JP2009285768A - 半導体ウェーハの研削方法および研削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大口径化したウェーハであっても、従来と同様の平坦度を有するシリコンウェーハを、優れた生産効率で得ることができる方法および装置を提供する。
【解決手段】複数の被処理ウェーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、ウェーハの両面を同時に研削する方法。キャリアにおけるウェーハ保持位置が、複数のウェーハの中心を同一の円周上に位置する。複数のウェーハ中心を通る円と単一の前記ウェーハとの面積比を、１．３３以上２．０未満となるよう設定する。被処理ウェーハの回転数が、５〜８０ｒｐｍの範囲である。ウェーハの回転定盤による研削を固定砥粒を用い、アルカリ溶液の存在下で行う。固定砥粒を備えた上下一対の回転定盤、回転定盤間の回転中心部に設けられた太陽歯車、回転定盤間の外周部に設けられた環状の内歯歯車、前記上下の回転定盤間に設けられ前記太陽歯車及び前記内歯歯車にそれぞれ噛み合う遊星歯車となるキャリア、アルカリ溶液供給系統を備える半導体ウェーハの両面研削装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハの研削方法および研削装置に関する。特に、450mm前後の直径を有する大型のシリコンウェーハを好適に研削できる、上下の定盤間でキャリアを用いてウェーハの両面を同時研削するウェーハの研削方法および研削装置に関するものである。

シリコン等からなる半導体ウェーハ製造時におけるウェーハの両面同時研削において、ワーク（半導体ウェーハ）を保持するキャリアに挿入するワークの枚数は、従来１枚から多くて１０枚程度にて研磨を行うものが一般的である。そのワーク枚数については装置サイズ、ワーク直径等から生産性を加味したもの、またはワークの軌道、砥液の行き渡りを考慮した仕様等さまざまなものが存在する。

このような半導体ウェーハの両面研磨装置としては遊星歯車方式のものが使用される。しかし、遊星歯車方式の研磨装置を用いると、外周ダレ（周縁部ダレ）が生じ、高平坦度のウェーハを得ることが出来ないという問題がある。この外周ダレの対策として、キャリアデザインによる平坦度改善を狙った手法が、特許文献１に提案されている。この手法は、その厚みを高精度にコントロールしワークの最終厚みにキャリアの厚みを近づけ、ワーク外周部への応力をキャリアにも分散させ、平坦なワークを得る技術（定寸研磨）である。

しかし、この特許文献に記載された手法では、依然として、ウェーハ周辺ダレの発生が防止できないという問題があった。
特開２００２−２５４２９９号公報

そこで本願発明者らは、ワークである半導体ウェーハと該半導体ウェーハを収納しているキャリアにかかる圧力との関係について種々検討し、その結果、キャリアにおけるホール中心を通る円半径としてホール間隔を規定する円半径（ＰＣＤ）、および／または、ワーク間距離を所定の範囲に設定したキャリアを用いて研磨することにより、定盤からの圧力をウェーハ面内で均一に分散でき、生産性を低下させずにかつキャリアの短命化を発生させることなく上記問題点を解決できることを見いだした。

見出された解決手段として、半導体ウェーハの両面研磨装置であって、上下一対の回転定盤と、回転定盤間の回転中心部に設けられた太陽歯車と、回転定盤間の外周部に設けられた環状の内歯歯車と、前記上下の回転定盤間に設けられ前記太陽歯車及び前記内歯歯車にそれぞれ噛み合う遊星歯車となるキャリアと、を備え、前記キャリアには被処理ウェーハ収容孔となるホールが複数設けられ、前記複数のホールはその中心が同一の円周上に位置するとともに、この前記複数のホール中心を通る円と単一の前記被処理ウェーハとの面積比が、１．３３以上２．０未満とされてなる半導体ウェーハ研磨装置を発明し、特許出願した(特願2007-165039号)。

さらに、複数の被処理ウェーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、前記半導体ウェーハの両面を同時に研磨するウェーハ研磨方法において、前記キャリアにおける前記ウェーハ保持位置が、前記複数のウェーハの中心を同一の円周上に位置するとともに、この前記複数のウェーハ中心を通る円と単一の前記ウェーハとの面積比を、１．３３以上２．０未満となるよう設定する半導体ウェーハ研磨方法を発明し、特許出願した(同上)。

ところで、シリコン単結晶から切り出されるシリコンウェーハのサイズは、約１０年のサイクルで大口径化している。デバイスメーカーでは、シリコンウェーハのサイズを大口径化することで、デバイスの製造効率を挙げることが望まれている。このような状況から、近い将来現状の直径３００ｍｍの１．５倍程度の大口径の直径を有する約４５０ｍｍのシリコンウェーハを製造することが計画されている。

直径が４５０ｍｍのシリコンウェーハの研磨は、ウェーハの面積が従来の３００ｍｍ以下のシリコンウェーハに比べて２倍以上になるので、従来と同様の手法では、生産効率を維持しながら従来と同様の平坦度を有するシリコンウェーハを得ることは困難であろうと予想された。

特に、従来用いられていた遊離砥粒を用いたラップと固定砥粒を用いた研削の組み合わせで、生産効率を維持しながら従来と同様の平坦度を有するシリコンウェーハを得ることは困難であった。

そこで、本発明の目的は、大口径化したウェーハであっても、従来と同様の平坦度を有するシリコンウェーハを、優れた生産効率で得ることができる方法および装置を提供することである。

本発明者らは、前記特許出願中の半導体ウェーハ研磨装置を、固定砥粒を用いた研削に転用して、次世代のシリコンウェーハである、大型の直径が４５０ｍｍのシリコンウェーハの研削について種々検討を行った。その結果、従来の固定砥粒の使用条件では、目詰まりを生じて、長期間連続的に研削を行うことができない、という問題があることが判明した。そして、この問題を解決すべく種々検討し、解決手段を見出して本発明を完成した。

本発明の第１の態様は、複数の被処理ウェーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、前記半導体ウェーハの両面を同時に研削する半導体ウェーハ研削方法において、
前記キャリアにおける前記ウェーハ保持位置が、前記複数のウェーハの中心を同一の円周上に位置するとともに、
前記複数のウェーハ中心を通る円と単一の前記ウェーハとの面積比を、１．３３以上２．０未満となるよう設定し、
前記被処理ウェーハの回転数が、５〜８０ｒｐｍの範囲であり、
前記ウェーハの回転定盤による研削を固定砥粒を用い、アルカリ溶液の存在下で行うことを特徴とする半導体ウェーハ研削方法である。

本発明の第２の態様は、固定砥粒を備えた上下一対の回転定盤と、回転定盤間の回転中心部に設けられた太陽歯車と、回転定盤間の外周部に設けられた環状の内歯歯車と、前記上下の回転定盤間に設けられ前記太陽歯車及び前記内歯歯車にそれぞれ噛み合う遊星歯車となるキャリアと、アルカリ溶液供給系統を備え、
前記キャリアには被処理ウェーハ収容孔となるホールが複数設けられ、
前記複数のホールはその中心が同一の円周上に位置し、前記研削装置の複数のホール中心を通る円と単一の前記被処理ウェーハとの面積比が、１．３３以上２．０未満とされてなる、半導体ウェーハの両面研削装置である。

本発明によれば、大口径化したウェーハであっても、従来と同様の平坦度を有するシリコンウェーハを、優れた生産効率で得ることができる方法および装置を提供することができる。

[半導体ウェーハ研削方法]
本発明の第１の態様である半導体ウェーハ研削方法は、複数の被処理ウェーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、前記半導体ウェーハの両面を同時に研削する半導体ウェーハ研削方法である。この方法は、
前記キャリアにおける前記ウェーハ保持位置が、前記複数のウェーハの中心を同一の円周上に位置すること、
前記複数のウェーハ中心を通る円と単一の前記ウェーハとの面積比を、１．３３以上２．０未満となるよう設定すること、
前記被処理ウェーハの回転数が、５〜８０ｒｐｍの範囲であり、
前記ウェーハの回転定盤による研削を固定砥粒を用い、アルカリ溶液の存在下で行うこと
を特徴とする。

本発明の半導体ウェーハ研削方法は、例えば、以下の半導体ウェーハの両面研削装置（第２の態様）を用いて実施できる。
この装置は、固定砥粒を備えた上下一対の回転定盤と、回転定盤間の回転中心部に設けられた太陽歯車と、回転定盤間の外周部に設けられた環状の内歯歯車と、前記上下の回転定盤間に設けられ前記太陽歯車及び前記内歯歯車にそれぞれ噛み合う遊星歯車となるキャリアと、アルカリ溶液供給系統を備え、
前記キャリアには被処理ウェーハ収容孔となるホールが複数設けられ、
前記複数のホールはその中心が同一の円周上に位置し、前記複数のホール中心を通る円と単一の前記被処理ウェーハとの面積比が、１．３３以上２．０未満とされてなるものである。

本発明の半導体ウェーハ研削方法の特徴である、キャリアにおけるウェーハ保持位置が複数のウェーハの中心を同一の円周上に位置すること、および記複数のウェーハ中心を通る円と単一の前記ウェーハとの面積比を、１．３３以上２．０未満となるよう設定することについては、上記研削装置の詳細とともに後述する。

本発明の半導体ウェーハ研削方法では、ウェーハの回転定盤による研削を、固定砥粒を用いて行い、その際の被処理ウェーハの回転数は５〜８０ｒｐｍの範囲である。被処理ウェーハの回転数を上記範囲にするのは以下の理由からである。被処理ウェーハの回転数５ｒｐｍ未満では、研削レートの低下という問題があり、８０ｒｐｍを超えると、ウェーハの飛びという問題がある。５〜８０ｒｐｍの範囲であれば、上記問題を生じることなく固定砥粒を用いてウェーハ研削できる。

しかし、固定砥粒を用いて被処理ウェーハの回転数が５〜８０ｒｐｍの範囲で研削をすると、固定砥粒による研削屑が生じ、定期的に固定砥粒をドレッシングしないと、研削効率が低下するという問題があった。そこで、本発明では、研削屑の除去を目的として、回転定盤による研削をアルカリ溶液の存在下で行う。回転定盤による研削をアルカリ溶液の存在下で行うことで、固定砥粒の目詰まりを防止できる。ここで用いるアルカリ溶液は、好ましくはｐＨが１２〜１５と、従来の遊離砥粒によるラップで用いられるアルカリ溶液よりアルカリ性が強い。アルカリ性が強い溶液を用いる理由は、Ｓｉを加工中に容易に溶かすためである。

アルカリ溶液は、回転定盤による研削面に連続的または断続的に供給される。アルカリ溶液の供給量は、被処理ウェーハの回転数や、固定砥粒の粗さ等を考慮して適宜決定できるが、例えば、１〜３Ｌ／ｍｉｎとすることができる。アルカリ溶液としては、例えば、アルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ）等の水酸化物等を挙げることができる。

半導体ウェーハ研削用定盤は、例えば、ウェーハ表面と対向する固定砥粒表面に格子状のペレットが設けられたものを用いることができる。そのような研削用定盤としては、砥粒としてダイヤモンドが含まれる、例えば、メタルボンド砥石、レジンボンド砥石等を挙げることができる。

以下、本発明に用いる半導体ウェーハ研削装置および研削方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、半導体ウェーハ研削装置を説明するための正面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線矢視平面図である。

半導体ウェーハ研削装置は、図１，図２に示すように、水平に支持された環状の下定盤（回転定盤）１と、下定盤１に上方から対向する環状の上定盤（回転定盤）２と、環状の下定盤１の内側に配置された太陽歯車３と、下定盤１の外側に配置されたリング状の内歯歯車４とを備えている。

下定盤１は、モータ１１により回転駆動される。上定盤２は、シリンダ５にジョイント６を介して吊り下げられ、下定盤１を駆動するモータ１１とは別のモータにより逆方向に回転駆動される。また、下定盤１との間にアルカリ溶液を供給するためのタンク７を含むアルカリ溶液供給系統を装備している。太陽歯車３及び内歯歯車４も、定盤を駆動するモータとは別のモータ１２により独立に回転駆動される。

下定盤１及び上定盤２の対向面には、固定砥粒が設けられている。

下定盤１上には、複数のキャリア８が太陽歯車３を取り囲むようにセットされる。セットされた各キャリア８は、内側の太陽歯車３及び外側の内歯歯車４にそれぞれ噛み合う。各キャリア８には、半導体ウェーハ（ワーク）１０を収容するホール９が偏心して設けられている。そして、各キャリア８の厚みは、ウェーハ１０の最終仕上がり厚みの目標値と同一か、これより僅かに小さく設定されている。

ウェーハ１０の研削を行うには、上定盤２を上昇させた状態で、下定盤１上に複数のキャリア８をセットし、各キャリア８のホール９にウェーハ１０をセットする。上定盤２を下降させ、各ウェーハ１０に所定の加圧力を付加する。この状態で、下定盤１と上定盤２の間に研削液を供給しながら、下定盤１、上定盤２、太陽歯車３及び内歯歯車４を所定の方向に所定の速度で回転させる。

これにより、下定盤１と上定盤２の間で複数のキャリア８が自転しながら太陽歯車３の周囲を公転するいわゆる遊星運動をおこなう。各キャリア８に保持されたウェーハ１０は、アルカリ溶液の存在下で上下の固定砥粒と摺接し、上下両面が同時に研削される。研削条件は、ウェーハ１０の両面が均等にかつ複数のウェーハ１０が均等に研削されるように設定される。

研削中、下定盤１を駆動するモータ１１のトルク、或いは上定盤２を駆動するモータのトルクが監視される。そして、そのトルクが安定値から、予め設定した比率、例えば１０％低下した時点で、上定盤２を上昇させて研削を終了する。これにより、ウェーハ１０の最終仕上がり厚さは、研削前キャリア厚みより僅かに薄いか同一の厚みに高精度かつ安定的に管理される。

各キャリア８の材質としては、定盤との摩擦で劣化するので、耐磨耗性が高く固定砥粒との摩擦係数が小さい材質で、且つ例えば、ｐＨ１２〜１５のアルカリ溶液中での耐薬品性が高いものが好ましい。このような条件を満足するキャリア材としては、ステンレス鋼、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド等の樹脂、あるいはこれら樹脂にガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の強化繊維を複合したＦＲＰを挙げることができる。またキャリア８はウェーハ１０保持のために使用することからあまり強度を落とすことはできない。

図３は、本実施形態における半導体ウェーハ研削方法およびキャリアにおけるホール配置を説明するための平面図である。
キャリア８には、図３に示すように複数のホール９が設けられ、本実施形態では３カ所とされている。

本実施形態のキャリア８では、３つのホール９はその中心Ｃ９が、キャリア８と同心状である円周Ｐ上に位置するとともに、それぞれ円Ｐの中心（キャリア８中心の中心）ＣＰに対して回転点対称であるように、円Ｐ上で等間隔に配置されている。また、ホール９の大きさは、このホール９中心Ｃ９を通る円Ｐとウェーハ１０とほぼ等しいホール９との面積比が、１．３３以上２．０未満とされ、より好ましくは、１．３３以上１．５以下とされている。

つまり、円Ｐの半径Ｒとホール９の半径ｒとが、
１．３３…＜（Ｒ／ｒ）２ ≦１．５
となるように設定されている。
なお、この面積比（半径比自乗）の規定範囲の下限は、１．３３３３…以上であればよく、１．３３４以上でもかまわない。

キャリア８におけるホール９中心Ｃ９を通る円Ｐとホール９との面積比が上記の範囲以下であると、キャリア８にホール９を２つしか設けることができず、同一キャリア８で処理したウェーハ１０の処理が均等にならない上、ウェーハ１０のダレ防止に効果を奏さないため好ましくない。また、この面積比の上限を２以上とした場合で、キャリア８に３カ所のホール９を設けた際には、ウェーハ１０間の距離が長くなりすぎ、ウェーハ１０のダレ防止に効果を奏さないため好ましくない。また、面積比の上限を２以上とした場合で、キャリア８に４カ所以上のホール９を設けた際には、圧力集中の分散が充分なされないため、ウェーハ１０のダレ防止に効果を奏さないため好ましくない。また、面積比の上限が１．５以上２未満とした場合にダレ防止を呈することは可能であるが、製品ウェーハとして十分な平坦度を得るためには１．５以下とすることがより好ましい。

なお、ウェーハ１０とホール９との大きさは、ほぼ同一とされ、ウェーハ１０がφ２００ｍｍの場合にホール９径は２０１ｍｍ、ウェーハ１０がφ３００ｍｍの場合にホール９径は３０２ｍｍとされる。

本実施形態においては、上記のように、ホール９の形成されたキャリア８を用いてウェーハ１０を両面研削することで、ウェーハ１０における周縁部ダレの発生を防止して、高平坦度なポリッシュドウェーハを製造することが可能となる。

本実施形態によれば、両面研削される半導体ウェーハ１０間の距離を減少してウェーハ１０どうしを接近させることで、1つのキャリア８において、３カ所のホール９内に配置された各ウェーハ１０をあたかも一枚のウェーハ１０のように研削する状態に近づけることができる。このため、本実施形態では、１枚のウェーハ１０の周縁全長に対して、圧力集中の起こる長さを部分的にすること、つまり、可撓性のある定盤１，２表面のパッド１５，２５がウェーハ１０とキャリア８との厚みの差から、パッド１５，２５からの圧力がウェーハ１０周縁部に集中して、ウェーハ１０周縁部での研削状態が大きくなる部分を減少することが可能となる。これにより、研削終了時における１枚のウェーハ１０に対する周縁部全周への研削圧力集中を緩和することが可能となり、各ウェーハ１０周縁部におけるダレ発生を低減することが可能になると考えられる。

なお、本実施形態においては、キャリア８が３枚の構成としたが、他の枚数でもよく、また、これ以外にも、各キャリア８内でのホール９またはウェーハ１０の配置が上述した構成であれば、研削装置の各構成はどのようなものでも適応可能である。

また、ウェーハ１０は、シリコンウェーハやそれ以外の半導体からなるものでよく、また、φ２００ｍｍ、φ３００ｍｍ、その他、φ４５０ｍｍ等どのような口径のウェーハにも適応可能である。しかし、特に、大型化した、直径４００〜５００ｍｍの範囲にあるシリコンウェーハの洗浄に、本発明の方法および装置は好適である。

以下、本発明の実施例について説明する。
上記の実施形態のように構成された研削装置および円Ｐとホール９との面積比の異なるキャリアを用意し、それぞれのキャリアによって、半導体ウェーハ（シリコンウェーハ）１０の研削をおこない、研削後の平坦度を測定した。
研削条件等の諸元を以下に示す。

研削ウェーハ：４５０ｍｍシリコンウェーハ
研削装置：Ｓｐｅｅｄ Ｆａｍ 社製２０Ｂ両面研削装置
固定砥粒：ダイヤモンド
アルカリ溶液： ｐＨ１４
研削圧：２００ｇ／ｃｍ²
キャリア：ステンレス鋼製
研削枚数：３ホールキャリア５枚使用（１５枚バッチ）
円Ｐとホール９との面積比；１３８％、１４４％，１５０％、１６３％

研削後ＡＤＥ（静電容量型表面平坦度測定器）にてフラットネス（ＴＴＶ；Total Thickness Variation（μｍ））を測定した。その結果、従来の研磨ウェーハと同様の平坦度を有するウェーハが得られた。

半導体ウェーハ製造分野に有用である。

図１は、本発明に係る半導体ウェーハ研削装置の一実施形態を説明するための正面図である。 図２は、図１におけるＡ−Ａ線矢視平面図である。 図３は、本発明に係る半導体ウェーハ研削方法の一実施形態およびキャリアにおけるホール配置を説明するための平面図である。

符号の説明

１…下定盤
２…上定盤
３…太陽歯車
４…内歯歯車
８…キャリア
９…ホール
１０…半導体ウェーハ（ウェーハ）
Ｐ…円（円周）
Ｃ９，ＣＰ…中心

Claims (4)

1. 複数の被処理ウェーハをキャリアに保持して上下の回転定盤間で回転させることにより、前記半導体ウェーハの両面を同時に研削する半導体ウェーハ研削方法において、
   前記キャリアにおける前記ウェーハ保持位置が、前記複数のウェーハの中心を同一の円周上に位置するとともに、
   前記複数のウェーハ中心を通る円と単一の前記ウェーハとの面積比を、１．３３以上２．０未満となるよう設定し、
   前記被処理ウェーハの回転数が、５〜８０ｒｐｍの範囲であり、
   前記ウェーハの回転定盤による研削を固定砥粒を用い、アルカリ溶液の存在下で行うことを特徴とする半導体ウェーハ研削方法。
2. 前記アルカリ溶液のｐＨが１２〜１５の範囲である請求項1に記載の研削方法。
3. 前記ウェーハの直径が400〜500mmの範囲である請求項1に記載の研削方法。
4. 固定砥粒を備えた上下一対の回転定盤と、回転定盤間の回転中心部に設けられた太陽歯車と、回転定盤間の外周部に設けられた環状の内歯歯車と、前記上下の回転定盤間に設けられ前記太陽歯車及び前記内歯歯車にそれぞれ噛み合う遊星歯車となるキャリアと、アルカリ溶液供給系統を備え、
   前記キャリアには被処理ウェーハ収容孔となるホールが複数設けられ、
   前記複数のホールはその中心が同一の円周上に位置し、前記研削装置の複数のホール中心を通る円と単一の前記被処理ウェーハとの面積比が、１．３３以上２．０未満とされてなる、半導体ウェーハの両面研削装置。

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