JP2008229741A - 研磨量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上にパターニングして形成した薄膜の研磨量を容易にかつ確実に測定することを可能とし、高精度の研磨加工を可能にする研磨量計測方法を提供する。
【解決手段】 基板２０上にパターニングして薄膜３０と前記薄膜３０と同膜厚にダミー薄膜３２を形成する工程と、前記ダミー薄膜３２の上にストッパ膜４０を形成する工程と、前記基板２０、前記薄膜３０および前記ダミー薄膜３２の上に絶縁膜５０を形成する工程と、前記絶縁膜５０および前記薄膜３０を研磨する研磨工程と、前記ダミー薄膜３２から前記ストッパ膜４０を除去する工程と、前記研磨後の前記薄膜３０と、前記ダミー薄膜３２との段差を計測して前記研磨工程における薄膜３０の研磨量（D）を測定する工程とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、めっき等により基板上に薄膜をパターニングして形成したワークを研磨加工した際の研磨量を計測する方法に関する。

磁気ディスク装置に用いられる磁気ヘッド、あるいは半導体チップを搭載する多層配線基板の製造工程においては、薄膜をパターン形成し、絶縁膜によって薄膜を被覆する工程を繰り返して、複数層に薄膜や絶縁膜を積層する加工工程がある。これらの加工工程においては、薄膜をきわめて微細なパターンに形成したり、薄膜の膜厚や絶縁膜の膜厚を正確に制御する場合に、基板の表面に薄膜や絶縁膜を形成した後、ワークの表面を研磨して成膜面を平坦化する加工がなされる。

この平坦化加工においては、実際には、基板の表面に形成されている薄膜（たとえばめっきパターン）の膜厚や、薄膜の表面を被覆する絶縁膜の厚さが基板内でばらついていること、また、研磨装置側の要因により研磨の度合いがワーク面内で一様でないといった理由から、かならずしも研磨量が均一になされるとは限らない。
製品精度は、研磨後の薄膜や絶縁膜のパターン精度や膜厚精度によることになるが、ワークを研磨加工する際の研磨量のばらつきによって製品精度が左右されるから、実際の研磨加工における研磨量のばらつきの傾向や分布を知ることによって、より歩留まりの高い加工が可能となる。

図３は、基板に薄膜１０をパターン形成し、薄膜１０を絶縁膜１４によって被覆した後、ワーク表面に研磨加工を施して薄膜１０を研磨した際における薄膜１０の研磨量を計測する従来方法を示す。
この方法では、基板２０の表面にスパッタリング等によってめっきシード層１２を形成した後、めっきシード層１２をめっき給電層とする電解めっきを施して薄膜１０をパターン形成し、その時点で、まず薄膜１０の厚さ（Ａ）を計測する。この薄膜１０の厚さの測定は、プローブを利用した段差計あるいは光学的な検知方法による。なお、薄膜１０をパターン形成する際には、めっきシード層１２の不要部分を除去するが、薄膜１０の研磨量を測定するための測定用のめっきシード層部１２ａを残すようにする。

次に、ワークの表面をたとえばアルミナをスパッタリングして絶縁膜１４により被覆する。絶縁膜１４の表面は、ワークの表面の凹凸を反映して凹凸面となる。
この後、ワークの表面を研磨して平坦化する。図３において、実線Ｌが研磨後のワークの表面位置を示す。ここで研磨量として知りたい量は、薄膜１０についての研磨量（Ｂ）である。この研磨量（Ｂ）は、先に計測した研磨前の薄膜１０の厚さ（Ａ）から研磨後の絶縁膜１４の厚さ（Ｃ）の差分をとることによって求められる。このように、従来は、ワークを研磨する前後に計測を行い、その計側値に基づいて薄膜１０の研磨量を求めていた。ワークの複数個所について、薄膜１０の研磨量を計測することにより、ワークにおける研磨量のばらつきを知ることができる。
特開昭６０−１３８７１６号公報 特開２００６−１０２９２１号公報 特開平６−２２３３２５号公報

ワークの表面を研磨した際の研磨量を計測する場合に、上述したように、ワークを研磨する前後で計測を行う方法は、計側が煩雑であるという問題と、計測が不正確になるという問題がある。上述した計測方法では、ワークを研磨した後に、研磨後の絶縁膜１４の厚さを測定するが、この測定は、絶縁膜１４の上方からめっきシード層部１２ａに向けて光を投射して測定する光学的な方法による。したがって、薄膜１０の研磨量を知るには、薄膜１０の膜厚については段差計による測定、絶縁膜１４の膜厚については光学的な測定といったように、異なる測定方法を利用することによる誤差と、測定を別個に行って求めることによる誤差が生じる。

本発明は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、基板上にパターニングして形成した薄膜の研磨量を容易かつ確実に測定することを可能とし、基板内における研磨量のばらつき等を的確に検知して高精度の研磨加工を可能にする研磨量計測方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、基板上にパターニングして薄膜と前記薄膜と同膜厚にダミー薄膜を形成する工程と、前記ダミー薄膜の上にストッパ膜を形成する工程と、前記基板、前記薄膜および前記ダミー薄膜の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜および前記薄膜を研磨する研磨工程と、前記ダミー薄膜から前記ストッパ膜を除去する工程と、前記研磨後の前記薄膜と、前記ダミー薄膜との段差を計測して前記研磨工程における薄膜の研磨量を測定する工程とを有することを特徴とする。

また、前記研磨後の前記薄膜と、前記ダミー薄膜との段差の測定を段差計を用いて行うことによって、薄膜の研磨量を簡単に計測することができる。
また、本発明は、前記薄膜がめっき膜として形成されたワークに対して研磨加工を施し、めっき膜の研磨量を計測する方法として好適に用いられる。
また、前記絶縁膜および前記薄膜は、化学機械研磨によって行うことができる。

本発明の研磨量計測方法によれば、基板上に薄膜と絶縁膜とを積層して形成したワークを研磨加工した際の研磨量を容易にかつ正確に計測することができ、この計測結果にもとづいてワークを的確に研磨することが可能となり、研磨加工して形成する薄膜や絶縁膜の膜厚を高精度に制御することが可能となる。

図１、２は、本発明に係る研磨量計測方法の適用例として、磁気ヘッドを形成する基板上に、磁性層となる薄膜をパターニングし、絶縁膜によって薄膜を被覆した後、ワーク表面を平坦化する研磨加工を行う工程における研磨量計測方法を示す。
図１は、基板２０上に薄膜３０とダミー薄膜３２とを形成し、ダミー薄膜３２の表面にストッパ膜４０を形成するまでの工程を示す。
図１（ａ）は、基板２０の表面にめっきシード層２２を形成した状態を示す。めっきシード層２２は、薄膜３０を電解めっきによって形成するために設けるもので、一例としてＮｉＦｅからなる薄膜３０を形成する場合には、スパッタリングによりＮｉＦｅを５０nm程度の厚さに設けてめっきシード層２２とする。

なお、ここでは、磁性層からなる薄膜３０を形成する工程を示すが、本発明方法は薄膜３０を形成する磁性材料がＮｉＦｅ材に限定されるものではなく、ＦｅＣｏ等の適宜磁性材について適用できる。また、めっきシード層２２に用いる材料も、電解めっきによって形成する薄膜に応じて適宜材料を選択すればよい。
また、ここでは、例として、基板２０上に磁性体からなる薄膜３０を形成する工程について説明しているが、薄膜３０としては、磁性体に限らず、たとえば磁気ヘッドを構成するコイルのような電気的導体を形成する場合であってもまったく同様に適用できる。

図１（ｂ）は、薄膜３０を所定パターンに形成するため、ワーク（めっきシード層２２）の表面の全面にレジストをコーティングし、フォトリソグラフィー法によりレジストをパターニングし、薄膜３０とダミー薄膜３２を形成する部位のめっきシード層２２を露出させてレジストパターン２４を形成した状態である。図示例のレジストパターン２４において、薄膜３０を形成する部位が凹部２４ａであり、ダミー薄膜３２を形成する部位が凹部２４ｂである。薄膜３０は基板２０上で磁気ヘッドの実素子を構成する部分であり、ダミー薄膜３２は実素子には使用されない部分で薄膜３０の研磨量を計測するために用いられる。

基板２０上には縦横に整列した配置に多数個の磁気ヘッドが作り込まれる。薄膜３０はこれら磁気ヘッドが各々作り込まれる配置にしたがってパターニングされて形成される。ダミー薄膜３２は製品として使用されない領域、たとえば基板２０を個片にダイシングする際のダイシング位置、製品加工の段階で研削して除去される部位に形成する。
図１（ｃ）は、めっきシード層２２をめっき給電層とする電解めっきを施し、レジストパターン２４の凹部２４ａに薄膜３０を形成し、凹部２４ｂにダミー薄膜３２を形成した状態を示す。次いで、レジストパターン２４を除去し、めっきシード層２２で基板２０上に露出している部分を除去することにより、基板２０上に薄膜３０とダミー薄膜３２が形成される（図１（ｄ））。

薄膜３０とダミー薄膜３２はめっきシード層２２をめっき給電層とする電解めっきによって形成されるから、めっきシード層２２を含めて同厚に形成される。薄膜３０とダミー薄膜３２の厚さは製品に応じて適宜設定されるが、例として１μｍ程度の厚さである。
薄膜３０とダミー薄膜３２を形成した後、ダミー薄膜３２の表面にストッパ膜４０を形成する。このストッパ膜４０は後工程での研磨工程によってワークの表面を研磨した際にダミー薄膜３２が研磨されないように保護するために設けられる。

図１（ｅ）は、ダミー薄膜３２の表面にストッパ膜４０を形成する工程を示す。ワークの表面にレジスト２６により被覆し、リソグラフィー法によりダミー薄膜３２の表面を露出させた後、スパッタリングによってストッパ膜４０を形成する。
スパッタリングによりストッパ膜４０を形成した後、リフトオフによりストッパ膜４０によって表面が被覆されたダミー薄膜３２が得られる（図１（ｆ））。
ストッパ膜４０としては、たとえばＴａ膜をスパッタリングすることによって形成される。本実施形態ではストッパ膜４０としてＴａ膜を使用したが、ストッパ膜４０は研磨加工の際にダミー薄膜３２が研磨されない素材を用いればよい。ストッパ膜４０の膜厚も、研磨工程でダミー薄膜３２が研磨されない厚さに設定する。本実施形態で使用したＴａ膜の膜厚は８０nmである。

図２は、ダミー薄膜３２を利用して、研磨工程での薄膜３０の研磨量を計測する工程を示す。
図２（ａ）は、薄膜３０とダミー薄膜３２が形成された基板２０の表面を絶縁膜５０によって被覆した状態である。本実施形態では、基板の表面にアルミナをスパッタリングして絶縁膜５０とした。アルミナ以外の絶縁材を用いて絶縁膜５０を形成することももちろん可能である。
図２（ｂ）は、表面に絶縁膜５０が被覆されたワークの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）によって研磨加工し、薄膜３０を目標とする膜厚まで研磨した状態を示す。この研磨加工により、絶縁膜５０によって被覆されて凹凸面に形成されていたワークの表面が平坦化され、薄膜３０を被覆する絶縁膜５０が研磨され、薄膜３０の表面と絶縁膜５０の表面が均一面に仕上がる。図２（ｂ）で、実線Ｌが研磨加工後のワーク表面の研磨面の位置を示す。

ワークの表面を化学機械研磨により研磨する際に、ストッパ膜４０によって被覆されたダミー薄膜３２の部分については、ダミー薄膜３２を被覆する絶縁膜５０がまず研磨され、ダミー薄膜３２の表面が露出する。ダミー薄膜３２の表面にはストッパ膜４０が被着されているから、ストッパ膜４０の高さまで研磨が進んだところで、ストッパ膜４０によってダミー薄膜３２の削り込みが阻止される。一方、ダミー薄膜３２を除いたワークの表面についてはさらに研磨が進み、所定の膜厚まで研磨される。図２（ｂ）はこの状態を示している。

薄膜３０を所定の膜厚まで研磨した後、ダミー薄膜３２の表面を被覆するストッパ膜４０を除去する（図２（ｃ））。ストッパ膜４０を除去する方法としては、たとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング法が使用できる。
ストッパ膜４０を除去した後、薄膜３０の研磨量Ｄを測定する。薄膜３０の研磨量Ｄは、図２（ｃ）に示すように、薄膜３０とダミー薄膜３２の段差分として把握される。したがって、研磨後の薄膜３０の表面レベルと、ダミー薄膜３２の表面レベル差を検知することによって薄膜３０の研磨量を知ることができる。薄膜３０とダミー薄膜３２の段差分はプローブを用いた段差計を用いて簡単に検知することができる。もちろん、段差計以外に光学的な検知方法によってもよい。

本実施形態での薄膜３０の研磨量を検知する方法は、ワークを研磨した後に、薄膜３０とダミー薄膜３２との段差分を直接的に比較して検知する方法であるから、研磨前に事前に薄膜３０の膜厚を測定しておくといった必要がなく、研磨加工後の１回の測定で済ませられるという利点がある。また、薄膜３０とダミー薄膜３２との高さの差分を検知するだけでよいから、段差計を用いる場合でも光学的な方法による場合でも、同一の測定装置を用いて同一の測定操作によって検知できるから、測定誤差を小さく抑えることができるという利点がある。

本発明に係る薄膜の研磨量計測方法は、平坦化加工を施す層ごとにダミー薄膜３２を形成して研磨量を測定する。薄膜３０とダミー薄膜３２とが同一の膜厚に形成されることを利用し、ダミー薄膜３２にストッパ膜を設けて研磨工程においてダミー薄膜３２が削られないようにすることによって、ダミー薄膜３２を薄膜３０の研磨量の基準として用いることが特徴点である。前述した実施形態では、めっきにより薄膜３０とダミー薄膜３２を形成したが、もちろんめっき以外のスパッタリング等の成膜方法によって薄膜３０とダミー薄膜３２を形成してもよい。

ダミー薄膜３２は薄膜３０を形成する工程で同時に形成できるから製造工程上で負荷となることはない。ダミー薄膜３２は実素子として使用されない位置に形成するから実素子の製造に影響を与えることがない。ダミー薄膜３２は実素子の一つごとに形成してもよいし、適宜間隔ごとに形成してもよい。実素子に比較的近い位置にダミー薄膜３２を形成することによって各々の薄膜３０ごとに研磨量を正確に検知することができる。基板面内にダミー薄膜３２を適宜間隔で設けることにより、基板面内での研磨量のばらつきの分布を知ることができる等々の利点がある。

そして、基板面内における薄膜３０の研磨量のばらつき、ばらつきの分布を知ることによって、ワークを研磨加工して実素子を製造する際に、実素子の膜厚等をよりばらつきを抑えるように研磨加工することができ、これによって製品の歩留まりを向上させることが可能となる。
磁気ヘッドの製造工程では、上述したような基板の表面に成膜した後に、ワークの表面を平坦化処理するといった工程が繰り返し行われる。したがって、各工程ごとにワークの研磨量のばらつきを的確に知ることは、製品の全体工程としてより高精度の加工を可能とし製品の製造歩留まりを向上させる上で有効である。

また、本発明に係る研磨量計測方法は、磁気ヘッドの製造工程に利用する場合に限られるものではない。たとえば、絶縁層を介して配線層を積層し、多層に配線層を形成する多層配線基板の製造工程においては、絶縁層を形成した際に絶縁層の表面がうねった凹凸面になるから、高精度のパターニングを可能にするために、ワークの表面を平坦化する処理が行われる。このような製造工程においても、薄膜に相当する配線層の研磨量を検知することによって、その製品の研磨量のばらつきを知り、その結果に基づいてワークを研磨することによって、さらに高精度に多層配線基板を形成することが可能になり、より高精度に配線基板を形成することが可能となる。

基板上に薄膜と、ストッパ膜が被着したダミー薄膜とを形成するまでの工程を示す説明図である。 薄膜を絶縁膜により被覆した後、薄膜の研磨量を計測するまでの工程を示す説明図である。 薄膜の研磨量を計測する従来方法を示す説明図である。

符号の説明

１０ 薄膜
１２ めっきシード層
１２ａ めっきシード層部
２０ 基板
２２ めっきシード層
２４ レジストパターン
２４ａ、２４ｂ 凹部
２６ レジスト
３０ 薄膜
３２ ダミー薄膜
４０ ストッパ膜
５０ 絶縁膜

Claims (4)

1. 基板上にパターニングして薄膜と前記薄膜と同膜厚にダミー薄膜を形成する工程と、
   前記ダミー薄膜の上にストッパ膜を形成する工程と、
   前記基板、前記薄膜および前記ダミー薄膜の上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜および前記薄膜を研磨する研磨工程と、
   前記ダミー薄膜から前記ストッパ膜を除去する工程と、
   前記研磨後の前記薄膜と、前記ダミー薄膜との段差を計測して前記研磨工程における薄膜の研磨量を測定する工程とを有することを特徴とする研磨量計測方法。
2. 前記研磨後の前記薄膜と、前記ダミー薄膜との段差の測定が、段差計を用いてなされることを特徴とする請求項１記載の研磨量測定方法。
3. 前記薄膜がめっき膜であることを特徴とする請求項１または２記載の研磨量計測方法。
4. 前記絶縁膜および前記薄膜の研磨が、化学機械的研磨によりなされることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載の研磨量計測方法。