JP2009266896A - 評価用ウェーハ及び両面研磨の研磨代の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】両面研磨時のウェーハの表面と裏面のそれぞれの研磨代を簡便な方法で調べることができ、その違いによる余分な研磨代を少なくすることができる両面研磨の研磨代を評価するための評価用ウェーハ及び両面研磨の研磨代の評価方法を提供することを目的とする。
【解決手段】両面研磨の研磨代を評価するための評価用ウェーハであって、ウェーハの表裏両面に凹部が形成されているものである評価用ウェーハ及びそれを用いた評価方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、両面研磨の研磨代を評価するための評価用ウェーハ及びそれを用いた両面研磨の研磨代の評価方法に関する。

半導体ウェーハを製造する場合、例えばチョクラルスキー法でシリコン単結晶インゴットを育成し、このインゴットをスライスして薄い円板状に加工した後、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の種々の工程を経て鏡面状ウェーハに仕上げられる。

シリコンウェーハの研磨工程では、通常、粗研磨から仕上げ研磨へと複数の段階を経て研磨が行われる。
例えば、ラッピング工程及びエッチング工程の後、ウエーハの表面における歪みを除去し、平坦化するために、数μｍ程度の研磨代で１次研磨を行う。次いで、１次研磨で発生したキズ等を除去し、表面粗さを改善するため、１μｍ程度の研磨代で２次研磨を行う。さらにヘイズフリーの表面にするため、１μｍ未満の研磨代で仕上げ研磨を行う。

近年、シリコンウエーハの直径は３００ｍｍが主流となり平坦化の要求はますます厳しくなっている。このような大直径ウエーハの平坦度品質やナノトポグラフィ品質を得るために両面研磨装置による研磨が一般的に行われるようになってきた。両面研磨装置は１次研磨に主に用いられ２次、仕上げ研磨には片面研磨装置が用いられている（特許文献１参照）。

一般的な両面研磨装置としては、遊星歯車機構を用いた、いわゆる４ウェイ方式の装置が知られている。このような両面研磨装置によりシリコンウエーハを研磨する場合は、キャリアに複数形成されたウエーハ保持孔にウエーハを挿入する。そして、ウエーハは上定盤及び下定盤で挟み込んで保持される。

スラリー供給孔を通じて研磨スラリーを供給するとともに、上定盤（研磨布が貼付）は時計回り方向に回転し、下定盤（研磨布が貼付）は反時計回り方向に回転する。また、キャリアはサンギアとインターナルギアとの間で自転公転させる。これにより、各保持孔内のウエーハの両面を同時に研磨することができる。

しかし、両面研磨の場合、重力等の影響により、表裏両面の研磨条件が必ずしも同じとはならず表裏の研磨代が異なってしまうという問題がある。また、ウエーハの厚さを測定することで全体の研磨代は判っても表裏両面それぞれの研磨代は判らない。したがって、ラッピング及びエッチングによる加工歪を完全に除去するための研磨条件は研磨代の少ない面が基準とせざるを得ず、このため研磨代の多い面は必要以上に研磨されてしまい原料コストおよび生産性の悪化の原因となっていた。

特開平０９−２７０４０１号公報

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、両面研磨時のウェーハの表面と裏面のそれぞれの研磨代を簡便な方法で調べることができ、その違いによる余分な研磨代を少なくすることができる両面研磨の研磨代を評価するための評価用ウェーハ及び両面研磨の研磨代の評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、両面研磨の研磨代を評価するための評価用ウェーハであって、ウェーハの表裏両面に凹部が形成されているものであることを特徴とする評価用ウェーハを提供する（請求項１）。

このような評価用ウェーハであれば、ウェーハの表裏両面に凹部が形成されているため、研磨前後の凹部の深さの変化を調べることによって、ウェーハ両面それぞれの研磨代を容易に評価することができる。これにより、製品ウェーハの研磨条件を調整することで、上定盤と下定盤の研磨代の違いによる一方の面の無駄な研磨を少なくすることができ、さらには研磨代の少ない面の研磨速度を速くすることができるため研磨時間が短縮され、高い生産性でコストの低減された両面研磨を行うことができる。

このとき、前記凹部が、エッチングにより形成されたものであることが好ましい（請求項２）。
このように、凹部をエッチングにより形成すれば、所望パターンの形成や深さの正確な調節が容易にできるため、より精度の高い評価を行うことができる評価用ウェーハにすることができる。

このとき、前記凹部が、前記ウェーハの表裏両面に同一パターンで形成されているものであって、前記ウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するものであることが好ましい（請求項３）。
このように、凹部がウェーハの表裏両面に同一パターンで形成され、ウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するものであれば、評価の際の両面研磨時に評価用ウェーハ面内で均一に負荷がかかり、製品ウェーハと同様の研磨を行うことができるため、より正確な研磨代の評価を行うことができる評価用ウェーハにすることができる。また、凹部がウェーハの表裏両面に同一パターンで形成されているものであれば、凹部以外の面積やウェーハにかかる圧力が裏面と表面で同条件になり、研磨されるウェーハ両面のそれぞれの研磨代を正確に評価することができる。

このとき、前記凹部の面積が、前記ウェーハ面内全体の面積の半分以下であることが好ましい（請求項４）。
このように、凹部の面積をウェーハ面内全体の面積の半分以下とすることで、両面研磨時の評価ウェーハへの負荷を、両面研磨時の製品ウェーハへの負荷に近くすることができるため、研磨代をより正確に調べることができる評価用ウェーハにすることができる。

また、本発明は、両面研磨の研磨代の評価方法であって、ウェーハの表裏両面に凹部を形成することによって評価用ウェーハを作製し、該評価用ウェーハを両面研磨し、該両面研磨された評価用ウェーハの研磨前後の凹部の深さの変化によって研磨代を評価することを特徴とする両面研磨の研磨代の評価方法を提供する（請求項５）。

このように、表裏両面に凹部を形成された評価用ウェーハを両面研磨することで、研磨代の評価が研磨前後の凹部の深さの変化を調べるだけで可能であるため、装置条件により異なる両面の研磨代を正確に簡便な方法で評価することができる。

このとき、前記凹部の形成方法を、エッチングにより形成することが好ましい（請求項６）。
このように、凹部をエッチングにより形成することで、凹部の形状や深さを簡便な方法で正確に形成することができるため、精度の高い研磨代の評価を行うことができる。

このとき、前記凹部を、前記ウェーハの表裏両面に同一パターンで、前記ウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するように形成することが好ましい（請求項７）。
このように、凹部をウェーハの表裏両面に同一パターンで、ウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するように形成すれば、評価のための研磨時に面内均一に負荷がかかり、製品ウェーハの研磨時と同様の研磨を行うことができるため、より正確に研磨代を評価することができる。また、凹部をウェーハの表裏両面で同一パターンで形成するため、表面と裏面の研磨条件が同じになり、より正確に研磨代を評価することができる。

このとき、前記凹部の面積を、前記ウェーハ面内全体の面積の半分以下にすることが好ましい（請求項８）。
このように、凹部の面積をウェーハ面内全体の半分以下にすれば、製品ウェーハを研磨する際の負荷に近くすることができるため、より正確な研磨代を評価することができる。

また、本発明は、少なくとも、本発明の両面研磨の研磨代の評価方法によって研磨代を評価して、製品ウェーハの研磨条件を調整することを特徴とする両面研磨方法を提供する（請求項９）。
このように、本発明の両面研磨の研磨代の評価方法を用いれば、両面研磨時のウェーハの表面と裏面の研磨代の違いや、研磨される速度を正確に評価することができるため、それをもとに製品ウェーハの研磨条件を調整することで、無駄な研磨代を少なくすることができ、さらには研磨代の少ない面の研磨速度を速くすることができるため研磨時間が短縮され、ウェーハを生産性高く低コストで両面研磨することができる。

このとき、前記調整される研磨条件を、定盤の回転速度とすることが好ましい（請求項１０）。
このように、調整される研磨条件を定盤の回転速度とすれば、比較的簡単にウェーハの表面、裏面それぞれの研磨代を変えることができるため、無駄な研磨代を少なくしたり、研磨速度を速くすることを容易に行うことができる。

このとき、前記調整される研磨条件を、研磨スラリー又は研磨布の交換サイクルとすることが好ましい（請求項１１）。
このように、調整される研磨条件を研磨スラリー又は研磨布の交換サイクルとすれば、本発明の評価方法により研磨代を正確に評価することで、研磨プロセスの維持、管理を効率的に行うことができるため、生産性高く両面研磨することができる。

以上のように、本発明の評価用ウェーハであれば、ウェーハの表裏両面に凹部を有するため、研磨代の評価を研磨前後の凹部の深さ変化を調べることによって評価でき、定盤の回転速度等の装置条件に伴うウェーハの表面と裏面それぞれの研磨代の評価を簡便な方法で正確に行うことができる。このように、本発明によって、ウェーハ両面の研磨代をそれぞれ正確に評価することができるため、これに基づいて製品ウェーハの研磨条件を調整することで、一方の面の無駄な研磨を少なくすることができ、さらには研磨プロセスの維持、管理も効率的に行うことができ、これにより生産性高く低コストで良質な両面研磨を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の実施態様の例としての評価用ウェーハの表裏両面の平面図である。図２は、局所エッチング装置の概略図である。

本発明の両面研磨の研磨代を評価するための評価用ウェーハＷは、図１に示すように、ウェーハの表裏両面に凹部１０が形成されている。
この評価用ウェーハＷの作製方法としては、特に限定されないが、例えばシリコン単結晶ウェーハ等の製品ウェーハと同じ材料、同条件で作製されたウェーハの表裏両面に、凹部を形成することにより評価用ウェーハを作製することができる。

凹部１０の形成方法としては、エッチングにより形成することが好ましい。
このように、エッチングにより凹部を形成することで、形状や深さを正確に形成することができるため、簡便な方法で精度高く研磨代の評価を行うことができる。
以下、エッチングにより凹部を形成する方法として、例えば局所エッチング装置を用いて凹部を形成する方法について説明する。

図２に示す局所エッチング装置は、回転制御可能なウエーハ載置台とウエーハ表面にエッチング性ガス１４を供給するための直線方向に移動可能なノズル１５とエッチング性ガス１４を発生させるための酸混合容器１１からなっている。
まずフッ酸や硝酸の酸混合液１２を酸混合容器１１にいれて、この容器に窒素ガス１３をバブリングすることでエッチング性ガス１４を発生させ、ウエーハ表面に供給するノズル１５を、Ｘ−Ｙ方向に移動させるとともにウエーハ載置台をθ方向に回転させることでウエーハ表面に深さ：数μｍ〜数１０μｍ、幅：数ｍｍ〜数１００ｍｍの寸法精度の高い凹部をエッチングにより形成することができる。

凹部１０としては、ウェーハの表裏両面に同一パターンで、ウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するように形成することが好ましい。
このように、凹部をウェーハの表裏両面に同一パターンでウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するように形成すれば、評価のための研磨時の負荷が評価用ウェーハ面内で均一にかかるため、製品ウェーハの研磨時と同様の研磨を行うことができ、より正確に研磨代を評価することができる。また、ウェーハの表面と裏面での研磨される面積やその研磨される面にかかる圧力が同じになるため、より正確にウェーハ両面の研磨代の評価を行うことができる。

このときのパターン形状として、例えば、図１に示すように、ウェーハ中心を対称点として、３つの扇形状の凹部が１２０°の回転対称性を有するように形成したり（図１（ａ））、２つの長方形の凹部が９０°の回転対称性を有するように形成したり（図１（ｂ））、同心円状の凹部を形成（図１（ｃ））することができる。ここで、図１（ａ）、（ｂ）のように、表面と裏面のパターンの回転位置をずらして形成すれば、研磨時の負荷がより均一になるが、特には限定されず、凹部は表裏両面で同じ位置に形成されてもよい。

また、凹部１０の面積を、ウェーハＷ面内全体の面積の半分以下にすることが好ましい。
このように、凹部の面積をウェーハ面内全体の面積の半分以下にすることで、評価ウェーハへの研磨時の負荷が製品ウェーハへの負荷と同程度になり、研磨代の評価をより正確に行うことができる。

本発明では、このように作製された評価用ウェーハＷを両面研磨し、その研磨前後の凹部１０の深さの変化によって研磨代を評価する。
本発明の評価用ウェーハ及び両面研磨の研磨代の評価方法であれば、表裏両面に凹部を有するウェーハを両面研磨することにより、研磨前後の凹部の深さの変化を調べるだけで装置条件による研磨代を簡便な方法で正確に評価することができる。

このとき両面研磨する装置としては、製品ウェーハを研磨するものと同一の装置を用いることができ、特に限定されないが、例えば図３に概略図で示されている、４ウェイ方式の両面研磨装置を用いることができる。図４は、４ウェイ方式の両面研磨装置の遊星歯車構造を示す概略平面図である。

例えば、図３に示す両面研磨装置１を用いる場合としては、まず、研磨布６が貼り付けられた下定盤９上に載置されたキャリア２のウエーハ保持孔３に、予め表裏面に形成された凹部の深さを測定した評価用ウエーハＷを装着する。装着する評価用ウエーハＷの枚数は最低バッチあたり１枚とし、好ましくは各キャリア２に１枚とする。評価用ウエーハＷをセットした残りのウエーハ保持孔３には直径及び厚さの同じダミーウエーハを装着する。

そして表面に研磨布６が貼り付けられた上定盤８を下降させて評価用ウエーハＷと接触させた後に、インターナルギア５、サンギア４を駆動させることでキャリア２を自転公転させるとともに、スラリー供給孔７から研磨用スラリーを供給しながら上下定盤を回転させることで評価用ウエーハＷの表裏面を同時に研磨する。研磨終了後に評価用ウエーハＷを取り出し表裏面の凹部の深さを測定し、研磨前の測定値との差を求めることで表裏両面の研磨代が判る。

このとき、評価するための研磨代としては、両面研磨の目的の一つであるラッピング、エッチングによる加工歪の除去を考慮すると、加工歪層の深さ分（５．５μｍ程度）以上を研磨することが好ましい。

このように評価したものに基づいて、製品ウェーハの研磨条件を調整して両面研磨することができる。
本発明の評価方法であれば、両面研磨の研磨代をウェーハ両面それぞれについて評価することができるため、それに基づいて研磨条件を調整することで、研磨代の少ない面の研磨速度を速くすることができ、ウェーハの表面と裏面の研磨代の違いによる一方の面の無駄な研磨を少なくすることができる。また、予め両面の研磨代を正確に評価することで製品ウェーハの研磨の際には両面の研磨代がほぼ等しい条件で研磨することができ、無駄な研磨が少なくなり、更に研磨速度が速くなるため研磨時間が短縮され、生産性良く良質な両面研磨を行うことができる。これにより、原料コストを低減し、生産性の高いウェーハを製造することができる。

この調整される研磨条件としては、定盤の回転速度とすることが好ましい。
このように、評価したウェーハ両面のそれぞれの研磨代に基づいて、ウェーハの表面と裏面で研磨代が異なる場合や、一方の面を多めに研磨することが必要な場合には、上定盤と下定盤の速度回転を相対的に調整することにより、ウェーハの表裏の研磨代を容易に調整することができ、無駄な研磨を少なくすることができるため、簡便な方法でコストの低減を図ることができる。

また、この調整される研磨条件としては、研磨スラリー又は研磨布の交換サイクルとすることが好ましい。
本発明の評価方法であれば、容易にウェーハ両面の研磨代を評価できるため、定期的にこの評価を行うことで、研磨スラリー又は研磨布の交換サイクルについても評価することができ、研磨プロセスの維持、管理を効率的に行うことができ、生産性の高い良質な両面研磨を行うことができる。

また、このような調整される研磨条件としては、上記のものに限られず、例えば研磨代の少ない方の研磨定盤に貼り付ける研磨布を摩擦係数の大きいものに変更すること等によっても調整は可能である。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。

（実施例）
まず、チョクラルスキー法で引き上げた直径３００ｍｍ、Ｐ型＜１００＞の単結晶シリコンインゴット（低酸素・通常抵抗品：酸素濃度１０．５ｐｐｍａ、抵抗率８〜１０Ω・ｃｍ）をスライスして薄円板状のウエーハを得た。このウェーハの割れ、欠けを防止するため、外縁部に面取り加工を施した後、ウエーハを平坦化するためにラッピング、エッチング加工を行った。

このようにして得られたウエーハ両面に、図２示すような局所エッチング装置を使って、深さ１５μｍでウエーハ中心からの距離が２０ｍｍから１４５ｍｍにかけて中心角３０゜の扇型の凹部を３箇所、エッチングにより形成し、図１（ａ）に示すような評価用ウエーハを３０枚作製した。なお、凹部の深さは中心部３点と外周部３点の計６点の平均値である。

この評価用シリコンウエーハを、図３、４に示すような両面研磨装置の各キャリアの保持孔に１枚ずつ合計３枚セットした。また、各キャリアの残りの保持孔に評価用ウエーハと同じ厚みで凹部が形成されていないシリコンダミーウエーハを４枚ずつ計１２枚セットし、以下の条件で両面研磨を行った。
なお、研磨布にポリエステル不繊布ウレタン樹脂含浸品（アスカーＣ硬度８８°）を使用し、研磨スラリーにはコロイダルシリカを含有するｐＨ１１のアルカリ溶液を用いた。

＜研磨条件（調整前）＞
上定盤回転速度（１５ｒｐｍ）、下定盤回転速度（１５ｒｐｍ）
上下定盤によるウエーハの研磨圧力（３００ｇ／ｃｍ^２）、スラリー供給量（２Ｌ／分）
ウエーハ仕上げ厚さ（７７７μｍ（目標））、研磨速度（０．４μｍ／分）

以上の研磨条件で１０バッチの研磨を行った後、合計３０枚の評価用シリコンウエーハの表裏両面の凹部の深さを静電容量型表面形状測定器（ＡＤＥ社製ＡＦＳ３２２０）により測定した。測定点は研磨前と同じウエーハの中心側３点と外周側３点とし、それぞれの平均値は以下のとおりであった。

表面側：中心部９．２４μｍ（研磨代５．７３μｍ）、外周部９．３３μｍ（研磨代５．６７μｍ）
裏面側：中心部２．７３μｍ（研磨代１２．２７μｍ）、外周部２．８９μｍ（研磨代１２．１１μｍ）
これらの値から全研磨量は中心部で１８．００μｍ、外周部１７．７８μｍであった。なお、研磨に要した時間は４５分／バッチであった。

この結果から、上記の研磨条件で研磨を行った場合、裏面側が表面側に比べて２倍以上研磨されていることが判った。なお、加工歪を除去するためには、片側で最低５．５μｍの研磨が必要であるが、上記研磨条件で研磨を行った場合には裏面側については、６μｍ以上も本来必要のない研磨が行われたことになる。
この結果を踏まえて、ウェーハの表裏面の研磨代が均等になるよう研磨条件の見直しを行い、上定盤回転速度を変えて、以下の条件で再度同様に１０バッチの研磨を行った。

＜研磨条件（調整後）＞
上定盤回転速度（２０ｒｐｍ）、下定盤回転速度（１５ｒｐｍ）
上下定盤によるウエーハの研磨圧力（３００ｇ／ｃｍ^２）、スラリー供給量（２Ｌ／分）
ウエーハ仕上げ厚さ（７７７μｍ（目標））、研磨速度（０．４μｍ／分）

以上の研磨条件で１０バッチの研磨を行った後、合計３０枚の評価用シリコンウエーハの表裏両面の凹部の深さを測定した。測定結果は以下のとおりである。

表面側：中心部９．３５μｍ（研磨代５．６５μｍ）、外周部９．４３μｍ（研磨代５．５７μｍ）
裏面側：中心部８．６５μｍ（研磨代６．３５μｍ）、外周部８．７６μｍ（研磨代６．２４μｍ）
これらの値から全研磨量は中心部で１２．００μｍ、外周部１１．８１μｍであった。なお、研磨に要した時間は３０分／バッチであった。

このように、調整後の研磨条件では、ウェーハの表裏面の研磨代の差が１μｍ以内に抑えられ、不必要な研磨代がほとんど無くなるとともに、研磨時間も約３３％短縮された。

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。

本発明の実施態様の例としての評価用ウェーハの表裏両面の平面図である。 局所エッチング装置の概略図である。 ４ウェイ方式の両面研磨装置の概略図である。 ４ウェイ方式の両面研磨装置の遊星歯車構造を示す概略平面図である。

符号の説明

１…４ウェイ方式の両面研磨装置、 ２…キャリア、 ３…ウェーハ保持孔、
４…サンギア、 ５…インターナルギア、 ６…研磨布、
７…スラリー供給孔、 ８…上定盤、 ９…下定盤、 １０…凹部
１１…酸混合容器、 １２…酸混合液、 １３…窒素ガス、
１４…エッチング性ガス、 １５…酸供給ノズル、
Ｗ…評価用ウェーハ。

Claims (11)

1. 両面研磨の研磨代を評価するための評価用ウェーハであって、ウェーハの表裏両面に凹部が形成されているものであることを特徴とする評価用ウェーハ。
2. 前記凹部が、エッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の評価用ウェーハ。
3. 前記凹部が、前記ウェーハの表裏両面に同一パターンで形成されているものであって、前記ウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の評価用ウェーハ。
4. 前記凹部の面積が、前記ウェーハ面内全体の面積の半分以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の評価用ウェーハ。
5. 両面研磨の研磨代の評価方法であって、ウェーハの表裏両面に凹部を形成することによって評価用ウェーハを作製し、該評価用ウェーハを両面研磨し、該両面研磨された評価用ウェーハの研磨前後の凹部の深さの変化によって研磨代を評価することを特徴とする両面研磨の研磨代の評価方法。
6. 前記凹部の形成方法を、エッチングにより形成することを特徴とする請求項５に記載の両面研磨の研磨代の評価方法。
7. 前記凹部を、前記ウェーハの表裏両面に同一パターンで、前記ウェーハ中心を対称点として回転対称性を有するように形成することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の両面研磨の研磨代の評価方法。
8. 前記凹部の面積を、前記ウェーハ面内全体の面積の半分以下にすることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の両面研磨の研磨代の評価方法。
9. 少なくとも、請求項５乃至請求項８のいずれか一項に記載の両面研磨の研磨代の評価方法によって研磨代を評価して、製品ウェーハの研磨条件を調整することを特徴とする両面研磨方法。
10. 前記調整される研磨条件を、定盤の回転速度とすることを特徴とする請求項９に記載の両面研磨方法。
11. 前記調整される研磨条件を、研磨スラリー又は研磨布の交換サイクルとすることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の両面研磨方法。

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