JPH10113862A - 薄板状基板の研磨方法及びそのための研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体ウエハの研磨に当たって、その被研磨
面の研磨だれを無くし、研磨した面が面内均一性よく研
磨できる研磨方法及びその研磨装置を得ること。 【構成】 本発明の研磨装置１は、回転研磨定盤１１０
と、この研磨定盤１１０に対向して平行に研磨しようと
する半導体ウエハＳを保持できる基板保持盤２２が形成
されている回転基板保持装置２と、基板保持盤２２の周
辺部で前記回転研磨定盤の研磨面方向にベローズ２５で
上下方向に可動自在に装着されているガイドリング２４
とから構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ、Ｌ
ＣＤ用ガラス板のような薄板状基板の被研磨面積の広い
被研磨面を理想的な表面基準に出来るだけ近い状態で面
内均一性良く研磨できる薄板状基板の研磨方法及びその
ための研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】先ず、図７及び図８を参照しながら、従
来技術の薄板状基板の研磨装置及びこれを用いた研磨方
法を説明する。図７は研磨状態における従来技術の薄板
状基板の研磨装置の一部を示した断面図であり、図８は
図７に示した研磨装置の、研磨しようとする薄板状基板
を保持するための研磨動作前の状態の従来技術の回転基
板保持装置を示した断面図である。

【０００３】薄板状基板、例えば、半導体ウエハ（以
下、研磨しようとする薄板状基板として「半導体ウエ
ハ」を例示して説明する）を研磨する場合には、図７に
示した構成の研磨装置１００を用いて行われている。こ
の研磨装置１００は、大別して、研磨定盤１１０、基板
保持装置１２０、ノズル１３０とから構成されている。

【０００４】前記研磨定盤１１０は、例えば、半導体ウ
エハＳの直径の２倍以上の直径からなる面積の平面を備
え、その平面には、例えば、ポリエステル樹脂製の不織
布などの研磨パッド１１１が接着剤などで貼着されてい
て、回転軸１１２を中心に、例えば、３０ｒｐｍで矢印
Ｒａの方向に回転するように構成されている。

【０００５】前記基板保持装置１２０は前記研磨定盤１
１０の上方に位置し、そして研磨定盤１１０の回転軸１
１２から外れた、例えば、研磨定盤１１０の半径の中央
部に回転中心があり、自在継手１２１Ａを介し、その上
下に回転中心が整えられた上下可変軸１２１Ｂ、１２１
Ｃからなる回転軸１２１を中心にして、例えば、前記研
磨定盤１１０の回転数と同数の３０ｒｐｍで、かつ同様
の回転方向（矢印Ｒｂ）で回転する。

【０００６】この基板保持装置１２０は、図８にも示し
たように、基板保持盤１２２が中心部を構成し、その基
板保持盤１２２の下面に半導体ウエハＳを保持するため
のバッキングパッド１２３が固定されている。更にバッ
キングパッド１２３の外周面に半導体ウエハＳの飛び出
しを防止するための内径が半導体ウエハＳの外径より僅
かに大きい寸法のエポキシ樹脂製ガイドリング１２４が
固定されている。前記バッキングパッド１２３には、厚
さが１．５ｍｍ程度のポリウレタンまたはポリエステル
樹脂製のシートが用いられている。また、前記ノズル１
３０は研磨液供給装置であって、前記研磨定盤１１０の
回転中心部付近で研磨パッド１１１と半導体ウエハＳと
の間に研磨液Ｌを供給する。なお、図７には、便宜上、
研磨定盤１１０の右半分のみを示した。

【０００７】半導体ウエハＳを研磨するに当たっては、
図８に示したように、研磨しようとする半導体ウエハＳ
を、その被研磨面Ｓａを外側、即ち、下側にしてバッキ
ングパッド１２３に水吸着で保持させ、図７に示したよ
うに、その保持状態で基板保持装置１２０を下降させ
て、前記回転軸１２１、自在継手１２１Ａを介して研磨
定盤１１０の研磨パッド１１１面に所定の押圧力で加圧
（矢印Ｐ）し、研磨定盤１１０を前記回転数で矢印Ｒａ
の方向に回転させ、そして研磨パッド１１１の表面にノ
ズル１３０から研磨液Ｌを供給し、また、前記半導体ウ
エハＳを保持した基板保持盤１２２を前記回転数で矢印
Ｒｂの方向に回転させながら、半導体ウエハＳの被研磨
面Ｓａを研磨パッド１１１と研磨液Ｌとでケミカルメカ
ニカルポリッシュ（以下、単に「研磨」と略記する）し
ている。研磨中、半導体ウエハＳは基板保持装置１２０
及び研磨定盤１１０の回転により研磨面から飛び出そう
とするが、前記ガイドリング１２４の存在により研磨中
の半導体ウエハＳの飛び出しを防止することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術の
半導体ウエハの研磨方法では、半導体ウエハＳを研磨す
る時に、通常、半導体ウエハＳをガイドリング１２４の
下面から突出させた状態で研磨している。この突出量
は、図６に示した「半導体ウエハ突出量と面内均一性」
の関係グラフに示されているように、通常、１００〜２
００μｍ程度である。突出量をこのような程度の値に決
定されている理由は、半導体ウエハＳの被研磨面Ｓａと
研磨パッド１１１との間に研磨液Ｌを良く侵入させるた
めには、前記突出量を大きくした方が良く、しかし半導
体ウエハＳがずれを起こさないためには、小さくした方
が良いということから、そのバランスを考慮して決めら
れている。

【０００９】しかし、このような条件下で半導体ウエハ
Ｓの被研磨面Ｓａを研磨すると、研磨された後の被研磨
面Ｓａの面内均一性は、図６のグラフから明らかなよう
に、±２０％程度とばらつきが大きく、余り良好ではな
かった。この被研磨面Ｓａの面内均一性の悪さの主な原
因は、被研磨面Ｓａに対してガイドリング１２４の下面
１２４Ａが後退しているので、研磨時に半導体ウエハＳ
が研磨パッド１１１へ沈み込み、研磨パッド１１１の押
圧力が半導体ウエハＳの中央部よりもその周辺部に強く
掛かるため、外周部の研磨レートが早くなってしまうた
めであると考えられる。所謂、研磨の面だれが生じ、こ
の研磨だれにより被研磨面の面内均一性が損なわれてい
るものと考えられる。

【００１０】それ故、本発明では、半導体ウエハの研磨
に当たって前記のような研磨だれを無くし、被研磨面が
面内均一性よく研磨できる研磨方法及びそのための研磨
装置を得ることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明の薄板
状基板の研磨方法は、周辺部にガイドリングが装着され
ている回転基板保持盤により保持された薄板状基板の被
研磨面を回転研磨定盤の表面に装着された研磨パッドに
より研磨するに当たり、前記ガイドリングの下面を前記
薄板状基板の被研磨面と同一平面を形成する状態にして
前記被研磨面を研磨する方法を採って、前記課題を解決
している。

【００１２】そして前記薄板状基板の研磨方法を実現す
るための一手段として、本発明の薄板状基板の研磨装置
は、回転研磨定盤と、この回転研磨定盤に対向して平行
に研磨しようとする薄板状基板を保持できる薄板状基板
保持部が形成されている回転基板保持装置と、前記薄板
状基板保持部の周辺部で前記回転研磨定盤の研磨面方向
に可動自在に装着されているガイドリングとから構成さ
れている。

【００１３】従って、本発明の半導体ウエハの研磨方法
及びそのための研磨装置によれば、薄板状基板、前記の
例では半導体ウエハの被研磨面が見かけ上拡大され、面
だれによる研磨の均一性の悪化を防止することができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、図１及び図２を参照しなが
ら、本発明の半導体ウエハの研磨装置の第１の実施例及
びこの研磨装置を用いた本発明の研磨方法を説明する。
図１は研磨状態における本発明の薄板状基板の研磨装置
の一部を示した断面図であり、そして図２は図１に示し
た研磨装置の、研磨しようとする薄板状基板を保持する
ための研磨前の状態の回転基板保持装置を示した断面図
である。なお、図７に示した従来技術の研磨装置の構成
部分と同一の構成部分には同一の符号を付して説明す
る。

【００１５】図１において、符号１は本発明の研磨装置
を指す。この研磨装置１の研磨定盤１１０部分の構成は
従来技術のそれと同一の構成であるので、この部分の説
明は省略する。本発明の研磨装置１における基板保持装
置２は、従来技術の基板保持装置１２０と同様に、前記
研磨定盤１１０の上方に位置し、そして研磨定盤１１０
の回転軸１１２から外れた、例えば、研磨定盤１１０の
半径の中央部に回転中心があり、自在継手２１Ａを介
し、その上下に回転中心が整えられた上下可変軸２１
Ｂ、２１Ｃからなる回転軸２１を中心にして、例えば、
前記研磨定盤１１０の回転数と同数の３０ｒｐｍで、か
つ同様の回転方向（矢印Ｒｂ）で回転する。

【００１６】前記基板保持装置２は、図２にも示したよ
うに、その中心構成部である基板保持盤２２と、この基
板保持盤２２の下面２２０１に固定された半導体ウエハ
Ｓを保持するためのバッキングパッド１２３と、このバ
ッキングパッド１２３及び基板保持盤２２の外周部に配
設され、半導体ウエハＳの飛び出しを防止するための内
径が半導体ウエハＳの外径より僅かに大きい寸法のエポ
キシ樹脂製の環状のガイドリング２４とから構成されて
いる。

【００１７】前記回転軸２１の中心部には貫通孔２１０
１が形成されており、その貫通孔２１０１の先端部は水
平の貫通孔で、下可変軸２１Ｃの基板保持盤２２の上部
付け根付近に開口している。前記基板保持盤２２の外周
部の下部は、切削などで切り落として環状の窪み段部２
２０２が形成されている。

【００１８】前記環状のガイドリング２４は環状のベロ
ーズ２５で保持され、前記窪み段部２２０２の下面に上
下方向に伸縮自在に支持されている。前記ベローズ２５
が伸びきった時には前記ガイドリング２４の下面２４０
１は最下方位置となる。その最下方位置はバッキングパ
ッド１２３に水吸着された半導体ウエハＳの被研磨面よ
り十分に下方まで下がった位置である。

【００１９】前記ベローズ２５の上部開口は基板保持盤
２２の上面に水平状態に配設されているパイプ２６で前
記回転軸２１の貫通孔２１０１に接続されている。この
ようなパイプ２６は、ガイドリング２４を同時に均一の
押圧力で押圧するために、複数本、放射状に、そして対
称的に配設するとよい。ガイドリング２４は、回転軸２
１の貫通孔２１０１を通じて気体、例えば、空気をベロ
ーズ２５に供給することにより矢印Ｐｂで示す押圧力が
ガイドリング２４の上面に加わり、ベローズ２５が伸び
て降下する。

【００２０】前記バッキングパッド１２３には、厚さが
１．５ｍｍ程度のポリウレタンまたはポリエステル樹脂
製のシートが用いられている。また、前記ノズル１３０
は研磨液供給装置であって、前記研磨定盤１１０の回転
中心部付近で研磨パッド１１１と半導体ウエハＳとの間
に研磨液Ｌを供給する。なお、図１にも、便宜上、研磨
定盤１１０の右半分のみを示した。

【００２１】次に、本発明の研磨装置１の動作及びこの
研磨装置１を用いた半導体ウエハＳの研磨方法を説明す
る。先ず、半導体ウエハＳを研磨するに当たっては、図
２に示したように、研磨しようとする半導体ウエハＳ
を、その被研磨面Ｓａを外側、即ち、下側にしてバッキ
ングパッド１２３に水吸着で保持し、図１に示したよう
に、その保持状態で基板保持装置２を下降させて、前記
回転軸２１、自在継手２１Ａを介して研磨定盤１１０の
研磨パッド１１１面に所定の押圧力で加圧（矢印Ｐａ）
し、また、回転軸２１の貫通孔２１０１、パイプ２６及
びベローズ２５を通じて気体をガイドリング２４に供給
し、矢印Ｐｂで示す圧力を加える。この場合、ガイドリ
ング２４の平坦な下面２４０１が研磨パッド１１１面と
衝合することにより下降することが阻まれ、前記押圧力
Ｐｂに抗し、ベローズ２５を縮め、半導体ウエハＳの被
研磨面と同一平面内に位置する。

【００２２】そして研磨定盤１１０を前記回転数で矢印
Ｒａの方向に回転させ、研磨パッド１１１の表面にノズ
ル１３０から研磨液Ｌを供給し、また、前記半導体ウエ
ハＳを保持した基板保持装置２を前記回転数で矢印Ｒｂ
の方向に回転させながら、半導体ウエハＳの被研磨面Ｓ
ａを研磨パッド１１１と研磨液Ｌとでケミカルメカニカ
ルポリッシュ（以下、単に「研磨」と略記する）する。

【００２３】この研磨時のガイドリング２４の下面２４
０１から下方に突出させる半導体ウエハＳの最適な突出
量は、図６のグラフの「本発明」部分に示したように、
０〜５μｍの範囲で面内均一性が最良になっている。し
かし、これはバッキングパッド１２３の圧縮量も含んで
いるため、実研磨状態では、共に同一平面となる同一圧
力が最良であることが判った。

【００２４】従って、半導体ウエハＳ及びガイドリング
２４を共に同一の圧力で加圧するためには、図３に示す
ような換算グラフを用いるとよい。例えば、ガイドリン
グ２４の幅が２ｃｍの場合には、半導体ウエハＳ、ガイ
ドリング２４に共に３００ｇｒ／ｃｍ² の押圧力を加え
たい時には、半導体ウエハへの加圧を４３５ｇｒ／ｃｍ
² 加え、次に、幅２ｃｍのガイドリング２４に気体によ
る加圧で３００ｇｒ／ｃｍ² 加えると、半導体ウエハＳ
への加圧はこのガイドリング２４の面積の逆圧分が差し
引かれて、３００ｇｒ／ｃｍ² の同一圧力となる。

【００２５】このような研磨方法で研磨すると、ガイド
リング２４の圧力と半導体ウエハＳへの圧力（研磨圧
力）を別々に制御でき、したがって半導体ウエハＳの被
研磨面はガイドリング２４で見かけ上、その直径が拡大
された状態になり、そのため半導体ウエハＳの周辺部に
生じがちであった面だれが無くなって、半導体ウエハＳ
の被研磨面の面内均一性の悪化を防止することができ
る。そして、半導体ウエハＳが研磨されて薄くなった状
態でもガイドリング２４の圧力と半導体ウエハＳへの圧
力（研磨圧力）を別々に制御できるため、ガイドリング
２４と半導体ウエハＳとの前記位置関係を保つことがで
き、前記面だれを防止することができる。また、研磨
中、半導体ウエハＳは基板保持装置２及び研磨定盤１１
０の回転により研磨面から飛び出そうとするが、前記ガ
イドリング２４の存在により研磨中の半導体ウエハＳの
飛び出しを防止することができ、本発明におけるガイド
リング２４は本来の機能も果たしている。

【００２６】図４及び図５に、本発明の半導体ウエハの
研磨装置の第２実施例を示した。図４は研磨状態におけ
る本発明の薄板状基板の研磨装置の一部を示した断面図
であり、そして図５は図４に示した研磨装置の、研磨し
ようとする薄板状基板を保持するための研磨動作前の状
態の回転基板保持装置を示した断面図である。なお、図
７に示した従来技術の研磨装置の構成部分と同一の構成
部分には同一の符号を付して説明する。

【００２７】この第２実施例の研磨装置１Ａは、基板保
持装置３を構成する、前記ガイドリング２４に相当する
ガイド装置３４が基板保持盤３２から独立させているこ
とと、ベローズ３５内に気体を供給し、加圧することは
第１の実施例と同様であるが、ガイド装置３４の上下に
はリニアブッシュ３５を用いた点が第１実施例の研磨装
置１と異なる点である。

【００２８】以下、本発明の第２実施例の研磨装置１Ａ
の構成を説明する。この研磨装置１Ａの研磨定盤１１０
部分の構成も従来技術のそれと同一の構成であるので、
この部分の説明は省略する。本発明の研磨装置１Ａにお
ける基板保持装置３も、従来技術の基板保持装置１２０
や本発明の第１実施例の研磨装置１における基板保持装
置２と同様に、前記研磨定盤１１０の上方に位置し、そ
して研磨定盤１１０の回転軸１１２から外れた、例え
ば、研磨定盤１１０の半径の中央部に回転中心があり、
自在継手３１Ａを介し、その上下に回転中心が整えられ
た上下可変軸３１Ｂ、３１Ｃからなる回転軸３１を中心
にして、例えば、前記研磨定盤１１０の回転数と同数の
３０ｒｐｍで、かつ同様の回転方向（矢印Ｒｂ）で回転
する。下可変軸３１Ｃの自在継手３１Ａの近傍周面には
回転軸３１に垂直に円盤状のフランジ３１０１が形成さ
れている。

【００２９】前記基板保持装置３は、図５にも示したよ
うに、その中心構成部であり、同一の厚みの円盤状基板
保持盤３２と、この基板保持盤３２の下面３２０１に固
定された半導体ウエハＳを保持するためのバッキングパ
ッド１２３と、このバッキングパッド１２３及び基板保
持盤３２の外周部を含めた全体を覆うように円形カップ
状のガイド３４が配設されている。

【００３０】前記回転軸３１の上可変軸３１Ｂから下可
変軸３１Ｃの上端部に形成されているフランジ３１０１
部分に掛けて、それらの中心部に貫通孔３１０２が形成
されており、その貫通孔３１０２の先端部は水平の貫通
孔で、前記フランジ３１０１の厚みの中央部に開けられ
た貫通孔３１０３に連通し、フランジ３１０１の下面３
１０４に開口している。

【００３１】前記カップ状ガイド３４は、その上面３４
０１が円筒状のリニアブッシュ３５とその上端面に連結
されている環状のベローズ３６とを介して前記フランジ
３１０１の下面３１０４に連結され、前記回転軸３１の
外周面に案内される状態で上下方向に伸縮自在に支持さ
れている。前記ベローズ３６が伸びきった時には前記カ
ップ状ガイド３４の平坦な下面３４０２は最下方位置と
なる。その最下方位置はバッキングパッド１２３に水吸
着された半導体ウエハＳの被研磨面より十分に下方まで
下がった位置である。また、カップ状ガイド３４は、そ
の上面３４０１が回転支持アーム３７で回転軸３１の下
可変軸３１Ｃに固定されている。従って、カップ状ガイ
ド３４は回転軸３１と一体となって回転する。

【００３２】前記ベローズ３６の上部開口はフランジ３
１０１の下面３１０４に開口している貫通孔３１０３
に、そして回転軸３１の貫通孔３１０２に接続されてい
る。前記貫通孔３１０３は、カップ状ガイド３４全体を
均一な押圧力で押圧するために、複数本、放射状に、そ
して対称的に配設するとよい。

【００３３】研磨時には、図５に示したように、半導体
ウエハＳをバッキングパッド１２３に水吸着させた状態
の基板保持装置３を研磨定盤１１０の研磨パッド１１１
上に載せ、そして前記第１の実施例と同様に、その半導
体ウエハＳにベローズ３６内の気体加圧面積による逆圧
分をプラスした圧力を加えて研磨する。カップ状ガイド
３４には、この研磨時、回転軸３１の貫通孔３１０２、
３１０３及びベローズ３６を通じて供給された気体がリ
ニアブッシュ３５の上端に加わり、図４の矢印Ｐｂで示
す押圧力が発生する。研磨時には、カップ状ガイド３４
の平坦な下面３４０２が研磨パッド１１１面と衝合する
ことにより下降することが阻まれ、前記押圧力Ｐｂに抗
し、ベローズ３６を縮め、半導体ウエハＳの被研磨面と
同一平面内に位置する。

【００３４】本第２実施例の研磨装置１Ａは第１実施例
の研磨装置１に比して、次のような利点がある。即ち、
半導体ウエハＳに高圧を掛けて研磨するような場合に
は、ベローズ単体よりもリニアブッシュを用いた方が半
導体ウエハＳを確実に押圧することができ、また、リニ
アブッシュ３５が大部分の下可変軸３１Ｃにより支持さ
れているため、カップ状ガイド３４が上下に振れること
がない。

【００３５】このような研磨装置１Ａで研磨すると、図
１に示した研磨装置１と同様に、半導体ウエハＳの被研
磨面はカップ状ガイド３４で見かけ上直径が拡大した状
態になり、そのため半導体ウエハＳの周辺部に生じがち
であった面だれが無くなり、半導体ウエハＳの被研磨面
の面内均一性の悪化を防止することができる。また、研
磨中、前記カップ状ガイド３４の存在により研磨中の半
導体ウエハＳの飛び出しを防止することができ、本実施
例におけるカップ状ガイド３４も本来の機能を果たす。
なお、図４においても、便宜上、研磨定盤１１０の右半
分のみを示した。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の薄板状基板の研磨方法及びそのための研磨装置を用い
ると、下記のような優れた効果が得られる。即ち、 １．薄板状基板の被研磨面の研磨による面内均一性が改
善される ２．薄板状基板の厚みむらはバッキングパッド及び研磨
パッドの圧縮率に影響されない ３．研磨圧がガイドリングやカップ状ガイドに直接伝わ
らないため、ガイドリングやカップ状ガイドの圧力変更
が容易で、最適圧を設定し易い ４．研磨液の研磨面への侵入量を制御できるため、研磨
レートを制御することができる などである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 研磨状態における本発明の薄板状基板の研磨
装置の一部を示した断面図である。

【図２】 図１に示した研磨装置の、研磨しようとする
薄板状基板を保持するための研磨前の状態の回転基板保
持装置を示した断面図である。

【図３】 半導体ウエハへの加圧と実加圧との換算グラ
フである。

【図４】 研磨状態における本発明の薄板状基板の研磨
装置の一部を示した断面図である。

【図５】 図４に示した研磨装置の、研磨しようとする
薄板状基板を保持するための研磨動作前の状態の回転基
板保持装置を示した断面図である。

【図６】 半導体ウエハの突出量と被研磨面の面内均一
性との関係を示すグラフである。

【図７】 研磨状態における従来技術の薄板状基板の研
磨装置の一部を示した断面図である。

【図８】 図７に示した研磨装置の、研磨しようとする
薄板状基板を保持するための研磨動作前の状態の従来技
術の回転基板保持装置を示した断面図である。

【符号の説明】

１，１Ａ…本発明の薄板状基板の研磨装置、２，３…基
板保持装置、２１，３１…回転軸、２２，２３…基板保
持盤、２４…ガイドリング、２５，３６…ベローズ、２
６…パイプ、３４…カップ状ガイド、３５…リニアブッ
シュ、３７…回転支持アーム、１１０…研磨定盤、１１
１…研磨パッド、１１２…回転軸、１２３…バッキング
パッド、１３０…ノズル、Ｓ…半導体ウエハ（薄板状基
板）、Ｌ…研磨液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 誠 東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周辺部にガイドリングが装着されている
   基板保持装置により保持された薄板状基板の被研磨面を
   研磨定盤の表面に装着された研磨パッドにより研磨する
   に当たり、前記ガイドリングの下面を前記薄板状基板の
   被研磨面と同一平面を形成する状態にして前記被研磨面
   を研磨することを特徴とする薄板状基板の研磨方法。
2. 【請求項２】 研磨定盤と、 該研磨定盤に対向して平行に研磨しようとする薄板状基
   板を保持できる薄板状基板保持部が形成されている基板
   保持装置と、 前記薄板状基板保持部の周辺部で前記研磨定盤の研磨面
   方向に可動自在に装着されているガイドリングと、から
   構成されていることを特徴とする薄板状基板の研磨装
   置。