JP4727218B2 - 両面研磨用キャリア - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの素材である半導体ウェーハの両面ポリッシングに適した両面研磨用キャリアに関し、更に詳しくは、枚葉式両面研磨装置に好適に使用される両面研磨用キャリアに関する。

半導体デバイスの素材である半導体ウェ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、複数枚のウェーハを同時に両面研磨するバッチ式装置の一種である。この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回転中心周りに配置される。複数のキャリアは定盤より十分に小径であり、一枚又は複数枚のウェーハを保持した状態で定盤間を自転しながら回転中心回りに回転する。このキャリアの遊星運動により、各キャリアに保持されたウェ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ェーハの直径は近年急速に大径化しており、３００ｍｍにも達している。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ェ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の保守点検を行なったりするメンテナンス性が悪くなる。また、ウェーハに要求される高い平坦度を満足させるためには、ウェ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、大径ウェーハの両面研磨には、ウェ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における構造上の最大の特徴は、回転する上下定盤径より外径が大きい一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。この一枚のキャリアで定盤径より小径の一枚のウェーハを保持し、そのキャリアを上下の回転する定盤間で回転運動させることにより、一枚の大径ウェ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ェ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、このような枚葉式両面研磨装置が特許文献１により提示されている。

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ェーハを保持する。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、中心回りに回転する。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ェーハは、回転定盤間でキャリアの中心回りを回転し両面研磨される。

なお、定盤中心点での回転周速は０であるが、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る。

枚葉式両面研磨装置は、特許文献１に記載されたものも含め、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同時に使用するマルチキャリア方式の両面研磨装置に比べて、定盤のほぼ全面を同時に使用して一枚のウェーハを研磨するため、定盤の外側と内側の大きな周速差によりウェーハの研磨量がバラつくという点では、ウェーハの平坦度の確保に不利であるともいえる。

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ことから、その外周部における外側と内側の周速差は小さい。その結果、キャリアの公転やウェーハの自転とも相俟って、キャリアに保持されるウェーハが均等に研磨されるのである。

枚葉式両面研磨装置による実際の研磨では、キャリア内でのウェーハの回転があり、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。

このような枚葉式両面研磨装置の問題を解決するためには、キャリアを上下の定盤間で複雑に運動させるのが有効である。そうすると、キャリア各部の運動軌跡が複雑になり、キャリア各部に作用する定盤の周速が平均化し、ウェーハの平坦度が改善される。このような観点にたって、本出願人は、キャリアを周方向に自転させると同時に、そのキャリアを中心から外れた位置を中心に円運動させ、更には必要に応じて定盤を回転軸に直角な方向に移動させる両面研磨方法及び装置を特願２００４−１２７０７４号により特許出願した。

ところが、このような半径方向の運動成分を含む複合動作を、キャリアが定盤に対して行おうとすると、半径方向の運動によっても定盤間からキャリアが抜け出ないようにするために、キャリアの外径を定盤の外径より相当に大きくする必要がある。例えば３００ｍｍウェーハを研磨するための３８０ｍｍ定盤に対しては、５００ｍｍを超えるキャリアが必要になる。その結果、定盤の周囲にはみ出すキャリアのオーバーハング量が多くなり、これが次のような問題を引き起こすことが判明した。なお、オーバーハング領域は図２を援用して示せば定盤５０から外側の領域ということになる。

半導体デバイスの素材としてのシリコンウェーハ厚みは大径化した割合ほど大きくなっておらず、３００ｍｍウェーハの標準厚みは０．７７５ｍｍである。この厚みに仕上げるキャリアの厚みとしては、０．７５ｍｍ程度とするのが一般的であり、このような薄厚で大径のキャリアは、機械的強度を確保するために、ガラス繊維で強化したエポキシ樹脂などの高剛性材料で作製されている。

このような大径で薄い歯車状のキャリアが上下の定盤間で複合動作を行うと、外周側からの駆動用歯車による外力のために、オーバーハング部が変形する。すなわち、駆動用歯車からキャリアに回転トルクが付加されると、キャリアが板厚方向へ逃げようとする結果、板厚方向の荷重が生じる。キャリアの大部分が定盤間に保持されている場合は、板厚方向の荷重を受けてもキャリアは変形しない。しかし、定盤とキャリアの径差が大きく、定盤による拘束部がキャリアの中央部に限定されると、広い無拘束のオーバーハング部が板厚方向の荷重により変形する。その結果、キャリアが頻繁に破損する。

また、キャリアのオーバーハング部が板厚方向に変形すると、キャリアが高剛性のために、キャリアの変形に伴う負荷を定盤が受ける。その結果、定盤からウェーハに付加される荷重が不安定になり、研磨精度の低下も生じる。

更に別の問題として、キャリアがガラス繊維で強化したエポキシ樹脂の場合、外周側の駆動用歯車による駆動に伴って細かい繊維粉が発生する。この繊維粉もウェーハ表面の傷の原因となるなど研磨に悪影響を与える。

また、キャリアは使用を繰り返すうちに、ウェーハを保持する保持孔の内面がウェーハとの摩擦により損傷する。その結果、キャリアは数十回の使用で交換されるが、現状のキャリアは外周面に歯部を形成する必要もあって比較的高価であり、交換によるランニンクコストの上昇も無視できない問題になっている。

本発明の目的は、シングルキャリア方式の両面研磨装置に使用され、しかも半径方向の成分を含む複合動作を行う大径タイプであるにもかかわらず、オーバーハング部の変形及びこれによる破損や研磨精度の低下を効果的に回避できる両面研磨用キャリアを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の両面研磨用キャリアは、ワークを保持する一枚のキャリアを上下の回転定盤間に挾み、そのキャリアに対して、周方向の第１運動に半径方向の運動成分を含む第２運動を組み合わせた複合動作を行わせることにより、前記ワークを両面研磨するシングルキャリア方式で且つ複合動作方式の両面研磨装置に使用されるキャリアであって、前記ワークを収容するワーク収容孔が設けられた円板状のキャリア本体と、該本体を脱着可能に支持するべくその外周側に設けられ、該本体より厚肉に形成されると共に、該本体の外周縁部が嵌合する断面Ｌ形の内面側へ開放した環状凹部が下面に形成され、該本体の外周縁部の支持部となる環状凸部が表面側に形成され、複数の駆動用歯車が噛み合う歯部が外周面に形成され、かつ前記複数の駆動用歯車に形成された環状支持部に載置される１つの部材からなるリング状の支持枠とを備えている。

本発明の両面研磨用キャリアは、シングルキャリア方式で且つ複合運動方式の両面研磨装置に使用されるため、定盤に対するオーバーハング量が大きくなる。しかし、ワークを収容するワーク収容孔が設けられた円板状のキャリア本体の外周側に、キャリア本体を支持する厚肉の支持枠を設けたため、駆動用歯車から回転トルクを付加されても、そのトルクが厚肉の支持枠で受けられる。このため、板厚方向の変形が抑制される。因みに、外周側の支持枠の寸法は、１ｍｍ以下の本体厚に対して例えば１０ｍｍであり、半径方向の幅は歯部を含めて１５ｍｍである。

外周側の支持枠は、内側のキャリア本体に対して一体的に形成することもできるし、内側のキャリア本体とは独立した別部材で構成することもできる。別部材とすることにより、支持枠の材質を変更することが可能となり、繊維粉の出ない６６ナイロンなどへの変更により、繊維粉による研磨への悪影響も回避できる。

また、支持枠を別部材とすることにより、その支持枠に対してキャリア本体を脱着可能に支持することが可能となる。これによりキャリア本体のみの交換が可能になり、支持枠の長期使用が可能になる。支持枠が厚肉となることにより、駆動用歯車との噛み合いによる消耗が減少し、使用寿命が長くなる。支持枠を長期間使用し、キャリア本体のみを交換することにより、キャリアコストが低減する。キャリア本体は外周面に歯部を持たないために従来のキャリアより低価格となる。

本発明の両面研磨用キャリアの寸法について説明すると、定盤間に挟まれる薄肉のキャリア本体の外径Ｄ２は、定盤直径をＤ１として（１．２〜１．８）×Ｄ１が適当であり、（１．３〜１．５）×Ｄ１が特に好ましい（図２参照）。定盤直径Ｄ１に対してキャリア本体の外径Ｄ２がそれほど大きくない場合はオーバーハング部が小さく、その変形は僅かで大きな問題にならない。定盤直径Ｄ１に対してキャリア本体の外径Ｄ２が極端に大きいことは研磨上不必要で現実的でなく、仮にそのようなキャリアが実現されても変形を十分に抑制することはできない。

支持枠の肉厚ｄ２はキャリア本体の肉厚をｄ１として（１０〜３０）×ｄ１が適当であり、（１５〜２０）×ｄ１が特に好ましい（図１参照）。キャリア本体の肉厚ｄ１に対して支持枠の肉厚ｄ２が十分に大きくない場合は、キャリア全体の強度不足が解消されず、その変形を抑制する効果が不十分となる。キャリア本体の肉厚ｄ１に対して支持枠の肉厚ｄ２が大きすぎると、重量及び体積が増加し、ハンドリングが困難となる。因みに、キャリア本体の肉厚ｄ１はワークの仕上がり厚さに応じ決められ、シリコンウェーハの場合で現在は０．７ｍｍ前後である。

支持枠の半径方向の幅Ｗ（歯部を含めた幅）は、キャリア本体の外径Ｄ２に対する比率で表して（０．０５〜０．１）×Ｄ２が適当であり、（０．０７〜０．０８）×Ｄ２が特に好ましい。支持枠の幅Ｗが狭すぎるとキャリア全体の強度不足が解消されず、その変形を抑制する効果が不十分となる。支持枠の幅Ｗが広すぎる場合は重量及び体積が増加し、ハンドリングが困難となる。また枚葉機の特徴である装置の小型化が阻害される。

キャリア本体の上面レベルは支持枠の上面レベルと同一であってもよいし、支持枠の上面レベルより低くすることもできる。前者の場合、キャリアの表面に供給される研磨液が周囲ヘスムースに排出され、周囲の支持枠が研磨液の排出を阻害する要因にならない。一方、後者の場合は、キャリアの表面に供給される研磨液がキャリア本体上に溜まり、その溜まった研磨液中でワークが研磨される。すなわち、後者の場合は液中研磨が可能になる。

特許文献１に記載された枚葉式両面研磨装置では、キャリアの外周部が厚肉に形成されているが、これは定盤に対して同心回転するキャリアを定盤に対して半径方向で位置決めすることを目的として、定盤が嵌合する凹部をキャリアに形成するためであり、厚肉の外周部に囲まれた薄肉部はその意図からして定盤と同一外径である。したがって、薄肉部が定盤からオーバーハングすることはなく、変形は生じない。また、厚肉部と雖もその肉厚は薄肉部より僅かに大きい程度である。ここには補強の考えはなく、目的が位置決めのための定盤嵌合用凹部の形成にあることからして当然である。したがって、本発明の両面研磨用キャリアとは用途も構成も作用効果も明確に相違する。

本発明の両面研磨用キャリアは、一枚のキャリアで一枚のウェーハを保持する枚葉式両面研磨方法に特に有効であるが、一枚のキャリアで複数枚のウェーハを保持するマルチキャリア方式の両面研磨方法にも適用可能である。

本発明の両面研磨用キャリアは、シングルキャリア方式で、且つそのキャリアが半径方向の運動成分を含む複合動作を行う両面研磨装置に使用する大径キャリアでありながら、ワークを収容するワーク収容孔が設けられた円板状のキャリア本体の外周側に、該本体を支持する厚肉のリング状の支持枠を設けたので、大きなオーバーハング部の変形を抑え、その変形に起因する破損や研磨精度の低下を回避することができる。したがって、大径のワークを低コストで高精度に両面研磨できる効果がある。

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用キャリアの主要部の縦断面図、図２は同キャリアにおけるキャリア本体の平面図及び縦断面図、図３は同キャリアにおける支持枠の平面図及び縦断面図である。

本実施形態の両面研磨用キャリアは、薄い円板からなるキャリア本体１０と、これを支持するためにその外周側に取付けられたリング状の支持枠２０とを備えている。支持枠２０はキャリア本体１０から分離独立しており、キャリア本体１０とはねじ止めにより着脱可能に結合されている。

この両面研磨用キャリアは３００ｍｍウェーハ用であり、そのウェーハを収容する円形のワーク収容孔１１がキャリア本体１０の中心部に設けられている。ワーク収容孔１１は、キャリア本体１０に対して同心位置、若しくは中心から若干偏心した位置に形成されている。キャリア本体１０の外周部には、支持枠２０との固定のために、複数のねじ挿通孔１２，１２が周方向に所定の間隔で設けられている。

キャリア本体１０は、上下の定盤間を中心線に直角な面内で運動するため、全面にわたって同じ肉厚であり、その肉厚はウェーハの仕上がり厚より若干小さく設定されている。例えばウェーハの仕上がり厚が０．７７５ｍｍの場合、キャリア本体１０の肉厚は０．７５ｍｍ程度に選択される。これにより、研磨の最終段階までウェーハの両面に所定の荷重が付加される。

このような薄いキャリア本体１０に出来るだけ十分な機械的強度（剛性）を付与するために、その材質としては、例えばガラス繊維で強化されたエポキシ樹脂（ＧＦＲＰ）などが使用される。これ以外にはＣＦＲＰの他、ＳＫ材などの金属の使用も可能である。いずれにしても薄肉の部材に高強度を付与する必要があるために材質選択上の自由度は小さい。

キャリア本体１０の外径Ｄ２は、上下の定盤間におけるキャリアの運動量、特に中心軸に直角な面内での径方向の運動量によって決まり、例えば３００ｍｍ強のワーク収容孔１１に対して４８０〜４９０ｍｍに選択される。径方向の運動量が小さければキャリア本体１０の外径Ｄ２も小さく済み、径方向の運動量が大きくなればキャリア本体１０の外径Ｄ２も大きくする必要がある。

支持枠２０は、キャリア本体１０の外周部に取付けられるリングである。この支持枠２０は、キャリア本体Ｉ０よりも十分に厚く設計されており、例えばキャリア本体１０の肉厚が０．７５ｍｍの場合で１０ｍｍ程度に設計される。また、半径方向の幅Ｗは、肉厚ｄ２と共に十分な自己強度が確保できるように例えば２０ｍｍ程度に設計される。

支持枠２０の外周面には、複数の駆動用歯車３０に噛み合う歯部２１が全周にわたって設けられている。支持枠２０の裏面（使用時に下を向く面）には、キャリア本体１０の外周縁部が嵌合する断面Ｌ形の内面側へ開放した環状凹部２２が設けられている。環状凹部２２を設けたことに伴い、その表面側には環状凸部２３がキャリア本体１０の支持部として設けられている。環状凸部２３には、肉厚方向に貫通する複数のねじ孔２４，２４
が、キャリア本体１０のねじ挿通孔１２，１２ に対応するように設けられている。

支持枠２０の肉厚ｄ２が１０ｍｍの場合、環状凹部２２の深さは例えば４ｍｍとされる。その場合は、環状凸部２３の肉厚は６ｍｍとなる。

支持枠２０の材質については、寸法的な制約が少ないため機械的強度の確保が容易であり、材質選択上の自由度が大きい。一例としては、比較的強度が高くて安価であり、駆動
用歯車３０との噛み合いによっても繊維粉などが出ない６６ナイロンが挙げられる。これ以外にはポリカーボネート、ＰＶＣなどの樹脂又はステンレス鋼などの金属の使用も可能である。

このような両面研磨用キャリアは、支持枠２０の環状凹部２２にキャリア本体１０の外周縁部を嵌め込み、環状凸部２３にねじ４０により固定することにより完成する。

両面研磨では、キャリア本体１０のワーク収容孔１１にウェーハを収容し、この状態でキャリア本体１０を上下の定盤５０（図２参照）間に挾み、支持枠２０の歯部２１に外周側から噛み合う複数の駆動用歯車３０により、キャリアを周方向に回転させる。同時に、複数の駆動用歯車３０を同期して旋回させることにより、キャリアをその中心から外れた位置を中心に円運動させる。これにより、キャリアは周方向の第１運動に、半径方向の運動成分を含む第２運動が組み合わさった複合動作を行うことになり、ウェーハの平坦度が向上する。

ここで、キャリアは外周側の複数の駆動用歯車３０から回転トルクを受ける。同時に、定盤に比べて大径である上に、半径方向の運動により、相当大きなオーバーハングを生じる。ウェーハを保持するキャリア本体１０は薄肉であるけれども、外周側の厚肉の支持枠２０にて支持され、この支持による補強により十分な剛性を付与されている。このため、オーバーハング部にも、駆動用歯車３０からの回転トルクの付与による肉厚方向の変形が殆ど生じない。

よって、キャリアの変形による破損が防止される。具体的には、３００ｍｍウェーハの枚葉式両面研磨の場合、全面等厚のキャリアとくらべて破損の頻度が０．１％以下になることを本発明者は確認している。また、定盤５０からウェーハに付加される荷重がキャリアの変形によって変化する事態が回避され、その荷重の安定化により研磨精度も同上する。

加えて、本実施形態の両面研磨用キャリアでは、支持枠２０の環状凸部２３に包囲されることにより、キャリア本体１０上に円形の凹部１４ができる。研磨時に供給される研磨液はこの円形の凹部１４に溜まる。その結果、ウェーハの液中研磨にも対応が可能となる。

また、キャリアを駆動するための歯部２１の厚みが大きくなることにより、駆動用歯車３０との接触厚が増大する。その結果、両者の磨耗が抑制され、寿命が延びる。キャリア全体が薄く歯部の厚みが小さい場合、歯部の磨耗が激しいだけでなく、その歯部が駆動用歯車３０に局部的に当たるために、駆動用歯車３０の磨耗も激しくなる。

キャリア本体１０の寿命に関しては、従来同様にワーク収容孔１１の内周面が損傷することにより、使用限界を迎える。その場合は、支持枠２０からキャリア本体１０を取り外し、新しいものと付け替える。こうすることにより、支持枠２０は繰り返し使用でき、キャリア本体１０の交換たけで再使用が可能になる。キャリア本体１０は従来のキャリアと異なり外周面に歯部を有しないため、比較的安価である。このため、従来のキャリアと比べて交換に要するコストが低減される。

図４は本発明の別の実施形態の両面研磨用キャリアに使用されるキャリア本体の平面図である。前述のキャリア本体１０と比べて、ワーク収容孔１１の周囲に複数の小孔１３，１３を設けた点が相違する。小孔１３，１３は研磨液の排出を促進する。すなわち、支持枠２０の上面がキャリア本体１０の上面より高いレベルに設定されているにもかかわらず、研磨液の排出が促進される。研磨液の排出を促進するメリットとしては、常に新しい研磨液で研磨が行われ、研磨時間が短縮され仕上がり面の品質向上が可能となる。

同様の機能は、支持枠２０の上面をキャリア本体１０の上面と同じかまたは低いレベルに設定することによっても得られる。両者の組み合わせにより、キャリア本体１０上からの研磨液の排出は一層促進される。ただ、研磨の種類によっては前述した液中研磨が好ましい場合もある。

図５は本発明の更に別の実施形態の両面研磨用キャリアに使用されるキャリア本体の平面図である。前述のキャリア本体１０と比べて、ワーク収容孔１１を複数設けた点が相違する。ここでは、２００ｍｍウェーハを３枚同時に研磨するために、内径が２００ｍｍ強の３つのワーク収容孔１１，１１，１１を中心周りに等間隔で設けている。定盤径Ｄ１はウェーハ径より若干大きい２３０〜２４０ｍｍである。キャリア本体１０の外径Ｄ２及び支持枠２０の寸法はこれまでの実施形態と同じである。

このように、支持枠２０をキャリア本体１０から分離すれば、キャリアの種類を変える場合も支持枠２０を共用でき、その利点は大きい。

本発明の一実施形態を示す両面研磨用キャリアの主要部の縦断面図である。 （ａ）は同キャリアにおけるキャリア本体の平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図である。 （ａ）は同キャリアにおける支持枠の平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図である。 本発明の別の実施形態の両面研磨用キャリアに使用されるキャリア本体の平面図である。 本発明の更に別の実施形態の両面研磨用キャリアに使用されるキャリア本体の平面図である。

符号の説明

１０ キャリア本体
１１ ワーク収容孔
１２ ねじ挿通孔
１３ 小孔
１４ 凹部
２０ 支持枠
２１ 歯部
２２ 環状凹部
２３ 環状凸部
２４ ねじ孔
３０ 駆動用歯車
３１ 環状支持部
４０ ねじ
５０ 定盤

Claims (3)

1. ワークを保持する一枚のキャリアを上下の回転定盤間に挾み、そのキャリアに対して、周方向の第１運動に半径方向の運動成分を含む第２運動を組み合わせた複合動作を行わせることにより、前記ワークを両面研磨するシングルキャリア方式で且つ複合動作方式の両面研磨装置に使用されるキャリアであって、前記ワークを収容するワーク収容孔が設けられた円板状のキャリア本体と、該本体を脱着可能に支持するべくその外周側に設けられ、該本体より厚肉に形成されると共に、該本体の外周縁部が嵌合する断面Ｌ形の内面側へ開放した環状凹部が下面に形成され、該本体の外周縁部の支持部となる環状凸部が表面側に形成され、複数の駆動用歯車が噛み合う歯部が外周面に形成され、かつ前記複数の駆動用歯車に形成された環状支持部に載置される１つの部材からなるリング状の支持枠とを具備することを特徴とする両面研磨用キャリア。
2. 前記キャリア本体の上面は前記支持枠の上面より低いレベルに位置すると共に、前記キャリア本体のワーク収容孔の周囲に研磨液排出用の複数の小孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨用キャリア。
3. 請求項１又は２に記載の両面研磨用キャリアを使用することを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。

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