JP3508747B2 - 研磨パッド及びウエハ研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ、特
にＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)ウエハ等の膜付きウエ
ハの研磨に用いられる研磨パッド及びウエハ研磨装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハ研磨では、上面に研磨布が
張り付けられた定盤を回転させ、研磨布上に研磨液を滴
下しながら、研磨布にウエハ支持板に固定したウエハ
を、ウエハ支持板により回転させつつ押し付けて、ウエ
ハと研磨布との摩擦により研磨を進行させる方法が広く
用いられている。この方法において、研磨加工量は通
常、定盤の回転速度、研磨荷重、研磨液の供給量及びそ
の温度、ウエハの回転及び揺動、等が厳しく管理された
条件下で、研磨時間によって調節される。

【０００３】研磨によるウエハ厚さの減少量と研磨時間
とから平均の加工速度を求め、研磨時間の決定に用い
る。通常のウエハ研磨においては、加工速度の測定はこ
の方法以外になく、又諸条件の変動がもたらす数％の加
工速度の変動は実用上支障がないので、この方法で十分
であった。

【０００４】膜付きウエハにもこの研磨方法が適用され
る。通常のウエハの研磨と比較すると、研磨加工量の変
動の許容幅が小さいので、研磨時間で加工量を制御しよ
うとすれば、加工速度のわずかな変動も許さないような
厳しい工程管理が必要となる。この種の研磨では膜の厚
さの調節がその主な目的であって、研磨加工量の制御は
その手段に過ぎない。膜の厚さは肉眼による干渉縞の観
察あるいは光学的な測定によって知ることが出来るの
で、実験的な研磨では、研磨を時々中断して、膜厚を確
認しながら研磨終了の時期を決めるのが一般的である。

【０００５】この方法は失敗の少ない安全な方法である
が、生産のための方法としては問題が多い。即ち、研磨
を中断する度にウエハの洗浄、乾燥が必要なため、１枚
当たりの処理時間が長く、自動化のための機構が複雑と
なり研磨費用が高くなる問題がある。又、中断と中断の
間の時間が短くなると、定常状態の研磨と条件が異なっ
てくるため、予期した研磨加工量が得られず、かえって
制御性が悪化してしまうという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、研磨途中で
ウエハを定盤から離すことなく研磨中の膜の厚さを知る
ことができ、研磨の高精度な制御が効率よくできるウエ
ハの研磨に用いられる研磨パッド及びウエハ研磨装置を
提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による課題を解決
するための手段は、(1)研磨時に回転して使用され、回
転中心を有する研磨パッドであり、前記回転中心に向か
う方向に相対的に長く、前記方向に垂直な方向に相対的
に短い平面形状を有する窓が設けられている研磨パッ
ド、(2)回転する定盤の研磨布が張り付けられた面に、
ウエハ支持板により支持したウエハを回転させつつ押し
付けて研磨する研磨装置において、前記定盤及び研磨布
の回転中心と周縁との間に窓が設けられ、該窓のうち前
記研磨布に設けられた窓は前記回転中心に向かう方向に
相対的に長く、前記方向に垂直な方向に相対的に短い平
面形状を有し、前記定盤及び研磨布に設けられた窓から
研磨中のウエハ研磨面の光反射状態をモニタして、ウエ
ハの研磨終了点を判定するモニタ装置を有することを特
徴とするウエハ研磨装置、にある。

【０００８】また、特許請求の範囲の請求項としては記
載しないが、本発明の別な態様として、(3)回転する定
盤の研磨布の張り付けられた面に、研磨液を滴下しつ
つ、ウエハ支持板に固定したウエハをウエハ支持板によ
り回転させつつ押し付け研磨する方法において、定盤及
び研磨布の回転中心と周縁との間に設けた窓からウエハ
の研磨面の光の反射状態を見て研磨状態を判定するウエ
ハ研磨方法、(4)光の反射状態を電荷結合素子を用いた
撮像装置とその撮像表示装置で見るか、分光反射率測定
装置で見る上記の方法、(5)回転装置により回転する定
盤と、定盤の表面に張り付けられた研磨布と、定盤の中
心と周縁との間の研磨布に対面し軸方向移動可能に配置
され、回転装置により回転するウエハ支持板と、定盤の
中心と周縁との間の研磨布張り付け面に半径方向に延長
して設けた溝と、該溝と一致させ研磨布に設けた研磨布
窓と、定盤の前記溝内に設けた貫通孔と、該貫通孔を閉
じる透明窓材と、定盤の前記溝を有する面の反対側で貫
通孔の回転路に臨ませ配置した、前記の透明窓材を通し
て光をウエハ支持板に固定したウエハの研磨面に照射し
その反射光を受光するプローブと、該プローブに接続し
た光ケーブルと、光ケーブルに接続した光ケーブルへの
光供給装置と反射光観察又は評価装置とを備えているウ
エハ研磨装置、(6)回転装置により回転する透明な材料か
らなる定盤と、定盤の表面に張り付けられた研磨布と、
定盤の中心と周縁との間の研磨布に対面し軸方向移動可
能に配置され、回転装置により回転するウエハ支持板
と、定盤の中心と周縁との間の研磨布張り付け面に半径
方向に延長して設けた溝と、該溝と一致させ研磨布に設
けた研磨布窓と、定盤の前記溝を有する面の反対側で前
記の溝に臨ませ配置した、前記定盤を通して光をウエハ
支持板に固定したウエハの研磨面に照射しその反射光を
受光するプローブと、該プローブに接続した光ケーブル
と、光ケーブルに接続した光ケーブルへの光供給装置と
反射光観察又は評価装置とを備えているウエハ研磨装
置、(7)定盤に設けた溝が中心から放射状に伸びる近接
した２本の直線に囲まれた形状をなしている上記のウエ
ハ研磨装置、(8)反射光観察装置が電荷結合素子を用い
た撮像装置とその撮像表示装置とからなるか、反射光評
価装置が分光反射率測定装置である上記のウエハ研磨装
置、がある。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明において、定盤及び研磨布
の回転中心と周縁との間に設けた窓からウエハの研磨面
の光の反射状態を見て研磨状態を判定すれば、研磨を中
断せずに研磨状態の終点を知ることが出来るので、研磨
処理の時間を短くでき、装置も簡単で済む。光の反射状
態は、光ケーブルでウエハの研磨面に光を照射してその
反射光をビデオカメラに用いられている電荷結合素子
（ＣＣＤ）を用いた撮像装置で取り、これをブラウン管
などの撮像表示装置で表示せしめ、撮像表示装置に現れ
た干渉縞により厚さを判断する。膜厚の場合、２μｍ以
下では旧型の蛍光灯や白熱灯で縞が見え、１μｍ以下で
は白色灯で虹色の縞が見える。

【００１０】又、光ケーブルでウエハの研磨面に光を照
射してその反射光を分光反射率測定装置に入れ、特定の
波長のピークにより所望の厚さになったことを知る。こ
の研磨状態の判定は、研磨中に行っても、研磨を一時停
止して行ってもよい。一時停止しても前記の従来の方法
よりも研磨終点までの時間は極めて小さくできる。

【００１１】本発明のウエハ研磨装置において、透明窓
材とウエハとの間にできる研磨液の膜を通してウエハの
研磨面に照射した光の反射光を観察あるいは評価するの
であるが、研磨液は液中に微粒子が懸濁したものであ
り、光を散乱する性質をもっているので、透明窓材の表
面とウエハの研磨面との間の間隔が小さい方が観察ある
いは評価に都合がよい。

【００１２】定盤の中心と周縁との間の研磨布張り付け
面に半径方向に延長した溝を設けるのは、研磨布にだけ
研磨布窓を設けたのでは、研磨液に空気が混じる恐れが
あり、空気が混じると観察が困難となるので、研磨液を
十分保持できるようにし、空気が混じらないようにする
ためである。溝に研磨液を十分保持させるため、この溝
や研磨布窓は研磨加工に寄与しない領域となるので、ウ
エハ面内の加工量分布を乱さない形を選ぶ必要があり、
定盤の中心から周辺にウエハの研磨面が同一時間で通過
するように、定盤の中心から放射状に伸びる近接した２
本の直線に囲まれるようにするのがよい。

【００１３】このような形状とすれば、研磨中にウエハ
が圧縮荷重を受けて圧縮されている研磨布上から圧縮さ
れていない研磨布の部分に乗り上げる時に、研磨布窓に
引っ掛かったりしないで、研磨布窓よりくぼみを乗り越
えて滑らかに研磨布に乗り上げることができる。

【００１４】透明窓材の溝中における位置及び形状は任
意である。観察または測定をウエハの中心で代表させて
良い場合には、透明窓材の位置をウエハの回転中心の下
に位置させてもよい。

【００１５】アルミニウムのような光の透過しない材料
で定盤が作られている時は上記のように、定盤に貫通孔
を設けて研磨液が漏洩しないように透明窓材で貫通孔を
閉じて光を通過させるようにするが、透明ガラスのよう
な光の通過する材料で定盤が作られているときは、貫通
孔や透明窓材を必要としない。しかし、ウエハの研磨面
と、溝底との間隔を小さくするために、光を透過させる
部分だけ溝底を高くするのがよい。

【００１６】光をウエハの研磨面に照射しその反射光を
受けるプローブは、研磨を停止して観察又は評価を行う
場合は問題はないが、研磨中に観察又は評価を行う場
合、定盤の光通過窓は回転しており、ウエハも自転して
いるので、ウエハの特定場所を正確に観察又は評価する
のに時間を必要とするときは、ウエハの自転速度と同じ
速度でプローブを光通過窓と同じ回転路において往復運
動させればよい。

【００１７】分光反射率測定装置で膜厚の評価を行う場
合には、測定毎に膜厚を計算で求めることが出来るの
で、研磨の終点を正確に決定できる。研磨中に膜厚計算
を行わず、膜が目標の厚さになったときの分光反射率を
予め計算で求めておいて、測定した分光反射率の特徴が
計算と一致した時点で研磨を終了してもよい。

【００１８】

【実施例】図１、図２に示した実施例について説明す
る。定盤１は直径３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍのアルミニ
ウム製の円盤で、その中心の片面に定盤１を回転するた
めの軸が固定してある。定盤１の軸を固定した面の反対
側の面には、中心から放射状に伸びる近接した２本の直
線で囲まれ、中心付近から周縁近くまで伸びた溝２が設
けてある。溝２の中心側の幅は５ｍｍで周縁側の幅は１
５ｍｍ、深さ１ｍｍとなっている。溝２の長手方向中央
には、直径１０ｍｍの貫通孔３が設けられ、溝２の反対
側では円錐状に拡大している。貫通孔３の溝２側にはパ
イレックス（商品名）透明ガラス製の透明窓材４が嵌め
込まれ、研磨液が漏れないようにしてある。

【００１９】定盤１の溝２を有する面には、定盤１と同
形の厚さ０.７ｍｍのローデルニッタ社製、商品名suba
−500ウレタン含浸ポリエステル不織布からなる研磨布
５が張り付けられ、溝２に相当する部分は溝２と同形に
切り抜かれて、研磨布窓６が形成されている。透明窓材
４は定盤１の表面より約０.５ｍｍ突出するが、研磨布
５の弾性を考慮しても研磨布５の表面より十分低くなっ
ている。

【００２０】定盤１の溝２の反対側には透明窓材４の回
転路に面して研磨するウエハ７の研磨面に光を照射しそ
の反射光を受光するプローブ９が配置されている。プロ
ーブ９はピント調節用レンズを内蔵し、光ケーブル１０
に接続され、その他端は二股に別れ図示していない分光
反射率測定装置と測定用光源に接続されている。

【００２１】片面に回転用の軸が固定された直径１１０
ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状のアルミニウム製のウエハ
支持板８に、表面に熱酸化膜を形成した２枚のシリコン
ウエハを、熱酸化膜を接せしめて接着し、一方のウエハ
を平面研削して厚さ１５μｍのシリコン膜として直径１
００ｍｍのＳＯＩウエハを、平面研削加工していない面
をワックスで張り付けた。

【００２２】粒径が０.０１μｍ以下のシリカ粉末を含
むアルカリ性溶液からなるローデルニッタ社製、商品名
NALCO−2350を２０倍に希釈した研磨液を定盤１の研磨
布５の表面に滴下しつつ、定盤１を毎分５０回転させな
がら、ウエハ支持板８に張り付けたウエハ７を、自転速
度毎分４０回転で回転させつつ、研磨布５に、回転中心
が透明窓材４の上に位置するように、研磨荷重１０ｋｇ
ｆで押し付けて目標膜厚を１μｍにして研磨を開始し
た。

【００２３】この条件では、透明窓材４の移動線速度は
約５００ｍｍ／秒なので、直径１０ｍｍの透明窓材４を
通してウエハ７の中心を測定出来る時間は、１回の通過
に付き約１０ｍ秒である。この時間は、波長範囲６８０
〜８００ｎｍ、分解能１ｎｍで行う分光反射率測定に対
して十分であった。測定の参照基準には、同じ条件に置
いたシリコンウエハを用いた。

【００２４】研磨開始時、膜の分光反射率は、シリコン
ウエハと同一のスペクトルを示したが、研磨の進行に伴
い反射率の波長に対する周期的な変動が現れ、徐々にそ
の振幅を増した。反射光強度の個々のピークは相互の間
隔を狭めながら短波長側へと移行した。個々のピークの
移動により、測定波長範囲内のピークが入れ代わるにつ
れて、ピークの間隔は次第に広がった。

【００２５】計算によれば、ＳＯＩの厚さ１μｍのシリ
コン膜の分光反射率は波長７００ｎｍと７７０ｎｍにピ
ークを持つ。そこで、一つのピークの位置が７００ｎｍ
を下回った時点で次のピークの位置を読み、それが７６
５ｎｍ以上であれば研磨を終了するものとし、７６５ｎ
ｍ未満であればその位置を追跡しながら研磨を続行し
た。

【００２６】このようにして１０枚のＳＯＩウエハを研
磨した結果、総てのウエハにおいて中心の膜厚は０.９
８〜１.００μｍの範囲に収まっていた。研磨の所要時
間は３０〜４５分の範囲にあった。

【００２７】比較例 実施例と同様の条件で同一のＳＯＩウエハのシリコン膜
の研磨を行った。研磨途中での膜厚の測定は次のように
観察により行った。１.研磨液の供給を停止し、研磨布
に純水をかけ流した後、定盤及びウエハ支持板の回転を
停止する。２.ウエハをウエハ支持板ごと取り上げ純水
でゆすいで水を切る。３.照明に照らされた面光源にウ
エハを映して観察する。４.下記の目安で膜厚を観察す
る。５.ａ)研磨終了の場合、ウエハ支持板からウエハを
外す。ｂ）目標より厚い場合は、研磨を再開、所定時間
の後１.へ 干渉縞の観察による膜厚判断の目安 ナトリウムランプ照射下で縞がぼんやり見える→８〜１０μｍ以下 〃 はっきり見える→ ５μｍ以下 ３波長発光型蛍光ランプ照明下で縞が見える → ３μｍ以下 旧型の蛍光ランプや白熱ランプでも見える → ２μｍ以下 白色光下（普通の照明）で虹色を呈する。 → １μｍ以下 正味の研磨時間は３０〜４０分であったが、ウエハ１枚
につき２〜４回研磨を中断して膜厚測定を行ったため、
平均の研磨時間としては１時間を要した。膜厚測定の結
果を元に１０秒単位で研磨終了の時期を決めたが、最終
的にウエハ中心の膜厚は０.９〜１.１μｍの範囲に分布
した。又、研磨終了時期をこれより細かく調節しても制
御性が良くなることはなく、従来法の研磨の限界精度と
考えられた。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、研磨途中でウエハを定
盤から離すことなく研磨中の膜の厚さを知ることができ
るので、研磨の高精度な制御が効率よくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のウエハ研磨装置の一部断面側面図であ
る。

【図２】図１の定盤１の一部平面図である。

【符号の説明】

１ 定盤 ２ 溝 ３ 貫通孔 ４ 透明窓材 ５ 研磨布 ６ 研磨布窓 ７ ウエハ ８ ウエハ支持板 ９ プローブ １０ 光ケーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２４Ｂ 49/12 Ｂ２４Ｂ 49/12 // Ｇ０１Ｂ 11/06 Ｇ０１Ｂ 11/06 Ｇ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨時に回転して使用され、回転中心を
   有する研磨パッドであり、前記回転中心に向かう方向に
   相対的に長く、前記方向に垂直な方向に相対的に短い平
   面形状を有する窓が設けられている研磨パッド。
2. 【請求項２】回転する定盤の研磨布が張り付けられた面
   に、ウエハ支持板により支持したウエハを回転させつつ
   押し付けて研磨する研磨装置において、 前記定盤及び研磨布の回転中心と周縁との間に窓が設け
   られ、該窓のうち前記研磨布に設けられた窓は前記回転
   中心に向かう方向に相対的に長く、前記方向に垂直な方
   向に相対的に短い平面形状を有し、前記定盤及び研磨布
   に設けられた窓から研磨中のウエハ研磨面の光反射状態
   をモニタして、ウエハの研磨終了点を判定するモニタ装
   置を有することを特徴とするウエハ研磨装置。