JP2005005317A - Method and apparatus for polishing semiconductor wafer - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体ウェーハの研磨方法およびその研磨装置、詳しくは半導体ウェーハを保持する部材の測定温度に基づき、各種の研磨条件を変更してこのウェーハ保持部材の反り量を所定値に制御する半導体ウェーハの研磨方法およびその研磨装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
面取り後、エッチングされたシリコンウェーハには、次の研磨工程で、その表面に機械的化学的研磨が施される。ここで、研磨装置により、その表面が平滑で無歪の鏡面に仕上げられる。
従来の研磨装置は、上面に研磨布が張設された研磨定盤と、研磨定盤の上方に対向して配置され、その下面にシリコンウェーハが所定の保持構造により保持された研磨ヘッドとを備えている。
研磨時は、研磨砥粒を含む研磨剤(スラリー)を研磨布に供給しながら、研磨ヘッドと一体的に回転中のシリコンウェーハを、研磨布の表面(研磨作用面)に摺接させることにより、研磨する。
【0003】
このような研磨装置によるシリコンウェーハの研磨は、研磨布とシリコンウェーハとの摺接面において、研磨布とシリコンウェーハとの間に介在される研磨剤の摩擦熱および反応熱により促進される。
摩擦熱は、研磨布の表面に所定の温度分布を発生させるとともに、シリコンウェーハに対しても、ウェーハ面内で温度分布を発生させる。また、シリコンウェーハを保持するキャリアプレートに対しても所定の温度差を生じさせる。このようなウェーハ保持部材の温度差などは、研磨布上に供給される研磨剤による冷却効果および研磨定盤の内部流路に供給される冷却水による冷却効果と、研磨ヘッドからシリコンウェーハに作用される研磨圧力のバラつきによる仕事量の違いなどにより生じる。
そして、このウェーハ保持部材での温度差はウェーハ保持部材に反りを付加することとなっていた。すなわち、ウェーハ保持部材の半径方向での内側部分はその外側部分に比べて温度が高くなると、ウェーハ保持部材が下に凸の状態に反っていた。これは研磨面の平坦度などに大きな影響を及ぼしていた。
【0004】
従来、前記摩擦熱および反応熱を含む研磨時に発生する熱(以下、研磨熱)を測定する方法としては、研磨定盤の側部上方に配置された非接触式の赤外線放射温度計によって、研磨中の研磨布の表面温度を検出する方法が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このように研磨熱を検出する方法では、実際に研磨中の半導体ウェーハのウェーハ保持部材の反り量を算出することはできなかった。よって、半導体ウェーハの研磨面の平坦度を高めることが困難であった。
【0006】
【発明の目的】
この発明の目的は、研磨時のウェーハ保持部材の厚さ方向の温度を測定して、この測定値に基づき、その反り量を算出し、さらにこの反り量に応じて研磨条件をコントロールすることにより、ウェーハの研磨面の平坦度を高めることができる半導体ウェーハの研磨方法を、提供することである。
また、この発明は、ウェーハ保持部材の厚さ方向の複数位置での温度を測定して反り量を算出し、高平坦度の半導体ウェーハを作製することが可能な半導体ウェーハの研磨装置を提供することを、その目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、所定の厚さを有するウェーハ保持部材に保持された半導体ウェーハを研磨布に摺接させてこの半導体ウェーハを研磨する際、このウェーハ保持部材の厚さ方向での異なる深さ位置の温度を測定する半導体ウェーハの研磨方法であって、研磨中のウェーハ保持部材の温度を、その異なる深さ位置に離間して埋設された複数の温度センサにより測定する工程と、この測定した温度に基づき、このウェーハ保持部材の反り量を算出する工程と、このウェーハ保持部材の反り量が所定値となるように、その研磨条件を制御する工程とを備えた半導体ウェーハの研磨方法である。
この方法を実施するための研磨装置としては、例えば、半導体ウェーハを研磨ヘッドに真空吸着する方式、キャリアプレートを介して、半導体ウェーハを研磨ヘッドにワックス接着するワックスマウント方式、または、水を含むバックパッドによって半導体ウェーハを研磨ヘッドに保持するワックスレスマウント方式の装置などが挙げられる。
さらに、研磨装置は、研磨ヘッドを研磨定盤の上方に対向して配置したものでも、これとは上下逆に配置したものでもよい。
研磨ヘッドの素材は限定されない。ただし、セラミックス、低膨張率の金属(合金を含む)、鋳鉄、鉄鋼などが好ましい。
ウェーハ保持部材とは、研磨ヘッドまたはこれに支持されたキャリアプレートを含む。
【0008】
半導体ウェーハは、代表的なシリコンウェーハ以外にも、例えばガリウム砒素ウェーハ(GaAsウェーハ)などを採用することができる。
研磨布は、通常、研磨定盤の研磨ヘッドとの対向面に展張される。この研磨布としては、例えば硬質ウレタンパッド、不織布パッドなどが挙げられる。
研磨布および研磨ヘッドは両方を回転させてもよいし、研磨布だけを、または研磨ヘッドだけを回転させてもよい。
研磨剤としては、例えば焼成シリカやコロイダルシリカ(研磨砥粒)、アミン(加工促進剤)および有機高分子(ヘイズ抑制剤)などを混合したものなどを採用することができる。このうち、コロイダルシリカは、珪酸微粒子が凝集しないで1次粒子のまま水中に分散した、透明もしくは不透明の乳白色のコロイド液として提供される。
【0009】
半導体ウェーハの研磨面内の温度分布は、例えば研磨ヘッドのウェーハ保持面付近に複数の温度センサを配設し、各温度センサから得られた温度データに基づき作成することができる。温度分布の作成は、通常、コンピュータによる。その際、得られた温度分布を表、グラフとして出力することができる。
制御される研磨条件としては、例えば研磨ヘッドの回転速度、研磨定盤の回転速度、研磨ヘッドから半導体ウェーハへの研磨圧力、研磨剤の供給量、研磨ヘッドのウェーハ保持部材の温度、研磨定盤内の冷媒流路に供給される冷媒の温度などが挙げられる。これらのうち、1つだけを制御してもよいし、2つ以上を同時または時間差をつけて制御してもよい。
温度分布に基づく研磨条件の制御は、通常、コンピュータを利用した自動制御である。ただし、作業者による手作業でもよい。
【0010】
温度センサとしては、例えば熱電対、バイメタル式温度計、サーミスタ温度計などの接触式の温度センサを採用することができる。熱電対の種類としては、例えばJISで規格されたB,R,Sなどを採用することができる。さらには、光高温計、赤外線などの放射温度計などの非接触式の温度センサも採用することができる。
温度センサは、研磨ヘッドのヘッド本体のウェーハ保持面付近に埋め込むことができる。そのほか、研磨ヘッドの下面にキャリアプレートが取り付けられる場合には、このキャリアプレート内に埋め込んでもよい。
1枚の半導体ウェーハに対する温度センサの使用本数は、2本または3本以上である。例えば、バッチ式の研磨装置では、1バッチ内の全ての半導体ウェーハに対して、2本以上の温度センサを配置することができる。または、1バッチ内の特定の半導体ウェーハだけに、サンプル的に複数本の温度センサを配置してももよい。
温度センサからの検出信号は、例えば研磨ヘッドの回転軸の軸線に沿って形成した配線路内を通過するリード線を利用することで、直接、研磨装置の制御部に送信してもよい。その他、研磨ヘッドにデータロガーを取り付け、ここでデジタル変換されたデータを、研磨ヘッドと装置本体との間に設けられた発光部(赤外線発光式など)および受光部を用いて、送信してもよい。
【0011】
請求項2に記載の発明は、上記研磨条件は、上記ウェーハ保持部材の回転速度である請求項1に記載の半導体ウェーハの研磨方法である。
【0012】
請求項3に記載の発明は、上記研磨条件は、上記研磨布が展設された研磨定盤の回転速度である請求項1に記載の半導体ウェーハの研磨方法である。
【0013】
請求項4に記載の発明は、上記研磨条件は、上記ウェーハ保持部材を介して半導体ウェーハに作用する研磨圧力である請求項1に記載の半導体ウェーハの研磨方法である。
下方に向かって凸状に反ったウェーハ保持部材の反り量を小さくするときは、研磨ヘッドからの研磨圧力(例えば研磨装置に搭載されたエアシリンダなどの加圧装置)を小さくする。一方、その反り量を大きくするときは、その研磨圧力を大きくする。
【0014】
請求項5に記載の発明は、上記研磨条件は、上記研磨布に供給する研磨剤の供給量である請求項1に記載の半導体ウェーハの研磨方法である。
【0015】
請求項6に記載の発明は、上記研磨条件は、上記ウェーハ保持部材の温度である請求項1に記載の半導体ウェーハの研磨方法である。
ウェーハ保持部材の温度は、例えばヒータ、熱交換器などを利用して変更する。
【0016】
請求項7に記載の発明は、上記研磨条件は、上記研磨布が展設された研磨定盤の内部に形成された冷媒流路を流れる冷媒の温度である請求項1に記載の半導体ウェーハの研磨方法である。
冷媒としては、例えば水、オイルなどが挙げられる。
【0017】
請求項8に記載の発明は、研磨布が張設された研磨定盤と、研磨定盤に対向して配設され、そのウェーハ保持面に半導体ウェーハを保持するウェーハ保持部材と、このウェーハ保持部材の厚さ方向でその異なる深さ位置に離間して埋設され、各深さ位置でのウェーハ保持部材の温度を測定する複数の温度センサと、これらの温度センサによる検出値に基づき、上記ウェーハ保持部材の反り量を算出する算出手段と、この反り量が所定値となるように、研磨条件を制御する研磨条件制御手段とを備えた半導体ウェーハの研磨装置である。
【0018】
ウェーハ保持部材は、例えば研磨ヘッド、キャリアプレートを意味する。
温度センサは、例えば熱電対を含んで構成される。
算出手段は、例えば各温度センサから得られたデータに基づいて反り量を算出する。反り量は、表、グラフとしてモニタ装置に画像表示したり、プリンタにより印刷表示することができる。
研磨条件制御手段は、例えば制御対象が研磨ヘッドの回転速度および研磨定盤の回転速度の場合には、各回転モータの回転速度を変更する変速機などを含むことができる。
【0019】
請求項9に記載の発明は、上記研磨条件制御手段により制御される研磨条件が、上記ウェーハ保持部材の回転速度である請求項8に記載の半導体ウェーハの研磨装置である。
【0020】
請求項10に記載の発明は、上記研磨条件制御手段により制御される研磨条件が、上記研磨定盤の回転速度である請求項8に記載の半導体ウェーハの研磨装置である。
【0021】
請求項11に記載の発明は、上記研磨条件制御手段により制御される研磨条件が、上記ウェーハ保持部材を介して半導体ウェーハに作用する研磨圧力である請求項8に記載の半導体ウェーハの研磨装置である。
【0022】
請求項12に記載の発明は、上記研磨条件制御手段により制御される研磨条件が、上記研磨布に供給される研磨剤の供給量である請求項8に記載の半導体ウェーハの研磨装置である。
【0023】
請求項13に記載の発明は、上記研磨条件制御手段により制御される研磨条件が、上記ウェーハ保持部材の温度である請求項8に記載の半導体ウェーハの研磨装置である。
【0024】
請求項14に記載の発明は、上記研磨条件制御手段により制御される研磨条件が、上記研磨定盤の内部に形成された冷媒流路を流れる冷媒の温度である請求項8に記載の半導体ウェーハの研磨装置である。
【0025】
【作用】
この発明によれば、研磨時、ウェーハ保持部材の厚さ方向での異なる位置の温度を測定し、その測定値に基づき、ウェーハ保持部材の反り量を算出する。
そして、得られた反り量に基づき、この反り量が設定範囲になるように、例えば研磨ヘッドの回転速度、研磨定盤の回転速度、研磨ヘッドからの研磨圧力、研磨剤の供給量、研磨ヘッド(ウェーハ保持部材)の温度、研磨定盤内の冷媒流路に供給される冷媒の温度などの研磨条件を制御する。これにより、研磨時の半導体ウェーハのウェーハ保持部材の反り量が設定範囲となり、その結果、半導体ウェーハの研磨面内における研磨レートが均一化し、その研磨面の平坦度を高めることができる。なお、反り量の設定は、高平坦度のウェーハが得られたバッチでの反り量を用いて決定することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第1の実施例を図1〜図5を参照して説明する。
図1において、10はバッチ式の研磨装置であり、この研磨装置10は、主に、表面に硬質ウレタンパッド製の研磨布11が展張された研磨定盤12と、この研磨定盤12の上方に配設された研磨ヘッド13とを備えている。
【0027】
研磨定盤12は、回転モータM1により駆動回転され、その上層部の全域に冷媒流路12aが内設されている。この冷媒流路12aには、供給ポンプP1を介して、図示しない貯水槽の冷却水(冷媒)が循環供給されている。研磨布11の中央部の上方には、スラリーノズルNが配置されている。スラリーノズルNからは、スラリーポンプP2により圧送された研磨剤が流出される。
研磨ヘッド13は、円盤状のヘッド本体14を有している。このヘッド本体14の外周部下面には、厚肉な環状フランジ14aが一体形成されている。環状フランジ14aの下端面には、シリコーンゴム製の環状の緩衝体15が固着されている。この緩衝体15を介して、厚さ20mmのセラミックス製のキャリアプレート(ウェーハ保持部材)16が、ヘッド本体14に着脱自在に支持されている。
【0028】
キャリアプレート16は、そのウェーハ保持面(下面)に5枚のシリコンウェーハWがワックス貼着される。キャリアプレート16のウェーハ保持面のうち、ある1枚のシリコンウェーハWが保持される部分には、平面視してキャリアプレート16の中心と、シリコンウェーハWの中心とを通過する1本の仮想線上に一定ピッチで配置された5つの小孔16a〜16eが形成されている。各小孔16a〜16eは、その深さが異なり、キャリアプレート16の上面から下面近傍に達する直径1.5〜2mmの孔である。例えば小孔16aが最も浅く(深さA)、小孔16bがこれより少しだけ深く(深さB)、小孔16cがその次に深く(深さC)、小孔16dがさらに深く(深さD)、小孔16eが最も深い(深さE)。
各孔16a〜16eの具体的な形成位置を以下に示す。すなわち、それぞれ平面視して、キャリアプレート16の中心に最も近い位置に小孔16aが形成され、ウェーハ中心位置に小孔16cが形成され、キャリアプレート16の中心から最も離れた位置に小孔16eが形成され、小孔16bが小孔16aと小孔16cとの中間位置に形成され、小孔16cと小孔16eとの中間位置に小孔16dが形成されている。
【0029】
各小孔16a〜16eには、上記ウェーハ保持面に保持されるキャリアプレート16の面内の温度を測定する合計5本の熱電対(温度センサ)17A〜17Eがそれぞれ挿入・固定されている。具体的には、小孔16aに熱電対17Aが、小孔16bに熱電対17Bが、小孔16cに熱電対17Cが、小孔16dに熱電対17Dが、小孔16eに熱電対17Eがそれぞれ挿入されている。これらの熱電対17A〜17Eは、その設置位置でのキャリアプレート16の温度を検出することができる。
そして、キャリアプレート16の上面の一側部分には、各熱電対17A〜17Eからの検出信号をデジタル変換するデータロガー18が取り付けられている。ヘッド本体14の上には、平面視して円形のフードFにより覆われた環状のおもり19が搭載されている。おもり19による研磨ヘッド13の全体荷重(静荷重)が、緩衝体15を介して、キャリアプレート16に付加される。
【0030】
ヘッド本体14の中央部上には、研磨装置10の上部架台10aに内蔵された回転モータM2から延びた回転軸20の下端が固着されている。また、フードFの外周部の一部分上には、データロガー18により変換された温度データを、上部架台10aの下面に設けられた受光部21に向かって、赤外線の信号として発信する発光部22が固定されている。受光部21が受光した温度データの信号は制御部Cに送られる。
フードFの外周部のうち、回転軸20を中心とした発光部22とは反対側の部分上には、上面が鏡面仕上げされた反射板23が固定されている。この上部架台10aの下面のうち、回転軸20を中心とした受光部21とは反対側の位置には、反射板23に向かって光を照射する光電センサ24が設けられている。光電センサ24によりデータ送信のタイミングを計り、その送信タイミングで発光部22から受光部21に向かって温度データを含む赤外線の信号が照射される。
【0031】
図示しないが、キャリアプレート16の中心部一帯の上面には、円板状の加圧板が、ピラミッド状のシリコーンゴムを介して着脱自在に固着されている。さらに、ヘッド本体14の内面中央部には、エアシリンダ30(図3参照)が垂設され、そのロッドの下端に加圧板が固着されている。ロッドを突出させると、加圧板が下方へ移動し、キャリアプレート16の中央部一帯が下方へ押される。よって、キャリアプレート16に貼着された各シリコンウェーハWが、研磨定盤12の研磨布11に所定の加圧力で押し付けられる(中心荷重)。
【0032】
ここで、図3を参照して、第1の実施例の研磨装置の制御回路を説明する。
制御部Cの入力側にはデータロガー18が接続されている。制御部Cの出力側には研磨定盤12の回転モータM1、研磨ヘッド13の回転モータM2、冷却水の供給ポンプP1、研磨剤を圧送するスラリーポンプP2および研磨ヘッド13の中心荷重を調整するエアシリンダ30がそれぞれ接続されている。このデータロガー18の入力側には、上記5本の熱電対17A〜17Eが接続されている。
したがって、各熱電対17A〜17Eからの各温度の検出信号は、データロガー18を介して制御部Cに送られる。その後、この制御部Cでは、算出手段により反り量などの演算がなされ、その結果に応じて回転モータM1,M2、ポンプP1,P2およびエアシリンダ30に向かって、適宜、その出力を制御する指令が出される。この指令に基づき、研磨定盤12の回転速度、研磨ヘッド13の回転速度、冷媒の温度、研磨剤の供給量および研磨ヘッドの中心荷重が適宜制御される。制御部Cからの制御指令は、1つの駆動源(例えば回転モータM1)だけに発信される場合の他、複数の駆動源(5つ全部を含む)に向かって発信される場合もある。
【0033】
次に、第1の実施例に係る研磨装置10の作動を説明する。
研磨時には、研磨定盤12上の研磨布11に焼成シリカやコロイダルシリカなどの研磨砥粒を含む研磨剤を供給しながら、研磨布11と各シリコンウェーハWとの間に所定の荷重および相対速度を与えることで行われる。
この研磨時には、緩衝体15を介して、おもり19の全体荷重が環状フランジ14aからキャリアプレート16の外周部に作用する。また、エアシリンダ30によりキャリアプレート16の中心部に中心荷重が作用する。すなわち、これらの静荷重と中心荷重とのバランスを保った状態で、シリコンウェーハWは鏡面研磨される。
【0034】
その際、研磨中のキャリアプレート16のプレート面内の温度が、5本の熱電対17A〜17Eにより電圧として検出される。各検出信号はデータロガー18によりデジタル変換され、その後、光電センサ24で計られたタイミングで、発光部22から受光部21に向かって赤外線の信号として送信される。次に、受光部21が受光した信号は制御部Cに伝達され、ここで各温度データに基づき、経時的なキャリアプレート16のプレート面内の温度分布が求められる。得られた温度分布は、図4のグラフのようにモニタ表示され、またはプリンタにより印刷表示される。
また、これらの温度に基づいてその研磨時でのキャリアプレートの反り量が算出される。
こうして得られた温度分布および反り量に基づき、キャリアプレート16のプレート面内の温度が例えば一定になるように(または特定の温度分布となるように)また、キャリアプレート16の反り量が所定の条件を維持するように、その研磨条件を変更する。例えば研磨剤の供給量の制御、研磨定盤12の内部流路を流れる図示しない冷却水の温度の制御、上記エアシリンダによる中心加重の制御などを行う。特に反り量の制御は中心荷重の制御で行う。その結果、シリコンウェーハWの研磨面内でその研磨レートが均一化され、これにより研磨後のシリコンウェーハWの平坦度を高めることができる。
なお、この反り量などの制御は、得られた研磨ウェーハの研磨面の平坦度が高い場合の条件に合致させることでも達成できる。
【0035】
次に、図6に基づき、この発明の第2の実施例を説明する。
この実施例は、この発明をCMP(Chemical MechanicalPolishing)式の研磨装置10Aに適用した例である。すなわち、図示しないものの、研磨ヘッド13Aには、第1の実施例で開示された5本の熱電対17A〜17Eが配備されている。
図6に示すように、研磨装置10Aはワックスレスマウント方式で、研磨ヘッド13Aのヘッド本体14の環状フランジ14aの下面に、環状のテンプレート31が固着されている。ヘッド本体14の内部空間には、シリコンウェーハWの保持ベースとなる保持プレート(ウェーハ保持部材)32が収納されている。この実施例では、図示しないものの保持プレート32に小孔16a〜16eが形成されている。保持プレート32の下面には、保水性を有する不織布製のバックパッド33が設けられ、この保持プレート32の上面の略全域には、シリコンウェーハWの研磨面内の温度が特定分布になるように保持プレート32を加熱するヒータHが設けられている。特定分布とは、実際に平坦度が高いものが得られたバッチでの温度分布などである。
【0036】
研磨時には、バックパッド33に純水を供給し、その表面張力によって、テンプレート31の孔部内に収容されたシリコンウェーハWをその裏面側から保持する。このとき、シリコンウェーハWは、その研磨面の全域をテンプレート31の端面から所定高さだけ下方に向かって突出させている。そして、スラリーノズルNを介して、遊離砥粒を含む研磨剤を研磨布11の研磨作用面に供給しながら、研磨ヘッド13Aを研磨定盤12上で回転させることで、シリコンウェーハWの研磨面が鏡面研磨される。
この研磨中に得られた温度分布および保持プレート32の反り量に基づき、制御部Cからの制御指令により、ヒータHを介して、保持プレート32のプレート面内の温度が特定の分布になるように制御される。また、その中心荷重を変化させる。これにより、保持プレート32の反りが解消される。または、最適な反り量となるように制御される。
この結果、シリコンウェーハWの研磨面内でその研磨レートが均一化し、高い平坦度を有するシリコンウェーハWを作製することができる。
その他の構成、作用、効果は、第1の実施例から推測可能な範囲であるので、説明を省略する。
【0037】
【発明の効果】
この発明によれば、研磨時の半導体ウェーハのウェーハ保持部材の厚さ方向で複数深さ位置の温度を測定し、これらの温度に基づき、このウェーハ保持部材の反り量が設定範囲になるように研磨条件を制御するので、半導体ウェーハの研磨にて最適の荷重条件などにすることができ、その結果、高い平坦度の半導体ウェーハを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施例に係る半導体ウェーハの研磨装置の縦断面図である。
【図2】この発明の第1の実施例に係るキャリアプレートの平面図である。
【図3】この発明の第1の実施例に係る半導体ウェーハの研磨装置の制御回路を示すブロック図である。
【図4】この発明の第1の実施例に係る研磨時の半導体ウェーハの研磨面内の経時的な温度変化を示すグラフである。
【図5】この発明の第1の実施例に係るキャリアプレートの温度センサ埋設部分を示す断面図である。
【図6】この発明の第2の実施例に係る半導体ウェーハの研磨装置の縦断面図である。
【符号の説明】
10,10A 研磨装置、
11 研磨布、
12 研磨定盤、
12a 冷媒流路、
13,13A 研磨ヘッド、
16 キャリアプレート(ウェーハ保持部材)、
17A〜17E 熱電対(温度センサ)、
32 保持プレート(ウェーハ保持部材)、
C 制御部、
W シリコンウェーハ(半導体ウェーハ)。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor wafer polishing method and polishing apparatus, and more particularly, a semiconductor wafer in which various polishing conditions are changed and the amount of warpage of the wafer holding member is controlled to a predetermined value based on the measured temperature of the member holding the semiconductor wafer. The present invention relates to a polishing method and a polishing apparatus thereof.
[0002]
[Prior art]
After chamfering, the etched silicon wafer is subjected to mechanical and chemical polishing on the surface in the next polishing step. Here, the surface is finished to a smooth and undistorted mirror surface by the polishing apparatus.
A conventional polishing apparatus includes a polishing surface plate having a polishing cloth stretched on an upper surface thereof, and a polishing head disposed on the lower surface of the polishing surface plate so that a silicon wafer is held by a predetermined holding structure. I have.
At the time of polishing, by supplying a polishing agent (slurry) containing abrasive grains to the polishing cloth, the silicon wafer rotating integrally with the polishing head is brought into sliding contact with the surface (polishing surface) of the polishing cloth. ,Grind.
[0003]
The polishing of the silicon wafer by such a polishing apparatus is promoted by the frictional heat and reaction heat of the abrasive interposed between the polishing cloth and the silicon wafer on the sliding contact surface between the polishing cloth and the silicon wafer.
The frictional heat generates a predetermined temperature distribution on the surface of the polishing cloth and also generates a temperature distribution within the wafer surface for the silicon wafer. In addition, a predetermined temperature difference is generated for the carrier plate that holds the silicon wafer. Such a temperature difference of the wafer holding member affects the cooling effect by the abrasive supplied on the polishing cloth and the cooling effect by the cooling water supplied to the internal flow path of the polishing surface plate, and the silicon wafer from the polishing head. This is caused by a difference in work amount due to variations in polishing pressure.
The temperature difference in the wafer holding member adds warpage to the wafer holding member. That is, when the temperature of the inner portion in the radial direction of the wafer holding member is higher than that of the outer portion, the wafer holding member is warped downward. This had a great influence on the flatness of the polished surface.
[0004]
Conventionally, as a method for measuring heat generated during polishing including frictional heat and reaction heat (hereinafter referred to as polishing heat), a non-contact type infrared radiation thermometer disposed above a side of a polishing platen is used for polishing. A method for detecting the surface temperature of the polishing cloth inside is known.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of detecting the polishing heat in this way, the amount of warpage of the wafer holding member of the semiconductor wafer actually being polished could not be calculated. Therefore, it has been difficult to increase the flatness of the polished surface of the semiconductor wafer.
[0006]
OBJECT OF THE INVENTION
The object of the present invention is to measure the temperature in the thickness direction of the wafer holding member during polishing, calculate the amount of warpage based on this measured value, and further control the polishing conditions according to the amount of warpage. Another object of the present invention is to provide a method for polishing a semiconductor wafer that can increase the flatness of the polished surface of the wafer.
The present invention also provides a semiconductor wafer polishing apparatus capable of calculating the amount of warpage by measuring the temperature at a plurality of positions in the thickness direction of the wafer holding member to produce a semiconductor wafer with high flatness. That is the purpose.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, when the semiconductor wafer held by the wafer holding member having a predetermined thickness is brought into sliding contact with the polishing cloth to polish the semiconductor wafer, the thickness of the wafer holding member is increased. A method of polishing a semiconductor wafer that measures the temperature of different depth positions, the step of measuring the temperature of the wafer holding member during polishing by a plurality of temperature sensors that are embedded at different depth positions, and Polishing of a semiconductor wafer comprising a step of calculating a warpage amount of the wafer holding member based on the measured temperature and a step of controlling polishing conditions so that the warpage amount of the wafer holding member becomes a predetermined value. Is the method.
As a polishing apparatus for carrying out this method, for example, a method in which a semiconductor wafer is vacuum-adsorbed to a polishing head, a wax mount method in which a semiconductor wafer is wax-bonded to a polishing head via a carrier plate, or a back containing water Examples thereof include a waxless mount type apparatus that holds a semiconductor wafer on a polishing head by a pad.
Further, the polishing apparatus may be one in which the polishing head is disposed opposite to the upper surface of the polishing surface plate, or one in which the polishing head is disposed upside down.
The material of the polishing head is not limited. However, ceramics, low expansion metals (including alloys), cast iron, steel and the like are preferable.
The wafer holding member includes a polishing head or a carrier plate supported by the polishing head.
[0008]
In addition to a typical silicon wafer, for example, a gallium arsenide wafer (GaAs wafer) can be employed as the semiconductor wafer.
The polishing cloth is usually spread on the surface of the polishing platen facing the polishing head. Examples of the polishing cloth include a hard urethane pad and a non-woven pad.
Both the polishing cloth and the polishing head may be rotated, or only the polishing cloth or only the polishing head may be rotated.
As the abrasive, for example, a mixture of baked silica, colloidal silica (abrasive grains), amine (processing accelerator), organic polymer (haze inhibitor), or the like can be used. Among these, colloidal silica is provided as a transparent or opaque milky white colloidal solution in which the silicate fine particles are not aggregated and dispersed in water as primary particles.
[0009]
The temperature distribution in the polishing surface of the semiconductor wafer can be created based on temperature data obtained from each temperature sensor by arranging a plurality of temperature sensors near the wafer holding surface of the polishing head, for example. The temperature distribution is usually created by a computer. At that time, the obtained temperature distribution can be output as a table or a graph.
The polishing conditions to be controlled include, for example, the rotation speed of the polishing head, the rotation speed of the polishing surface plate, the polishing pressure from the polishing head to the semiconductor wafer, the supply amount of the abrasive, the temperature of the wafer holding member of the polishing head, and the polishing surface plate. The temperature of the refrigerant | coolant supplied to the inside refrigerant | coolant flow path etc. are mentioned. Of these, only one may be controlled, or two or more may be controlled simultaneously or with a time difference.
Control of polishing conditions based on the temperature distribution is usually automatic control using a computer. However, manual work by an operator may be used.
[0010]
As the temperature sensor, for example, a contact-type temperature sensor such as a thermocouple, a bimetal thermometer, or a thermistor thermometer can be employed. As the type of thermocouple, for example, B, R, S, etc. standardized by JIS can be adopted. Furthermore, a non-contact temperature sensor such as an optical pyrometer or a radiation thermometer such as an infrared ray can also be employed.
The temperature sensor can be embedded in the vicinity of the wafer holding surface of the head body of the polishing head. In addition, when a carrier plate is attached to the lower surface of the polishing head, it may be embedded in the carrier plate.
The number of temperature sensors used for one semiconductor wafer is two or three or more. For example, in a batch type polishing apparatus, two or more temperature sensors can be arranged for all semiconductor wafers in one batch. Alternatively, a plurality of temperature sensors may be arranged as a sample only on a specific semiconductor wafer in one batch.
The detection signal from the temperature sensor may be transmitted directly to the control unit of the polishing apparatus by using, for example, a lead wire that passes through the wiring path formed along the axis of the rotation axis of the polishing head. In addition, a data logger can be attached to the polishing head, and the digitally converted data can be transmitted using a light emitting unit (such as an infrared light emitting type) and a light receiving unit provided between the polishing head and the apparatus main body. Good.
[0011]
The invention according to claim 2 is the semiconductor wafer polishing method according to claim 1, wherein the polishing condition is a rotation speed of the wafer holding member.
[0012]
The invention according to claim 3 is the method for polishing a semiconductor wafer according to claim 1, wherein the polishing condition is a rotational speed of a polishing surface plate on which the polishing cloth is spread.
[0013]
The invention described in claim 4 is the method for polishing a semiconductor wafer according to claim 1, wherein the polishing condition is a polishing pressure acting on the semiconductor wafer via the wafer holding member.
When reducing the amount of warpage of the wafer holding member that is warped downward, the polishing pressure from the polishing head (for example, a pressure device such as an air cylinder mounted on the polishing apparatus) is reduced. On the other hand, when the warpage amount is increased, the polishing pressure is increased.
[0014]
A fifth aspect of the present invention is the semiconductor wafer polishing method according to the first aspect, wherein the polishing condition is a supply amount of a polishing agent supplied to the polishing pad.
[0015]
The invention according to claim 6 is the method for polishing a semiconductor wafer according to claim 1, wherein the polishing condition is a temperature of the wafer holding member.
The temperature of the wafer holding member is changed using, for example, a heater or a heat exchanger.
[0016]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor wafer according to the first aspect, the polishing condition is a temperature of a refrigerant flowing in a refrigerant flow path formed inside a polishing surface plate on which the polishing cloth is spread. Polishing method.
Examples of the refrigerant include water and oil.
[0017]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a polishing platen on which a polishing cloth is stretched, a wafer holding member which is disposed opposite to the polishing platen and holds a semiconductor wafer on its wafer holding surface, and this wafer holding A plurality of temperature sensors that are embedded at different depth positions in the thickness direction of the member and measure the temperature of the wafer holding member at each depth position, and the wafer based on the detection values by these temperature sensors A semiconductor wafer polishing apparatus including a calculating unit that calculates a warping amount of a holding member and a polishing condition control unit that controls polishing conditions so that the warping amount becomes a predetermined value.
[0018]
The wafer holding member means, for example, a polishing head or a carrier plate.
The temperature sensor includes, for example, a thermocouple.
The calculating means calculates the amount of warpage based on, for example, data obtained from each temperature sensor. The amount of warpage can be displayed as an image on a monitor device as a table or graph, or printed and displayed by a printer.
The polishing condition control means can include, for example, a transmission that changes the rotational speed of each rotary motor when the controlled object is the rotational speed of the polishing head and the rotational speed of the polishing surface plate.
[0019]
The invention described in claim 9 is the semiconductor wafer polishing apparatus according to claim 8, wherein the polishing condition controlled by the polishing condition control means is the rotational speed of the wafer holding member.
[0020]
The invention according to
[0021]
The invention according to
[0022]
A twelfth aspect of the present invention is the semiconductor wafer polishing apparatus according to the eighth aspect, wherein the polishing condition controlled by the polishing condition control means is a supply amount of a polishing agent supplied to the polishing pad.
[0023]
The invention described in
[0024]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the semiconductor wafer according to the eighth aspect, the polishing condition controlled by the polishing condition control means is a temperature of a refrigerant flowing in a refrigerant flow path formed inside the polishing surface plate. This is a polishing apparatus.
[0025]
[Action]
According to this invention, during polishing, the temperature at different positions in the thickness direction of the wafer holding member is measured, and the amount of warpage of the wafer holding member is calculated based on the measured value.
Then, based on the obtained warpage amount, for example, the rotation speed of the polishing head, the rotation speed of the polishing platen, the polishing pressure from the polishing head, the supply amount of the abrasive, the polishing head so that the warpage amount falls within the set range. Polishing conditions such as the temperature of the (wafer holding member) and the temperature of the refrigerant supplied to the refrigerant flow path in the polishing surface plate are controlled. As a result, the warpage amount of the wafer holding member of the semiconductor wafer at the time of polishing becomes a set range. As a result, the polishing rate in the polishing surface of the semiconductor wafer becomes uniform, and the flatness of the polishing surface can be increased. The setting of the warpage amount can be determined by using the warpage amount in a batch in which a wafer with high flatness is obtained.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
In FIG. 1,
[0027]
The polishing
The polishing
[0028]
The
The specific formation position of each
[0029]
A total of five thermocouples (temperature sensors) 17A to 17E for measuring the temperature in the surface of the
A
[0030]
On the center of the
A reflecting
[0031]
Although not shown, a disk-shaped pressure plate is detachably fixed to the upper surface of the central portion of the
[0032]
Here, the control circuit of the polishing apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
A
Accordingly, detection signals for each temperature from the thermocouples 17 </ b> A to 17 </ b> E are sent to the control unit C via the
[0033]
Next, the operation of the polishing
At the time of polishing, a predetermined load and relative speed are applied between the polishing
At the time of this polishing, the entire load of the
[0034]
At that time, the temperature in the plate surface of the
Further, the warpage amount of the carrier plate at the time of polishing is calculated based on these temperatures.
Based on the temperature distribution and warpage amount obtained in this way, the temperature in the plate surface of the
Note that the control of the warp amount or the like can also be achieved by matching the conditions when the flatness of the polished surface of the obtained polished wafer is high.
[0035]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This embodiment is an example in which the present invention is applied to a CMP (Chemical Mechanical Polishing)
As shown in FIG. 6, the polishing
[0036]
At the time of polishing, pure water is supplied to the
Based on the temperature distribution obtained during the polishing and the amount of warpage of the holding
As a result, the polishing rate becomes uniform in the polishing surface of the silicon wafer W, and the silicon wafer W having high flatness can be manufactured.
Other configurations, operations, and effects are in a range that can be estimated from the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, the temperature at a plurality of depth positions in the thickness direction of the wafer holding member of the semiconductor wafer during polishing is measured, and based on these temperatures, the warpage amount of the wafer holding member is within a set range. Since the polishing conditions are controlled, an optimum load condition can be set for polishing the semiconductor wafer, and as a result, a semiconductor wafer with high flatness can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1 is a longitudinal sectional view of a semiconductor wafer polishing apparatus according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a plan view of a carrier plate according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a control circuit of the semiconductor wafer polishing apparatus according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a graph showing a temperature change with time in the polished surface of the semiconductor wafer during polishing according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a sectional view showing a temperature sensor embedded portion of the carrier plate according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a semiconductor wafer polishing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 10A polishing device,
11 Abrasive cloth,
12 Polishing surface plate,
12a refrigerant flow path,
13, 13A polishing head,
16 Carrier plate (wafer holding member),
17A-17E thermocouple (temperature sensor),
32 holding plate (wafer holding member),
C control unit,
W Silicon wafer (semiconductor wafer).
Claims (14)
研磨中のウェーハ保持部材の温度を、その異なる深さ位置に離間して埋設された複数の温度センサにより測定する工程と、
この測定した温度に基づき、このウェーハ保持部材の反り量を算出する工程と、
このウェーハ保持部材の反り量が所定値となるように、その研磨条件を制御する工程とを備えた半導体ウェーハの研磨方法。When a semiconductor wafer held by a wafer holding member having a predetermined thickness is brought into sliding contact with a polishing cloth to polish the semiconductor wafer, the temperature at different depth positions in the thickness direction of the wafer holding member is measured. A method for polishing a semiconductor wafer, comprising:
Measuring the temperature of the wafer holding member during polishing with a plurality of temperature sensors embedded at different depth positions; and
Based on the measured temperature, a step of calculating the warpage amount of the wafer holding member,
And a step of controlling the polishing conditions so that the amount of warpage of the wafer holding member becomes a predetermined value.
研磨定盤に対向して配設され、そのウェーハ保持面に半導体ウェーハを保持するウェーハ保持部材と、
このウェーハ保持部材の厚さ方向でその異なる深さ位置に離間して埋設され、各深さ位置でのウェーハ保持部材の温度を測定する複数の温度センサと、
これらの温度センサによる検出値に基づき、上記ウェーハ保持部材の反り量を算出する算出手段と、
この反り量が所定値となるように、研磨条件を制御する研磨条件制御手段とを備えた半導体ウェーハの研磨装置。A polishing surface plate with a polishing cloth stretched;
A wafer holding member that is disposed opposite to the polishing surface plate and holds the semiconductor wafer on the wafer holding surface;
A plurality of temperature sensors embedded in the wafer holding member at different depth positions in the thickness direction, and measuring the temperature of the wafer holding member at each depth position;
Based on detection values by these temperature sensors, a calculation means for calculating the amount of warpage of the wafer holding member,
A polishing apparatus for a semiconductor wafer, comprising polishing condition control means for controlling polishing conditions so that the amount of warpage becomes a predetermined value.
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