JP2005044920A

JP2005044920A - 基板の加工方法及び加工装置

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Publication number: JP2005044920A
Application number: JP2003201581A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Doi; 俊郎土肥; Philipossian Ara; フィリポシアンアラ; Masahiko Amari; 昌彦甘利; Keiji Miyaji; 計二宮地; Yoshiyuki Seike; 善之清家
Original assignee: Asahi Sunac Corp
Current assignee: Asahi Sunac Corp
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】ウェーハ等の基板の表面を高平坦形状に加工する除去加工において、品質面（加工精度、チッピング等の欠陥のないこと）とコスト面（加工速度、装置コスト）との両方を満足させることができる基板の加工方法及び加工装置を提供する。
【解決手段】基板保持手段１２により被加工物Ｗを保持しながら回転させ、ノズル１４の先端より加工液供給手段１８から供給される遊離砥粒を含んだ加工液を噴出させながら、ノズル移動手段１６によりノズル１４を被加工物の表面に沿って移動させ、被加工物Ｗの表面に加工液当てて、この被加工物を加工する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板の加工方法及び加工装置に係り、特に、半導体集積回路の層間膜等の平坦化プロセスに好適に適用できる基板の加工方法及び加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路のデザインルールの縮小化に伴って、層間膜等の平坦化プロセスに化学的機械研磨法（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）が多用されるようになってきた。このＣＭＰによるウェーハの研磨は、回転する研磨パッドにウェーハを回転させながら所定の圧力で押し付け、その研磨パッドとウェーハとの間に研磨剤スラリーを供給することにより行われる（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−５４８５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＣＭＰでは、以下に列挙するような各種の不具合点が指摘されており、この不具合点の対処法を各社が探求しているのが現状である。
【０００５】
第１に、研磨パッドの管理が必要な点である。研磨パッドは、使用に伴い目詰まりを生じ、研磨性能が劣化して行く。これに対処すべく、ドレッシング等の処理が不可欠となる。
【０００６】
第２に、ＣＭＰは化学的機械研磨法であり、研磨による傷、スクラッチ等の欠陥を生じ易い。たとえば、研磨パッドに目詰まりを生じたり、研磨剤スラリーに異物が混入したりした場合には、容易に傷、スクラッチ等の欠陥を生じることとなる。
【０００７】
第３に、研磨時の加工圧、研磨パッドの硬度、研磨パッドの厚さ、基板（ウェーハ等）の材質等との相関で、基板のエッジ形状が不適切な形状（主に縁ダレ）となることが多い。
【０００８】
第４に、研磨パッドは消耗品であり、所定の頻度で交換しなければならず、コスト的に不利である。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ウェーハ等の基板の表面を所望の形状（主に平坦）に加工する除去加工において、品質面（加工精度、チッピング等の欠陥のないこと）とコスト面（加工速度、装置コスト）との両方を満足させることができる基板の加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、基板の基板表面より所定距離の位置に配置されたノズルより遊離砥粒を含んだ加工液を噴出させ、該加工液を前記基板の表面に当てることにより、前記基板を加工することを特徴とする基板の加工方法、及びこれに使用される加工装置を提供する。
【００１１】
本発明によれば、遊離砥粒を含んだ加工液を噴出させ、基板の表面に当てることにより、この基板を加工できる。すなわち、ＣＭＰ等の研磨加工と異なり、研磨パッド等を使用せずに基板を加工できる。これにより、品質面（加工精度、チッピング等の欠陥のないこと）とコスト面（加工速度、装置コスト）との両方を満足させることができる材料加工が行える。
【００１２】
本発明において、前記基板を回転させるとともに、前記基板の表面に沿って前記ノズルを移動させることが好ましい。このように、基板を回転させながらノズルを移動させるのであれば、基板の表面の全面を漏れなく加工できるからである。
【００１３】
また、本発明において、前記ノズルを移動させる移動手段は、前記ノズルより噴出される前記加工液が、前記基板の表面の略全面で均一に当るように前記ノズルの移動速度を制御することが好ましい。基板を回転させるとともに、基板の表面に沿ってノズルを一定速度で移動させると、基板の中心部分と周縁部分での加工量に差を生じることとなる。これに反し、たとえば、基板の中心部分でのノズルの移動速度を大とし、基板の周縁部分でのノズルの移動速度を小とするように制御すれば、基板表面の全面の加工速度を均一にできる。
【００１４】
また、本発明において、前記ノズル移動手段に装備され、前記ノズルと前記基板の表面とがなす傾斜角度を可変とする傾斜角度調整手段を備えたことが好ましい。基板の形状、材質、加工条件等によっては、ノズルと基板の表面とがなす傾斜角度を所定の値に設定することが望ましい。このような場合に、傾斜角度を可変とする傾斜角度調整手段を備えていれば便利だからである。
【００１５】
本発明において、好ましい加工条件として、前記加工液の液滴粒径が１μｍ以上５００μｍ以下であり、前記加工液の霧粒を１０ｍ／秒以上５００ｍ／秒以下の速度で噴出させる条件が採用できる。
【００１６】
同様に、好ましい加工条件として、前記加工液をノズルより噴出させるべく１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下に加圧する条件が採用できる。
【００１７】
なお、本発明は、基板の材質として、延性材料、脆性材料、又は、弾性材料、塑性材料等、特に制限なく適用できるが、基板が脆性材料である場合に顕著な効果が得られる。ここで「脆性材料」とは、塑性変形を起こさない材料であり、シリコンウェーハ、各種酸化物ウェーハ、セラミックス基板、ガラス基板等で代表されるものである。
【００１８】
ちなみに、本発明と類似する技術として、アブレイシブウオータージェット加工が公知であるが、この技術は主に切断、溝掘り加工等に適用されるもので、本発明と目的、構成及び効果の全ての点で相違する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る基板の加工方法及び加工装置の好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本発明の基板の加工装置１０の概要を示す概念図である。図２は、図１の部分側面図である。
【００２０】
図１に示されるように、基板の加工装置１０は、基板であるウエハＷを保持しながら回転させる基板保持手段１２と、先端より遊離砥粒を含んだ加工液を噴出させ、この加工液をウエハＷの表面に当ててウエハＷを加工するノズル１４と、ウエハＷの表面に沿ってノズル１４を移動させるノズル移動手段１６と、加工液をノズル１４に供給する加工液供給手段１８等より構成される。
【００２１】
基板保持手段１２は、図２に示されるように、ウエハＷの周縁部の３箇所を保持するように設けられたガイドローラ２０より構成される。このガイドローラ２０は、プーリ形状をしており、プーリ溝２０ＡでウエハＷの周縁部を保持する。また、１以上のガイドローラ２０には、図示しない軸より回転駆動力が付与されており、ウエハＷを保持しながら回転させる。
【００２２】
ノズル１４は、ウエハＷの表面より所定距離の位置に配置され、ノズル移動手段１６により支持されている。図３及び図４は、このノズル１４を説明するもので、図３はノズル１４の断面図であり、図４はノズル１４の下面図である。ノズル１４は、吐出口２２を有するノズルチップ２４と、このノズルチップ２４が内挿されているノズルケース２６とから構成されている。吐出口２２は、図４に示されるように縦長で、中央部が前方（図３中下側）に向けて拡開した楕円状に形成されている。ノズル１４の種類は、後述する噴射パターンにより、各種の仕様のものが採用できる。
【００２３】
ノズル移動手段１６は、ウエハＷの表面に沿ってノズル１４を移動させるもので、各種の直動装置が採用できる。図１に示されるノズル移動手段１６は、ガイド部材３０と、ガイド部材３０に摺動自在に支持される移動子３２と、移動子３２と螺合し移動子３２を矢印Ａ−Ａ’方向に移動させるねじ部材（図示略）と、ねじ部材を回転駆動するモータ（図示略）等より構成される。ノズル１４は移動子３２に固定されている。
【００２４】
加工液供給手段１８は、加工液をノズル１４に供給するもので、加工液を貯蔵する液槽４０と、加工液を高圧で圧送する高圧発生器４２と、加工後の加工液を回収する受け槽４４と、これらを繋ぐ各配管、ポンプ等より構成される。
【００２５】
液槽４０は、加工液を貯蔵するためのもので、各種の配管が接続されている。液槽４０の側壁下部には給液配管４６が接続され、液槽４０の上部には戻り配管４８、５０及び５２が配されている。
【００２６】
給液配管４６は、ポンプ５４及びフィルタ５６を経て高圧発生器４２に接続される。なお、フィルタ５６にはドレーン用の配管５８が接続されており、ドレーンの排出時に対応できるようになっている。
【００２７】
高圧発生器４２としては、高圧プランジャポンプ、アブレイシブウオータージェット加工に使用されている高圧ポンプ、超高圧ポンプ等、公知の各種ポンプが採用できる。
【００２８】
高圧発生器４２の出力側配管６０は二又に分岐され、それぞれバルブ６２、６４に接続されている。バルブ６２、６４は、３方弁タイプのものであり、それぞれ供給側配管６６、６８と戻り配管５０、５２に切り換え可能となっている。供給側配管６６、６８はそれぞれ左右のノズル１４、１４に接続され、ノズル１４、１４に加工液を供給する。
【００２９】
基板保持手段１２の下方には、受け槽４４が設けられている。この受け槽４４は、加工後の加工液を回収するためのもので上部が開放された構成となっている。また、受け槽４４の底４４Ａには傾斜が設けられており、加工後の加工液を容易に回収できるようになっている。回収した加工液は、受け槽４４の底４４Ａに接続された戻り配管４８より、ポンプ７０を経由して液槽４０に戻される。
【００３０】
次に、基板の加工装置１０を使用した基板の加工方法について説明する。液槽４０に入れる加工液、すなわち遊離砥粒を拡散させた液体の溶媒としては、特に制限はない。基板であるウエハＷを腐食させたり、変質させたりせず、引火性、有毒性等、安全面での懸念を生じさせず、遊離砥粒を拡散させることができるものであれば使用できる。一般的には水を主体とすればよいが、ウエハＷ及び遊離砥粒の特性によっては、分散剤を添加して、遊離砥粒の分散性を向上させたり、潤滑剤（いわゆる、クーラント）を添加して遊離砥粒の摩滅を低減させたり、増粘剤を添加して粘度を調整してウエハＷの加工形状を変化させたり、各種の効果を持たせることもできる。
【００３１】
液槽４０に入れる液体に拡散させる遊離砥粒としては、各種の研磨材が使用できる。具体的には、ダイヤモンド、コランダム、ルビー、エメリー、ガーネット、パーミサイト、珪藻土、トリポリ、Ａ砥粒（褐色アルミナ）、ＡＥ砥粒（人造エメリー）、ＡＺ砥粒（アルミナジルコニア）、Ｃ砥粒（黒色炭化珪素）、ｃＢＮ（六方晶窒化ほう素）、ＧＣ砥粒（緑色炭化珪素）、ＨＡ砥粒（解砕形アルミナ）、ＰＡ砥粒（淡紅色アルミナ）、ＷＡ砥粒（白色アルミナ）、ＷＣ砥粒（タングステンカーバイト）、酸化セリウム、コロイダルシリカ、フュームドシリカ等が使用できる。
【００３２】
遊離砥粒の粒度としては、ウエハＷの材質、砥粒の材質、ウエハＷの加工形状（加工精度）、加工速度等に応じて任意に選択できるが、たとえば、シリコンウエハ上の層間膜等の平坦化プロセスに適用する場合には、シリカで粒径が０．０１μｍ以上１００μｍ以下のものが好ましく使用できる。更に好ましくは、粒径が１μｍ以上１０μｍ以下のものが使用できる。
【００３３】
遊離砥粒の濃度としては、ウエハＷの材質、砥粒の材質、ウエハＷの加工形状（加工精度）、加工速度等に応じて任意に選択できる。
【００３４】
ノズル１４より噴出させる加工液としては、既述したように特に制限はないが、異物の存在により液槽４０の液体を汚染させたり、加工形状に誤差を生じさせない点より、純水が好ましく採用できる。
【００３５】
ノズル１４の吐出口２２の内径（孔径）としては、ウエハＷの材質、砥粒の材質、ウエハＷの加工形状（加工精度）、加工速度等に応じて任意に選択できるが、一般的には、０．０５〜１０ｍｍの範囲が採用できる。
【００３６】
ノズル１４の吐出口２２の形状としては、円弧状が一般的であるが、これ以外の形状も採用できる。たとえば、図４の吐出口２２の構成で、幅が０．２ｍｍで長さが０．５ｍｍのスリット形状又は楕円形状も使用できる。内径が円弧状のノズルではスキャンしなければならない加工形状であっても、このような形状のものであれば、スキャンが不要となる。
【００３７】
ノズル１４先端とウエハＷの加工部位との距離としては、ウエハＷの材質、砥粒の材質、ウエハＷの加工形状（加工精度）、加工速度等に応じて任意に選択できるが、一般的には、２０〜２００ｍｍの範囲が採用できる。この距離が２０ｍｍ未満であると、噴出させる加工液パターンの面積が小さく、加工速度が極端に遅くなり不適であり、一方、この距離が２００ｍｍ超であると、加工液が拡散し過ぎてしまい、加工速度が遅くなるとともに、加工精度も劣るからである。
【００３８】
ノズル１４先端での吐出圧力としては、ウエハＷの材質、砥粒の材質、ウエハＷの加工形状（加工精度）、加工速度等に応じて任意に選択できるが、一般的には、０．１〜３００ＭＰａの範囲が採用できる。吐出圧力が０．１ＭＰａ未満であると、加工速度が極端に遅くなり不適であり、一方、吐出圧力が３００ＭＰａ超であると、装置面で制約を受けるからである。
【００３９】
既述したように、ノズル移動手段１６は、ノズル１４より噴出される加工液が、ウエハＷの表面の略全面で均一に当るようにノズル１４の移動速度を制御するのが好ましい。このような制御は、ノズル移動手段１６に設けられる既述のモータをモータコントローラにより制御する方法が一般的に採用できる。
【００４０】
図１の基板の加工装置１０では、ノズル１４の噴出方向は、ウエハＷの表面に垂直な方向になっている。但し、ウエハＷの形状、材質、加工条件等によっては、ノズル１４とウエハＷの表面とがなす傾斜角度を所定の値に設定することが好ましい場合もある。このような場合に、ノズル移動手段１６に装備され、ノズル１４とウエハＷの表面とがなす傾斜角度を可変とする傾斜角度調整手段（図示略）を設けることもできる。
【００４１】
加工液供給手段１８において、ウエハＷの加工をしない休止時には、バルブ６２、６４を切り換えて、加工液を戻り配管５０、５２より液槽４０に戻し、この間で加工液を循環させることが好ましい。このような加工液の循環を行うことにより、遊離砥粒の分散性を維持させることができる。
【００４２】
以上に説明した、本発明に係る基板の加工方法及び加工装置によれば、以下に列挙する効果が得られる。
【００４３】
第１に、研磨パッドを使用しないので、研磨パッドの管理が不要となる。また、研磨パッド上の廃スラリーや研磨カスがなくなり、パターンの損傷、加工による傷、スクラッチ等の欠陥を生じにくい。
【００４４】
第２に、ＣＭＰと異なり、ウエハに大きな圧力がかからないため、パターンの損傷、加工による傷、スクラッチ等の欠陥を生じにくい。
【００４５】
第３に、研磨パッドを使用しないので、ウエハのエッジ形状が不適切な形状（主に縁ダレ）となりにくい。
【００４６】
第４に、消耗品である研磨パッドは不要であり、コスト的に有利である。
【００４７】
第５に、加工液を循環使用できるので、コスト的に有利である。
【００４８】
第６に、研磨定盤を使用しないので、装置の小型化ができる。また、温度管理も容易である。
【００４９】
以上、本発明に係る基板の加工方法及び加工装置の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態の例に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【００５０】
たとえば、図１に示される本実施の形態では、ノズル１４がウエハＷの両面にそれぞれ配置されているが、ウエハＷの片面を加工する場合には、ノズル１４を１個設ける構成が採用できる。
【００５１】
また、ウエハＷの片面を加工する場合には、基板保持手段１２も本実施の形態と異なる方式が採用できる。たとえば、回転ステージの表面の略全面に真空吸着孔を設けた基板保持テーブルを採用できる。基板保持テーブルを水平面で回転させる構成としてもよい。
【００５２】
また、ノズル１４として、図３及び図４に示されるような１流体タイプのものが使用されているが、気体と加工液とを別々に供給する２流体タイプのノズルを使用することもできる。
【００５３】
また、図１に示される本実施の形態では、液槽４０に付属する設備が図示されていないが、たとえば液槽４０内の加工液を攪拌するスターラや超音波振動装置を備えている構成も採用できる。
【００５４】
更に、使用後の遊離砥粒は磨耗して粒度分布が変化することより、これを再度分級して、磨耗して微小になった砥粒を除去するとともに、新規の砥粒を追加して粒度分布を適正化する粒度分布調整手段を設けることもできる。
【００５５】
【実施例】
図１に示される構成の基板の加工装置１０を使用してシリコンウエハの加工を行った。シリコンウエハとして、ウエハ表面に銅の配線パターンが形成されているものを使用した。以下、ノズル１４の種類及び加工液の噴出条件を変化させた実施例１及び実施例２の加工結果を、従来のＣＭＰによる加工結果と比較して説明する。
【００５６】
なお、実施例１及び実施例２の加工に使用した遊離砥粒はコロイダルシリカである。加工液の溶媒として純水を使用した。遊離砥粒の加工液中の濃度は１２．５重量％とした。実施例１及び実施例２のいずれにおいても、吐出口２２（図４参照）が楕円形状のノズル１４を使用した。したがって、噴射パターンも楕円形状となる。
【００５７】
実施例１において、ノズル１４の噴射開き角度（楕円の長径方向）は２５度である。そして、供給圧力は１０ＭＰａとした。ノズル１４先端とウエハＷの加工部位との距離は５０ｍｍとした。この場合、ウエハＷの表面に当る加工液の幅は、楕円の長径方向で約２０ｍｍとなる。
【００５８】
図５は、実施例１における加工液の加工状態をＳＤＰＡ（ＳｈａｄｏｗＤｏｐｐｌｅｒＰａｒｔｉｃｌｅＡｎａｌｉｚｅｒ）によって測定した結果のグラフである。このＳＤＰＡとは、光束中を粒子が通過するときの影に着目し、従来のＬＤＶ（ＬａｓｅｒＤｏｐｐｌｅｒＶｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ）とを組み合わせることにより、粒子の形状と速度を同時に、しかもｉｎｓｉｔｕで計測する計測器であり、たとえば、カノマックス技術研究所より販売されているものが使用できる。
【００５９】
図５のうち、（ａ）は、噴出させた加工液の液滴の流速の分布であり、（ｂ）は、噴出させた加工液の液滴の面積相当径（ＡｒｅａＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＤｉａｍｅｔｅｒ）の分布である。いずれのグラフにおいても、縦軸は度数（Ｎ）を示す。
【００６０】
図５（ａ）において、平均流速は８０．０４ｍ／秒、流速の最大値は１１９．４７ｍ／秒、流速の最小値は１８．８１ｍ／秒であった。図５（ｂ）において、面積相当径の最大値は９０．２μｍ、面積相当径の最小値は９．８μｍであった。
【００６１】
実施例２において、ノズル１４の噴射開き角度（楕円の長径方向）は６５度である。そして、供給圧力は１０ＭＰａとした。ノズル１４先端とウエハＷの加工部位との距離は１００ｍｍとした。この場合、ウエハＷの表面に当る加工液の幅は、楕円の長径方向で約１１２ｍｍとなる。
【００６２】
図６は、実施例２における加工液の加工状態を実施例１と同様に測定した結果のグラフである。このうち、（ａ）は、噴出させた加工液の液滴の流速の分布であり、（ｂ）は、噴出させた加工液の液滴の面積相当径（ＡｒｅａＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＤｉａｍｅｔｅｒ）の分布である。いずれのグラフにおいても、縦軸は度数（Ｎ）を示す。
【００６３】
図６（ａ）において、平均流速は４６．５３ｍ／秒、流速の最大値は９０．５０ｍ／秒、流速の最小値は８．３０ｍ／秒であった。図６（ｂ）において、面積相当径の最大値は８９．８μｍ、面積相当径の最小値は５．１μｍであった。
【００６４】
実施例１及び実施例２で加工したシリコンウエハ表面の配線パターンの欠陥を評価した。同時に、従来のＣＭＰにより加工したシリコンウエハ表面の配線パターンの欠陥も評価した。これらの評価結果を比較したところ、実施例１及び実施例２における欠陥の数が従来のＣＭＰにおける欠陥の数と比べ、１／３〜１／５に減少していることが確認された。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、遊離砥粒を含んだ加工液を噴出させ、基板の表面に当てることにより、この基板を加工できる。すなわち、ＣＭＰ等の研磨加工と異なり、研磨パッド等を使用せずに基板を加工できる。これにより、品質面（加工精度、チッピング等の欠陥のないこと）とコスト面（加工速度、装置コスト）との両方を満足させることができる材料加工が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基板の加工装置の概要を示す概念図
【図２】図１の部分側面図
【図３】ノズルの断面図
【図４】ノズルの下面図
【図５】実施例１における加工液の加工状態を測定した結果のグラフ
【図６】実施例２における加工液の加工状態を測定した結果のグラフ
【符号の説明】
１０…基板の加工装置、１２…基板保持手段、１４…ノズル、１６…ノズル移動手段、１８…加工液供給手段、２０…ガイドローラ、４０…液槽、４２…高圧発生器、４４…受け槽、Ｗ…基板（ウエハ）

Claims

基板の表面より所定距離の位置に配置されたノズルより遊離砥粒を含んだ加工液を噴出させ、該加工液を前記基板の表面に当てることにより、前記基板を加工することを特徴とする基板の加工方法。
前記加工液の液滴粒径が１μｍ以上５００μｍ以下であり、前記加工液の霧粒を１０ｍ／秒以上５００ｍ／秒以下の速度で噴出させる請求項１に記載の基板の加工方法。
前記加工液をノズルより噴出させるべく１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下に加圧する請求項１又は２に記載の基板の加工方法。
前記基板を回転させるとともに、前記基板の表面に沿って前記ノズルを移動させる請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板の加工方法。
基板を保持しながら回転させる基板保持手段と、
先端より遊離砥粒を含んだ加工液を噴出させ、該加工液を前記基板の表面に当てて前記基板を加工するノズルと、
前記基板の表面に沿って前記ノズルを移動させるノズル移動手段と、
前記加工液を前記ノズルに供給する加工液供給手段と、
を備えたことを特徴とする基板の加工装置。
前記ノズル移動手段に装備され、前記ノズルと前記基板の表面とがなす傾斜角度を可変とする傾斜角度調整手段を備えた請求項５に記載の基板の加工装置。
前記ノズル移動手段は、前記ノズルより噴出される前記加工液が、前記基板の表面の略全面で均一に当るように前記ノズルの移動速度を制御する請求項５又は６に記載の基板の加工装置。