JP2004363252A - 半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法および半導体ウェーハの研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨時の半導体ウェーハの温度分布を取得し、ウェーハ面内の研磨レートを均一化させ、高平坦度ウェーハを得る半導体ウェーハの研磨時の温度分布作成方法およびその作成装置を提供する。
【解決手段】研磨時、シリコンウェーハＷの面内の各異なる位置の温度を、ウェーハ裏面側から５本の熱電対１７Ａ〜１７Ｅにより測定し、その検出信号に基づき、制御部ＣによりウェーハＷの面内の温度分布を作成する。その後は、その温度分布に基づき、ウェーハ面内の温度が一定になるように、例えば研磨液の供給量の制御、研磨定盤の内部流路を流れる冷却水の供給量の制御などを行う。結果、ウェーハＣの面内の研磨レートが均一化し、研磨後のウェーハ平坦度が高まる。
【選択図】 図１

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面の温度の測定方法および半導体ウェーハの研磨装置、詳しくは研磨ヘッドに平面内に離間して配設された複数の温度センサにより、研磨時の半導体ウェーハの温度をその裏面側から測定する半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法およびその温度センサを有する半導体ウェーハ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、シリコンウェーハの表面に機械的化学的研磨が施される。ここで、研磨機により、その表面が平滑で無歪の鏡面に仕上げられる。
従来の研磨機は、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、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】
このような研磨機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。このようなウェーハ面内の温度分布は、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。このウェーハ面内の温度分布が、シリコンウェーハの研磨レートに影響を及ぼしていた。
特に、研磨されるシリコンウェーハが高平坦度な研削ウェーハの場合には、ウェーハ面内の温度分布を特定化し、ウェーハ面内の研磨レートを一定化させて研磨面の平坦度を低下させないようにするのが、研磨に際しての重要な課題のひとつとなっていた。
【０００４】
従来、この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。赤外線放射温度計からの検出信号は、研磨機の制御部に送られ、この検出信号に基づく制御部からの指令によって、研磨布上に供給される研磨剤の供給量、および、研磨定盤に供給される冷却水の供給量などを制御し、研磨布の表面の温度の不均一を解消していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の研磨熱を検出する方法は、非接触式の赤外線放射温度計を用いた研磨布の表面温度の検出方法であった。そのため、実際に研磨中のシリコンウェーハの面内の温度を測定することはできなかった。よって、研磨布での温度分布よりも研磨レートに対しては大きな影響を及ぼす半導体ウェーハの研磨面内の温度分布を入手することはできなかった。
【０００６】
【発明の目的】
この発明の目的は、研磨時の半導体ウェーハの研磨面内の温度を測定することができ、この測定値に基づき、特定の温度分布と研磨レートなどとの関係を把握し、さらにウェーハ研磨面内でその研磨レートを均一化し、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面の温度測定方法を、提供することである。
また、この発明は、研磨面の複数位置での温度を測定することができ、その面内の温度分布を算出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、研磨ヘッドのウェーハ保持面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、この半導体ウェーハの研磨面内の温度を測定する半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法であって、研磨中の半導体ウェーハの研磨面の温度を、上記研磨ヘッドのウェーハ保持面付近にこの平面内で離間して埋設された複数の温度センサにより測定する半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法である。
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などがある。
さらに、研磨ヘッドを研磨定盤の上方に対向配置したものでも、これとは上下を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。
【０００８】
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。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んでもよい。または、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むことができる。測定条件を同じにするため、各温度センサのウェーハ裏面からの距離（研磨ヘッドのウェーハ保持面側の残厚）はほぼ一定にする必要がある。
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本以上であればよい。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分することができる。または、１バッチ内のある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よい。
【０００９】
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され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。そのほか、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。その制御部は、得られた温度データに基づき、直接、研磨時の温度分布を作成し、表示してもよい。または、温度データの値だけを出力し、その出力された値に基づき、オペレータの手作業により温度分布を表化またはグラフ化してもよい。
【００１０】
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の両方を回転させてもよいし、研磨布だけ、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一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。
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。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、上記複数の温度センサにより測定した温度データに基づき、上記半導体ウェーハの研磨面内の温度分布を得る請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法である。
温度センサとして熱電対が好適である。熱電対の種類は限定されない。例えば、ＪＩＳで規格されたＢ，Ｒ，Ｓなどの各種の熱電対を採用することができる。
【００１２】
請求項３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研磨ヘッドと、この研磨ヘッドのウェーハ保持面側の部分に設けられ、半導体ウェーハの研磨面内の異なる位置の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサとを備えた半導体ウェーハの研磨装置である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、上記各温度センサによる検出値に基づき、上記半導体ウェーハの研磨面内の温度分布を算出する算出手段を有した請求項３に記載の半導体ウェーハの研磨装置である。
【００１４】
【作用】
この発明によれば、研磨時、半導体ウェーハの研磨面内の異なる位置の各温度を、ウェーハ裏面側から複数の温度センサにより測定する。実際の研磨での研磨面の温度を測定することができる。そして、その検出信号に基づき、例えば半導体ウェーハの面内の温度分布を算出する。また、得られた温度分布に基づき、ウェーハ面内の温度が一定になるように、例えば研磨剤の供給量の制御、研磨定盤の内部流路を流れる冷却水の温度の制御、さらには研磨ヘッドから半導体ウェーハに対する研磨圧力の制御を行う。これにより、半導体ウェーハの研磨面内の研磨レートを均一化することができ、その結果、研磨後のウェーハ平坦度を高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一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は、この発明の一実施例に係るキャリアプレートの平面図である。図３は、この発明の一実施例に係る研磨時の半導体ウェーハの研磨面内での経時的な温度変化を示すグラフである。
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、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、この上方に配設された研磨ヘッド１３とを備えている。
【００１６】
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１６が、ヘッド本体１４に着脱自在に支持されている。
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。小孔１６ａ〜１６ｅは、その深さがキャリアプレート１６の上面から下面近傍（この下面から各０．５ｍｍの位置）に達する直径１．５〜２ｍｍの孔である。
各小孔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、ウェーハ中心位置に小孔１６ｃが、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がそれぞれ形成されている。さらに、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。
【００１７】
各小孔１６ａ〜１６ｅには、上記ウェーハ保持面に保持されるシリコンウェーハＷ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。
【００１８】
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（図示せず）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。制御部Ｃには、その温度データに基づき、経時的なシリコンウェーハＷの面内の温度分布を算出する算出手段が設けられている。
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。
図示しないものの、研磨ヘッドの環状フランジ１４ａとキャリアプレート１６との間の空間は緩衝体１５を介して密閉されているため、この空間に空気圧をかける機構を有している。なお、この空気圧は、所定の範囲で任意に圧力を変えることができ、キャリアプレート１６を介して各シリコンウェーハＷが研磨布１１に所定の加圧力で押し付けられる。
図示しないものの、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）。
【００１９】
次に、一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研磨が行われる。
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、空気圧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。
【００２０】
この際、研磨中のシリコンウェーハＷの面内の温度が、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で計られた所定のタイミングで、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に送られ、この制御部Ｃではその温度データに基づき、経時的なシリコンウェーハＷの面内の温度分布を算出・作成する。作成され温度分布は、図３のグラフのようにモニタ表示され、かつプリンタにより印刷表示される。
こうして得られた温度分布に基づき、シリコンウェーハＷの研磨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）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。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。
【００２１】
【発明の効果】
この発明によれば、研磨時、半導体ウェーハの面内の各異なる位置の温度を、ウェーハ裏面側から複数の温度センサにより測定し、また、その検出信号に基づき、半導体ウェーハの研磨面内の温度分布を算出するので、ウェーハの研磨面内の研磨レートを均一化することが容易となり、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】この発明の一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】この発明の一実施例に係るキャリアプレートの平面図である。
【図３】この発明の一実施例に係る研磨時の半導体ウェーハの面内での経時的な温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 研磨装置、
１１ 研磨布、
１３ 研磨ヘッド、
１７Ａ〜１７Ｅ 熱電対（温度センサ）、
Ｃ 制御部、
Ｗ シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）。

Claims (4)

1. 研磨ヘッドのウェーハ保持面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、この半導体ウェーハの研磨面内の温度を測定する半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法であって、
   研磨中の半導体ウェーハの研磨面の温度を、上記研磨ヘッドのウェーハ保持面付近にこの平面内で離間して埋設された複数の温度センサにより測定する半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法。
2. 上記複数の温度センサにより測定した温度データに基づき、上記半導体ウェーハの研磨面内の温度分布を得る請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨面の温度測定方法。
3. 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研磨ヘッドと、
   この研磨ヘッドのウェーハ保持面側の部分に設けられ、半導体ウェーハの研磨面内の異なる位置の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサとを備えた半導体ウェーハの研磨装置。
4. 上記各温度センサによる検出値に基づき、上記半導体ウェーハの研磨面内の温度分布を算出する算出手段を有した請求項３に記載の半導体ウェーハの研磨装置。

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