JP5407748B2 - 半導体ウェーハの研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハを研磨する方法に関し、さらに詳しくは、研磨を開始する際に発生する振動を抑制することができる半導体ウェーハの研磨方法に関する。

半導体ウェーハの製造では、ウェーハ表面を凹凸が無く、平坦度の高い鏡面に仕上げることを目的として、研磨装置を用いた研磨加工がウェーハに施される。

図１は、従来の研磨装置を用いた半導体ウェーハの研磨加工を示す模式図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は上面図である。同図に示す研磨装置は、ウェーハを保持するワークキャリア４と、研磨クロス３を備えたテーブル２により構成される。

同図に示す研磨装置を用いたウェーハ５の研磨加工では、ワークキャリア４によりウェーハ５を保持した後、加重によりウェーハ５と研磨クロス３を押し付けつつ、ワークキャリア４とテーブル２とを同図（ｂ）に示す白抜き矢印の方向に回転させて行う。研磨加工時には、押し付けられたウェーハ５と研磨クロス３との摩擦により、ワークキャリア４の回転により生じる摩擦力、およびテーブル２の回転により生じる摩擦力が、ワークキャリア４およびテーブル２にそれぞれ作用する。

ワークキャリアおよびテーブルに作用する摩擦力は、ワークキャリア、テーブルまたは装置全体の振動の要因となり、摩擦力の増加は、振動を発生し易くするとともに、発生する振動を激しくする。

研磨加工において研磨を開始する操作は、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で、静止したテーブルとワークキャリアを回転させる場合と、研磨クロスとウェーハが離れた状態で、テーブルおよびワークキャリアを回転させた後、研磨クロスとウェーハを押し付ける場合がある。後者の場合、研磨クロスとワークキャリアが押し付けられた瞬間に負荷が発生し、この負荷は、ウェーハ直径またはテーブル直径の増加にともなって増大する。このため、ウェーハが大口径またはテーブル直径が大きい場合、研磨の開始操作は、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で行う操作が用いられ易い。

近年、ウェーハの大口径化に伴い、研磨加工において、ウェーハと研磨クロスの接触面積が増大するとともに、押し付け加重も、所望の研磨レートや表面品質を確保するために、増大している。これらの接触面積および加重の増大は、研磨クロスとウェーハとの間に生じる摩擦力を増加させる。さらに、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で研磨を開始する場合には、その開始時の摩擦は静摩擦となるので、生じる摩擦力は最大となる。したがって、大口径ウェーハの研磨加工では、研磨開始時に振動が極めて発生し易く、発生する振動も激しいものとなる。

ウェーハの研磨加工時に発生する振動は、ウェーハの割れを誘発するとともに、研磨クロスを損傷させ、縒れさせる。研磨クロスに縒れが生じると、ウェーハの研磨面を損傷させ、欠陥を誘発するので、研磨クロスを張り替える必要があり、製品の歩留まりを悪化させる。

このウェーハの研磨加工時に振動が発生する問題に対して、特許文献１では、ワークキャリアの回転軸の軸受と、この軸受を収納するケーシングとの間に圧電素子を装着した研磨装置が提案されている。特許文献１で提案されている研磨装置では、研磨加工の際に振動が発生した場合に、圧電素子が減衰力をワークキャリアに付与し、振動を減衰させることにより、振動を抑制するとしている。

特許文献２で提案されている研磨装置では、テーブル回転軸の軸受に、ボールベアリングに代えて流体軸受を用いることにより、ボールベアリングに用いられるボールが製作誤差により真円でないことから、回転する際にテーブルが微小振動するのを抑制する。これにより、ウェーハの研磨面にさざ波状の微小凹凸が形成されることがないので、研磨面の平坦性が向上するとしている。

特許文献１および特許文献２で提案されている研磨装置は、振動抑制に一定の効果を期待できるが、装置構成が煩雑となるため、設備コストおよび保守コストが問題となる。また、既存設備への適用は、ワークキャリアまたはテーブルの構造を大幅に変更する必要があることから、困難である。

特開２０００−６０１３号公報 特開２０００−３０８９６０号公報

前述の通り、半導体ウェーハの研磨加工において、従来の研磨方法では、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で、静止したテーブルとワークキャリアを所定の回転数として研磨を開始すると、ウェーハと研磨クロスとの間の摩擦によりワークキャリアおよびテーブルに摩擦力が作用し、振動が発生する問題があった。

また、従来の研磨装置を用いて振動の発生を抑制すると、装置構成が煩雑であることから、設備コストおよび保守コストが問題となり、既存設備への適用は、装置構成の大幅な変更を要することから困難であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ウェーハの研磨加工において、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で、静止したワークキャリアとテーブルを所定の回転数として研磨を開始する際に、振動の発生を抑制できる半導体ウェーハの研磨方法を提供することを目的としている。

前述の通り、研磨を開始する際に、ワークキャリアおよびテーブルの回転により生じる摩擦力が、ワークキャリアおよびテーブルにそれぞれ作用する。本発明者らは、これらの摩擦力がテーブルおよびワークキャリアの回転に伴って増減することにより、スティック状態とスリップ状態を繰り返し、自励振動が発生すると考えた。

さらに、ワークキャリアおよびテーブルに作用する摩擦力の中で、テーブルの回転により生じ、ワークキャリアに作用する摩擦力が自励振動の発生に影響が大きいと考えた。このテーブル回転によるワークキャリアに作用する摩擦力は、前記図１（ｂ）において黒塗り矢印で示す方向に作用するものである。

テーブル回転によるワークキャリアに作用する摩擦力は、研磨を開始する際にテーブルを低回転とすることおよび／またはワークキャリアを高回転とすることにより、研磨クロスとウェーハとの摩擦が早期に静摩擦から動摩擦となり、低減できることを知見した。この知見を基に、種々の試験を行い、鋭意検討を重ねた結果、後述するテーブル加速度およびワークキャリア加速度について、テーブル加速度をワークキャリア加速度より小さくすることにより、振動の発生を抑制できることを明らかにした。

本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記（１）〜（３）の半導体ウェーハの研磨方法を要旨としている。

（１）ワークキャリアにより保持された半導体ウェーハと、テーブルが備える研磨クロスとを押し付けつつ、前記ワークキャリアと前記テーブルとを回転させて前記半導体ウェーハを研磨する方法であって、前記研磨クロスと前記半導体ウェーハを押し付けた状態で、静止した前記テーブルと前記ワークキャリアを所定の回転数として研磨を開始する際に、テーブル加速度とワークキャリア加速度が、下記（１）式を満たすことを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法である。
Ａ＜Ｂ ・・・（１）
ただし、前記テーブル加速度をＡ（ｍｍ／ｓ²）、前記ワークキャリア加速度をＢ（ｍｍ／ｓ²）とする。

（２）上記（１）に記載の半導体ウェーハの研磨方法において、前記半導体ウェーハの直径を、前記テーブルの直径の３０％以上とするのが好ましい。

（３）上記（１）または（２）に記載の半導体ウェーハの研磨方法において、前記所定の回転数を、前記ワークキャリアと前記テーブルで等しくするのが好ましい。

本発明において、「テーブル加速度」および「ワークキャリア加速度」とは、半導体ウェーハの研磨面内において、テーブルおよびワークキャリアの周速度が最大となる点（以下、「最大周速度点」ともいう。）における、テーブルおよびワークキャリアの周速度（以下、「テーブル最大周速度」および「ワークキャリア最大周速度」ともいう。）の加速度を意味する。最大周速度点については、後述する図２に示す。

図２は、研磨装置によりウェーハを研磨する状態を模式的に示す上面図であり、テーブルおよびワークキャリアの周速度が最大となる点を示す図である。同図では、図示されていないテーブルが備える研磨クロス３と、図示されていないワークキャリアによりに保持されたウェーハ５を示す。同図に示す通り、最大周速度点Ｘは、ウェーハ外周上の点であって、テーブルの回転中心からの距離が最大となる点である。本発明では、この最大周速度点Ｘにおける、テーブルの周速度の加速度がテーブル加速度を意味し、ワークキャリアの周速度の加速度がワークキャリア加速度を意味する。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法は、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で、静止したワークキャリアとテーブルを所定の回転数として研磨を開始する際に、テーブル加速度をワークキャリア加速度より小さくすることにより、振動の発生を抑制できる。このため、既存設備の装置構成を変更することなく、設備コストおよび保守コストを抑えて、研磨を開始する際に発生する振動を抑制できる。

従来の研磨装置を用いた半導体ウェーハの研磨加工を示す模式図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は上面図である。 研磨装置によりウェーハを研磨する状態を模式的に示す上面図であり、テーブルおよびワークキャリアの周速度が最大となる点を示す図である。 経過時間（秒）とテーブルおよびワークキャリアの回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図である。 経過時間（秒）とテーブルおよびワークキャリアの最大周速度（ｍｍ／ｓ）との関係を示す図である。

以下に、本発明の半導体ウェーハの研磨方法について詳細に説明する。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法は、ワークキャリアにより保持された半導体ウェーハと、テーブルが備える研磨クロスとを押し付けつつ、ワークキャリアとテーブルとを回転させて半導体ウェーハを研磨する方法であって、研磨クロスと半導体ウェーハを押し付けた状態で、静止したワークキャリアとテーブルを所定の回転数として研磨を開始する際に、テーブル加速度とワークキャリア加速度が、下記（１）式を満たすことを特徴とする。
Ａ＜Ｂ ・・・（１）
ただし、テーブル加速度をＡ（ｍｍ／ｓ²）、ワークキャリア加速度をＢ（ｍｍ／ｓ²）とする。

テーブル加速度とワークキャリア加速度が（１）式を満たすことにより、すなわち、テーブル加速度をワークキャリア加速度より小さくすることにより、研磨開始の初期にウェーハと研磨クロスとの間が静摩擦から動摩擦となり、ワークキャリアに作用するテーブルの回転に対する摩擦力を低減できる。これにより、摩擦力の増減に起因して、スティック状態とスリップ状態を繰り返すことで発生する自励振動を抑制することができる。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法は、半導体ウェーハの直径を、テーブル直径の３０％以上とするのが好ましい。テーブル直径に対するウェーハ直径の割合が３０％未満の場合、すなわち、ウェーハが小口径の場合、研磨クロスとウェーハとの間に生じる摩擦力は小さいので、振動は発生し難く、発生する振動も微小である。この場合、本発明の半導体ウェーハの研磨方法を適用しても、振動を抑制する効果は得がたい。

一方、ウェーハが大口径であり、テーブル直径に対するウェーハ直径の割合が３０％以上になると、研磨クロスとウェーハとの間に生じる摩擦力は増加し、振動が発生し易くなるとともに、発生する振動が激しくなる。この場合、本発明の半導体ウェーハの研磨方法を適用すれば、振動を抑制する効果を得ることができる。

なお、ウェーハ直径は、テーブル直径の５０％未満とするのが好ましい。ウェーハ直径がテーブル直径の５０％以上であると、ウェーハがテーブル中心を覆った状態で研磨することとなり、テーブル中心付近のスラリ供給性が著しく低下することによる研磨クロスの劣化が生じやすく、ウェーハの研磨を均一にすることができないからである。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法は、ワークキャリアとテーブルを等しい回転数として、ウェーハを研磨するのが好ましい。これにより、研磨クロスに対する相対的な走行距離がウェーハ面内のすべての場所において等しくなり、ウェーハの研磨を均一に行うことができるからである。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法の効果を確認するため、下記の試験を行った。

［試験条件］
前記図１に示す構成の研磨装置を用いて半導体ウェーハを研磨し、振動の発生状況を調査した。研磨を開始する際は、研磨クロスと半導体ウェーハを押し付けた状態で、静止したワークキャリアとテーブルを回転させ、所定の回転数とした。研磨開始の操作において、ワークキャリアに押し付け力を加重することなく、ワークキャリアの自重により、ウェーハと研磨クロスを押し付けた。

研磨装置はテーブル直径が１２００ｍｍ、テーブル回転中心とワークキャリア回転中心の距離が３００ｍｍのものを用い、ウェーハは直径４５０ｍｍのものを供試した。

ワークキャリアおよびテーブルの回転数は３０ｒｐｍに設定し、テーブルは静止した状態から１０秒で設定した回転数となるように制御した。ワークキャリアについては、静止した状態から設定した回転数になるまでに要する時間を、本発明例１では３．１秒、本発明例２では４．６秒、比較例１では６．６秒、比較例２では９．３秒とした。本試験では、研磨開始の操作から２５秒間にわたり、１秒ごとにワークキャリアとテーブルの回転数を記録した。

［試験結果］
図３は、経過時間（秒）とテーブルおよびワークキャリアの回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図である。同図に示すグラフにより、本発明例および比較例ともに設定された時間の経過通りに、テーブルおよびワークキャリアが所定の回転数となっていることが確認できた。同図に示す回転数（ｒｐｍ）から、各経過時間でのテーブルおよびワークキャリアの最大周速度を算出した。

図４は、経過時間（秒）とテーブルおよびワークキャリアの最大周速度（ｍｍ／ｓ）との関係を示す図である。同図において、テーブルの最大周速度を示すグラフの傾きがテーブル加速度（ｍｍ／ｓ²）を現し、ワークキャリアの最大周速度を示すグラフの傾きがワークキャリア加速度（ｍｍ／ｓ²）を現す。

本発明例１および本発明例２では、テーブルの最大周速度を示すグラフがワークキャリアの最大周速度を示すグラフより傾きが小さく、すなわち、テーブル加速度がワークキャリア加速度より小さく、研磨開始の操作時および所定回転数での研磨時に振動が発生することはなかった。

比較例１では、テーブル加速度がワークキャリア加速度より大きく、研磨開始の操作時に振動が発生したが、所定回転数での研磨時に振動が発生することはなかった。また、比較例２では、テーブル加速度がワークキャリア加速度より顕著に大きく、研磨開始の操作時に激しい振動が発生したが、所定回転数での研磨時には振動の発生はなかった。

これらから、本発明の半導体ウェーハの研磨方法によれば、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で、ワークキャリアとテーブルを回転させて研磨を開始する際に、研磨装置に発生する振動を抑制できることが確認できた。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法は、研磨クロスとウェーハを押し付けた状態で、静止したワークキャリアとテーブルを所定の回転数として研磨を開始する際に、テーブル加速度をワークキャリア加速度より小さくすることにより、研磨装置に発生する振動を抑制できる。このため、既存設備の装置構成を変更することなく、設備コストおよび保守コストを抑えて振動の発生を抑制できる。

したがって、本発明の半導体ウェーハの研磨方法を、半導体ウェーハの製造に適用することにより、振動によるウェーハの割れの発生を抑制できるとともに、研磨クロスの損傷を低減できるので、製品歩留りを向上させることができ、半導体ウェーハの製造効率を高めることができる。

１：研磨装置、 ２：テーブル、 ３：研磨クロス、 ４：ワークキャリア、
５：半導体ウェーハ、 Ｘ：最大周速度点

Claims (3)

1. ワークキャリアにより保持された半導体ウェーハと、テーブルが備える研磨クロスとを押し付けつつ、前記ワークキャリアと前記テーブルとを回転させて前記半導体ウェーハを研磨する方法であって、
   前記研磨クロスと前記半導体ウェーハを押し付けた状態で、静止した前記テーブルと前記ワークキャリアを所定の回転数として研磨を開始する際に、テーブル加速度とワークキャリア加速度が、下記（１）式を満たすことを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
   Ａ＜Ｂ ・・・（１）
   ただし、前記テーブル加速度をＡ（ｍｍ／ｓ²）、前記ワークキャリア加速度をＢ（ｍｍ／ｓ²）とする。
2. 前記半導体ウェーハの直径が、前記テーブルの直径の３０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
3. 前記所定の回転数が、前記ワークキャリアと前記テーブルで等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体ウェーハの研磨方法。

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