JP5037974B2

JP5037974B2 - 研磨加工ステージにおける半導体基板の監視機器および監視方法

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Publication number: JP5037974B2
Application number: JP2007064264A
Authority: JP
Inventors: 栄一山本
Original assignee: 株式会社岡本工作機械製作所
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2008221416A

Description

本発明は、半導体基板の研磨加工ステージにおける監視方法および監視機器に関する。基板の監視は、研磨終点検出、基板外周縁のチッピングの有無、研磨加工された基板の厚み測定がなされる。

半導体基板の径が３００ｍｍ、４５０ｍｍと拡径するとともに、厚みが２０〜８０μｍと極薄の半導体基板が望まれている。半導体基板を研削・研磨して基板を薄肉化および鏡面化する平坦化装置として、基板を真空吸着保持できる基板ホルダーテーブルの複数を下方に配置し、それぞれの基板ホルダーテーブルの上方に粗研削砥石を備える回転スピンドル、仕上研削砥石を備える回転スピンドル、および研磨工具を備える回転スピンドルを配置し、基板収納カセット内に保管されている基板を位置合わせ用の仮置台へ搬送する多関節型搬送ロボット、基板ホルダーテーブル上の基板を次ぎの加工ステージへと搬送する搬送パッドを備えた搬送器具および基板洗浄機器を備える平坦化装置が使用されている。

例えば、ローディング／アンローディングステージ、第１粗研削ステージ、第２仕上研削ステージおよび研磨ステージに区画した一台のインデックス型回転テーブルに小径の半導体基板５枚を真空チャックできる基板ホルダーテーブル４組みを前記インデックス回転テ−ブルの軸心に対し同一円周上に等間隔で配設した平面研削・研磨装置を用い、各基板ホルダーテーブルに対してインデックス型回転テ−ブルの９０度の回転に伴うそれぞれのステージで多関節型搬送ロボットによる半導体基板のローディング、粗研削平砥石による基板裏面の粗研削加工、仕上研削平砥石による基板裏面の仕上研削加工、研磨パッドによる鏡面研磨加工および搬送機器によるアンローディングの処理を順次行うことは知られている（例えば、特許文献１参照。）。

極薄の半導体基板の加工ステージ移行時の破損を防止するため、研磨ステージを複数に分け、インデックス型回転テーブルに割り付けられた各ステーションにて同時並行に基板の第一研磨、第二研磨、洗浄、インデックス型回転テーブル上への基板の搬入並びにインデックス型回転テーブルからの基板の搬出を行う研磨装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

一方、半導体素子製造加工メーカーにおいては、半導体基板製造装置の研削装置、研磨装置、テープマウント・剥離装置をインライン化し、各々の加工装置毎に半導体基板の厚み測定器、研磨終点検出器、破損防止有無検出器等の監視機器を備えさせ、各装置での加工終点後の半導体基板の欠陥がないか監視（monitoring）しているのが実情である（例えば、特許文献３参照。）。

研削装置においては、２点式インジケート基板厚み測定計または研削砥石軸のトルク変化を利用した終点検出機器が一般に用いられている。

研磨装置においては、光電センサの分光反射率を利用した終点検出機器、渦巻電流センサ終点検出機器、研磨軸のトルク変化を利用した終点検出機器、変位センサのレーザ光反射率を利用した終点検出機器、電極間抵抗値を利用する終点検出機器、薬剤変色識別カラーセンサを利用した終点検出機器、などが提案され、一部においては実用化されている（例えば、特許文献４、特許文献５、特許文献６、非特許文献１参照。）。

特開２０００−２５４８５７号公報特許第３５０７７９４号明細書特開２００５−９８７７３号公報特開２００１−２８４３００号公報特開２００２−３４６９２０号公報特開２００３−１３８６６６号公報大田真郎、中井俊輔、辻仁志著，「酸化膜ＣＭＰ用光学式終点検出モニタ」、エバラ時報 No.207，2005年4月，ｐ25-29

研磨加工中に基板の厚みをin-situで測定するには、分光反射率を利用した終点検出機器やレーザ光反射率を利用する変位センサが最適である。しかし、前記特許文献４に開示されるように、レーザ光反射を利用するセンサは、厚み測定時に研磨液の反射による影響を受けて測定値に誤差が生じ易く、研磨剤の存在の影響を受けない研磨パッド位置に設けた測定用光透過窓から投光し、半導体基板からの反射光をこの光透過窓を通して受光し、演算した反射率から厚みを測定している。

本発明者は、特許文献２に載の複数の研磨ヘッドを上方に備え、半導体基板ホルダーを下方に設けたインデックス型回転テーブル内に複数設けた研磨装置なら半導体基板の研磨面を上方側から監視できることに着目し、研磨ステージを（１）固定砥粒を含む研磨剤を用いる第一研磨ステージと（２）純水を用いる第二仕上研磨ステージ（研磨・洗浄ステージ）とすることにより、研磨液の反射の影響を小さくでき、分光反射率を利用した終点検出機器やレーザ光反射率利用センサやＣＣＤセンサを利用した終点検出機器であっても、基板の監視の誤差が小さいことを見出し、本発明に到った。

請求項１の発明は、基板のローディングステージ、アンローディングステージ、および仕上研磨ステージの３つのステージ(ｐｓ _１ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ａ）と、粗研磨ステージ(ｐｓ _２ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ｂ）をインデックス型回転テーブル（７１）に同心円上に配置した研磨加工ステージ（７０）をベースの刳り貫き穴より起立して設け、前記基板のローディングステージ、アンローディングステージ、および仕上研磨ステージの３つのステージを与える基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)を構成する基板ホルダーテーブル（７０ａ）上方に、洗浄液供給機構および研磨パッド（７３）を回転可能に軸承するスピンドルを前記基板ホルダーテーブル（７０ａ）上面に対し昇降可能および揺動可能に設け、この基板ホルダーテーブル（７０ａ）と前記研磨パッド（７３）と洗浄液供給機構と基板搬送ロボット（１４）とで前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)を構成し、前記粗研磨ステージ(ｐｓ _２ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ｂ）上方に、研磨剤スラリー液供給機構および粗研磨パッド（７３’）を回転可能に軸承するスピンドルを前記基板ホルダーテーブル（７０ｂ）上面に対し昇降可能および揺動可能に設け、この基板ホルダーテーブル（７０ｂ）と前記粗研磨パッド（７３’）と研磨剤スラリー液供給機構とで基板粗研磨ステージ(ｐｓ_２)を構成するインデックス型研磨装置を用い、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)の仕上研磨パッド（７３）を揺動する支持アーム（７７）に半導体基板外周縁破損有無を監視するＣＣＤセンサ（１２０ａ）を取り付けるとともに、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ _１ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ａ）上方に、前記ベース上に起立して設けた回転アームに基板厚み測定レーザ変位センサ（１２０ｂ）を取り付け、前記基板粗研磨ステージ(ｐｓ_２)を構成する粗研磨パッド（７３’）を揺動する支持アーム（８０）に分光型光電センサ（１２０ｃ）を取り付けることを特徴とする、半導体基板の監視機器を提供するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体基板の監視機器を用い、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)を構成する回転している基板ホルダーテーブル（７０ａ）上に載置されている研磨加工半導体基板（ｗ）の外周縁破損有無をＣＣＤセンサ（１２０ａ）で検出してチッピングの有無を監視するとともに、基板厚み測定レーザ変位センサ（１２０ｂ）を揺動させて研磨加工半導体基板の直径方向の厚み分布を測定し、前記基板粗研磨ステージ(ｐｓ_２)の基板ホルダーテーブル（７０ｂ）上に載置されている研磨加工半導体基板（ｗ）の研磨面に分光型光電センサ（１２０ｃ）より特定の分光波長を投光し、その反射率から研磨終点時期を監視することを特徴とする、半導体基板の監視方法を提供するものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の半導体基板の監視機器を用い、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１) を構成する回転している基板ホルダーテーブル（７０ａ）上に載置されている研磨加工半導体基板（ｗ）の外周縁破損有無をＣＣＤセンサ（１２０ａ）で検出してチッピングの有無を監視するとともに、基板厚み測定レーザ変位センサ（１２０ｂ）を揺動させて研磨加工半導体基板（ｗ）の直径方向の厚み分布を測定した後、前記インデックス型回転テーブル（７１）を回転させて前記基板ホルダーテーブル（７０ａ）を前記粗研磨ステージ(ｐｓ_２) の基板ホルダーテーブル（７０ｂ）位置へと移送し、その位置（７０ｂ）で前記研磨加工半導体基板（ｗ）の研磨乾燥面に分光型光電センサ（１２０ｃ）より特定の分光波長を投光し、その反射率から半導体基板の厚みを測定し、基板厚み測定レーザセンサ（１２０ｂ）で測定された厚み値と比較することを特徴とする、請求項２に記載の半導体基板の監視方法を提供するものである。

研磨ステージを複数ｐｓ_２，ｐｓ_１としたので、研磨加工時間が短縮できる。また、インデックス型回転テーブルに複数の基板ホルダーテーブルを設け、次工程のステージへの移送をインデックス型回転テーブルの回転により行うので、半導体基板の移送時の破損の機会が減少する。さらに、レーザ光を用いる厚み測定レーザセンサやチッピング有無監視ＣＣＤセンサは、研磨加工された基板研磨加工面が洗浄液で洗浄され、基板ホルダーテーブルの回転軸を回転させることにより基板がスピン乾燥された後の研磨加工面にレーザ光を投光して測定するので、研磨剤液の反射の影響誤差を心配しないで監視できる。さらに、インデックス型回転テーブルの回転により、厚み測定レーザセンサで測定した基板の厚みと光電センサで測定した基板の厚みを相関づけることが可能である。

以下、図を用いて本発明をさらに詳細に説明する。図１は研削ステージと研磨ステージがインライン化された方式の基板平坦化装置の平面図、図２は別の態様を示す基板平坦化装置の平面図、図３は基板平坦化装置の研磨ステージに設けられた各種監視センサ機器の設置位置を示す平面図、図４は基板平坦化装置の研磨ステージに設けられた各種監視センサ機器の設置位置を示す一部を切り欠いた正面図、図５は研磨装置の一部を切り欠いた正面図である。

図１および図２に示す半導体基板裏面の平坦化装置１０において、この平坦化装置１０は基板収納ステージ１３，１３を室仕切壁１２の外側に備え、室仕切壁１２の内側にはベース１１上に多関節型搬送ロボット１４、位置合わせ用仮置台１５、研削加工ステージ２０、移動型搬送パッド１６、研磨加工ステージ７０、および洗浄機器３８を室内に備える。基板収納ステージ１３の収納カセット内には基板２５枚が収納可能となっている。

各ステージは、この平坦化装置１０の正面側から背面側に向かって、室外の右側に基板収納ステージ１３，１３を設け、室内の前列目に前記基板収納ステージ近傍位置に吸着アーム１４ａを備える多関節型搬送ロボット１４を、その多関節型搬送ロボットの後列の右側に、位置合わせ用仮置台１５および後列中央側に移動型搬送パッド１６を設置し、それらの最後列に、時計廻り方向に基板ローディング／アンローディングステージＳ₁、粗研削ステージＳ_２、および仕上研削ステージＳ_３の３つのステ−ジを構成する部材の基板ホルダ−３０ａ，３０ｂ，３０ｃを第１インデックス型回転テーブル２に同心円上に配置した研削加工ステージ２０を設けている。そして、前記多関節型搬送ロボット１４の左側に、基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１を構成する基板ホルダーテーブル７０ａと、粗研磨ステージｐｓ_２（７０）を構成する基板ホルダーテーブル７０ｂを第２インデックス型回転テーブル７１に同心円上に配置した研磨加工ステージ７０を設けている。

前記第１インデックス型回転テーブル２に設けられた基板ローディング／アンローディングステージＳ₁を構成する基板ホルダーテーブル３０ａ上方には、基板ホルダーテーブル３０ａ上面を洗浄する回転式チャッククリーナおよび研削加工された基板面を洗浄する回転式洗浄ブラシ一対を基板ホルダーテーブル上面に対し垂直方向および平行方向に移動可能に設けた洗浄機器３８が設置されている。

前記粗研削ステージＳ₂を構成する基板ホルダーテーブル３０ｂ上方に、粗研削カップホイール型ダイヤモンド砥石９０ａを備えるスピンドル９０ｂを基板ホルダーテーブル３０ｂ上面に対し昇降可能に設け、前記仕上研削ステージＳ_３を構成する基板ホルダーテーブル３０ｃ上方に、仕上研削カップホイール型ダイヤモンド砥石９１ａを備えるスピンドル９ｂを基板ホルダーテーブル上面に対し昇降可能に設けている。各スピンドル９０ｂ，９１ｂの支持板９０ｃ，９１ｃはサーボモータ９０ｄ，９１ｄの駆動により回転駆動するボールネジに螺合されている支持板９０ｃ，９１ｃが案内ガイド９０ｅ，９１ｅに沿って上下方向に移動可能となっている。図中、６，６は、２点式インジケート基板厚み測定計である。

前記基板ホルダーテーブル３０ａと多関節型搬送ロボット１４と移動型搬送パッド１６と回転式チャッククリーナおよび回転式洗浄ブラシを備える洗浄機器３８とで基板ローディング／アンローディングステージＳ₁を構成し、前記基板ホルダーテーブル３０ｂと粗研削カップホイール型ダイヤモンド砥石９０ａとで粗研削ステージＳ₂を構成し、前記基板ホルダーテーブル３０ｃと仕上研削カップホイール型ダイヤモンド砥石９１ａとで仕上研削ステージＳ₃を構成する。前記基板ローディング／アンローディングステージＳ₁は、基板と基板ホルダーテーブル３０ａが洗浄されるので洗浄ステージとも言える。

粗研削カップホイール型ダイヤモンド砥石９０ａとしては、砥番（ＪＩＳ一般砥粒粒度）８００〜１，８００のレジンボンドダイヤモンド砥石が、仕上研削カップホイール型ダイヤモンド砥石としては、砥番２，０００〜８，０００のメタルボンドダイヤモンド砥石またはビトリファイドボンドダイヤモンド砥石が好ましい。

研削加工ステージ２０の基板ホルダーテーブル３０ａ，３０ｂ，３０ｃの各々は、第１インデックス型回転テーブル２に同一円周上に１２０度の等間隔で配置されている。

基板ホルダーテーブル（真空チャック）３０は、ワークｗの径と略同一径のポーラスセラミック製円板状載置台を、上部に大小２段の環状空所を有する非通気性材料製支持台にポ−ラスセラミック製円板状載置台の上面と非通気性材料製支持台上面が面一となるよう載せ、この非通気性材料製支持台を上面凹状支持枠を介して中空スピンドルに回転自在に軸承させるとともに、前記ポーラスセラミック製円板状載置台下面にある前記非通気性材料製支持台の環状空所を減圧するバキュ−ム手段を備える。

前記ポーラスセラミック製円板状載置台の外周壁面に接する非通気性材料製支持台の環状側壁部の上面には、浅い深さを有する環状溝を設けている。非通気性材料製支持台の下面は上面凹状支持枠にボルトで固定され、上面凹状支持枠下部を中空スピンドルに軸承されている。中空スピンドルの下部には、クラッチ機構が設けられ、下部のクラッチ板には駆動モータが設置されている。クラッチ板が接続されると駆動モータの回転力を受けて中空スピンドルは回転し、その回転駆動力を受けてスピンドル軸に軸承されている凹状支持枠、およびポーラスセラミック製円板状載置台も回転する。

前記バキューム手段は、真空ポンプと、これに連結する配管と切換バルブとロータリージョイントと、このロータリージョイントに連結する中空スピンドル内に配される管より構成される。切換バルブには純水供給管が連結されている。

また、中空スピンドル内には、上面凹状支持枠の凹部に通じる管が配置され、ロータリージョイント、それに連結する管を経由して冷却用の純水を供給するポンプに接続されている。凹状支持枠凹部に供給された純水は非通気性材料製支持台の底部を冷却する。

前記バキューム手段を稼動させることによりポーラスセラミック製円板状載置台上に載置された半導体基板ｗは基板面を上方に向けてポーラスセラミック製円板状載置台に減圧固定される。バキューム手段の真空を止めた後、切換バルブを純水供給側へ切り換えると加圧純水がポーラスセラミック製円板状載置台を洗浄する。

研磨加工ステージ７０は前記多関節型搬送ロボット１４の左側に設けられる。研磨加工ステージ７０は、基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ（ｐｓ_１）を構成する基板ホルダーテーブル７０ａと、粗研磨ステージ（ｐｓ_２）を構成する基板ホルダーテーブル７０ｂを第２インデックス型回転テーブル７１に同心円上に対称に配置する。前記仕上研磨ステージを構成する基板ホルダーテ−ブル７０ａ上方に、洗浄液供給機構７２および仕上研磨パッド７３を回転可能に軸承するスピンドル７４を基板ホルダーテーブル７０ａ上面に対し昇降可能および平行に振子揺動（図２）可能に揺動アーム８０に、または直線揺動（図１）可能に揺動アーム７７に設ける。

この基板ホルダーテーブル７０ａと仕上研磨パッド７３と洗浄液供給機構７２と前記移動型搬送パッド１６とで基板ロ−ディング／アンロ−ディング／仕上研磨ステージ（ｐｓ_１）を構成する。基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１および粗研磨ステージｐｓ₂は、図示されていない次ぎのテープマウンタ加工ステージへの搬送位置に近い方に基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１を設ける。よって、図１の平坦化装置においては、基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１は研削ステージ２０に近い方に、図２の平坦化装置においては、基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１は研削ステージ２０より遠い方に設けられている。基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１は基板を洗浄する洗浄ステ−ジとも言える。

前記粗研磨ステージｐｓ₂を構成する基板ホルダーテーブル７０ｂ上方に、研磨剤スラリー液供給機構７２’および粗研磨パッド７３’を回転可能に軸承するスピンドル７４を基板ホルダーテーブル７０ｂ上面に対し昇降可能および平行に振子揺動または直線揺動可能に設け、この基板ホルダーテーブル７０ｂと粗研磨パッド７３’と研磨剤スラリー液供給機構７２’とで基板粗研磨ステージｐｓ₂を構成する。基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１の粗研磨パッド７３’の揺動軌跡上にはパッドコンディショナ７５が設けられ、粗研磨パッド７３’の下面をドレッシング砥石７５ａで削り、毛羽立たせるとともに、洗浄水７５ｂが粗研磨パッド面に供給され、洗浄する。図示されていないが、必要により仕上研磨パッド７３の揺動軌跡上に別のパッドコンディショナ７５を設置してもよい。

研磨剤スラリー液としては、コロイダルシリカ、酸化セリウム、アルミナ、ベーマイト、二酸化マンガンなどの砥粒を純水に分散したスラリー液が用いられる。必要によりスラリー液には界面活性剤、キレート剤、ｐＨ調整剤、酸化剤、防腐剤が配合される。研磨剤スラリー液は５０〜１，５００ｃｃ／分の割合で研磨布面に供給される。

洗浄液としては、純水、蒸留水、深層海水、脱イオン交換水、界面活性剤含有純水等が使用される。

図２に示される平坦化装置において、粗研磨パッド７３’および仕上研磨パッド７３は回動軸７６に支持されたアーム７７の前方に回転自在に固定される。回動軸７６の回転により図２において仮想線で示される研磨パッド位置（待機位置）まで後退できる。研磨ヘッド７０ａ，７０ｂの回転数は、１
０〜１５０ｒｐｍ、基板ホルダーテーブル７０ａ，７０ｂの回転数は１０〜１５０ｒｐｍ、研磨パッドが基板に当てられる圧力は０．０５〜０．３ｋｇ／ｃｍ^２、好ましくは１００〜２００ｇ／ｃｍ^２である。

図１および図５に開示される研磨加工ステージ７０の研磨パッド７３，７３’は、モータＭ₂により回動されるボールネジ７８に螺合されている螺合体７９がリニアーガイド８０に沿って前後方向へ移動することにより研磨パッドを軸承する中空スピンドル７４が基板ホルダーテーブル７０ａ，７０ｂ上を直線揺動することにより仮想線で示される研磨パッド位置（待機位置）まで後退される。ホルダーテーブルのスピンドル９５およびインデックス型回転テーブル７１のスピンドル７は、ベース２０の刳り貫き穴１０９部分に起立して設置される。中空スピンドル７４の回転は、モータＭ_１の回転駆動をプーリー８１が受け、ベルト８２を介してプーリー８３に伝え中空スピンドル７４を回転させることにより行われる。中空スピンドル７４の昇降はエアシリンダー８４により行われる。この中空スピンドル７４の中央には液供給管８５が設けられ、ロータリージョイント８６に接続され、更に洗浄液供給機構７２あるいは研磨剤スラリー液供給機構７２’に接続している。この中空スピンドル７４内側と液供給管８５外側で形成される空間８７には前記ロータリージョイント８６を経由して加圧空気供給管８８が接続されている。

研磨ステージ７０の第２インデックス型回転テーブル７１の構造は、基板ホルダーテーブル７０ａ，７０ｂが２基である点を除けば研削ステージ２０の第１インデックス型回転テーブル２の構造に類似する。即ち、図５において、基板ホルダーテーブル（真空チャック）７０ａ，７０ｂは、ワークｗの径と略同一径を有する穿孔（孔径は０．３〜１ｍｍ）したセラミック製円板状載置台７０ａ，７０ｂを、非通気性材料製支持台９２に穿孔セラミック製円板状載置台７０ａ，７０ｂの上面と非通気性材料製支持台９２上面が面一となるよう載せ、この非通気性材料製支持台９２を中空スピンドル９５に上面凹状支持枠９４を介して回転自在に軸承させるとともに、前記穿孔セラミック製円板状載置台下面にある前記非通気性材料製支持台の環状空所９６を減圧するバキューム手段９７を備える。基板ホルダーテーブル７０ａ，７０ｂは、スピンドル７に軸承され、スピンドルはモータＭ_３の駆動を受けて回転可能となっている。基板ホルダーテーブル（穿孔セラミック製円板状載置台）７０ａ，７０ｂは、研削ステージで用いたものと同種のポーラスセラミック製円板であってもよい。

前記穿孔セラミック製円板状載置台７０ａ，７０ｂの外周壁面に接する非通気性材料製支持台９２の環状内側壁部には、環状溝９８が設けられ、この環状溝に冷却水９９が供給される。非通気性材料製支持台９２の下面は上面凹状支持枠９４にボルトで固定され、上面凹状支持枠９４下部を中空スピンドル９５に軸承されている。中空スピンドル９５の下部には、クラッチ機構１００ａ，１００ｂが設けられ、下部のクラッチ板１００ｂには駆動モータＭ_４が設置されている。クラッチ板１００ａ，１００ｂが接続されると駆動モータＭ_４の回転力を受けて中空スピンドル９５は回転し、その回転駆動力を受けてスピンドル軸に軸承されている凹状支持枠９４、および穿孔セラミック製円板状載置台７０ａ，７０ｂも回転する。

前記バキュ−ム手段９７は、図示されていない真空ポンプと、これに連結する配管１０１と切換バルブ１０２とロータリージョイント１０３と、このロータリージョイントに連結する中空スピンドル９５内に配される管９７より構成される。切換バルブ１０２には純水を供給する管１０４が連結されている。

また、中空スピンドル９５内には、非通気性材料製支持台９２の環状内側壁部に設けられた環状溝９８に通じる管９９が配置され、ロータリージョイント１０５、それに連結する管１０６を経由して冷却用の純水を供給するポンプ１０７に接続されている。

前記バキューム手段を稼動させることにより穿孔セラミック製円板状載置台７０ａ，７０ｂ上に載せられた半導体基板ｗは基板面を上方に向けて穿孔セラミック製円板状載置台７０ａ，７０ｂに減圧固定される。バキューム手段の真空を止めた後、切換バルブ１０２を純水供給側へ切り換えると加圧純水が穿孔セラミック製円板状載置台７０ａ，７０ｂを洗浄する（所謂バックフラッシュ）。

研磨ステージ７０の基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１と粗研磨ステージｐｓ₂は、第２インデックス型回転テーブル７１上に設けられた仕切堤１０８の存在により飛散した研磨剤スラリー液や洗浄液が相手方ステージに飛散しない。

図１に示す平坦化装置１０は、３００ｍｍ径半導体基板裏面をスループットが１時間当り２５枚で薄肉化・平坦化できる装置であり、そのフットプリントは、部屋の最大横幅１３５５ｍｍ、部屋の前後列最大長さ３６５０ｍｍであり、図２に示す３００ｍｍ径半導体基板裏面平坦化装置１０のフットプリントは、最大横幅２０００ｍｍ、前後列最大長さ３６５０ｍｍである。

半導体基板の研磨終点検出を行う分光型光電センサ１２０ｃ、および半導体基板の厚み測定レーザ変位センサ１２０ｂおよびチッピング有無検出ＣＣＤセンサ１２０ａは、図３および図４で示すように、前記インデックス型研磨装置の基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)の研磨パッドを揺動する支持アーム（リニアーガイド）８０または揺動支持アーム（７７）先端に半導体基板外周縁破損有無を監視するＣＣＤセンサ１２０ａを取り付け、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)を構成する基板ホルダーテーブル上方に、前記ベース上に起立して設けた回転アーム１１０に基板厚み測定レーザセンサ１２０ｂを取り付け、前記基板粗研磨ステージ(ｐｓ_２)を構成する研磨パッドを揺動する支持アーム７７（リニアーガイド８０）先端に光電センサ１２０ｃを取り付ける。

ＣＣＤセンサは、株式会社キーエンスよりＣＶ−３０００の商品名で、米国Varioscale社よりVarioMetricの商品名で、株式会社メガトレードからウエハ欠陥検査装置の商品名で、芝浦メカトロニクス株式会社からウエーハ自動端面検査装置E1-12の商品名で販売されている。また、基板厚み測定レーザ変位センサは、株式会社キーエンスよりＰＸ−Ｈ７１の商品名で、浜松ホトニクス株式会社より高ＮＡ拡大光学系A6501-02の商品名で販売されている。分光型光電センサは、株式会社キーエンスよりＬＫ−Ｇ３５の商品名で、大塚電子株式会社より反射分光膜厚計の商品名で、株式会社スペクトラコープからインライン膜厚透過率分光測定装置Empunner BTR-11の商品名で販売されている。

半導体基板の裏面研磨されたシリコン基板面の厚みを測定する分光の波長は、６５０ｎｍが使用される。半導体基板のプリント配線基板面の厚みを測定する分光の波長は、白色光（４２０〜７２０ｎｍ波長）が用いられる。銅面研磨では５００ｎｍ以下の波長と６５０ｎｍ以上の波長の２つの測定値の組み合わせから研磨終点を検出する

図１または図２に示す基板用平坦化装置１０を用い、半導体基板裏面の薄肉化・平坦化を行う作業は、次ぎの工程を経て行われる。

１）基板収納ステージ１３の収納カセット内に保管されている半導体基板ｗを多関節型搬送ロボット１４の吸着パッド１４ａに吸着し、位置合わせ用仮置台１５上に搬送し、そこで半導体基板のセンタリング位置調整を行う。

２）位置合わせされた基板上面を前記多関節型搬送ロボットの吸着パッド１４ａに吸着させ、ついで、第１インデックス型回転テーブル２に設けられた基板ロ−ディング／アンローディングステ−ジＳ_１を構成する基板ホルダーテーブル３０ａ上に移送する。

３）第１インデックス型回転テーブル２を時計廻り方向に１２０度回転させることにより、基板ローディング／アンローディングステージＳ₁位置の基板ホルダーテーブル３０ａに真空チャックされている基板を粗研削ステージＳ₂の基板ホルダーテーブル３０ｂ位置へと移送する。

４）ダイヤモンドカップホイール型砥石９０ａを用いて粗研削ステージＳ₂に移動してきた基板裏面を基板裏面を粗研削する。この間に、多関節型搬送ロボット１４を用い前記第１と第２の工程が行われ、新たな基板ｗが基板ローディング／アンローディングステージＳ₁上に搬送される。

５）第１インデックス型回転テーブル２を時計廻り方向に１２０度回転させることにより、粗研削された基板を仕上研削ステージＳ₃の基板ホルダーテーブル３０ｃ位置へと移送するとともに、基板ローディング／アンローィングステージＳ₁位置の基板ホルダーテーブル３０ａ上の基板を粗研削ステージＳ₂へと移送する。

６）仕上研削ステージＳ₃でカップホイール型ダイヤモンド砥石９１ａを用い粗研削された基板裏面を仕上研削する。この間に、粗研削ステージＳ₂で基板裏面はカップホイール型ダイヤモンド砥石９０ａを用いて粗研削されるとともに、多関節型搬送ロボット１４により新たな基板が位置合わせ用仮置台１５を経由して基板ローディング／アンローディングステージＳ₁位置の基板ホルダー３０ａ上に搬送される。

７）第１インデックス型回転テーブル２を時計廻り方向に１２０度回転させる、もしくは時計逆廻り方向に２４０度回転させることにより、仕上研削された基板を基板ローディング／アンローディングステージＳ₁上へと移送するとともに、粗研削された基板を仕上研削ステージＳ₃へと移送する。

８）第１インデックス型回転テーブル２の基板ローディング／アンローディングステージＳ₁位置にある基板ホルダーテーブル３０ａ上の仕上研削された基板の上面に回転洗浄ブラシを下降させ、洗浄液を基板上面に供給しながら基板上面を洗浄し、次いで移動型搬送パッド１６の吸着パッド１６ａ面に研削・洗浄された基板上面を吸着し、ついで、仮想線で示される位置まで回転移動もしくは直線移動後、再び移動して第２インデックス型回転テ−ブル７１に設けられた基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１に位置する基板ホルダーテーブル７０ａ上へと基板を移送する。この基板の移送の間に第１インデックス型回転テーブル２の基板ローディング／アンローディングステージＳ_１位置にある基板ホルダーテーブル３０ａ上面は回転式セラミック製チャッククリーナにより洗浄される。基板ホルダ−３０ａ上面を洗浄後、多関節型搬送ロボット１４により新たな基板が位置合わせ用仮置台１５を経由して基板ローディング／アンローディングステージＳ_１位置の基板ホルダーテーブル３０ａ上に搬送される前述の第１工程および第２工程が行われる。また、第１インデックス型回転テ−ブルの粗研削ステージＳ₂に位置する基板ホルダーテーブル３０ｂ上の基板は、前述の第４工程の粗研削が行われるとともに、第１インデックス型回転テーブルの仕上研削ステージＳ₃に位置する基板ホルダーテーブル３０ｃ上の基板は、前述の第６工程の仕上研削が行われる。

９）前記基板の粗研削加工後、第２インデックス型回転テーブル７１は時計回り方向または時計回り方向に１８０度回転され、研削・洗浄された基板は第２インデックス型回転テーブルに設けられた粗研磨ステ−ジｐｓ_２位置へと移動される。この動作に平行して前述の第７工程が実行される。

１０）第２インデックス型回転テーブル７１に設けられた粗研磨ステージｐｓ_２に位置する基板
ホルダーテーブル７０ｂ上に保持された基板上面に回転する粗研磨パッド７３’が下降され、基板面を摺擦する。この基板と粗研磨パッド摺擦の際、研磨砥粒を水に分散させた研磨剤スラリー液７２’が研磨剤スラリー液供給機構から粗研磨パッドの研磨布またはウレタン発泡製シートパッドを経由して基板上面に供給されるとともに粗研磨パッド７３’は振子揺動もしくは直線揺動される。同時平行して前述の第８工程が実行される。前記基板の粗研磨中、分光型光電センサ１２０ｃにより半導体基板のin-situ研磨終点検出が行われ、研磨終点が検出されると、粗研磨加工は終了される。

１１）第２インデックス型回転テーブル７１は時計回り方向または時計回り方向に１８０度回転され、粗研磨加工された基板は第２インデックス型回転テーブル７１の基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１位置へと移動される。同時平行して第１インデックス型回転テーブル２を時計廻り方向に１２０度または時計逆回り方向２４０度回転させることにより、仕上研削された基板を基板ローディング／アンローディングステージＳ_１上へと移送、粗研削された基板を仕上研削ステージＳ₃へと移送、基板ローディング／アンローディングステージＳ_１上の基板を粗研削ステージＳ₂へと移送する。

１２）第２インデックス型回転テーブル７１の基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１では、基板ホルダーテーブル７０ａ上に保持された粗研磨加工基板上面に回転する仕上研磨パッド７３が下降され、基板面を摺擦する。この基板と仕上研磨パッド摺擦の際、研磨砥粒を含有しない洗浄液７２、例えば純水が洗浄液供給機構から仕上研磨パッド７３の研磨布またはウレタン発泡製シートパッドを経由して基板上面に供給されるとともに仕上研磨パッド７３は揺動される。仕上研磨された基板は、仕上研磨パッド７３を上昇させ、基板ホルダーテーブルを回転させることにより仕上研磨面が乾燥するので、基板ホルダーテーブルを回転させながらＣＣＤセンサにより仕上研磨加工された半導体基板外周縁のチッピング（破損）の有無をモニタリング（観察）するとともに、基板厚み測定レーザ変位センサ１２０ｂを揺動させて仕上研磨加工された半導体基板の径方向の厚み分布を測定する。仕上研磨加工された半導体基板は、吸着パッドをアームに備える基板搬送器具または多関節型搬送ロボットを用いて図示されていない次ぎのマウンタ加工ステージへと搬送される。

１３）仕上研磨加工された半導体基板が次工程のステージへと移送されたことにより第２インデックス型回転テーブル７１の基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１位置の基板ホルダーテーブル７０ａが空くと、第１インデックス型回転テーブル２の基板ローディング／アンローディングステージＳ_１位置にある基板ホルダーテーブル３０ａ上の研削・洗浄された基板を移動型吸着パッド１６で吸着し、ついで、第２インデックス型回転テーブル７１に設けられた基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージｐｓ_１に位置する基板ホルダーテーブル７０ａ上へと移送する。同時平行して第１インデックス型回転テーブル２の各ステージＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３および第２インデックス型回転テーブル７１の粗研磨ステージｐｓ_２では、前述の第８工程を含む第１０工程が実行される。

１４）以後、前述の第１１工程、第１２工程および第１３工程を繰り返し、半導体基板の基板面を研削・洗浄・研磨し、基板を薄肉化・平坦化する作業を連続的に行う。

本発明の研磨加工された半導体基板の研磨面の監視は、インデックス型研磨装置を用いることで複数の監視装置が利用できる。

基板平坦化装置の平面図である。別の態様を示す基板平坦化装置の平面図である。研磨装置への各種監視センサ機器の設置位置を示す平面図である。基板平坦化装置の研磨ステージに設けられた各種監視センサ機器の設置位置を示す一部を切り欠いた正面図である。研磨ステ−ジの一部を切り欠いた側面図である。

符号の説明

２第１１０基板平坦化装置ｗ半導体基板７０研磨加工ステ−ジ７１第２インデックス型回転テ−ブルｐｓ_１基板ロ−ディング／アンロ−ディング／仕上研磨ステ−ジｐｓ_２粗研磨ステ−ジ７０ａ，７０ｂ基板ホルダ−テ−ブル７３仕上研磨パッド７３’ 粗研磨パッド７７，８０揺動支持アーム１２０ａＣＣＤセンサ１２０ｂレーザ変位センサ１２０ｃ分光型光電センサ

Claims

基板のローディングステージ、アンローディングステージ、および仕上研磨ステージの３つのステージ(ｐｓ _１ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ａ）と、粗研磨ステージ(ｐｓ _２ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ｂ）をインデックス型回転テーブル（７１）に同心円上に配置した研磨加工ステージ（７０）をベースの刳り貫き穴より起立して設け、前記基板のローディングステージ、アンローディングステージ、および仕上研磨ステージの３つのステージを与える基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)を構成する基板ホルダーテーブル（７０ａ）上方に、洗浄液供給機構および研磨パッド（７３）を回転可能に軸承するスピンドルを前記基板ホルダーテーブル（７０ａ）上面に対し昇降可能および揺動可能に設け、この基板ホルダーテーブル（７０ａ）と前記研磨パッド（７３）と洗浄液供給機構と基板搬送ロボット（１４）とで前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)を構成し、前記粗研磨ステージ(ｐｓ _２ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ｂ）上方に、研磨剤スラリー液供給機構および粗研磨パッド（７３’）を回転可能に軸承するスピンドルを前記基板ホルダーテーブル（７０ｂ）上面に対し昇降可能および揺動可能に設け、この基板ホルダーテーブル（７０ｂ）と前記粗研磨パッド（７３’）と研磨剤スラリー液供給機構とで基板粗研磨ステージ(ｐｓ_２)を構成するインデックス型研磨装置を用い、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)の仕上研磨パッド（７３）を揺動する支持アーム（７７）に半導体基板外周縁破損有無を監視するＣＣＤセンサ（１２０ａ）を取り付けるとともに、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ _１ )を構成する基板ホルダーテーブル（７０ａ）上方に、前記ベース上に起立して設けた回転アームに基板厚み測定レーザ変位センサ（１２０ｂ）を取り付け、前記基板粗研磨ステージ(ｐｓ_２)を構成する粗研磨パッド（７３’）を揺動する支持アーム（８０）に分光型光電センサ（１２０ｃ）を取り付けることを特徴とする、半導体基板の監視機器。
請求項１に記載の半導体基板の監視機器を用い、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１)を構成する回転している基板ホルダーテーブル（７０ａ）上に載置されている研磨加工半導体基板（ｗ）の外周縁破損有無をＣＣＤセンサ（１２０ａ）で検出してチッピングの有無を監視するとともに、基板厚み測定レーザ変位センサ（１２０ｂ）を揺動させて研磨加工半導体基板の直径方向の厚み分布を測定し、前記基板粗研磨ステージ(ｐｓ_２)の基板ホルダーテーブル（７０ｂ）上に載置されている研磨加工半導体基板（ｗ）の研磨面に分光型光電センサ（１２０ｃ）より特定の分光波長を投光し、その反射率から研磨終点時期を監視することを特徴とする、半導体基板の監視方法。
請求項１に記載の半導体基板の監視機器を用い、前記基板ローディング／アンローディング／仕上研磨ステージ(ｐｓ_１) を構成する回転している基板ホルダーテーブル（７０ａ）上に載置されている研磨加工半導体基板（ｗ）の外周縁破損有無をＣＣＤセンサ（１２０ａ）で検出してチッピングの有無を監視するとともに、基板厚み測定レーザ変位センサ（１２０ｂ）を揺動させて研磨加工半導体基板（ｗ）の直径方向の厚み分布を測定した後、前記インデックス型回転テーブル（７１）を回転させて前記基板ホルダーテーブル（７０ａ）を前記粗研磨ステージ(ｐｓ_２) の基板ホルダーテーブル（７０ｂ）位置へと移送し、その位置（７０ｂ）で前記研磨加工半導体基板（ｗ）の研磨乾燥面に分光型光電センサ（１２０ｃ）より特定の分光波長を投光し、その反射率から半導体基板の厚みを測定し、基板厚み測定レーザセンサ（１２０ｂ）で測定された厚み値と比較することを特徴とする、請求項２に記載の半導体基板の監視方法。