JP6192525B2 - 砥材埋め込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨装置の研磨定盤に砥材を埋め込む砥材埋め込み方法に関する。

半導体ウェーハに代表される板状の被加工物は、例えば、上面に砥材を埋め込んだ研磨定盤（例えば、特許文献１参照）と、当該研磨定盤の上方において被加工物を吸引保持する保持機構とを備えた研磨装置で研磨される。

この研磨定盤に砥材を埋め込む際には、例えば、砥材を含むスラリーを研磨定盤の上面に供給しながら、押圧部材を所定の圧力で研磨定盤に押し当てる。押圧部材を押し当てる圧力（押し当て圧力）は、作業者の経験等に基づいて調節されている。最適な押し当て圧力で押圧部材を押し当てることにより、押圧部材と研磨定盤との間にスラリーを介在させて研磨定盤に砥材を埋め込むことができる。

特開２０１３−５２４５５号公報

しかしながら、上述のように、作業者の経験等に基づいて押し当て圧力を最適な値に調節するのは、必ずしも容易でない。仮に、押し当て圧力が最適な値より大きく設定されると、押圧部材と研磨定盤との間にスラリーが侵入しなくなって、砥材を適切に埋め込むことができない。一方、押し当て圧力が最適な値より小さく設定されると、押圧部材と研磨定盤との隙間が過度に大きくなって、砥材の埋め込みに時間がかかる。

押し当て圧力を変更しながら加工を繰り返すことで、最適な値を選定することも可能である。しかしながら、このように試行錯誤で押し当て圧力を選定する方法は、多大な労力を要する。

また、研磨対象の被加工物やスラリーの種類、要求される埋め込み品質等の条件が変われば、最適な押し当て圧力も変わるので、その場合には、最適な値を再び選定し直さなくてはならないという問題もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、研磨定盤に対してより簡単に砥材を埋め込むことができる砥材埋め込み方法を提供することである。

本発明によれば、研磨定盤上に砥材を埋め込む砥材埋め込み方法であって、砥材を含むスラリーを介して研磨定盤の上面に押圧部材を押圧して該研磨定盤の上面に砥材を埋め込む埋め込みステップと、該埋め込みステップ前または実施中に、該研磨定盤の上面に対面する該押圧部材の押圧面と該研磨定盤の上面との間の距離を検出手段で検出する距離検出ステップと、該埋め込みステップの前または実施中に、該距離検出ステップで検出された該距離に基づいて該押圧部材で該研磨定盤を押圧する圧力を調整する圧力調整ステップと、を備えたことを特徴とする砥材埋め込み方法が提供される。

本発明において、前記距離検出ステップで検出された前記距離の値が前記砥材の平均砥粒径よりも小さい場合に、前記圧力調整ステップでは、前記押圧部材で前記研磨定盤を押圧する圧力を低下させることが好ましい。

本発明の砥材埋め込み方法は、押圧部材の押圧面と、研磨定盤の上面との間の距離を検出手段で検出する距離検出ステップと、距離検出ステップで検出された距離に基づいて、押圧部材で研磨定盤を押圧する圧力を調整する圧力調整ステップと、を備えるので、例えば、押圧部材と研磨定盤との間に砥材を介在させることができる距離を制御の基準に用いることで、研磨定盤に対して簡単に砥材を埋め込むことができる。

本実施の形態に係る砥材埋め込み方法で砥材が埋め込まれる研磨定盤を備えた研磨装置の構成例を模式的に示す図である。 距離検出ステップ及び圧力調整ステップを模式的に示す図である。 埋め込みステップを模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る砥材埋め込み方法は、距離検出ステップ（図２参照）、圧力調整ステップ（図２参照）、埋め込みステップ（図３参照）を含む。

距離検出ステップでは、研磨装置が備える研磨定盤の上面と、砥材を埋め込むための押圧部材の押圧面との間の距離（間隔）をセンサユニット（検出手段）で検出する。圧力調整ステップでは、距離検出ステップの検出結果に基づいて、押圧部材を研磨定盤に押し当てる（押圧する）圧力（押し当て圧力）を調整する。

埋め込みステップでは、砥材を含むスラリーを研磨定盤の上面に供給しながら、押圧部材を研磨定盤に押し当てて（押圧して）砥材を埋め込む。ここで、押圧部材の押し当て圧力は、距離検出ステップ及び圧力調整ステップにより制御される。以下、本実施の形態に係る砥材埋め込み方法について詳述する。

はじめに、本実施の形態に係る砥材埋め込み方法で砥材が埋め込まれる研磨定盤を備えた研磨装置の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、研磨装置の構成例を模式的に示す図であり、図２は、距離検出ステップ及び圧力調整ステップを模式的に示す図である。図１に示すように、研磨装置２は、円盤状の研磨定盤４を備えている。

この研磨定盤４は、下方に配置されたモータ等の回転機構（不図示）と連結されており、鉛直方向に伸びる回転軸の周りに回転する。研磨定盤４の上面４ａは、略平坦である。また、研磨定盤４の上面４ａは、ダイヤモンド等の砥材（砥粒）１３（図２参照）を埋め込むことができるように、スズや鉛等の比較的柔らかい金属材料等で構成されている。

研磨定盤４の上方には、被加工物１１を吸引保持する保持機構（保持手段）６が配置されている。保持機構６は、上方に配置されたモータ等の回転機構（不図示）と連結されており、鉛直方向に伸びる回転軸の周りに回転する。また、この保持機構６は、昇降機構（不図示）で昇降（上下動）される。

保持機構６の下面６ａは、被加工物１１の上面１１ａ側を吸引保持する保持面となっている。この保持面には、保持機構６の内部に形成された流路を通じて吸引源の負圧が作用し、被加工物１１を吸引する吸引力が発生する。

保持機構６と隣接する位置には、砥材１３（図２）を分散させたスラリー１５を研磨定盤４の上面４ａに供給するノズル８が配置されている。このノズル８は、保持機構６等と干渉しない位置に位置付けられている。

被加工物１１は、代表的には、円盤状の半導体ウェーハである。この被加工物１１を保持した保持機構６と、研磨定盤４とを相互に回転させた上で、保持機構６を昇降機構で下降させ、スラリー１５を供給しながら研磨定盤４の上面４ａに押し当てることで、被加工物１１の下面１１ｂ側を研磨できる。

さらに、図２に示すように、研磨定盤４の上方には、研磨定盤４の上面４ａに砥材１３を埋め込むための押圧部材１０が設けられている。押圧部材１０の下面（押圧面）１０ａは、平坦であり、研磨定盤４の上面４ａと対面している。また、押圧部材１０の下面１０ａは、例えば、研磨定盤４の上面４ａより高硬度又は高弾性の材料で構成されている。

これにより、砥材１３を分散させたスラリー１５を介して、回転する研磨定盤４の上面４ａに押圧部材１０を押し当てる（押圧する）と、研磨定盤４の上面４ａに砥材１３を埋め込むことができる。押圧部材１０の上方には、圧力調整機構１２が設けられており、押圧部材１０を研磨定盤４に押し当てる押し当て圧力は、この圧力調整機構１２で調整される。なお、回転する研磨定盤４の上面４ａに押圧部材１０を押し当てると、この押圧部材１０は、研磨定盤４に従い回転する。

押圧部材１０の側部には、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとの間の距離を検出するためのセンサユニット（検出手段）１４が設けられている。このセンサユニット１４は、配線等を介して接続された制御装置１６で制御される。制御装置１６は、圧力調整機構１２とも接続されており、センサユニット１４の検出結果等に基づいて押圧部材１０の押し当て圧力を制御する。

センサユニット１４の筐体下部には、検出対象となる研磨定盤４に向けて超音波を発信するとともに、その反射波を受信する超音波センサ１８が配置されている。超音波センサ１８は、電力（電圧）と振動（超音波）とを相互に変換する圧電素子（超音波振動子）１８ａを含んでいる。

圧電素子１８ａは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＢ（Ｚｉ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）等の材料で形成される。なお、チタン酸ジルコン酸鉛は、ＰＺＴ等と呼ばれることもある。

この圧電素子１８ａに所定のパルス電圧（交流電圧）を印加すると、印加されたパルス電圧の周波数に対応する周波数の超音波が発生する。また、圧電素子１８ａに上述のような超音波を加えると、加えられた超音波の周波数に対応する周波数のパルス電圧が圧電素子１８ａの端子に発生する。

この圧電素子１８ａの下端には、超音波を伝達する超音波伝達部材１８ｂが設けられている。超音波伝達部材１８ｂは、例えば、水晶、アクリル樹脂等の材料で形成されており、圧電素子１８ａで発生する超音波を良好に伝播する。超音波伝達部材１８ｂの下面は、センサユニット１４の筐体下部から露出しており、研磨定盤４の上面４ａに供給されたスラリー１５と接する。

圧電素子１８ａの端子には、パルス電圧を発生するパルス電圧発生器２０が接続されている。パルス電圧発生器２０は、制御装置１６の指示に基づき、例えば、電圧が２５０Ｖ程度で周波数が１ｋＨｚ程度のパルス電圧を発生させ、超音波センサ１８の圧電素子１８ａに印加する。

また、圧電素子１８ａの端子には、圧電素子１８ａから出力されるパルス電圧を、制御装置１６で識別可能な電気信号に変換する変換器（コンバータ）２２が接続されている。変換器２２は、超音波（反射波）の受信によって圧電素子１８ａで発生したパルス電圧を、制御装置１６で識別可能な電気信号に変換して制御装置１６に出力する。

このように構成されたセンサユニット１４は、制御装置１６からの指示に基づいて、パルス電圧発生器２０で発生したパルス電圧を圧電素子１８ａに印加する。その結果、圧電素子１８ａから超音波が発生し、超音波伝達部材１８ｂを伝播する。

上述のように、超音波伝達部材１８ｂの下面には、研磨定盤４の上面４ａに供給されたスラリー１５が接している。そのため、超音波伝達部材１８ｂを伝播した超音波は、スラリー１５に印加され、研磨定盤４の上面４ａにおいて反射される。

研磨定盤４の上面４ａで反射された超音波（反射波）は、スラリー１５及び超音波伝達部材１８ｂを伝播して圧電素子１８ａに印加される。圧電素子１８ａは、印加された超音波をパルス電圧に変換して変換器２２に出力する。圧電素子１８ａからパルス電圧が入力されると、変換器２２は、当該パルス電圧を変換して制御装置１６に出力する。

制御装置１６は、超音波センサ１８から発信された超音波が、研磨定盤４の上面４ａで反射され、超音波センサ１８で受信されるまでの時間ｔを計測する時間計測部１６ａを備えている。

時間計測部１６ａは、例えば、超音波センサ１８に対して超音波の発信を指示した時刻ｔ１と、研磨定盤４の上面４ａにおいて反射した超音波を超音波センサ１８で受信した時刻ｔ２との差（ｔ２−ｔ１（＝ｔ））を計測する。

時間計測部１６ａで計測された時間ｔは、制御装置１６の距離算出部１６ｂに通知される。距離算出部１６ｂは、通知された時間ｔに基づいて、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとの間の距離（間隔）ｇを算出する。

距離算出部１６ｂは、例えば、下記式（１）に基づいて距離ｇを算出する。なお、式（１）において、ｖはスラリー１５中の音速を、ｄは超音波伝達部材１８ｂの下面から押圧部材１０の下面１０ａまでの距離をそれぞれ示している。
（１） ・・・ ｇ＝ｖ（ｔ／２）−ｄ

制御装置１６は、距離算出部１６ｂで算出された距離ｇの値を、例えば、任意の基準値（基準となる距離）ｇ_１，ｇ_２（ｇ_１≦ｇ_２）と比較して、押圧部材１０の押し当て圧力を適切な範囲に保つ。

具体的には、距離ｇの値が基準値ｇ_１より小さい場合、制御装置１６は、圧力調整機構１２によって押圧部材１０の押し当て圧力を低下させる。押圧部材１０の押し当て圧力を低下させると、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとは離反する。

一方、距離ｇの値が基準値ｇ_２より大きい場合、制御装置１６は、圧力調整機構１２によって押圧部材１０の押し当て圧力を上昇させる。押圧部材１０の押し当て圧力を上昇させると、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとは近接する。このような制御により、押圧部材１０の押し当て圧力を適切な範囲に保つことができる。

次に、上記研磨装置で実施される砥材埋め込み方法について説明する。本実施の形態に係る砥材埋め込み方法では、まず、準備ステップとして、砥材１３を分散させたスラリー１５を研磨定盤４の上面４ａに供給する。そして、押圧部材１０を下降させて、超音波伝達部材１８ｂの下面にスラリー１５を接触させる（図２）。

準備ステップを実施した後には、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとの間の距離（間隔）ｇを検出する距離検出ステップを実施する。この距離検出ステップでは、まず、センサユニット１４から研磨定盤４に向けて超音波ＵＳａを発信し、研磨定盤４の上面４ａで反射した超音波ＵＳｂをセンサユニット１４で受信する（図２）。

超音波ＵＳｂが受信されると、時間計測部１６ａは、超音波ＵＳａの発信から超音波ＵＳｂの受信までに要した時間ｔを算出し、距離算出部１６ｂに通知する。距離算出部１６ｂは、通知された時間ｔに基づいて、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとの間の距離ｇを算出する。

距離検出ステップを実施した後には、距離ｇの値に基づき押圧部材１０の押し当て圧力を調整する圧力調整ステップを実施する。この圧力調整ステップでは、まず、距離算出部１６ｂで算出された距離ｇの値を、任意の基準値ｇ_１，ｇ_２（ｇ_１≦ｇ_２）と比較する。

距離ｇの値が基準値ｇ_１より小さい場合、制御装置１６は、圧力調整機構１２によって押圧部材１０の押し当て圧力を低下させる。これにより、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとは離反する。

一方、距離ｇの値が基準値ｇ_２より大きい場合、制御装置１６は、圧力調整機構１２によって押圧部材１０の押し当て圧力を上昇させる。これにより、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとは近接する。

押し当て圧力の調整量（補正量）は任意である。例えば、押し当て圧力の調整量を、基準値ｇ_１又は基準値ｇ_２と、距離ｇの値との差に応じて決定することができる。この場合、距離ｇの値に応じて押し当て圧力の調整量が変化するので、押圧部材１０の押し当て圧力を適切な範囲に保ちやすい。ただし、押し当て圧力の調整量はこれに限定されず、一定でも良い。

また、基準値ｇ_１としては、スラリー１５に含まれる砥材１３の平均砥粒径の値を用いることが好ましい。例えば、距離ｇの値が砥材１３の平均砥粒径の値より小さくなると、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとの間に十分な砥材１３を介在させることが難しくなり、砥材１３を適切に埋め込むことができない。

そこで、スラリー１５に含まれる砥材１３の平均砥粒径の値を基準値ｇ_１として用い、距離ｇの値が砥材１３の平均砥粒径の値を下回った場合に押圧部材１０の押し当て圧力を低下させるようにする。これにより、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとが離反するので、十分な砥材１３を介在させて、砥材１３を適切に埋め込むことができる。

基準値ｇ_２としては、例えば、砥材１３の平均砥粒径と略同等程度の値を用いると良い。距離ｇの上限となる基準値ｇ_２をこのように設定することで、砥材１３の埋め込みに要する時間が長くならずに済む。なお、基準値ｇ_２は、基準値ｇ_１と同じでも良い。

圧力調整ステップを実施した後には、研磨定盤４の上面４ａに砥材１３を埋め込む埋め込みステップを実施する。図３は、埋め込みステップを模式的に示す図である。この埋め込みステップでは、砥材１３を含むスラリー１４を研磨定盤４の上面４ａに供給しながら、研磨定盤４を回転させる。

上述した距離検出ステップ及び圧力調整ステップによって、押圧部材１０の押し当て圧力はあらかじめ適切に制御されている。よって、砥材１３を適切に埋め込むことができる。

なお、埋め込みステップの進行とともに、押圧部材１０の下面１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとの間の距離ｇは変化する可能性があるので、埋め込みステップの実施中にも、距離検出ステップ及び移動ステップを繰り返し実施することが好ましい。

埋め込みステップの実施中において、距離検出ステップ及び圧力調整ステップは、連続的に繰り返されても良いし、所定の時間を空けて繰り返されても良い。距離検出ステップ及び圧力調整ステップを実施するタイミングは、埋め込みの進行速度等に応じて任意に設定される。

以上のように、本実施の形態に係る砥材埋め込み方法は、押圧部材１０の下面（押圧面）１０ａと、研磨定盤４の上面４ａとの間の距離ｇをセンサユニット（検出手段）１４で検出する距離検出ステップと、距離検出ステップで検出された距離ｇに基づいて、押圧部材１０で研磨定盤４を押圧する圧力（押し当て圧力）を調整する圧力調整ステップと、を備えるので、例えば、押圧部材１０と研磨定盤４との間に十分な砥材１３を介在させることができる距離を制御の基準に用いることで、研磨定盤４に対して簡単に砥材を埋め込むことができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施の形態では、式（１）に基づいて距離ｇを算出しているが、距離ｇの算出方法はこれに限定されない。

式（１）では、超音波伝達部材１８ｂが十分に薄い場合（圧電素子１８ａの下面から超音波伝達部材１８ｂの下面までの距離が短い場合）を想定している。超音波伝達部材１８ｂが厚い場合には、超音波伝達部材１８ｂの厚みや、超音波伝達部材１８ｂを伝播する超音波の音速等を考慮して距離ｇを算出することが望ましい。

また、押圧部材１０には、超音波を付与する圧電素子（超音波振動子）等を設けても良い。押圧部材１０に超音波を付与することで、砥材１３をより効率的に埋め込むことができる。ただし、この場合には、押圧部材１０に付与される超音波の振動等を考慮して、各ステップを実施することが好ましい。

その他、上記実施の形態に係る構成、方法などは、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

２ 研磨装置
４ 研磨定盤
４ａ 上面
６ 保持機構（保持手段）
６ａ 下面
８ ノズル
１０ 押圧部材
１０ａ 下面（押圧面）
１２ 圧力調整機構
１４ センサユニット（検出手段）
１６ 制御装置
１６ａ 時間計測部
１６ｂ 距離算出部
１８ 超音波センサ
１８ａ 圧電素子（超音波振動子）
１８ｂ 超音波伝達部材
２０ パルス電圧発生器
２２ 変換器（コンバータ）
１１ 被加工物
１１ａ 上面
１１ｂ 下面
１３ 砥材
１５ スラリー
ＵＳａ 超音波
ＵＳｂ 超音波（反射波）

Claims (2)

1. 研磨定盤上に砥材を埋め込む砥材埋め込み方法であって、
   砥材を含むスラリーを介して研磨定盤の上面に押圧部材を押圧して該研磨定盤の上面に砥材を埋め込む埋め込みステップと、
   該埋め込みステップ前または実施中に、該研磨定盤の上面に対面する該押圧部材の押圧面と該研磨定盤の上面との間の距離を検出手段で検出する距離検出ステップと、
   該埋め込みステップの前または実施中に、該距離検出ステップで検出された該距離に基づいて該押圧部材で該研磨定盤を押圧する圧力を調整する圧力調整ステップと、を備えたことを特徴とする砥材埋め込み方法。
2. 前記距離検出ステップで検出された前記距離の値が前記砥材の平均砥粒径よりも小さい場合に、前記圧力調整ステップでは、前記押圧部材で前記研磨定盤を押圧する圧力を低下させることを特徴とする請求項１に記載の砥材埋め込み方法。