JP5357561B2 - 表面の研磨代が均一な半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面の研磨代が均一な半導体ウェーハの製造方法に関する。

Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｚ（ＳＯＱ）基板は、ＴＦＴ液晶モニタ製造用の光学デバイス等へ、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ（ＳＯＳ）基板は高周波デバイス等へ、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板は高速デバイス等への応用が期待されている。

これらの基板の製造工程を図７に示す。単結晶シリコン薄膜の材料となる基板は、一般に市販されている単結晶シリコン基板が利用され、その導電型や比抵抗率等の電気特性や、結晶方位や、直径等は、ＳＯＱ、ＳＯＳ、ＳＯＩ基板の用途により適宜選択される。
最初の工程において、ドナー基板１０１としての単結晶シリコン基板の表面には、一般的には熱酸化等よって酸化膜１０３を形成するが、酸化膜の形成は必須ではなく、形成しなくてもよい。
次に、単結晶シリコン基板に酸化膜を形成した表面１０５から水素イオンを注入する。水素イオンの注入により、単結晶シリコン基板の表面近傍の所定の深さにイオン注入層１０４が形成される。
イオン注入層１０４を形成した後、予め用意しておいたハンドル基板１０２との接合、熱処理、および、剥離の３工程を経て貼り合わせウェーハ１０６を得るが、これらの工程には次の２つの方法がある。

一つはＳｍａｒｔＣｕｔ法と言われている方法である。即ち、水素イオンを注入した単結晶シリコン基板１０１とハンドル基板１０２を貼り合わせ、概ね５００℃以上の熱処理を施して、注入水素イオンの濃度が最も高い領域において、シリコン薄膜１０７を熱剥離させる方法である。この方法においては、水素イオンの注入で形成された水素ブリスタと呼ばれる高密度の気泡を加熱により成長させてシリコン薄膜１０７を剥離する。

他の一つは、ＳｉＧｅｎ法といわれる方法である。この方法においては、水素イオンを注入した単結晶シリコン基板１０１とハンドル基板１０２の貼り合せ面１０８をプラズマで処理して表面に活性化処理を施したうえで両基板を貼り合わせ、低温（例えば、１００〜３００℃）で熱処理を施して接合強度を高めた後、常温で「機械的衝撃」を加えることによりシリコン薄膜を剥離する。

いずれの方法においても、剥離後のシリコン膜の厚さは水素イオンの注入深さによって決定される。注入深さは、イオン注入装置の加速電圧によって決定され、高度に均一であり、剥離後のシリコン膜の厚さも高度に均一となる。

尚、ここで言う剥離後のシリコン層の膜厚は、光干渉式膜厚計で測定され、測定ビーム光のスポット径である直径約１ｍｍ内において平均化された値である（図８を参照）。その膜厚のウェーハ面内でのバラツキは約２ｎｍと小さい。尚、この値よりも大きな約５ｎｍの膜厚のバラツキであってもデバイスの性能には許容されるといわれている。

一方、剥離が気泡成長で行われても、「機械的衝撃」で行われても、結晶構造が破壊されるために表面粗さは悪い。非特許文献によれば、剥離後のシリコン層の表面には、図８の概念図に示すように、表面粗さは１μｍ×１μｍの領域で、Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ（ＰＶ値）で６５ｎｍ程度の高低差があるとされている。６５ｎｍ程度の高低差を除去し、デバイスの作製に必要な面粗さである０．２ｎｍ以下を得るため、剥離後のシリコン層の表面には研磨加工が施される。そして、そのために必要な研磨代は、概略１００ｎｍとされている。

この様な背景を基礎として、研磨加工においては、研磨代は概略１００ｎｍとする。そして、研磨後の膜厚のバラツキを許容範囲に収めるためは、研磨加工においては、剥離後の高度の膜厚の均一性が維持されるように研磨すれば良い。このことを、研磨代で表せば、研磨代がウェーハ全面の均一になるように、換言すれば、研磨代の形状が平坦になる様に研磨すれば良い。その為には、研磨にかかる条件をウェーハの全面で均一にすればよい。

特開２００８−１３０８８４号公報

ＵＣＳ半導体基盤技術研究会監修「ＳＯＩの科学」（Ｒｅａｌｉｚｅ社）第二章参照（２０００年）

本発明は、上記現状に鑑み、半導体ウェーハ、例えば、貼り合わせウェーハの半導体ウェーハにおいて、ウェーハ面内での膜厚のバラツキを小さくし、好ましくは平均研磨代±５％以下とすることができる研磨技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、表面の研磨代が均一な半導体ウェーハの製造方法であって、被処理半導体ウェーハ表面に研磨布を接触させながら、前記研磨布に対して前記被処理半導体ウェーハを相対移動させ、研磨布と前記被処理半導体ウェーハの表面とを摺擦させる際に、前記研磨布の表面における前記被処理半導体ウェーハと摺擦する領域のうち、少なくとも一部の領域に光および／または流体を直接作用させることよりなり、前記相対移動が、回転および揺動であり、前記揺動は、定盤中心とウェーハ中心との間の距離を変動させる動きであり、前記光および／または流体を作用させる工程に先立ち、研磨前の膜厚分布を測定する工程と、前記測定された研磨前の膜厚分布および研磨後の目標とする膜厚分布に基づいて、研磨代分布を算出する工程とを含み、該研磨代分布に基づいて光および／または流体を作用させる半導体ウェーハの製造方法である。

本発明にかかる半導体ウェーハの表面研磨方法により、例えば、ＳＯＩウェーハ等において、転写された半導体ウェーハの膜厚のバラツキが小さいシリコン層を得る研磨技術を提供することができる。

研磨中の研磨布の表面の諸性状を示す模式的グラフである。 膜厚制御の原理を説明する正面図である。 研磨前の形状と手段の作用領域を示す模式的正面図である。 研磨布の表面条件を制御する手段として空気噴出流を用いた場合の研磨代制御装置の模式図である。 エアシャワーの有無による研磨布表面温度分布の差異を模式的に示すグラフである。 エアシャワーの有無による研磨代断面形状の修正効果の差異を説明する表面形状の模式的断面図である。 従来のＳＯＩ基板の製造工程を示す模式的断面図である。 面粗さと膜厚のばらつきとの関係を示す概念図である。 従来の研磨装置の構成を示す（ａ）平面図、ならびに、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 従来の研磨代の断面形状を示す模式的断面図である。 従来の研磨代形状の修正方法を示す模式的断面図である。 従来の研磨代形状の修正方法を示す模式的断面図である。

以下に、本発明を、図面を参照して詳細に説明する。同じ部材には同じ符号を付して表した。なお、本発明は以下に説明する形態に制限されるものではない。
本発明にかかる表面の研磨代が均一な半導体ウェーハの製造方法は、例えば、ＳＯＩ基板に形成された被処理半導体ウェーハ表面の研磨処理に好適に用いることができる。
上記被処理半導体ウェーハの膜厚としては、充分な研磨代と研磨に耐えうる強度を確保しうる範囲であれば特に限定されず、例えば、１５０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることができる。

本発明は、種々の半導体ウェーハにおける研磨代の面内分布を調整する方法に適用されうるものであるが、透明で絶縁性がある石英基板、サファイア基板、あるいは単結晶シリコン基板等のハンドリング基板表面に単結晶シリコン薄膜を有するものを特に好適な対象とする。石英基板上に単結晶シリコン薄膜を形成したもの（ＳＯＱ基板と言う）（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ）、サファイア基板上に単結晶シリコン薄膜を形成したもの（ＳＯＳ基板と言う）、あるいは単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン薄膜を形成したもの（ＳＯＩ基板と言う）に適用できる。

まず、ＳＯＩ基板（以下ウェーハと言う）の研磨技術を説明する。
図９（ａ）（ｂ）に示す一般的な研磨装置１１１では、研磨定盤１１３の表面に、研磨布１１４が貼り付けられ、駆動軸１１７を介して駆動機構に接続され回転運動１２０が加えられる。回転運動をしながら研磨布１１４の回転中心近傍に研磨剤１１９が流下されるようになっている。
研磨されるウェーハ１１２は、ウェーハ保持板１１６に着脱自在に保持されている。ウェーハ保持板１１６は、セラミック板よりなる剛性が高いものと、ゴムシートよりなる剛性が低く柔軟性が高いものの２種類がある。ウェーハ保持板１１６は研磨ヘッドに取り付けられ、研磨ヘッドは駆動軸１１７を介して駆動装置と連結され、揺動運動１２１並びに回転運動１２２が与えられる。尚、揺動運動１２１とは、定盤中心とウェーハ中心との間の距離を変動させる動きをいう。ウェーハ保持板１１６の背面側には図示しない荷重付与機構が設置され、ウェーハ１１２を研磨布１１４に押し付ける荷重を加えることができる。また後述する方法Ａを実施する場合、定盤１１３背面には、定盤１１３表裏に生じる温度差による熱変形で定盤形状を制御するための熱媒体１１５が設けられ定盤１１３と定盤１１３にボルトで結合した定盤受け１２３との間に収納されている。
ウェーハ保持板１１６へのウェーハ１１２の保持は、ウェーハ保持板１１６が剛体の場合は真空吸着によって行われるが、ウェーハ保持板の剛性が低い場合は（例えば、ゴム製のシートで作製されている場合）、ウェーハ１１２の周囲に備えられたリテーナーリングによって行われている。

ウェーハ１１２の研磨は、前記の研磨装置を用いて、研磨剤１１９を研磨布の表面に供給しつつ、ウェーハ１１２を研磨布１１４に接触させ、押付荷重を加え、研磨布１１４とウェーハ１１２の両者を回転させつつ揺動運動を与えて研磨布とウェーハを摺擦させることによって行う。

研磨に拠るシリコン層の除去量（研磨代）は、所謂プレストンの式に従い、研磨圧力、時間、摺擦速度に比例するといわれている。ウェーハの全面の研磨代を均一にするため、研磨圧力、時間、摺擦速度がウェーハの全面で均一になる様に、研磨機の運転条件、研磨装置特に研磨ヘッド構造、研磨布等に工夫が施されている。しかしながら、研磨代をウェーハ全面で完全には均一とすることはできず、デバイスが許容する膜厚バラツキ（約５ｎｍ以下）を達成することは困難である。その原因は、実際にはプレストンの式で考慮されている要因以外にも、研磨には多数の要因が複雑に関連し相互に影響している為である。例えば、研磨布１１４に加わるウェーハ１１２の研磨負荷は、研磨布の半径方向で不均一に分布するため、研磨布とウェーハとの摩擦熱、すなわち研磨布の表面温度は半径方向で不均一となり、メカノケミカル的に行われる研磨の不均一性を引き起こす。さらに、ウェーハとの摺擦によって、不織布である研磨布表面の微小な突出の先端は磨耗されるが、この磨耗の状況もウェーハの研磨負荷に依存するので、研磨布の表面状況は研磨布の半径方向で不均一となる。さらに、研磨除去されたシリコンの研磨生成物が研磨布の空隙を埋める目詰まり現象も研磨布の半径方向で不均一に進行する。この様に、研磨布の半径方向での研磨の条件が不均一となる傾向は、研磨においては本質的に内在している性質と言える。

研磨布の半径方向での研磨の条件が不均一となる傾向を緩和すること目的として、一般に次の操作が行われている。例えば、（１）摩擦熱を除去し研磨布表面温度を均一にするため、定盤内部に冷却水を流す。（２）研磨布の表面の粗さを均一にするため、研磨布の表面を僅かに研削除去し常に新しい表面を創生する、いわゆるドレッシング操作を行う、（３）研磨布の目詰まりを除去するため、ブラッシング操作を行う、（４）ウェーハの表面全域に研磨剤が均等に供給されるよう研磨布表面に溝を形成する等である。

しかしながら、これらの操作を施しても、研磨代の均一性を満足できるレベルにすることは困難である。そして、研磨後得られる研磨代の形状は、ウェーハの中心を中心とした軸対称形状となる。図１０に示すように、ウェーハ断面形状の大多数は凹形状、凸形状、波形状（文字Ｗに類似した形状、即ち中心部と外周部で大きくその中間が薄い形状）の３種類となる。

上記半径方向の研磨条件を均一にする方法では、研磨代の均一性は得られないことを前提として、研磨代が不均一になった場合、研磨に関る何らかの条件を変えることによって、換言すれば故意に不均一にすることによって、研磨代を均一にする方法である。例えば、下記の技術である。

一つの方法（方法Ａと言う）は、図１１に示すように、剛性が高いウェーハの保持板１１６を用いている研磨装置に有効な方法である。凹形状、即ち膜厚では凸形状に研磨されている研磨代形状を平坦に修正したい場合、定盤１１３の形状を凸形状に変形させ、シリコン薄膜１０７の外縁部の研磨圧力を中央部の研磨圧力より故意に低くなるようにして、シリコン薄膜１０７の外縁近傍の研磨代を減少させることによって、研磨代を均一にする方法である。しかし、この方法には、（１）定盤形状の制御が難しい。（２）凹凸形状には対応できるが、波形状には対応できない等問題点が多い。

他の方法（方法Ｂと言う）は、剛性が低いウェーハ保持板を用いる研磨装置に有効な方法である。
即ち、図１２に示すようにゴム製のシート、プラスチック製の薄板等の柔軟性に富み剛性が低いウェーハ保持板１１６を用意する。このウェーハ保持板１１６とシリンダ１２７によって画定される空間１２４を、ウェーハ１１２の中心と同じ位置に中心を有する２つ以上の異径同心円を画定する隔壁１２６によって３つ以上の領域（１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃ）にそれぞれ分割する。それぞれの領域を圧力印加部材１２５によって異なる流体圧力で押圧可能とし、研磨代が少ない（多い）領域の研磨圧力を高く（低く）制御することによって、研磨代を均一する方法である。
ここでウェーハ保持板１１６とウェーハ１１２自身は容易に変形し、空間の圧力分布と、ウェーハ１１２と研磨布１１４との接触圧力分布とはほぼ等しくなる。研磨代は接触圧力分布に比例するので、上記各領域（１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃ）の圧力を制御することにより、研磨代の分布を制御することができる。
この方法は、凹形、凸形、波形いずれの研磨代の形状の修正にも対応できる長所はあるが、短所としては、（１）ヘッド構造が複雑である、（２）背面側の部材が複雑となる、（３）ウェーハ剛性の影響を受ける、（４）オリエンテーションフラット［ＯＦ］付ウェーハではＯＦ近傍では接触圧力を均一にすることができず、研磨代が均一にならない等の欠点がある。

研磨加工は、ウェーハ表面と研磨布表面の摺擦面で行われる為、摺擦面の状況に強く影響されるが、上記２つの方法（方法Ａ、Ｂ）においては、摺擦面を制御する手段が、摺擦面から遠く離れている。
方法Ａは、定盤１１３表裏に生じる温度差による熱変形で定盤形状を制御するものであり、その手段は、定盤１１３背面の熱媒体１１５の温度である。そして、摺擦面と熱媒体との間には研磨布と定盤が存在するため、熱媒体の温度を制御しても、摺擦面の研磨状況に正確に反映させることができない。
方法Ｂでは、摺擦面と制御因子である流体との間には、ウェーハ１１２と剛性が低いウェーハ保持板１１６が存在する。ウェーハ保持板１１６の剛性を小さくするにも限界があるうえ、ウェーハ１１２の材質は、シリコン・石英・サファイアであり剛性が高く、また表面に貼り付けられたシリコン薄膜との間に生じる応力により、大きく歪んでいる。このため、流体の圧力を制御しても、研磨代に正確に反映することは困難である。

一方、摺擦面であるウェーハ１１２の表面に剛性物質によって直接作用する手段としてドレッシング操作がある。しかしながら、この操作には、ドレッシング工具である砥石から砥粒が脱落し、脱落した砥粒によってウェーハ１１２の表面を傷つける虞があるため好ましいとはいえない。

さらに、ウェーハ１１２の表面に剛性部材によって直接作用する他の手段として、ブラッシング操作がある。しかしながら、この操作においても、ブラシの先端が研磨布表面を傷つけ、さらにはウェーハ１１２の表面への悪影響を及ぼす虞があり、好ましいとはいえない。

そこで、本発明にかかる表面の研磨代が均一な半導体ウェーハの製造方法は、研磨布を被処理半導体ウェーハ表面に接触させながら、前記被処理半導体ウェーハを前記研磨布に対して相対移動させ、研磨布と前記被処理半導体ウェーハの表面とを摺擦させる際に、前記研磨布の表面における前記被処理半導体ウェーハと摺擦する領域のうち、少なくとも一部の領域に光および／または流体を直接作用させることとした。
上記「流体」とは、流動性を有しており、研磨布の表面物性等を変化させうるものであれば、気体であっても、液体であっても、固体であってもよい。

被処理半導体ウェーハ（以下、単に「ウェーハ」と称する）に研磨加工を施している際の研磨布の表面の諸性状の半径方向の分布を図１に示す。
研磨布に加わるウェーハの負荷は、ウェーハの形状が円形であるため、研磨布の半径方向において不均一である。即ち、ウェーハと研磨布とが接触する領域においては、凸形状の曲線で、その両側の接触しない領域ではゼロである。
研磨布とウェーハとの摺擦運動によって研磨布の表面では摩擦熱が発生する。
摩擦熱の発生量は、ウェーハの負荷に比例するので、その半径方向の分布は、ウェーハの負荷と同一であり、不均一である。

発生した摩擦熱は、研磨布の表面、並びに研磨剤へ伝えられ、それぞれの温度を上昇させる。そして、研磨剤は、定盤の回転運動による遠心力により、研磨布の中央領域から外縁方向へ研磨布の表面を流れ、研磨布との間では熱の交換を行う。このため、研磨布の表面温度の半径方向の分布は、ウェーハの負荷分布とは異なる分布を示す。研磨布の表面温度の研磨布中央から外縁方向への分布は、研磨布の中央領域では供給される研磨剤の温度とほぼ同じであるが、その外側の研磨布とウェーハとが摺擦する領域では急激に高くなりピークに達した後は、緩慢に低くなる。そして、研磨布とウェーハとが摺擦する領域の外側においても、緩慢に低くなる傾向は継続するが、温度そのものは中央領域よりも高い。

研磨剤の供給量は、ウェーハ表面の研磨サイトへ研磨剤が充分に供給されるように、シリコンの研磨加工によって消費される量よりも、遥かに多量に供給される。このため、研磨剤の濃度は、研磨布の半径方向で実質的に一定であるとみなせる。

その他の研磨に関与する条件、例えば、研磨布表面の磨耗、研磨布目詰まり、研磨布の粘弾性等は、ウェーハの研磨負荷の影響を受け、研磨布の半径方向では不均一となる。

ここまでは、研磨に影響する研磨布表面の諸性状、条件が、研磨布の半径方向では不均一に分布していることを示した。しかし、半径が同じである同心円上の環状の分布は、研磨布の回転運動に強く支配されるため、均一であると見做せる。厳密には揺動運動の影響を受けて変動するが、揺動の振幅がウェーハの直径に比べ小さいこと、揺動の周期がウェーハの全研磨時間に比べ小さいことにより実質的に無視できる。

従って、研磨布がシリコンを研磨除去する能力は、研磨布の半径方向では不均一に分布しているが、半径が同じである同心円の環状部では均一に分布しているとして扱える。

研磨布の半径方向での不均一性の影響を受けて、研磨代の形状は次のメカニズムで決定される。図２に示す。ウェーハ２上の同心円の環状部では、研磨代が等しいところから、ウェーハ２上の半径Ｒの位置の点Ｐは、同心円の環状部の全ての位置を代表していると考えられる。
点Ｐが研磨布４と接触する領域は、ウェーハ２の回転運動により、研磨布上の領域ＡＢＣである。従って、点Ｐの研磨のされ方は、領域Ａ、領域Ｂ、および、領域Ｃの研磨状況が総合されたものである。この過程で、研磨布４の半径方向の不均一性は平均化され緩和される。

点Ｐがウェーハ２中心に位置するほど、研磨布４との接触領域は狭く、ウェーハ２の外周部に位置するほど接触領域は広くなる。そして、接触領域の差異が、研磨布４によるシリコンを除去する能力の差異となり、研磨代の差異となる。点Ｐの位置Ｒをゼロからウェーハの半径まで変化させた場合が、研磨代の形状に相当する。

ウェーハ２と研磨布４との摺擦速度は、研磨布４の半径方向の成分と円周方向の成分とに分解される。領域Ｂは領域Ａまたは領域Ｃに比べ、半径方向の成分は大きく、研磨布４の半径方向を素早く通過する。半径方向の速度が大きい程、研磨布４の影響を受け難い。従って、点Ｐへ影響の度合いは、領域Ｂよりも、領域Ａおよび領域Ｃの方が大きく、点Ｐの研磨のされ方を変えるには、領域Ｂよりも、領域Ａおよび領域Ｃを制御した方がよい。

領域Ａおよび領域Ｃの研磨布の表面の条件を変える際には、表面条件変更の手段を、領域Ａおよび領域Ｃ全体に作用させる必要は無く、領域Ａおよび／または領域Ｃの一部に作用させれば、定盤の回転運動により領域Ａおよび領域Ｃ全体に表面条件変更の効果を及ぼすことができる。

修正すべき研磨代の形状と、研磨布の表面条件を変える領域、並びに研磨布の表面の条件を制御する手段の作用点の位置を図３に示す。研磨布の表面条件が変化する領域は、作用点の位置ならびに研磨剤の流れが遠心力の影響を受けることが考慮されねばならない。
例えば、図３（ａ）に示すように、ウェーハ４の研磨代の形状が凹（凸）であり、ウェーハ４の外周領域の研磨代を下げることによって平坦の形状とする際は、前述したように、ウェーハ外周領域と接触する研磨布上の２つの領域を作用領域として選択できる（図２の領域Ａおよび領域Ｃに相当）。２つの領域の内、研磨布の回転中心から遠い領域を選択すると（図２の領域Ｃに相当）、研磨剤の流れがあっても、選択した領域のみの研磨条件を変えることができる。しかしながら、研磨布の回転中心に近い領域を選択すると（図２の領域Ａに相当）、定盤の回転運動による研磨布回転中心から半径方向への研磨剤の流れの影響を受けて、ウェーハ中心部の研磨条件も変わってしまい研磨代の形状を改善する効果はない。
したがって、研磨布において研磨条件を変える領域は、ウェーハの中心近傍に影響を与える領域Ｅを避け、それよりも外側の領域Ｄとし、研磨布において光および／または流体を作用させる作用点としては、例えば、領域Ｆを選択することができる。
また図３（ｂ）のようにウェーハの研磨代の形状が凸（凹）の場合は、ウェーハ中心領域の研磨代を下げることによっても、研磨代を均一にすることができる。研磨布において研磨条件を変える領域Ｄは、ウェーハの中心近傍と接触する領域を含み、それよりも外側の領域とする。すると、ウェーハの中心部は、研磨布における研磨条件が変更された領域Ｄと常に接触するが、ウェーハの外周部では、ウェーハが回転するため領域Ｄと領域Ｅとの間を交互に行き来することとなり、領域Ｄと間歇的に接触することとなる。この接触状態の差異により、研磨代形状が修正される。研磨布において流体を作用させる作用点としては、例えば、領域Ｆを選択することができる。

図３（ｃ）のようにウェーハの研磨代が波型形状の場合は、ウェーハ上の研磨代が小さい環状部の研磨代を大きくすればよい。その為には、研磨布の環状領域Ｈの研磨条件を変えればよい。しかしながら、研磨剤の流れが原因となり、環状領域の外側Ｉの研磨条件も変わってしまう。このような場合は、研磨代への作用が反対の２種類の手段を選択し、２種類の手段の研磨布への作用する位置を異ならせることによって、研磨布の研磨条件の変化を必要な環状領域Ｈに限定することができる。研磨布において光および／または流体を作用させる作用点としては、例えば、領域Ｆ、Ｆ‘を選択することができる。

図４は、本発明の研磨方法を実施するためのウェーハ研磨装置の一態様を示している。駆動軸７を中心に回転可能な定盤３上に研磨布４が載置され、さらに、研磨布４上には、定盤３の回転とは独立して回転または揺動運動する図示しないウェーハ保持板に着脱自在に支持されたウェーハ２が接触している。
また定盤３の回転とともに、研磨剤９が研磨布４上に流下されるようになっている。研磨剤９を流下する位置としては、研磨剤が研磨布上で分散し、研磨布の表面を満遍なく濡らすことができる位置を選択すればよく、たとえば、定盤３の回転中心近傍であってもよいし、定盤３の回転中心を基準として、ウェーハ中心とほぼ同じ距離の研磨布上の位置とすることもできる。
さらに、研磨布４の領域のうち、ウェーハ２と摺擦しうる領域に光および／または流体を射出する手段１０が配置されている。光および／または流体を射出する手段１０としては、例えば、赤外線レーザー等のレーザー、赤外線ランプ等のランプ、噴出ノズル、シャワーノズル等の流体供給用ノズルが挙げられる。ノズルの先端形状としては特に限定されないが、作用させる領域の大きさに応じて例えば、広がり角度、孔個数等を採用することができる。

研磨布の表面の条件を制御する方法の例を次に記す。過去の研磨実績を調査すると、研磨代のウェーハ面内のバラツキは小さい。大きくても、平均研磨代の±１０％以下である。従って、研磨布の表面の条件を制御する手段の強度は、このバラツキを修正することのできる強度があればよく、研磨代を最大で±１０％を変化させることができればよい。

本発明にかかる研磨方法における研磨布４への光の作用の一態様として、例えば、赤外線ランプから赤外線の照射を採用することができる。
赤外線を照射するランプは、研磨布の上方に設置する。赤外線の照射強度は印加電圧により調整することができる。また赤外線の照射範囲は赤外線ランプと研磨布の間に介在させたシャッターの開口部で調整することができる。尚、赤外線を照射することにより研磨代は大きくなる。この理由は、必ずしも明確ではなく、以下の説明が本発明の技術的範囲を何ら制限するものではないが、研磨布の温度が上昇することにより、メカノケミカル的に行われるシリコン除去の作用が向上するためと推定される。

本発明にかかる研磨方法における研磨布への流体作用の一態様として、例えば、噴出ノズルから噴出される空気の噴出流を採用することができる。
噴出ノズルは、空気噴出口を研磨布側に向けて研磨布の上方に取り付ける。噴出ノズルは１本または２本以上とし、それぞれの噴出ノズルは単独で流量調整ができるようにして、研磨布上に空気の噴出流の作用領域、並びに、作用強度が調整できるようにする。
尚、空気の噴出流により研磨代は小さくなる。この理由は、必ずしも明確ではなく、以下の説明が本発明の技術的範囲を何ら制限するものではないが、研磨剤中の水分が蒸発することにより、研磨布の表面温度が低下し、メカノケミカル的に行われるシリコン除去の能力が低下するためと推定される。

本発明にかかる研磨方法における研磨布への流体作用の他の態様として、例えば、純水又は研磨剤を含む液体のシャワーを採用することができる。
通常の研磨剤９の供給口とは別に、研磨布４の上方に１本または２本以上のシャワーを設け噴出口を研磨布側に向ける。
それぞれのシャワーノズルからは純水が研磨布の表面に向けて噴出され、その流量、並びに噴出する純水流が研磨布に作用する領域を調整可能とすることが出来る。純水シャワーにより研磨代は小さくなるが、この理由は必ずしも明確ではなく、以下の説明が本発明の技術的範囲を何ら制限するものではない。ウェーハ２を研磨する際、研磨剤供給口から流下した研磨剤は研磨布の表面を覆い、研磨布の表層の空隙、研磨布表面に刻まれた溝の中に侵入し、研磨布の摺擦運動により、ウェーハの被研磨サイトに到達し、ウェーハの研磨（シリコンの除去）を行う。研磨における除去の作用は、メカノケミカル的に行われるため、研磨サイト近傍に存在する研磨剤の濃度、研磨布の表面温度の影響を受ける。純水のシャワーを噴出することにより、ウェーハの被研磨サイト近傍に存在する研磨剤は希釈され濃度は低下し、研磨布の表面の研磨サイトは冷却され温度が低下し、研磨代は小さくなると考える。尚、純水の変わりに、研磨剤供給口から供給される研磨剤とは濃度、温度が異なる研磨剤を用いることが出来る。研磨代を小さくしたい場合は、研磨剤供給口から供給される研磨剤より低濃度、低温度の研磨剤を供給することが出来る。研磨代を大きくしたい場合は、研磨剤供給口から供給される研磨剤より高濃度、高温度の研磨剤を供給することが出来る。尚、研磨剤シャワーに用いるノズルは、純水シャワーに用いたノズルと共用しても良いし別個に設けても良い。
なお、上述したように光および流体は、波長が異なる光を２種以上組み合わせたり、材質、粘度または流動性が異なる流体を２種以上組み合わせたり、あるいは、光と流体とを組み合わせたりして、同時あるいは時間間隔をあけて、各々独立して連続的または間欠的に研磨布に作用させることができる。

最後に制御方法を記す。
研磨代の形状が平坦でない場合は、次の手順により、形状を修正して平坦な形状に近づけることができる。
（１）ある条件で研磨し、研磨代の形状を測定する。
（２）研磨代の形状は、平均研磨代が１００％となるように換算する。
（３）許容値を超えている場合は、研磨代の分布が均一になる様に、手段の種類を選択し、作用領域と作用強度を決める。この際、手段の強度と研磨代への影響度合いを予め求めて置くとよい。
ここまでは、研磨前の膜厚分布がほぼ完全に均一であり、デバイスが許容する膜厚分布を得るため、研磨代をほぼ完全に均一とする場合について記した。
しかしながら、研磨前の膜厚分布が均一で無くとも、膜厚の形状がウェーハの中心を中心とした同心円状ならば、この技術は同じように適用できる。即ち、研磨前の膜厚分布と研磨後の膜厚分布との差から、研磨代分布を求め、その研磨代分布が得られるように、手段の種類を選択し、作用領域と作用強度とを決めればよい。

（実施例１）
○研磨機
機種はウェーハを１枚ごとに研磨する毎様式、ウェーハの保持板は剛体のアルミナセラミック板、ウェーハの保持方法は真空吸着とした。
○研磨布の表面条件を制御する射出手段
制御する手段の種類は空気の噴出流とした。空気噴出ノズルは３本とし、各ノズルは流量調整用ニードル弁付の流量計に接続した。各ノズルの向きは空気の噴流が研磨布表面に直角に当たるよう下向きとした。ノズルの位置は、研磨ヘッドが揺動の中心点に位置した際、定盤の回転中心から半径方向に沿って、ウェーハの外周部（中心から４５、６０、７５ｍｍ）に相当する研磨布上の位置とした。尚、噴流を形成した空気は、圧縮空気を減圧、オイル除去、濾過したものを使用した。
○研磨布
市販のシリコンウェーハ仕上げ研磨に用いられる研磨布（スエードタイプ、ＮＩＴＴＡ ＨＡＡＳ社製）を研磨機の定盤に貼り付けて使用した。色は赤外線の吸収性の良い黒色であった。
○研磨剤
市販のコロイダルシリカタイプ（平均粒径：２０から４０ｎｍ）のシリコンウェーハ仕上げ研磨に用いられる研磨剤を使用した。
○被研磨ウェーハ
石英基板上に厚さ３００ｎｍのシリコン薄膜を貼り合せた直径Φ１５０ｍｍのＳＯＱを用いた。シリコン薄膜の表面は、剥離した直後の面であり、研磨前には表面の自然酸化膜を除去するため、１％ＨＦ水溶液に浸漬した。
○研磨機運転条件
定盤並びに研磨ヘッドの回転数は２０回転／分、揺動の振幅は定盤半径方向で２０ｍｍ、ウェーハと研磨布との接触圧力は１００ｇ／ｃｍ^２、研磨時間５分とした。研磨代は１００ｎｍに設定した。
○実験方法
空気噴出流がある場合と無い場合の２水準とした。
実施結果
半径方向の研磨布表面温度を放射温度計で測定したところ、図５に示すようにノズル直下に対応する領域では約３度低下した。その結果、研磨代は凹形状からほぼ平坦に修正され、膜厚の範囲（＝最大膜厚−最小膜厚）は、１１ｎｍから５ｎｍへと向上した。
また図６に示すように、空気噴出流がない状態では、研磨代は凹形状であった。かかる研磨代形状を修正し平坦にするため、ウェーハの外周部に相当する研磨布の位置に空気を噴出させ、研磨布表面の湿潤状況、研磨布表面温度、並びに研磨代形状を観察した。研磨布表面の湿潤状況は、ノズル直下では、空気を噴出により研磨剤は排除され研磨布の表面が露出したが、ノズルから離れると研磨剤膜が再形成され、ウェーハへの実効供給量は充分であった。

（実施例２）
○研磨装置（実施例１と同じ）
○研磨布の表面条件を制御する手段
制御する手段の種類は赤外線ランプから照射される赤外線とした。５００Ｗ赤外線ランプを変圧器経由で１００Ｖの電源に接続した。赤外線ランプと研磨布の間にはシャッターを設置し、シャッターの開放口により研磨布加熱領域の調整を可能とした。
○研磨布（実施例１と同じ）
○研磨剤（実施例１と同じ）
○被研磨ウェーハ（実施例１と同じ）
○研磨機運転条件（実施例１と同じ）
○実験方法
赤外線照射のある場合と無い場合の２水準とした。

実施結果
赤外線が無い状態では、研磨代は凸形状であった。形状を修正し平坦にする為、ウェーハの外周部に相当する研磨布の位置に、シャッターの開放口を合わせた。赤外線ランプへの印加電圧１１０Ｖで赤外線を照射し、研磨布表面温度、並びに研磨代形状を観察した。研磨布表面温度はノズルに対応する研磨布上の領域で約３度上昇し、研磨代はほぼ平坦な形状に修正され、膜厚の範囲は１２ｎｍから５ｎｍへと向上した。

（実施例３）
○研磨装置（実施例１と同じ）
○研磨布表面条件を制御する手段
作用させる流体の種類は、市販のコロイダルシリカタイプのシリコンウェーハの仕上げ研磨に用いられる研磨剤を純水で１００倍に希釈し室温で使用した。流体を供給する手段は、流体をシャワー状にして研磨布の表面に噴出させた。シャワーの流量、シャワーが研磨布に作用する領域は調整可能とした。
○研磨布（実施例１と同じ）
○研磨剤 上記した市販の研磨剤を純水で２０倍に希釈し、室温で供給した。
○被研磨ウェーハ（実施例１と同じ）
○研磨機運転条件（実施例１と同じ）
○実験方法
流体のシャワーがある場合とない場合の２水準とした。
実験結果
流体のシャワーがない状態では、研磨代は凹形状であった。形状を修正し平坦にする為、シャワーを３箇所同心円状に配置し、ウェーハ外周部に相当する研磨布の位置にシャワーの作用領域を合わせた。研磨布表層、溝に含まれる研磨剤が置換されるように噴出させた。その結果、シャワーを作用させた領域の研磨布の表面温度は約３℃下降し、研磨代はほぼ平坦な形状に修正され、膜厚の範囲は１０ｎｍから４ｎｍへ向上した。

１ 研磨代制御装置
２、１１２ ウェーハ
３、１１３ 定盤
４、１１４ 研磨布
７、１１７、１１８ 駆動軸
９、１１９ 研磨剤
１０ 光および／または流体の射出手段
１０１ ドナー基板
１０２ ハンドル基板
１０３ 酸化膜
１０４ イオン注入界面
１０５ イオン注入した表面
１０６ 貼り合わせウェーハ
１０７ シリコン薄膜
１０８ 貼り合わせ界面
１１１ 研磨装置
１１５ 熱媒体
１１６ ウェーハ保持板
１２０、１２２ 回転
１２１ 揺動
１２３ 定盤受け
１２４ 保持板背面の空間
１２５ 圧力印加部材
１２６ 隔壁
１２７ シリンダ

Claims (8)

1. 表面の研磨代が均一な半導体ウェーハの製造方法であって、
   被処理半導体ウェーハ表面に研磨布を接触させながら、前記研磨布に対して前記被処理半導体ウェーハを相対移動させ、研磨布と前記被処理半導体ウェーハの表面とを摺擦させる際に、
   前記研磨布の表面における前記被処理半導体ウェーハと摺擦する領域のうち、少なくとも一部の領域に光および／または流体を直接作用させることよりなり、
   前記相対移動が、回転および揺動であり、
   前記揺動は、定盤中心とウェーハ中心との間の距離を変動させる動きであり、
   前記光および／または流体を作用させる工程に先立ち、
   研磨前の膜厚分布を測定する工程と、
   前記測定された研磨前の膜厚分布および研磨後の目標とする膜厚分布に基づいて、研磨代分布を算出する工程とを含み、
   該研磨代分布に基づいて光および／または流体を作用させる半導体ウェーハの製造方法。
2. 前記光が、赤外線ランプから照射される赤外線である請求項１に記載の半導体ウェーハの製造方法。
3. 前記赤外線を作用させる際、赤外線ランプと研磨布との間に介在させたシャッターで照射領域を限定し、赤外線ランプに印加する電圧によって照射強度を調整する請求項２に記載の半導体ウェーハの製造方法。
4. 前記流体が、噴出ノズルから噴出される空気の噴出流である請求項１に記載の半導体ウェーハの製造方法。
5. 前記空気の噴出流を作用させる際、噴出ノズルの本数および位置により作用領域を限定し、流量によって研磨の強度を調整する請求項４に記載の半導体ウェーハの製造方法。
6. 前記流体が、純水または研磨剤を含む液体のシャワーである請求項１に記載の半導体ウェーハの製造方法。
7. 前記純水または研磨剤を含む液体のシャワーを作用させる際、シャワーノズルの個数および位置によって、シャワーの作用領域を限定し、前記純水もしくは研磨剤を含む液体の流量、温度、および／または、前記研磨剤の濃度によって研磨代のウェーハ面内分布を調整する請求項６に記載の半導体ウェーハの製造方法。
8. 前記光および／または流体を、２種以上組み合わせて前記研磨布に作用させる請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体ウェーハの製造方法。

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