JP2014063878A - 研磨装置及びｓｏｉウェーハの研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】例えばＳＯＩウェーハなどのワークを研磨する際、研磨面がテーパ状の膜厚分布を形成してしまうのを抑制できる研磨装置、及びこの研磨装置を用いたＳＯＩウェーハの研磨方法を提供することを目的とする。
【解決手段】定盤上に貼り付けられた研磨布と、ワークを保持するための研磨ヘッドを有し、該研磨ヘッドは、円盤状のプレートと、該プレートの下面部に貼着され、かつワークの裏面が当接する発泡樹脂層を有するバッキング材と、該バッキング材の発泡樹脂層の下面の周辺部に設けられワークのエッジ部を保持するリング状のテンプレートを含むものであり、ワークの表面を研磨布に摺接させて研磨する研磨装置であって、バッキング材の発泡樹脂層の下面における保持するワークの外周部が当接する位置に、発泡樹脂層の厚さ方向の深さを有するリング状溝がテンプレートと同心円状に形成されたものであることを特徴とする研磨装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は円盤状のウェーハ等のワークを研磨する研磨装置に関し、特にＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を微量研磨するのに好適な研磨装置と、その研磨装置を用いたＳＯＩウェーハの研磨方法に関する。

近年、半導体装置の高集積化が進むのに伴い、その基板であるシリコン単結晶ウェーハの平坦度や表面品質の向上が厳しく要求されている。半導体装置を形成する材料ウェーハがＳＯＩウェーハの場合、平坦度や表面品質に加えてＳＯＩ層の高い膜厚均一性も要求されるため、ＳＯＩ層を研磨する際には高精度の研磨が必要である。
ＳＯＩウェーハの代表的な製造方法として、２枚のウェーハを貼り合せた後、一方のウェーハの薄膜化を研削・研磨で行う方法とイオン注入剥離法（スマートカット（登録商標）法ともいう）で行う方法が知られているが、シリコン薄膜が５００ｎｍ以下の貼り合わせウェーハの製造に限定すればイオン注入剥離法が主流となっている。

イオン注入剥離法は、２枚のシリコンウェーハの少なくとも一方のウェーハ（ボンドウェーハ）の一主面に水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類を注入し、ウェーハ内部にイオン注入層（剥離層）を形成させた後、該イオン注入した面と他方のシリコンウェーハ（ベースウェーハ）の一主面を直接あるいは酸化膜を介して密着させ、その後熱処理を加えて剥離層で分離する方法であり、±１０ｎｍ以下のＳＯＩ層膜厚均一性を有する薄膜ＳＯＩウェーハを容易に作製できる優位性と、剥離したボンドウェーハを複数回再利用しコスト低減が図れる優位性を有している。

しかしながら、剥離直後のＳＯＩウェーハ表面はラフネスが十分ではないために、そのままではデバイス作製用の基板としては使用できない。そこで、平坦化のための追加プロセスとして、例えば、タッチポリッシュと呼ばれる微量研磨（１００ｎｍ以下の研磨代）が行われることがある。

一方、ウェーハＷを囲んでそのエッジ部を保持するリング状のテンプレートを具備した研磨装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この研磨装置は、従来の研磨装置に比べ、テンプレートの高さ精度を向上させることができ、精度よくワークの研磨を行うことができるとされている。
その他、テンプレートを具備した研磨装置として、特許文献２、特許文献３、特許文献４などが知られている。

特許文献２には、テンプレートを用いた研磨において、ウェーハの外周部にかかる集中応力に起因するとみられる外周ダレのようなウェーハの変形を防止する目的で、テンプレートブランクに隣接するバッキングパッド面に該テンプレートブランクの嵌合穴の内周に沿ってリング状の溝を穿設したバッキングパッドが開示されている。

特許文献３には、バッキングパッドのウェーハ保持面に多数の溝を形成することによって、ウェーハを水の表面張力によってこのバッキングパッドに固定する場合に、一旦バッキングパッドのウェーハ保持面とウェーハ背面との間隙内に侵入した空気や余分な水が、このウェーハ固定操作時に上記溝を流れて自動的に、かつ迅速にウェーハ外に排出されることが記載されている。

特許文献４には、ワークを保持するための保持板本体に貼り合わされたバッキングパッドにおいて、保持板本体におけるバッキングパッドが貼り合わされた側には溝が設けられ、かつ、保持板本体の溝の位置に合わせて貫通孔が設けられたワーク保持板が開示されている。

特開２０１２−３５３９３号公報 特開平７−５８０６６号公報 特開平９−２０１７６５号公報 特開２００６−１２８２７１号公報

しかし、イオン注入剥離法によって作製された剥離直後のＳＯＩウェーハのＳＯＩ層表面の平坦化を行うため、特許文献１の研磨装置を用いてＳＯＩ層表面の微量研磨を行い、研磨後のＳＯＩ層の膜厚分布を測定したところ、特定の方向にテーパ状となった膜厚分布が形成され、研磨前の膜厚分布バラツキを悪化させてしまうことが分かった。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、例えばＳＯＩウェーハなどのワークを研磨する際、研磨面がテーパ状の膜厚分布を形成してしまうのを抑制できる研磨装置、及びこの研磨装置を用いたＳＯＩウェーハの研磨方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、定盤上に貼り付けられた研磨布と、ワークを保持するための研磨ヘッドを有し、該研磨ヘッドは、円盤状のプレートと、該プレートの下面部に貼着され、かつ前記ワークの裏面が当接する発泡樹脂層を有するバッキング材と、該バッキング材の発泡樹脂層の下面の周辺部に設けられ、前記ワークのエッジ部を保持するリング状のテンプレートを含むものであり、前記ワークの表面を前記研磨布に摺接させて研磨する研磨装置であって、前記バッキング材の発泡樹脂層の下面における前記保持するワークの外周部が当接する位置に、前記発泡樹脂層の厚さ方向の深さを有するリング状溝が前記テンプレートと同心円状に形成されたものであることを特徴とする研磨装置が提供される。

このような研磨装置であれば、ワークの研磨時にリング状溝内が低圧状態となり、ワークの保持力を増加することができるので、テンプレート内でのワークのずれを抑制でき、例えばＳＯＩウェーハなどのワークを研磨する際、研磨面がテーパ状の膜厚分布を形成してしまうのを抑制できるものとなる。

このとき、前記バッキング材の発泡樹脂層の下面における前記リング状溝の位置は、前記保持するワークの外周端が当接する位置から内側に１０ｍｍまでの範囲内であることが好ましい。
このようなものであれば、ワークの保持力をより高めることができるとともに、研磨によって研磨面に転写される可能性がある溝パターンを例えばＳＯＩウェーハのデバイス作製領域外に形成できる。

またこのとき、前記リング状溝の溝幅は０．５〜２ｍｍであることが好ましい。
このように溝幅が０．５ｍｍ以上であれば、ワークの保持力を確保でき、テンプレート内でのワークのずれを確実に抑制できる。また、溝幅が２ｍｍ以下であれば、研磨面に転写される溝パターンによって平坦度が悪化するのを抑制できるとともに、溝部におけるバッキング材の劣化を抑制できる。

また、本発明によれば、上記本発明の研磨装置を用い、前記ワークとしてＳＯＩウェーハを用い、該ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を研磨することを特徴とするＳＯＩウェーハの研磨方法が提供される。
このような研磨方法であれば、研磨中にテンプレート内でのＳＯＩウェーハのずれを抑制でき、研磨面がテーパ状の膜厚分布を形成してしまうのを抑制できる。

このとき、前記研磨するＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚が１０００ｎｍ以下であり、研磨代を１００ｎｍ以下として研磨することができる。
ＳＯＩ層の膜厚が１０００ｎｍ以下の薄膜ＳＯＩを研磨する際、研磨代が１００ｎｍ以下の微量研磨の場合には、僅かなＳＯＩウェーハの位置ずれが、面内膜厚分布の均一性に対し大きく影響するので、ＳＯＩウェーハの位置ずれを抑制できる本発明が極めて有効に機能する。

またこのとき、前記研磨するＳＯＩウェーハの前記発泡樹脂層の下面に当接する面を疎水性とすることが好ましい。
このようにすれば、ワークの保持力をより高めることができる。

本発明の研磨装置は、バッキング材の発泡樹脂層の下面における保持するワークの外周部が当接する位置に、発泡樹脂層の厚さ方向の深さを有するリング状溝がテンプレートと同心円状に形成されたものであるので、ワークの保持力を増加してテンプレート内でのワークのずれを抑制でき、例えばＳＯＩウェーハなどのワークを研磨する際、研磨面がテーパ状の膜厚分布を形成してしまうのを抑制できる。

本発明の研磨装置の一例を示した概略図である。 本発明の研磨装置の研磨ヘッドの一例を示した概略図である。 実施例及び比較例の結果を示す図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明者等は、ＳＯＩ層表面の微量研磨を行う際、上記のように特定の方向にテーパ状となった膜厚分布が形成されてしまう原因について鋭意検討した結果、次のような知見を得た。
すなわち、テンプレートの内径は、通常、研磨を行うウェーハの直径よりも１〜２ｍｍ程度大きく形成されており、研磨前にウェーハをテンプレートの中央に配置した段階では、ウェーハはテンプレートに接触しない状態でバッキング材（バッキングパッド）に保持される。

しかし、バッキング材の保持力が弱ければ研磨中に位置がずれ、ウェーハ外周端の一部がテンプレートに接触した状態（すなわち、ウェーハの中心がテンプレートの中心から若干ずれた状態）で研磨が行われてしまう。その結果、ＳＯＩ層表面の微量研磨において面内均一の研磨代で研磨ができず、特定の方向にテーパ状の膜厚分布を形成してしまうことが判明した。
そこで、テンプレートの中央からウェーハが位置ずれしていない状態で研磨を行えば、上記問題を解決できることに想到し、本発明を完成させた。

図１に示すように、本発明の研磨装置１は、定盤３上に貼り付けられた研磨布４と、ワークＷを保持するための研磨ヘッド２と、研磨布４上に研磨剤を供給するための研磨剤供給機構５を有するものである。
定盤３の下部には駆動軸６が垂直に連結され、その駆動軸６の下部に連結された定盤回転モータ（不図示）によって定盤３が回転できるようになっている。

図２に示すように、研磨ヘッド２は円盤状のプレート２１、バッキング材２２、テンプレート２５を有する。バッキング材２２は例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムなどからなる樹脂シート層２３とその表面に形成された発泡ポリウレタン等からなる発泡樹脂層２４で構成される。バッキング材２２の発泡樹脂層２４は下方に向けられ、樹脂シート層２３の表面はプレート２１の下面部に貼着される。
研磨するワークＷは、その裏面が発泡樹脂層２４に当接して保持される。ワークＷを保持する際にはバッキング材２２に水を含ませ、水の表面張力によりワークＷを保持することができる。

バッキング材２２の発泡樹脂層２４の下面の周辺部にはリング状のテンプレート２５が設けられている。このテンプレート２５は、ワークＷのエッジ部を保持してワークＷの飛び出しを防止するためのものである。テンプレート２５の内径は研磨する例えば円盤状のウェーハなどのワークの直径よりも１〜２ｍｍ程度大きく形成することができ、ワークＷの中心がテンプレート２５の中心に一致するようにワークＷを配置することで、ワークＷがテンプレート２５の内壁に接触しないようにして保持することができる。

本発明では、研磨中にワークＷがテンプレート２５の内壁に接触しない状態を維持するため、図２に示すように、研磨ヘッド２のバッキング材２２の発泡樹脂層２４側にリング状溝２６が形成されている。このリング状溝２６は発泡樹脂層２４の厚さ方向の深さを有し、テンプレート２５と同心円状に形成されている。リング状溝２６が形成されたバッキング材２２にワークＷを当接して研磨することで、研磨時の圧力により発泡樹脂層２４が圧縮されるため、リング状溝２６の内部が低圧になり、その結果、ワークの保持力が向上する。そのため、研磨中にテンプレート内でワークが横方向にずれるのを抑制できる。

ワークの保持力を高めるためには、できるだけワークの外周端側に当接する位置にリング状溝２６を形成するのが効果的である。また、リング状溝２６を形成する位置を例えばＳＯＩウェーハのデバイス作製領域外に当接する位置とすれば、例え研磨による溝パターンの転写が生じたとしてもデバイス領域内に生じるのを防ぐことができるので好ましい。そのため、リング状溝２６を形成する発泡樹脂層２４の下面上の具体的な位置としては、ワークＷを保持した際にワークＷの外周端が当接する位置から内側に１０ｍｍまでの範囲内であることが好ましく、より好ましくは５ｍｍまでの範囲内である。

リング状溝の溝幅は０．５〜２ｍｍであることが好ましい。
このように溝幅が０．５ｍｍ以上であれば、ワークの保持力を確保でき、テンプレート内でのワークのずれを確実に抑制できる。また、溝幅が２ｍｍ以下であれば、研磨面に転写される溝パターンによって平坦度が悪化するのを抑制できるとともに、溝部におけるバッキング材の劣化を抑制できる。

また、研磨ヘッド２は保持したワークＷを研磨布４に押圧する押圧手段（不図示）を有している。例えば、押圧手段として、研磨ヘッド２のプレート２１の上方から研磨ヘッド２を下方に押圧する機構や、プレート２１とバッキング材２２との間に密閉空間を形成し、その密閉空間に流体を供給してバッキング材２２を下方に押圧するような構成を採用することができる。

本発明の研磨装置１を用いてワークＷを研磨する際には、研磨剤供給機構５から研磨布４上に研磨剤を供給するとともに、定盤３と研磨ヘッド２をそれぞれ回転させてワークＷの表面を研磨布４に摺接させながら、ワークＷを研磨布４に対して押圧して研磨を行う。
このような研磨装置であれば、上記したように、研磨中にテンプレート内でワークがずれるのを抑制できるので、研磨面がテーパ状に形成されるのを抑制でき、特にＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の微量研磨においても、テーパ状の膜厚分布の形成を抑制でき、研磨前の面内膜厚分布の均一性を維持できる。

本発明のＳＯＩウェーハの研磨方法では、上記した本発明の研磨装置を用い、ワークとしてＳＯＩウェーハを用い、該ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を研磨する。特に、研磨するＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚を１０００ｎｍ以下、研磨代を１００ｎｍ以下とすることができる。このような微量研磨の場合には、僅かなＳＯＩウェーハの位置ずれが、面内膜厚分布の均一性に対し大きく影響するので、ＳＯＩウェーハの位置ずれを抑制できる本発明を好適に適用できる。

また、研磨するＳＯＩウェーハの発泡樹脂層の下面に当接する面は、研磨前の洗浄工程の最終薬液としてＨＦ水溶液を用いることで疎水性としておくことが好ましい。疎水性の面は親水性の面に比べてバッキング材の保持力が高いので、より確実にワークの位置ずれを抑制できる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
図１に示すような本発明の研磨装置を用いてＳＯＩウェーハを研磨し、ＳＯＩ膜厚分布を評価した。
研磨したＳＯＩウェーハは、直径が３００ｍｍ、ＳＯＩ膜厚が８８ｎｍ、ＢＯＸ層厚が１４６ｎｍのものを用いた。研磨前の洗浄工程でＨＦ水溶液を用いて洗浄し、発泡樹脂層の下面に当接するＳＯＩウェーハの裏面を疎水性にした。

テンプレートはガラスエポキシ樹脂製のものを用い、その内径を３０１ｍｍとした。
バッキング材は、ＰＥＴフィルムからなる樹脂シート層及び発泡ウレタンからなる発泡樹脂層を有するものを用い、リング状溝の溝幅を１ｍｍ、リング径を２９４ｍｍとした。
研磨前にＳＯＩ膜厚分布を測定したところ、平均８８．２ｎｍ、Ｐ−Ｖ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ）値は１．２ｎｍであった。

研磨後にＳＯＩ膜厚分布を測定したところ、平均５０．２ｎｍ、Ｐ−Ｖ値は３．０ｎｍであった。研磨後のＰ−Ｖ値が１．８ｎｍ増加したが、図３に示すように、膜厚分布の形状には変化がなく、研磨前に膜厚が薄い部分と厚い部分は、研磨後も薄い部分と厚い部分にそれぞれ対応していた。これは、本発明の研磨装置によって、研磨中のテンプレート内でのワークのずれを抑制できたためである（図３の楕円部はＳＯＩ膜厚が薄い部分を示している）。

また、研磨代の面内分布を測定したところ、平均３７．９ｎｍ、Ｐ−Ｖ値は２．９ｎｍであり、後述する比較例の結果と比べてＰ−Ｖ値が１.０ｎｍ改善された。
このようにして本発明の研磨装置は、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の研磨において研磨面がテーパ状の膜厚分布を形成してしまうのを抑制できるものであることが確認できた。

（比較例）
リング状溝が形成されていないバッキング材を用いた以外、実施例と同様な条件でＳＯＩウェーハを研磨し、実施例と同様な方法で評価した。
研磨前のＳＯＩ膜厚分布は平均８７．９ｎｍ、Ｐ−Ｖ値は１．８ｎｍであったのに対し、研磨後のＳＯＩ膜厚分布は平均５４．２ｎｍ、Ｐ−Ｖ値は３．９ｎｍであり、Ｐ−Ｖ値の増加が２．１ｎｍで実施例より大きく、研磨代の面内分布は平均３３．４ｎｍ、Ｐ−Ｖ値３．９ｎｍであり、Ｐ−Ｖ値が実施例より劣っていた。また、図３に示すように、膜厚分布の形状も研磨前後で異なっており、研磨前の膜厚が薄い部分と厚い部分が、研磨後の薄い部分と厚い部分にそれぞれ対応していない箇所が見られた。これは、研磨によって特定の方向にテーパ形状の膜厚分布が新たに形成されたことに起因する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…研磨装置、 ２…研磨ヘッド、 ３…定盤、 ４…研磨布、
５…研磨剤供給機構、 ６…駆動軸、
２１…プレート、 ２２…バッキング材、 ２３…樹脂シート層、
２４…発泡樹脂層、 ２５…テンプレート、 ２６…リング状溝。

Claims (6)

1. 定盤上に貼り付けられた研磨布と、ワークを保持するための研磨ヘッドを有し、該研磨ヘッドは、円盤状のプレートと、該プレートの下面部に貼着され、かつ前記ワークの裏面が当接する発泡樹脂層を有するバッキング材と、該バッキング材の発泡樹脂層の下面の周辺部に設けられ、前記ワークのエッジ部を保持するリング状のテンプレートを含むものであり、前記ワークの表面を前記研磨布に摺接させて研磨する研磨装置であって、
   前記バッキング材の発泡樹脂層の下面における前記保持するワークの外周部が当接する位置に、前記発泡樹脂層の厚さ方向の深さを有するリング状溝が前記テンプレートと同心円状に形成されたものであることを特徴とする研磨装置。
2. 前記バッキング材の発泡樹脂層の下面における前記リング状溝の位置は、前記保持するワークの外周端が当接する位置から内側に１０ｍｍまでの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記リング状溝の溝幅は０．５〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の研磨装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の研磨装置を用い、前記ワークとしてＳＯＩウェーハを用い、該ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を研磨することを特徴とするＳＯＩウェーハの研磨方法。
5. 前記研磨するＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚が１０００ｎｍ以下であり、研磨代を１００ｎｍ以下として研磨することを特徴とする請求項４に記載のＳＯＩウェーハの研磨方法。
6. 前記研磨するＳＯＩウェーハの前記発泡樹脂層の下面に当接する面を疎水性とすることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のＳＯＩウェーハの研磨方法。
   
   

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