JP2007190660A

JP2007190660A - 研摩装置

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Publication number: JP2007190660A
Application number: JP2006013210A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Yamazaki; 一寿山崎; Yasutoshi Odaka; 康捻小▲高▼; Takeshi Soeda; 武志添田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: JP4811027B2

Abstract

【課題】３点支持式の薄片研摩装置の板厚分布の修正を研摩を中断することなく、自動的に行なう。
【解決手段】研摩ヘッド２に固定され、先端が研摩定盤に接して研摩ヘッド２と研摩定盤の間隔を制御可能に保持するアクチュエータ４ａ付きの２個のマイクロメータと、研摩ヘッド２の研摩試料１０上に設けられ、研摩試料１０の厚さを測定する３個の膜厚測定器３ａ〜３ｃとを備え、膜厚測定器３ａ〜３ｃの測定値に基づき研摩試料１０の平行度を修正するようにアクチュエータ４ａを制御する。研摩中に研摩試料１０の板厚分布を３個の膜厚測定器３ａ〜３ｃで検出し、その板厚分布を研摩中にアクチュエータ４ａを制御して修正するから、平行度の高い薄片試料を作製することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は薄片試料、例えば透過型電子顕微鏡の試料を作製するための研摩装置に関し、とくに優れた平行度を有する薄片試料を作製することができる３点支持方式の研摩装置に関する。

透過型電子顕微鏡、２次イオン質量分析装置あるいは原子間力顕微鏡等の試料には、平行度が高くかつ厚さが０．１〜５．０μｍの極めて薄い薄片試料が要求される。かかる極薄の薄片試料は、従来、遊動式あるいは３点支持方式の研摩装置を用いた研摩により作製されている。

誘導式研摩装置は、研摩ヘッドの下面に研摩試料を貼着し、この研摩ヘッドを回転する研摩定盤上に載置し遊動させることで研摩試料の平行度を保持しつつ研摩する。しかし、この誘導式研摩装置では、研摩ヘッド下面と研摩定盤上面の平行度を機械的に調整する手段を有していない。その結果、研摩ヘッドへ研摩試料を傾斜して貼付けたり、研摩定盤の凹凸に起因して研摩面が傾斜した場合に、この傾斜を補正することができない。このため、試料の平行度が劣化し作製歩留りが低下してしまう。

３点支持方式の研摩装置は、研摩ヘッド下面と研摩定盤上面との傾斜を機械的に調整する機構を有する。このため、研摩試料の研摩面が研摩ヘッド下面に対して傾いた場合でも、傾斜方向と傾斜角を測定して機械的に修正することができる。従って、試料の作製歩留りが向上する。

しかし、従来の３点支持方式の研摩装置では、研摩面の傾斜方向及び傾斜角を測定するために、一旦研摩を中断し、研摩試料を貼付した研摩ヘッドを膜厚測定装置に装着して研摩試料の膜厚を測定しなければならない。そして、研摩試料が平行平板になるように３点支持の各支持点の高さを調整する。

このような３点支持点の調整は、研摩試料の厚みの他、支持点と研摩試料との位置関係をも考慮してなさねばならない。さらに、研摩の中断中に研摩定盤及び研摩ヘッドが変形するので、これらをも考慮しなければならない。このため、３点支持点の調整には非常に高度なスキルが要求される。また、調整のために多大の時間を必要とする。

研摩試料の厚みを研摩中に自動的に測定することができる、電子顕微鏡の試料作製用の研摩装置が開発されている。（例えば特許文献１を参照。）。

この研摩装置は、研摩ヘッドの裏面（上面）に測長用のレーザ光を照射し、その反射光との干渉により研摩ヘッドの変位を検出することで、研摩試料の厚さを算出する。しかし、この装置は研摩試料の傾斜を測定することができず又傾斜の修正機構もないので、研摩面が傾斜した研摩試料、即ちくさび形に研摩された研摩試料を平行平板になるように修正することができない。

シリコンウエーハの研摩装置には、ウエーハ表面の薄膜の膜厚分布を測定し、その測定結果に基づき研摩圧の分布を変更することで薄膜の膜厚分布を修正するものが考案されている。（例えば特許文献２を参照。）。

この研摩装置は、研摩ヘッドに貼付されたウエーハを回転定盤上に押圧して研摩し、薄膜の膜厚分布に応じて研摩圧分布を制御する。しかし、遊動式研摩装置と同様に研摩面の傾斜を修正する機構を有していない。このため、厚いウエーハ表面に形成された薄膜の膜圧分布を修正することができても、研摩試料を精密に平行平板に研摩することはできない。
特開１１−１９４０７８号公報特開２００５−１１９７７号公報

上述したように、研摩ヘッドに研摩試料を貼付して研摩し、薄い平行平板からなる試料を作成する研摩装置として、従来用いられていた遊動式又は３点支持式の研摩装置では、研摩面の傾斜の修正ができない、あるいは修正が非常に難しく高度のスキルが必要とされるため、容易には精密な平行平板からなる薄片試料を作成することができないという問題があった。とくに、研摩試料の膜厚又は膜厚分布を測定するために研摩を中断しなければならず、この間に研摩定盤の変形が生ずることが修正をより困難にしている。

また、研摩中に試料の厚さを測定する従来の研摩装置は、試料の傾斜を測定ないし修正する手段を有しておらず、精密な平行平板の試料を作成することは難しい。

さらに、研摩圧力分布を調整することでウエーハ表面に形成された薄膜の膜厚分布を修正する従来のシリコンウエーハの研摩装置では、研摩面ヘッドの傾斜を修正する機構を有しておらず研摩試料の平行度を修正することはできない。このため、高い平行度を有する平行平板の薄片試料を作成することは難しい。

本発明は、高い平行度を有する研摩試料を作成することができる 3点支持方式の研摩装置の調整を、研摩を中断することなく自動的に行うことができる研摩装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明の第１構成の研摩装置では、研摩ヘッドと研摩定盤の間隔を制御する（例えば２個の）アクチュエータ付きマイクロメータが研摩ヘッドに固定されている。また、研摩試料の板厚を（例えば３カ所で測定する３個の）膜厚測定器が研摩ヘッドに固定されている。さらに、研摩中に、膜厚測定器から出力された測定値に基づき研摩試料の板厚分布を算出し、研摩試料が平行平板になるようにアクチュエータを制御する制御装置を備える。この制御装置は、研摩試料上に位置する１個の膜厚測定器、及び２個のマイクロメータの３つの位置を３点支持の支持点と見做して制御する。

本第１構成の研摩装置では、研摩中に研摩試料の板厚の傾斜（非平行度）を測定して、研摩ヘッドと研摩定盤間の間隔を２点で調整し、研摩試料の板厚が平行平板になるように制御する。このため研摩中に自動的に平行度が制御されて研摩が進行するので、高精度の平行平板の試料が作成される。

本発明の第２構成の研摩装置では、第１構成の研摩装置に加えて、さらに、研摩ヘッドと研摩定盤の間隔を測定する２個の間隔測定器を有する。この間隔測定器の下には、間隔を正確に測定するために、研摩試料は配置されない。

この第２構成では、間隔測定器で測定された２点の間隔から、研摩試料の板厚を測定することができる。この板厚の測定は研摩中に自動的にになされるから、本第２構成によれば、厚さが精密に制御された平行平板試料が自動的に作成される。

本発明の研摩装置によれば、３点支持方式の研摩装置の調整を、研摩中に研摩試料の膜厚分布を測定しその測定結果に基づき自動的に行うから、研摩を中断することなく自動的に研摩試料の平行度が修正されるので、高精度の平行平板の試料を容易に作成することができる。

本発明の第１実施形態は、電子顕微鏡用の厚さ０．１μｍ〜５．０μｍの試料を作成するための研摩装置に関する。

図１は本発明の第１実施形態の断面図であり、研摩装置の主要な構成を表している。

図１を参照して、研摩装置はベッド１上に回転自在に設けられ、水平面内で回転駆動される研摩定盤８を備える。この研摩定盤８は、例えば樹脂、錫等の軟質の金属、あるいは表面に研摩パッドが貼着された金属板からなり、上面にスラリー供給器１１から研摩用スラリー１４が供給される。

研摩試料１０は、まず片面を平面に研摩し、その後、研摩面を研摩ヘッド２の下面に接着材、例えばワックスやバルサムで接着する。研摩試料１０の大きさは、たとえば一片の長さが３ｍｍ〜１０ｍｍの矩形である。次いで、粗い遊離砥粒子を用いたラッピングにより例えば５０μｍ程度の平行平板に加工される。次いで、研摩試料１０が貼付された研摩ヘッド２を研摩定盤上に載置し、研摩用のスラリー１４を研摩定盤８上に供給して研摩試料を例えば仕上げ板厚０．２μまで研摩する。

研摩ヘッド２の上面には、研摩ヘッド２上面を支持具５が載置される。この支持具５は、下面に窪みを有し、この窪みに研摩ヘッド２の上面から突出する膜厚測定器３ａ〜３ｃ及び制御装置１２の上部を収容する。なお膜厚測定器３ａ〜３ｃ及び制御装置１２の上部が、研摩パッド２の内部に収容し、支持具５の下面を平面にしてもよい。支持具５の上部は円柱からなり、この円柱は、ベッド１に垂直に固定された支柱により水平に保持されたアーム７に開設された貫通孔に嵌挿されて支持部５を垂直に支持する。

ウエイト６は、中央に貫通孔を有し、この貫通孔に支持具５の円柱を緩挿させて支持具５の下部上面に置かれ、研摩ヘッド２に研摩加重を印加する。なお、アーム７は支柱９に垂直軸廻りに回動自在にかつ上下に移動可能に保持される。

図２は本発明の第１実施形態の研摩ヘッドの平面図であり、図１に示した研摩ヘッド２を下方から（図１の紙面の下側から）見た形状を表している。図３は本発明の第１実施形態の研摩ヘッドの断面図であり、図１中の直線ＡＢに沿う断面構造を表している。また、図４は本発明の第１実施形態の研摩ヘッドのＣＤ断面図であり、図１中の直線ＣＤに沿う断面構造を表している。

図２及び図３を参照して、研摩ヘッド２の下面の周辺近傍に、第１膜厚測定器３ａ及びアクチュエータ４ａが、第１膜厚測定器３を頂点とする２等辺三角形の各頂点にそれぞれ配置されている。さらに、研摩試料１０が固定される領域内に第２及び第３膜厚測定器３ｂ、３ｃが配置されている。

これら第１〜第３膜厚測定器３ａ〜３ｃは、図３を参照して、研摩ヘッド２に形成された貫通孔の中に、下端が研摩ヘッド２の下面と同一面をなすようにあるいは研摩ヘッド２の下面より僅か窪む面をなすように設けられる。

アクチュエータ４ａは、マイクロメータ４のスピンドル４ｂの先端部分を構成する。このマイクロメータ４ａはそのスリーブが研摩ヘッド２に固定されている。アクチュエータ４ａの先端は、研摩ヘッド２の下面から突出して研摩定盤に当接し、これにより研摩ヘッド２と研摩定盤８間の間隔が規定される。即ち、マイクロメータ４ａのシンブルを回転することでスピンドルの垂直移動を介してアクチュエータの先端が移動し、研摩ヘッド２と研摩定盤８間の間隔を調整することができる。さらに、アクチュエータ４ａを電気的に駆動することで、この間隔がさらに精密に制御される。このマクチュエータ４ａは先端の微小な移動を電気的に制御できるものであればとくに制限されず、例えば、ピエゾ素子、ステッピングモータで駆動するアクチュエータを用いることができる。

さらに、２個のアクチュエータ４ａの近傍にそれぞれ間隔測定器１３を配置する。この間隔測定器は、研摩ヘッド２と研摩定盤８の間隔を測定できるものでありばよく、例えば膜厚測定器３ａ〜３ｃと同様のものを研摩ヘッドへ同様に設置してもよい。また、接触式の機械的な測長器を用いてもよい。

研摩試料１０は、研摩ヘッド２の周縁近傍に配設された膜厚測定器３ａ〜３ｃの直下の研摩ヘッド２の下面に、ワックス又はバルサム等の接着剤を用いて貼付される。

上述した第２及び第３膜厚測定器、及び間隔測定器１３は、第１膜厚測定器３ａとアクチュエータ４ａを結ぶ直線ＣＤ、ＥＦ上に配置することが好ましい。この配置では、図４を参照して、研摩試料１０の板厚を測定する２個の膜厚測定器３ａ、３ｂと、研摩ヘッド２と研摩定盤間の間隔を測定する間隔測定器１３と、研摩ヘッド２と研摩定盤間の間隔を定めるアクチュエータ４ａとが、同一直線ＣＤ上に配置されるので、これらの測定値とアクチュエータの制御量との関係が簡潔になり制御が容易になる。

以下、第１実施形態の研摩装置の動作について説明する。

第１〜第３膜厚測定器３ａ〜３ｃは、それぞれ直下の研摩試料１０の板厚を測定する。測定には、例えば電磁誘導の膜厚依存性を利用したループ式の膜厚測定器、光の干渉等を利用した光学式の膜厚測定器、あるいは静電容量の変化を利用した静電式の膜厚測定器を用いることができる。制御装置１２は、まず、３個の膜厚測定器３ａ〜３ｃの測定結果に基づき、研摩試料の板厚及び板厚分布（即ち、平行度と傾斜方向）を算出する。

次いで、その板厚分布の測定結果に基づき、研摩試料が平行平板となるように、間隔測定器１３及びアクチュエータ４ａの設置位置での研摩ヘッド２と研摩定盤８間の間隔の修正量を算出する。さらに、間隔測定器１３の測定値を基準として研摩試料１０の板厚、即ち第１〜第３膜厚測定器３ａ〜３ｃの測定値を校正する。これらの修正及び校正により、研摩試料１０の平行度及び板厚を精密に検出することができる。

間隔測定器１３は、上述のように板厚の絶対値の基準として使用されるので、接触式測定器のように間隔の絶対値を測定できるものが望ましい。しかし、この間隔には一定量のスラリーが充填しているので、スラリーに対する補正を施すことで、膜厚測定器３ａ〜３ｃと同じく光学式、超音波式、静電容量式の膜圧測定器を利用することもできる。

上述した修正量及び板厚の絶対値を算出した後、制御装置は、その修正量に相当する制御信号をアクチュエータ１３に送出する。アクチュエータ１３は制御信号により駆動され、研摩ヘッド２と研摩定盤８間の間隔を修正する。その結果、研摩ヘッド２は研摩定盤８と平行に維持され、研摩試料は精密な平行平板に研摩加工される。

さらに制御装置は、板厚の絶対値が所定の仕上がり寸法に達すると警報を発し、停止する。板厚の絶対値は、研摩試料のない位置で測定された研摩ヘッド２と研摩定盤の間隔に基づき校正されるから、試料材料依存性を有する膜厚測定器３ａ〜３ｃのみの測定値より高い信頼性及び精度を有する。従って、高い精度で研摩試料の板厚を制御することができる。

上述したように本明細書には以下の付記記載の発明が開示されている。
（付記１）研摩ヘッドの下面に固定された研摩試料を研摩定盤上に押圧して、前記研摩試料を薄片に研磨する研摩装置において、
前記研摩ヘッドに固定され、先端が前記研摩定盤に接して前記研摩ヘッドと前記研摩定盤の間隔を制御可能に保持するアクチュエータ付きのマイクロメータと、
前記研摩ヘッドの前記研摩試料上に設けられた、前記研摩試料の厚さを測定する膜厚測定器と、
前記膜厚測定器の測定値に基づき、前記研摩試料の平行度を修正するように前記アクチュエータを制御する制御装置とを有することを特徴とする研摩装置。
（付記２）２個の前記マイクロメータを有することを特徴とする付記１記載の研摩装置。
（付記３）３個の前記膜厚測定器を有することを特徴とする付記１又は２記載の研摩装置。
（付記４）複数の前記膜厚測定器と前記マイクロメータが直線上に配設されたことを特徴とする付記１、２又は３記載の研摩装置。
（付記５）前記膜厚測定器は、第１膜厚測定器と、前記第１膜厚測定器と２個の前記マイクロメータとを結ぶ直線上にそれぞれ配設された第２及び第３膜厚測定器とを有することを特徴とする付記４記載の研摩装置。
（付記６）前記研摩ヘッドの前記研摩試料の外側に設けられ、前記研摩ヘッドと前記研摩定盤の間隔を測定する間隔測定器を有することを特徴とする付記１、２、３、４又は５記載の研摩装置。
（付記７）２個の前記間隔測定器を有することを特徴とする付記６記載の研摩装置。
（付記８）前記アクチュエータは、ピエゾ素子又はステッピングモータにより駆動される直線移動素子であることを特徴とする付記１、２、３、４、５、６又は７記載の研摩装置。
（付記９）前記膜厚測定装置は、ループコイル式、静電容量式または光学式の膜厚測定装置であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の研摩装置。

本発明に係る研摩装置を、透過型電子顕微鏡の薄片試料の作成に適用して、極めて薄くかつ優れた平行度を有する薄片試料を自動的に作成することができる。

本発明の第１実施形態の研摩装置の断面図本発明の第１実施形態の研摩ヘッドの平面図本発明の第１実施形態の研摩ヘッドの断面図本発明の第１実施形態の研摩ヘッドのＣＤ断面図

符号の説明

１ベッド
２研摩ヘッド
４マイクロメータ
４ａアクチュエータ
４ｂスピンドル
４ｃシンブル
３膜厚測定器
３ａ第１膜厚測定器
３ｂ第２膜厚測定器
３ｃ第３膜厚測定器
６ウエイト
５支持具
７アーム
８研摩定盤
１０研摩試料
１１スラリー供給装置
１２制御装置
１３間隔測定器
１４スラリー

Claims

研摩ヘッドの下面に固定された研摩試料を研摩定盤上に押圧して、前記研摩試料を薄片に研磨する研摩装置において、
前記研摩ヘッドに固定され、先端が前記研摩定盤に接して前記研摩ヘッドと前記研摩定盤の間隔を制御可能に保持するアクチュエータ付きのマイクロメータと、
前記研摩ヘッドの前記研摩試料上に設けられた、前記研摩試料の厚さを測定する膜厚測定器と、
前記膜厚測定器の測定値に基づき、前記研摩試料の平行度を修正するように前記アクチュエータを制御する制御装置とを有することを特徴とする研摩装置。
複数の前記膜厚測定器と前記マイクロメータが直線上に配設されたことを特徴とする請求項１記載の研摩装置。
前記研摩ヘッドの前記研摩試料の外側に設けられ、前記研摩ヘッドと前記研摩定盤の間隔を測定する間隔測定器を有することを特徴とする請求項１又は２記載の研摩装置。
前記アクチュエータは、ピエゾ素子又はステッピングモータにより駆動される直線移動素子であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の研摩装置。
前記膜厚測定装置は、ループコイル式、静電容量式または光学式の膜厚測定装置であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の研摩装置。