特許第5900196号(P5900196)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許5900196ウェーハの片面研磨方法およびウェーハの片面研磨装置
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5900196
(24)【登録日】2016年3月18日
(45)【発行日】2016年4月6日
(54)【発明の名称】ウェーハの片面研磨方法およびウェーハの片面研磨装置
(51)【国際特許分類】
   B24B 37/34 20120101AFI20160324BHJP
   B24B 37/10 20120101ALI20160324BHJP
   H01L 21/304 20060101ALI20160324BHJP
【FI】
   B24B37/00 X
   B24B37/04 G
   H01L21/304 622R
【請求項の数】5
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2012-151187(P2012-151187)
(22)【出願日】2012年7月5日
(65)【公開番号】特開2014-12316(P2014-12316A)
(43)【公開日】2014年1月23日
【審査請求日】2015年6月16日
(73)【特許権者】
【識別番号】302006854
【氏名又は名称】株式会社SUMCO
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】100165696
【弁理士】
【氏名又は名称】川原 敬祐
(72)【発明者】
【氏名】川崎 智憲
【審査官】 亀田 貴志
(56)【参考文献】
【文献】 米国特許第6191040(US,B1)
【文献】 米国特許第6409581(US,B1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B24B 37/00 − 37/34
H01L 21/304
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ヘッドに固定したウェーハを、定盤の表面に設けられた研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨方法であって、
前記研磨布の接触角を測定する工程と、
予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、測定した前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定する工程と、
決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転させて前記ウェーハの片面を研磨する工程と、
を有することを特徴とするウェーハの片面研磨方法。
【請求項2】
複数の特定のウェーハ外周形状について、前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係を予め求めておき、研磨に供するウェーハの目標のウェーハ外周形状に対応する前記関係を用いて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定する請求項1に記載のウェーハの片面研磨方法。
【請求項3】
前記接触角を測定する前に、前記定盤を回転させて前記研磨布上の研磨液を除去する請求項1または2に記載のウェーハの片面研磨方法。
【請求項4】
測定した前記接触角が閾値以下の場合、前記研磨布を用いて研磨を行い、測定した前記接触角が前記閾値超えの場合、前記研磨布を交換した後研磨を行う請求項1〜3のいずれか1項に記載のウェーハの片面研磨方法。
【請求項5】
ウェーハを固定するヘッドと、
表面に研磨布を有する定盤と、
前記ヘッドおよび定盤を回転させる回転機構と、
を有し、前記ヘッドに固定したウェーハを前記研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨装置であって、
前記研磨布の接触角を測定する測定装置と、
予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、前記測定装置により測定された前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定し、決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転するように前記回転機構を駆動する制御部と、
を有することを特徴とするウェーハの片面研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウェーハの片面研磨方法およびウェーハの片面研磨装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体ウェーハ等、高平坦度が要求されるウェーハの表面研磨には、CMP(メカノケミカル研磨)が採用されている。CMPは、被研磨材であるワークに対してエッチング作用を有する研磨液を用い、ワークをエッチングしながら研磨液に含まれる砥粒によってワークを機械的に研磨する研磨技術である。
【0003】
CMPには従来、図8に示すような片面研磨装置500が用いられている。図8の片面研磨装置500はウェーハ片面研磨装置の一例であり、ウェーハを保持するヘッド502と、研磨布512を有する回転定盤510とを有する。係る片面研磨装置500においては、ヘッド502はウェーハを保持しつつ回転定盤510の上面に設けられた研磨布512に対してウェーハの被研磨面を押圧し、ヘッド502と回転定盤510を共に回転させることによりヘッド502と回転定盤510とを相対運動させ、研磨液供給手段526から研磨液528を供給しながらウェーハの被研磨面を研磨する。
【0004】
このような片面研磨装置の例として特許文献1には、ウェーハ中央部と外周部の膜厚をそれぞれ測定し、測定結果に基づいてヘッドおよび定盤の回転数を制御して、ウェーハの面内研磨量を均一化する片面研磨装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2000−77369号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1は、1枚のウェーハにおける面内中央部と外周部の研磨量ばらつきを低減する技術に過ぎず、複数枚のウェーハを研磨するにあたり、常に所望の研磨量を実現することを意図したものではない。しかし、本発明者の検討によれば、従来の片面研磨装置において同じ研磨布を用いて、ヘッドおよび定盤の回転数、研磨時間、研磨布に対するウェーハの押圧力などの研磨条件をそろえて、複数枚のウェーハを研磨すると、ウェーハ外周部の研磨量が徐々に増大し、複数枚のウェーハにわたって所望のウェーハ外周形状を得ることができないことが判明した。これは、研磨布の使用初期から使用末期に向かってその研磨能力が変化していることに起因するものと考えられる。
【0007】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、研磨布の使用期間に依存せず、所望のウェーハ外周形状を精度良く実現することができる、ウェーハの片面研磨方法および片面研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この目的を達成すべく本発明者が検討したところ、以下の知見を得た。
(1)研磨布の使用期間に依存した研磨能力の変化は、研磨布の表面状態の変化によるものと考えられる。具体的には、研磨布を複数回使用することにより、研磨布の反発力が下がり、また、研磨布に研磨液が溜まることから、ウェーハの外周部が削れ易くなっているものと思われる。そして、このような表面状態の変化をモニターする指標として、研磨布の接触角が適していることを見出した。
(2)外周部の研磨量は、ヘッドおよび定盤の回転速度にも依存する。そのため、研磨布の接触角を測定し、測定した接触角に基づいてヘッドおよび定盤の回転速度を調整すれば、研磨布の使用期間に依存せず、所望の外周部の研磨量を得ることができる。
【0009】
上記知見に基づき完成した本発明の要旨構成は以下のとおりである。
本発明のウェーハの片面研磨方法は、ヘッドに固定したウェーハを、定盤の表面に設けられた研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨方法であって、前記研磨布の接触角を測定する工程と、予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、測定した前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定する工程と、決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転させて前記ウェーハの片面を研磨する工程と、を有することを特徴とする。
【0010】
この発明では、複数の特定のウェーハ外周形状について、前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係を予め求めておき、研磨に供するウェーハの目標のウェーハ外周形状に対応する前記関係を用いて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定することが好ましい。
【0011】
この発明では、前記接触角を測定する前に、前記定盤を回転させて前記研磨布上の研磨液を除去することが好ましい。
【0012】
この発明では、測定した前記接触角が閾値以下の場合、前記研磨布を用いて研磨を行い、測定した前記接触角が前記閾値超えの場合、前記研磨布を交換した後研磨を行うことが好ましい。
【0013】
本発明のウェーハの片面研磨装置は、ウェーハを固定するヘッドと、表面に研磨布を有する定盤と、前記ヘッドおよび定盤を回転させる回転機構と、を有し、前記ヘッドに固定したウェーハを前記研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨装置であって、前記研磨布の接触角を測定する測定装置と、予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、前記測定装置により測定された前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定し、決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転するように前記回転機構を駆動する制御部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明の片面研磨方法および片面研磨装置によれば、研磨布の表面状態を研磨布の接触角により把握して、定盤およびヘッドの回転速度を決定することによって、研磨布の使用期間に依存せず、所望のウェーハ外周形状を精度良く実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】本発明の一実施形態にかかるウェーハの片面研磨装置100の模式図である。
図2】本発明の一実施形態にかかるウェーハの片面研磨方法のフローチャートである。
図3】本発明の他の実施形態にかかるウェーハの片面研磨方法のフローチャートである。
図4】ヘッドおよび定盤の回転速度とロールオフ変化量との関係を示すグラフである。
図5】研磨布の接触角とロールオフ変化量との関係を示すグラフである。
図6】実施例1に用いた、ロールオフ変化量が15nmである場合の、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を示すグラフである。
図7】3種類のロールオフ変化量についての、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を示すグラフである。
図8】従来のウェーハ片面研磨装置500の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0017】
(ウェーハの片面研磨装置)
図1は、本発明の一実施形態にかかるウェーハの片面研磨装置100である。ウェーハの片面研磨装置100は、ウェーハ104を固定するヘッド102と、表面に研磨布112を有する定盤110と、ヘッド102および定盤110を回転させる回転機構としてのモータ108,116と、を有する。ヘッド102に固定したウェーハ104を研磨布112に接触させて、ヘッド102および定盤110を共に回転させ、ヘッド102および定盤110を相対運動させて、研磨液供給部126から研磨液128を供給しながらウェーハ104の片面を研磨する。
【0018】
また、ウェーハの片面研磨装置100は、研磨布112の接触角を測定する測定装置122を有する。測定装置122は、水滴供給部118から研磨布112上に供給する水滴120の接触角を測定する。これにより、研磨に用いる研磨布112の表面状態を把握することができる。そして、測定装置122から制御部124に接触角のデータを出力する。制御部124では、測定装置122から出力された接触角のデータに基づいて、ヘッド102および定盤110の回転速度を決定する。ヘッド102はウェーハ104を保持したまま、ヘッド昇降軸106によって降下し、ウェーハ104は定盤110の研磨布112に接触する。そして、制御部124は、決定された回転速度でヘッド102および定盤110回転するように、モータ108,116を駆動する。
【0019】
以下、制御部124によるヘッド102および定盤110の回転速度の決定方法を説明する。
【0020】
図4は、研磨布の接触角が所定の値(具体的には30°)であり、研磨時間が一定(具体的には360秒)の場合の、ヘッドおよび定盤の回転速度とウェーハのロールオフ変化量との関係を示したものである。なお、ロールオフとは、研磨によりウェーハの中心部よりもウェーハの外周部の厚みが小さくなる現象である。そして、本明細書において「ロールオフ変化量」とは、研磨前のウェーハ研磨面のエッジの位置と、研磨後のウェーハ研磨面のエッジの位置との厚さ方向の乖離の大きさを意味する。図4から明らかなように、ヘッドおよび定盤の回転速度以外の研磨条件を揃えて比較した場合、ヘッドおよび定盤の回転速度が大きいほど、ロールオフ変化量は大きくなる。
【0021】
次に、図5は、ヘッドおよび定盤の回転速度が所定の値(具体的には30rpm)であり、研磨時間が一定(具体的には360秒)の場合の、研磨布の接触角とウェーハのロールオフ変化量との関係を示したものである。このように、研磨布の接触角以外の研磨条件を揃えて比較した場合、研磨布の接触角が大きいほど、ロールオフ変化量は大きくなる。本発明者の鋭意の検討により、この図5の関係を確認することができた。
【0022】
そして、同じ研磨布を用いて複数枚のウェーハを研磨する場合、研磨布の使用初期から使用末期に向かって、徐々に研磨布の接触角が大きくなることを本発明者は見出した。つまり、図5は、研磨条件を揃えて複数枚のウェーハを研磨しても、研磨布の使用期間に依存してロールオフ変化量が異なる、具体的には、研磨布の使用期間が長くなるほど、ロールオフ変化量が大きくなることを意味する。このように、研磨布の接触角は、研磨布の表面状態の変化をモニターし、ロールオフ変化量との相関が取れる指標であることが明らかとなった。
【0023】
そして図4および図5の関係から、図6に示すように、研磨時間が一定(具体的には360秒)の場合に所望のロールオフ変化量の得るための、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を示す検量線を得ることができる。図6は、スウェードの研磨布を用いる場合の、360秒間の研磨におけるロールオフ変化量を15nmとするための条件を示す検量線である。図6を用いれば、研磨布の接触角に応じてロールオフ変化量を15nmとするためのヘッドおよび定盤の回転速度を求めることができる。
【0024】
本実施形態の片面研磨装置100は、図6のように、予め求めた、特定のロールオフ変化量を得るための研磨布112の接触角と、ヘッド102および定盤110の回転速度との関係を、例えばデータテーブルの形式でメモリ(図示せず)に記憶している。そして、制御部124は、測定装置122から出力された研磨布112の接触角の入力を受けると、メモリから上記データテーブルを読み出し、このデータテーブルに基づいて、入力された接触角に対応するヘッド102および定盤110の回転速度を算出する。このようにすれば、研磨布112の使用期間に依存せず、所望のロールオフ変化量を精度良く実現できる。
【0025】
所望のロールオフ変化量が1種類である場合は、1本の検量線のみを用いればよいが、複数のロールオフ変化量についてそれぞれ検量線を用意し、これらをデータテーブルとして予めメモリに記憶させておけば、ウェーハ毎に異なるロールオフ変化量を目標にして研磨する場合でも、所望のロールオフ変化量を精度良く実現できる。図7は、図4および図5の関係から、3種類のロールオフ変化量(A:15nm、B:10nm、C:5nm)について求めた検量線である。この場合、片面研磨装置100は、まず、研磨に供するウェーハの目標のロールオフ変化量の入力を受ける必要がある。制御部124は、入力されたロールオフ変化量に基づき、適切な検量線のデータテーブルをメモリから読み出す。その後の回転数の決定方法は既述のとおりである。
【0026】
なお、本明細書において「ウェーハ外周形状」とは、ロールオフした部分の形状を意味する。そして、ウェーハ外周形状の制御は、上記のようにロールオフ変化量の制御に限定されることはなく、研磨布の接触角と相関の取れる指標であればよく、例えば、ESFQR(Edge flatness metric, Sector based, Front surface referenced, least sQuares fit reference plane, Range of the data within sector)、ZDD(Z height Double Derivative)などが挙げられる。
【0027】
研磨布112の接触角は、研磨布112の寿命を判断する有力な指標ともなる。研磨布は消耗品であり、これまでは所定時間だけ研磨に使用したら廃棄し、新たな研磨布に交換していた。しかし、実際に研磨布が使用不可能になるまでの時間には、研磨布ごとに、あるいは研磨条件に依存して、ばらつきがあるうえに、研磨布が使用可能か否かを判断することはこれまで困難であった。このため、上記所定時間は、研磨布がまだ使用可能な範囲内で余裕をみて設定されていた。しかし、既述のように、研磨布の接触角は、研磨布の表面状態をモニターする好適な指標であり、使用初期から使用末期に向けて一律に増加する。よって、接触角が所定の閾値を取る段階を研磨布の使用限界とすることができる。
【0028】
この場合、研磨のたびに接触角を測定し、測定した接触角が所定の閾値以下であれば、その研磨布はまだ使用できるとしてそのまま研磨に供し、測定した接触角が所定の閾値を超えた場合には、その研磨布はもう使用できないとして、交換を促す。具体的には、片面研磨装置100は、上記閾値Aのデータをメモリ(図示せず)に記憶している。制御部124は、測定装置122から出力された研磨布122の接触角Bの入力を受けると、メモリから上記閾値Aのデータを読み出し、接触角Bと比較する。制御部124は、BがA以下であればモータ108,116を駆動して、片面研磨装置100はその研磨布で引き続き研磨を行う。一方、制御部124は、BがAを超えている場合は、モータ108,116の駆動を停止する。制御部124は、音声やディスプレイへの表示などの告知手段により、研磨布の交換を促してもよい。このように、研磨布の接触角により研磨直前の研磨布の表面状態を把握して、研磨布の交換時期を的確に判断することによって、研磨布の本来の使用寿命ぎりぎりまで研磨布を使用することができる。このため、ウェーハ製造コストを低減することができる。
【0029】
研磨布の接触角の閾値は研磨布の種類、硬さ、反発係数などにも依存するが、例えば接触角の測定方法がθ/2法である場合に1000μgの水を用いた際に70°とすることができる。また、ここで説明した研磨布の接触角に基づく寿命判定は、既述の研磨布の接触角に基づくヘッドおよび定盤の回転速度の決定とは独立に行ってもよい。
【0030】
(ウェーハの片面研磨方法)
次に、本発明にかかるウェーハの片面研磨方法について説明する。
図2を参照して、本発明にかかるウェーハの片面研磨方法の一実施形態を説明する。まず、研磨布112の接触角の測定を行う(ステップS1)。次いで、接触角が例えば70°などの、閾値以下かを判定する。(ステップS2)。接触角が閾値以下の場合は、ステップS4へ進む。接触角が閾値超えの場合は、研磨布112の交換を行い(ステップS3)、再度ステップS1から開始する。
【0031】
ステップS4では、図6および図7のように予め求めた、特定のウェーハ104のロールオフ変化量を得るための研磨布112の接触角と、ヘッド102および定盤110の回転速度との関係、および、測定した研磨布112の接触角に基づいて、既述の方法でヘッド102および定盤110の回転速度を決定する。
【0032】
続いて、決定した回転速度でヘッド102および定盤110を回転させて、ウェーハ104の片面の研磨を開始する(ステップS5)。その後、研磨を終了する(ステップS6)。この後に、別のウェーハを研磨する場合は、定盤110を回転させて研磨布112上の研磨液128を除去し(ステップS7)、再度ステップS1から開始する。これにより、次のウェーハの研磨のための、研磨布の接触角の測定を正確に行なうことができる。次のウェーハを研磨しない場合は、そのまま終了する。
【0033】
また、図3を参照して、本発明にかかるウェーハの片面研磨方法の他の実施形態を説明する。ステップS0をステップS1の前に有する以外は図2と同じである。本実施形態では、複数のロールオフ変化量について、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を予め求めておく。ステップS0では、研磨に供するウェーハの目標のロールオフ変化量を入力する。そして、入力されたロールオフ変化量に対応する検量線(データテーブル)を選択する。その後の工程は図2と同じなので省略する。本実施形態は、ウェーハ毎に異なるロールオフ変化量に研磨する場合や、複数枚のウェーハの研磨の途中で目標のロールオフ変化量を変更する場合に用いることができる。
【0034】
研磨布の種類は限定されない。例えば、単層式の研磨布でもよいし、研磨布層の裏面にスポンジ層が形成された2層式の研磨布でもよい。単層式における研磨布および2層式における研磨布層としては、例えば、ウレタンフォームなどの合成樹脂発泡体からなる研磨布、ポリエステル繊維製の不織布にウレタン樹脂を含浸させた硬質なベロアタイプの研磨布、不織布の基布の上にウレタン樹脂を発泡させたスエードパッドなどを採用することができる。
【0035】
接触角を測定するための水滴を供給する研磨布上の場所は、研磨時にウェーハが通る位置であれば限定されない。
【0036】
研磨液としては、例えばコロイダルシリカ等を砥粒として含むアルカリ系研磨液等が用いられる。研磨液を供給する場所は特に限定されないが、ヘッド102の中心部の回転軌道近傍に供給することが好ましい。
【実施例】
【0037】
(実施例)
直径300mmの6枚のシリコンウェーハを用意し、スウェード素材の研磨布を定盤の表面に設置した、図1に示す片面研磨装置100により仕上げ研磨を行った。研磨条件は以下のとおりとした。
研磨圧力:125g/cm
研磨時間:360秒
研磨液:アルカリ研磨液(コロイダルシリカ含有)
目標ロールオフ変化量:15nm
【0038】
図6は、上記研磨条件において、研磨布の接触角(°)とヘッドおよび定盤の回転速度(rpm)との関係を予め求めたものである。
【0039】
それぞれのシリコンウェーハの研磨前に、研磨布上に純水を垂らし、研磨布の接触角を自動接触角計(協和界面化学株会社:DMs-400Hi/400)により測定した。そして、図6の検量線に基づき、接触角測定結果に対応する、ロールオフ変化量を15nmとするのに適したヘッドおよび定盤の回転速度を決定し、決定した回転速度にてヘッドおよび定盤を回転させて、ウェーハの研磨を開始した。定盤とヘッドの回転方向は同方向とした。研磨終了後は、次のウェーハに対して仕上げ研磨を行うために、定盤を60rpmで30秒間回転させることにより研磨布上の研磨液を除去した。
【0040】
6枚のウェーハのロールオフ変化量は、平均で15.20nmであり、標準偏差が1.15nmであった。
【0041】
(比較例)
以下の研磨条件にて、目標のロールオフ変化量を実施例1と同様に15nmとして、直径300mmの6枚のシリコンウェーハの仕上げ研磨を行った。ヘッドおよび定盤の回転速度は15rpmで固定し、その他の研磨条件は実施例1と同様とした。
【0042】
6枚のウェーハのロールオフ変化量は、平均で18.54nmであり、標準偏差が3.02nmであった。
【0043】
(評価)
実施例では、比較例よりも6枚のウェーハ全体を通して、目標のロールオフ変化量を精度良く実現できたことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【0044】
本発明の片面研磨方法および片面研磨装置によれば、研磨布の表面状態を研磨布の接触角により把握して、定盤およびヘッドの回転速度を決定することによって、研磨布の使用期間に依存せず、所望のウェーハ外周形状を精度良く実現することができる。
【符号の説明】
【0045】
100 ウェーハの片面研磨装置
102 ヘッド
104 ウェーハ
106 ヘッド昇降軸
108 モータ
110 定盤
112 研磨布
114 定盤回転軸
116 モータ
118 水滴供給部
120 水滴
122 接触角の測定装置
124 制御部
126 研磨液供給部
128 研磨液
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8