JPH07111255A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウェーハ研磨装置において、遊離砥粒を含有
したラップ研磨液の安定供給を図ることにより、厚さ一
定、平行度、平坦度の精度の高いウェーハの研磨を可能
にすること。 【構成】 ウェーハ研磨装置１０は、ラップ液の供給流
量を調整する流量調整バルブ２０と、上定盤１１と下定
盤１２との間隔ｄを測定する静電容量式変位センサなど
から構成される上下定盤間隔測定センサ２３と、研磨途
中のウェーハ１５の厚さｔを測定する超音波式距離セン
サなどから構成されるウェーハ厚測定センサ２６とを有
する。マイクロコンピュータ３１は、定盤間隔ｄとウェ
ーハ厚さｔとの寸法差ｄ−ｔを算出すると共に、寸法差
ｄ−ｔが所定範囲内ａ＜ｄ−ｔ＜ｂとなるように、流量
調整バルブ２０を作動させてラップ液の供給流量を適正
流量に増減制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、厚み一定かつ精度の高
い平坦度のウェーハを得るための研磨装置に関するもの
で、主として半導体用ウェーハに用いる研磨装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体用ウェーハの製造には種々の工程
があるが、インゴットからスライスしたウェーハを厚み
６００〜１２００μｍの範囲中で一定厚さに揃え、かつ
平行及び平坦度を一定にするラップ盤による研磨工程
は、高精度、高平坦性を有する最終ウェーハを得るため
の必須の工程である。

【０００３】ウェーハ最終品質は、この研磨工程におい
て、いかに一定厚さのウェーハ及び平行かつ高平坦度の
ウェーハを得るか、にかかっており、この研磨工程での
品質の良否が、次工程で行われるエッチング、ポリッシ
ュに残り、最終ウェーハへの品質にも影響を及ぼす。

【０００４】したがって、研磨工程において、ウェーハ
の厚みを揃え、平行、平坦度をいかに達成するかが、高
精度のウェーハ品質を得ることの課題となっていた。

【０００５】この課題解決のために、従来、２つの時点
でウェーハの厚みと研磨機構の積算回転数とを検出し、
これらの値からラップ速度を演算し、このラップ速度に
基づいて所要ウェーハ厚さになる最終積算回転数を演算
し、最終積算回転数に達すればラップ盤を停止させるこ
とにより、所要とする厚さのウェーハを得るようにした
研磨装置が提案されている（特開昭５６−６２７５６号
参照）。また、ウェーハの厚みを検出して目標寸法に達
すれば研磨を自動的に終了し、自動化により生産性を高
め品質の維持を図るようにした研磨装置も提案されてい
る（特開昭６１−９０８６７号参照）。さらに、予めラ
ップパターンを設定しておき、圧力、回転数を順次立ち
上げた後に一定に維持し、ウェーハ厚さが設定値に達し
たときから順次立ち下げ、目標厚さに達すれば研磨を終
了するようにした研磨装置も提案されている（特開昭６
２−１１９３５４号参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来より、
厚さ一定、平行、平坦度の精度の高いウェーハを得るた
めの種々のウェーハ研磨装置が提案されているものの、
遊離砥粒を含有したラップ研磨液の安定的な供給を考慮
したものはなかった。

【０００７】このため、ラップ研磨液が少ない状態つま
り遊離砥粒が不足した状態でウェーハを研磨した場合、
演算した最終積算回転数に基づいて研磨を終了する方式
にあっては、所要ウェーハ厚さに達していない虞があ
り、検出したウェーハ厚さに基づいて研磨を終了する方
式にあっては、研磨時間の長期化を招く虞がある。さら
に、スクラッチ疵が発生することもあり、生産性や歩留
まりの低下を招くという欠点がある。

【０００８】一方、必要以上に多量のラップ研磨液を供
給しつつウェーハを研磨した場合には、ラップ研磨液が
無駄になることは勿論のこと、うねりや欠陥等の不具合
が発生する欠点がある。

【０００９】そこで、本発明は、遊離砥粒を含有したラ
ップ研磨液の安定供給を図ることにより、厚さ一定、平
行度、平坦度の精度の高いウェーハを得るようにしたウ
ェーハ研磨装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、上定盤と下定盤との間に被研磨材としての
ウェーハを挟み込み、ラップ研磨液を供給しつつ、上下
定盤により圧下力と回転運動とを加えて前記ウェーハを
研磨するようにしたウェーハ研磨装置において、前記ラ
ップ液の供給流量を調整する流量調整手段と、前記上定
盤と前記下定盤との間隔を測定する定盤間隔測定手段
と、研磨途中の前記ウェーハの厚さを測定するウェーハ
厚測定手段と、前記定盤間隔測定手段により測定した定
盤間隔と前記ウェーハ厚測定手段により測定したウェー
ハ厚さとの寸法差を算出する演算手段と、この演算手段
で算出した前記寸法差が所定範囲内となるように、前記
流量調整手段を作動させて前記ラップ液の供給流量を増
減する制御手段と、を有することを特徴とするウェーハ
研磨装置である。

【００１１】

【作用】まず、定盤間隔測定手段により上定盤と下定盤
との間隔を測定し、ウェーハ厚測定手段により研磨途中
のウェーハ厚さを測定し、演算手段は、定盤間隔とウェ
ーハ厚さとの寸法差を算出する。次いで、制御手段は、
算出した前記寸法差が所定範囲内となるように、流量調
整手段を作動させてラップ液の供給流量を増減制御す
る。このように制御すれば、ラップ研磨液に含有される
遊離砥粒の不足あるいは過剰供給がなくなり、遊離砥粒
が研磨部に適正流量の下で安定的に供給されることにな
り、研磨ウェーハは、厚みが一定で、平行度、平坦度も
高くなる。また、スクラッチ疵、うねり、欠陥等の不具
合の発生が抑制され、研磨時間の長期化が防止される。
さらに、ラップ研磨液の過剰供給がないため、ラップ研
磨液を無駄にすることもない。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の一実施例に係るウェーハ研磨
装置を制御系とともに示す構成図、図２は、図１に示さ
れる上定盤、下定盤およびキャリアなどを示す斜視図で
ある。なお、図面においては、把握の容易のために、ウ
ェーハの厚さとキャリアの厚さの差を拡大して示してあ
る。。

【００１３】ウェーハ研磨装置１０は、図１および図２
に示すように、回転自在な上定盤１１と、この上定盤１
１に対向するように配置され図示しないモータなどによ
り回転駆動される下定盤１２と、これら上下定盤１１、
１２の間に挟み込まれる円盤形状のキャリア１３と、遊
離砥粒を含有したラップ研磨液を供給する研磨液供給系
統１４とを有し、上定盤１１にはエア源等を用いて圧下
力Ｆが加えられるようになっている。図２にも示すよう
に、キャリア１３には、複数個（図示例では５個）の保
持穴１３ａが形成されており、被研磨材としてのウェー
ハ１５は、前記保持穴１３ａに保持された状態で、上下
定盤１１、１２の間に圧下力Ｆの下で挟み込まれる。下
定盤１２とは独立して回転駆動されるサンギア１６が上
下定盤１１、１２の中央部に設けられており、このサン
ギア１６には、キャリア１３の外周に形成したギアが噛
み合っている。また、キャリア１３外周のギアは、下定
盤１２の周囲に別個配置したインターナルギア１７にも
噛み合っている。サンギア１６、インターナルギア１７
等からなるキャリア回転機構によりキャリア１３を回転
させると、定盤１１、１２およびキャリア１３の回転運
動に従って、被研磨材ウェーハ１５には定盤１１、１２
との間で相対的な遊星回転運動が生じる。この遊星回転
運動により、図３中点線で示すように、ウェーハ１５
は、定盤１１、１２全面を覆う遊星軌道１８を描いて移
動する。この遊星軌道１８より明らかなように、研磨途
中においては、ウェーハ１５はキャリア１３から脱落す
ることがない程度にその一部が定盤１１、１２よりも外
方に露出するようになっている。このようにするのは、
ウェーハ研磨と同時に上下定盤１１、１２が微小に削ら
れるため、この磨耗を定盤１１、１２全面にわたって均
一なものとするためである。なお、キャリア１３の厚み
はウェーハ１５の研磨終了時の目標厚みより薄く設定さ
れており、研磨中はウェーハ１５の表裏両面が上下定盤
１１、１２のそれぞれに常に当接するようになってい
る。

【００１４】研磨液供給系統１４は、ラップ研磨液を貯
蔵した図示しないタンクを有し、このタンクから送液ポ
ンプ、配管１９を介して上下定盤１１、１２の間ないし
各定盤１１、１２とウェーハ１５との間に向けて供給さ
れる。ラップ研磨液は、圧下力Ｆ、回転運動を利用して
上下定盤１１、１２間などに巻き込まれ、含有した遊離
砥粒によりウェーハ１５の表裏が研磨される。配管１９
の途上には、ラップ研磨液の供給流量を調整する流量調
整バルブ２０（流量調整手段に相当する）が配置されて
いる。この流量調整バルブ２０は、バルブコントローラ
２１からの信号に基づいて弁開度を調整して流量制御を
行う。なお、研磨液の圧力、流量および弁開度の相関関
係は予め検定されており、バルブコントローラ２１は研
磨液の圧力を検出しつつ弁開度を調整するようになって
いる。

【００１５】上下定盤１１、１２は表面平坦度を維持す
るため、研磨に先立って、形状修正が行われていると共
に、下定盤１２には、ラップ研磨液の排出性を良くする
ために細かい溝が網目状に配置されている。また、上定
盤１１は、下定盤１２の駆動回転に追従可能なように、
フリーに回転する機構を上定盤支持金物２２に有し、か
つ研磨中ウェーハ１５の厚み差あるいは凹凸部の接触に
よって発生する微小な傾きを吸収できるように調芯機構
３３を有する。さらに、研磨性能の維持および被研磨ウ
ェーハ１５以外の磨耗を防ぐため材質に耐研磨性能差を
もたせ、上下定盤１１、１２は鋳鉄（ＦＣ３０等）、キ
ャリア１３は工具鋼（ＳＫ等）で構成し、徐々に発生影
響してくる装置磨耗も、上下の定盤１１、１２を修正加
工することにより吸収再生可能としている。

【００１６】上定盤１１と下定盤１２との間隔ｄを測定
するために、ウェーハ研磨装置１０には、定盤間隔測定
手段としての上下定盤間隔測定センサ２３が設けられて
いる。このセンサ２３は、例えば、静電容量式変位セン
サから構成されており、変位センサプローブ２４が上定
盤１１の回転中心近傍に配置され、このプローブ２４と
所定の間隙（例えば１ｍｍ）を隔ててターゲット２５が
上定盤１１に取り付けられている。下定盤１２の位置は
所定の位置に定められており、上定盤１１の変位量を測
定することにより、上定盤１１と下定盤１２との間隔ｄ
が測定されるようになっている。静電容量式変位センサ
２３の分解能は、約２μｍである。

【００１７】なお、上下定盤間隔測定センサ２３は、静
電容量式変位センサに限定されず、渦電流式変位センサ
あるいは接触式の変位センサなど公知のセンサを使用す
ることができる。また、下定盤１２の位置が変動する構
成であれば、上定盤１１の変位量と下定盤１２の変位量
とに基づいて、上下定盤１１、１２の間隔ｄを測定する
ようにしても良い。

【００１８】研磨途中のウェーハ１５の厚さｔを測定す
るために、ウェーハ研磨装置１０には、ウェーハ厚測定
手段としてのウェーハ厚測定センサ２６が設けられてい
る。このセンサ２６は、ラップ油、研磨粉などの影響を
考慮し、例えば、超音波式距離センサから構成されてい
る。超音波式距離センサ２６は、図４にも示すように、
遊星軌道１８により定盤１１、１２よりも外方に露出す
るウェーハ１５の裏面に対向する位置に配置されてい
る。超音波送受信装置２７に接続された送受波器２８は
水柱２９内に埋没するように設けられている。水柱２９
内に埋没させる理由は、超音波は空気中より液体中の方
が伝播性が良く、理想的な反射波が得られるからであ
る。

【００１９】超音波式距離センサ２６によるウェーハ厚
さｔの測定原理を、図５に基づいて概説すれば、送信さ
れた超音波がウェーハ１５表面で反射したとき（Ｂ０の
状態）からウェーハ１５の底面で２回反射したとき（Ｂ
２の状態）までの時間間隔τ、あるいは、ウェーハ１５
の底面で１回反射したとき（Ｂ１の状態）からウェーハ
１５の底面で３回反射したとき（Ｂ３の状態）までの時
間間隔τを精密測定する。この時間間隔τが測定される
と、ウェーハ１５の厚さｔは、次式、 ｔ＝（１／４）・ｖ・τ （ｖは音速） で求められる。

【００２０】超音波式距離センサ２６から発せられる超
音波の周波数は３０ＭＨｚであり、分解能は、約２μｍ
である。なお、ウェーハ厚測定センサ２６は、超音波式
距離センサに限定されるものではなく、研磨作業を阻害
せずかつウェーハ厚さｔを正確に測定し得るものであれ
ば，他の公知のセンサを利用することができる。

【００２１】図１に示すように、静電容量式変位センサ
２３および超音波送受信装置２７からの出力信号はマイ
クロコンピュータ３１に入力され、このマイクロコンピ
ュータ３１において、測定した定盤間隔ｄとウェーハ厚
さｔとの寸法差ｄ−ｔが算出される。さらに、マイクロ
コンピュータ３１は、算出した寸法差ｄ−ｔが所定範囲
内ａ＜ｄ−ｔ＜ｂに入るように、バルブコントローラ２
１に制御信号を出力する。バルブコントローラ２１は、
マイクロコンピュータ３１からの制御信号に基づいて流
量調整バルブ２０を作動させ、ラップ研磨液の供給流量
を増減制御する。また、マイクロコンピュータ３１には
所定の警報を発するアラーム３２も接続されている。上
記のマイクロコンピュータ３１が演算手段に相当し、マ
イクロコンピュータ３１およびバルブコントローラ２１
が制御手段に相当する。上述したａ、ｂは遊離砥粒の砥
粒径に応じて予め設定されている定数であり、遊離砥粒
の砥粒平均径が例えば１６μｍの場合には、ａ＝１０μ
ｍ、ｂ＝７０μｍである。寸法差ｄ−ｔがａ〜ｂの範囲
内の例えば５０μｍということは、上定盤１１とウェー
ハ１５上面との間隔および下定盤１２とウェーハ１５下
面との間隔（図４参照）の総計が５０μｍであり、砥粒
平均径１６μｍの遊離砥粒で研磨するのに適した間隔で
あることを意味している。

【００２２】次ぎに、本実施例の作用を説明する。

【００２３】まず、研磨の概要を説明すると、キャリア
１３及びキャリア１３に保持されたウェーハ１５を上下
定盤１１、１２の間に挟み込んで圧下力Ｆを加えると共
に、上下定盤１１、１２の間ないし各定盤１１、１２と
ウェーハ１５との間に向けて研磨液供給系統１４を介し
てラップ研磨液を供給する。下定盤１２を回転駆動し、
さらにサンギア１６、インターナルギア１７等からなる
キャリア回転機構によりキャリア１３を回転させると、
被研磨材ウェーハ１５には定盤１１、１２全面にわたる
遊星回転運動が生じ、この圧力、回転運動を利用してラ
ップ研磨液が巻き込まれる。これにより、ラップ研磨液
に含有された遊離砥粒によって、ウェーハ１５の表裏両
面が研磨される。このようなウェーハ１５の研磨中にお
いては、ラップ研磨液の供給流量の増減制御がなされて
いる。

【００２４】次ぎに、ラップ研磨液流量の増減制御ルー
チンを、図６に示すフローチャートを参照しつつ説明す
る。

【００２５】まず、ステップＳ１において、静電容量式
変位センサ２３により上定盤１１の変位量を測定し、上
定盤１１と下定盤１２との間隔ｄを計測する。次いで、
上述した測定原理に基づき、超音波式距離センサ２６に
より、研磨途中のウェーハ１５の厚さｔを計測する（Ｓ
２）。マイクロコンピュータ３１では、測定した定盤間
隔ｄとウェーハ厚さｔとの寸法差ｄ−ｔが算出される
（Ｓ３）。

【００２６】次いで、マイクロコンピュータ３１は、算
出した寸法差ｄ−ｔが所定範囲内ａ＜ｄ−ｔ＜ｂに入っ
ているか否かを判断する。つまり、寸法差ｄ−ｔがａよ
り小さいか否かを判断し（Ｓ４）、寸法差ｄ−ｔがｂよ
り大きいか否かを判断する（Ｓ５）。ａ、ｂは、上述し
たとおり、砥粒径に応じて予め設定されている定数であ
る。そして、ａ＜ｄ−ｔ＜ｂを満足する場合には（Ｓ
６）、上定盤１１とウェーハ１５上面との間隔および下
定盤１２とウェーハ１５下面との間隔が砥粒平均径に応
じた適切な間隔であるため、ラップ研磨液の現在の供給
流量を維持しつつ（Ｓ７）、研磨を続行する。

【００２７】寸法差ｄ−ｔがａより小さい（ｄ−ｔ＜
ａ）場合には（Ｓ４）、ラップ研磨液の現在の供給流量
Ｆが最大流量Ｆｍａｘでなければ（Ｓ８）、マイクロコ
ンピュータ３１は、定盤１１、１２とウェーハ１５との
間に遊離砥粒をさらに供給して、寸法差ｄ−ｔがａより
大きくなるように、バルブコントローラ２１に制御信号
を出力する。バルブコントローラ２１は、この制御信号
に基づいて流量調整バルブ２０を開作動させ、ラップ研
磨液の供給流量を増量制御する（Ｓ９）。

【００２８】また、寸法差ｄ−ｔがｂより大きい（ｄ−
ｔ＞ｂ）場合には（Ｓ５）、ラップ研磨液の現在の供給
流量Ｆが最小流量Ｆｍｉｎでなければ（Ｓ１３）、マイ
クロコンピュータ３１は、定盤１１、１２とウェーハ１
５との間に供給する遊離砥粒を減らして、寸法差ｄ−ｔ
がｂより小さくなるように、バルブコントローラ２１に
制御信号を出力する。バルブコントローラ２１は、この
制御信号に基づいて流量調整バルブ２０を閉作動させ、
ラップ研磨液の供給流量を減量制御する（Ｓ１４）。な
お、上述したラップ研磨液供給流量の最大流量Ｆｍａｘ
は例えば１５００ｍｌ／ｍｉｎであり、最小流量Ｆｍｉ
ｎは５００ｍｌ／ｍｉｎである。

【００２９】このようにラップ研磨液の供給流量を増量
調節あるいは減量調節することにより（Ｓ９、Ｓ１
４）、研磨部における遊離砥粒の不足あるいは過剰供給
がなくなり、遊離砥粒が研磨部に適正流量の下で安定的
に供給されることになり、厚み一定及び平行度、平坦度
の精度の高い研磨ウェーハ１５を得ることが可能となっ
た。また、スクラッチ疵、うねり、欠陥等の不具合の発
生が抑制され、研磨時間の長期化が防止されて、生産性
や歩留まりが著しく向上した。さらに、ラップ研磨液の
過剰供給がないため、ラップ研磨液を無駄にすることも
なく、ランニングコストの低減を図ることもできる。

【００３０】一方、ラップ研磨液の現在の供給流量Ｆが
最大流量Ｆｍａｘあるいは最小流量Ｆｍｉｎであるとき
には（Ｓ８、Ｓ１３）、その状態が一定時間経過してい
るか否かが判断される（Ｓ１０、Ｓ１５）。この一定時
間は、例えば１分程度が妥当である。一定時間経過して
いる場合には、ラップ研磨液供給流量の増減調節が研磨
性能の向上に寄与し得ないときであるため、アラーム３
２を発して作業者に警告を促し（Ｓ１１、Ｓ１６）、ウ
ェーハ研磨装置１０の作動を停止する（Ｓ１２、Ｓ１
７）。そして、作業者は、上下定盤１１、１２の修正研
磨や、研磨液供給系統１４の点検などの復帰作業を行
う。

【００３１】以上説明したように、上下定盤１１、１２
の間隔ｄとウェーハ厚さｔとの寸法差ｄ−ｔの値から、
ウェーハ１５の上下面に供給される遊離砥粒の供給安定
性を判断し、ラップ研磨液の供給流量を増減制御して適
正流量に修正することによって、厚み一定及び平行、平
坦度の精度の高い研磨ウェーハ１５を得ることが可能と
なった。また、ラップ研磨液の流量制御によっても前記
寸法差ｄ−ｔが所定範囲に入らないない場合は、上下定
盤１１、１２の修正時期に達したと容易に判断すること
ができる。

【００３２】近年では、大規模集積回路が高密度化し、
ウェーハへの平行度、平坦度要求は一段と厳格になりつ
つあり、現在もＤＲＡＭで６４Ｍ（メガ）相当の場合に
はウェーハの厚みバラツキは数μｍ、面内バラツキも
０．５〜１．０μｍ以内が要求されると言われている。
本発明によるウェーハ研磨装置は、この高密度化に対応
可能なウェーハの供給を可能とするものである。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のウェーハ
研磨装置によれば、上下定盤の間隔とウェーハ厚さとの
寸法差に基づいて、ウェーハの上下面に供給されるラッ
プ研磨液の供給安定性が判断され、ラップ研磨液の供給
流量が増減制御されて適正流量に修正されることによ
り、被研磨ウェーハの平坦度、平行度を向上させた最終
ウェーハを得ることができ、近年の高密度化に対応可能
なウェーハを供給することが可能となる。さらに、スク
ラッチ疵、うねり、欠陥等の不具合の発生が抑制され、
研磨時間の長期化が防止されて、生産性や歩留まりが著
しく向上し、ラップ研磨液を無駄に供給することもない
ためランニングコストの低減を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るウェーハ研磨装置を
制御系とともに示す構成図である。

【図２】 図１に示される上定盤、下定盤およびキャリ
アなどを示す斜視図である。

【図３】 研磨途中におけるウェーハの遊星軌道を示す
図である。

【図４】 ウェーハの厚さを測定するウェーハ厚測定手
段を示す図である。

【図５】 超音波式距離センサによるウェーハ厚さの測
定原理を示す説明図である。

【図６】 ラップ研磨液流量の増減制御ルーチンを示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１１…上定盤、 １２…下定盤、１３
…キャリア、 １４…研磨液供給系統、
１５…被研磨材用ウェーハ、 １８…ウェーハ軌
跡、１９…配管、 ２０…流量調整
バルブ（流量調整手段）、２１…バルブコントローラ
（制御手段）、２３…上下定盤間隔測定センサ（静電容
量式変位センサ、定盤間隔測定手段）、２６…ウェーハ
厚測定センサ（超音波式距離センサ、ウェーハ厚測定手
段）、２７…超音波送受信装置、３１…マイクロコンピ
ュータ（演算手段、制御手段）、 ３２…アラーム、
Ｆ…圧下力。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上定盤(11)と下定盤(12)との間に被研磨
   材としてのウェーハ(15)を挟み込み、ラップ研磨液を供
   給しつつ、上下定盤(11,12) により圧下力(F) と回転運
   動とを加えて前記ウェーハ(15)を研磨するようにしたウ
   ェーハ研磨装置において、 前記ラップ液の供給流量を調整する流量調整手段(20)
   と、 前記上定盤(11)と前記下定盤(12)との間隔(d) を測定す
   る定盤間隔測定手段(23)と、 研磨途中の前記ウェーハ(15)の厚さ(t) を測定するウェ
   ーハ厚測定手段(26)と、 前記定盤間隔測定手段(23)により測定した定盤間隔(d)
   と前記ウェーハ厚測定手段(26)により測定したウェーハ
   厚さ(t) との寸法差(d-t) を算出する演算手段(31)と、 この演算手段(31)で算出した前記寸法差(d-t) が所定範
   囲内(a<d-t<b) となるように、前記流量調整手段(20)を
   作動させて前記ラップ液の供給流量を増減する制御手段
   (31,21) と、を有することを特徴とするウェーハ研磨装
   置。