JP5826306B2 - 半導体ウエハの同時両面研磨用の研磨パッドを調節する方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨パッドで覆われた２つの環状の研磨板とキャリアディスクのための回転装置とを有し、研磨板および回転装置が共線状に配置された軸を中心に回転可能に搭載された両面研磨装置において、半導体ウエハの同時両面研磨用の研磨パッドを調節する方法に関する。

特に単結晶シリコンからなる半導体ウエハは、電子部品を製造するための基本材として必要とされる。このような部品の製造者は、半導体ウエハが可能な限り平坦かつ平行平面である表面を有することを求めている。この要件を満たすために、面の平坦性および平行平面性を向上させて粗度を減少させる一連の処理工程が半導体ウエハに施される。この処理の範囲において、通常は１つ以上の研磨工程が行われる。

サスペンション（またはスラリーとも呼ばれる）の形態の研磨剤を用いて半導体ウエハの両方の表面（前面および後面）が同時に研磨される両面研磨（ＤＳＰ）が特に適している。両面研磨時において、半導体ウエハは、さらなる半導体ウエハとともに下方研磨パッドと上方研磨パッドとの間の間隙に置かれる。この間隙は、加工間隙と呼ばれる。研磨パッドの各々は、対応する下方研磨板または上方研磨板を覆う。両面研磨時において、半導体ウエハは、半導体ウエハをガイドおよび保護するキャリアディスクの凹部に位置する。キャリアディスクは、外側が歯状のディスクであり、研磨装置の内側および外側の歯車もしくはピンギアの間に配置される。歯車もしくはピンギアは、以下では駆動ギアという。研磨処理時において、内側駆動ギアの回転または内側および外側駆動ギアの回転により、キャリアディスクはそれらの軸を中心に回転すると同時に、研磨装置の軸回りを旋回動作する。さらに、通常は研磨板もそれらの軸を中心に回転する。両面研磨に関しては、半導体ウエハの面の一点が対応する研磨パッド上でサイクロイド軌道を描くいわゆる遊星運動の特徴がこれによってもたらされる。

半導体ウエハの両面研磨の１つの主な目的は、全体的および局所的な形状を向上させることにある。この場合、可能な限り平坦な半導体ウエハは、経済的な処理においてエッジロールオフのない状態で製造されることが意図される。これは、研磨処理における様々な処理パラメータの相互作用によって実現することができる。１つの重要なパラメータは、上方研磨パッドと下方研磨パッドとの間の研磨間隙である。これに関連し、研磨パッド表面の調節は、研磨処理のための重要な役割を果たす。調節時において、一方では研磨パッドの表面が手入れ（目直し）され、他方では研磨パッド表面を所望の形状（一般的には、可能な限り平坦な形状）とするために材料がわずかに研削される（形直し）。

通常、この場合において研磨パッドは、研磨パッドに向けられた表面がたとえばダイヤモンドなどの研削粒子でコーティングされた調節ディスクを用いて処理が施される。調節ディスクは外側歯を有し、これによってキャリアディスクのように下方研磨パッド上に調節ディスクを置くことができ、外側歯は内側および外側駆動ギアと係合する。上方研磨板は調節ディスク上に置かれ、これによって調節ディスクが上方研磨パッドと下方研磨パッドとの間の加工間隙に位置することとなる。調節時において、研磨時と同様の運動が使用される。このため、調節ディスクは、調節処理時において、加工間隙内で遊星運動を伴って動き、上方研磨パッドもしくは下方研磨パッドまたは両方の研磨パッドが、一面もしくは両面を研削材でコーティングされた調節ディスクが使用されているか否かに応じて処理される。

この標準的な方法を用いて、平行平面の加工間隙を実現することができる。さらに、研磨パッド表面上の凹凸を除去することができる。研磨された半導体ウエハの最適な形状は、可能な限り平行平面である加工間隙によって実現することができると推定されてきた。

米国特許出願公開第２０１２／００２８５４７号Ａ１は、凸面または凹面を有する調節ツールを使用することによって対応する凸面形状または凹面形状が得られる可能性について開示している。調節ツールは、研磨される半導体ウエハと同様に、キャリアディスクの凹部に置かれる。この方法により、研磨パッド表面の形状は、研磨された半導体ウエハの形状が向上するように調節することができる。たとえば、研磨された半導体ウエハにおける目立った両凹構成が凹面の研磨パッド表面（すなわち、研磨板の内側縁部および外側縁部において研磨間隙の幅が小さく、研磨板の径方向中心において間隙が大きい）によって防ぐことができると示されている。

米国特許出願公開第２０１２／００２８５４７号Ａ１

しかしながら、研磨された半導体ウエハの形状に関して増加する要求を満たすにはこの方法でさえ十分でないことが分かった。

このため、目的は研磨された半導体ウエハの形状をさらに向上させることにある。
目的は、環状の下方研磨板と、環状の上方研磨板と、キャリアディスクのための回転装置とを有し、下方研磨板、上方研磨板、および回転装置が共線状に配置された軸を中心に回転可能に搭載され、下方研磨板が第１の研磨パッドによって覆われ、上方研磨板が第２の研磨パッドによって覆われる両面研磨装置において、半導体ウエハの同時両面研磨用のの研磨パッドを調整する方法によって実現され、外側歯を有する少なくとも１つの調節ツールおよび外側歯を有する少なくとも１つのスペーサが、第１の研磨パッドと第２の研磨パッドとの間に形成された加工間隙において、回転装置によって回転装置の軸を中心に旋回動作すると同時にそれら自体が回転し、少なくとも１つの調節ツールがその相対動作によって２つの研磨パッドのうちの少なくとも一方の材料を研削し、少なくとも１つの調整ツールの厚さは、少なくとも１つのスペーサの厚さと異なる。

本発明につながった研究では、外側縁部から内側縁部まで研磨間隙の幅を異ならせることによって、研磨された半導体ウエハの形状がさらに向上し得ることが示された。研磨された半導体ウエハの形状に対するこのサイズの影響は、以前は知られておらず、予測されていなかった。本発明に係る方法は、簡単な調節方法により、大きな費用をかけずに、径方向において異なる間隙幅を有する加工間隙を作り出すことを可能とする。

本発明は、図面を参照して以下に詳細に記載される。

本発明によって作り出された研磨間隙を有する両面研磨装置の縦断面を示す図である。 本発明に係る調節処理時における両面研磨装置の縦断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係る２つの調節ツールおよび１つのスペーサの可能な配置を伴う両面研磨装置の下方研磨板を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る２つの調節ツールおよび２つのスペーサの可能な配置を伴う両面研磨装置の下方研磨板を示す図である。 本発明の他のさらなる実施形態に係る１つの調節ツールおよび２つのスペーサの可能な配置を伴う両面研磨装置の下方研磨板を示す図である。

本発明に係る方法は、上記のように先行技術に係る両面研磨装置を準備するために使用される。方法が行われた後、半導体ウエハの両面研磨が先行技術に従って行われ得るが、径方向において異なる間隙幅を有する加工間隙内で行われ得る。

半導体ウエハを研磨するための両面研磨装置およびその使用がまず以下に記載される。
上方研磨パッド３（図１参照）は上方研磨板１に固定され、下方研磨パッド４は下方研磨板２に固定される。互いに向かい合う研磨パッドの表面の間には、加工間隙がある。加工間隙には、内側駆動ギア６および外側駆動ギア７と係合する歯９を有するキャリアディスク８がある。駆動ギア６、７は、歯車またはピンギアであり得る。２つの駆動ギア６、７は、ともにキャリアディスク８のための回転装置を形成する。すなわち、少なくとも１つの駆動ギアの回転、好ましくは両方の駆動ギアの回転により、キャリアディスク８がそれらの軸を中心に回転すると同時に回転装置の回転軸を中心に旋回動作する。研磨板の回転軸５および回転装置を形成する駆動ギアの回転軸５は、共線状に配置される。キャリアディスク８は凹部１０を有する。研磨される半導体ウエハは、自由に動くことができる状態でこの凹部１０内に置くことができる。研磨装置は同時に少なくとも３つのキャリアディスクを収容する。通常は同時に５つのキャリアディスクを嵌めることもある。研磨装置および半導体ウエハの寸法に応じて、キャリアディスクは、半導体ウエハを置くための少なくとも１つの凹部１０を有する。しかしながら、一般にキャリアディスクは半導体ウエハのための凹部１０を３つ以上有する。

本発明に係る調節方法の効果は、図１に示されるように、研磨パッド３、４の内側縁部における加工間隙の幅ｗ_ｉが研磨パッド３、４の外側縁部における加工間隙の幅ｗ_ｏと異なる点にある。好ましい差の量は、主に研磨板のサイズに依存する。この場合においては、研磨パッドの輪幅、すなわち研磨パッドの内側縁部と外側縁部との間の距離が重要である。２つの間隙幅ｗ_ｉおよびｗ_ｏの差は、研磨パッドの輪幅１メートルに対し、少なくとも７０μｍが好ましく、特に少なくとも１４０μｍが好ましい。差は、最大で３００μｍが好ましい。（したがって、輪幅が半メートルの場合、２つの間隙幅ｗ_ｉおよびｗ_ｏの差は、少なくとも３５μｍが好ましく、特に少なくとも７０μｍが好ましい。この場合の最大値は、１５０μｍが好ましい）。

特に良好な全体的および局所的な半導体ウエハの形状は、内側縁部における研磨間隙の幅が外側縁部よりも大きい場合、特に上記の好ましい範囲に従った場合に得られる事が分かった。研磨された半導体ウエハは、全体的により平坦となり（全体的な形状）、エッジロールオフが減少する（局所的な形状）。

研磨間隙幅の単調性、特に径方向の位置に応じた線形性が好ましい。
内側縁部と外側縁部との間に上記の間隙幅の差を有する加工間隙は、研磨処理が行われる前に調節によって成形される２つの研磨パッドのうちの少なくとも一方により、本発明に係る調整が行われる。この場合において、異なる量の材料が径方向の位置に応じて２つの研磨パッドのうちの少なくとも一方から研削される。より多くの材料が外側縁部よりも内側縁部において研削された場合、外側縁部と比して内側縁部の方が加工間隙の幅が大きくなり、その逆も同様である。２つの研磨パッドのうち一方のみを相応に調節することが可能であり、径方向における研磨間隙幅の状態が径方向における材料研削の状態に対応し、さらに径方向における調整された研磨パッドの厚さの状態に対応する。しかしながら、径方向の位置に応じて両方の研磨パッドを調節することもでき、これにより径方向における間隙幅の状態に対する２つの研磨パッド表面の寄与が併せて加えられる。

柔らかく圧縮可能な研磨パッドに対しては径方向の位置に応じた所望の厚さを調節処理によって容易に加えることができないことから、本発明に係る調節方法は、圧縮率が低く硬い研磨パッドに適用されるのが好ましい。最大で３％の圧縮率が好ましく、特に最大で２．５％が好ましい。圧縮率の判定は、ＪＩＳ規格Ｌ−１０９６と同様の方法で行われる。研磨パッドの硬さについては、ショアＡが８０から１００であるのが好ましい。

本発明に係る調節処理は、図２から図５に示される。この場合において、研磨パッド３、４のうち少なくとも一方は、外側歯１２を有する少なくとも１つの調節ツール１１および外側歯１５を有する少なくとも１つのスペーサ１４を回転装置６、７によって加工間隙内で回転させることによって調節される。

研磨パッド３、４を調節するために、キャリアディスク８の代わりに調節ツール１１およびスペーサ１４が両面研磨装置内に置かれる。調節ツール１１およびスペーサ１４は、いずれもキャリアディスク８と同様の外側歯を有する。調節ツール１１およびスペーサ１４は、それらの外側歯１２、１５が回転装置の内側および外側駆動ギア６、７と係合できるように寸法が設定される。調節ツールは、円形または環状に構成され得る。

調節ツール１１は、たとえばダイヤモンドなどの研削粒子でコーティングされた表面領域１３を有する。好ましくは、研削粒子でコーティングされた表面領域１３は、外側歯１２に沿って調節ツール上に輪の形態で配置されるのが好ましい。

駆動ギア６、７のうち少なくとも一方の回転により、調節ツール１１およびスペーサ１４は、それらの軸を中心に回転すると同時に、両面研磨装置の中心まわり、すなわち研磨板の回転軸５と共線状に延在する回転装置の回転軸を中心に旋回動作する。同時に、調整される研磨パッドで覆われる研磨板が少なくとも回転する。２つの研磨パッドが同時に調節される場合、両方の研磨板が回転するのが好ましい。調節ツールと少なくとも１つの研磨パッドとの相対動作により、研削粒子でコーティングされた調節ツール１１の表面領域１３が対象となる研磨パッド３、４の材料を研削する。

一方の面のみまたは代替的に両面に研削粒子がコーティングされた表面領域１３を有する調節ツール１１を使用することが可能である。２つの研磨パッドの一方のみを調節することを意図している場合、一面の調節ツールが使用される。両方の研磨パッドを調節する場合、一面の調節ツールが同様に使用され得る。この場合、上方研磨パッドおよび下方研磨パッドの調節が順に行われる。しかしながら、この場合、両面に研削粒子がコーティングされた表面領域１３を有する両面調節ツール（図２に示される）を使用し、２つの研磨パッドを同時に調節するのが好ましい。

スペーサ１４は、調節時に研磨パッドの材料を径方向において不均一に研削するために必要である。それらの機能を果たすために、スペーサ１４の厚さｄ_Ｓは、調節ツール１１の厚さｄ_Ｄと異なっていなければならない。半メートル以上の研磨パッド輪幅を有する従来のＤＳＰ装置において上記の範囲の間隙幅の差を生み出すためには、調節ツールとスペーサとの間に少なくとも０．１ｍｍの厚さの差が必要である。

本発明に係る方法の機能性は、図２に示される。この場合においては、上方研磨板の振り子式取り付けが使用される。上方研磨板が下方研磨板の高さ方向の偏位またはぐらつきを補い、この動きに適合しなければならないため、この振り子式取り付けが必要である。このような理由から、全ての従来の両面研磨装置は、上方研磨板の振り子式取り付けを伴う。スペーサは研削剤でコーティングされた表面を有さないことから、研磨パッドの材料を研削することはない。これらは、単に上方研磨板を傾かせるために使用される。必要な厚さを有する従来のキャリアディスクは、スペーサとしても使用され得る。

図２に示される場合において、調節ツール１１の厚さｄ_Ｄは、スペーサ１４の厚さｄ_Ｓよりも大きい。これにより、振り子状に吊られた上方研磨板１が僅かに傾き、厚い調節ツール１１の領域よりも薄いスペーサ１４の領域においてさらに低くなる。そして、調節ツールの径方向で見た内側部分（すなわち、図２において調節ツール１１の左手側の領域に示される）において負荷が高まり、内側駆動ギア６の隣に位置する研磨パッド３、４の内側縁部の領域において研削される材料が多くなる。

研磨パッドの内側縁部における材料研削の増加（および図１に示されるような内側縁部における大きな加工間隙幅、すなわち、ｗ_ｉ＞ｗ_ｏ）は、調節ツールと比較してスペーサの厚さが小さいことによって得られる（図２に示される）。逆に、研磨パッドの外側縁部における材料研削の増加（および外側縁部における大きな加工間隙幅、すなわちｗ_ｏ＞ｗ_ｉ）は、調節ツールと比較してスペーサの厚さが大きい事によって得られる。

上方研磨板の傾きの方向および程度、ならびに径方向の間隙幅の差については、調節ツールとスペーサとの間の厚さの差によって決まる。研磨パッド輪幅が７００ｍｍの場合、たとえば、外側縁部よりも内側縁部の方が間隙幅が３００μｍ大きい（すなわち、ｗ_ｉ−ｗ_ｏ＝３００μｍ）加工間隙は、調節ツールの厚さｄ_Ｄよりも約１ｍｍ小さく選択されるスペーサの厚さｄ_Ｓ（ｄ_Ｄ−ｄ_Ｓ＝１ｍｍ）によって作り出すことができる。逆に、外側縁部において３００μｍ大きい（ｗ_ｉ−ｗ_ｏ＝−３００μｍ）加工間隙は、ｄ_Ｄ−ｄ_Ｓ＝−１ｍｍを選択することによって作り出すことができる。同じＤＳＰシステムの寸法において、より小さい間隙幅の差は、調節ツールとスペーサとの間の厚さの差を相応に小さくすることによって実現される。より大きいＤＳＰシステムに関しては、特定の間隙幅の差を作り出すためには厚さの差を相応に大きくする必要があり、より小さいＤＳＰシステムにおいては、厚さの差を相応に小さくする必要がある。

調節ツールおよびスペーサが所与の厚さを有する場合、調節ツールとスペーサとの間の相互の距離を選択することによって傾きを微調整することができる。

上述のように、調節時には、径方向の位置に応じた研磨パッドの材料研削を実現するために、調節ツールおよびスペーサの厚さを異ならせることによって上方研磨板を僅かに傾かせる必要がある。原理的には１つの調節ツール１１および対向して設置されたスペーサ１４を用いてこの効果を実現することができる。しかしながら、これによって上方研磨板の位置が不安定となり得る。このため、図３から図５に示されるように、少なくとも２つの隣接して配置される調節ツール１１または少なくとも２つの隣接して配置されるスペーサ１４を使用するのが好ましい。図は、調節ツール１１およびスペーサ１４が適用された下方研磨板（より正確には、下方研磨パッド４）の平面図である。１つの調節ツール１１および２つのスペーサ１４（図５）、または２つの調節ツール１１および１つのスペーサ１４（図３）を使用するのが特に好ましい。これらの場合において、上方研磨板１は、３つの点で安定して支えられる。また、２つの調節ツール１１および２つのスペーサ１４（図４）を使用することも可能である。この場合、２つの調節ツール１１およびスペーサ１４は、調節ツール１１とスペーサ１４との間の厚さの差によって上方研磨板１を傾かせるために、それぞれ互いの隣に置く必要がある。

研磨パッドの材料研削が径方向の位置に応じて異なる厚さの調節ツールおよびスペーサによって実現される本発明に係る調節方法は、調節ツールの回転によって行われるという利点を有する。調節された研磨パッドにおける溝または凹みの形成がこれによって回避される。このため、調節方法の実質的な利点が保持される。同時に、研磨間隙は、内側縁部と外側縁部との間の間隙幅の差を自由に選択することができる簡易な手段によって作り出すことができる。同様に、使用されて異なる状態にすり減った研磨パッドを記載の方法によって所望の形に戻すことができる。

２つの研磨板の少なくとも一方を変形させることによって研磨板の内側縁部と外側縁部との間に異なる研磨間隙の幅を実現することも考えられる。上方研磨板の液圧変形を可能とする両面研磨マシンが知られている。しかしながら、研磨パッドの内側縁部と外側縁部における異なる研磨パッドの厚さによる間隙幅の差は、対応する研磨板の変形によって実現される等しく大きい間隙幅の差よりも実質的に効果が大きいことがわかった。調節時における径方向の位置に応じた材料研削による間隙幅の差の調整は、変形可能な研磨板を有さない研磨マシンにもこの方法が使用できるというさらなる利点を有する。

本発明に係る方法は、任意の半導体ウエハの両面研磨のための研磨パッドを準備するために使用することができる。シリコンウエハ、特に単結晶シリコンウエハの研磨での使用は、その経済的な重要性の大きさ、および非常に需要のある形状要件により、特に好ましい。

１ 上方研磨板、２ 下方研磨板、３ 上方研磨パッド、４ 下方研磨パッド、５ 研磨板の回転軸、６ 内側駆動ギア、７ 外側駆動ギア、８ キャリアディスク、９ キャリアディスクの歯、１０ 半導体ウエハを置くためのキャリアディスクの凹部、１１ 調節ツール、１２ 調節ツールの歯、１３ 研削粒子でコーティングされた調節ツール表面、 １４ スペーサ、１５ スペーサの歯、ｄ_Ｓ スペーサの厚さ、ｄ_Ｄ 調節ツールの厚さ、ｗ_ｉ 内側縁部における加工間隙の幅、ｗ_ｏ 外側縁部における加工間隙の幅。

Claims (12)

1. 下方研磨板（２）と、上方研磨板（１）と、キャリアディスク（８）のための回転装置（６、７）とを有し、前記下方研磨板（２）、前記上方研磨板（１）、および前記回転装置（６、７）が共線状に配置された軸（５）を中心に回転可能に搭載され、前記下方研磨板（２）が第１の研磨パッド（４）によって覆われ、前記上方研磨板（１）が第２の研磨パッド（３）によって覆われる両面研磨装置において、半導体ウエハの同時両面研磨用の研磨パッド（３、４）を調節する方法であって、外側歯（１２）を有する少なくとも１つの調節ツール（１１）および外側歯（１５）を有する少なくとも１つのスペーサ（１４）が、前記第１の研磨パッドと第２の研磨パッド（３、４）との間に形成された加工間隙において、前記回転装置（６、７）によって前記回転装置（６、７）の前記軸（５）を中心に旋回動作すると同時にそれら自体が回転し、前記少なくとも１つの調節ツール（１１）がその相対動作によって前記２つの研磨パッド（３、４）のうちの少なくとも一方の材料を研削し、前記少なくとも１つの調節ツール（１１）の厚さ（ｄ_Ｄ）が前記少なくとも１つのスペーサ（１４）の厚さ（ｄ_Ｓ）と異なることで前記上方研磨板（１）が傾き、その傾きの方向と程度は、前記調節ツール（１１）と前記少なくとも１つのスペーサ（１４）間の厚さの差によって決定される、方法。
2. 前記調節される研磨パッドで覆われた前記研磨板は、前記調節時に回転する、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの調節ツールの前記厚さ（ｄ_Ｄ）は、前記少なくとも１つのスペーサの前記厚さ（ｄ_Ｓ）に対して少なくとも０．１ｍｍ異なる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの調節ツール（１１）の前記厚さ（ｄ_Ｄ）は、前記少なくとも１つのスペーサ（１４）の前記厚さ（ｄ_Ｓ）よりも大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 互いに隣接して配置される少なくとも２つの調節ツール（１１）が使用される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 互いに隣接して配置される少なくとも２つのスペーサ（１４）が使用される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記調節の後、前記研磨パッド（３、４）の前記内側縁部における前記加工間隙の前記幅が前記研磨パッド（３、４）の前記外側縁部における前記加工間隙の前記幅と異なる、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記研磨パッド（３、４）の前記内側縁部における前記加工間隙の前記幅は、前記研磨パッド（３、４）の輪幅１メートルごとに少なくとも７０μｍだけ前記研磨パッド（３、４）の前記外側縁部における前記加工間隙の前記幅と異なる、請求項７に記載の方法。
9. 前記研磨パッド（３、４）の前記内側縁部における前記加工間隙の前記幅は、前記研磨パッド（３、４）の輪幅１メートルごとに少なくとも１４０μｍだけ前記研磨パッド（３、４）の前記外側縁部における前記加工間隙の前記幅と異なる、請求項７に記載の方法。
10. 前記研磨パッド（３、４）の前記内側縁部における前記加工間隙の前記幅は、前記研磨パッド（３、４）の輪幅１メートルごとに最大で３００μｍだけ前記研磨パッド（３、４）の前記外側縁部における前記加工間隙の前記幅と異なる、請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記研磨パッド（３、４）の前記内側縁部における前記加工間隙の前記幅は、前記研磨パッド（３、４）の前記外側縁部における前記加工間隙の前記幅より大きい、請求項７から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記第１の研磨パッドと前記第２の研磨パッド（３、４）との間に形成された前記加工間隙において前記下方研磨板および前記上方研磨板（２、１）の回転による少なくとも３つの半導体ウエハの同時両面研磨のための前記少なくとも１つの研磨パッドの前記調整の後に前記両面研磨装置が使用され、前記半導体ウエハの各々は、外側歯（９）が設けられた少なくとも３つのキャリアディスク（８）の１つの凹部（１０）内において自由に移動可能であり、前記キャリアディスク（８）は、前記半導体ウエハが前記加工間隙においてサイクロイド軌道を描くように前記回転装置（６、７）によって回転させられる、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。