JPH0569310A - ウエーハの鏡面研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工前のウェーハのテーパーや厚みのバラツ
キに関係なく、ウェーハ全体にわたって目標とする厚み
を正確に表面から研磨除去する。 【構成】 ウェーハ１６を保持する平面に柔軟性のある
弾性膜１３を用い、この弾性膜１３をリング状の胴部１
０に均一の張力ではりつけ、上記弾性膜１３の、上記ウ
ェーハ１６を保持している面と反対側の面に、上記ウェ
ーハ１６の押しつけ圧調整用の流体を供給する流体供給
手段２０を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、シリコンウェ
ーハのようなウェーハの表面を無歪鏡面に加工するため
の表面超精密鏡面研磨方法において、加工前のウェーハ
のテーパーや厚みのバラツキに関係なく、ウェーハ全体
にわたって目標とする厚みを正確に表面から研磨除去す
るための装置に関する。

【０００２】この装置の利用分野には次の２通りがあ
る。即ち、（イ）ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎ
ｓｕｌａｔｅｒ）に用いるウェーハの如く、すでにパタ
ーンを成形してあるウェーハの表面の薄い膜を研磨でも
って所定の厚みにしたい場合、その表面の凹凸には関係
なく、膜の厚さを一定に保つことができる。（ロ）厚み
バラツキのない高平坦度のウェーハは、ダイヤモンド砥
石を用いた平面研削で容易に得ることができる。この高
い平坦度をくずすことなく、鏡面に研磨することができ
る。

【０００３】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化に伴い、該ウ
ェーハの平坦度はより高精度なものが要求され、その面
内の厚みバラツキが１μ以下のものが要求されるように
なってきている。しかしながら、従来の技術の範囲では
前工程のラッピング、又はダイヤモンド砥石研削で出さ
れた高精度のウェーハの平坦度を、次工程の鏡面に研磨
するメカノケミカルポリッシングにおいて、ウェーハに
テーパーが生じたり、又は凸レンズ状になるなど、平坦
度が著しく悪化しているのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、メカノケ
ミカルポリッシングのかかえる種々の課題のうち、ウェ
ーハを保持する平面についての考え方をかえ、その改良
を行うものである。その部分についての従来技術の課題
を詳しく列挙すると、次のとおりである。

【０００５】（Ａ）ウェーハを保持する方法に関して （イ）ワックスで貼りつける場合は、ワックスの厚さむ
らをなくすのが難しく、微粒子の混入によりディンプル
の発生もさけられない。また、貼り付けるキャリヤプレ
ート（保持する平面）の平坦度がそのままウェーハの仕
上がり平面に写されるため、この平坦度維持が非常に煩
雑である。

【０００６】（ロ）スポンジ状のバックパッドを介して
ウェーハを貼りつけるワックスレス法が使われている
が、スポンジ状の孔部に研磨材等が詰まり、弾性率など
が部分的に変化し、ウェーハの平坦度が著しく悪化す
る。これを逃れるために１〜２回の使用でバックパッド
を取り換えることは経済的に不利である。また、この方
法ではウェーハの周辺がダレる凸レンズ状になることが
多く、この改善が非常に難しい。

【０００７】（ハ）真空で吸着する方法は、吸着面の形
状（例えば、同芯円状の溝）がウェーハ表面にそのまま
写されるため、最近ではポーラスセラミックス（多孔
質）が使われている。そして、表面の影響を避けるた
め、その孔の目が非常に小さいものになりつつある。こ
の結果、研磨材が目詰まりするなどのトラブルがあり、
これを避けるための対策（掃除法等）が大変である。ま
た、これも（イ）と同じく吸着面の平坦度が非常に重要
である。

【０００８】（Ｂ）保持面を支え、加圧する機構に関し
て （イ）図５の如く、研磨定盤１に対して保持面２を強制
的に平行になるように保持したままで、下方に押しつけ
加圧してウェーハ３を研磨する方法は、これができれば
理想であるが非常に難しい。すなわち、これの実現のた
めには、（ａ）研磨定盤、保持面ともに高い回転精度
（要求精度はボールベアリング等の精密なものをこえて
いる）（ｂ）平行度の保持（静圧軸受では加圧時にこれ
が傾く等剛性不足）（ｃ）研磨スピードは加圧力に大き
く影響されるが、剛性が高く、軽く動く上下スライド軸
がない等の問題があり、実際に使われている装置はな
い。

【０００９】そこで、実際には次のような装置が使われ
ている。 （ロ）ユニバーサルタイプ 図６の如く、保持面２をボールジョイント式に回転自在
にし、保持面２が研磨定盤１の傾きに自動的にならうよ
うにしたものが実用機の大部分であるが、これの最大の
欠点は、図中に示す如く、研磨の為に力Ｐをかけること
により、摩擦力μ×Ｐを生じ、回転中心の高さＨによっ
て保持面２を傾けようとするトルクＴ＝μ×Ｐ×Ｈを生
ずることである。このトルクＴを０にするにはＨを０に
するしか方法がなく、これの改善のため、図７あるいは
図８の如き考案がなされているが、構造上無理な設計に
なる面が多く、狙った通りの性能が発揮されていないの
が実状である。また、この方式では、図９の如く加圧力
Ｐは中央の集中荷重であるが、ウェーハの研磨圧力ｐは
等分布荷重となり、保持面２が変形し易く、１μ程度ま
たはそれ以下の変形におさえるためには、肉厚を増し、
剛性を高くしなければならず、上記高さＨを零にする設
計と相反するものである。

【００１０】そこで、加圧による変形をなくし、均一に
加圧するために、次のフローティングタイプが考案され
た。 （ハ）フローティングタイプ 米国特許公報４，９１８，８７０のように、エアー圧で
保持面を押し付けることにより、加圧力とウェーハの反
力がどちらも分布荷重であるため、保持面の変形がな
く、全面にわたり均一に加圧することができる点では理
想に近いが、次の点で不充分である。 （ａ）ウェーハの保持にインサートと呼ぶスポンジ状バ
ックパッドを用いているため、その欠点がそのまま残っ
ている。 （ｂ）保持面が厚く、この面の仕上がり平坦度に影響さ
れると共に、温度差に伴う変形を避けることができな
い。 （ｃ）研磨定盤の傾きや上下の振れに対して、保持面が
Ｏリング部分で追従する必要があるが、この部分の摩擦
抵抗が大きく敏感には追従しない。 （ｄ）加圧力によって発生する水平方向の摩擦力をＯリ
ング部で受けることになるが、その力を受けながら上記
（ｃ）の上下の追従が敏感には行えない。

【００１１】（Ｃ）表面研磨に関して 本発明の内容である表面基準研磨の従来技術の１例を図
１０に示す。図の如く、保持面２とウェーハ３の間にウ
ェーハ３の５〜２０倍もあるゴム状弾性体４をはさみ、
ウェーハ３の表面の大きなうねりや、ウェーハ３全体に
ソリなどがあっても、このゴム状弾性体４を利用してほ
ぼ均一にウェーハ３を押しつけて、ウェーハ３を変形さ
せて研磨表面を研磨定盤１に密着してウェーハ３の全面
にわたり均一に研磨しようとするものであるが、次の如
き欠点がある。（ａ）ゴム状弾性体４はウェーハ３をで
きるだけ均一に加圧するために、相当に厚くしなければ
ならず、研磨中の水平方向の摩擦力によって複雑な変形
をうけ、均一加圧はできていない。（ｂ）保持面２を支
え加圧する機構が従来技術のユニバーサルタイプである
ため、その欠点が解消されず、周辺ダレ等がさけられな
い。

【００１２】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、機械装置全体の構造的精度と制御の限界の影響を受
けることなく、また、保持面の精度にも関係ない上に、
ウェーハの研磨時の圧力をウェーハのどの位置において
も理論上同等となし、従って、表面からの研磨取り去り
量を厳密に一定とすることができる、いわゆる表面基準
研磨を行うことを主目的とするのに理想的なウェーハ保
持面を持った装置を提供するのを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１は、研磨定盤の平滑な表面に、研
磨材が分散されたアルカリ性の研磨液を供給し、この研
磨定盤の表面にウェーハを押しつけ、研磨定盤とウェー
ハを摩擦してウェーハの平面を鏡面に研磨するメカノケ
ミカルポリッシングにおいて、ウェーハを保持する平面
に柔軟性のある薄膜を用い、この薄膜をリング状の胴部
に均一の張力ではりつけ、上記薄膜の、上記ウェーハを
保持している面と反対側の面に、上記ウェーハの押しつ
け圧調整用の流体を供給する流体供給手段を設けたもの
である。

【００１４】また、請求項２は、薄膜をはりつけたリン
グ状の胴部と研磨定盤との間隔を、接近、離間調整自在
に設けたものである。

【００１５】さらに、請求項３は、リング状の胴部の外
側にリングを設け、このリングに薄膜を固定し、このリ
ングに、上記薄膜の張力を調節する張力調節手段を設け
たものである。

【００１６】

【作用】本発明の請求項１にあっては、リング状の胴部
に均一の張力ではりつけた柔軟性のある薄膜の、ウェー
ハを保持している面と反対側の面に、流体供給手段によ
って、流体を供給して、上記薄膜によるウェーハの押し
つけ圧を調整した状態で研磨を行うことにより、表面基
準研磨を円滑に行う。

【００１７】本発明の請求項２にあっては、リング状の
胴部と研磨定盤との間隔を適宜接近、離間して調整する
ことにより、薄膜と研磨定盤との間の間隔を最適値と
し、ウェーハの周辺ダレ等を防ぐ。

【００１８】本発明の請求項３にあっては、張力調節手
段によって、リングをリング状の胴部に対して移動調整
し、薄膜の張力を調節する。

【００１９】

【実施例】以下、図１ないし図４に基づいて本発明の実
施例を説明する。

【００２０】これらの図において符号１０はリング状の
胴部であり、このリング状の胴部１０の上端面は剛体板
１１で閉塞されている。そして、この剛体板１１の中央
部には中空状のシャフト１２が設けられており、このシ
ャフト１２は、回転自在にかつ昇降調整可能に設けられ
ている。また、上記リング状の胴部１０の下端面には、
できるだけ薄い弾性膜（ダイヤフラム）１３が、接着等
の手段によって張られている。なお、図４に示すよう
に、リング状の胴部１０の外周にリング１４を上下に移
動自在に装着し、このリング１４に薄い弾性膜１３を接
着または挾み付けることによって取り付け、このリング
１４をネジ１５で昇降調整することによって、薄い弾性
膜１３を均一な張力で張り付けるようにしてもよい。ま
た、上記弾性膜１３の材質としては、シリコンゴム等の
合成ゴム、又は繊維（布）で強化されたゴム又はビニー
ルのシート等が好ましく、かつ弾性膜１３の厚さは０．
３ｍｍ〜２．０ｍｍが望ましい。

【００２１】上記薄い弾性膜１３の下側にはウェーハ１
６より若干大きい孔を持ったプラスチック製の案内板１
７が接着されている。また、上記弾性膜１３と剛体板１
１とで閉塞された空間内には、流体供給手段２０によっ
て、研磨に必要な圧力をエアーまたは水でかけられる。
そして、上記シャフト１２は、研磨定盤１８の回転軸芯
と平行であるのが理想であるが、若干の傾きなどがあっ
ても上記弾性膜１３によって吸収できる。さらに、ウェ
ーハ１６の直径ｄに対し、弾性膜１３の圧力のかかる有
効径Ｄを大きく設定し、その比率をＤ／ｄ＝１．０５〜
１．２０にとるのが好ましい。さらにまた、上記シャフ
ト１２には、研磨定盤１８の表面と弾性膜１３の表面と
の距離Ｈを正確に割り出し、研磨中これが変動しないよ
うに、昇降調整機構（図示せず）が設けられている。こ
の昇降調整機構としては、工作機械、例えば、平面研削
盤において、研削中に研磨砥石を被研削材に対して所定
距離に保持する機構が転用できる。

【００２２】上記のように構成された研磨装置を用いて
シリコンウェーハ１６の表面を鏡面仕上げする場合に
は、まず、案内板１７の中にウェーハ１６を水張りでは
りつける。次いで、全体を静かにおろし、Ｈ寸法が所定
の距離になるところで固定する。ここで、所定の寸法と
は、実験によって求めるが、弾性膜１３の弾性率、張り
張力、Ｄ／ｄの率などによって決まる。Ｈが大きいと図
２の如く、ウェーハ１６周辺部は弾性膜１３が持上げら
れ気味になり、研磨圧をさげることとなる。一方、Ｈが
小さいと、図３の如く、弾性膜１３を押し上げることと
なり、外周部に大きな圧力がかかることになる。従っ
て、この中間で理想的な位置を見い出して設定する。続
いて、弾性膜１３の背面に精密圧力計を通したエアー圧
をかけることによって、研磨が開始される。そして、所
定時間研磨後、エアー圧を抜き、その後全体を引き上げ
ウェーハ１６を取り出す。

【００２３】以上のようにして、ウェーハ１６が円滑に
研磨されるが、この発明の要点は、まず、薄い弾性膜
（ダイヤフラム）１３を所定の張力で、かつ均一に張り
つけることである。この方法は種々考えられるが、最も
一般的には太鼓を張る如く、弾性膜１３を張りながら軽
く叩いて膜の振動（音響）を調べることである。次に、
図中のＨ寸法を実験的に決め、その寸法を正確に繰り返
すことである。ここで、研磨定盤１８は、できる限り精
密回転できるようにする必要があるが、５〜１０μ程度
の上下の振れは避けられない。また、弾性膜１３を張っ
ている面も同様の面振れはあり、結果的にはこのＨ寸法
は回転に伴い変化するが、その値は５〜２０μ程度には
おさえる必要がある。この場合、ダイヤフラムは弾性膜
であるので、上記Ｈ寸法の若干の変動は吸収することが
できるから、その吸収度はＤ／ｄの比率によって決ま
る。そして、吸収度の点からは、Ｄ／ｄが大きい程よい
と思われるが、一方、このダイヤフラムの圧力に対する
強度の関係からは、Ｄ／ｄが小さい方がよく、おのずと
大きさにも限界がある。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果がある。 １．薄膜を介し、直接エアー圧でウェーハを加圧するの
で、各位置を均一に加圧することができる。 ２．剛性のある吸着盤やキャリアプレートがなく、その
部分の平坦度の管理が必要なくなったと共にその温度管
理が必要ない。 ３．薄い膜であるため、熱容量も小さく、エアーを介し
ているので断熱性も高い。従って、ウェーハの温度は各
場所均一になり易い。 ４．一般的に研磨では外周部がダレることが多いが、前
記のとおり薄膜をはりつけたリング状の胴部と研磨定盤
との間隔を接近、離間調整自在に設けたことにより、こ
れを防止することができる。 ５．完全な表面基準研磨を行うことができるので、前記
の通り産業上の利用価値は高い。 ６．機械装置全体にある程度の振れや誤差があっても、
薄膜の部分で吸収し、それがウェーハの平坦度（品質）
に影響しない。 ７．リング状の胴部の外側に設けたリングに張力調節手
段を備えることにより、薄膜の張力を最適の値に調節す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】距離Ｈが大き過ぎる場合を示す説明図である。

【図３】距離Ｈが小さ過ぎる場合を示す説明図である。

【図４】弾性膜の張力調節手段の一例を示す説明図であ
る。

【図５】従来の研磨装置の第１例を示す断面図である。

【図６】従来の研磨装置の第２例を示す説明図である。

【図７】従来の研磨装置の第３例を示す断面図である。

【図８】従来の研磨装置の第４例を示す断面図である。

【図９】従来の研磨装置の第５例を示す説明図である。

【図１０】従来の研磨装置の第６例を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１０ リング状の胴部 １３ 弾性膜（ダイヤフラム） １４ リング １５ ネジ（張力調節手段） １６ ウェーハ １８ 研磨定盤 ２０ 流体供給手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨定盤の平滑な表面に、研磨材が分散
   されたアルカリ性の研磨液を供給し、この研磨定盤の表
   面にウェーハを押しつけ、研磨定盤とウェーハを摩擦し
   てウェーハの平面を鏡面に研磨するメカノケミカルポリ
   ッシングにおいて、ウェーハを保持する平面に柔軟性の
   ある薄膜を用い、この薄膜をリング状の胴部に均一の張
   力ではりつけ、上記薄膜の、上記ウェーハを保持してい
   る面と反対側の面に、上記ウェーハの押しつけ圧調整用
   の流体を供給する流体供給手段を設けたことを特徴とす
   るウェーハの鏡面研磨装置。
2. 【請求項２】 薄膜をはりつけたリング状の胴部と研磨
   定盤との間隔を、接近、離間調整自在に設けたことを特
   徴とする請求項１記載のウェーハの鏡面研磨装置。
3. 【請求項３】 リング状の胴部の外側にリングを設け、
   このリングに薄膜を固定し、このリングに、上記薄膜の
   張力を調節する張力調節手段を設けたことを特徴とする
   請求項１記載のウェーハの鏡面研磨装置。