３７〜３８℃で研磨を行った。

研磨終了後、ナノトポグラフィ測定装置により、半導体ウェハの表裏面のナノトポグラフィを測定し、パッドライフとナノトポグラフィとの相関を見た。結果を図７、図８に示す。尚、図７は、半導体ウェハの裏面側（上定盤１０側）のナノトポグラフィ測定結果であり、図８は、半導体ウェハの表面側（下定盤２０側）のナノトポグラフィ測定結果である。
図７から判るように、半導体ウェハの裏面側は、パッドライフが短い初期、すなわち、使用し始めのころから実施例２、実施例３では、良好なナノトポグラフィの測定値が得られ、明らかに比較例２と差があり、放射状の溝を形成した研磨パッド２２が従来の研磨パッド２３よりも有意であることが確認された。
一方、図８から判るように、格子状の溝を形成した研磨パッド２３よりも放射状の溝を形成した研磨パッド２２の方が有意であるが、さらに、溝無しパッドを用いるとより半導体ウェハの表面側のナノトポグラフィが良好となることが確認された。これらのことから、上定盤１０側には、放射状の溝が形成された研磨パッド２２を採用し、下定盤２０側には、溝のない研磨パッドを採用することが最もよいということが確認された。

■３．第３段階
最後に、半導体ウェハの表面側のナノトポグラフィ測定、及び半導体ウェハのＳＦＱＲ測定を行った。比較例３、比較例４、及び実施例４の研磨パッドの組合せを表３に示す。
比較例３については、半導体ウェハ裏面側（上定盤１０側）の研磨パッドの格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝１５ｍｍ、半導体ウェハ表面側（下定盤２０側）の研磨パッドの格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝４５ｍｍのものを採用した。
比較例４については、半導体ウェハ裏面側（上定盤１０側）の研磨パッドの格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝３０ｍｍ、半導体ウェハ表面側（下定盤２０側）の研磨パッドの格子のピッチは、Ｄ１＝Ｄ２＝３００ｍｍのものを採用した。
実施例４については、上定盤１０側の研磨パッド２２は、θ１＝４deg、θ２＝２degの研磨パッドを採用し、下定盤２０側の研磨パッド２１は、溝の形成されていないものを採用した。
また、各研磨パッドは、不織布タイプの研磨パッド（使用時間：０分）を用い、研磨スラリーは、ＳｉＯ_２（シリカ）スラリーを用い、研磨加工面圧１００〜２００g／cm^２、温度１５℃で研磨を行った。

両面研磨機１による研磨の終了後、実施例４、比較例３、比較例４に係る半導体ウェハの表面側（下定盤２０側）の研磨面の状況をナノトポグラフィ測定装置で測定した。また、同時に各半導体ウェハのＳＦＱＲ（Full Site）も測定した。結果を表４、及び図９、図１０に示す。尚、図９は半導体ウェハの表面側のナノトポグラフィ測定結果であり、図１０は半導体ウェハのＳＦＱＲ測定結果である。

まず、比較例３と比較例４とを比較すると、ナノトポグラフィ測定値及びＳＦＱＲ値は、溝の少ない比較例４の方が格段によくなっており、溝の本数を減らすことにより、ナノトポグラフィ、ＳＦＱＲ共に向上することが確認された。
比較例４と実施例４とを比較すると、半導体ウェハ表面のナノトポグラフィ測定値は大きく差は出ていないが、ＳＦＱＲ値は、実施例４の方が大きく改善されていることが確認された。
従って、上定盤１０側の研磨パッドに放射状の溝を形成し、下定盤２０側の研磨パッドに溝を形成しないようにすることにより、半導体ウェハの表裏面のナノトポグラフィ測定値が改善される上、半導体ウェハのＳＦＱＲも大幅に改善されることが確認された。

本発明の実施形態に係る両面研磨機を示す概要斜視図。 前記実施形態における上定盤側研磨パッドの構造を表す模式図。 前記実施形態における上定盤側研磨パッドの溝の形成方法を説明するための模式図。 従来の研磨パッドの構造を表す模式図。 実施例１、比較例１のナノトポグラフィの測定結果を表すグラフ。 実施例１、比較例１のナノトポグラフィの測定結果を表すグラフ。 実施例２、実施例３、及び比較例２のパッドライフとナノトポグラフィ測定結果の関係を表すグラフ。 実施例２、実施例３、及び比較例２のパッドライフとナノトポグラフィ測定結果の関係を表すグラフ。 実施例４、比較例３、及び比較例４のナノトポグラフィの測定結果を表すグラフ。 実施例４、比較例３、及び比較例４のＳＦＱＲの測定結果を表すグラフ。

符号の説明

１…両面研磨機、１０…上定盤、１１…定盤本体、１２…昇降機構、２０…下定盤、２１、２２、２３…研磨パッド、３０…インナーギア、３１…歯、４０…アウターギア、４１…歯、５０…キャリア、５１…歯、５２…孔、２２１…溝、２２２…溝２３１…溝、Ｏ１…回転中心、Ｒ１…半径、Ｒ２…内側端部位置、Ｓ、Ｓ１、Ｓ２…半導体ウェハ、θ１、θ２…角度ピッチ、Ｄ１、Ｄ２…格子ピッチ

Claims (2)

1. 複数の半導体ウェハを収納するキャリアと、前記キャリアを挟む上定盤及び下定盤と、前記上定盤及び下定盤のそれぞれに設けられる研磨パッドとを備えた両面研磨機により、前記半導体ウェハの表裏面を同時に研磨加工する半導体ウェハの両面研磨方法であって、
   前記上定盤及び下定盤は互いに異なる方向に回転し、前記キャリアは前記上定盤及び下定盤の間で自転しつつ、前記上定盤及び下定盤の回転中心を中心に公転することにより両面研磨が行われ、
   前記上定盤側の研磨パッドは、該研磨パッドの回転中心から放射状に延びる複数の溝が形成されたパターンのものを用い、
   前記上定盤側の研磨パッドは、研磨パッドの半径方向途中位置で円周方向に沿った溝ピッチが異なっており、
   前記上定盤側の研磨パッドにおける溝の角度ピッチが変化する境界位置は、前記キャリア内の半導体ウェハのうち、最外周及び最内周に位置する半導体ウェハが跨らない位置であり、
   前記下定盤側の研磨パッドは、全く溝が形成されていないものを用いて両面研磨を行うことを特徴とする半導体ウェハの両面研磨方法。
2. 請求項１に記載の半導体ウェハの両面研磨方法において、
   前記上定盤側の研磨パッドの溝ピッチは、半径方向内側の溝の角度ピッチに対して、半径方向外側の溝の角度ピッチが１／２であることを特徴とする半導体ウェハの両面研磨方法。

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