JPWO2006090661A1 - 両面研磨装置用キャリアおよびこれを用いた両面研磨装置、両面研磨方法 - Google Patents

両面研磨装置用キャリアおよびこれを用いた両面研磨装置、両面研磨方法 Download PDF

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Abstract

両面研磨装置において、研磨布が貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアであって、前記キャリアの材質がチタンである両面研磨装置用キャリア。これにより、キャリア自体の強度が高く、かつ、例えばシリコンウェーハ等のウェーハへの不純物汚染が抑えられ、研磨後のウェーハの外周部のダレを抑制できる両面研磨装置用キャリアが提供される。

Description

本発明は、両面研磨装置において、ウェーハを研磨する際にウェーハを保持する両面研磨装置用キャリアに関する。
例えば半導体ウェーハを両面研磨する際、キャリアによって半導体ウェーハを保持して行っている。キャリアには保持孔が形成されており、半導体ウェーハをその保持孔に保持して、研磨布が貼付された上下の定盤の間に挟み込み、研磨面に研磨液を供給しながら上下定盤を回転させて半導体ウェーハの両面を同時に研磨する。
この両面研磨工程において、従来使用されているキャリアとしてはガラスエポキシ材のもの、SUS材むき出しのものやSUS材に樹脂コーティングを施したものが主流である。
しかし、ガラスエポキシ材のキャリアは研磨時の磨耗が大きくキャリアライフが短命でコストがかかり、また、キャリア立ち上げの時間を要して生産性が悪い。
そしてSUS材むき出しのキャリアに関しては、SUS材に含まれるFeやNiの半導体ウェーハへの汚染が発生する危険性がある。
次にSUS材の表面を樹脂コーティングしたキャリアがあるが、このキャリアもまた、樹脂が磨耗してライフが短く、半導体ウェーハへの金属汚染が生じる。さらに、研磨を行った半導体ウェーハの外周部にはダレが発生し易いという問題があった。
これを改良すべくSUS材に小孔をあけて、表裏の樹脂層を結合したキャリアが開示されているが、上述の問題点の決定的な解決には至っていない(特開平9−207064号公報参照)。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、キャリア自体の強度が高く、かつ、例えばシリコンウェーハ等のウェーハへの不純物汚染が抑えられ、研磨後のウェーハの外周部のダレを抑制できるキャリアを提供することを課題とする。
本発明は、両面研磨装置において、研磨布が貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアであって、前記キャリアの材質がチタンであることを特徴とする両面研磨装置用キャリアを提供する。
このように、両面研磨装置において、ウェーハを保持するキャリアの材質がチタンであれば、樹脂に比べて硬度が高く研磨時の磨耗も小さくてキャリアライフが向上する。また、チタン自体は例えばシリコン等の半導体ウェーハ中の拡散係数が小さく、不純物として問題となりにくいし、チタン中にはFeなどの拡散係数の大きい金属不純物が存在しないので、ウェーハへの金属不純物の汚染が抑えられる。また、このキャリアによってウェーハを保持して研磨を施せば、表面を厚い樹脂層で被う必要がないので、平坦度が高く、外周部にダレが生じていないウェーハを得ることができる。
このとき、前記キャリアの表面が窒化チタン膜、DLC(Diamond Like Carbon)膜のいずれかによりコーティングされたものであるのが望ましい。
このように、前記キャリアの表面が窒化チタン膜、DLC膜のいずれかによりコーティングされたものであれば、硬度がより上がって傷がつきにくくなり、研磨スラリーへ異物が脱落するのも抑えられて、キャリアライフの延命及びウェーハへの汚染抑制が可能となる。さらには、ウェーハのキズ不良を効果的に防止できる。
また、前記膜の厚さが0.3μm〜5μmであるのが望ましい。
このように、キャリアの表面にコーティングされた前記膜の厚さが0.3μm〜5μmであれば、窒化チタン、DLCは硬度が高いため、キャリアの保護として十分な厚さであり、また、樹脂コートに比べれば十分に薄いので、外周部にダレのないウェーハを得るのに妨げとならない。
また、前記上下定盤の間に挟まれたウェーハは半導体ウェーハであることが可能である。
このように、上下定盤の間に挟まれたウェーハを半導体ウェーハとすることができ、金属不純物の汚染が抑えられ、平坦度が高く、外周部にダレが生じていない半導体ウェーハを得ることが可能である。
そして、少なくとも、前記両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置が望ましい。
このように、前記本発明の両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置であれば、キャリア又はキャリア表面をコーティングする膜の硬度が高いため研磨時の磨耗が小さく、キャリアの傷や破損の発生を低減し、キャリアライフを延命することが可能である。また、例えば半導体ウェーハの研磨を行った場合、キャリアによる半導体ウェーハへの金属不純物の汚染を抑え、外周部のダレが生じていない半導体ウェーハに研磨することができる。
また、ウェーハを両面研磨する方法であって、研磨布が貼付された上下定盤の間に前記キャリアを配設し、該キャリアに形成された保持孔にウェーハを保持して、前記上下定盤の間に挟み込んで両面研磨するのが望ましい。
このように、前記本発明の両面研磨装置用キャリアの保持孔にウェーハを保持して、上下定盤の間に挟み込んで両面研磨すれば、キャリアの材質であるチタン中にはFeなどの拡散係数の大きい不純物が存在しないのでウェーハへの汚染が抑えられ、さらに、キャリアの表面を厚い樹脂で覆う必要がなく、そのためキャリアの平坦度が高く、外周部のダレが生じていないウェーハを得ることができる。
また、キャリアの硬度が高いため、磨耗が抑えられてキャリアライフが延び、コストを抑えて効率良くウェーハを両面研磨することが可能である。
本発明のように、両面研磨装置において、研磨布が貼付された上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための両面研磨装置用キャリアであって、前記キャリアの材質がチタンである両面研磨装置用キャリアであれば、樹脂に比べて硬度が高く研磨時の磨耗も小さいためにキャリアライフが向上し、また、Fe等の拡散係数の大きい金属不純物が存在しないため、ウェーハへの金属汚染を抑えることができる。さらに、厚い樹脂製のコーティングも不要であるので、外周部にダレがなく、平坦度の高いウェーハを得ることが可能である。
本発明の両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置の一例を示した縦断面図である。 平面視による両面研磨装置の内部構造図である。 本発明のキャリアの一例を示した概略図である。 (A)本発明のチタン製のキャリアによる半導体ウェーハの保持の様子を示す説明図である。(B)本発明のコーティングを有するキャリアによる半導体ウェーハの保持の様子を示す説明図である。 (C)従来の樹脂コーティングされたキャリアによる半導体ウェーハの保持の様子を示す説明図である。 実施例3、4・比較例2、3の分析結果である。 (A)実施例5の測定結果である。(B)比較例4の測定結果である。 実施例6、7の測定結果を比較したデータである。
以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
従来の両面研磨装置用キャリアには、特にガラスエポキシ材やSUS材に樹脂コーティングを施したものが使用されてきた。
しかし、これらのキャリアでは表面の硬度が低く、研磨時の磨耗が大きいためにキャリアライフが短命となりコストがかかる等の問題があった。さらに、研磨により例えばキャリア中のFeやNiといった拡散係数の大きい金属不純物によって半導体ウェーハが汚染される危険が高い。また、表面に100〜200μmといった厚い樹脂が必要で、ウェーハ周辺の研磨布を押し圧する力が低下し、研磨後の半導体ウェーハの平面度に関して、外周部がダレてしまう問題があった。
そこで本発明者らは、両面研磨装置において、研磨布が貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアであって、前記キャリアの材質がチタンである両面研磨装置用キャリアを考え出した。
このような両面研磨装置用キャリアであれば、表面が樹脂コーティングされたものに比べ硬度が十分に高く研磨時の磨耗も小さいためにキャリアライフが向上し、また、Fe等の拡散係数の大きい金属不純物が存在しないため、ウェーハへの金属汚染を抑えることができる。さらに、厚い樹脂コーティングが不要であるので、研磨時に、研磨後のウェーハの外周部のダレの発生を抑制することができることを見出し、本発明を完成させた。
以下では、本発明の実施の形態について図を用いて説明をする。
ここで、図1は本発明の両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置の縦断面図、図2は平面視による両面研磨装置の内部構造図、図3は本発明の両面研磨装置用キャリアの概略図、図4は本発明と従来のキャリアによる半導体ウェーハの保持の様子を示す説明図である。
本発明は、ウェーハの両面を同時に研磨する両面研磨装置において、ウェーハを保持しておくキャリアの改良に関するものであり、まず両面研磨装置の概要について図1及び図2を用いて説明する。
なお、本発明のキャリアに適用できるウェーハは特に限定されるものではない。例えば、シリコンや、石英、GaAs等のウェーハとすることができる。ここでは、シリコン等の半導体ウェーハを例に挙げて説明する。
本発明のチタン製の両面研磨装置用キャリア1を具備した両面研磨装置10は、上下に相対向して設けられた下定盤11と上定盤12を備えており、各定盤11、12の対向面側には、それぞれ研磨布11a、12aが貼付されている。また、上定盤12の上部には研磨スラリーを供給するノズル15、上定盤12には貫通孔16が設けられている。そして上定盤12と下定盤11の間の中心部にはサンギヤ13が、周縁部にはインターナルギヤ14が設けられている。半導体ウェーハWはキャリア1の保持孔4に保持され、上定盤12と下定盤11の間に挟まれている。
サンギヤ13及びインターナルギヤ14の各歯部にはキャリア1の外周歯が噛合しており、上定盤12及び下定盤11が不図示の駆動源によって回転されるのに伴い、キャリア1は自転しつつサンギヤ13の周りを公転する。このとき半導体ウェーハWはキャリア1の保持孔4で保持されており、上下の研磨布11a及び12aにより両面を同時に研磨される。なお、研磨時には、ノズル15から貫通孔16を通して研磨スラリーが供給される。
このような本発明の両面研磨装置用キャリアを具備した両面研磨装置10であれば、キャリア1の硬度が高いため研磨時の磨耗が小さく傷や破損が低減し、キャリアライフが長くなり、コストを抑えることができる。また、研磨を行った場合、キャリア1による半導体ウェーハWへの金属不純物の汚染を抑えて研磨し、外周部のダレが抑制された半導体ウェーハを得ることができる。特に、近年シリコン等の半導体ウェーハの口径が大口径化しており、キャリアも大型化してライフが一層短くなっていることから、本発明はこのような直径200mm以上、特には300mm以上といった大口径ウェーハの研磨装置に有効である。
次に図3を用いて本発明の両面研磨装置用キャリアについて説明をする。
キャリア1には、保持孔4があけられており、その保持孔4の内周に沿ってウェーハのエッジ部に傷をつけないようにするための半導体ウェーハ保持部3が設けられている。また、キャリア1には保持孔4とは別に研磨液を通すための研磨液孔2があけられており、外周部には外周歯5が設けられている。
本発明のキャリア1の主材質はチタンであり、表面において、例えば従来のSUS材に樹脂コーティングを施したものよりも硬度が高く、かつ、FeやNiなどの拡散係数の大きな不純物が存在しない。このため、傷や破損等が低減されてキャリアライフが長く、また、半導体ウェーハWの金属汚染を抑制することが可能である。
さらにキャリア1の表面を窒化チタン膜、DLC膜のいずれかでコーティングを施せば、表面をより硬くすることができ、キャリアライフをより延命することが可能になる。これらの膜の形成方法は特に限定されず、例えば、CVD法により堆積させてもよいし、窒素雰囲気中で熱処理することによって、表面を窒素と反応させて形成させる方法がある。またスパッタリングにより膜を形成してもよい。これらの形成方法であれば膜ムラも少なく、均一な表面とすることが可能である。
従来のキャリアの材質であるSUSの硬度は420Hvであり、本発明のキャリア1の材質であるTiの硬度は220Hvである。従って、従来はTiはSUSに比べて硬度が低く、キャリアの材質として使用できないものと考えられていた。しかし、上述したようにSUS材むき出しのものでは半導体ウェーハWへの致命的な金属汚染が生じ、実際には金属汚染を抑制するためにSUS材に樹脂コーティングを施すことが必須である。このため、材質がチタンである本発明のキャリア1の表面は、表面が樹脂で覆われている従来のキャリアよりも硬い。従って、ライフも長くできる。さらに、窒化チタン及びDLCの硬度はそれぞれ2200Hv、3000〜5000Hvであり、キャリアの表面を窒化チタン膜、DLC膜のいずれかで覆うことにより、硬度がより高くなり、よりライフを長くすることができる。
さらには、これらの窒化チタンやDLCの膜で覆うことによって、ウェーハのキズ不良の発生を効果的に防止できる。
これは、研磨中にキャリア母体が削れ、研磨スラリーに混ざってウェーハを傷つけるのを硬度の高いこれらの膜でキャリア母体を保護することにより防ぐことができるためと考えられる。また、キャリアの厚さをラッピングして加工した際に、ラップ材がキャリア表面に汚れとして付着し、キャリアの洗浄を行っても除去できない場合においても、この汚れごとキャリア表面をコーティングすることになるので、それによってウェーハのキズ発生を防ぐことができると思われる。
一方、保持孔4の周辺の保持部3は例えばアラミド樹脂でできており、半導体ウェーハWを保持する際に、半導体ウェーハWの面取り部を傷付けないよう保護するために設けられている。
そして、研磨液孔2は研磨時に供給される研磨スラリーを通すための穴であり、この穴を通じて下面側の研磨面にも満遍なく研磨スラリーが供給される。
外周歯5は上述のようにサンギヤ13、インターナルギヤ14と噛合し、研磨時、キャリア1はサンギヤ13の周りを自転及び公転する。
次に図4を用いて本発明のキャリアが、研磨におけるウェーハ周辺のダレ防止に有効であることについて説明する。それぞれ、(A)材質がチタンのキャリア、(B)材質がチタンで表面を窒化チタン膜、DLC膜のいずれかでコーティングしたキャリア、(C)材質がSUS材で表面を樹脂でコーティングしたキャリア、で半導体ウェーハを保持している様子を示しており、(A)、(B)が本発明のキャリアを、(C)が従来のキャリアを用いた場合の説明図である。
(A)、(B)、(C)のキャリア41、42、43はそれぞれキャリア母体44、45、46と、保持部40を有している。ただし、キャリア42、43の表面には膜47、48が形成されている。上述のように母体44、45の材質はチタンで、母体46の材質はSUSである。また、保持部40はいずれもアラミド樹脂からなり、膜47は窒化チタン、DLCのいずれかであり、膜48は例えばポリカーボネート材等の樹脂である。
図4(C)で示すように、従来のキャリア、すなわちSUS材に樹脂コーティングを施したキャリア43は、膜48の厚さが100〜200μm必要であり、その分キャリア母体46は薄く、保持部40と膜48の表面では段差が生じる。従って、厚い膜48の樹脂の弾性によって、研磨の際、ウェーハ周辺部の保持部40の直下の部分では研磨布を十分には押し圧することができない。すなわち、リテーナー効果が低減して、保持部40付近の研磨布がよれて半導体ウェーハWの外周部を余分に削ってしまい、外周部のダレが発生する。
また、リテーナー効果の低減を防ぐために樹脂コーティングをせずにSUS材むき出しのものや、膜48の厚さを薄くして保持部40との段差をなくしたもので研磨を行った場合は、半導体ウェーハWへの金属汚染が生じて使いものにならない。
一方、本発明のキャリア41では、母体44の材質はチタンであり樹脂より硬く、半導体ウェーハWへの汚染も抑制されるため、樹脂コーティング等で表面を覆わずにすむので、図4(A)に示すように段差が生じず、保持部40の高さを十分設けることができる。このため、保持部40付近の研磨布を十分に押し圧することができるので、半導体ウェーハWの面取り部が余分に研磨されることはなく、研磨後の外周部のダレを抑制し、高い平坦度を有する半導体ウェーハを得ることが可能である。
また、図4(B)に示すように、本発明のキャリア42では、キャリア母体45の表面に膜47のコーティングを施しても、その厚さは0.3〜5μmの薄さで十分であるため、ほとんど段差は生じない。従って、リテーナー効果はほとんど低減せず、研磨後の半導体ウェーハの外周部のダレへの影響は抑えられ、高い平坦度を有する半導体ウェーハを得ることができる。
このように、本発明の両面研磨装置用キャリア1を用いた両面研磨方法であれば、キャリアライフを向上させ、金属汚染や外周部のダレが抑制された高品質の半導体ウェーハWを効率良く得ることが可能である。
なお、上記では遊星式の両面研磨装置のキャリアを例として述べてきたが、本発明の両面研磨装置用キャリアは遊星式に限定されず、揺動式の両面研磨装置のキャリアに採用しても有効である。
以下に本発明の実施例および比較例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
(実施例1、2・比較例1)
まず、本発明のキャリアと従来のキャリアを一定の研磨条件でキャリアの厚さが規格外となるまで研磨し、かかった時間を計測した。測定したキャリアは、形状が図3のようなもので、チタン材むき出しのもの(厚さ778μm:実施例1)、チタン材の表面をDLC膜でコーティングしたもの(チタン材の厚さ774μm、DLC膜の厚さ2μm:実施例2)、SUS材の表面に樹脂コーティングを施したもの(SUSの厚さ598μm、樹脂コーティングの厚さ90μm:比較例1)の3つである。
実施例1、2ではそれぞれ16000分、20800分かかり、比較例1では800分かかった。
このように、本発明の両面研磨装置用キャリアを用いれば、硬度が高く耐久性があり、キャリアライフが長く、コスト低減につながることが判る。
(実施例3、4・比較例2、3)
次に、サンプルウェーハとして、直径300mmのシリコンウェーハを用意した。このシリコンウェーハをキャリアに保持して、図1、2に示したような両面研磨装置を用いて600分間両面研磨を行った。
この後、研磨後のサンプルウェーハを袋に入れて、硝酸とフッ酸の混合液を入れて煮沸し、袋の中の液体の不純物をICP−MSで分析する。
サンプルウェーハを保持するキャリアとして、材質がチタンでコーティングなしのもの(実施例3、4)、材質がSUSで表面を樹脂コーティングしたもの(比較例2、3)を用意し、各キャリアを用いて上述の実験を行った。
実施例3、4、比較例2、3の分析結果を図5に示す。
図5より、本発明のキャリアを使用した実施例3、4と、従来のキャリアを使用した比較例2、3では、FeとNiの濃度において大きな差が生じていることが判る。なお、実施例・比較例の研磨前のそれぞれのFe、Niの濃度は、実施例の研磨後の分析結果と同じ値だった。これより、比較例ではキャリア中のFe、Niによってサンプルウェーハが汚染され、一方実施例においてはサンプルウェーハへの汚染がないことが判る。
また、Tiの濃度に関しては実施例・比較例共に、研磨前と研磨後でほとんど変化がなかった。
このように、本発明のキャリアのように材質をチタンとすれば、金属不純物による半導体ウェーハへの汚染を抑制することができることが判る。
(実施例5・比較例4)
次に、本発明である材質がチタンのキャリアを用いてサンプルウェーハを両面研磨して、研磨後のサンプルウェーハの形状のデータを計測して(測定器:黒田精工社製ナノメトロ300TT)、GBIR、SFQR(max)、SBIR(max)、ロールオフの測定を行った(実施例5)。
さらに、従来のものである、SUS材に樹脂コーティングを施したキャリアを用いて実施例5と同様両面研磨を行い、その後測定した(比較例4)。
なお、GBIR(global backside ideal range)とはウェーハ裏面を平面に矯正した状態で、ウェーハ面内に1つの基準面を持ち、この基準面に対する最大、最小の位置変位の差を示す。
また、SFQR(site front least squares range)はウェーハ裏面を平面に矯正した状態で、設定されたサイト内でデータを最小二乗法にて算出したサイト内平面を基準平面とし、各サイト毎のこの平面からの最大、最小の位置変位の差を示す。(max)とは、各サイト毎のその差のうち最大のものを指す。
SBIR(site back ideal range)はウェーハ裏面を平面に矯正した状態で、裏面基準面にて各サイト毎の表面高さの最大値と最小値の差を指す。(max)はSFQRと同様、各サイト毎のその差のうち最大のものを指す。
そしてロールオフとはウェーハ最外周部のダレであり、ウェーハ裏面を平面に矯正した状態で、中心部と外周部の表面高さの最大値と最小値の差を指す。
実施例5・比較例4の測定結果を図6(A)、(B)に示す。
このように、各データにおいて本発明のキャリアを使用した実施例5では、従来のキャリアを使用した比較例4よりもいずれも小さい値を示しており、平坦度がより高いことが判る。特に周辺のダレを防止する効果が高い。一方、比較例4のデータより外周部のダレの様子がよく確認できる(図6(B)円で囲まれた部分)。
比較例4では、SUS材の表面に樹脂コーティングが施されており、ウェーハ保持部のアラミド樹脂の高さが実施例の本発明のキャリアの場合に比べて低くなっており、キャリア表面と保持部の表面とで段差が生じている。加えて、表面の樹脂の弾性の影響から、リテーナー効果が低下したため、研磨布がよれてサンプルウェーハの周辺部を余分に研磨し、外周部にダレが生じたと思われる。
このように、本発明のキャリアを使用してウェーハを両面研磨すれば、平坦度が高く、外周部にダレが生じていない半導体ウェーハを得ることができる。
(実施例6、7)
サンプルウェーハを保持するキャリアとして、材質がチタンで、コーティングなしのもの(実施例6)、DLC膜でコーティングしたもの(実施例7)を用意し、図1、2に示したような両面研磨装置を用い、それぞれサンプルウェーハ250枚に両面研磨を施した。
研磨後のサンプルウェーハを、ウェーハ裏面検査装置RXM−1227E(レイテックス社製)にかけ、CCDによる画像処理によってウェーハ裏面のキズの有無を確認した。
このとき、上記方法により検出されたキズが一つでもあればキズ不良(ただし、再研磨でウェーハは再生可能なので、ウェーハの不良とは限らない)と判定した。
実施例6と7のウェーハ裏面のキズ不良率を相対比で図7に示す。
図7より、DLC膜をコーティングしたキャリアを用いれば、ウェーハにキズが発生するのを効果的に防止することができ、より高品質のウェーハを得られることが判る。
なお、本発明は、上記形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (6)

  1. 両面研磨装置において、研磨布が貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれたウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアであって、前記キャリアの材質がチタンであることを特徴とする両面研磨装置用キャリア。
  2. 前記キャリアの表面が窒化チタン膜、DLC膜のいずれかによりコーティングされたものであることを特徴とする請求項1に記載の両面研磨装置用キャリア。
  3. 前記膜の厚さが0.3μm〜5μmであることを特徴とする請求項2に記載の両面研磨装置用キャリア。
  4. 前記上下定盤の間に挟まれたウェーハは半導体ウェーハであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリア。
  5. 少なくとも、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリアを具備したものであることを特徴とする両面研磨装置。
  6. ウェーハを両面研磨する方法であって、研磨布が貼付された上下定盤の間に請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のキャリアを配設し、該キャリアに形成された保持孔にウェーハを保持して、前記上下定盤の間に挟み込んで両面研磨することを特徴とするウェーハの両面研磨方法。
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