WO2018116690A1 - シリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法 - Google Patents

シリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法 Download PDF

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一樹 西岡
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    • B24B37/07—Lapping machines or devices; Accessories designed for working plane surfaces characterised by the movement of the work or lapping tool
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    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Definitions

  • the present invention relates to a single wafer single side polishing method for a silicon wafer.
  • Silicon wafers are widely used as semiconductor device substrates.
  • a silicon wafer is generally processed into a polished wafer by starting with a silicon single crystal ingot pulling process, going through a slicing process, a surface grinding process, an etching process, and a polishing process, and finally cleaned. .
  • the polishing process of the silicon wafer it is common to perform polishing in a plurality of stages such as rough polishing and finish polishing.
  • double-side polishing method both sides of the silicon wafer are simultaneously polished
  • the flatness of the polished silicon wafer is reduced (flatness is improved).
  • single-side polishing method only one side of the silicon wafer is polished.
  • single-side polishing although flatness after double-side polishing is deteriorated to some extent, processing damage that can be caused by double-side polishing is removed, and the surface roughness of the polished surface of the silicon wafer is improved.
  • the single-side polishing method may be performed in a plurality of stages by changing the type of polishing cloth, the size of the abrasive grains in the polishing liquid, and the alkali concentration.
  • the single-side polishing apparatus 100 includes a polishing head 120 that holds the silicon wafer 10 and a rotating surface plate 140 to which a polishing cloth 150 is attached.
  • the single-side polishing apparatus 100 includes a rotating mechanism that rotates the polishing head 120 and a moving mechanism that moves the polishing head 120 in and out of the rotating surface plate 140.
  • the surface to be polished of the semiconductor wafer 10 that is, the side of the rotary platen 140 side
  • the polishing head 120 holds the semiconductor wafer 10.
  • polishing head 120 and the rotating surface plate 140 together to move the polishing head 120 and the rotating surface plate 140 relative to each other so that the polishing liquid 170 is supplied from the polishing liquid supply means 160 and the silicon wafer 10
  • the surface to be polished is subjected to chemical mechanical polishing.
  • the applicant of the present application has proposed a single-side polishing method that significantly increases the relative speed between the silicon wafer and the polishing cloth as compared with the conventional technique and significantly reduces the surface roughness of the polished silicon wafer. .
  • the present inventor examined the influence of relative speed on the flatness and surface roughness after polishing when polishing the polished surface of a silicon wafer with a polishing head equipped with a retainer ring in a single-wafer single-side polishing method. .
  • the polishing head 120 including the retainer ring 124 holds the silicon wafer 10, and one side of the silicon wafer (that is, the surface to be polished) is polished.
  • a schematic diagram is shown in FIG. In FIG.
  • the polishing head 120 includes a backing plate 122 that chucks the silicon wafer 10, and a retainer ring 124 that prevents the silicon wafer 10 that is being polished from popping out is provided at the periphery of the backing plate 122.
  • Single-sided single-side polishing is performed with one side (surface to be polished) of the silicon wafer 10 protruding from the lower end of the retainer ring 124.
  • the polishing cloth 150 which is an elastic body, sinks below the silicon wafer 10 by pressing from the polishing head 120.
  • the polishing liquid 170 supplied onto the polishing cloth 150 flows from the center of the rotating surface plate 140 and the polishing cloth 150 toward the peripheral edge due to the centrifugal force generated by the rotation of the rotating surface plate 140. That is, the polishing liquid 170 flows into the slight gap between the silicon wafer 10 and the retainer ring 124 and the polishing pad 150.
  • the pressure (that is, the hydraulic pressure applied to the retainer surface 124A by the polishing liquid 170 flowing from the outer peripheral side to the inner peripheral side of the retainer ring 124 at the position of the retainer surface 124A, hereinafter referred to as “retainer hydraulic pressure”) is also high.
  • the retainer fluid pressure increases, the compressive amount (deformation amount) of the polishing pad 150 increases on the retainer surface 124A side, and the surface pressure stress of the polishing pad 150 acting on the peripheral edge of the silicon wafer 10 decreases.
  • an object of the present invention is to provide a single wafer single-side polishing method for a silicon wafer that can suppress an increase in outer peripheral flatness as compared with the conventional one while reducing the surface roughness of the silicon wafer.
  • the inventor has intensively studied how to solve the above problems.
  • the inventor has paid attention to a change in the surface roughness in the single-wafer single-side polishing method and a change with time in an increase in the outer flatness.
  • the influence of the retainer fluid pressure on the outer peripheral flatness due to the relative speed is as described above, the influence of the relative speed on the surface roughness over time and the influence on the outer flatness over time are different.
  • the present inventor has paid attention to the great difference. In other words, when the single-side polishing is started, the surface roughness decreases rapidly, and as the polishing amount increases, the reduction effect is saturated, while the outer peripheral flatness deteriorates in proportion to the polishing amount. The inventor found out.
  • the inventor changed the relative speed in the single-wafer single-side polishing method and increased the relative speed after the change, thereby obtaining the effect of reducing the surface roughness due to the high-speed relative speed after the change, It has been found that an increase in the outer peripheral flatness due to a high relative speed can be suppressed as compared with the prior art, and the present invention has been completed. That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
  • a silicon wafer is held by a polishing head having a retainer ring so that one side of the silicon wafer protrudes from a lower end of the retainer ring, and a polishing cloth is adhered while rotating the silicon wafer by the polishing head.
  • a single wafer single-side polishing method for a silicon wafer in which a polishing liquid is supplied onto the surface of the polishing cloth while pressing the one surface of the silicon wafer against a rotating surface plate to polish the one surface of the silicon wafer.
  • Single-sided silicon wafer wherein the relative speed between the center position of the silicon wafer and the rotating platen is changed at least once, and the relative speed is increased each time the relative speed is changed. Polishing method.
  • the relative speed between the center position of the silicon wafer and the rotating surface plate is the magnitude of the speed in the tangential direction of the locus drawn by the silicon wafer center when the silicon wafer being polished is viewed in plan.
  • pointing. 1 to 3 will be described in detail by way of example. 1 to 3, the silicon wafer 10 rotates (rotates) counterclockwise by the rotation of the polishing head 120. Further, with the rotation of the polishing cloth 150 affixed on the rotating surface plate 140, the center position of the silicon wafer 10 rotates counterclockwise around the center position O of the rotating surface plate 140, and the locus T is drawn.
  • the magnitude of the tangential speed of the trajectory T corresponds to the relative speed V.
  • the relative speed V is determined by the rotational speed of the rotating surface plate 140 and the distance from the center O of the rotating surface plate 140 to the center of the silicon wafer 10.
  • the center position of the silicon wafer 10 may swing in the radial direction of the rotating surface plate 140 due to the movement of the polishing head 120 in the radial direction, and the relative speed V may fluctuate periodically.
  • an average value (average speed) of tangential speeds of the trajectory T is used.
  • the present invention it is possible to provide a single wafer single-side polishing method for a silicon wafer that can suppress an increase in outer peripheral flatness as compared with the conventional one while reducing the surface roughness of the silicon wafer.
  • the silicon wafer 10 is held by a polishing head 120 having a retainer ring 124, and one side ( Hereinafter, the “surface to be polished” is projected from the lower end of the retainer ring 124 and the silicon wafer 10 is rotated by the polishing head 120 while the surface to be polished of the silicon wafer 10 is rotated on the rotating surface plate 140 to which the polishing cloth 150 is attached.
  • the polishing liquid 170 is supplied onto the surface of the polishing pad 150 to polish the surface to be polished of the silicon wafer 10. Then, the relative speed between the center position of the silicon wafer 10 and the rotating surface plate 140 is changed at least once, and the relative speed is increased each time the relative speed is changed.
  • the polishing head 120 and the rotating surface plate 140 are rotated in the same direction (counterclockwise), but they may be rotated in different directions.
  • polishing at the first relative speed (relative speed at the initial stage of polishing) before changing the relative speed is referred to as a first polishing step
  • polishing at the second relative speed after changing the relative speed is second.
  • Each of the first polishing step and the second polishing step can be performed by a general single-side polishing apparatus.
  • the relative speed when starting single-side polishing, the relative speed is set to a relatively low relative speed V L, and then the relative speed is changed to a relatively high relative speed V H.
  • V L the relative speed
  • V H a relatively high relative speed due to the relative speed V H.
  • the outer peripheral flatness because until you change the relative speed can be increased suppression of the outer peripheral flatness by polishing by the relative velocity V L, than was polished only at a relative speed V H, the outer peripheral flatness The increase can be suppressed.
  • the relative speed is changed and the relative speed is increased, so that silicon that can suppress the increase in the outer peripheral flatness while reducing the surface roughness of the silicon wafer as compared with the conventional silicon.
  • a single wafer single side polishing method of a wafer can be provided.
  • the first relative speed before changing the relative speed is 40% or less of the second relative speed after changing the relative speed.
  • the polishing amount of the silicon wafer at the first relative speed is preferably larger than the polishing amount of the silicon wafer at the second relative speed.
  • the surface roughness of the silicon wafer is changed by changing only the relative speed without changing the type of polishing cloth, the abrasive grain size and the alkali concentration in the polishing liquid, and the like.
  • the increase in the outer peripheral flatness can be suppressed as compared with the conventional one while reducing the thickness. Therefore, it is clearly distinguished from a single-side polishing method performed in multiple stages, which involves changing the polishing liquid.
  • the single-wafer single-side polishing method according to this embodiment is particularly suitable for finish polishing in which single-side polishing is performed using a relatively soft polishing cloth such as a suede material, but the type of polishing cloth is not limited at all.
  • the relative speed is not limited, but the final relative speed is preferably 200 m / min or less, and more preferably 100 m / min or less.
  • polishing load to the silicon wafer 10 is preferably set to 400 gf / cm 2 or less, and more preferably to 300 gf / cm 2 or less.
  • the polishing head 120 a general one used in a single-side polishing apparatus can be used, and the chucking method of the backing plate 122 is arbitrary, such as an adsorption method by surface tension with a liquid such as water and a vacuum chuck method. Further, as described above, the attachment method of the retainer ring 124 to the polishing head 120 is arbitrary.
  • the type of the polishing liquid 170 is not particularly limited, and for example, an alkaline aqueous solution containing free abrasive grains or an alkaline aqueous solution containing no free abrasive grains can be used.
  • Example 1 A silicon wafer having a diameter of 300 mm is prepared, a polishing cloth made of suede is placed on the surface of the surface plate, and an alkaline polishing liquid is supplied as the polishing liquid while using a single wafer single-side polishing apparatus according to FIGS. Single-wafer single-side polishing was performed.
  • the rotating direction of the polishing head and the rotating surface plate was the same direction.
  • the pressure applied when pressing the silicon wafer against the rotating platen is 200 gf / cm 2
  • the total polishing amount is set to 1 ⁇ m
  • the initial relative speed is 18.8 m / min
  • the polishing amount is 0.6 ⁇ m.
  • only the rotational speed of the rotating surface plate was increased, and the relative speed was increased to 47 m / min.
  • polishing was terminated when the polishing time for obtaining a predetermined polishing amount was reached, and the polishing amount, surface roughness, and outer peripheral flatness in that state were measured as follows. The relationship between the polishing amount and the polishing time was determined in advance.
  • ESFQR Error flatness, metric, Sector, based, Front, surface, reference, least, sQuares, fit, reference, plane, Range, of data, within, sector
  • the absolute value of the maximum displacement from the reference plane obtained by the least square method for the wafer thickness of each area of the sector (72 mm in the circumferential direction within the range of 30 mm from the outer periphery of the wafer) formed in the peripheral area of It is obtained by calculating the sum.
  • the flatness of a wafer is so favorable that the value of ESFQR is small.
  • FIG. 5 shows that the effect of reducing the surface roughness was saturating immediately before the relative speed was increased, but it was confirmed that the surface roughness could be further reduced by increasing the relative speed. It was also confirmed that the increase in the outer peripheral flatness was faster (the deterioration of the flatness was faster) at a higher speed than at a lower relative speed.
  • Example 2 Single wafer polishing of a silicon wafer was performed in the same manner as in Experimental Example 1 except that the conditions for changing the relative speed were as shown in Table 1 below. That is, the total polishing amount was set to 1 ⁇ m, and when the polishing amount reached 0.6 ⁇ m, the relative speeds as shown in Table 1 were changed in Invention Examples 1 to 4. On the other hand, in the conventional examples 1 and 2, the relative speed was not changed. Further, the measurement conditions were the same as in Experimental Example 1, and the flatness and surface roughness of the outer circumferences of Invention Examples 1 to 4 and Conventional Examples 1 and 2 after polishing of 1 ⁇ m were measured. The measurement results are shown in Table 1 below together with the conditions for changing the relative speed.
  • any of the inventive examples 1 to 4 can obtain a peripheral flatness better than that of the conventional example 2, and a surface roughness better than that of the conventional example 1.
  • the relative speed before changing the relative speed is 40% or less of the changed relative speed
  • the outer periphery flatness better than that of Conventional Examples 1 and 2 is obtained.
  • the surface roughness could be greatly reduced, and it was confirmed that both good outer peripheral flatness and good surface roughness could be achieved.
  • the present invention it is possible to provide a single wafer single-side polishing method for a silicon wafer that can suppress an increase in outer peripheral flatness while reducing the surface roughness of the silicon wafer. Useful.

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Abstract

シリコンウェーハの表面粗さを低減しつつ、外周平坦度の増大を従来よりも抑制することのできるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法を提供する。　本発明によるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法は、リテーナリングを備える研磨ヘッドを用い、シリコンウェーハの中心位置と回転定盤との相対速度を１回以上変更し、該相対速度の変更を行う度に、該相対速度を増大させることを特徴とする。

Description

シリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法
　本発明は、シリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法に関する。
　半導体デバイスの基板として、シリコンウェーハが広く用いられている。シリコンウェーハは、一般的にシリコン単結晶インゴットの引き上げ工程に始まり、スライス工程、平面研削工程、エッチング工程および研磨工程を経て、最終洗浄されることにより、ポリッシュドウェーハ(Polished Wafer)に加工される。
　ここで、シリコンウェーハの研磨工程では、粗研磨および仕上げ研磨などの複数段階で研磨を行うことが一般的である。この場合、粗研磨では、シリコンウェーハの両面を同時に研磨し（「両面研磨法」と呼ばれる）、研磨後のシリコンウェーハの平坦度を小さくする（平坦性を良好にする）。続く仕上げ研磨では、シリコンウェーハの片面のみを研磨（「片面研磨法」と呼ばれる）する。片面研磨では、両面研磨後の平坦性を少なからず悪化させるものの、両面研磨により生じ得る加工ダメージを除去し、また、シリコンウェーハの被研磨面の表面粗さを改善する。なお、研磨布の種類、研磨液中の砥粒サイズおよびアルカリ濃度を変更するなどして、複数段階に分けて片面研磨法を行うこともある。
　ここで、図１を用いて、従来用いられている片面研磨装置１００による一般的な枚葉式片面研磨方法を説明する。片面研磨装置１００は、シリコンウェーハ１０を把持する研磨ヘッド１２０と、研磨布１５０が貼付された回転定盤１４０とを有する。なお、片面研磨装置１００は、研磨ヘッド１２０を回転させる回転機構と、研磨ヘッド１２０を回転定盤１４０の内外に移動させる移動機構を備える。片面研磨装置１００においては、研磨ヘッド１２０が半導体ウェーハ１０を保持しつつ回転定盤１４０の上面に貼付された研磨布１５０に対して半導体ウェーハ１０の被研磨面（すなわち、回転定盤１４０側の面）を押圧し、研磨ヘッド１２０と回転定盤１４０を共に回転させることにより研磨ヘッド１２０と回転定盤１４０とを相対運動させ、研磨液供給手段１６０から研磨液１７０を供給しながらシリコンウェーハ１０の被研磨面を化学機械研磨する。
　本願出願人は、特許文献１において、シリコンウェーハと研磨布との相対速度を従来よりも大幅に高めて、研磨後のシリコンウェーハの表面粗さを顕著に低減する片面研磨方法を提案している。
特開２０００－１５５７１号公報
　ところで近年、シリコンウェーハの大口径化および該シリコンウェーハを用いて形成されるデバイスの微細化が進行している。片面研磨法による仕上げ研磨後のシリコンウェーハへの、表面の平坦性および表面粗さに対する要求が近年、益々厳しくなっている。特許文献１に記載の技術により、シリコンウェーハの表面粗さを大幅に低減することはできるものの、片面研磨を行えば、既述のとおり両面研磨後のシリコンウェーハの平坦度からは少なからず悪化してしまう。そのため、平坦度の悪化を抑制する観点では枚葉式片面研磨方法を改善する余地がある。
　本発明者は、枚葉式片面研磨方法において、リテーナリングを備える研磨ヘッドによりシリコンウェーハの被研磨面を研磨するときの、研磨後の平坦度および表面粗さに関しての相対速度の影響について検討した。図１を用いて既述した枚葉式片面研磨法において、リテーナリング１２４を備える研磨ヘッド１２０がシリコンウェーハ１０を保持し、該シリコンウェーハの片面（すなわち、被研磨面）が研磨される際の模式図を図２に示す。図２において、研磨ヘッド１２０はシリコンウェーハ１０をチャックするバッキングプレート１２２を備え、該バッキングプレート１２２の周縁部に研磨中のシリコンウェーハ１０の飛び出しを防止するリテーナリング１２４が設けられている。シリコンウェーハ１０の片面（被研磨面）は、リテーナリング１２４の下端よりも突出した状態で枚葉式片面研磨が行われる。図２に模式的に示されるように、弾性体である研磨布１５０は、研磨ヘッド１２０からの押圧により、シリコンウェーハ１０の下方において沈み込む。研磨布１５０上に供給される研磨液１７０は、回転定盤１４０の回転による遠心力により、回転定盤１４０および研磨布１５０の中心から周縁方向へ流れ込む。すなわち、研磨液１７０は、シリコンウェーハ１０およびリテーナリング１２４と、研磨布１５０との間の僅かな間隙に沈入して流れ込む。
　平面視でのシリコンウェーハ１０の中心位置と、回転定盤１４０（研磨布１５０）との相対速度（図３の相対速度Ｖを併せて参照）が低速化すると、研磨布１５０上での研磨液１７０への遠心力が低下する。当該遠心力が低下すれば、回転定盤１４０から零れ落ちる研磨液１７０の液量が減少し、回転定盤１４０上の研磨液１７０の高さが高くなる。当該高さが高くなると、リテーナリング１２４の、回転定盤１４０中心側のリテーナ面１２４Ａに新たに流入しようとする研磨液１７０の液量が増加し、リテーナ面１２４Ａに作用する研磨液１７０の液圧（すなわち、リテーナ面１２４Ａの位置でのリテーナリング１２４の外周側から内周側に流入する研磨液１７０によるリテーナ面１２４Ａへの液圧であり、以下「リテーナ液圧」と言う。）も高くなる。リテーナ液圧が高くなると、リテーナ面１２４Ａ側では研磨布１５０の圧縮量（変形量）が増大するため、シリコンウェーハ１０の周縁部に作用する研磨布１５０の面圧応力が低下する。こうした現象に伴い、相対速度が低速の場合には、片面研磨に伴うシリコンウェーハ１０のエッジ部でのロールオフ量（エッジロールオフ）の悪化が比較的抑制されやすくなるため、外周平坦度の増大（平坦性は悪化）も抑制されやすくなる。ただし、上記相対速度の低下により化学機械研磨の作用も低下するため、表面粗さの低減効果も抑制されてしまう。
　一方、上記相対速度を高速化すれば、特許文献１と同様に表面粗さを大幅に低減することができる。しかしながら、前述したリテーナ液圧が低下するため、相対速度が低速の場合に比べると、エッジロールオフが増大することとなり、外周平坦度の増大が比較的速くなってしまう。このように、リテーナリングを備える研磨ヘッドによりシリコンウェーハを枚葉式片面研磨する場合には、表面粗さの低減と外周平坦度の増大とが、トレードオフの関係にあることを本発明者は見出した。
　表面粗さと外周平坦度とはトレードオフの関係にあるものの、前述のとおりシリコンウェーハへの表面の平坦性および表面粗さに対する要求が益々厳しくなっている。上記相対速度を最適化することで、平坦性および表面粗さの両方をある程度は改善できることが見込めるものの、限界がある。
　そこで本発明は、シリコンウェーハの表面粗さを低減しつつ、外周平坦度の増大を従来よりも抑制することのできるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法を提供することを目的とする。
　本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。本発明者は、枚葉式片面研磨法における表面粗さの低減傾向と、外周平坦度の増大傾向の経時的変化に着目した。相対速度に伴うリテーナ液圧による外周平坦度への影響は前述のとおりであるものの、相対速度による表面粗さへの経時的な影響と、外周平坦度への経時的な影響とはその様相が大きく異なっていることに本発明者は着目した。すなわち、片面研磨を始めると表面粗さが急速に低減し、研磨量が増大するにつれてその低減効果が飽和していく一方、外周平坦度は研磨量にほぼ比例して悪化していくことを本発明者は見出した。
　従来、枚葉式片面研磨法では研磨時間が他の研磨工程に比べて比較的短いため、研磨中ではシリコンウェーハ中心と研磨布との相対速度を一定とするのが通常であった。しかしながら本発明者は、枚葉式片面研磨方法において相対速度を変更して、変更後に相対速度を高速化することで、変更後の高速な相対速度による表面粗さの低減効果が得られる共に、高速な相対速度による外周平坦度の増大を従来よりも抑制できることを知見し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）リテーナリングを備える研磨ヘッドによりシリコンウェーハを保持して前記シリコンウェーハの片面を前記リテーナリングの下端よりも突出させ、前記研磨ヘッドにより前記シリコンウェーハを回転させながら、研磨布が貼付された回転定盤に前記シリコンウェーハの前記片面を押圧しつつ、前記研磨布の面上に研磨液を供給して、前記シリコンウェーハの前記片面を研磨するシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法であって、
　前記シリコンウェーハの中心位置と前記回転定盤との相対速度を１回以上変更し、該相対速度の変更を行う度に、該相対速度を増大させることを特徴とするシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
　なお、本明細書において、シリコンウェーハの中心位置と回転定盤との相対速度とは、研磨中のシリコンウェーハを平面視した場合の、シリコンウェーハ中心の描く軌跡の接線方向の速度の大きさを指すものとして定義する。図１～３を例により詳細に説明する。図１～３において、シリコンウェーハ１０は研磨ヘッド１２０による回転により反時計回りに回転（自転）する。また、回転定盤１４０上に貼付された研磨布１５０の回転に伴い、シリコンウェーハ１０の中心位置は回転定盤１４０の中心位置Ｏを中心として反時計回りに回転し、軌跡Ｔを描く。この場合、軌跡Ｔの接線方向の速度の大きさが相対速度Ｖに相当する。この相対速度Ｖは、回転定盤１４０の回転速度と、回転定盤１４０の中心Ｏからシリコンウェーハ１０中心への距離とにより定まる。なお、研磨ヘッド１２０の径方向での動きによりシリコンウェーハ１０の中心位置が回転定盤１４０の径方向に揺動し、相対速度Ｖが周期的に変動する場合があるが、その場合は相対速度Ｖとしては、軌跡Ｔの接線方向の速度の大きさの平均値（平均速度）を用いることとする。
（２）前記相対速度の変更を１回のみ行う、上記（１）に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
（３）前記相対速度を変更する前の第１の相対速度が、前記相対速度を変更した後の第２の相対速度の４０％以下である、上記（２）に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
（４）前記第１の相対速度による前記シリコンウェーハの研磨量が、前記第２の相対速度による前記シリコンウェーハの研磨量よりも大きい、上記（３）に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
　本発明によれば、シリコンウェーハの表面粗さを低減しつつ、外周平坦度の増大を従来よりも抑制することのできるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法を提供することができる。
従来技術によるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法を説明する模式図である。 従来技術の枚葉式片面研磨方法における研磨ヘッドのリテーナリングと研磨液との関係を説明する模式図である。 本発明における相対速度を説明するための模式図である。 本発明に従う相対速度の変化に伴う、表面粗さおよび外周平坦度への影響を説明する概念図である。 実験例１において、研磨量に対する表面粗さおよび外周平坦度を示すグラフである。
（片面研磨方法）
　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。本発明の一実施形態に従うシリコンウェーハ１０の枚葉式片面研磨方法では、図１、２に示すように、リテーナリング１２４を備える研磨ヘッド１２０によりシリコンウェーハ１０を保持してシリコンウェーハ１０の片面（以下、「被研磨面」）をリテーナリング１２４の下端よりも突出させ、研磨ヘッド１２０によりシリコンウェーハ１０を回転させながら、研磨布１５０が貼付された回転定盤１４０にシリコンウェーハ１０の被研磨面を押圧しつつ、研磨布１５０の面上に研磨液１７０を供給して、シリコンウェーハ１０の被研磨面を研磨する。そして、シリコンウェーハ１０の中心位置と回転定盤１４０との相対速度を１回以上変更し、該相対速度の変更を行う度に、該相対速度を増大させる。なお、図１では研磨ヘッド１２０および回転定盤１４０を同じ方向（反時計回り）に回転させているが、互いに異なる方向に回転させてもよい。
　以下、本発明の好適実施形態である相対速度の変更を１回のみ行う実施形態を用いて、より詳細に説明する。説明の便宜上、相対速度を変更する前の第１の相対速度（研磨初期の相対速度）による研磨を第１研磨工程と称し、相対速度を変更した後の第２の相対速度による研磨を第２研磨工程と称する。第１研磨工程および第２研磨工程のそれぞれは、一般的な片面研磨装置により行うことができる。第１研磨工程における第１の相対速度を、第２研磨工程における第２の相対速度に変更し、第２の相対速度を第１の相対速度よりも増大させることが、本好適実施形態において肝要である。なお、回転定盤１４０の回転速度を上げる、あるいは研磨ヘッド１２０の回転定盤１４０中心からの距離を増大させるなど、一般的な手法により相対速度を増大させることが可能である。
　さて、図４を用いて、上述した相対速度を増加させることの技術的意義を説明する。前述のとおり、本発明者の検討により、所定の相対速度によって片面研磨を始めると、表面粗さは急速に低減し始めるものの、研磨量が増大するにつれてその低減効果が飽和していく（図４中の破線）ことが見出された。一方、外周平坦度は研磨量にほぼ比例して増大（平坦性は悪化）することも見出された。また、相対速度が高速であるほど、表面粗さの低減効果が高いものの、外周平坦度の増大も速い。そこで、図４の実線に示すように、片面研磨を始める際には相対速度を比較的低速な相対速度ＶＬとしておき、その後、相対速度を比較的高速な相対速度ＶＨへと変更する。こうすることで、表面粗さについては、相対速度ＶＬでは得ることの不可能な水準、すなわち、相対速度ＶＨによる低減した表面粗さを得ることができる。一方、外周平坦度については、相対速度を変更するまでは相対速度ＶＬによる研磨によって外周平坦度の増大が抑制できるため、相対速度ＶＨのみで研磨を行った場合よりも、外周平坦度の増大を抑制することができる。
　なお、一定の相対速度により研磨を進めると表面粗さの低減効果は飽和するため、相対速度の大きさに応じて、得られる表面粗さには限界がある。そのため、片面研磨を始める際には相対速度を比較的高速な相対速度ＶＨとし、その後、相対速度を比較的低速な相対速度ＶＬへと相対速度を変化させたとしても、図４の一点鎖線に示すように、表面粗さの改善には繋がらない。相対速度ＶＨから相対速度ＶＬへと変化させるのであれば、外周平坦度の増大を考慮すると、相対速度を変更せずに研磨を中止した方が好ましいと言える。
　このように、本実施形態では相対速度の変更を行い、かつ、相対速度を増大させるため、シリコンウェーハの表面粗さを低減しつつ、外周平坦度の増大を従来よりも抑制することのできるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法を提供することができる。
　ここで、相対速度を変更する前の第１の相対速度が、相対速度を変更した後の第２の相対速度の４０％以下であることが好ましい。第１の相対速度をこの条件に規制することで、外周平坦度の増大を従来に比べて顕著に抑制しつつ、第２の相対速度による表面粗さの改善効果を享受することができる。
　この場合、第１の相対速度によるシリコンウェーハの研磨量が、第２の相対速度によるシリコンウェーハの研磨量よりも大きいことが好ましい。こうすることで、相対速度を変化させた後、第２の相対速度によって表面粗さを急速に低減しつつ、第２の相対速度による外周平坦度の増大を最小限とすることができる。
　これまで、相対速度の変更を１回のみ行う好適実施形態を用いて説明してきた。相対速度を複数回変更させ、該相対速度の変更を行う度に、該相対速度を増大させても、上述した相対速度の増大による表面粗さの改善効果および外周平坦度の増大抑制効果が得られることは当然に理解される。ただし、複数回変更を行なうと、変更を行う度に相対速度を高速化するか、あるいは、第１の相対速度をかなりの程度で低速化する必要がある。前者の場合、無限に高速化していけば、ハイドロプレーン現象が発生する状態となる為、その状態を回避する為に押圧を上げる必要があり、シリコンウェーハ１０の周縁部に作用する研磨布１５０の面圧応力が増大することにより、エッジ部でのロールオフ量の増大が発生することとなる。また、後者の場合、低速化に伴う研磨レートの低下により、研磨時間が長くなり生産性が低下することとなる。このため、相対速度の変更は１回とすることが好ましい。
　なお、本実施形態による枚葉式片面研磨方法では、研磨布の種類、研磨液中の砥粒サイズおよびアルカリ濃度などを変更することなく、相対速度のみを変更することによって、シリコンウェーハの表面粗さを低減しつつ、外周平坦度の増大を従来よりも抑制することができる。したがって、研磨液の変更を伴うような、複数段階で行う片面研磨方法とは明確に区別されるものである。ただし、本実施形態による枚葉式片面研磨方法を行った後、さらに研磨液などを変更して、片面研磨を行うことを排除するものではないし、研磨後に純水等による洗浄を行ってもよいことは当然に理解される。
　以下、本実施形態による具体的な実施態様について、より詳細に説明する。
　本実施形態に従う枚葉式片面研磨方法は、スウェード素材などの、比較的軟質な研磨布を用いて片面研磨を行う仕上げ研磨に供して特に好適であるが、研磨布の種類は何ら限定されない。
　本実施形態において相対速度は制限されないが、最終的な相対速度を２００ｍ／分以下とすることが好ましく、１００ｍ／分以下とすることがより好ましい。
　また、シリコンウェーハ１０への研磨荷重は４００ｇｆ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、３００ｇｆ／ｃｍ２以下とすることがより好ましい。
　研磨ヘッド１２０は片面研磨装置に用いられる一般的なものを用いることができ、バッキングプレート１２２のチャック方式は水等の液体による表面張力による吸着方式および真空チャック方式など、任意である。また、研磨ヘッド１２０へのリテーナリング１２４の取り付け方式が任意であることも、既述のとおりである。
　また、研磨液１７０の種類も特に制限されず、例えば遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液、遊離砥粒を含まないアルカリ性水溶液などを用いることができる。
　以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
［実験例１］
　直径３００ｍｍのシリコンウェーハを用意し、スウェード素材の研磨布を定盤の表面に設置し、アルカリ研磨液を研磨液として供給しながら、図１，２に従う枚葉式片面研磨装置を用いて化学機械研磨による枚葉式片面研磨を行った。なお、研磨ヘッドおよび回転定盤の回転方向は同方向とした。回転定盤にシリコンウェーハを押圧する際の加圧力を２００ｇｆ／ｃｍ２とし、総研磨量を１μｍと設定して、初期の相対速度を１８．８ｍ／分とし、研磨量が０．６μｍとなった段階で、回転定盤の回転数のみを増大させ、相対速度を４７ｍ／分に増大させた。
　上記研磨条件のもと、研磨量が１μｍに至るまでのシリコンウェーハの表面粗さおよび外周平坦度の変動の推移を観察した。すなわち、所定の研磨量が得られる研磨時間に到達したところで研磨を終了させ、その状態での研磨量、表面粗さおよび外周平坦度を以下のとおりにして測定した。なお、研磨量と研磨時間の関係は予め求めておいた。
＜表面粗さの測定＞
　表面粗さの測定においてはＣｈａｐｍａｎ社製ＭＰＳを用い、測定条件：HighPass Filter 80μm、測定項目：RMS（二乗平均平方根高さ）とした。
＜外周平坦度の測定＞
　外周平坦度の測定においてはKLA-Tencor社製Wafer Sight 1を用い、測定条件：Edge Exclusion 1mm、測定項目:ESFQR Maxとした。図５のグラフに、各研磨量の段階における表面粗さ（Å）およびESFQRの最大値（ｎｍ）を示す。
　なお、ＥＳＦＱＲ（Edge flatness metric, Sector based, Front surface referenced, least sQuares fit reference plane, Range of the data within sector）とは、ＳＥＭＩ規格に規定されるウェーハの平坦度を示す指標であり、ウェーハ全周の周縁領域に形成した扇形(ウェーハの外周から３０mmの範囲で円周方向に７２等分)の各領域のウェーハ厚みについて、最小二乗法により求められた基準面からの最大変位量の絶対値の和を算出することにより求めるものである。なお、ＥＳＦＱＲの値が小さいほど、ウェーハの平坦度が良好であることを意味する。
　図５から、相対速度を高速にする直前では、表面粗さの低減効果が飽和しつつあったが、相対速度を高速にしたことで表面粗さを更に低減できたことが確認された。また、外周平坦度の増加傾向は、相対速度が低速のときに比べて、高速のときの方が、増加が速い（平坦度の悪化が速い）ことも確認された。
［実験例２］
　相対速度の変更条件を下記表１のとおりとした以外は、実験例１と同様にしてシリコンウェーハの枚葉式片面研磨を行った。すなわち、総研磨量を１μｍに設定し、研磨量が０．６μｍに達する段階で、発明例１～４においては表１のとおりの相対速度に変更した。一方、従来例１，２では相対速度の変更を行わなかった。さらに、測定条件は実験例１と同様にして、１μｍの研磨を終えた後の、発明例１～４および従来例１，２による外周平坦度と表面粗さを測定した。相対速度の変更条件と併せて、測定結果を下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　以上の結果から、発明例１～４のいずれも、従来例２の外周平坦度よりは良好な外周平坦度が得られ、かつ、従来例１の表面粗さよりも良好な表面粗さが得られたことが確認できた。特に、相対速度を変更する前の相対速度を、変更後の相対速度の４０％以下とした発明例３，４では、従来例１，２の外周平坦度よりも良好な外周平坦度が得られつつ、表面粗さも大幅に低減できたことが確認され、良好な外周平坦度および良好な表面粗さを両立できたことが確認された。
　本発明によれば、シリコンウェーハの表面粗さを低減しつつ、外周平坦度の増大を従来よりも抑制することのできるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法を提供することができ、半導体産業において有用である。
　１０　　シリコンウェーハ
１００　　片面研磨装置
１２０　　研磨ヘッド
１２２　　バッキングプレート
１２４　　リテーナリング
１４０　　回転定盤
１５０　　研磨布
１６０　　研磨液供給手段
１７０　　研磨液
　　Ｏ　　回転定盤の中心
　　Ｔ　　シリコンウェーハ中心の軌跡
　　Ｖ　　相対速度

Claims (4)

  1. 　リテーナリングを備える研磨ヘッドによりシリコンウェーハを保持して前記シリコンウェーハの片面を前記リテーナリングの下端よりも突出させ、前記研磨ヘッドにより前記シリコンウェーハを回転させながら、研磨布が貼付された回転定盤に前記シリコンウェーハの前記片面を押圧しつつ、前記研磨布の面上に研磨液を供給して、前記シリコンウェーハの前記片面を研磨するシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法であって、
    　前記シリコンウェーハの中心位置と前記回転定盤との相対速度を１回以上変更し、該相対速度の変更を行う度に、該相対速度を増大させることを特徴とするシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
  2. 　前記相対速度の変更を１回のみ行う、請求項１に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
  3. 　前記相対速度を変更する前の第１の相対速度が、前記相対速度を変更した後の第２の相対速度の４０％以下である、請求項２に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
  4. 　前記第１の相対速度による前記シリコンウェーハの研磨量が、前記第２の相対速度による前記シリコンウェーハの研磨量よりも大きい、請求項３に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。
     
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