JP2688584B2 - 薄板研磨方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は被研磨薄板の研磨方法に関し、特に同一研磨
装置において、研磨布を交換することなく、連続的に且
つ良好な面粗さでしかも実質的に加工傷がない状態で、
能率的に鏡面研磨を行う事の出来るウエーハの研磨方法
を提供する。

「従来の技術」 従来より、ダイオード、トランジスタ、IC（集積回
路）、LSI（大規模集積回路）等の半導体装置を製造す
る為の基体となるべき半導体ウエーハは、シリコン、ゲ
ルマニウム等の半導体単結晶インゴットをスライスして
ウエーハとした後、その少なくとも一側表面をいわゆる
メカノケミカルポリッシング法と呼ばれる研磨方法（機
械的研磨と化学研磨を組み合わせた研磨方法）に基づい
て鏡面研磨する事により形成される。

そしてかかる装置においては、最終的に高精度で加工
傷のない理想的な鏡面を形成するために、主として研磨
材の砥粒サイズ、研磨布又は研磨圧力等の研磨諸条件を
段階的に区別した荒仕上げ工程から細仕上げ工程へ、通
常２乃至３種類の専用の研磨装置を用い、ウエーハ又は
該ウエーハを保持するプレートを順次各研磨装置に移動
させながら研磨する方法を採用している。

例えば、先ず荒仕上げ工程では研磨材の砥粒のサイズ
が大きく例えば平均0.05μｍのものを用い、そして最終
仕上げ工程では研磨材の砥粒サイズは平均0.01μｍのも
のを用い、一方研磨布は硬質のものから軟質の物へ変更
させ、更に研磨荷重は荒仕上げ工程で100〜150g/cm²、
最終仕上げでは50g/cm²などの条件が選ばれ、この結果
荒仕上げ工程から細仕上げ工程に移行させるに連れ研磨
量の低下に反比例させて面粗さを向上させながら所定精
度の鏡面に仕上げられていた。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、前記したように各仕上げ工程毎にウエ
ーハを保持するプレートを順次各研磨装置に移動させな
がら研磨する事は、各研磨装置にプレート固定する際に
微小な取付け誤差等が生じ、精度よい研磨仕上げが困難
であるとともに、その取付作業が煩雑化する。

而も前記研磨法では、少なくとも一プロセスを完成す
るため、２〜３台の研磨機が必要であり、工程管理及び
コスト面で問題があった。

かかる欠点を解消するには、同一の研磨機で荒仕上げ
から細仕上げまでを連続して行うことが必要とされる
が、前記したように前記各工程は、砥粒サイズが異なる
こと、研磨布の種類が異なる理由の他に、研磨加重も異
なるので、これを一の研磨機で連続して行う事は不可能
とされていた。

本発明は以上の従来法の欠点に鑑みて、一の研磨条件
のみ変化させる事により、同一研磨機で研磨工程をほと
んど中断することなく連続的に研磨仕上げを行う事によ
り、従来法と少なくとも同程度の研磨仕上げ精度を得る
事の出来る薄板研磨方法を提供する事を目的とする。

「課題を解決しようとする手段」 前記したように従来法では研磨定盤の回転数は一定
で、研磨の研磨速度、面仕上げ粗さの調節は専ら研磨材
の砥粒径、研磨布の種類及び研磨加重などの選択によっ
ていた。

そこで前記研磨条件の内、研磨材の砥粒径と研磨布の
種類は同一研磨機における研磨工程中は変更させる事が
不可能である為に、研磨加重のみを変化させながら実験
的に連続研磨を行ってみた所、仕上げ工程の研磨材、研
磨布を用い研磨圧力のみを変化させた場合においては、
荒仕上げの場合と同等の研磨圧力では細仕上げ工程の研
磨布及び研磨材を用いている為に期待される研磨速度は
得られなかった。一方また荒仕上げ工程の研磨布、研磨
剤を用い研磨圧力を順次低下させた所、面粗さは向上し
たが、不充分な水準であった。

そこで従来は一定に維持されていた研磨定盤の回転数
に着目し、該回転数のみを変化させながら実験的に連続
研磨を行ってみた所、第１図（Ａ）に示すように、回転
数が所定回転数以上になると、回転数の増加に反比例し
て徐々に研磨速度が低下することが知見された。

又面粗さにおいても第１図（Ｂ）に示すように、回転
数の増加に反比例して面粗さが徐々に低下する事が知見
された。

本発明はかかる知見にもとづいてなされたものであ
り、その特徴とするところは、多孔質性の弾性シートを
貼設した定盤に、下面に研磨すべき半導体ウエーハ等の
一枚の被研磨薄板を固定保持した自由回転可能のプレー
トを、研磨剤を介して押圧摺擦せしめることによって該
被研磨薄板の一側面を研磨面仕上げする薄板研磨方法に
適用されるもので、言換えれば一のプレートに一枚のプ
レートのみを保持して研磨を行う枚葉式（単板式）の研
磨方法に関するもので、 前記プレートは低熱膨張性の材料で形成され、下面に
一の半導体ウエーハ等の薄板を同心状に固定するととも
に、前記プレートの作動中心が薄板の被研磨面とほぼ一
致するように、前記プレートに押圧力を付勢する付勢手
段を介して前記プレートを揺動自在に支持した状態で、
前記定盤とプレート間の相対的摺擦速度を、研磨初期段
階の荒仕上げ研磨時における摺擦速度より、研磨最終段
階の細仕上げ研磨時における摺擦速度を大に設定すると
ともに、前記細仕上げ研磨時における摺擦速度が、前記
弾性シートと被研磨薄板間に研磨剤とともに液膜を介在
可能な摺擦速度である事を特徴とするものである。

これにより同一の研磨装置により、前記薄板を連続的
に荒仕上げから細仕上げまで行った場合にも、従来法に
よって得られる程度の高品質ウエーハ加工を可能にする
とともに、定盤回転時にプレートが傾動する恐れをなく
し、結果として平滑且つ高精度な研磨が可能になる。

「作用」 本発明を更に詳細に説明すると、本発明者等は、第１
図（Ａ）に示すように、研磨速度が研磨定盤の回転数に
著しい依存性があること、即ち、研磨定盤の回転数を増
加していくと研磨速度も増加していくが、ある回転数で
研磨速度は最大となり、それ以後は回転数を増加すると
かえって研磨速度は低下し、そして高回転数における研
磨速度は最大研磨速度の1/10以下に低下する事を知見し
た。

尚、研磨速度が研磨定盤の回転数によって何故変化す
るかについてその詳細は明瞭ではないが、一種のハイド
ロプレーン現象が起きて研磨作用が研磨定盤の回転数の
増大により変化するのではないかと推定する。

一方、ウエーハの面粗さは第１図（Ｂ）に示すよう
に、研磨布の微視的、凹凸の転写の状態により決まるの
で、この転写強度を弱めることにより面粗さを向上する
ことができる。転写強度は研磨布の微視的な凸部がウエ
ーハ表面を１回通過する間に研磨除去するワーク量と密
接な関連があると考えると、これは研磨速度に比例し、
定盤回転数に反比例する。従って、前記のように定盤を
高回転数にすれば、転写強度即ち面粗さは数10分の１と
なる。

これらの関係により、定盤を低回転数で研磨すると、
研磨速度は大きいが面粗さの悪い荒仕上げ状の研磨とな
り、高回転で研磨すると研磨速度は小さいが、面粗さの
良い細仕上げの研磨となるので、初期段階では低回転数
で研磨し、最終段階を高回転数で研磨すると、同一研磨
装置において荒仕上げから細仕上げまでの研磨ができる
事が確認された。

また、高回転数では加工傷が全く発生しないが、この
理由は液膜がクッションとなって混入した硬い異物が研
磨面に強く抑えつけられないためと見ている。従って請
求項２）において前記弾性シートと被研磨薄板間に研磨
材とともに液膜を介在させる事を要件とした。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的
に詳しく説明する。ただしこの実施例に記載されている
構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に
特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみ
に限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

第２図は本発明の実施例に係る研磨装置の要部構成を
示し、その各部構造について詳細に説明するに、定盤２
は公知のように回転軸2aを中心として回転可能に構成し
たターンテーブル状のステンレス製鋳造体からなり、そ
の内部通路1bに冷却液を還流させて上面に貼設された研
磨布１を冷却可能に構成するとともに、前記回転軸2aに
無段変速機を介して100rpm以上の高速回転可能なモータ
駆動源を連結している。

研磨布１は肉厚１〜2mm程度の弾性を有する不織布で
形成するとともに、該不織布上に分散器を利用してコロ
イダルシリカ系の研磨液を流しながら、前記定盤２の回
転を利用して均一に分散可能に構成する。

プレート４は石英ガラスやセラミック等の低熱膨張性
の材料で形成され、下面に一の半導体ウエーハ３を同心
状に固定可能な直径を有する円筒形状をなすとともに、
該下面側に開口する細孔41を介して真空吸引する事によ
りウエーハ３が吸着可能に構成する。又該プレート４に
押圧力を付勢するマウントヘッド５との間にＯリング53
を介して球面軸受52を形成し、プレート４を揺動自在に
支持するとともに、プレート４の作動中心（球面軸受52
の半径中心）を前記ウエーハ３の被研磨面と一致する位
置にあるよう、言い換えれば前記プレート４の作動中心
が研磨布１の研磨面上に位置せしめ、定盤２回転時に生
じるプレート４の傾動を防止している。

又前記マウントヘッド５は回転軸51を介して前記定盤
２と同期させて同一回転数で回転可能に構成するととも
に、上方より所定押圧力が付勢可能に構成している。

次にかかる装置を用いて粒径サイズ平均粒径0.5μｍ
の研磨材を用い、研磨圧100g/cm²の条件で、プレート４
と定盤の回転数を０、５、10、20、40、50、60、80、10
0rpmにそれぞれ設定した状態で各20分つづ研磨を行い、
各回転数に対応する研磨速度と研磨精度の関係を調べた
所、第１図（Ａ）（Ｂ）のようなデータが得られた。

それによると、研磨速度は定盤回転数20rpmで最大値
0.3μm/minとなり、回転数の増加と共に低下し、100rpm
では0.02μm/minとなり、前記した転写強度で比較する
と1/75になる。また面粗さについても、定盤回転数とと
もに向上し、80rpm以上では測定限界を超えている。研
磨面の凹凸を微分干渉顕微鏡で観察したところ定盤回転
数の増加とともに表面は平滑となり、100rpmでは測定限
界を超えたため何も見えなかった。また加工傷も見出せ
なかった。

なお、定盤回転数20rpmで研磨したウエーハを引続き1
00rpmで研磨したウエーハの面の面粗さ並びに外観は前
記実験の100rpmの面と全く同等であり、同一研磨装置に
おいて荒仕上げと細仕上げができた。

なお、本発明の方法では、研磨材中の砥粒サイズはあ
まり問題にならない。即ち高速回転では、研磨材の分散
媒体である水が、シリコンウエーハ研磨面と研磨布の間
に膜状で存在し、研磨材が該媒体中で浮いた状態でシリ
コンを研削するためである。砥粒サイズとして0.5μｍ
以下の平均粒径であれば、最終仕上面の精度には殆ど差
がない。従来の研磨方法では、定盤の回転数が50rpm以
下で行われており、研磨速度が最大を示す近傍で行われ
るが、砥粒のサイズが小さければ勿論この領域の研磨速
度が低下し、コスト的な問題を生ずる。

「発明の効果」 以上記載した如く、本発明によれば、研磨作業中にお
けるウエーハの高平坦度と高平行度を維持しつつ、研磨
速度及び研磨精度のいずれも相関的に調整可能な研磨方
法を提供する事が出来るとともに、荒仕上げ工程から細
仕上げ工程までを単一の研磨装置で行い得、これにより
省装置設置面積化とともに各工程間でのウエーハ等の移
し換え作業が不要となる為に、製造工数が段取作業の煩
雑化を避けつつ極めて高精度なウエーハの鏡面仕上げ加
工が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第２図は発明の実施例に係る研磨装置を示す概略断面
図、第１図（Ａ）（Ｂ）はその作用を示すグラフ図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 嘉晴 福島県西白河郡西郷村大字小田倉字大平 150番地 信越半導体株式会社白河工場 内 (56)参考文献 特開 平２−40917（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−74040（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−199354（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−78260（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質性の弾性シートを貼設した定盤に、
   下面に研磨すべき半導体ウエーハ等の一枚の被研磨薄板
   を固定保持した自由回転可能のプレートを、研磨剤を介
   して押圧摺擦せしめることによって該被研磨薄板の一側
   面を一の研磨装置により荒仕上げから細仕上げまで研磨
   面仕上げする薄板研磨方法において、 前記プレートは低熱膨張性の材料で形成され、下面に前
   記一の薄板を同心状に固定するとともに、前記プレート
   の作動中心が薄板の被研磨面とほぼ一致するように、前
   記プレートに押圧力を付勢する付勢手段を介して前記プ
   レートを揺動自在に支持した状態で、前記定盤とプレー
   ト間の相対的摺擦速度を、研磨初期段階の荒仕上げ研磨
   時における摺擦速度より、研磨最終段階の細仕上げ研磨
   時における摺擦速度を大に設定するとともに、前記細仕
   上げ研磨時における摺擦速度が、前記弾性シートと被研
   磨薄板間に研磨剤とともに液膜を介在可能な摺擦速度で
   ある事を特徴とする薄板研磨方法。