JPH0738381B2 - ウエーハ研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、メカノケミカルポリッシング法に基づいて半
導体ウエーハを高精度に鏡面研磨する為の毎葉式研磨装
置に係り、オリフラを持つ不完全円形又は僅かにテーパ
を有する半導体ウエーハを高平坦状に鏡面研磨する為の
毎葉式研磨装置に関する。

「従来の技術」 従来より、ダイオード、トランジスタ、IC（集積回
路）、LSI（大規模集積回路）等の半導体装置を製造す
る為の基体となるべき半導体ウエーハは、シリコン、ゲ
ルマニウム等の半導体単結晶インゴットをスライスして
ウエーハ化した後、更にラップ並びにエッチングし、次
いでその少なくとも一側表面をいわゆるメカノケミカル
ポリッシング法と呼ばれる研磨方法（機械的研磨と化学
（電解）研磨を組み合わせた研磨方法）に基づいて鏡面
研磨する事により形成される。

かかる研磨装置は例えば第２図に示すように、上面に研
磨布１が貼設され外部よりの駆動力を受けて回転するタ
ーンテーブルと、該研磨布貼設面上に接触対峙し、下面
に半導体ウエーハ３を固定させたプレート４と、加圧軸
51を利用して該プレート４の上面側より押圧力を付勢す
るマウントヘッドとからなり、研磨布面上に数百g/cm³
前後の押圧力でウエーハを圧接させた状態で、SiO₂等の
砥粒を含む化学研磨剤を分散させつつ前記定盤とプレー
トを回転させながら、ウエーハと研磨布間に生ぜしめる
相対的摺擦運動により鏡面研磨を行うように構成してい
る。

そして前記装置においては量産性の向上を図る為に、従
来より前記プレート４に保持固定させるウエーハを、プ
レートの回転軸として機能する加圧軸51を中心として対
称位置に複数枚配置するように構成していた（以下複葉
式という、尚第２図は本発明の実施例の説明に利用する
ために、ウエーハを一枚貼付した状態が画かれてい
る。） しかしながら前記プレート４に複数のウエーハを保持固
定させる構造では、近年のようにウエーハの大口径化が
進むに比例してプレートが大型化し、該プレートに均等
に押圧力を付勢するのが困難になるとともに、該プレー
トと研磨布間の平行度維持も困難になり、結果としてウ
エーハ表面の鏡面仕上げ精度が低下し、更に前記プレー
トに固定されるウエーハ相互間には通常微小な厚肉差が
あるので、プレート自体が傾動したり、押圧力の圧力分
布差が生じ、鏡面仕上げ精度の向上に困難がある。

このような背景により、ウエーハの大口径化に対応する
為に、前記プレートに複数のウエーハを固定する事な
く、プレートの回転軸と同心状に一枚のウエーハのみ
を、言い換えればプレートの回転軸とウエーハの半径中
心を一致させて一枚のウエーハのみをプレートに固定さ
せる方法に移行しつつある。（以下毎葉式という） 「発明が解決しようとする課題」 しかしながら前記のような毎葉式研磨方法を採用した場
合、従来の複葉式では現出されなかった種々の問題点が
現出してくる。

即ちその第１点は、ウエーハのほとんどはウエーハの表
裏両面が高度な平行度を維持しているものではなく、僅
かにテーパ状になっているものが多い為に、該一枚のウ
エーハのみをプレートに固定させた場合、複葉式におけ
るテーパの修正効果はなく、材料ウエーハのテーパが研
磨後にも残存してしまうため、高平坦度で且つ高平行度
なウエーハ研磨が不可能になる。

又前記半導体ウエーハは、必ずしも真円状の薄板ではな
く、その一部にオリエンテーションフラット（以下オリ
フラという）と呼ばれる弓形状の切欠きを有する為、プ
レートの回転中心に真円と仮想したときのウエーハの幾
何学上の中心（以下仮想中心という）を一致させて、上
方より押圧力を付勢しながらプレートを研磨布上に自公
転させた場合においても前記オリフラから起因してウエ
ーハ面での研磨圧力にアンバランスが生じ、この結果、
研磨代がウエーハ面内で不均一となり、前記と同様にウ
エーハ表面の高平坦度で且つ高平行度なウエーハ研磨が
不可能になる。

尚、前記のような問題は複葉式研磨方法の場合において
は、各ウエーハはプレート回転軸を中心として対称に配
置されている為に、各ウエーハ間で上記アンバランスを
打ち消し、オリフラによる研磨圧のウエーハ内ウエーハ
間の不均一がなくなる。

本発明は、かかる従来技術の欠点に鑑み、いわゆる毎葉
式研磨方法を採用するウエーハ研磨装置において、前記
ウエーハ表面に僅かなテーパを有するウエーハ又はオリ
フラを有する半導体ウエーハを研磨する場合でも、ウエ
ーハ表面を高平坦度で且つ高平行度なウエーハ研磨が可
能なウエーハ研磨装置装置を提供する事を目的とする。

「課題を解決するための手段」 本発明はかかる技術的課題を達成する為に、いわゆる毎
葉式の研磨装置において、前記一のウエーハを保持する
プレートの回転中心（一般にはプレート荷重中心と合致
する）とウエーハ仮想中心とを合致させて固定する事が
なく、前記ウエーハのテーパの最大傾斜方向に平行な直
径上で、プレートの回転中心が該ウエーハの厚肉方向に
仮想中心より僅かに偏位するよう、またオリフラを有す
るウエーハにおいては、オリフラを２等分する直径上で
プレートの回転中心が該オリフラと反対の方向に仮想中
心より僅かに偏位するようウエーハを固定した事を特徴
とするものであり、そしてその偏位量ｌはほぼ［ｌ＝Ｔ
・R/8S］に合致するように、（T:テーパ量,R:ウエーハ
の半径,S:ウエーハ中心における設定研磨量） またオリフラを有するウエーハに対してはその偏位量
ｌ′を下記式に合致するように設定する。

（２θ：オリフラ挟角 R:ウエーハ半径、L:オリフラ
長） Ａ、先ず前記ｌ＝Ｔ・R/8・Ｓ式の導き方について詳細
に説明する。

A1）この場合ウエーハが円形、研磨布が見做し弾性体、
研磨圧力Ｐは研磨布とウエーハの接触圧力、研磨代は研
磨圧力に比例するものである為に、第５図ケース１より
明らかなように荷重Ｗをウエーハの中心に位置させる
と、研磨圧力はウエーハの研磨布との接触面で均等にな
り研磨代も均等になる。

そして、この場合は研磨のウエーハの厚さが均等（テー
パ成分がない）ならば、研磨後のウエーハの厚さは均等
になる。

又、テーパ成分がない場合は、ケース２に示す様に、荷
重Ｗとウエーハ中心が一致しないと研磨圧力は不均等と
なり、研磨代も不均等となりテーパが発生する。

一方、ケース３に示す様に、研磨前のウエーハにテーパ
成分がある場合は、荷重Ｗとウエーハ中心の位置をテー
パ厚肉の方向に意図的に位置ずれさせて研磨させる事に
より、テーパ厚肉側の研磨圧力が多くなるためにこれに
比例して研磨代もテーパ厚肉側が増大しテーパを減少し
ながら研磨できる。

結果として研磨前のウエーハに存在するテーパ成分を無
くすことができる。そのためには、荷重Ｗの位置と研磨
代が重要な要素であることが理解される。

次に第６図において、Ｘ軸上の研磨圧力は、研磨布が見
做し弾性体である事から直線関係が成立し、Ｘ軸上に研
磨圧力Ｐとして下記（１）式が成立するとする。

Ｐ＝ax＋ｂ……（１）（ａ、b:定数） XY座標と極座標の変換は ｘ＝rcosθ……（２）であるから 従って Ｐ＝ａ・rcosθ＋ｂ （３） （１）又は（３）式の定数ａ、ｂを求めれば、研磨圧力
を求めることが出来る。

A2）次に荷重Ｗと研磨圧力Ｐのつり合いより定数:bをも
とめる。

研磨圧力Ｐによりウエーハが研磨分布から受ける力Pwは
微小面積dsが受ける力即ちPdsをウエーハ面内で積分す
ればよい ∴Ｐ＝ａ・rcosθ＋ｂ、ds＝ｒ・dr・ｄθ 前記（４）式より Pw＝ｂπＲ²……（５）が得られる。

この（６）式を変形して ｂ＝Pw/πＲ²となる。

力のつり合いより Ｐ＝Ｗ ウエーハの面積 Ｓ＝πＲ² ∴ｂ＝W/S＝Ｐ_o……（６） Ｐ_oは、荷重Ｗにより加えられるウエーハの平均圧力で
ある。

A3）次にモーメントのつり合いより定数:aを求める。

即ち、ウエーハが研磨布から受ける力に起因する回転モ
ーメントの総和は０となる。

Ｍ＝０ 次にウエーハが研磨圧力Ｐから受ける力に起因する回転
モーメントＭは、微小面積dsが受ける微小回転モーメン
トdMをウエーハ面内で積分すればよい。

但し、回転軸は第６図［Ａ］のＹ軸と平行なＸ＝ｌで考
えるとすると、 dsに作用する力dfは、df＝Pds＝Ｐ・ｒ・dr・ｄθ dsの回転軸からの距離Ｌは、 Ｌ＝rcosθ−ｌ dsに作用する回転モーメントdMは、 dM＝df×Ｌ＝（a rcosθ＋Ｐ_o）（rcosθ−ｌ）ｒ・dr
・ｄθ……（７） （７）式を積分して Ｍ＝ａπＲ⁴/4−Ｐ_o・ｌ・πＲ²……（８） （８）式に、Ｍ＝０と置いてａを求めると、 ａ＝4P_o/R²……（９） A3）次に「Ｐ＝ax＋ｂ」の（１）式に（６）式のb:W/S
及び（９）式のa:（4P_o・l/R₂）を代入すると、 Ｐ＝4P_o・ｌ・rcosθ/R²＋Ｐ_o……（10）となる。

さて研磨代Svは研磨圧力Ｐに比例するから Sv＝KPr……（11）但しt:研磨時間 K:定数 （10）式を（11）式に代入すると、 Ｓ＝kt（4P_o・ｌ・rcosθ/R²＋Ｐ_o）……（12） となる。

次に最大研磨代Smaxを求める。

最大研磨代Smaxが出現する場合は第６図［Ａ］のＸ軸上
Ｒである。故に（12）式にｒ＝R,θ＝０を代入する。

Smax＝kt（4P_o・l/R＋Ｐ_o）……（12′） 次に最小研磨代Sminを求める。

最小研磨代Sminが出現する場所は第６図［Ａ］Ｘ軸上−
Ｒである。故に（12）式にｒ＝−Ｒ、θ＝πを代入す
る。

Smin＝Kt−（4P_o・l/R＋Ｐ_o）……（13） A4）次に研磨代のテーパ成分を求める。

研磨代のテーパＴ成分は最大研磨代と最小研磨代の差で
あるから Ｔ＝Smax−Smin＝Kt・（8P_o・ｌ）/R……（14） 又平均研磨代Ｓは （12）式にｒ＝０を代入して Ｓ＝KtP_o……（15） となる。（15）式を（14）式に代入して Ｔ＝Ｓ・8l/R……（16） 次に偏位量ｌを求めると（16）式より ｌ＝Ｔ・R/8・Ｓの式が得られる。

従って半径Ｒなる円形ウエーハで、研磨前の厚さにＴな
るテーパ成分があるとき、テーパの最大傾斜方向の厚い
方向へ荷重Ｗ中心をｌだけ偏位し、研磨代Ｓ（ウエーハ
中心研磨代＝平均研磨代）だけ研磨すれば研磨後のウエ
ーハのテーパは無くなる事になる。

Ｂ）次にオリフラを有するウエーハに対する偏位量ｌ′
の前記式の導きかたを説明する。

ウエーハ研磨時、テーパ成分のない円形のウエーハでは
ウエーハの中心と荷重中心を一致させるとウエーハと研
磨布の接触圧力分布はウエーハ面内で均一となることは
前記した通りである。

一方、円の一部が欠けたウエーハでは、荷重中心とウエ
ーハ中心を偏位させないと、接触圧力は均等にならな
い。

第７図に示す様に、偏位の方向はオリフラ線と直交する
Ｘ軸方向である。偏位量ｌ′は次のように求める。

研磨圧力Ｐはウエーハと研磨布の接触圧力であり、そし
て前記（１）式と同様にウエーハと研磨布の接触圧力Ｐ
は下記式で表せる。

Ｐ＝ax＋ｂ ……（21） ａ、b:定数、x:X軸上の位置 そしてウエーハ上の微小面積dsが研磨布から受ける微小
な力は次のようになる。

df＝Pds＝（ax＋ｂ）dxdy 又この微小な力dfに起因し、Ｚ軸に作用する微小な回転
モーメントは次のようになり dM＝（ｘ−ｌ）df＝（ｘ−ｌ）（ax＋ｂ）dxdy 更にウエーハを全面に作用する回転モーメントＭはdMを
ウエーハの全領域で積分すればよく、以下のように表わ
される。

Ｍ＝∫∫dM＝∫∫（ｘ−ｌ）（ax＋ｂ）dxdy Ｍ＝ac₁＋bc₂ 但し、 ここで圧力分布が均等であるということは、（21）式に
おいて、 ａ＝０ ……（23） 又回転モーメントのつり合いから、Ｍ＝０ ……（2
4） （22）式へ（23）（24）式を代入すると Ｍ＝０×ｃ₁＋ｂ×ｃ₂＝０ ∴ｃ₂＝０ （∵ｂ≠０であるから） 即ち、 ｌ′について解くと OF長さで書き換えると 従って長さＬなるオリフラ付ウエーハを、研磨布とウエ
ーハの接触圧力（研磨圧力）を均等にしウエーハ面内の
除去量を均等にするためには、荷重中心をオリフラの垂
直２等分線上で、ウエーハ中心より、オリフラ反対方向
にｌ′距離偏位させればよいことが理解される。

「作用」 かかる技術手段によれば、オリフラを有する半導体ウエ
ーハをプレート上に固定させる場合においてはウエーハ
上に加わる荷重が均一となり、この結果従来技術のよう
にプレートの回転中心にウエーハの仮想中心を一致させ
たときにオリフラ側が余計に研磨される事が防止され、
これにより鏡面ウエーハの平行度及び平面度が悪化した
りすることがなく、高平坦度の研磨加工が可能となる。

又僅かにテーパ状になっている半導体ウエーハをプレー
ト上に固定させる場合においても、前記テーパ量を加味
してウエーハの厚い部分に研磨荷重が余計加わるように
プレートの回転中心に対し、ウエーハの仮想中心を偏位
させた為に、研磨終了後平行度及び平面度の優れた鏡面
ウエーハを得ることが出来る。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に
詳しく説明する。ただしこの実施例に記載されている構
成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は特に特定
的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限
定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

第１図は本発明の実施例に係るウエーハ決め装置で、プ
レート４外径より大なる一辺を有する正方形状の定盤11
と、該定盤11の隣接する二辺のほぼ中央位置に突設した
一対の方形ブロック12、13と、該方形ブロック12、13
に、その中心線を定盤11中心を通るＸ、Ｙ軸線と一致さ
せて取付けたマイクロメータヘッド14、15と、前記定盤
11上に載設されるウエーハ３位置決め用の穴開きシート
16からなる。

マイクロメータヘッド14、15は前記方形ブロック12、13
に穿孔された取付孔121にきっちり嵌着され軸目盛141が
刻設されたスリーブ142と、該スリーブ142内に設けた螺
子状に沿って螺子状に回転自在に嵌合され、その先端に
円周目盛143が刻設された筒状シンプル144と、該シンプ
ル144に一体的に連結され、該シンプル144の回転により
進退するスピンドル145よりなり、そして前記スピンド
ル145を方形ブロック12、13より定盤11中心側に突設さ
せ、その先端面がプレート４側壁面に当接可能に構成す
るとともに、スリーブ142側に前記スピンドル145所定の
位置で位置決めする為のストッパ（不図示）を設ける。

そして前記穴開きシート16は、中心部にウエーハ３がき
っちり収納可能な直径をもって円形状に開口した穴161
を有し、且つ該ウエーハ３厚肉より僅かに小なる厚肉を
有する正方形状のプラスチック製シート16で形成すると
ともに、隣接する二辺からなる基準辺162,163を前記方
形ブロック12、13内壁面に当接する事により、定盤11上
の所定位置に位置決めして載設されるとともに、該位置
決めにより前記穴161中心とＸ−Ｙ軸の交点が一致する
ように構成する。

次にかかる治具を用いたウエーハ３とプレート４間の位
置決め方法について説明するに、 先ず前記位置決めシート16を方形ブロック12、13を利用
して定盤11の所定位置に載設した後、前もって表裏両面
間のテーパ量を測定したウエーハ３を鏡面となる側を下
にして収納する。

次に下記１）式に基づいて求めたウエーハ中心Ｃとの偏
心量ｌを算出した後、該偏心量ｌに基づいて前記マイク
ロメータヘッド14、15のシンプル144を回転しながら、
前記１）式に対応する目盛位置までスピンドル145先端
を進退させてストッパによりロックした後、ヘッド14、
15と一体化されたプレート４を上方より降ろしながら、
前記スピンドル145先端にプレート４外周面を当接させ
て位置規制を行いつつ、ウエース３裏面に圧着させ、真
空吸着その他の公知の手段を利用して両者間を固着させ
る。これによりプレート４の回転中心Ｐとウエーハ３の
偏心位置Ｈが合致する。

ｌ＝Ｔ・R/8S ……１） ここで、Ｔはウエーハ端の最大と最小のウエーハ厚さの
差、Ｒはウエーハの半径、Ｓはウエーハ中心における研
磨除去量 半導体ウエーハの研磨においては、既に研磨が行われて
テーパを生じた場合には、研磨面はほぼ平面であるの
で、１）式が正確に適用出来るが、研磨に供される半導
体ウエーハは、通常化学的にエッチングされた状態であ
るので、被研磨面は凹凸があり、最大及び最小厚肉がウ
エーハ周端にない場合が多い。このような場合にもウエ
ーハ被研磨面を平面で近似し、この平面にもとずいてテ
ーパを求め１）式に適用すれば、充分実用に耐える。

尚、製品としての鏡面ウエーハには厚さの仕様が決めら
れているので、これに合格するようＳの選定が行われな
ければならない。

この際プレート４と定盤11間のそれぞれのＸ、Ｙ軸同士
を一致させる為に、互いに対面するスピンドル145端面
とプレート４外周面にマーク（不図示）を刻設するのが
よい。

そして前記式で定めた偏心量ｌに基づいて、プレート４
上の所定位置にウエーハ３を位置決め固定した後、第２
図に示す研磨装置に基づいて所定の研磨加工を行った
所、研磨前のウエーハ３表裏両面間のテーパが5.56μm/
125φあったものが、研磨後において0.8〜１μｍに縮小
させる事が出来た。

次に本実施例の効果を確認する為に、同じ装置及び同じ
研磨条件で前記研磨後ウエーハ３の固定位置をＸ軸方向
に徐々にずらしながら研磨後のテーパ量を確認した所、
第４図のようなグラフ図が得られ、本発明の効果を実証
する事が確認された。

尚、本発明に用いた研磨装置を第２図によって簡単に説
明するに、ターンテーブル２は回転軸を中心として回転
可能に構成したステンレス製鋳造体からなり、その内部
通路2bに冷却液を還流させて上面に貼設された研磨布１
を冷却可能に構成する。

研磨布１は厚肉１〜2mm程度の弾性を有する不織布で形
成するとともに、該不織布上に分散器を利用してコロイ
ダルシリカ系の研磨液６を流しながら、前記ターンテー
ブル２の回転を利用して均一に分散可能に構成する。

プレート４は石英ガラスやセラミック等の低熱膨張性の
材料で形成され、下面に一の半導体ウエーハ３を同心状
に固定可能な直径を有する円筒形状をなすとともに、該
下面側に開口する細孔41を介して真空吸引する事により
ウエーハ３が吸着可能に構成する。又該プレート４に押
圧力を付勢するマウントヘッド５との間にＯリング53を
介して球面軸受52を形成し、プレート４を揺動自在に支
持するとともに、プレート４の作動中心（球面軸受52の
半径中心Ｃ）を研磨布１面上に位置せしめ、ターンテー
ブル２回転時に生じるプレート４の傾動を防止してい
る。

又前記マウントヘッド５は回転軸51を介して前記ターン
テーブル２と同期させて同一回転数で回転可能に構成す
るとともに、上方より所定押圧力が付勢可能に構成して
いる。

次にかかる装置を用いてオリフラを有するウエーハ３を
研磨する場合について説明する。

オリフラ３を有する半導体ウエーハ３の場合は、第２図
に示すようにプレート４の回転中心Ｃにウエーハ３の仮
想中心ｌ′直径上オリフラから遠ざかる方向に偏位させ
ればよく、このため下記２）式に基づいて求めたウエー
ハ仮想中心Ｃからの偏心量ｌ′を算出した後、この偏心
位置Ｍとプレート４上の回転中心Ｐを合致する如くウエ
ーハ３を位置決め固定した後、上記研磨装置に基づいて
所定の研磨加工を行った所、ウエーハ３のテーパを0.8
μｍ以下にする事が出来た。

単位:mm（２θ：オリフラ挟角、R:ウエーハ半径、L:オ
リフラ長） ここでウエーハ３直径125mmφ、オリフラ長さ42.5mmで
あって、計算の結果ｌ′は0.53mmであった。つぎにプレ
ート４上の回転中心とウエーハ３仮想中心Ｃを合致させ
てウエーハ３を位置決め固定した後、前記と同様な方法
で研磨加工を行った所、ウエーハ３のテーパは2.2μｍ
と前記に比較して悪化している事が確認出来、本発明の
効果が実証出来た。

「発明の効果」 以上記載した如く本発明によれば、いわゆる毎葉式固定
方法を採用するウエーハ研磨装置において、前記ウエー
ハ表面に僅かなテーパを有するウエーハ又はオリフラを
有する半導体ウエーハを研磨する場合でも、ウエーハ表
面が高平坦度で且つ高平行度な研磨が可能なウエーハ研
磨装置を提供する事が出来る等の著効を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の研磨装置に適用されるウエーハ位置決
め治具で（Ａ）は平面図（Ｂ）は正面図である。第２図
は本発明の実施例に係る研磨装置を示す概略断面図であ
る。第３図はテーパ形状のウエーハの位置決め計算式を
求める手順を示す作用図、第４図は本発明の実施例に係
る効果を実証する為のグラフ図である。 第５図は円形ウエーハのテーパ成分を有するウエーハと
有しないウエーハのテーパ修正概念図を示す。 第６図は前記円形ウエーハの荷重偏位量ｌの計算式を導
き出すための概念図である。 第７図はオリフラ付きウエーハの荷重偏位量ｌ′の計算
式を導き出すための概念図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一のウエーハを固定したしたプレートと、
   研磨布との間で相対的に自公転させながら半導体ウエー
   ハの鏡面研磨を行う毎葉式研磨装置において、前記プレ
   ートの回転中心を、テーパを有する半導体ウエーハの中
   心より、該ウエーハ中心を通る最大傾斜線上に沿って厚
   肉方向側に偏位させて前記ウエーハを前記プレートに固
   定させるとともに、 その偏位量ｌをほぼ［ｌ＝Ｔ・R/8S］ （T:テーパ量,R:ウエーハの半径,S:ウエーハ中心におけ
   る設定研磨量） に設定した事を特徴とするウエーハ研磨装置。
2. 【請求項２】一のウエーハを固定したしたプレートと、
   研磨布との間で相対的に自公転させながら半導体ウエー
   ハの鏡面研磨を行う毎葉式研磨装置において、前記プレ
   ートの回転中心を、オリフラを有する半導体ウエーハの
   中心より、該ウエーハ中心を通るオリフラ線と直交する
   線上に沿って前記オリフラと反対方向に向け偏位させて
   前記ウエーハを前記プレートに固定させるとともに、 その偏位量ｌ′をほぼ下記式に合致するように設定した
   事を特徴とする請求項１）記載のウエーハ研磨装置。 （２θ：オリフラ挟角 R:ウエーハ半径、L:オリフラ
   長）