JPH0994757A - 半導体基板の研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研削により中心部の膜厚が薄い凹面形状の原
板１Ａのシリコンウエハ２を研磨により均一な膜厚に修
正できる研磨方法を得ること。 【解決手段】 本発明の研磨方法は、回転研磨定盤２１
と研磨液Ｌとで研磨する研磨装置２０を用いて被研磨基
板を研磨するに当たり、先ず、被研磨基板である原板１
Ａを、研磨定盤の回転数より高い回転数でその回転方向
とは逆方向にその被研磨面の外周面を研磨し、その外周
面の厚みが中心部の厚みと同一またはそれ以上の薄い厚
みに達した時に、その原板１Ａを、その面内の各点が同
一相対速度になる回転領域の回転数で研磨定盤２１の回
転方向と同一の方向に回転させて、厚みが薄くなってい
る被研磨面を研磨する方法を採っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板、特に
ウエハ貼り合わせ法によって形成された薄膜ＳＯＩ（シ
リコン・オン・インシュレータ）基板の研磨方法の改良
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】先ず、図を参照しながら、従来技術の半
導体基板の研磨方法を説明する。図４は一般的な薄膜Ｓ
ＯＩ基板の原板を示す拡大断面側面図であり、図５は図
４に示した薄膜ＳＯＩ基板を研削するための一般的な研
削方法を説明するための概念図であり、図６は図４に示
した薄膜ＳＯＩ基板の原板の表面を図５に示した研削装
置により通常の研削方法で研削した場合に生じる研削状
態を示していて、同図Ａは凸面状態に研削された拡大断
面側面図、同図Ｂは凹面状態に研削された拡大断面側面
図であり、図７は一般的な研磨装置を概念的に示した断
面図であり、そして図８は従来技術の研削方法及び研磨
方法により研削、研磨された薄膜ＳＯＩ基板を示してい
て、同図Ａは図５に示した研削装置により研削した場合
の薄膜ＳＯＩ基板の拡大断面図、同図Ｂは同図Ａに示し
た研削された薄膜ＳＯＩ基板を図７に示した研磨装置を
用いて研磨した場合の薄膜ＳＯＩ基板の拡大断面図であ
る。

【０００３】図４に薄膜ＳＯＩ基板を製作するための原
板（以下、単に「原板」と略記する）１を示した。この
原板１はシリコンウエハ２の表面にＳｉＯ₂ 膜の絶縁層
３を形成し、この表面に鏡面仕上げされたシリコンの支
持板４を水素結合で貼り合わせた後、熱処理を行って強
固に接着したものである。前記シリコンウエハ２及び支
持板４のそれぞれの厚さは通常７２５μｍである。

【０００４】このような原板１のシリコンウエハ２を、
後記するように、表面から絶縁層３までの厚さが１〜３
μｍ程度になるまで研削し、その後研磨により１μｍ程
度以下の厚みに仕上げることにより薄膜ＳＯＩ基板が得
られるのであるが、通常、前記研削は図５に示したよう
な研削装置１０を用いて行われている。この研削装置１
０はダイヤモンドの砥石１１からなる、原板１の直径よ
りやや大きい直径の円盤状の研削盤１２と原板１を真空
チャックなどの手段で水平状態で保持する保持装置（不
図示）とを備え、研削盤１２は原板１の半径部分に掛か
るような位置関係になるように配設された回転軸１３を
中心に、そして原板１も不図示の保持装置の回転軸を中
心にして矢印で示した同一方向に回転するように構成さ
れている。

【０００５】原板１の前記研削に当たっては、一般に原
板１の表面に研削盤１２の研削面を平行に保持しながら
シリコンウエハ２を研削するようにしているが、研削盤
１２の回転支持装置に機械的なばらつきが存在するた
め、シリコンウエハ２の表面は平面に研削される場合も
あるが、図６に示したように、凸面状態（同図Ａ）或い
は凹面状態（同図Ｂ）に研削されることが多い。このよ
うに研削されたシリコンウエハ２は、その後更に、図７
に示したような研磨装置２０で厚さ数μｍ程研磨され
る。

【０００６】この研磨装置２０は、大別して、研磨定盤
２１、基板保持盤２４、ノズル２８とから構成されてい
る。前記研磨定盤２１は、例えば、原板１の口径の２倍
以上の直径からなる面積の平面を備え、その平面には、
例えば、ポリエステル樹脂製の不織布などの研磨パッド
２２が接着剤などで貼着されていて、回転軸２３を中心
に、例えば、３０ｒｐｍで矢印Ｒａの方向に回転するよ
うに構成されている。前記基板保持盤２４はこの研磨定
盤２１の上方に位置し、そして研磨定盤２１の回転軸２
３から外れた、例えば、研磨定盤２１の半径の中央部に
回転中心がある回転軸２５を中心にして研磨定盤２１の
回転数と同数の３０ｒｐｍで、かつ同様の回転方向（矢
印Ｒｂ）で回転し、その下面に原板１を保持するための
バッキングパッド２６が固定されている。更にバッキン
グパッド２６の外周面に原板１の飛び出しを防止するた
めの内径の直径が原板１の外径の直径より僅かに大きい
寸法のリング状のエポキシ樹脂製飛び出し防止ガイド２
７が固定されている。また、前記ノズル２８は前記研磨
定盤２１の回転中心部付近で研磨パッド２２と原板１と
の間に研磨液Ｌを供給する。なお、図７には、便宜上、
研磨定盤２１の右半分のみを示した。

【０００７】原板１を研磨するに当たっては、研磨しよ
うとする原板１を、その被研磨面であるシリコンウエハ
２を下にしてバッキングパッド２６を介して基板保持盤
２４により研磨定盤２１の研磨パッド２２面に所定の押
圧力で押圧し、研磨定盤２１を前記回転数で矢印Ｒａの
方向に回転させ、そして研磨パッド２２の表面にノズル
２８から研磨液Ｌを供給し、また、前記原板１を保持し
た基板保持盤２４を前記回転数で矢印Ｒｂの方向に回転
させながら、シリコンウエハ２を研磨パッド２２と研磨
液Ｌとでケミカルメカニカルポリッシュ（以下、単に
「研磨」と略記する）している。

【０００８】さて、この研磨装置２０を用いて図６に示
した研削後の原板１を研磨する場合、同図Ｂの凹面状態
で研削された原板１は研磨パッド２２の表面への座りが
良く、シリコンウエハ２の全面を均一な厚さになるよう
に研磨することができるが、同図Ａの凸面状態で研削さ
れた原板１は凸状の傾斜に沿って傾き、即ち、座りが悪
く、この悪い座りの状態で原板１を研磨すると、自明の
如く、シリコンウエハ２の全面を均一な厚さで研磨する
ことが難しい。

【０００９】従って、図５に示した研削装置１０を用い
て図４に示した原板１を研削する場合には、図８Ａに示
したように、シリコンウエハ２の厚みがその中心部２ａ
で薄く、ほぼ凹面状態に仕上げられるように、意識的に
研削盤１２の回転軸１３を若干傾斜させて研削してい
る。このようにシリコンウエハ２を意識的に凹面状態に
研削仕上すると、前記の座りの良さの他に、研削された
原板１Ａの端面の欠けや割れを防止することができ、ま
た、砥石１１の目詰まりを防止することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図８Ａに示
した凹面状に研削された原板１Ａを図７に示した通常の
研磨装置２０を用いて研磨すると、図８Ｂに示した原板
１Ｂのように、シリコンウエハ２の全体の厚みを薄くす
ることができるが、その中心部２ｅが薄く、周縁部２ｆ
が厚くなり、膜厚が不均一な状態で研磨されてしまうと
いう欠点がある。従って、本発明はこのような問題点を
解決しようとするもので、研削により中心部の膜厚が薄
い凹面形状の前記原板１Ａのシリコンウエハを研磨によ
り均一な膜厚に修正できる研磨方法を得ることを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の半導
体基板の研磨方法では、被研磨面が凹面状態に研削され
た半導体基板を回転させながら、その被研磨面を研磨液
及び回転する研磨定盤により研磨するに当たり、先ず、
前記半導体基板を、研磨定盤の回転方向とは逆方向に、
かつその研磨定盤の回転数より高い回転数で回転させな
がら前記被研磨面の外周面を研磨し、その外周面の厚み
が中心部の厚みと同一またはそれ以下の薄さの厚みに達
した時に、その半導体基板を、その面内の各点が同一相
対速度になる回転領域の回転数で前記研磨定盤の回転方
向と同一の方向に回転させ、前記半導体基板の被研磨面
を研磨する方法を採って、前記課題を解決している。

【００１２】従って、本発明の研磨方法方法によれば、
研削により生じた半導体基板の中心部の膜厚が薄い凹面
形状を、研磨で均一な膜厚に修正しながら研磨仕上げを
行うことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら、本発明
の半導体基板の研磨方法を説明する。図１は本発明の半
導体基板の研磨方法を説明するための、図７に示した一
般的な研磨装置の研磨定盤に対する半導体基板の関係を
示す概念的な平面図であり、図２は図１及び図７に示し
た研磨定盤の回転方向及び回転数に対する被研磨面の面
内相対速度を示すグラフであり、そして図３は本発明の
研磨方法により研磨された被研磨面の半導体基板を段階
的に示していて、同図Ａは被研磨面が凹面状態に研削さ
れた半導体基板の断面図、同図Ｂは同図Ａに示した半導
体基板の被研磨面を研磨した第１段階の状態の半導体基
板の断面図、そして同図Ｃは同図Ｂに示した半導体基板
の被研磨面を研磨した第２段階の状態の半導体基板の断
面図である。

【００１４】図１は図７に示した研磨装置２０の研磨定
盤２１、原板１Ａ及びノズル２８だけを取り出して、そ
れらの位置関係を示した平面図である。なお、実際には
研磨液Ｌと研磨パッド２２とで原板１Ａの被研磨面をケ
ミカルメカニカルに研磨するのであるが、この図１には
図を簡潔に表すために研磨パッド２２の図示を省略し
た。一例として、直径が６０ｃｍの研磨定盤２１が回転
数が３０ｒｐｍで矢印Ｒａの方向に回転しているものと
し、この研磨定盤２１に対して直径が２０ｃｍの凹面状
態に研削された原板１Ａを同一方向に、そして反対方向
に同一の回転数及び異なる回転数で回転させ、原板１Ａ
のシリコンウエハ２を研磨する場合を例示する。

【００１５】基本的には、研磨定盤２１の回転数と同一
の回転数で原板１Ａを同一方向に回転させると、原板１
Ａの被研磨面の各点における研磨定盤２１が走る速度が
一定（同一速度）になる。即ち、研磨定盤２１の外周部
における回転速度は速く、その内周部における回転速度
は遅いが、原板１Ａも研磨定盤２１の外周部を同一方向
に回転しているので、原板１Ａの被研磨面における研磨
定盤２１の速度はそれらの差分だけ遅くなり、研磨定盤
２１の内周部では、原板１Ａの被研磨面における研磨定
盤２１の速度はそれらの速度が足し算されて速くなり、
結局、原板１Ａの被研磨面を通過する研磨定盤２１の相
対速度（研磨周速）は内外周共に等速になる。このこと
は原板１Ａの被研磨面の他の部分においても同様であ
る。このため基本的に被研磨基板を研磨する場合にはこ
の等速研磨が用いられている。

【００１６】しかし、前記等速研磨の状態を崩した場合
の相対速度はどうなるかを検証した結果、図２に示した
データが得られた。図２は原板１Ａである被研磨基板と
研磨定盤２１との被研磨面内における相対速度である相
対速度をグラフで示したものである。この図２から次の
ことが判る。例えば、研磨定盤の回転数が３０ｒｐｍの
場合では、 １）被研磨基板の回転数が−１５ｒｐｍから＋７０ｒｐ
ｍの範囲では、前記等速研磨が行われることを示してい
る。但し、被研磨基板が停止している場合、即ち、回転
数０の場合は除く。 ２）また、被研磨基板を研磨定盤の回転方向と同一方向
で回転させる正転の場合は、被研磨基板を正転７０ｒｐ
ｍ以上の回転数で回転させると、等速研磨に比して研磨
定盤の被研磨面の外周部に対する相対速度が高まり、そ
れだけ被研磨基板の中央部に対して外周部の研磨レート
を上げることができる。 ３）次に、被研磨基板を研磨定盤の回転方向に対して反
対方向に回転させる逆転の場合も、逆転１５ｒｐｍ以上
の回転数で回転させると、等速研磨に比して研磨定盤の
被研磨面の外周部に対する相対速度が高まり、それだけ
被研磨基板の中央部に対して外周部の研磨レートを上げ
ることができる。しかし、この逆転の場合は、正転の場
合に比し、更に能率良く研磨することができる。例え
ば、研磨定盤の回転数３０ｒｐｍに対して被研磨基板を
２倍の逆転６０ｒｐｍで回転させるだけで研磨定盤の被
研磨面の外周部に対する相対速度が２倍になり、被研磨
基板を正転で２倍の相対速度を得るには被研磨基板を正
転１２０ｒｐｍで回転させる必要があることが判る。つ
まり、被研磨基板の低逆転域で相対速度を大きく取るこ
とができる。

【００１７】なお、グラフ内の倍率数値は、被研磨基板
の中心部の周速に対して外周部の周速の倍率を示したも
のである。また、この倍率は、研磨レートが周速にほぼ
比例することから、研磨レートの差と考えてよいもので
ある。更にまた、図２は研磨定盤２１を３０ｒｐｍで回
転させた場合のデータであるが、研磨定盤２１をその他
の回転数で回転させた場合のデータも同様の傾向がある
ので、ここでは一例だけ例示した。

【００１８】本発明の研磨方法はこの現象を利用したも
のであって、図３を参照しながら説明する。図３Ａには
図８Ａに示した原板１Ａを再掲した。本発明の研磨方法
では、図７に示した研磨装置２０を用いて、先ず、この
原板１Ａを基板保持盤２４で保持しながら、研磨定盤２
１の回転方向とは逆方向に、かつその研磨定盤２１の回
転数より高い回転数、例えば、−６０ｒｐｍで回転さ
せ、原板１Ａのシリコンウエハ２の凹面状被研磨面の厚
みが厚い外周面２ｂを研磨定盤２１の研磨パッド２２と
研磨液Ｌとで研磨する（一次研磨）。修正研磨されたシ
リコンウエハ２Ａの状態を示したのが図３Ｂの一次研磨
上がりの被研磨面２ｃである。

【００１９】このように、シリコンウエハ２の外周面２
ｂの厚みが中心部２ａの厚みと同一またはそれ以上の薄
い厚みに達した時に、その原板１Ａのシリコンウエハ２
Ａを、その被研磨面内の各点が同一周速度になる回転領
域の回転数、例えば、３０ｒｐｍで研磨定盤２１の回転
方向と同一の方向に回転させて被研磨面を研磨する（二
次研磨）。そうすると面内均一な厚さ２ｄに研磨された
シリコンウエハ２Ｂの薄膜ＳＯＩ基板１Ｂを得ることが
できる。

【００２０】例えば、図３Ａの原板１Ａにおいて、その
中心部の厚さが３μｍ、その外周面２ｂの厚さが５μｍ
であったとする。残りのシリコンウエハ２ｄの厚さが１
μｍの図３Ｃに示した薄膜ＳＯＩ基板１Ｂを得る場合に
は、前記中心部２ａの取り代は２μｍ、前記外周面２ｂ
の取り代は４μｍである。

【００２１】前記のように研磨定盤２１の回転方向に対
して被研磨基板を逆転させながら研磨することは低回転
数で研磨能率を上げることができる他に、研磨時に研磨
パッド２２と被研磨面との間に供給する研磨液Ｌの侵入
性を良好に保つことができる。その理由は、もし被研磨
基板を高速回転させると、その高速回転により生じる遠
心力により研磨液Ｌの前記侵入性が悪化するからであ
る。そして更に、被研磨基板の正転時に起こりがちな研
磨液Ｌの研磨面外への逃げの問題も、被研磨基板を逆転
させることにより、その逆回転力が研磨液Ｌを研磨面内
に戻す方向に働くため、研磨液Ｌの侵入性を向上させる
ばかりではなく、研磨液Ｌの消費量を削減する効果もあ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明の半導体基板の研磨方法によれば、研削により生じた
半導体基板の中心部の膜厚が薄い凹面形状を、研磨で均
一な膜厚に修正しながら研磨仕上げを行うので、 １）半導体基板の面内均一な膜厚が得られる ２）研磨する半導体基板の、中心部から外周部に向かっ
て研磨レートを上昇させ、かつその上昇率を制御するこ
とができる ３）歩留りが向上する ４）作業性が向上する など数々の優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体基板の研磨方法を説明するた
めの、図７に示した一般的な研磨装置の研磨定盤に対す
る半導体基板の関係を示す概念的な平面図である。

【図２】 図１及び図７に示した研磨定盤の回転方向及
び回転数に対する被研磨面の面内相対速度を示すグラフ
である。

【図３】 本発明の研磨方法により研磨された被研磨面
の半導体基板を段階的に示していて、同図Ａは被研磨面
が凹面状態に研削された半導体基板の断面図、同図Ｂは
同図Ａに示した半導体基板の被研磨面を研磨した第１段
階の状態の半導体基板の断面図、そして同図Ｃは同図Ｂ
に示した半導体基板の被研磨面を研磨した第２段階の状
態の半導体基板の断面図である。

【図４】 一般的な薄膜ＳＯＩ基板を示す拡大断面図で
ある。

【図５】 図４に示した薄膜ＳＯＩ基板を研削するため
の一般的な研削方法を説明するための概念図である。

【図６】 図４に示した薄膜ＳＯＩ基板の原板の表面を
図５に示した研削装置により通常の研削方法で研削した
場合に生じる研削状態を示していて、同図Ａは凸面状態
に研削された拡大断面側面図、同図Ｂは凹面状態に研削
された拡大断面側面図である。

【図７】 一般的な研磨装置を概念的に示した断面図で
ある。

【図８】 従来技術の研削方法及び研磨方法により研
削、研磨された薄膜ＳＯＩ基板を示していて、同図Ａは
図５に示した研削装置により研削した場合の薄膜ＳＯＩ
基板の拡大断面図、同図Ｂは同図Ａに示した研削された
薄膜ＳＯＩ基板を図７に示した研磨装置を用いて研磨し
た場合の薄膜ＳＯＩ基板の拡大断面図である。

【符号の説明】

１ （薄膜ＳＯＩ基板の）原板 １Ａ 研削面が凹面状態に研削された原板 １Ｂ （被研磨面内が厚さ均一に研磨された）薄膜Ｓ
ＯＩ基板 ２ シリコンウエハ ３ 絶縁層 ４ 支持板 １０ 研削装置 １１ 砥石 １２ 研削盤 １３ 回転軸 ２０ 現用の研磨装置 ２１ 研磨定盤 ２２ 研磨パッド ２４ 基板保持盤 ２８ ノズル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨面が凹面状態に研削された半導体
   基板を回転させながら、その被研磨面を研磨液及び回転
   する研磨定盤により研磨するに当たり、先ず、前記半導
   体基板を、研磨定盤の回転方向とは逆方向に、かつその
   研磨定盤の回転数より高い回転数で回転させながら前記
   被研磨面の外周面を研磨し、その外周面の厚みが中心部
   の厚みと同一またはそれ以上の薄さの厚みに達した時
   に、その半導体基板を、その面内の各点が同一相対速度
   になる回転領域の回転数で前記研磨定盤の回転方向と同
   一の方向に回転させて、前記半導体基板の被研磨面を研
   磨することを特徴とする半導体基板の研磨方法。