JP2019102687A

JP2019102687A - 研磨装置

Info

Publication number: JP2019102687A
Application number: JP2017233323A
Authority: JP
Inventors: 法久有福; Norihisa Arifuku; 誠猿見田; Makoto Sarumida
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-24

Abstract

【課題】最適な研磨レートでウェーハを研磨すること。【解決手段】研磨液を供給しながらウェーハ（Ｗ）を研磨する研磨装置（１）が、ウェーハを上面に保持するチャックテーブル（２１）と、チャックテーブルに保持されたウェーハを研磨パッド（５３）で研磨する研磨手段（５１）と、ウェーハ研磨中の研磨パッドの表面温度を常時検出する温度検出手段（５８）と、研磨パッドへの研磨液の供給及び停止を制御する制御手段（６５）とを備えており、温度検出手段に検出された表面温度が下限値より低くなった場合には研磨液の供給を停止し、温度検出手段に検出された表面温度が上限値より高くなった場合には研磨液の供給を行うように制御手段で制御する構成にした。【選択図】図２

Description

本発明は、ウェーハを研磨する研磨装置に関する。

従来、電子機器の薄型化及び小型化の要請から、半導体ウェーハ等のウェーハの薄化が要求されている。ウェーハを薄化するためにウェーハの裏面を研削すると、ウェーハの裏面にマイクロクラックから成る研削歪が残存して、デバイスの抗折強度を低下させる原因になっている。このため、研削歪の除去や抗折強度の向上を目的として、研削後のウェーハの裏面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって研磨加工することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＣＭＰでは、研磨液（スラリー）の化学成分によってウェーハがエッチングされ、研磨パッドの砥粒によってウェーハが機械的に研磨されている。

特開平１０−３２９００９号公報

ところで、研磨液の化学成分は温度に応じて活性化具合が変化して、高温になるほどウェーハに対するエッチング進行量、すなわち研磨レートが増加する。しかしながら、特許文献１に記載のＣＭＰ用の研磨パッドは、ウェーハの表面が濡れた状態で研磨が開始されるため、研磨パッドがウェーハの表面を滑って食いつきが悪く、研磨パッドの研磨面の温度が上昇し難い。このため、研磨面が温まるまでの最初の数枚のウェーハについては、研磨レートが上がらずに加工時間が長くなるという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、最適な研磨レートでウェーハを研磨することができる研磨装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様の研磨装置は、研磨液を供給しながらウェーハを研磨する研磨装置であって、ウェーハを上面に保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持されたウェーハを研磨する研磨手段とを備え、該研磨手段は、研磨液供給手段に連通し研磨液を通す供給孔を中央に備える円環状の支持基台と、該支持基台の支持面に貼着された研磨パッドと、を備え、該研磨パッド又は該研磨液のどちらか一方にウェーハを研磨するための砥粒を含有し、ウェーハ研磨中の該研磨パッドの表面温度を常時検出する温度検出手段と、制御手段とを備え、該制御手段は、該温度検出手段によって検出された該表面温度が下限値より低くなった場合には、該研磨液供給手段の該研磨液の供給を停止し、該温度検出手段によって検出された該表面温度が上限値より高くなった場合には、該研磨液供給手段の研磨液の供給を行うこと、を特徴とする。

この構成によれば、研磨パッドの表面温度をモニタリングすることで、表面温度が低い場合には研磨液の供給を停止した状態で研磨して表面温度を上昇させ、表面温度が高い場合には研磨液を供給して表面温度を低下させることができる。このため、研磨装置の稼働開始直後から研磨パッドの表面温度を効率的に上昇させることができ、研磨液の供給及び停止を制御することで、適度な表面温度を維持しながらウェーハを研磨することができる。したがって、ウェーハの研磨開始から研磨終了まで最適な研磨レートでウェーハを研磨することができる。

本発明によれば、研磨パッドの表面温度をモニタリングして研磨液の供給及び停止を制御することで、最適な研磨レートでウェーハを研磨することができる。

本実施の形態の研磨装置の斜視図である。本実施の形態の研磨加工を示す模式図である。本実施の形態の研磨液の供給制御の説明図である。本実施の形態の研磨動作の説明図である。ウェーハの加工枚数と研磨レートとの関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態の研磨装置について説明する。図１は、本実施の形態の研磨装置の斜視図である。なお、研磨装置は、本実施の形態の研磨加工を実施可能な構成であればよく、図１に示す構成に限定されない。

図１に示すように、研磨装置１は、チャックテーブル２１上のウェーハＷに研磨パッド５３を押し当てて、研磨液としてスラリーを供給しながらチャックテーブル２１と研磨パッド５３を相対回転させるように構成されている。このような化学機械研磨（CMP: Chemical Mechanical Polishing）では、研磨液の化学成分によってウェーハＷがエッチングされ、研磨パッド５３に分散された砥粒によってウェーハＷが機械的に研磨される。ウェーハＷの表面には保護テープＴが貼着されており、保護テープＴを介してウェーハＷがチャックテーブル２１に保持される。

研磨装置１の基台１１の上面には、Ｙ軸方向に延在する長方形状の開口が形成され、この開口はチャックテーブル２１と共に移動可能なテーブルカバー１２及び蛇腹状の防水カバー１３に覆われている。防水カバー１３の下方には、チャックテーブル２１をＹ軸方向に移動させるボールねじ式の移動手段（不図示）が設けられている。チャックテーブル２１は、回転手段（不図示）に連結されており、回転手段の駆動によって回転可能に構成されている。また、チャックテーブル２１の表面には、多孔質のポーラス材によってウェーハＷを吸引保持する保持面２３が形成されている。

基台１１にはコラム１４が設置されており、コラム１４には研磨手段５１をＺ軸方向に加工送りする加工送り手段３１が設けられている。加工送り手段３１は、コラム１４に配置されたＺ軸方向に平行な一対のガイドレール３２と、一対のガイドレール３２にスライド可能に設置されたモータ駆動のＺ軸テーブル３３とを有している。Ｚ軸テーブル３３の背面側には図示しないナット部が形成され、これらナット部にボールネジ３４が螺合されている。ボールネジ３４の一端部に連結された駆動モータ３５によりボールネジ３４が回転駆動されることで、研磨手段５１がガイドレール３２に沿ってＺ軸方向に移動される。

Ｚ軸テーブル３３の前面にはハウジング４１を介してスピンドルユニット４２が取り付けられており、スピンドルユニット４２の下部のマウント４３には研磨手段５１が設けられている。研磨手段５１は、チャックテーブル２１に保持されたウェーハＷを研磨するものであり、円環状の支持基台５２の支持面に研磨パッド５３を貼着して構成されている。研磨パッド５３の支持基台５２がマウント４３に取り付けられることで、チャックテーブル２１の上方に研磨パッド５３の研磨面が位置付けられる。スピンドルユニット４２には、配管を介して研磨手段５１に研磨液を供給する研磨液供給手段６１が接続されている。

スピンドルユニット４２の軸心には研磨液が通る流路が形成されており、この流路を通じて研磨液供給手段６１から研磨パッド５３に研磨液が供給される。研磨液供給手段６１からスピンドルユニット４２に向かう配管の途中にはバルブ６２が設けられ、バルブ６２の開閉によって研磨液供給手段６１から研磨液の供給及び停止が切り換えられる。研磨装置１には、装置各部を統括制御する制御手段６５が設けられている。制御手段６５は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等によって構成されている。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成される。

ところで、ＣＭＰでは研磨液の化学成分によってウェーハＷがエッチングされながら、砥粒によってウェーハＷが機械的に研磨される。研磨液の化学成分は温度に応じて活性化具合が変化してウェーハＷのエッチングの進行量が変動する。温度が高ければ研磨液が活性化されることでエッチングが促進されて研磨レートが上昇する。しかしながら、稼働開始直後は研磨パッド５３が温まっておらず、研磨液が十分に活性化するまでの最初の数枚のウェーハＷの研磨については、研磨レートが上がらずに加工時間が長くなってしまっていた。

一方で、研磨パッド５３の温度が高くなりすぎると、砥粒による機械的な研磨によってウェーハＷに面焼けが生じて加工品質が悪化するおそれがある。このように、温度が高ければ研磨レートを上げることができるもののウェーハＷの品質が悪化し、温度が低ければウェーハＷを良好に研磨することができるものの研磨レートが低くなって加工時間が長くなる。そこで、本実施の形態では、研磨パッド５３の表面温度をモニタリングして研磨液の供給及び停止を制御することで、最適な研磨レートでウェーハＷを研磨して加工時間を短縮すると共に加工品質の悪化を抑えている。

以下、図２を参照して、研磨液の供給制御について説明する。図２は、本実施の形態の研磨加工を示す模式図である。図３は、本実施の形態の研磨液の供給制御の説明図である。

図２に示すように、チャックテーブル２１の保持面２３に保護テープＴを介してウェーハＷが保持され、ウェーハＷに対して上方から研磨パッド５３が押し当てられている。研磨パッド５３は支持基台５２に支持されており、研磨パッド５３及び支持基台５２の中央には研磨液を通す供給孔５４、５５が形成されている。支持基台５２の供給孔５５はスピンドルユニット４２の内部流路４５を介して研磨液供給手段６１に連通しており、研磨液供給手段６１から研磨液が研磨パッド５３に供給される。研磨パッド５３は、砥粒が液状結合剤に投入され、この液状結合剤を含浸させた不織布が乾燥されて形成されている。

チャックテーブル２１の隣には、研磨パッド５３の研磨面５６の表面温度を常時検出する温度検出手段５８が設けられている。温度検出手段５８は、いわゆる放射温度計であり、研磨面５６の表面温度を検出して制御手段６５に出力している。なお、温度検出手段５８は、非接触で研磨面５６の表面温度を測定可能な構成であれば特に限定されず、例えばサーモグラフィが用いられてもよい。制御手段６５は、研磨面５６の表面温度が最適な研磨レートが得られる温度範囲に収まるか否かに応じて、バルブ６２の開閉によって研磨パッド５３に対する研磨液の供給と停止を切り換えている。

この場合、制御手段６５は、温度検出手段５８によって検出された表面温度が下限値Ｔ１（図３参照）よりも低い場合には、バルブ６２を閉じて研磨液供給手段６１による研磨液の供給を停止する。これにより、研磨パッド５３とウェーハＷの摩擦熱によって研磨パッド５３の表面温度が上昇する。また、制御手段６５は、温度検出手段５８によって検出された表面温度が上限値Ｔ２（図３参照）よりも高い場合には、バルブ６２を開いて研磨液供給手段６１による研磨液の供給を行う。これにより、研磨パッド５３とウェーハＷの摩擦熱が冷却されて研磨パッド５３の表面温度が低下する。

このように、研磨液の供給及び停止を繰り返すことで、研磨面５６の表面温度が下限値Ｔ１及び上限値２の間に調整されて、適切な研磨レートを維持しながらウェーハＷが良好に研磨される。よって、表面温度が低くなり過ぎて研磨時間が長くなることがなく、表面温度が高くなり過ぎて加工品質が悪化することがない。なお、表面温度の下限値Ｔ１、上限値Ｔ２、研磨液の供給量等の各パラメータは、実際に研磨を繰り返すことで最適な値に設定される。また、これら各パラメータは上記のように実験的に求められた値に限らず、経験的又は理論的に求められた値でもよい。

具体的には、図３に示すように、研磨加工の開始時には研磨面５６（図２参照）の表面温度が下限値Ｔ１よりも低いため、研磨液の供給を停止させた状態で研磨加工が開始される。研磨液の供給が停止されることで、ウェーハＷに対する研磨パッド５３（図２参照）の滑りが悪くなるため、ウェーハＷと研磨パッド５３の摩擦によって、研磨開始から時間が経過するのに伴って研磨面５６の表面温度が上昇する。このように、研磨加工の開始直後は機械的な研磨によってウェーハＷが研磨され、研磨面５６の表面温度を短時間で上昇させることが可能になっている。

なお、研磨加工の開始時には、研磨面５６が完全にドライな状態で研磨することができない。このため、研磨面５６に対してドレスを実施して平坦化及び目立てを実施した後に、研磨液を供給して研磨面５６全体をウェットにして、この状態で研磨面５６に対する研磨液の供給が停止される。すなわち、研磨面５６を研磨液で湿らせて、研磨液の供給を停止させた状態で研磨加工が開始される。

研磨面５６の表面温度が上限値Ｔ２よりも高くなると、研磨加工を継続した状態で研磨液の供給が開始される。研磨液が供給されることで、ウェーハＷと研磨パッド５３の摩擦熱が研磨液に奪われるため、研磨液の供給開始から時間が経過するのに伴って研磨面５６の表面温度が低下する。研磨液が温まることで研磨液の化学成分が活性化しているため、エッチング進行量が増加して研磨レートが上昇する。このように、研磨液によって研磨面５６から熱を奪うことで、化学成分の活性化を促すと共に、研磨パッド５３の温度上昇を抑えることが可能になっている。

再び、研磨面５６の表面温度が下限値Ｔ１よりも低くなると、研磨加工を継続した状態で研磨液の供給が停止され、ウェーハＷと研磨パッド５３の摩擦によって研磨面５６の表面温度が再び上昇する。さらに、研磨面５６の表面温度が上限値Ｔ２よりも高くなると、研磨加工を継続した状態で研磨液の供給が開始され、研磨面５６の摩擦熱が研磨液に奪われて表面温度が再び低下する。このように、研磨液の供給と停止を繰り返すことで、研磨面５６から摩擦熱を研磨液に移動させることで、研磨面５６の表面温度が高くなり過ぎることがなく、定期的に研磨液の化学成分を活性化させて適切な研磨レートを維持し続けることができる。

続いて、図４を参照して、研磨装置の研磨動作について説明する。図４は、本実施の形態の研磨動作の説明図である。

図４Ａに示すように、ウェーハＷを保持したチャックテーブル２１が研磨パッド５３の下方に位置付けられ、チャックテーブル２１が回転されると共に研磨手段５１の研磨パッド５３が高速回転される。そして、回転駆動する研磨パッド５３がウェーハＷに当接され、研磨液の供給を停止した状態でウェーハＷが研磨される。研磨加工時には温度検出手段５８によって研磨面５６の表面温度がモニタリングされており、温度検出手段５８から制御手段６５に研磨面５６の表面温度がリアルタイムで出力される。加工開始時は研磨面５６の表面温度が下限閾値Ｔ１よりも低くなっており、研磨パッド５３とウェーハＷの摩擦によって研磨面５６の表面温度が短時間で上昇される。

図４Ｂに示すように、制御手段６５において研磨面５６の表面温度が上限閾値Ｔ２よりも高いと判定されると、バルブ６２が開かれて研磨パッド５３に対する研磨液の供給が開始される。研磨パッド５３とウェーハＷの摩擦熱が研磨液に奪われることで、研磨面５６の表面温度が低下して面焼けを抑えた状態でウェーハＷが研磨される。また、研磨液の温度が高くなることで、研磨液の化学成分が活性化してウェーハＷの研磨レートが向上される。そして、研磨液の供給と停止を繰り返して、研磨面５６の表面温度を下限値Ｔ１と上限値Ｔ２の間に保つことで、適切な研磨レートで仕上げ厚みまでウェーハＷが研磨される。

（実験例）
以下、実験例について説明する。実験例では、研磨液を供給し続けて研磨加工した場合と、研磨液の供給と停止を制御しながら研磨加工した場合とで研磨レートを比較した。図５Ａに示すように、研磨液を供給し続けて研磨加工する場合には、研磨装置の稼働開始直後の１、２枚目のウェーハＷに対する研磨レートは０．１［μｍ／ｍｉｎ］、０．３５［μｍ／ｍｉｎ］と低く、３枚目のウェーハＷに対する研磨レートは０．８［μｍ／ｍｉｎ］と急上昇した。また、４、５枚目のウェーハＷに対する研磨レートは０．９［μｍ／ｍｉｎ］、０．６［μｍ／ｍｉｎ］となって大きく変動した。さらに、６枚目以降のウェーハＷに対する研磨レートは０．６−０．８［μｍ／ｍｉｎ］付近の値で安定した。このように、研磨液を供給し続けて研磨加工した場合、最初の１、２枚目のウェーハＷの研磨加工時には研磨レートが低く加工時間が長くなり、さらに研磨レートが安定するまで５枚のウェーハＷを研磨加工しなければならなかった。

一方で、図５Ｂに示すように、研磨液の供給と停止を制御しながら研磨加工する場合には、研磨装置の稼働開始直後の１枚目のウェーハＷから研磨レートが０．６［μｍ／ｍｉｎ］以上となり、２枚目以降のウェーハＷに対する研磨レートは０．６−０．８［μｍ／ｍｉｎ］付近の値で安定した。このように、本実施の形態のように研磨液の供給と停止を制御しながら研磨加工した場合、最初の１枚目のウェーハＷから適切な研磨レートで加工時間を短縮することができ、さらに最初の１枚目のウェーハＷから研磨レートが安定することが確認された。

以上のように、本実施の形態の研磨装置によれば、研磨パッド５３の表面温度をモニタリングすることで、表面温度が低い場合には研磨液の供給を停止した状態で研磨して表面温度を上昇させ、表面温度が高い場合には研磨液を供給して表面温度を低下させることができる。このため、研磨装置１の稼働開始直後から研磨パッド５３の表面温度を効率的に上昇させることができ、研磨液の供給及び停止を制御することで、適度な表面温度を維持しながらウェーハＷを研磨することができる。したがって、ウェーハＷの研磨開始から研磨終了まで最適な研磨レートでウェーハＷを研磨することができる。

なお、本実施の形態では、研磨用の砥粒が分散された研磨パッドを例示した説明したが、この構成に限定されない。研磨パッドは、ウェーハを研磨可能な砥粒が分散されていればよい。また、ウェーハとしてシリコンウェーハを研磨する場合には、砥粒としてシリコンと固相反応を誘発する固相反応微粒子とシリコンよりモース硬度が高いゲッタリング微粒子が分散された研磨パッドが用いられてもよい。これにより、研磨液を供給しながらウェーハを研磨することで、固相反応微粒子の働きによってウェーハから研削歪が除去される。その後、純水を供給しながらウェーハを研磨することで、ゲッタリング微粒子の働きによってウェーハにゲッタリング層が形成される。したがって、研磨パッドに純水が供給されるように、研磨手段には純水供給源が接続されている。この研磨パッドは、固相反応微粒子とゲッタリング微粒子が液状結合剤に投入され、この液状結合剤を含浸させた不織布が乾燥されることで形成される。固相反応微粒子としてはＳｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２等が用いられ、固相反応微粒子の粒径は２μｍ以上であることが好ましい。ゲッタリング微粒子としてはダイヤモンド、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＡｌＢ、Ｂ_４Ｃ等が用いられる。

また、本実施の形態では、研磨パッドに砥粒が含有される構成にしたが、この構成に限定されない。研磨パッドに砥粒が含有される代わりに、研磨液に砥粒が含有されていてもよい。すなわち、研磨パッド又は研磨液のどちらか一方にウェーハを研磨するための砥粒が含有されていればよい。

また、本実施の形態では、研磨パッドの中央に供給孔が空けられているが、この構成に限定されない。研磨パッドを通じてウェーハに研磨液を供給可能であれば、研磨パッドの中央には供給孔が空けられていなくてもよい。

また、本実施の形態では、ウェーハを研磨する研磨装置を例示して説明したが、この構成に限定されない。本発明は、研磨手段を備えた他の加工装置にも適用可能であり、研磨装置を含む複数種類の加工装置を組み合わせたクラスター装置等の他の加工装置に適用されてもよい。

また、本実施の形態では、ウェーハとしては、半導体基板、無機材料基板、パッケージ基板等の各種ワークが用いられてもよい。半導体基板としては、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、シリコンカーバイド等の各種基板が用いられてもよい。無機材料基板としては、サファイア、セラミックス、ガラス等の各種基板が用いられてもよい。半導体基板及び無機材料基板はデバイスが形成されていてもよいし、デバイスが形成されていなくてもよい。パッケージ基板としては、ＣＳＰ（Chip Size Package）、ＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）、ＳＩＰ（System In Package）、ＦＯＷＬＰ（Fan Out Wafer Level Package）用の各種基板が用いられてもよい。また、ウェーハとして、デバイス形成後又はデバイス形成前のリチウムタンタレート、リチウムナイオベート、さらに生セラミックス、圧電素子が用いられてもよい。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本発明の実施の形態及び変形例は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施形態をカバーしている。

また、本実施の形態では、本発明を研磨パッドでウェーハを研磨する研磨装置に適用した構成について説明したが、研磨液を用いてワークを研磨する他の加工装置に適用することも可能である。

以上説明したように、本発明は、最適な研磨レートでウェーハを研磨することができるという効果を有し、特に、研削済みのシリコンウェーハを研磨する研磨装置に有効である。

１研磨装置
２１チャックテーブル
５１研磨手段
５２支持基台
５３研磨パッド
５５供給孔
５６研磨面
５８温度検出手段
６１研磨液供給手段
６５制御手段
Ｗウェーハ

Claims

研磨液を供給しながらウェーハを研磨する研磨装置であって、
ウェーハを上面に保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持されたウェーハを研磨する研磨手段とを備え、
該研磨手段は、研磨液供給手段に連通し研磨液を通す供給孔を中央に備える円環状の支持基台と、該支持基台の支持面に貼着された研磨パッドと、を備え、
該研磨パッド又は該研磨液のどちらか一方にウェーハを研磨するための砥粒を含有し、
ウェーハ研磨中の該研磨パッドの表面温度を常時検出する温度検出手段と、制御手段とを備え、
該制御手段は、該温度検出手段によって検出された該表面温度が下限値より低くなった場合には、該研磨液供給手段の該研磨液の供給を停止し、該温度検出手段によって検出された該表面温度が上限値より高くなった場合には、該研磨液供給手段の研磨液の供給を行うこと、を特徴とする研磨装置。