JP2010034462A - 両面研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハの厚さを測定しながら研磨を行うことのできる両面研磨装置において、研磨中のウェーハの振動に代表される測定誤差の影響を受けずに、高い精度でウェーハの厚さを測定しながら研磨を行うことのできる両面研磨装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、回転駆動する平坦な研磨上面を有する下定盤１２と、前記下定盤に対向して配置され回転駆動する平坦な研磨下面を有する上定盤１１と、ウェーハを保持するウェーハ保持孔を有するキャリア１３とを備える両面研磨装置において、前記上定盤または前記下定盤の回転中心と周縁との間に設けられた複数の孔１４と、該複数の孔から前記ウェーハの厚さを研磨中にリアルタイムで測定するウェーハ厚さ測定機構１６とを具備し、該ウェーハ厚さ測定機構は、該研磨装置の前記上定盤または前記下定盤ではない固定端に固定されたものであることを特徴とする両面研磨装置。
【選択図】図１

Description

本発明は両面研磨装置に関し、詳しくは、高い平坦性を有する半導体用のウェーハを効率よく製造することのできる両面研磨装置に関するものである。

従来のウェーハの製造方法として、シリコンウェーハの製造方法を例に説明すると、例えば、先ず、チョクラルスキー法（ＣＺ法）等によってシリコン単結晶インゴットを成長し、得られたシリコン単結晶インゴットをスライスしてシリコンウェーハを作製した後、このシリコンウェーハに対して面取り、ラッピング、エッチング等の各工程が順次なされ、次いで少なくともウェーハの一主面を鏡面化する研磨工程が施される。

このウェーハの研磨工程において、例えばシリコンウェーハの両面を研磨する場合に、両面研磨装置が用いられることがある。
このような両面研磨装置としては、通常、中心部のサンギヤと外周部のインターナルギヤの間にウェーハを保持するキャリアが配置された遊星歯車構造を有するいわゆる４ウェイ方式の両面研磨装置が用いられている。

この４ウェイ方式の両面研磨装置は、ウェーハ保持孔が形成された複数のキャリアにシリコンウェーハを挿入・保持し、保持されたシリコンウェーハの上方から研磨スラリーを供給しながら、ウェーハの対向面に研磨布が貼付された上定盤および下定盤を各ウェーハの表裏面に押し付けて相対方向に回転させ、それと同時にキャリアをサンギヤとインターナルギヤとによって自転および公転させることで、シリコンウェーハの両面を同時に研磨することができるものである。

しかし、上述のような両面研磨装置を用いて研磨を行っても、ウェーハの研磨速度は、研磨布、キャリア等の加工治具、材料の劣化により、研磨のたびに異なってしまう。このため、研磨時間を固定して研磨を行うと、研磨速度の違いに起因する研磨後のウェーハの厚さが異なってくるという問題があった。
そこで、研磨中のウェーハの厚さを測定しながら研磨を行う両面研磨装置が開示されている。

例えば、特許文献１、２に記載の発明のように、光反射干渉法を用いて研磨中の半導体ウェーハの厚さを測定しながら研磨を行うものがあり、これによれば、研磨面の平坦性を高いものとすることができる。
また、例えば特許文献１の発明によれば、ウェーハを透過する波長の光を用い、半導体ウェーハの表面から裏面に向かって厚さ方向に沿って測定光束を移動させて焦点を形成しながら厚さを測定することができる。

しかし、この特許文献１に記載の技術では、焦点を厚さに沿って形成するために、研磨中のウェーハの振動の影響を受け易く、実際のウェーハの厚さと測定値のズレが大きくなる。更に測定物からの距離による光の減衰の効果を受け易く、焦点を形成する点と出入射点迄の距離を近づける必要があった。そのため光路内の研磨スラリーによるミスト等によって汚損されるという問題があった。
また、測定精度を上げるためには、研磨中に測定光が研磨面の指定領域からの測定光を取り込む頻度を増やさなければならなかった。しかし特許文献１のような共焦点方式では、応答性が劣り、取り込み頻度が少ないという欠点があった。

特開２００２−５９３６４号公報 特開平７−４９２１号公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ウェーハの厚さを測定しながら研磨を行うことのできる両面研磨装置において、研磨中のウェーハの振動に代表される測定誤差の影響を受けずに、高い精度でウェーハの厚さを測定しながら研磨を行うことのできる両面研磨装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、回転駆動する平坦な研磨上面を有する下定盤と、前記下定盤に対向して配置され回転駆動する平坦な研磨下面を有する上定盤と、ウェーハを保持するウェーハ保持孔を有するキャリアとを備える両面研磨装置において、前記上定盤または前記下定盤の回転中心と周縁との間に設けられた複数の孔と、該複数の孔から前記ウェーハの厚さを研磨中にリアルタイムで測定するウェーハ厚さ測定機構とを具備し、該ウェーハ厚さ測定機構は、該研磨装置の前記上定盤または前記下定盤ではない固定端に固定されたものであることを特徴とする両面研磨装置を提供する（請求項１）。

このように、ウェーハの両面を同時に研磨することのできる両面研磨装置において、ウェーハの厚さを測定するための孔を上定盤または下定盤に複数設けることによって、厚さの測定頻度を多くすることができ、測定精度を向上させることができる。特に、複数のウェーハを同時に研磨するバッチ式の研磨機において、複数の孔より同時にウェーハ厚さを測定できるので、測定精度の向上に特に寄与できる。
また、ウェーハ厚さ測定機構を、研磨中の振動の影響を受けやすい上定盤または下定盤以外の箇所に固定することによって、振動等の影響を受けずにウェーハの厚さを測定することができ、厚さの測定精度を向上させることができる。
これらの効果によって、研磨中のウェーハの厚さをリアルタイムで精度よく知ることができるため、研磨後のウェーハの厚さを目標の厚さに容易にすることができる両面研磨装置とすることができる。

また、前記ウェーハ厚さ測定機構は、ウェーハに対して光学的に透過する波長の波長可変赤外線レーザー装置を具備することが好ましい（請求項２）。
このように、ウェーハ厚さ測定機構として、ウェーハに対して光学的に透過する波長の波長可変赤外線レーザー装置を用いることによって、ウェーハ表面での反射スペクトル（ウェーハ表面と裏面で反射する光の干渉の様子）を解析することができ、これによって、研磨中のウェーハの厚さを高精度に測定することができる。

また、前記レーザー光は、波長が１５７５〜１７７５ｎｍとすることが好ましい（請求項３）。
このように、測定のためのレーザー光として、波長が１５７５〜１７７５ｎｍの通信用などの高速な赤外線レーザーを用いれば、時間分解能をあげることができ、より研磨中のウェーハの厚さを高精度に評価することができる。

また、前記ウェーハ厚さ測定機構は、前記ウェーハのバルク厚さを測定することが好ましい（請求項４）。
このように、ウェーハのバルク厚さを測定することによって、研磨中のウェーハの実際の厚さを判定することができ、これによって研磨後のウェーハの厚さをより目標に近いものとすることができる。

また、前記複数の孔は、前記上定盤の周辺に等間隔に設けられたものとすることが好ましい（請求項５）。
このように、等間隔に複数の孔を設けることによって、ウェーハの厚さの測定が容易に行うことができるため、高精度な研磨が可能である。周辺に設けることで、研磨に悪影響を及ぼすことなく、例えば４ウェイ方式の両面研磨装置において、保持された全てのウェーハの厚さを研磨中に測定することができる。また、上定盤に設けることによって、孔からの研磨スラリーの漏れが発生することを抑制することができるため、定盤のメンテナンスを容易なものとすることができる。またウェーハの厚さの測定に支障が生じる可能性を抑制することができる。

また、前記ウェーハ厚さ測定機構が固定される固定端は、該両面研磨装置のハウジングとすることが好ましい（請求項６）。
このように、ウェーハ厚さ測定機構を、両面研磨装置のハウジングに固定することによって、ウェーハ厚さ測定機構を振動、汚れから保護するとともに、前記複数の孔からウェーハ厚さを高精度で検出することができる。これによって、ノイズの影響を低減することができるため、研磨中のウェーハの厚さを更に高精度に測定することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ウェーハの厚さを測定しながら研磨を行うことのできる両面研磨装置において、研磨中のウェーハの振動に代表される測定誤差の影響を受けずに、高い精度でウェーハの厚さを測定しながら研磨を行うことのできる両面研磨装置が提供される。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１に示したように、本発明の両面研磨装置１０は、ウェーハＷを挟持するために、回転駆動する平坦な研磨上面１２ａを有する下定盤１２と、下定盤１２に対向して配置され回転駆動する平坦な研磨下面１１ａを有する上定盤１１と、ウェーハＷを保持するウェーハ保持孔を有するキャリア１３と、研磨中のウェーハＷの厚さを測定するためのウェーハ厚さ測定機構１６とを備えるものである。
そして、上定盤１１側に、研磨中のウェーハ厚さを測定するために複数の孔１４と、研磨スラリー供給機構１５が設けられている。

また、ウェーハ厚さ測定機構１６は、例えば、少なくともウェーハＷにレーザー光を照射する光学ユニット１６ａと、ウェーハＷから反射されたレーザー光を検出するフォトディテクタ１６ｂと、レーザー光源ユニット１６ｃと、検出したレーザー光からウェーハ厚さを計算する演算・制御ユニット１６ｄとが備わっているものとすることができる。

このように、ウェーハ厚さ測定機構を、研磨中の振動の影響を受けやすい上定盤または下定盤以外の箇所（固定端）に固定することによって、測定生データにノイズなどの不要なデータが載ることを防止することができる。このため、測定データの精度を従来に比べて格段に向上させることができ、つまりウェーハの正確な厚さを測定することができるようになる。
また、ウェーハの厚さを測定するための孔を上定盤または下定盤に複数設けることによって、厚さの測定の頻度を多くすることができる。特に、バッチ式で複数のウェーハを同時に研磨する時に好適であり、これによって、測定精度を向上させることができる。
これらの効果によって、研磨中のウェーハの厚さを従来に比べて精度よく知ることができるため、研磨後のウェーハの厚さを目標の厚さと近いものに容易にすることができる両面研磨装置とすることができる。

ここで、ウェーハ厚さ測定機構１６が固定される固定端は、両面研磨装置のハウジング１８とすることができる。
このように、両面研磨装置のハウジングにウェーハ厚さ測定機構を固定すると、振動、汚れからウェーハ厚さ測定機構を保護することができる。これによれば、研磨中の厚さの測定データにノイズが乗ることやデータが劣化することを抑制することができる。従って、研磨中のウェーハの厚さをより高精度に測定することができる。もちろん、建屋の天井等の固定端に設置しても良いが、メンテナンスや装置の振動等において不利である。

また、ウェーハ厚さ測定機構１６は、ウェーハのバルク厚さを測定することができる。
ウェーハ厚さ測定機構で測定するウェーハの厚さをバルク厚さとすれば、研磨中のウェーハの実際の厚さを測定することになり、従って、研磨後のウェーハの厚さをより目標に近いものとすることができる。もちろん、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の厚さなどとすることも可能である。

さらに、ウェーハ厚さ測定機構１６は、ウェーハに対して光学的に透過する波長の波長可変赤外線レーザー装置を具備することができる。
このように、ウェーハ厚さ測定機構として、ウェーハに対して光学的に透過する波長の波長可変赤外線レーザー装置を用いると、ウェーハに入射させたレーザー光の、ウェーハ表面で反射した表面反射光と、ウェーハ裏面で反射した裏面反射光が干渉する様子を解析することができる。これによれば、数ｎｍから数十μｍオーダーの精度で研磨中のウェーハの厚さを評価することができる。
また、波長可変型の赤外線レーザー装置とすることによって、研磨するウェーハの厚さが大きく変化したとしても入射させるレーザー光の波長を変更すれば対応することができ、光源自体を変更する必要がない。このため、コストの低減を図ることができる。

そして、レーザー光の波長を１５７５〜１７７５ｎｍとすることができる。
このように、波長が１５７５〜１７７５ｎｍのレーザー光であれば、測定レーザー光がウェーハや研磨スラリーに一部吸収されることでの反射レーザー光強度の低下を抑制することができ、高精度にウェーハの厚さを測定することができる。

そして、複数の孔１４は、上定盤１２の周辺に等間隔に設けられたものとすることができる。
このように、上定盤に等間隔に複数の孔が設けられたものであれば、測定用の複数の孔の各々からの研磨スラリーの漏れが発生することを抑制することができる。このため、定盤のメンテナンスを容易に行うことができる。またウェーハの厚さの測定に支障が生じる可能性を抑制することができる。また、例えば４ウェイ方式の両面研磨装置において、全てのウェーハの厚さを測定するのに都合がよい。

また、研磨中に研磨荷重、上定盤１１の回転速度、下定盤１２の回転速度のうち少なくとも１つ以上を変更したい場合、図示するような研磨機制御ユニット１７を両面研磨装置１０に備えつけることによって、上定盤１１や下定盤１２を制御することができる。これによって、研磨荷重、上定盤１１の回転速度、下定盤１２の回転速度のうち少なくとも１つ以上を変更することができる。
これによれば、ウェーハの研磨中に、測定されたウェーハ厚さから判明する研磨布、キャリア等の加工治具、材料の劣化などによる研磨条件の変化に適切に対応することができる。よって、研磨終了後の表面の平坦度が非常に高いウェーハを安定して得ることができる。

そしてこのような両面研磨装置を用いたウェーハの研磨方法について、以下説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。

まず、キャリア１３のウェーハ保持孔に研磨を行いたいウェーハＷをセットする。この時ウェーハＷは複数枚セットすることができる。
そして上定盤１１の研磨下面１１ａと、下定盤１２の研磨上面１２ａと、キャリア１３によってウェーハＷを挟持して、研磨スラリー供給機構１５によって研磨スラリーを供給しながら、上定盤１１及び下定盤１２を水平面内で回転させながら、研磨を開始する。

この際、上定盤１１または下定盤１２に設けられた複数の孔１４から、ウェーハＷの厚さを、上定盤１１または下定盤１２とは異なった位置にある固定端に固定されたウェーハ厚さ測定機構１６によって測定しながら研磨を行う。

このような両面研磨装置を用いたウェーハの研磨方法によれば、研磨を中断せずにウェーハの研磨面の状態を知ることができ、例えば研磨中のウェーハ厚さを随時知ることができるため、ウェーハの目標厚さに達したかどうかを研磨しながら判断することができる。このため、目標厚さに到達したかどうかを、研磨を中断することなく判定することができ、研磨に掛かる時間を短くすることができる。
また、研磨時間を固定せずとも、ウェーハを目標厚さにすることができるため、研磨の過不足が発生することはなく、平坦度が悪化することを抑制することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１のような両面研磨装置を用いて、バッチ式（１バッチ１５枚）でウェーハの研磨を行った。この時の研磨後のウェーハの厚さの目標値を７７７μｍとした。
研磨するウェーハとして、ＣＺ法で成長したインゴットよりワイヤソーによりスライスして切り出した後、面取り、ラッピング、エッチングを施した直径３００ｍｍのｐ⁻型のシリコン単結晶ウェーハを６００枚用意した。このｐ⁻型とは、ｐ型の高抵抗率のウェーハのことである。
ウェーハ厚さ測定機構として、レーザー光の波長を１５７５〜１７７５ｎｍにチューニングできる波長可変赤外線レーザー装置が用いられた光学ユニットを備えたものを準備し、このようなウェーハ厚さ測定機構を用いてウェーハの厚さを測定しながら６００枚のうち３００枚研磨し、研磨後のウェーハの厚さをＡＦＳ（ＡＤＥ社製静電容量型フラットネス測定装置）にて評価した。

（比較例）
実施例と同様の両面研磨装置を用いてウェーハの研磨を残りの３００枚に行った。しかし比較例においてはウェーハ厚さ測定機構を作動させずに研磨を行った。また、研磨時間を固定とした。

図２に、実施例と比較例の両面研磨装置で研磨したウェーハ各３００枚の研磨後のウェーハ厚さの相対度数と累積相対度数を示す。
実施例の両面研磨装置で研磨したウェーハは、比較例のウェーハに比べ、研磨後の平均仕上がり厚さのバラツキが小さく、約５０％減少していたことが判った。
また、実施例の両面研磨装置によれば標準偏差０．１μｍ以下の精度を達成できたことが判った。

また、図３に示すように、実施例の両面研磨装置で研磨されたウェーハは、研磨後のウェーハ厚さが安定していたのに対し、比較例のウェーハはバラツキが大きく、安定しなかった。

なお、本発明は、上記実施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。

本発明の両面研磨装置の一例を示した概略図である。 実施例と比較例の両面研磨装置で研磨したウェーハ各３００枚の研磨後の厚さの相対度数と累積相対度数を示したグラフである。 実施例と比較例の両面研磨装置で研磨したウェーハの研磨後の厚さバラツキを示したグラフである。

符号の説明

１０…両面研磨装置、
１１…上定盤、 １１ａ…研磨下面、 １２…下定盤、 １２ａ…研磨上面、 １３…キャリア、 １４…複数の孔、 １５…スラリー供給機構、
１６…ウェーハ厚さ測定機構、 １６ａ…光学ユニット、 １６ｂ…フォトディテクタ、 １６ｃ…レーザー光源ユニット、 １６ｄ…演算・制御機構、
１７…研磨機制御ユニット、 １８…ハウジング、
Ｗ…ウェーハ。

Claims (6)

1. 少なくとも、回転駆動する平坦な研磨上面を有する下定盤と、前記下定盤に対向して配置され回転駆動する平坦な研磨下面を有する上定盤と、ウェーハを保持するウェーハ保持孔を有するキャリアとを備える両面研磨装置において、
   前記上定盤または前記下定盤の回転中心と周縁との間に設けられた複数の孔と、
   該複数の孔から前記ウェーハの厚さを研磨中にリアルタイムで測定するウェーハ厚さ測定機構とを具備し、
   該ウェーハ厚さ測定機構は、該研磨装置の前記上定盤または前記下定盤ではない固定端に固定されたものであることを特徴とする両面研磨装置。
2. 前記ウェーハ厚さ測定機構は、ウェーハに対して光学的に透過する波長の波長可変赤外線レーザー装置を具備することを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
3. 前記レーザー光は、波長が１５７５〜１７７５ｎｍ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。
4. 前記ウェーハ厚さ測定機構は、前記ウェーハのバルク厚さを測定するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の両面研磨装置。
5. 前記複数の孔は、前記上定盤の周辺に等間隔に設けられたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の両面研磨装置。
6. 前記ウェーハ厚さ測定機構が固定される固定端は、該両面研磨装置のハウジングであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の両面研磨装置。

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