JP2010179375A - 被研磨物キャリア及び研磨製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア本体の内壁の内側に取り付けられた被研磨物を保護するためのインサートの磨耗や変形を減らす。
【解決手段】半導体ウェーハの平面研磨などで使用される被研磨物キャリア１００Ａは、被研磨物保持穴１０５Ａを囲む内壁１０６Ａに、研磨物を保護するための樹脂製インサート１０４Ａを有する。インサート１０４Ａの摩耗や変形を減らすために、インサート１０４Ａの径方向の幅（内壁１０６Ａの最小内径とインサート１０４Ａの最小内径との差）は、１ｍｍ未満で、望ましくは０．５ｍｍである。内壁１０６Ａの径方向断面形状は、その上端部と下端部が中央部より径方向内方へ突出した凹形であり、それにより、インサート１０４Ａの摩耗部分である上面部と下面部の径方向長さが最小になる。
【選択図】図５

Description

本発明は、研磨加工中の被研磨物を保持する被研磨物キャリア及び研磨製品の製造方法に関し、特に、半導体ウェーハのラッピング加工又は平面研磨加工に好適なものである。

例えば、半導体ウェーハのようなディスク状の被研磨物のラッピング加工又は平面研磨加工において、研磨加工中に研磨機械の上下定盤間で被研磨物を保持するための被研磨物キャリアとして、被研磨物を収容するための複数の貫通穴を有する円板を用いることが知られている。この円板の材料には、金属、例えばＳＵＳやＳＫなどの鋼が好んで使用される。研磨加工中この金属製の被研磨物キャリアの貫通穴を囲む内壁が被研磨物の縁に直接接触してこれを損傷することを防ぐために、その内壁の内側にその内壁より柔軟な樹脂製のリング状のインサートが取り付けられる（例えば、特許文献１）。

図１ＡとＢは、従来の被研磨物キャリアの貫通穴の内壁付近部分の径方向断面図を示す。

図１ＡとＢにぞれぞれ示されるように、被研磨物キャリア２００Ａ、２００Ｂの金属製のキャリア本体２０２Ａ、２０２Ｂの貫通穴（図中の右側空間）を囲む内面に、樹脂製のインサート２０４Ａ、２０４Ｂが、樹脂の溶着、接着又は嵌め込みなどの方法で、取り付けられている。因みに、インサート２０４Ａ、２０４Ｂと接するキャリア本体２０２Ａ、２０２Ｂの内壁の径方向断面形状は、インサート２０４Ａ、２０４Ｂが固定しやすいように、インサート側へ突出した形状（図１Ａ）或いは階段形状（図１Ｂ）などとなっている。

インサート２０４Ａ、２０４Ｂの径方向の幅（すなわち、キャリア本体２０２Ａ、２０２Ｂの内壁の内径とインサート２０４Ａ、２０４Ｂの内径との差）は、１．５ｍｍ〜２ｍｍである。

特開２００２−１８７０８号公報

研磨加工により、上記した樹脂製のインサートが摩耗したり変形したりする。図２は、図１Ａ，Ｂに示す被研磨物キャリアの磨耗状態を示す径方向断面図であり、例えば、図２Ａ、Ｂに示されるように、インサート２０４Ａ、２０４Ｂの上下定盤と接する上下面が、より内方ほどより多く摩耗するように偏って摩耗し、とりわけその最も内側の部分の厚さが最も薄くなってしまう。また、このようにインサート２０４Ａ、２０４Ｂの内側部分が薄くなると、加工中に被研磨物との接触で曲ったり変形したりし易くもなる。その結果、被研磨物（例えば半導体ウェーハ）の研磨加工で得られる平坦度が悪化したり、研磨加工中に被研磨物の外縁部分が破損するなどの問題が生じる。

従って、本発明の目的は、被研磨物キャリアにおけるキャリア本体の内壁の内側に取り付けられた被研磨物を保護するためのインサートの摩耗や変形を減らすことにある。

上記の課題を解決するために、本発明の第一の側面に従う被研磨物キャリアは、被研磨物を収容するための貫通穴を有するキャリア本体と、キャリア本体の貫通穴を囲む内壁の内側に取り付けられた、内壁の材料より柔軟な材料製のインサートとを備える被研磨物キャリアにおいて、キャリア本体の内壁の径方向断面形状が、内壁の上端部と下端部が中央部より径方向内方へ突出した凹形である。インサートの内径が、キャリア本体の内壁の内径より所定幅だけ小さく、前記所定幅は好適な実施形態では１ｍｍ未満であって、望ましくはほぼ０．５ｍｍである。

また、本発明の第一の側面に従う被研磨物キャリアは、被研磨物を収容するための貫通穴を有するキャリア本体と、キャリア本体の貫通穴を囲む内壁の内側に取り付けられた、内壁の材料より柔軟な材料製のインサートとを備える被研磨物キャリアにおいて、インサートの内径が、キャリア本体の内壁の最小内径より所定幅だけ小さく、前記所定幅は好適な実施形態では１ｍｍ未満であって、望ましくはほぼ０．５ｍｍである。

また、本発明は、研磨製品の製造方法も提供する。すなわち、被研磨物キャリアに被研磨物を収容するステップと、被研磨物を収容した被研磨物キャリアを上定盤と下定盤の間に挟むステップと、上定盤と下定盤とに挟まれた被研磨物キャリアを、上定盤と下定盤に対して相対的に移動させることにより、被研磨物の上面または下面を研磨するステップとを有する研磨製品の製造方法において、被研磨物キャリアが、被研磨物を収容するための貫通穴を有するキャリア本体と、キャリア本体の貫通穴を囲む内壁の内側に取り付けられた、内壁の材料より柔軟な材料製のインサートとを備え、キャリア本体の内壁の径方向断面形状が、内壁の上端部と下端部が中央部より径方向内方へ突出した凹形である。インサートの内径が、キャリア本体の内壁の最小内径より所定幅だけ小さく、前記所定幅は好適な実施形態では１ｍｍ未満であって、望ましくはほぼ０．５ｍｍである。

本発明の第一の側面に従う被研磨物キャリアによれば、キャリア本体の内壁の径方向断面形状が、内壁の上端部と下端部が中央部より径方向内方へ突出した凹形であるから、この内壁に取り付けられたインサートは、他の断面形状（例えば、図１Ａ，Ｂに示したような突形状や階段形状）のキャリア本体内壁に取り付けられた同じ径方向幅をもつインサートに比べて、そのインサートの主たる摩耗部分である上面部と下面部の面積がより小さい。従って、インサートの摩耗や変形を少なくすることができるので、高い平坦度で被研磨物の表面を研磨することができ、また、被研磨物が破損するおそれも減る。また、インサートの摩耗や変形が少ないために、消耗品である被研磨物キャリアや研磨パッドの交換頻度を低減させることができるので、被研磨物の製造原価を低減させることが可能となる。

本発明の第二の側面に従う被研磨物キャリアによれば、被研磨物キャリアにおけるキャリア本体の内壁に取り付けられたインサートの径方向の幅が小さいために、インサートの摩耗や変形を少なくすることができるので、高い平坦度で被研磨物の表面を研磨することができ、また、被研磨物が破損するおそれも減る。また、インサートの摩耗や変形が少ないために、消耗品である被研磨物キャリアや研磨パッドの交換頻度を低減させることができるので、被研磨物の製造原価を低減させることが可能となる。

さらには、インサートの摩耗や変形が少ないために、被研磨物キャリアを再生使用することができるので、被研磨物キャリアの廃棄物を低減させて環境保護に貢献することができると共に、被研磨物の製造原価の低減化を図ることができる。また、インサートの摩耗や変形が少ないために、被研磨物キャリアの破損頻度を低減させて研磨装置の立上げロス低減を低減させることができる。

従来の被研磨物キャリアの貫通穴の内壁付近部分の径方向断面図である。 図１Ａ，Ｂに示す被研磨物キャリアの磨耗状態を示す径方向断面図である。 本発明の実施形態にかかる被研磨物キャリアの上面図である。 本発明の実施形態にかかる被研磨物キャリアが適用される研磨装置の要部断面図である。 本発明の実施形態に係る被研磨物キャリアの被研磨物保持穴を囲む内壁付近部分の径方向断面図である。 本実施形態による被研磨物キャリアの効果を示すキャリア種類とキャリアギャップの実験結果の特性図である。

図３は、本発明の実施形態にかかる、例えば半導体ウェーハのラッピング加工や平面研磨加工に用いられる、被研磨物キャリアの上面図である。この被研磨物キャリア１００は、ＳＵＳやＳＫ鋼などの金属製のキャリア本体１０２に、これを貫通して複数の被研磨物保持穴１０５が設けられ、その被研磨物保持穴１０５を囲むキャリア本体１０２の内壁には、キャリア本体１０２より柔軟な樹脂製のリング状のインサート１０４が、溶着、接着、又は嵌め込みなどの方法によって取り付けられている。インサート１０４が、それぞれの被研磨物保持穴１０５内に収容された半導体ウェーハを、それが研磨中にキャリア本体１０２に直接衝突することを防いて保護する。被研磨物キャリア１００の外周には、その被研磨物キャリア１００を研磨装置上で研磨中に遊星ギアとして自公転駆動させるためのギア歯列１０８が設けられている。

図４は、本発明の実施形態にかかる被研磨物キャリアが適用される研磨装置の要部断面図である。

研磨加工の手順は、次の通りである。準備段階として、図４に示されるように、被研磨物キャリア１００のインサート１０４の内側にウェーハ１１０が収納され、そのような複数枚の被研磨物キャリア１００が、研磨パッド１３０，１４０を介して、研磨装置１２０の上定盤１５０と下定盤１６０の間に挟み込まれる。その後、研磨加工が開始される。研磨加工中、上定盤１５０と下定盤１６０が互いに逆方向に回転し、各被研磨物キャリア１００が遊星ギアとして自公転し、上定盤１５０と下定盤１６０間に押圧された研磨パッド１３０、１４０によって、被研磨物キャリア１００に保持されたウェーハ１１０の両面が研磨される。なお、ラッピング研磨を行う場合も、本発明に従う被研磨物キャリア１００が同様に使用できる。因みに、ラッピング加工では、研磨パッド１３０，１４０は用いられず、研磨作用面に格子溝を有する上定盤１５０と下定盤１６０が使用される。

図５Ａ〜Ｄは、本発明の実施形態に係る被研磨物キャリアの幾つかの具体例の被研磨物保持穴を囲む内壁付近部分の径方向断面図を示す。

図５Ａ〜Ｄに示された被研磨物キャリアの具体例は、いずれも、樹脂性のインサートによってウェーハへの衝撃吸収を確保しつつ、そのインサートが研磨パッドに触れる面積を出来るだけ小さくしてインサートの磨耗量をできるだけ少なくするために、磨耗領域となるインサートの上面部と下面部の径方向の幅をできるだけ小さくした構成となっている。

先ず、図５Ａに例示された被研磨物キャリア１００Ａでは、金属製のキャリア本体１０２Ａの被研磨物保持穴１０５Ａを囲む内壁１０６Ａの径方向断面形状は、その上端部と下端部とが同程度の距離だけ、その中央部より径方向内方へ突出した凹形状となっている。このような形状の内壁１０６Ａに、内壁１０６Ａの凹形状に完全にフィットする凸形状の外面をもった樹脂（例えば、ナイロン／アラミド／エポキシガラス等）製のインサート１０４Ａが、接着、樹脂溶着又は嵌め込みなどの方法で取り付けられている。インサート１０４Ａの内面は、キャリア本体１０２Ａの上下面に垂直な平坦面である。インサート１０４Ａの径方向の幅（すなわち、キャリア本体１０２Ａの内壁の最小内径とインサート１０４Ａの最小内径との差）は、０．５ｍｍ以上１ｍｍ未満であり、望ましくはほぼ０．５ｍｍである。インサート１０４の厚み（キャリア本体１０２Ａの上下面に垂直な方向の厚み）は、キャリア本体１０２の厚みより僅かに厚いか又は同等である。

図５Ｂに例示された被研磨物キャリア１００Ｂでも、キャリア本体１０２Ｂの被研磨物保持穴１０５Ｂを囲む内壁１０６Ｂの径方向断面形状は、その上端部と下端部とが同程度の距離だけ、その中央部より径方向内方へ突出した凹形状となっている。図５Ａに例示された被研磨物キャリア１００Ａでは、内壁１０６Ａの凹形状が折れ線的であるのに対し、図５Ｂに例示された被研磨物キャリア１００Ｂでは、内壁１０６Ａの凹形状が曲線的である。他の構成については、図５Ａに例示された被研磨物キャリア１００Ａと同様である。

図５Ａ，Ｂに示された構成によれば、樹脂性のインサート１０４Ａ，Ｂの径方向の幅として、ウェーハなどの被研磨物が金属製のキャリア本体１０２Ａの内壁１０６Ａから受ける衝撃を吸収できる最小限の幅（ほぼ０．５ｍｍ）を確保しつつ、内壁１０６Ａ，Ｂの凹形状とインサート１０４Ａ，Ｂの径方向の幅の小ささの双方による利点として、インサート１０４Ａ，Ｂの摩耗領域である上面部と下面部の面積と径方向長さを最小限に小さくすることができるので、インサート１０４Ａ，Ｂの磨耗量を少なくすることができる。従って、図４に示すような研磨装置１２０において、ウェーハ１１０を高い平坦度で研磨することができ、また、ウェーハ１１０の破損の原因となるインサート１０４Ａ，Ｂの摩耗による変形も抑制できる。

図５Ｃに例示された被研磨物キャリア１００Ｃでは、キャリア本体１０２Ｃの被研磨物保持穴１０５Ｃを囲む内壁１０６Ｃの径方向断面形状は、その上端部と下端部よりもその中央部の方が径方向内方へ突出した凸形状となっている。このような形状の内壁１０６Ｃに、内壁１００Ｃの凸形状に完全にフィットする凹形状の外面をもった樹脂製のインサート１０４Ｃが樹脂の溶着、接着又は嵌め込みなどの方法で取り付けられている。他の構成にいては、図５Ａ，Ｂの例と同様である。

また、図５Ｄに例示された被研磨物キャリア１００Ｃでは、キャリア本体１０２Ｄの被研磨物保持穴１０５Ｄを囲む内壁１０６Ｄの径方向断面形状は、その上半部より下半部の方が径方向内方へ突出した階段形状となっている。このような形状の内壁１０６Ｄに、内壁１００Ｄの階段形状に完全にフィットする階段形状の外面をもった樹脂製のインサート１０４Ｄが樹脂の溶着、接着又は嵌め込みなどの方法で取り付けられている。他の構成にいては、図５Ａ〜Ｃの例と同様である。

図５Ｃ，Ｄに例示された被研磨物キャリア１００Ｃ，Ｄによれば、樹脂性のインサート１０４Ｃ，Ｄの径方向の幅として、ウェーハなどの被研磨物が金属製のキャリア本体１０２Ａの内壁１０６Ａから受ける衝撃を吸収できる最小限の幅（ほぼ０．５ｍｍ）を確保しつつ、インサート１０４Ｃ，Ｄの径方向幅の小ささによる利点として、インサート１０４Ｃ，Ｄの摩耗領域である上面部と下面部の面積と径方向長さを、図１Ａ、Ｂに例示した従来製品より小さくすることができるので、インサート１０４Ｃ、Ｄの磨耗量を少なくすることができる。従って、図４に示すような研磨装置１２０において、ウェーハ１１０を高い平坦度で研磨することができ、また、ウェーハ１１０の破損の原因となるインサート１０４Ｃ，Ｄの摩耗による変形も抑制できる。

図６は、図５Ａに例示された本発明に従う被研磨物キャリア１００Ａの性能を実験的に調べた結果を、図２Ａに例示された従来の被研磨物キャリア２００Ａと対比して示す。

図６において、横軸の「本発明品（新品）」は、本発明に従う被研磨物キャリア１００Ａの新品（インサート１０４Ａの径方向幅が０．５ｍｍのもの）を指し、「従来品（新品）」と「従来品（中古品）」は従来の被研磨物キャリア２００Ａの新品と中古品を指す。縦軸は、それぞれの被研磨物キャリアを用いてウェーハの研磨加工を行った結果としての、ウェーハの平坦度の指標値、ＳＦＱＲ（μｍ）、を示している。横軸の「本発明品（新品）」、「従来品（新品）」、「従来品（中古品）」の下に記述された「ＧＡＰ（ギャップ）」は、キャリア本体とインサートの最薄個所の間の厚さの差を意味しており、「本発明品（新品）」ではＧＡＰ＝１〜２μｍ、「従来品（新品）」ではＧＡＰ＝２〜３μｍ、「従来品（中古品）」ではＧＡＰ＝１４〜１８μｍであった。

新品であっても、本発明品の方が従来品よりもギャップが小さい理由は、樹脂製インサートの製造プロセスにおいて、インサートの厚さを目標厚さに加工する工程で、径方向の幅がより大きい従来品の方が、径方向の幅がより小さい本発明品に比べて、より薄くなってしまう部分が、どうしても生じてしまうからである。なお、この事実は、発明者らが実際に本発明品を製造してみて、従来品と比較してみて、初めて知った新規な知見であり、単なる従来の文献的知識からでは容易に得ることができなかったものである。

さて、図６に示すように、従来品（中古品）である被研磨物キャリア２００Ａを用いてウェーハを研磨した場合は、ウェーハのＳＦＱＲの最小値〜最大値は０.１５μｍ〜０.２４μｍで、ＳＦＱＲの平均値は０.１９μｍであった。従来品（新品）でる被研磨物キャリア２００Ａを用いてウェーハを研磨した場合は、ウェーハのＳＦＱＲの最小値〜最大値は０.０８μｍ〜０.１４μｍで、ＳＦＱＲの平均値は０.１１μｍであった。

これに対し、本発明品（新品）である被研磨物キャリア１００Ａを用いてウェーハを研磨した場合は、ウェーハのＳＦＱＲの最小値〜最大値は０.０６μｍ〜０.１２μｍで、ＳＦＱＲの平均値は０.０８μｍであった。

このように、本発明品（新品）の被研磨物キャリアを用いた場合は、従来品（新品）を用いた場合よりも、ウェーハの平坦度が明らかに向上した。その理由として、本発明品では、インサート１０４の径方向の幅が小さく、インサートの上面部と下面部の面積も小さいことから、新品の段階から、キャリア本体１０２とインサート１０４との間の厚みの差（Ｇａｐ）が従来品よりも小さいということを挙げることができる。

そして、本発明品の場合には、すでに説明したように、研磨を繰り返している間に生じるインサートの上面部と下面部の摩耗量も小さいので、同じ使用量の中古品であっても、従来品よりは上記ＧＡＰが小さく、よって、被研磨物の平坦度を高く維持することができる。

以上、説明した本発明の実施形態にかかる被研磨物キャリア１００によれば、被研磨物保持穴１０５を囲むインサート１０４の上面部と下面部の径方向の長さが、従来のものより小さい。特に、キャリア本体１０２の被研磨物保持穴１０５を囲む内壁１０６の径方向断面形状が、その上端部と下端部がその中央部よりも径方向内方へ突出した凹形状である場合には、インサート１０４の上面部と下面部の径方向の長さが最小になる。その結果、キャリア本体１０２とインサート１０４間の厚さのキャップが新品の段階から小さく、また、その後に研磨を繰り返すことにより生じるインサート１０４の偏磨耗が減り、摩耗に起因する変形も減る。結果として、被研磨物であるウェーハの平坦度が向上し、また、ウェーハの研磨中の破損も減る。被研磨物キャリア１００の寿命も延びる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示に過ぎず、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなしに、上記実施形態以外の様々な形態又は構造で実施することができる。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ 被研磨物キャリア
１０２、１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄ キャリア本体
１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄ インサート
１０５ 被研磨物保持穴
１０８ ギア歯列
１１０ ウェーハ
１２０ 研磨装置
１３０、１４０ 研磨パッド
１５０ 上定盤
１６０ 下定盤

Claims (6)

1. 被研磨物を収容するための貫通穴を有するキャリア本体と、
   前記キャリア本体の前記貫通穴を囲む内壁の内側に取り付けられた、前記内壁の材料より柔軟な材料製のインサートと
   を備える被研磨物キャリアにおいて、
   前記キャリア本体の前記内壁の径方向断面形状が、前記内壁の上端部と下端部が中央部より径方向内方へ突出した凹形であり、
   前記インサートの最小内径が、前記キャリア本体の前記内壁の最小内径より、所定幅だけ小さい、被研磨物キャリア。
2. 請求項１記載の被研磨物キャリアにおいて、
   前記所定幅が１ｍｍ未満である、被研磨物キャリア。
3. 請求項１記載の被研磨物キャリアにおいて、
   前記所定幅がほぼ０．５ｍｍである、被研磨物キャリア。
4. 被研磨物を収容するための貫通穴を有するキャリア本体と、
   前記キャリア本体の前記貫通穴を囲む内壁の内側に取り付けられた、前記内壁の材料より柔軟な材料製のインサートと
   を備える被研磨物キャリアにおいて、
   前記インサートの最小内径が、前記キャリア本体の前記内壁の最小内径より、所定幅だけ小さく、
   前記所定幅が１ｍｍ未満である、被研磨物キャリア。
5. 請求湯項４記載の被研磨物キャリアにおいて、
   前記所定幅がほぼ０．５ｍｍである、被研磨物キャリア。
6. 被研磨物キャリアに被研磨物を収容するステップと、
   前記被研磨物を収容した前記被研磨物キャリアを上定盤と下定盤の間に挟むステップと、
   前記上定盤と下定盤とに挟まれた前記被研磨物キャリアを、前記上定盤と下定盤に対して相対的に移動させることにより、前記被研磨物の上面または下面を研磨するステップと
   を有する研磨製品の製造方法において、
   前記被研磨物キャリアが、
   被研磨物を収容するための貫通穴を有するキャリア本体と、前記キャリア本体の前記貫通穴を囲む内壁の内側に取り付けられた、前記内壁の材料より柔軟な材料製のインサートとを備え、
   前記キャリア本体の前記内壁の径方向断面形状が、前記内壁の上端部と下端部が中央部より径方向内方へ突出した凹形であり、
   前記インサートの最小内径が、前記キャリア本体の前記内壁の最小内径より、所定幅だけ小さい、研磨製品の製造方法。

Images