JP5900196B2 - ウェーハの片面研磨方法およびウェーハの片面研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェーハの片面研磨方法およびウェーハの片面研磨装置に関する。

半導体ウェーハ等、高平坦度が要求されるウェーハの表面研磨には、ＣＭＰ（メカノケミカル研磨）が採用されている。ＣＭＰは、被研磨材であるワークに対してエッチング作用を有する研磨液を用い、ワークをエッチングしながら研磨液に含まれる砥粒によってワークを機械的に研磨する研磨技術である。

ＣＭＰには従来、図８に示すような片面研磨装置５００が用いられている。図８の片面研磨装置５００はウェーハ片面研磨装置の一例であり、ウェーハを保持するヘッド５０２と、研磨布５１２を有する回転定盤５１０とを有する。係る片面研磨装置５００においては、ヘッド５０２はウェーハを保持しつつ回転定盤５１０の上面に設けられた研磨布５１２に対してウェーハの被研磨面を押圧し、ヘッド５０２と回転定盤５１０を共に回転させることによりヘッド５０２と回転定盤５１０とを相対運動させ、研磨液供給手段５２６から研磨液５２８を供給しながらウェーハの被研磨面を研磨する。

このような片面研磨装置の例として特許文献１には、ウェーハ中央部と外周部の膜厚をそれぞれ測定し、測定結果に基づいてヘッドおよび定盤の回転数を制御して、ウェーハの面内研磨量を均一化する片面研磨装置が記載されている。

特開２０００−７７３６９号公報

特許文献１は、１枚のウェーハにおける面内中央部と外周部の研磨量ばらつきを低減する技術に過ぎず、複数枚のウェーハを研磨するにあたり、常に所望の研磨量を実現することを意図したものではない。しかし、本発明者の検討によれば、従来の片面研磨装置において同じ研磨布を用いて、ヘッドおよび定盤の回転数、研磨時間、研磨布に対するウェーハの押圧力などの研磨条件をそろえて、複数枚のウェーハを研磨すると、ウェーハ外周部の研磨量が徐々に増大し、複数枚のウェーハにわたって所望のウェーハ外周形状を得ることができないことが判明した。これは、研磨布の使用初期から使用末期に向かってその研磨能力が変化していることに起因するものと考えられる。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、研磨布の使用期間に依存せず、所望のウェーハ外周形状を精度良く実現することができる、ウェーハの片面研磨方法および片面研磨装置を提供することを目的とする。

この目的を達成すべく本発明者が検討したところ、以下の知見を得た。
（１）研磨布の使用期間に依存した研磨能力の変化は、研磨布の表面状態の変化によるものと考えられる。具体的には、研磨布を複数回使用することにより、研磨布の反発力が下がり、また、研磨布に研磨液が溜まることから、ウェーハの外周部が削れ易くなっているものと思われる。そして、このような表面状態の変化をモニターする指標として、研磨布の接触角が適していることを見出した。
（２）外周部の研磨量は、ヘッドおよび定盤の回転速度にも依存する。そのため、研磨布の接触角を測定し、測定した接触角に基づいてヘッドおよび定盤の回転速度を調整すれば、研磨布の使用期間に依存せず、所望の外周部の研磨量を得ることができる。

上記知見に基づき完成した本発明の要旨構成は以下のとおりである。
本発明のウェーハの片面研磨方法は、ヘッドに固定したウェーハを、定盤の表面に設けられた研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨方法であって、前記研磨布の接触角を測定する工程と、予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、測定した前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定する工程と、決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転させて前記ウェーハの片面を研磨する工程と、を有することを特徴とする。

この発明では、複数の特定のウェーハ外周形状について、前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係を予め求めておき、研磨に供するウェーハの目標のウェーハ外周形状に対応する前記関係を用いて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定することが好ましい。

この発明では、前記接触角を測定する前に、前記定盤を回転させて前記研磨布上の研磨液を除去することが好ましい。

この発明では、測定した前記接触角が閾値以下の場合、前記研磨布を用いて研磨を行い、測定した前記接触角が前記閾値超えの場合、前記研磨布を交換した後研磨を行うことが好ましい。

本発明のウェーハの片面研磨装置は、ウェーハを固定するヘッドと、表面に研磨布を有する定盤と、前記ヘッドおよび定盤を回転させる回転機構と、を有し、前記ヘッドに固定したウェーハを前記研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨装置であって、前記研磨布の接触角を測定する測定装置と、予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、前記測定装置により測定された前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定し、決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転するように前記回転機構を駆動する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の片面研磨方法および片面研磨装置によれば、研磨布の表面状態を研磨布の接触角により把握して、定盤およびヘッドの回転速度を決定することによって、研磨布の使用期間に依存せず、所望のウェーハ外周形状を精度良く実現することができる。

本発明の一実施形態にかかるウェーハの片面研磨装置１００の模式図である。 本発明の一実施形態にかかるウェーハの片面研磨方法のフローチャートである。 本発明の他の実施形態にかかるウェーハの片面研磨方法のフローチャートである。 ヘッドおよび定盤の回転速度とロールオフ変化量との関係を示すグラフである。 研磨布の接触角とロールオフ変化量との関係を示すグラフである。 実施例１に用いた、ロールオフ変化量が１５ｎｍである場合の、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を示すグラフである。 ３種類のロールオフ変化量についての、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を示すグラフである。 従来のウェーハ片面研磨装置５００の模式図である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（ウェーハの片面研磨装置）
図１は、本発明の一実施形態にかかるウェーハの片面研磨装置１００である。ウェーハの片面研磨装置１００は、ウェーハ１０４を固定するヘッド１０２と、表面に研磨布１１２を有する定盤１１０と、ヘッド１０２および定盤１１０を回転させる回転機構としてのモータ１０８，１１６と、を有する。ヘッド１０２に固定したウェーハ１０４を研磨布１１２に接触させて、ヘッド１０２および定盤１１０を共に回転させ、ヘッド１０２および定盤１１０を相対運動させて、研磨液供給部１２６から研磨液１２８を供給しながらウェーハ１０４の片面を研磨する。

また、ウェーハの片面研磨装置１００は、研磨布１１２の接触角を測定する測定装置１２２を有する。測定装置１２２は、水滴供給部１１８から研磨布１１２上に供給する水滴１２０の接触角を測定する。これにより、研磨に用いる研磨布１１２の表面状態を把握することができる。そして、測定装置１２２から制御部１２４に接触角のデータを出力する。制御部１２４では、測定装置１２２から出力された接触角のデータに基づいて、ヘッド１０２および定盤１１０の回転速度を決定する。ヘッド１０２はウェーハ１０４を保持したまま、ヘッド昇降軸１０６によって降下し、ウェーハ１０４は定盤１１０の研磨布１１２に接触する。そして、制御部１２４は、決定された回転速度でヘッド１０２および定盤１１０回転するように、モータ１０８，１１６を駆動する。

以下、制御部１２４によるヘッド１０２および定盤１１０の回転速度の決定方法を説明する。

図４は、研磨布の接触角が所定の値（具体的には３０°）であり、研磨時間が一定（具体的には３６０秒）の場合の、ヘッドおよび定盤の回転速度とウェーハのロールオフ変化量との関係を示したものである。なお、ロールオフとは、研磨によりウェーハの中心部よりもウェーハの外周部の厚みが小さくなる現象である。そして、本明細書において「ロールオフ変化量」とは、研磨前のウェーハ研磨面のエッジの位置と、研磨後のウェーハ研磨面のエッジの位置との厚さ方向の乖離の大きさを意味する。図４から明らかなように、ヘッドおよび定盤の回転速度以外の研磨条件を揃えて比較した場合、ヘッドおよび定盤の回転速度が大きいほど、ロールオフ変化量は大きくなる。

次に、図５は、ヘッドおよび定盤の回転速度が所定の値（具体的には３０ｒｐｍ）であり、研磨時間が一定（具体的には３６０秒）の場合の、研磨布の接触角とウェーハのロールオフ変化量との関係を示したものである。このように、研磨布の接触角以外の研磨条件を揃えて比較した場合、研磨布の接触角が大きいほど、ロールオフ変化量は大きくなる。本発明者の鋭意の検討により、この図５の関係を確認することができた。

そして、同じ研磨布を用いて複数枚のウェーハを研磨する場合、研磨布の使用初期から使用末期に向かって、徐々に研磨布の接触角が大きくなることを本発明者は見出した。つまり、図５は、研磨条件を揃えて複数枚のウェーハを研磨しても、研磨布の使用期間に依存してロールオフ変化量が異なる、具体的には、研磨布の使用期間が長くなるほど、ロールオフ変化量が大きくなることを意味する。このように、研磨布の接触角は、研磨布の表面状態の変化をモニターし、ロールオフ変化量との相関が取れる指標であることが明らかとなった。

そして図４および図５の関係から、図６に示すように、研磨時間が一定（具体的には３６０秒）の場合に所望のロールオフ変化量の得るための、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を示す検量線を得ることができる。図６は、スウェードの研磨布を用いる場合の、３６０秒間の研磨におけるロールオフ変化量を１５ｎｍとするための条件を示す検量線である。図６を用いれば、研磨布の接触角に応じてロールオフ変化量を１５ｎｍとするためのヘッドおよび定盤の回転速度を求めることができる。

本実施形態の片面研磨装置１００は、図６のように、予め求めた、特定のロールオフ変化量を得るための研磨布１１２の接触角と、ヘッド１０２および定盤１１０の回転速度との関係を、例えばデータテーブルの形式でメモリ（図示せず）に記憶している。そして、制御部１２４は、測定装置１２２から出力された研磨布１１２の接触角の入力を受けると、メモリから上記データテーブルを読み出し、このデータテーブルに基づいて、入力された接触角に対応するヘッド１０２および定盤１１０の回転速度を算出する。このようにすれば、研磨布１１２の使用期間に依存せず、所望のロールオフ変化量を精度良く実現できる。

所望のロールオフ変化量が１種類である場合は、１本の検量線のみを用いればよいが、複数のロールオフ変化量についてそれぞれ検量線を用意し、これらをデータテーブルとして予めメモリに記憶させておけば、ウェーハ毎に異なるロールオフ変化量を目標にして研磨する場合でも、所望のロールオフ変化量を精度良く実現できる。図７は、図４および図５の関係から、３種類のロールオフ変化量（Ａ：１５ｎｍ、Ｂ：１０ｎｍ、Ｃ：５ｎｍ）について求めた検量線である。この場合、片面研磨装置１００は、まず、研磨に供するウェーハの目標のロールオフ変化量の入力を受ける必要がある。制御部１２４は、入力されたロールオフ変化量に基づき、適切な検量線のデータテーブルをメモリから読み出す。その後の回転数の決定方法は既述のとおりである。

なお、本明細書において「ウェーハ外周形状」とは、ロールオフした部分の形状を意味する。そして、ウェーハ外周形状の制御は、上記のようにロールオフ変化量の制御に限定されることはなく、研磨布の接触角と相関の取れる指標であればよく、例えば、ESFQR（Edge flatness metric, Sector based, Front surface referenced, least sQuares fit reference plane, Range of the data within sector）、ZDD（Z height Double Derivative）などが挙げられる。

研磨布１１２の接触角は、研磨布１１２の寿命を判断する有力な指標ともなる。研磨布は消耗品であり、これまでは所定時間だけ研磨に使用したら廃棄し、新たな研磨布に交換していた。しかし、実際に研磨布が使用不可能になるまでの時間には、研磨布ごとに、あるいは研磨条件に依存して、ばらつきがあるうえに、研磨布が使用可能か否かを判断することはこれまで困難であった。このため、上記所定時間は、研磨布がまだ使用可能な範囲内で余裕をみて設定されていた。しかし、既述のように、研磨布の接触角は、研磨布の表面状態をモニターする好適な指標であり、使用初期から使用末期に向けて一律に増加する。よって、接触角が所定の閾値を取る段階を研磨布の使用限界とすることができる。

この場合、研磨のたびに接触角を測定し、測定した接触角が所定の閾値以下であれば、その研磨布はまだ使用できるとしてそのまま研磨に供し、測定した接触角が所定の閾値を超えた場合には、その研磨布はもう使用できないとして、交換を促す。具体的には、片面研磨装置１００は、上記閾値Ａのデータをメモリ（図示せず）に記憶している。制御部１２４は、測定装置１２２から出力された研磨布１２２の接触角Ｂの入力を受けると、メモリから上記閾値Ａのデータを読み出し、接触角Ｂと比較する。制御部１２４は、ＢがＡ以下であればモータ１０８，１１６を駆動して、片面研磨装置１００はその研磨布で引き続き研磨を行う。一方、制御部１２４は、ＢがＡを超えている場合は、モータ１０８，１１６の駆動を停止する。制御部１２４は、音声やディスプレイへの表示などの告知手段により、研磨布の交換を促してもよい。このように、研磨布の接触角により研磨直前の研磨布の表面状態を把握して、研磨布の交換時期を的確に判断することによって、研磨布の本来の使用寿命ぎりぎりまで研磨布を使用することができる。このため、ウェーハ製造コストを低減することができる。

研磨布の接触角の閾値は研磨布の種類、硬さ、反発係数などにも依存するが、例えば接触角の測定方法がθ／２法である場合に１０００μｇの水を用いた際に７０°とすることができる。また、ここで説明した研磨布の接触角に基づく寿命判定は、既述の研磨布の接触角に基づくヘッドおよび定盤の回転速度の決定とは独立に行ってもよい。

（ウェーハの片面研磨方法）
次に、本発明にかかるウェーハの片面研磨方法について説明する。
図２を参照して、本発明にかかるウェーハの片面研磨方法の一実施形態を説明する。まず、研磨布１１２の接触角の測定を行う（ステップＳ１）。次いで、接触角が例えば７０°などの、閾値以下かを判定する。（ステップＳ２）。接触角が閾値以下の場合は、ステップＳ４へ進む。接触角が閾値超えの場合は、研磨布１１２の交換を行い（ステップＳ３）、再度ステップＳ１から開始する。

ステップＳ４では、図６および図７のように予め求めた、特定のウェーハ１０４のロールオフ変化量を得るための研磨布１１２の接触角と、ヘッド１０２および定盤１１０の回転速度との関係、および、測定した研磨布１１２の接触角に基づいて、既述の方法でヘッド１０２および定盤１１０の回転速度を決定する。

続いて、決定した回転速度でヘッド１０２および定盤１１０を回転させて、ウェーハ１０４の片面の研磨を開始する（ステップＳ５）。その後、研磨を終了する（ステップＳ６）。この後に、別のウェーハを研磨する場合は、定盤１１０を回転させて研磨布１１２上の研磨液１２８を除去し（ステップＳ７）、再度ステップＳ１から開始する。これにより、次のウェーハの研磨のための、研磨布の接触角の測定を正確に行なうことができる。次のウェーハを研磨しない場合は、そのまま終了する。

また、図３を参照して、本発明にかかるウェーハの片面研磨方法の他の実施形態を説明する。ステップＳ０をステップＳ１の前に有する以外は図２と同じである。本実施形態では、複数のロールオフ変化量について、研磨布の接触角とヘッドおよび定盤の回転速度との関係を予め求めておく。ステップＳ０では、研磨に供するウェーハの目標のロールオフ変化量を入力する。そして、入力されたロールオフ変化量に対応する検量線（データテーブル）を選択する。その後の工程は図２と同じなので省略する。本実施形態は、ウェーハ毎に異なるロールオフ変化量に研磨する場合や、複数枚のウェーハの研磨の途中で目標のロールオフ変化量を変更する場合に用いることができる。

研磨布の種類は限定されない。例えば、単層式の研磨布でもよいし、研磨布層の裏面にスポンジ層が形成された２層式の研磨布でもよい。単層式における研磨布および２層式における研磨布層としては、例えば、ウレタンフォームなどの合成樹脂発泡体からなる研磨布、ポリエステル繊維製の不織布にウレタン樹脂を含浸させた硬質なベロアタイプの研磨布、不織布の基布の上にウレタン樹脂を発泡させたスエードパッドなどを採用することができる。

接触角を測定するための水滴を供給する研磨布上の場所は、研磨時にウェーハが通る位置であれば限定されない。

研磨液としては、例えばコロイダルシリカ等を砥粒として含むアルカリ系研磨液等が用いられる。研磨液を供給する場所は特に限定されないが、ヘッド１０２の中心部の回転軌道近傍に供給することが好ましい。

（実施例）
直径３００ｍｍの６枚のシリコンウェーハを用意し、スウェード素材の研磨布を定盤の表面に設置した、図１に示す片面研磨装置１００により仕上げ研磨を行った。研磨条件は以下のとおりとした。
研磨圧力：１２５ｇ／ｃｍ^２
研磨時間：３６０秒
研磨液：アルカリ研磨液（コロイダルシリカ含有）
目標ロールオフ変化量：１５ｎｍ

図６は、上記研磨条件において、研磨布の接触角（°）とヘッドおよび定盤の回転速度（ｒｐｍ）との関係を予め求めたものである。

それぞれのシリコンウェーハの研磨前に、研磨布上に純水を垂らし、研磨布の接触角を自動接触角計（協和界面化学株会社：DMs-400Hi/400）により測定した。そして、図６の検量線に基づき、接触角測定結果に対応する、ロールオフ変化量を１５ｎｍとするのに適したヘッドおよび定盤の回転速度を決定し、決定した回転速度にてヘッドおよび定盤を回転させて、ウェーハの研磨を開始した。定盤とヘッドの回転方向は同方向とした。研磨終了後は、次のウェーハに対して仕上げ研磨を行うために、定盤を６０ｒｐｍで３０秒間回転させることにより研磨布上の研磨液を除去した。

６枚のウェーハのロールオフ変化量は、平均で１５．２０ｎｍであり、標準偏差が１．１５ｎｍであった。

（比較例）
以下の研磨条件にて、目標のロールオフ変化量を実施例１と同様に１５ｎｍとして、直径３００ｍｍの６枚のシリコンウェーハの仕上げ研磨を行った。ヘッドおよび定盤の回転速度は１５ｒｐｍで固定し、その他の研磨条件は実施例１と同様とした。

６枚のウェーハのロールオフ変化量は、平均で１８．５４ｎｍであり、標準偏差が３．０２ｎｍであった。

（評価）
実施例では、比較例よりも６枚のウェーハ全体を通して、目標のロールオフ変化量を精度良く実現できたことがわかる。

本発明の片面研磨方法および片面研磨装置によれば、研磨布の表面状態を研磨布の接触角により把握して、定盤およびヘッドの回転速度を決定することによって、研磨布の使用期間に依存せず、所望のウェーハ外周形状を精度良く実現することができる。

１００ ウェーハの片面研磨装置
１０２ ヘッド
１０４ ウェーハ
１０６ ヘッド昇降軸
１０８ モータ
１１０ 定盤
１１２ 研磨布
１１４ 定盤回転軸
１１６ モータ
１１８ 水滴供給部
１２０ 水滴
１２２ 接触角の測定装置
１２４ 制御部
１２６ 研磨液供給部
１２８ 研磨液

Claims (5)

1. ヘッドに固定したウェーハを、定盤の表面に設けられた研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨方法であって、
   前記研磨布の接触角を測定する工程と、
   予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、測定した前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定する工程と、
   決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転させて前記ウェーハの片面を研磨する工程と、
   を有することを特徴とするウェーハの片面研磨方法。
2. 複数の特定のウェーハ外周形状について、前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係を予め求めておき、研磨に供するウェーハの目標のウェーハ外周形状に対応する前記関係を用いて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定する請求項１に記載のウェーハの片面研磨方法。
3. 前記接触角を測定する前に、前記定盤を回転させて前記研磨布上の研磨液を除去する請求項１または２に記載のウェーハの片面研磨方法。
4. 測定した前記接触角が閾値以下の場合、前記研磨布を用いて研磨を行い、測定した前記接触角が前記閾値超えの場合、前記研磨布を交換した後研磨を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のウェーハの片面研磨方法。
5. ウェーハを固定するヘッドと、
   表面に研磨布を有する定盤と、
   前記ヘッドおよび定盤を回転させる回転機構と、
   を有し、前記ヘッドに固定したウェーハを前記研磨布に接触させて、前記ヘッドおよび前記定盤を回転させることによって前記ウェーハの片面を研磨するウェーハの片面研磨装置であって、
   前記研磨布の接触角を測定する測定装置と、
   予め求めた、特定のウェーハ外周形状を得るための前記研磨布の接触角と、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度との関係、および、前記測定装置により測定された前記研磨布の接触角に基づいて、前記ヘッドおよび前記定盤の回転速度を決定し、決定した前記回転速度で前記ヘッドおよび前記定盤を回転するように前記回転機構を駆動する制御部と、
   を有することを特徴とするウェーハの片面研磨装置。