JP5807648B2 - 両面研磨装置用キャリア及びウェーハの両面研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、両面研磨装置において、ウェーハを保持するための両面研磨装置用キャリア及びウェーハの両面研磨方法に関する。

従来、ウェーハの両面を研磨する際、両面研磨装置用キャリアによってウェーハを保持し、該キャリアを両面研磨装置の上定盤と下定盤の間の所定位置に配設する。このキャリアはウェーハより薄い厚みに形成され、ウェーハを保持するための保持孔を備えている。研磨されるウェーハはこの保持孔内に挿入されて保持され、ウェーハの上下表面が上定盤と下定盤の対向面に設けられた研磨布等の研磨具で挟み込まれ、研磨面に研磨剤が供給されながら研磨される。

両面研磨時にキャリアはサンギア、インターナルギアにより駆動され、ウェーハの両表面と共にその上下の主表面も研磨される。両面研磨中にキャリアの破損を防ぐためには、強度に優れた材質のキャリアを使用する必要がある。
両面研磨されたウェーハの平坦度はキャリアの厚みとウェーハの仕上がり厚みの差に左右されるため、この差が所定の範囲内（例えば、０．５μｍ以下）になるような厚みを有するキャリアが用いられる。

しかし、上記のように、キャリアはウェーハの両面研磨中に研磨され、摩耗により厚みが減少するので、研磨を繰り返し行っていくと、規定のウェーハ仕上がり厚みの範囲内でキャリアの厚みとウェーハの仕上がり厚みの差を保てなくなり、要求されるウェーハの平坦度を満たすことができなくなる。例えば、仕上がり厚みを７７４〜７７８μｍで管理している場合、４μｍ摩耗したキャリアではこの差を保てない。このような厚みが減少し、要求されるウェーハの平坦度を満たすことができなくなったキャリアは廃棄処分されている。

従来のキャリアの材質は、強度の面から金属が使用されている。また、シリコンウェーハを研磨する場合には、周期律表の４Ａ族、５Ａ族に属する元素はシリコンウェーハを汚染する危険性が少ないため、チタン（Ｔｉ）が用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００６−２６７６０号公報 特開２００８−２３６１７号公報

キャリアの使用可能時間を延ばし、キャリアのコストを改善するためには、耐摩耗性に優れた材質のキャリアを使用する必要がある。しかし、従来のキャリアに用いられているチタンは強度に優れているが高価であり、耐摩耗性が低いためキャリア寿命が短い。そのため、キャリアのコストが問題となっている。
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、耐摩耗性に優れ、コストを低減可能な両面研磨用キャリアを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、両面研磨装置において、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアであって、該キャリアの上下の主表面部は、純チタンにβ安定化元素を０．５重量％以上含有させたβ型チタン合金で構成されたものであることを特徴とする両面研磨装置用キャリアが提供される。

このようなキャリアであれば、耐摩耗性に優れたものであるので、キャリア寿命が長く、コストを低減できる。

前記キャリアは、全体が前記β型チタン合金で構成されたものとすることができる。
このようなものであれば、強度にも優れたものとなると共に、高耐摩耗性をより長時間保って研磨できるものとなる。

或いは、前記キャリアは、金属母材の上下の主表面を前記β型チタン合金の被膜で覆うことで構成されたものとすることができる。
このようなものであれば、β型チタン合金の被膜によって高耐摩耗性を実現しつつ、キャリア自体のコストを低減できる。

また、前記金属母材は純チタン又は前記β型チタン合金からなるものであることが好ましい。
このようなものであれば、例えばシリコンウェーハの研磨時に、シリコンウェーハを汚染する恐れがない。また、特に、金属母材を純チタンとすれば、例えば既存の摩耗したキャリアにβ型チタン合金の被膜を形成することで再生させて再利用することができ、コストを更に低減できる。

また、本発明によれば、ウェーハを両面研磨する方法であって、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に上記本発明の両面研磨装置用キャリアを配設し、該両面研磨装置用キャリアに形成された保持孔にウェーハを保持して両面研磨することを特徴とするウェーハの両面研磨方法が提供される。

このような両面研磨方法であれば、耐摩耗性に優れた本発明のキャリアを用いることで、長時間に亘ってキャリアを交換することなく、要求された平坦度を満たすウェーハを得ることができる。そのため、コストを低減できる。

本発明の両面研磨装置用キャリアは、その上下の主表面部が純チタンにβ安定化元素を０．５重量％以上含有させたβ型チタン合金で構成されたものであるので、耐摩耗性に優れ、キャリア寿命が長い。このキャリアを用いてウェーハを両面研磨すれば、長時間に亘ってキャリアを交換することなく、要求された平坦度を満たすウェーハを得ることができる。そのため、ウェーハの製造コストを大幅に低減できる。

本発明の両面研磨装置用キャリアを具備する両面研磨装置の一例を示す概略断面図である。 図１に示す両面研磨装置の内部構造図である。 本発明の両面研磨装置用キャリアの一例を示す概略図である。 実施例、比較例におけるキャリアの摩耗レートの結果を示す図である。 実施例、比較例におけるウェーハのＧＢＩＲの結果を示す図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
まず、本発明の両面研磨装置用キャリアについて説明する。
本発明の両面研磨装置用キャリア（以降、単にキャリアと呼ぶ）は、例えば図１、２に示すような両面研磨装置２０において用いられるものである。図１、図２に示すように、両面研磨装置２０は、上下に相対向して設けられた上定盤６と下定盤７を備えており、各定盤６、７には、それぞれ研磨布８が貼付されている。上定盤６と下定盤７の間の中心部にはサンギヤ９が、周縁部にはインターナルギヤ１０が設けられている。本発明のキャリア１には、図２に示すように、ウェーハＷを保持するための保持孔５が形成されている。両面研磨時には、キャリア１はウェーハＷを保持孔５内に保持した状態で上定盤６と下定盤７の間に配設される。

また、サンギヤ９及びインターナルギヤ１０の各歯部にはキャリア１の外周歯が噛合しており、上定盤６及び下定盤７が不図示の駆動源によって回転されるのに伴い、キャリア１は自転しつつサンギヤ９の周りを公転する。このとき、キャリア１の保持孔５で保持されたウェーハＷは、上下の研磨布８により両面を同時に研磨される。ウェーハの研磨時には、不図示のノズルから研磨液がウェーハの研磨面に供給される。

この際、キャリア１の上下の主表面は研磨布８と接触するので、ウェーハの表面と共にキャリアの主表面も研磨され、徐々に摩耗していく。
そこで、本発明のキャリア１では、図３（Ａ）に示すように、その上主表面部２及び下主表面部３を純チタンにβ安定化元素を０．５重量％以上含有させたβ型チタン合金で構成する。このようなものであれば、耐摩耗性に優れたものとなるので、要求された平坦度を満たすウェーハに研磨可能な状態を長時間維持できる。すなわち、キャリア寿命が従来の例えば純チタン製のキャリアよりも長くなる。

本発明のキャリア１では、上記のように、上下の主表面部２、３が前記β型チタン合金で構成されていれば、主表面部以外の部分の材質は特に限定されない。従って、例えば図３（Ｂ）に示すように、キャリア１を、金属母材４の上下の主表面を前記β型チタン合金の被膜で覆うことで構成することができる。このときのβ型チタン合金の被覆は例えばスパッタリング法によって形成することができる。
このようなものであれば、前記β型チタン合金の被膜によって形成した上下の主表面部２、３によって高耐摩耗性を実現しつつ、主表面部以外の部分にコストの低いものを用いてキャリア自体のコストを低減できる。また、ウェーハの研磨を繰り返し行って摩耗したことで要求された平坦度を満たせなくなったキャリアに対し、前記β型チタン合金の被膜を形成して厚さを増加すれば、キャリアの再利用頻度を著しく向上できるのでコストを大幅に向上できる。

この場合、金属母材４を純チタンとすることができる。すなわち、既存の純チタン製のキャリアにβ型チタン合金の被膜を形成して再利用することで更にコストを削減できる。或いは、更に強度の高いものとするために金属母材４も前記β型チタン合金としても良い。いずれの場合でも、シリコンウェーハの研磨時に、シリコンウェーハを汚染する恐れがないため好ましい。

β安定化元素は特に限定されず、例えば、Ｖ、ＺＲ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉが挙げられる。希少金属ではなく安価であること、シリコンウェーハへの拡散係数が小さいことを考慮すると、β安定化元素はＦｅが好ましい。
また、β安定化元素の含有量は０．５重量％以上である。耐摩耗性の観点から、特に１．５重量％以上であることが好ましく、シリコンウェーハの汚染抑制の観点から、２．０重量％以下であることが好ましいが、０．５重量％以上であれば特にこれに限定されることはない。

図２に示すキャリア１は、それぞれ保持孔５を１つ有し、１枚のウェーハＷを保持するようになっているが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の保持孔５を有するものとすることもでき、各キャリア内に複数枚のウェーハＷを保持してもよい。
また、ウェーハの周縁部をキャリアによるダメージから保護するために、保持孔５の内周部に沿って樹脂製のインサート材を取り付けることもできる。

次に、本発明のウェーハの両面研磨方法について説明する。
本発明のウェーハの両面研磨方法では、上記した本発明のキャリアを用いる。
図１に示すように、まず、両面研磨装置２０の研磨布８がそれぞれ貼付された上下定盤６、７の間に本発明の少なくとも両主表面部が上記β型チタン合金からなるキャリア１を配設する。
次に、配設したキャリア１の保持孔５内にウェーハＷを挿入して保持する。

次に、上下定盤６、７にそれぞれ貼付された研磨布８でウェーハＷの上下表面を挟み込み、その研磨面に研磨剤を供給しながらウェーハの両面研磨を行う。このときの研磨条件は、従来と同様の条件とすることができる。
このようにして両面研磨すれば、耐摩耗性に優れた本発明のキャリアを用いることによって、長時間に亘ってキャリアを交換することなく、要求された平坦度を満たすウェーハを得ることができる。そのため、コストを削減できる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
図３（Ａ）に示すような本発明のキャリアを具備した、図１に示すような両面研磨装置を用いて、キャリアの摩耗レートを評価した。
純チタンにＦｅを含有させたβ型チタン合金で全体を構成した本発明のキャリアを作製した。ここで、β型チタン合金のＦｅ含有量を変化させたキャリアＡ（０．５重量％）、Ｂ（１．０重量％）、Ｃ（１．５重量％）、Ｄ（２．０重量％）をそれぞれ５つ作製した。また、キャリアの厚さを７７０μｍとし、保持孔の内周部に沿って樹脂製のインサート材を取り付けた。尚、Ｆｅの含有量は蛍光Ｘ線分析法を用いて測定した。

キャリアの摩耗レートの評価は、図２に示すように、同一Ｆｅ含有量のキャリア５つをウェーハを保持しない状態で両面研磨装置に配設し、ウェーハ研磨時と同様に両面研磨装置を運転し、時間当たりのキャリアの厚みの減少からキャリアの摩耗レートを算出した。
このときの研磨の条件として、
研磨布は発泡ウレタンタイプを使用、
研磨剤はコロダイルシリカを含有したアルカリ性溶液をリサイクルして使用、
キャリアにかかる面圧は２００ｇ／ｃｍ^２、
とした。

キャリアの厚みは、保持孔の周辺を全周にわたって４００点測定し、その測定した厚みの平均値を摩耗レートの算出に用いた。
摩耗レートの結果を表１及び図４に示す。表１及び図４に示すように、後述の比較例の結果と比べ、摩耗レートが大幅に低減されている。また、β型チタン合金中のＦｅ含有量の増加と共にキャリアの摩耗レートが減少し、Ｆｅ含有量１．５重量％以上（キャリアＣ、キャリアＤ）で摩耗レートの低下が飽和した。この飽和後の摩耗レートは０．０４μｍ／ｈとなった。

次に、厚みを７７１μｍとした以外、上記したキャリアＤ（Ｆｅ含有量２．０重量％）と同様のキャリアを用い、直径３００ｍｍのシリコンウェーハを両面研磨し、研磨後のウェーハの平坦度（ＧＢＩＲ：Ｇｌｏｂａｌ Ｂａｃｋ―Ｓｉｄｅ Ｉｄｅａｌ Ｒａｎｇｅ）を評価した。この際、ウェーハの仕上がり厚みが７７５μｍになるようにした。

研磨条件を以下のようにした。上記したキャリアの摩耗レートを評価した際に用いたものと同様の両面研磨装置、研磨剤を用い、１バッチで５枚のウェーハを研磨した。両面研磨するウェーハにかかる面圧を２００g/cm^２に設定した。
研磨後のウェーハのＧＢＩＲの測定には、平坦度測定器（黒田精工製 Ｎａｎｏｍｅｔｏｒｏ ３００ＴＴ）を使用した。このとき、ウェーハのＧＢＩＲは同一バッチで研磨した５枚のウェーハのＧＢＩＲの平均値より算出した。

ＧＢＩＲの結果を図５に示す。図５に示すように、実施例では、キャリアの使用時間が４５,０００分を超えたところでＧＢＩＲが悪化し始め、キャリアの使用時間５０,０００分まで使用した際のＧＢＩＲは０．２５μｍであり、この時のキャリアの厚みは７６７μｍであった。
一方、後述の比較例では、キャリアの使用時間が２０，０００分まで使用した際のウェーハの平坦度は０．３５μｍであった。

このように、実施例では、後述する比較例と比べ、ウェーハの平坦度の悪化をより長時間抑制できており、キャリアの寿命が長い。
更に、実施例において、５０,０００分間使用したキャリアの両主表面に対し、Ａｒスパッタリング法によりＦｅ含有量が２．０重量％のβ型チタン合金を被膜した。被膜したβ型チタン合金の厚さを上下主表面合わせて４μｍとし、被膜後のキャリア厚さは、研磨開始前と同じ７７１μｍにした。

この被膜後のキャリアを使用して、上記と同じ条件でウェーハの両面研磨を実施したところ、ウェーハのＧＢＩＲは０．１７μｍとなり、ＧＢＩＲの悪化が解消された。
この後、１５，０００分（使用開始から６５，０００分）使用してもウェーハ平坦度は悪化しなかった。

（比較例）
純チタンにＦｅを０．２重量％含有させたβ型チタン合金で全体を構成したキャリアを用いた以外、実施例と同様の条件でキャリアの摩耗レート及びウェーハの平坦度（ＧＢＩＲ）を評価した。
摩耗レートの結果を表１及び図４に示す。表１及び図４に示すように、摩耗レートは０．１３μｍ／ｈと、実施例と比べ悪化した。尚、従来の純チタン（β安定化元素を含有させないもの）のキャリアの摩耗レートは通常０．１４μｍ／ｈであるので、比較例は純チタン製キャリアに対する改善効果が低い。

ＧＢＩＲの結果を図５に示す。図５に示すように、キャリアの使用時間が１２，５００分を超えたところからＧＢＩＲが悪化し、キャリアの使用時間が２０，０００分まで使用した際のウェーハの平坦度は０．３５μmで、キャリアの厚みは７６５μmであった。このように、比較例では、実施例と比べより短時間で平坦度が悪化しており、キャリアの寿命が短い。

なお、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。

１…両面研磨装置用キャリア、 ２…上主表面部、 ３…下主表面部、
４…金属母材、 ５…保持孔、 ６…上定盤、 ７…下定盤、
８…研磨布、 ９…サンギア、 １０…インターナルギア、
２０…両面研磨装置。

Claims (5)

1. 両面研磨装置において、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアであって、
   該キャリアの上下の主表面部は、純チタンにβ安定化元素を０．５重量％以上含有させたβ型チタン合金で構成されたものであることを特徴とする両面研磨装置用キャリア。
2. 前記キャリアは、全体が前記β型チタン合金で構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置用キャリア。
3. 前記キャリアは、金属母材の上下の主表面を前記β型チタン合金の被膜で覆うことで構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置用キャリア。
4. 前記金属母材は純チタン又は前記β型チタン合金からなるものであることを特徴とする請求項３に記載の両面研磨装置用キャリア。
5. ウェーハを両面研磨する方法であって、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の両面研磨装置用キャリアを配設し、該両面研磨装置用キャリアに形成された保持孔にウェーハを保持して両面研磨することを特徴とするウェーハの両面研磨方法。

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