JP2020191376A - 両面研磨装置用キャリアおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インサート部材の上下方向に対する結合強度が高く、ずれや脱落を防止することができ、インサート部材の形成時にキャリア本体に対してインサート部材のずれが抑制された両面研磨装置用キャリアおよびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体ウェーハを両面研磨する両面研磨装置において、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に上下定盤の間に挟まれた半導体ウェーハを保持する両面研磨装置用キャリア１Ａであって、半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成された金属製のキャリア本体２と、保持孔３の内周面に接して配置される樹脂製のインサート部材５を有し、インサート部材と接する保持孔の内周面４の表面粗さＲａが１．０μｍ以上である。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウェーハ（以下、単にウェーハとも言う）の両面研磨装置用キャリアおよびその製造方法に関する。

両面研磨装置は通常、不織布や発砲ウレタン等からなる研磨布が貼付された上定盤と下定盤を具備し、中心部にはサンギア、外周部にはインターナルギアがそれぞれ配置された遊星歯車構造を有する、いわゆる４ウェイ方式のものが用いられている。ウェーハを研磨する場合には、キャリアに形成されたウェーハ保持孔（以下、単に保持孔とも言う）の内部にウェーハを挿入して保持する。上定盤側から研磨スラリーをウェーハに供給し、上下の定盤を回転させて、上定盤と下定盤の対向する研磨布をウェーハの表裏両面に押し付けながら、キャリアをサンギアとインターナルギアとの間で自公転運動させることで各ウェーハの両面を同時に研磨することができる。

ウェーハを保持するための保持孔を有する両面研磨装置用キャリア本体はＳＫ鋼やステンレス、チタンなどの金属製のキャリアが主流である。ウェーハの外周部と金属製のキャリアを直接接触させると、ウェーハに割れやキズが生じてしまう可能性がある。そこで、ウェーハ外周部の保護のために、キャリアのウェーハ保持孔の内周部にはインサート部材と呼ばれる樹脂製のリングを有している。このインサート部材の樹脂は嵌め込みによる接着加工又は射出成形により形成されている。インサート部材はウェーハの外周部と接するため、ウェーハのエッジ形状を作り込む上で重要となる。

このインサート部材に関しては、インサート部材形成時やウェーハ加工時、またキャリア搬送時に、インサート部材がずれたり脱落したりすることを防止するために、インサート部材の外周部とキャリアの保持孔の内周部は楔状に嵌合しているものがある。先行技術ではキャリア端面（保持孔の内周面）に溝加工や突出加工、傾斜加工を施すことで上下方向のずれや脱落を防ぐような文献がある（特許文献１−５参照）。

特開２００２−１８７０８号公報 特開２００９−０１２０８６号公報 特開２００３−１０９９２５号公報 特許第４６０５５６４号 特開２０１０−１７９３７５号公報

インサートのずれや脱落の防止のためにインサート部材とキャリア本体の接合部が楔状に嵌合したものは、上下に対するインサート部材のずれや脱落に関しては効果が少なく、上下方向の接着強度の向上が求められている。また、キャリア本体の主面に対してキャリア本体の保持孔の内周面の角度が傾いているようなテーパ形状の場合、使用しているうちにテーパ形状に沿ってインサート部材がずれてしまうことや、インサート部材の形成時にもインサート部材がキャリア本体に対して上下にずれた状態で形成されてしまうことがある。

ここで従来の両面研磨装置用キャリアの問題点について図４の断面図を参照して説明する。この例では、従来のキャリア１０１は、キャリア本体１０２の主面１０６に対して保持孔１０３の内周面１０４の角度が多少傾いてテーパ形状となっている。従来品では、図４のように、インサート部材１０５の形成時にインサート部材１０５が上下にずれて形成されてしまうことや、使用時に上下にずれた状態で研磨を行ってしまうことがある。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、インサート部材の上下方向に対する結合強度が高く、ずれや脱落を防止することができ、インサート部材の形成時にキャリア本体に対してインサート部材のずれが抑制された両面研磨装置用キャリアおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、半導体ウェーハを両面研磨する両面研磨装置において、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれた前記半導体ウェーハを保持する両面研磨装置用キャリアであって、
前記半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成された金属製のキャリア本体と、前記保持孔の内周面に接して配置される樹脂製のインサート部材を有し、
前記インサート部材と接する前記保持孔の内周面の表面粗さＲａが１．０μｍ以上であることを特徴とする両面研磨装置用キャリアを提供する。

このようにキャリア本体の保持孔の内周面の表面粗さが粗く、表面粗さＲａ（ＪＩＳ規格の算術平均粗さ）が１．０μｍ以上であることにより、キャリア本体とインサート部材の結合強度を向上させることができ、インサート部材の形成時やウェーハ研磨時等において、インサート部材の上下方向のずれを抑制することができる。

また、前記インサート部材と接する前記保持孔の内周面の表面粗さＲｚが５．０μｍ以上であるものとすることができる。

このように、さらに表面粗さＲｚ（ＪＩＳ規格の最大高さ粗さ）が５．０μｍ以上であれば、より一層、インサート部材の上下方向のずれを抑制することができる。

また、前記インサート部材と接する前記保持孔の内周面は、前記キャリア本体の主面に対して垂直であるものとすることができる。

このようにキャリア本体の主面に対して保持孔の内周面の角度が垂直であれば、テーパ形状の場合に比べて、キャリア本体の上下どちらかにインサート部材の位置が偏ることやずれていくことをより一層防止できる。

また、前記インサート部材は、
射出成形によるインサート材からなるもの、
または、インサート材と、該インサート材と前記保持孔の内周面との間の接着層からなるものであることができる。

このように本発明の両面研磨装置は、インサート部材がインサート材の射出成形によるもの、インサート材と接着層からなるもののどちらにも適応でき、インサート部材のずれを抑制可能である。

また本発明は、半導体ウェーハを両面研磨する両面研磨装置において、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれた前記半導体ウェーハを保持する両面研磨装置用キャリアを製造する方法であって、
前記半導体ウェーハを保持するための保持孔を金属製のキャリア本体に形成し、前記保持孔の内周面に接してインサート部材を形成するとき、
前記インサート部材と接することになる前記保持孔の内周面の表面粗さＲａを１．０μｍ以上にした上で、前記インサート部材を形成することを特徴とする両面研磨装置用キャリアの製造方法を提供する。

このようにすれば、キャリア本体とインサート部材の結合強度が向上し、インサート部材の形成時やウェーハ研磨時等において、インサート部材の上下方向のずれを抑制可能な両面研磨装置用キャリアを得ることができる。

このとき、前記インサート部材と接することになる前記保持孔の内周面の表面粗さＲｚを５．０μｍ以上にした上で、前記インサート部材を形成することができる。

このようにすれば、より一層、インサート部材の上下方向のずれを抑制することができる。

また、前記インサート部材と接することになる前記保持孔の内周面を、前記キャリア本体の主面に対して垂直にした上で、前記インサート部材を形成することができる。

このようにすれば、テーパ形状の場合に比べて、キャリア本体の上下どちらかへのインサート部材のずれをより一層防止できる。

また、前記インサート部材を、インサート材の射出成形により形成するか、または、接着剤を使用したインサート材の接着加工により形成することができる。

このように本発明の両面研磨装置用キャリアの製造方法は、インサート部材の形成に関し、インサート材の射出成形や接着加工のどちらにも適応でき、インサート部材のずれを抑制可能である。

本発明の両面研磨装置用キャリアおよびその製造方法であれば、キャリア本体とインサート部材の結合強度の向上を図ることができ、インサート部材の形成時やウェーハ研磨時等において、インサート部材の上下方向のずれが生じるのを抑制可能である。

本発明の両面研磨装置用キャリアの一例を示す上面図である。 本発明の両面研磨装置用キャリアの一例を示す断面図である。 本発明の両面研磨装置用キャリアの別の一例を示す上面図である。 従来の両面研磨装置用キャリアの一例を示す断面図である。 両面研磨装置の一例を示す縦断面図である。 平面視による両面研磨装置の内部構造図である。 実施例１−３、７、比較例１における射出成形の場合の剥離強度の測定結果を示す。 実施例１−３、７、比較例１における射出成形の場合のインサート材のズレ量の測定結果を示す。 実施例４−６、８、比較例２における接着加工の場合の剥離強度の測定結果を示す。 実施例４−６、８、比較例２における接着加工の場合のインサート材のズレ量の測定結果を示す。

以下、本発明について図面を参照して実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は本発明の両面研磨装置用キャリア（以下、単にキャリアとも言う）の上面図である。また、図２に該キャリアの断面図を示す。
本発明のキャリア１は、図１に示すようにウェーハを保持する保持孔３が形成された金属製のキャリア本体２と、この保持孔３の内周面４に接して配置されている樹脂製のインサート部材５を有している。

ここで、キャリア本体２の材質としては例えばＳＫ鋼やステンレス、チタンなどが挙げられる。
また、インサート部材５の樹脂（インサート材７）にはエポキシ系やビニル系、ポリスチレン系、アクリル系、ポリアミド（ナイロン）系、ポリイミド系、ポリアセタール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、シクロオレフィン系、フッ素系（テフロン（登録商標））などから構成される樹脂を使用することができる。

そして、本発明のキャリア１においては、保持孔３の内周面４の表面粗さＲａが１．０μｍ以上である。このような内周面４であれば、キャリア本体２とインサート部材５の結合強度が従来品に比べて高いものとなる。これらの結合強度が高いため、インサート部材の形成時を含め、ウェーハ研磨時、キャリア搬送時など種々の場合において、保持孔３の内周面４に対するインサート部材５の上下方向（キャリア本体２の主面６に垂直な方向）のずれを抑制することができる。インサート部材５はウェーハ研磨時にウェーハと接するため、ウェーハのエッジ形状の形成において、上記ずれを抑制することは重要である。したがってこのずれを効果的に抑制可能な本発明のキャリア１は極めて有意義である。
なお、内周面４のＲａの上限値は特に限定されない。粗いほどインサート部材５との結合強度を高いものとすることができるが、５μｍもあれば十分である。

また、Ｒａが上記条件を満たす他、内周面４の表面粗さＲｚが５．０μｍ以上であるのが好ましい。このようなものであれば、より一層、インサート部材５の上下方向のずれを抑制可能である。
なお、内周面４のＲｚの上限値は特に限定されない。粗いほどインサート部材５との結合強度を高いものとすることができるが、２０μｍもあれば十分である。

また、キャリア本体２の主面６に対する内周面４の角度は垂直であるのが好ましい。上記のように少なくとも内周面４の表面粗さＲａが１．０μｍ以上であれば、内周面４がたとえテーパ形状であってもインサート部材５のずれを従来に比べて十分に抑制可能である。しかし、キャリア本体２の主面６に対して垂直であると、テーパ形状の場合に比べ、ずれをより効果的に抑制することができる。

なお、インサート部材５は、たとえば射出成形によるインサート材７からなるものとすることができる。前述したような種類の樹脂をキャリア本体２の保持孔３の内周面４に対して直接射出して成形したものとすることができる。なお、図１ではこの射出成形による例を示している。

また、インサート部材５に関して別の例を図３に示す。図３は本発明の両面研磨装置用キャリアの別の例の上面図である。この例のキャリア１Ａに示すように、インサート部材５は、インサート材７および接着層８からなっている。接着層８は、内周面４とインサート材７との間に位置しており、この２つを結合している。接着剤の種類は特に限定されないが、たとえば、エポキシ系接着剤などが挙げられる。
保持孔３の内周面４とインサート材７が射出成形により結合されたもの、接着層８を介して結合されたもののいずれにも本発明は対応可能であり、インサート部材５（インサート材７）の上下方向のずれを抑制可能である。

次に、上記本発明の両面研磨装置用キャリア１を備えた両面研磨装置について説明する。
図５は本発明の両面研磨装置用キャリアを備えた両面研磨装置の一例の縦断面図であり、図６は平面視による両面研磨装置の内部構造図である。
図５、６に示すように、１つ以上のキャリア１（ここでは３つ）を具備した両面研磨装置１１は、上下に相対向して設けられた下定盤１２と上定盤１３を備えており、各定盤１２、１３の対向面側には、それぞれ研磨布１４が貼付されている。
また、上定盤１３の上部には、上定盤１３と下定盤１２の間にスラリーを供給するスラリーホール１５が設けられている。
なお、図５、６に示すように、上定盤１３と下定盤１２の間の中心部にはサンギア１６が、周縁部にはインターナルギア１７が設けられており、４ｗａｙ式の両面研磨装置である。

そして、サンギア１６及びインターナルギア１７の各歯部（不図示）にはキャリア１の外周歯（不図示）が噛合しており、上定盤１３及び下定盤１２が不図示の駆動源によって回転されるのに伴い、キャリア１は自転しつつサンギア１６の周りを公転する。
なお、半導体ウェーハＷを両面研磨する際には、ウェーハＷはキャリア１の保持孔３で保持されており、上下定盤１２、１３の回転によりウェーハＷを保持したキャリア１は自公転し、上下の研磨布１４によりウェーハＷの両面が同時に研磨される。なお、研磨時には、スラリーホール１５からスラリーが供給される。

次に、本発明の両面研磨装置用キャリア１の製造方法について説明する。
まず、キャリア本体２のために用意した金属プレートに保持孔３を加工して形成する。加工方法は特に限定されないが、例えば、レーザー加工、マシニング加工、ルータ加工、フライス加工、ワイヤ放電加工などで加工することができる。
このとき、保持孔３の内周面４の表面粗さＲａが１．０μｍ以上になるように加工する。内周面４の表面粗さを粗くする方法に関しても限定しないが、上記加工条件による調整の他、追加工によって粗くすることもできる。例えば、ワイヤ放電加工で一旦保持孔３を形成した後、追加工としてルータ加工を施して保持孔３の内周面４の表面粗さ調整を行うことができる。さらに好ましくは内周面４の表面粗さＲｚが５．０μｍ以上になるように加工する。
また、保持孔３の加工の際、その内周面４がキャリア本体２の主面６に対して斜めに傾斜（テーパ形状）になるように加工しても良いが、垂直になるように加工するとより好ましい。

このように少なくとも保持孔３の内周面４の表面粗さＲａが上記数値範囲になるように加工した上で、この粗い内周面４に接するインサート部材５を形成する。本発明の製造方法では、粗く形成した内周面４にインサート部材５を形成するので、内周面４とインサート部材５の結合強度を高くすることができる。その結果、インサート部材５の上下方向のずれを抑制可能である。また、Ｒａの調整の他、Ｒｚの調整、キャリア本体２の主面６に対する形成角度の調整を上記のように行うことで、より一層効果的に上記ずれを抑制することができる。

インサート部材５の形成方法自体は特に限定されず、例えば、粗い内周面４に対して直接的にインサート材７を射出成形することができる。あるいは、接着剤を使用し、保持孔３に嵌合するインサート材７を内周面４に接着加工して形成することも可能である。
いずれの方法で形成した場合でも、上記ずれを抑制することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１−８、比較例１−２）
比較例１、２として、レーザー加工により、保持孔の内周面がテーパ形状であり、表面粗さが小さい水準（Ｒａはいずれも１．０μｍ未満）のキャリア本体を準備した。
実施例１−６、８には、ワイヤ放電加工で、保持孔の内周面を垂直に加工して、ルータ加工による追加工で表面粗さが大きい水準（Ｒａはいずれも１．０μｍ以上）のキャリア本体をそれぞれ準備した。また、実施例７では、保持孔の内周面がテーパ形状であること以外は、実施例１と同様にしてキャリア本体を準備した。
これらのキャリア本体の材質はチタンである。

これらのキャリア本体に対して射出成形または接着加工によりインサート部材を形成した。射出成形ではインサート材としてシクロオレフィンコポリマーを使用した。また接着加工ではガラスエポキシ樹脂製インサート材をエポキシ系接着剤により接着した。

保持孔の内周面の表面粗さ測定およびインサート部材のずれの確認は、ミツトヨ製の表面粗さ測定器サーフテストにより実施した。
また、インサート部材を形成後のインサート材の接着の強度に関しては、イマダ製のフォースゲージにより剥離強度を測定した。
表１（射出成形の場合）、表２（接着加工の場合）に各水準の表面粗さＲａ、Ｒｚや、垂直・テーパの分類、剥離強度、インサート材のズレ量を示す。なお、射出成形では比較例１の値で、接着加工では比較例２の値で規格化した剥離強度やインサート材のズレ量も併せて示した。
なお、図７、８に、射出成形の場合の剥離強度、インサート材のズレ量のグラフを示す。また、図９、１０に、接着加工の場合の剥離強度、インサート材のズレ量のグラフを示す。

射出成形によるインサート部材形成では、表１、図７、８に示すように従来品の比較例と比べてインサート材の剥離強度が約１．５〜２．３倍向上して、インサート材のズレ量も約５０〜８０％抑制することができた。
接着加工によるインサート部材形成でも同様に、表２、図９、１０に示すように剥離強度が約１．８〜２．２倍向上し、インサート材のズレ量も約５０〜７０％抑制できた。
また、実施例同士を比較して分かるように、基本的に表面粗さが大きいほど剥離強度が大きくなりズレ量が小さくなるのが分かる。さらには、表面粗さがほぼ同程度の実施例３、７を比べて分かるように、保持孔の内周面がテーパ形状よりも垂直の方が、よりずれにくいことが分かる。
以上から本発明によりキャリア本体に対するインサート材の脱落防止とズレの抑制が可能となった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１、１Ａ…本発明の両面研磨装置用キャリア、 ２…キャリア本体、 ３…保持孔、
４…保持孔の内周面、 ５…インサート部材、 ６…キャリア本体の主面、
７…インサート材、 ８…接着層、
１１…両面研磨装置、 １２…下定盤、 １３…上定盤、 １４…研磨布、
１５…スラリーホール、 １６…サンギア、 １７…インターナルギア、
Ｗ…半導体ウェーハ。

Claims (8)

1. 半導体ウェーハを両面研磨する両面研磨装置において、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれた前記半導体ウェーハを保持する両面研磨装置用キャリアであって、
   前記半導体ウェーハを保持するための保持孔が形成された金属製のキャリア本体と、前記保持孔の内周面に接して配置される樹脂製のインサート部材を有し、
   前記インサート部材と接する前記保持孔の内周面の表面粗さＲａが１．０μｍ以上であることを特徴とする両面研磨装置用キャリア。
2. 前記インサート部材と接する前記保持孔の内周面の表面粗さＲｚが５．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置用キャリア。
3. 前記インサート部材と接する前記保持孔の内周面は、前記キャリア本体の主面に対して垂直であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の両面研磨装置用キャリア。
4. 前記インサート部材は、
   射出成形によるインサート材からなるもの、
   または、インサート材と、該インサート材と前記保持孔の内周面との間の接着層からなるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリア。
5. 半導体ウェーハを両面研磨する両面研磨装置において、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれた前記半導体ウェーハを保持する両面研磨装置用キャリアを製造する方法であって、
   前記半導体ウェーハを保持するための保持孔を金属製のキャリア本体に形成し、前記保持孔の内周面に接してインサート部材を形成するとき、
   前記インサート部材と接することになる前記保持孔の内周面の表面粗さＲａを１．０μｍ以上にした上で、前記インサート部材を形成することを特徴とする両面研磨装置用キャリアの製造方法。
6. 前記インサート部材と接することになる前記保持孔の内周面の表面粗さＲｚを５．０μｍ以上にした上で、前記インサート部材を形成することを特徴とする請求項５に記載の両面研磨装置用キャリアの製造方法。
7. 前記インサート部材と接することになる前記保持孔の内周面を、前記キャリア本体の主面に対して垂直にした上で、前記インサート部材を形成することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の両面研磨装置用キャリアの製造方法。
8. 前記インサート部材を、インサート材の射出成形により形成するか、または、接着剤を使用したインサート材の接着加工により形成することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の両面研磨装置用キャリアの製造方法。

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