JP4343020B2 - 両面研磨方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの素材である半導体ウエーハの両面ポリッシングに適したシングルキャリア方式の両面研磨方法及び装置に関し、更に詳しくは、その１枚のキャリアで１枚のウエーハを処理する枚葉方式の研磨加工に適した両面研磨方法及び装置に関する。

半導体デバイスの素材である半導体ウエーハの両面ポリッシングとしては、従来から、遊星歯車方式の両面研磨装置が多用されていた。遊星歯車方式の両面研磨装置は、複数枚のウエーハを同時に両面研磨するバッチ式装置の一種である。遊星歯車方式の両面研磨装置では、回転する上下の定盤の間に複数のキャリアが配置される。複数のキャリアは定盤より十分に小径であり、１枚又は複数枚のウエーハを保持した状態で定盤間の回転中心回りに配置され、定盤の回転に伴って遊星運動を行う。これにより、各キャリアに保持されたウエーハが定盤間で両面研磨される。

ところで、両面研磨される半導体ウエーハの直径は近年急速に大径化しており、３００ｍｍに達している。将来は更に大径化することも予想されている。このような大径のウエーハを両面研磨する場合、遊星歯車方式のように複数枚のキャリアを使用するマルチキャリア方式の両面研磨装置では、装置規模が甚だ大きくなり、機械精度を確保したり装置価格を抑制するのが非常に困難となる。また、ウエーハに要求される高い平坦度を満足させるためには、ウエーハ一枚ごとに加工条件を変えることが望まれている。これらの点で、大径ウエーハの両面研磨には、ウエーハを一枚ごとに加工する枚葉式装置の方が有利とされている。

枚葉式両面研磨装置の構造上の最大の特徴は、回転する上下の定盤より外径が大きい１枚のキャリアを使用するシングルキャリア方式という点である。この１枚のキャリアで定盤より小径の１枚のウエーハを保持し、そのキャリアを上下の回転する定盤間で運動させることにより、１枚の大径ウエーハを両面研磨する。複数枚のキャリアを使用して複数枚のウエーハを同時に両面研磨するマルチキャリア方式の両面研磨装置と比べて、装置が小型化され、価格面などで有利になることは言うまでもない。そして、このような枚葉式装置の一つが特許文献１により提示された「枚葉式両面研磨装置」である。

特開２００１−３１５０５７号公報

特許文献１により提示された「枚葉式両面研磨装置」では、キャリアは中心に対して偏心した位置にウエーハを保持する。そして、そのキャリアが上下の定盤間に同心状に配置され、中心回りにする。定盤に対するキャリアの同心回転、即ち自転により、偏心保持されたウエーハはキャリアの中心回りを回転し、両面研磨される。

また、枚葉式装置ではないものの、１枚のキャリアを使用するシングルキャリア方式の一種として、そのキャリアの中心回りに複数枚のウエーハを保持すると共に、そのキャリアを上下の定盤間に偏心配置し、定盤の中心回りに円運動させるバッチ式の研磨装置は、特許文献２により提示されている。

特開２０００−３３５５９号公報

しかしながら、従来の枚葉式両面研磨装置は、特許文献１により提示されたものも含め、その研磨原理上、遊星歯車方式のように複数枚のキャリアを使用するマルチキャリア方式の両面研磨装置に比べて、ウエーハの平坦度の確保が難しいという本質的な問題がある。なぜなら、複数枚のキャリアを使用するマルチキャリア方式の両面研磨装置の場合は、その複数枚のキャリアが上下の定盤間の外周部に配置される。外周部に配置された場合、配置位置の外側と内側での周速差は小さい。その結果、キャリアに保持されるウエーハも各部で比較的均等な周速で研磨される。

ところが、枚葉式研磨装置の場合、ウエーハは定盤より小径とは言え、その径差は僅かである。そのため、定盤の中心部から外周部までを使って１枚のウエーハが研磨される。そして、定盤に対して同心状態に配置されたキャリアが自転する特許文献１に記載の枚葉式研磨装置の場合、キャリアに偏心保持されたウエーハの運動は図５のようになる。

図５は３００ｍｍウエーハの中心点、中心から偏心方向及び反偏心方向へ７５ｍｍ（１／２半径）離れた中間点、１５０ｍｍ（半径）離れた外縁点の各軌跡を図示したものである。なお、実際の研磨ではキャリア内でウエーハが回転するが、図５ではこの回転は無視している。キャリア内のウエーハ偏心量は３０ｍｍである。

図５から分かるように、キャリアが自転する特許文献１に記載の枚葉式研磨装置の場合、ウエーハの中心点は定盤の中心近傍を同一半径で定盤中心回りに回転するだけである。一方、偏心方向の外縁点は、定盤の最外周部を同一半径で定盤中心回りに回転するだけである。他の点は、これらの間を定盤中心回りに同一半径で回転するだけである。ここで、定盤中心点の回転周速は０である。そして、この周速は定盤の中心から離れるに連れて増大し、外周縁で最大となる。その結果、定盤による研磨レートは、周速の観点からは中心部と外周部とで大きな差が生じ、しかも各部の周速が変化しないために、平坦度の確保が困難となる。

実際の研磨では、キャリア内でのウエーハの回転があり、また周速の差を補うべく中心部への研磨液の供給量を多くするなどの対策が講じられるために、周速の差ほどには平坦度は低下しないが、それでも、この大きな周速差を吸収するのは困難であり、平坦度の確保は難しい。

また、図６は特許文献２に示す研磨装置を枚葉方式の研磨加工に適用した場合の軌跡を示したものである。即ち、特許文献２に示された研磨装置は、１枚のキャリアを使用するシングルキャリア方式ではあるが、そのキャリアで複数枚のウエーハを保持するバッチ式である。このキャリアで１枚のウエーハを同心保持又は偏心保持したと仮定した場合、キャリアが定盤の中心回りを円運動することにより、ウエーハの中心点は定盤の中心部近傍でキャリアの円運動に対応した小半径の円運動を行う。また、ウエーハの外縁点は定盤の外周部でキャリアの円運動に対応した小半径の円運動を行う。ウエーハの中間点は定盤の中間部でキャリアの円運動に対応した小半径の円運動を行う。なお、ここにおけるキャリア内のウエーハ偏心量は１０ｍｍ、キャリアの円運動半径は２０ｍｍとしている。

ウエーハ半径方向の各部で定盤の周速が大きく異なり、研磨レートに大きな差が生じることは、特許文献１に記載の枚葉式研磨装置の場合と基本的に同じであるが、半径方向の各点は小半径の円運動に伴い定盤中心からの距離が若干変化する点では、特許文献１に記載の枚葉式研磨装置の場合よりも多少有利となる。その反面、半径方向の各点の運動半径が小さく、特にウエーハ外周部の運動半径が小さい点で、特許文献１に記載の枚葉式研磨装置の場合よりも不利となる。

本発明の目的は、装置構造が簡単なシングルキャリア形式でありながら、ワークの平坦度を従来よりも改善できる両面研磨方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の両面研磨方法は、回転する上下の定盤間に定盤より大径のキャリアを配置し、該キャリア内に保持された定盤より小径のワークを同心保持又は偏心保持して、上下の定盤の回転により両面研磨する際に、前記キャリアを上下の定盤間に偏心配置し、前記キャリアに外側から噛み合う複数のギヤによって、前記キャリアをその中心回りに自転させながら、その中心から離れた位置を中心に円運動させるものである。

また、本発明の両面研磨装置は、回転する上下の定盤と、上下の定盤より大径であり、且つ定盤より小径のワークを同心保持又は偏心保持して、上下の定盤間に偏心配置されるキャリアと、上下の定盤間に配置された前記キャリアをその中心回りに自転させるとともに、前記キャリアをその中心から離れた位置で、定盤の中心回りに円運動させるキャリア駆動手段とを具備している。

本発明では、回転する上下の定盤間に偏心配置されたキャリアが、その中心回りに自転する第１の回転運動と、その中心から離れた位置を中心に円運動する第２の回転運動とが組み合わさった複合運動を行う。その結果、第１の回転運動のみを行う場合に比べてワークの平坦度が上がり、第２の回転運動のみを行う場合と比べてもワークの平坦度が上がる。なぜなら、ウエーハ中心部では定盤の中心部近傍を運動するものの、その軌跡は複雑となり、周速が変化する。ウエーハ外周部では、定盤の外周部近傍を大半径で回転運動する上に、その軌跡が複雑になり、周速が変化する。これらにより、周速の平均化が進み、平坦度が改善される。

また、このキャリアの複合運動に、上側の定盤が中心軸に直角な方向へ往復移動する動作や、キャリア内にワークを偏心保持する構成を組み合わせるならば、ワークの平坦度は更に向上する。なぜなら、ウエーハの半径方向各部の運動が更に複雑化し、周速の平均化が進むからある。装置上に制約は大きいものの、上側の定盤の代わりに、下側の定盤を中心軸に直角な方向へ往復移動させることもできる。要するに、上下の定盤を中心軸に直角な方向へ相対的に往復移動させればよい。

キャリアに複合運動を行わせるキャリア駆動手段としては、キャリアの外周面に形成された外歯部に周方向の複数箇所で噛み合うと共に、各噛み合い位置でそれぞれが各中心から離れた位置を中心に同期して回転する複数の偏心ギヤを有し、前記第１のキャリア駆動手段と前記第２のキャリア駆動手段とを兼ねる構成のものが、装置構造簡略化の点から好ましい。即ち、このキャリア駆動手段によると、複数の偏心ギヤの同期的な偏心回転運動により、キャリアは中心回りの自転運動を伴いながら円運動を行う。

キャリアの円運動に関しては、キャリアを上下の定盤間に偏心配置し、定盤の中心回りに円運動させるのが、装置構成等の点から合理的である。

本発明は、１枚のキャリアで１枚のウエーハを保持する枚葉式装置に特に有効である。なぜなら、枚葉式装置では、定盤とウエーハの大きさが大きく変わらず、同心に近い状態で両者が配置されるため、本質的に研磨レートの差が過大となるからである。ただし、１枚のキャリアで複数枚のウエーハを保持するバッチ式装置（キャリアの中心回りに複数枚のウエーハを保持する装置）に対しても、本発明は適用可能であり且つ有効である。

本発明の両面研磨方法及び装置は、回転する上下の定盤間に定盤より大径のキャリアを配置し、該キャリアに保持されたワークを上下の定盤の回転により両面研磨する際に、前記キャリアをその中心回りに自転させ、同時にその中心から外れた位置を中心に円運動させることにより、装置構造が簡単なシングルキャリア形式ながら、ワークの平坦度をマルチキャリア形式に近いレベルまで高めることができる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す両面研磨装置の概略構成図、図２は同両面研磨装置の側面図、図３は同両面研磨装置の平面図、図４は同両面研磨装置におけるウエーハ各点の運動軌跡を示す平面図である。

本実施形態の両面研磨装置は、図１〜図３に示すように、シリコンウエーハ５０の両面ポリンシングに使用される枚葉式研磨装置であり、シングルキャリア方式である。この両面研磨装置は、上下の定盤１０，２０と、定盤１０，２０間に配置されるキャリア３０と、定盤１０，２０間でキャリア３０に複合運動を行わせるキャリア駆動手段４０とを備えている。

定盤１０，２０は、上下から対向配置されており、対向面に研磨パッドを装着している。定盤１０，２０の直径Ｄ１は、ワークであるウエーハ５０の直径Ｄ３より大きく、キャリア３０の直径Ｄ２より小である。なお、定盤１０，２０の直径はここでは同一としているが、同一に限るものではない。定盤１０，２０の直径が非同一の場合は、小さい方の定盤径がウエーハ５０の直径Ｄ３より大きければよい。

上側の定盤１０は、垂直な駆動軸１１の下端に水平に取り付けられている。駆動軸１１は、上フレーム１２に回転自在に支持されており、図示されない駆動手段により中心回りに回転駆動されて、定盤１０を回転させる。駆動軸１１は又、定盤１０の昇降のために、上フレーム１２と共に垂直方向に昇降駆動される。更に、定盤１０を回転中心に直角な方向で往復させるために、水平方向に所定のストロークＳで往復駆動される。

下側の定盤２０は、上側の定盤１０の下に同心状に配置されており、垂直な駆動軸２１の上端に水平に取り付けられている。駆動軸２１は、下フレーム２２に回転自在に支持されており、図示されない駆動手段により中心回りに回転駆動されて、定盤２０を定位置で回転させる。

キャリア３０はウエーハ５０より薄く、定盤１０，２０より大径の円板であり、その円板中心Ｏ２に対して距離δ１だけ偏心した位置に、ウエーハ５０を収容するウエーハ収容孔３１を有し、外周面には外歯車３２を有している。

キャリア駆動手段４０は、キャリア３０の外歯車３２に噛み合う複数（図では４枚）のピニオンギヤ４１・・を有している。複数のピニオンギヤ４１・・は、円周方向に所定の間隔（図では等間隔で９０°間隔）で配置されており、垂直な軸状の駆動体４２・・の上面にそれぞれ回転不能に取り付けられている。

ここで、駆動体４２・・は定盤２０の周囲に同心円状に配置されており、中間部が下フレーム２２に回転自在に支持されている。駆動体４２・・の各下端部には小径の副駆動歯車４３が同心状に取り付けられている。各副駆動歯車４３は、内側に配置された大径の主駆動歯車４４に噛み合っており、図示されない駆動手段を用いて主駆動歯車４４が回転駆動されることにより、駆動体４２・・は同方向に同期回転する。なお、主駆動歯車４４は駆動軸２１に軸受を介して回転自在に取り付けられている。

そして、駆動体４２・・の各上面に取り付けられた複数のピニオンギヤ４１・・は、駆動体４２・・の回転中心から同一方向へ等距離δ２だけ偏心して、本発明での偏心ギヤを構成している。これにより、ピニオンギヤ４１・・に噛み合うキャリア３０も、定盤１０，２０間で定盤中心Ｏ１に対してピニオンギヤ４１・・の偏心方向と同じ方向へ等距離δ２だけ偏心して支持されることになる。Ｏ３はウエーハ５０の中心を表している。

次に、本実施形態の両面研磨装置を用いたウエーハ５０の両面研磨方法について説明する。

上側の定盤１０を上昇させた状態で、下側の定盤２０上へウエーハ５０をキャリア３０と共にセットする。キャリア３０は、外側のピニオンギヤ４１・・に噛み合う。これにより定盤１０，２０に対して偏心してセットされる。ウエーハ５０及びキャリア３０のセットが終わると、上側の定盤１０を下降させて、定盤１０，２０間にウエーハ５０を挟み込む。そして、定盤１０，２０間に図示しない研磨液供給機構から研磨液を供給しながら定盤１０，２０を例えば逆方向へ同じ速度で回転させる。これと同時に、主駆動歯車４４を回転させる。これにより、定盤２０の周囲に配置された駆動体４２・・が定位置で同方向へ同期して回転する。

駆動体４２・・の同期回転により、ピニオンギヤ４１・・は自身の中心回りを公転する。即ち、ピニオンギヤ４１・・は自身の中心回りを１回旋回するごとに１回自転する。これにより、キャリア３０は自身の中心Ｏ２回りを回転する自転運動と、定盤１０，２０の回転中心Ｏ１回りを半径δ２で回転する円運動とを同時に行う。換言すれば、キャリア３０はこれに噛み合う自転用のピニオンギヤ４１・・と共に、定盤１０，２０の回転中心Ｏ１回りを半径δ２で円運動する。

その結果、キャリア３０内に偏心保持されたウエーハ５０は、第１に、キャリア３０の円運動により、定盤１０，２０の回転中心０１回りを半径δ２で円運動する。第２に、キャリア３０の自転運動により、キャリア３０の回転中心Ｏ２回りを半径δ１で回転する円運動と、自身の中心Ｏ３回りを回転する自転運動とを行う。更に、上側の定盤２０が中心軸に直角な方向へストロークＳで往復移動（揺動）する。

定盤１０，２０の回転にこのような３種類の回転動作及び１種類の直線動作が組み合わされることにより、ウエーハ５０の平坦度は飛躍的に向上する。

定盤１０，２０の直径Ｄ２、キャリア３０の直径Ｄ３、定盤１０，２０に対するキャリア３０の偏心量δ２、キャリア３０内におけるウエーハ５０の偏心量δ１、キャリア３０の自転速度ｖ１、キャリア３０の円運動速度ｖ２、及び定盤１０の往復動ストロークＳを決定するにあたっては、研磨効率及び平坦度を考慮することが重要である。平坦度の確保では、ウエーハ５０が常に定盤１０，２０間に位置することも重要である。更には、δ１＋δ２＋Ｓがウエーハ５０の半径分より小さいことが望ましい。なぜなら、荷重中心がウエーハ上から逸脱した場合、荷重分布が不均一化し、高い平坦度を達成できないからである。そして、研磨効率及び平坦度等が高い次元で満足されるように、これらの条件は決定される。

図４に示したキャリアの運動軌跡は、キャリアの自転と円運動を組み合わせたときのウエーハ各点の運動軌跡を、３００ｍｍウエーハの中心点、中心から偏心方向及び反偏心方向へ７５ｍｍ（１／２半径）離れた中間点、中心から偏心方向及び反偏心方向へ１５０ｍｍ（半径）離れた外縁点について図示したものである。図６との対比のために、キャリア内のウエーハ偏心量δ１は１０ｍｍ、キャリアの円運動半径δ２は２０ｍｍとしており、キャリアの自転速度に対する円運動速度の比率（ｖ２／ｖ１）は５に設定している。なお、実際の研磨ではキャリア内でウエーハが回転するが、図４ではこの回転は無視している。また、上定盤の水平動は実施していない。

図５及び図６との比較から明らかなように、本実施形態の両面研磨装置では、ウエーハ中心部では、当該中心部が定盤の中心部近傍を周回運動するものの、その軌跡は極めて複雑となり、周速が大きく変化する。ウエーハ外周部では、当該外周部が定盤の外周部近傍を大半径で回転運動する上に、その軌跡が複雑になり、周速が変化する。これらにより、周速の平均化が進み、平坦度が改善される。上側の定盤を中心軸に直角な方向へ往復移動させるならば、ワークの平坦度が更に向上することは明らかである。

定盤１０，２０の回転方向は、同方向でもよいが、通常は回転力を打ち消し、キャリア３０にかかる負担を軽減するために逆方向とされる。逆方向の場合、キャリア３０の回転方向は定盤１０，２０の回転方向のいずれかに合わされる。定盤１０，２０の回転方向が同方向の場合のキャリア３０の回転については、回転力を打ち消すために定盤１０，２０に対して逆方向の回転とするのが一般的であるが、定盤１０，２０に対して速度変えて同方向に回転させることも可能である。

次に、本発明の実施例として、本発明に従って実際にシリコンウエーハの両面を同時研磨した例を紹介し、従来例と比較することにより、本発明の効果を明らかにする。

図１〜図３に示す両面研磨装置（定盤径３８０ｍｍ）を用い、且つ一般的なシリコンウエーハの１次研磨に使用される下記の資材を用いて、厚みが０．８ｍｍの３００ｍｍシリコンウエーハを両面研磨した。

使用キャリア：樹脂製キャリア（外径５１０ｍｍ、厚み０．７ｍｍ）
研磨パッド：ローデル・ニッタ製研磨布ＳＵＢＡ８００
研磨液：Ｎａｌｃｏ２３５０ ２０倍希釈液

研磨条件としては、上下の定盤はキャリアへの負担を軽減するために逆方向へ２０ｒｐｍの速度で回転させ、研磨圧は１５０ｇ／ｃｍ² とした。また、キャリア内におけるウエーハの偏心量δ１は２０ｍｍ、定盤に対するキャリアの偏心量δ２（キャリアの円運動半径）は、ウエーハの最外周の軌跡が定盤の最外周を通るように３０ｍｍとした。更に、キャリアの自転速度ｖ１は７．５ｒｐｍ、キャリアの自転速度に対する円運度速度の比（ｖ２／ｖ１）は５とした。

両面研磨を終えたシリコンウエーハの厚みの面内バラツキ（ＴＴＶ）を図７に示す。何れもサブミクロンのＴＴＶ値となり、１次研磨で懸念される外周ダレの小さい良好な平坦精度が確保された。主要資材である研磨布をより軟質なＳＵＢＡ６００或いはＳＵＢＡ４００に変更して同様の研磨を行なったところ、研磨能率は低下するものの、スムーズな研磨加工が実現でき、同程度の良好な平坦精度を確保できることも確認された。

比較参照のために、両面研磨装置を図５の装置、即ち上下の定盤に対して同心状態に配置されたキャリアが、ウエーハを偏心保持して自転する特許文献１の枚葉式研磨装置（定盤に対するキャリアの偏心量δ２＝０）に変更した。研磨条件は、前記実施例に対比させて、キャリア内のウエーハ偏心量２０ｍｍ、キャリアの自転速度７．５ｒｐｍとした。定盤の仕様及び運転条件並びに使用資材は前記実施例と同じとした。両面研磨を終えたシリコンウエーハの厚みの面内バラツキ（ＴＴＶ）を図７に合わせて示す。

図７から本発明の優位性は明らかである。

なお、前述の実施形態では、複数のピニオンギヤ４１・・及び駆動体４２・・を駆動するために、駆動体４２・・の各副駆動歯車４３に内側から噛み合う主駆動歯車４４を用いたが、これに代えて駆動用の歯付きベルトを外側から各副駆動歯車４３に掛け巻く構成でもよく、ウエーハ５０が大径の場合は、定盤１０，２０及びキャリア３０の大型化に伴って主駆動歯車４４が大型化するために、歯付きベルトを使用する方がむしろ好ましいと言える。

また、偏心ギヤであるピニオンギヤ４１の個数は、上記実施形態では４個としたが、３個でもよい、要は２個以上であれば、特にその個数を限定するものではない。また、その偏心ギヤの配置位置に関して、上記実施形態では周方向に等間隔としたが、必ずしも等間隔である必要はない。

本発明の一実施形態を示す両面研磨装置の概略構成図である。 同両面研磨装置の側面図である。 同両面研磨装置の平面図である。 同両面研磨装置を使用したときのウエーハ各点の運動軌跡を示す平面図である。 従来の両面研磨装置を使用したときのウエーハ各点の運動軌跡を示す平面図である。 従来の別の両面研磨装置を使用したときのウエーハ各点の運動軌跡を示す平面図である。 両面研磨後の平坦精度を、本発明例と従来例について示すグラフである。

符号の説明

１０ 上側の定盤
２０ 下側の定盤
３０ キャリア
４０ キャリア駆動手段
４１ ピニオンギヤ（偏心ギヤ）
４２ 駆動体
４３ 副駆動歯車
４４ 主駆動歯車
５０ ウエーハ（ワーク）
Ｄ１ 定盤１０，２０の直径
Ｄ２ キャリア３０の直径
Ｄ３ ウエーハ５０の直径
Ｏ１ 定盤１０，２０の中心
Ｏ２ キャリア３０の中心
Ｏ３ ウエーハ５０の中心
δ１ キャリア３０内におけるウエーハ５０の偏心量
δ２ 定盤中心に対するキャリア３０の偏心量（キャリアの円運動半径）

Claims (4)

1. 回転する上下の定盤間に定盤より大径のキャリアを配置し、該キャリア内に保持された定盤より小径のワークを同心保持又は偏心保持して、上下の定盤の回転により両面研磨する際に、前記キャリアを上下の定盤間に偏心配置し、前記キャリアに外側から噛み合う複数のギヤによって、前記キャリアをその中心回りに自転させながら、その中心から離れた位置を中心に円運動させることを特徴とする両面研磨方法。
2. 上側の定盤を下側の定盤に対して中心軸に直角な方向へ相対的に往復移動させることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨方法。
3. 回転する上下の定盤と、上下の定盤より大径であり、且つ定盤より小径のワークを同心保持又は偏心保持して、上下の定盤間に偏心配置されるキャリアと、上下の定盤間に配置された前記キャリアをその中心回りに自転させるとともに、前記キャリアをその中心から離れた位置で、定盤の中心回りに円運動させるキャリア駆動手段とを具備し、
   前記キャリア駆動手段は、キャリアの外周面に形成された外歯部に周方向の複数箇所で噛み合うと共に、各噛み合い位置でそれぞれが各中心から離れた位置を中心に同期して回転する複数の偏心ギヤを有する構成であることを特徴とする両面研磨装置。
4. 上側の定盤を下側の定盤に対して中心軸に直角な方向へ相対的に往復移動させる定盤駆動手段を具備する請求項３に記載の両面研磨装置。

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