JPH0366565A - 半導体ウエーハの研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 利用産業分野 この発明は、シリコン等からなる半導体ウェーハの研磨
方法に係り、研磨剤及び冷媒の流量制御により研磨定盤
温度を制御して研磨を行い、定盤の研磨熱による変形の
変動を抑制し、研磨温度を高精度に均一化して半導体ウ
ェーハの加工精度を飛躍的に向上させたメカノケミカル
ポリッシングに関する。

従来技術 ＬＳＩ等の大規模集積回路を製作する材料である半導体
ウェーハの製造工程において、最終鏡面仕上を行う工程
が研磨工程であり、半導体ウエーノ１の最終品質がこの
工程で決定される。

かかる研磨工程では、一般にメカノケミカルポリッシン
グ（以下ＭＣＰという）と呼ばれる研磨手法が用いられ
る。

すなわち、ＭＣＰは、５〜３００ｎｍ程度の粒径を有す
る３ｉ０２粒子を苛性ソーダ、アンモニア及びエタノー
ルアミン等のアルカリ溶液に懸濁させてｐＨ９〜１２程
度にした、いわゆるコロイダルシリカからなる研磨剤と
、ポリウレタン樹脂等から成る研磨布とを用い、第７図
に示す如く、研磨布（５）が貼り付けられた研磨布定盤
（６）と半導体ウェー／％（１）が貼着されたウェーハ
定盤（３）を対向させ、前記研磨剤（１０）を介して相
対回転運動させて半導体ウェーハ（１）を研磨する方法
であり、通常　ウェーハ定盤（３）を回転する加圧ヘッ
ド（４〉に装着して、回転テーブル（７）に載置された
１、Ｒ磨布定盤（６）に当接させて相対回転運動させる
。

また、半導体ウェーハのＭＣＰ工程は、一般に１次、２
次、３次の３段階からなる。まず、１次研磨にて、研磨
前加工工程にて生じた歪を高硬度研磨布にて５〜２０ｐ
ｍ程度研磨して除去し、続く２次研磨にて、その１次研
磨にて生じた歪を中硬度研磨布にて０．１〜５声ｎ程度
研磨することにより除去する。

そして最後の３次研磨では、低硬度研磨布にて０．０１
〜１．０ｐｍ程度Ｖｒ！！することによりウェー７１表
面に残った曇り（ヘイズ）を除去し、６インチウェーハ
にて全厚さむら（ＴＴＶ）０．５〜３μｍ、面粗さ１〜
１０人程度の超精密な半導体ウェーハが製造される。

従来技術の問題点 上記ＭｃＰにおいて、半導体ウェーハと研磨布との界面
に生ずる発熱により、研磨剤の温度が上昇して定盤表裏
に温度差を生じ、研磨時温度の変動力吠きいとその変動
幅に比例して上下一対の定盤の熱変形が大きくなり、該
定盤はその回転中心より円周方向へ湾曲を生じやすい傾
向にある。この半導体ウェーハが接触する一対定盤の湾
曲量が研磨中卒導体ウェーハ自体に転写され、その加工
精度を著しく低下させるという問題があった。

この定盤表裏に生ずる温度差を小さくする手段としては
、研磨布上温度自体を室温近くにまで下げてやればかな
りその効果はあるが、ＭＣＰは化学的除去作用の要因も
大きいため研磨温度と研磨スピードとは顕著に比例する
。その結釆として研磨スピードの低下を招きやすい。

そこで、研磨布上温度を一般に室温より高し）２５゛Ｃ
〜５０°Ｃに設定し、定盤形状が該設定温度にて平坦あ
るいは研磨布の粘弾性などを考慮して若干の凸形状に適
確に熱変形するように、製作階段にて形状制御された定
盤が用いられるようになった。

この状態では、逆に該定盤が所定の熱的形状変化を適確
に起すように設定した研磨布上温度を、高精度に管理し
かつその変動が極小になるよう制御することが、高平坦
な半導体ウェーハを製造する上で重要課題となった。

温度制御手段として従来は、ＭＣＰ装置おいて、研磨布
上に過剰なＮ＠剤を供給して冷却したり、第７図に示す
如く研磨布（５）を貼り付けた定盤（６）裏面を冷却す
るため研磨布定盤（６）を支持する回転テーブル（７）
内部に冷媒通路（８）を設け、冷媒を供給して発生した
研磨熱を排出し研磨温度を均一にする方法が取られた。

さらに、研磨温度をより精度よく均一にする手段として
、第８図に示す如く、赤外線温度センサー（１１）で計
測した研磨布（５）上温度にて研磨剤及び冷媒の流量を
電磁弁などによりオン−オフ制御することが実施された
。

しかし、この研磨工程にて用いる研磨剤、コロイダルシ
リカは非常に不安定で凝集し易く、上述のオン−オフ制
御弁、を磁弁の作動部に一度凝固付着すると除去困難で
あり、かつ１を磁弁の良好な作動を妨げ、前述の形状制
御された定盤を有効に利用するための高精度な温度制御
ができなかった。

また、供給する研磨剤自体の温度を制御することにより
研磨温度を制御する試みもなされたが、研磨剤などの熱
容量が大きいことから、応答性が悪く制御温度範囲が広
くなり、同様に高精度な温度制御ができなかった。

すなわち、かかる手段によっても第５図に示す如く、半
導体ウェーハ（１）をワックス（２で）貼り付けた定盤
（３）からみた半径方向テーバ（ＴＡＰＥＲ）をＴＡＰ
ＥＲ＝ＴＨＫ　１−ＴＨＫ２．のように定義（但し、Ｔ
ＨＫＩは定盤（３桝縁端部のウェーハ（１）厚みで、Ｔ
ＨＫ２は定盤（３）内縁端部のウェーハ（１）厚みであ
る）すると、まだ６インチウェーハにて５ｐｍ程度あり
、極大規模集積回路（Ｖｌ、３Ｉ）の設計精度からくる
要求に答られなかった。

発明の目的 一般に線膨張率（ａ）、半径（ｒ）、厚み（１）が既知
の円盤の表裏に、温度差（Δ刀が定常的に生じた場合、
その円盤自体の熱応力により生ずる変形が第６図の如く
均一な円孤状になると仮定すると、その変形量（δ）は
、δ＝（α・ｒ２・ΔＴ）　／　２ｔ　　式にて与えら
れる。

従って、上下一対の定盤には、基本的にその線膨張率（
α）、半径（ｒ）共に小さく、また厚み（１）は大きい
ものが好ましく、その他にも熱伝導率なども考慮され、
その上で定盤表裏の温度差をいかに小さくかつ一定に保
つかがＭＣＰにおいて最も重要となる。

この発明は、上述した従来の問題点を改善することを目
的とし、半導体ウェーハのＭＣＰに際し、ウェーハが接
する定盤に供給される研磨剤及び冷媒の流量制御を高精
度化することにより、定盤の研磨熱による変形の変動を
抑制し、半導体ウェーハの加工精度を飛躍的に向上させ
た研磨方法の提供を目的とする。

発明の概要 この発明は、上記目的を遠戚すべく、ＭＣＰ装置の上下
一対の定盤の形状が、設定温度にて平坦あるいは研磨布
の粘弾性などを考慮して若干の凸形状に適確に熱変形し
これを保持するように、研磨剤及び冷媒の該定盤への供
給流量を定盤の表裏温度という制御因子にて制御し、例
えば、供給する研磨剤及び冷媒自体温度変動、ウェーハ
貼り付は定盤への研磨荷重変動及び研磨布の摩擦係数変
動などの外乱因子があっても一定にするよう高応答、高
精度に制御できる制御系を特徴とし、その結果、高平坦
度の半導体ウェーハを効率よく研磨することをその要旨
としている。

すなわち、この発明は、 定盤形状が所要設定温度にて熱変形し平坦あるいは研磨
布の粘弾性などを考慮した凸形状になるよう形状制御さ
れた定盤を用い、 表面に研磨布が貼着されかつ裏面側が冷媒で冷却される
研磨布定盤と半導体ウェーハが貼着されたウェーハ定盤
を対向させ、 砥粒を溶液に懸濁させ所要ＰＨ濃度にした研磨剤を介し
て相対運動させて半導体ウェーハを研磨するメカノケミ
カルポリッシングにおいて、研磨布上温度あるいは排出
される研磨剤温度を測定してウェーハ定盤と研磨布定盤
の表面温度を特定し、 前記冷媒の排出温度を測定して研磨布定盤の裏面温度を
特定し、 上記の連続的な温度測定結果に応じて研磨定盤が所要設
定温度となるように、研磨剤及び冷媒の流量を１ｉＪ１
１１するに際し、研磨剤の流量制御に制御弁の駆動部に
耐薬品性ゴム系材料を使用し研磨剤の凝固による制御弁
の動作不良を防止した比例弁を用い、高精度流量制御し
て研磨を行うことを特徴とする半導体ウェーハの研磨方
法である。

またさらに、この発明は、 インバータを用いてその周波数を制御して直接研磨剤及
び冷媒の供給ポンプの回転数を制御し研磨剤及び冷媒の
流量を制御することを特徴とする半導体ウェーハの研磨
方法である。

図面に基づぐ発明の開示 第１図はこの発明によるＭＣＰ装置の概略説明図である
。

第２図はこの発明によるＭＣＰ装置の制御系を示す説明
図である。

第３図はこの発明によるＭＣＰ装置に用いた比例弁の概
略説明図であり、第４図はポンプの概略説明図である。

ＭＣＰ装置の定盤には、基本的にその線膨張率（ａ）、
半径（ｒ）共に小さく、また厚み（１）は大き１．）も
のが好ましく、その他にも熱伝導率なども考慮され、そ
の上で定盤表裏の温度差をいかに小さくかつ一定に保つ
かがＭＣＰにおいて最も！要であるかは前述したとおり
である。

そこでこの発明では、研磨中の一対の定盤の表裏温度を
、第１図に示す如く、 ａ、半導体ウェーハ（１）を支持するウェー７％定盤（
３）の表面温度Ｔ０ｎは、変動する研磨布（５）上温度
Ｔ５に等しく、かつ研磨布（５）上から排出される研磨
剤（１０）温度Ｔ’ｉｏと比例し、ウェー７１定盤（３
）の裏面：ａｔｒ３ｂは室温と等しくかつ一定す、研磨
布（５）貼り付けた研磨布定盤（６）の表面温度Ｔｅａ
は、研磨布（５）上温度に比例し、裏面温度Ｔ６ｂは、
回転テーブル（７）内部より排出される冷媒温度Ｔ８と
比例すると考え、 Ｃ１一対の定盤の表裏温度の変動を抑制するための制御
すべき温度として、ウェーハ定盤（３）については、研
磨布（５）上温度Ｔ５あるいは排出される研磨剤（ｌＯ
）温度ＴＩＯを、また、研磨布定盤（６）については冷
媒温度Ｔ８を測定し、かかる温度を制御し研磨中の一対
の定盤（３Ｘ６）の表裏温度を一定に制御する。

この発明では、第１図に示すＭＣＰにおいて、研磨中の
一対の定盤（３Ｘ６）の表裏ｉ１度を一定に制御するた
め、第２図に示す如き制御系を構成している。すなわち
、上記制御すべき温度、研磨布（５）上温度Ｔ５あるい
は排出される研磨剤（１０）ｉＴＭＥＴｘｏ、並びに冷
媒温度Ｔ８と室温を高精度に計測する温度センサー（２
０）、そして計測した温度を設定温度と比較し調節する
演算器（２１）及びそれに基づき研磨剤、冷媒の流量を
制御する制御器（２２）からなるフィードバック制御系
を構成する。

温度センサー（２０）としては、非接触にて被測定物か
ら輻射される赤外線エネルギーを収束させ演算処理によ
り温度計測する非接触赤外線温度センサー、あるいは接
触方式にて熱起電力変化を利用する熱電対または電気抵
抗変化を利用する抵抗温度センサーなどが使用できる。

単数または複数の温度計測センサー（２０）で得たＴ５
あるいはＴＩＯ，’ｒ３と室温の各温度信号は、演算器
（２１）に入力され、予め設定された研磨中の一対の定
盤（３Ｘ６）の温度、すなわち、定盤形状が所要温度に
て熱変形し平坦あるいは研磨布の粘弾性などを考慮した
凸形状になるよう形状制御された定盤の設定温度と比較
され、必要な研磨剤、冷媒の流量を演算し制御器（２２
）へ出力する。

演算器（２１））こは、比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分
（Ｄ）の動作の組み合わせが可能な、所謂Ｐｍ制御能の
あるものが使用でき、所要のＭＣＰＩ：！＆適な各定数
を設定してやればよい。

次に、制御器（２２）は、演算器（２１）の信号に従い
研磨剤（１０）流量制御用比例弁（２３）及び冷媒流量
制御用ポンプ（２７）を制御するが、比例弁やポンプな
どの流量制御用機器が演算器（２１）で直接制御される
場合は不要となる。

流量制御用機器には、例えば、第３図に示す如く、電動
式若しくは空気式の比例弁（２３）が使用でき、特に研
磨剤流量制御用としては、ダイヤフラム型比例弁（２３
）のスプリング（２４）で作動する駆動部（２５）が流
路（２６）内の研磨剤の凝固により動作不良となるのを
防止するため、駆動部（２５）にエチレンプロピレンゴ
ムなどの耐薬品性に優れたゴム系材料使用する必要があ
る。

また、流量制御用機器には、第４図に示す如く、インバ
ータ（２８）を用いてその周波数を制御することにより
直接ポンプ（２７）の回転数を制御し、研磨剤あるいは
冷媒の流量を制御するのもよい。

実施例 ６インチシリコンウェーハを以下の条件でＭＣＰした。

すなわち、６インチシリコンウェーハを貼着したウェー
ハ定盤と、研磨布にポリウレタン樹脂を用いたポリラシ
ャ−を相対させ、平均粒径５〜３００ｎｍの５ｉ０２粒
子を苛性ソーダ、アンモニア及びエタノールアミンのア
ルカリ溶液に懸濁させてｐＨ９〜１２にしたコロイダル
シリカからなる研磨剤を、３１／ｍｉｎ〜Ｂｌ／ｍｉｎ
で流下させ、加圧力０．３ｋｇ／ｃｍ２の条件でＭＣＰ
　ｌ、た。

このとき、上記定盤の温度を計測するために、高精度の
非接触赤外線温度センサーにてポリウレタン樹脂温度を
、熱電対にてポリラシャ−内部より排出される冷媒温度
を連続測定し、温度データを演算器に入力し、各計測温
度をそれぞれの設定温度と比較し、その結果に応じたア
ナログ値を出力可能な流量制御操作器↓こ出力した。

また、研磨剤の流量制御操作器として、制御弁の駆動部
に耐薬品性にすぐれたエチレンプロピレンゴムを使用１
．た電動式比例弁を用い、冷媒の流量制御操作器として
インバータとポンプを用いた。

すなわち、高精度の非接触赤外線温度センサーと熱電対
で研磨中の温度を測定し、この計測された温度をＰＩＤ
制（卸能を有する演算器がそれぞれの設定温度と比較し
、その結果に応じたアナログ値を研磨剤または冷媒の流
量制御操作器に出力する。

該出力信号に基づき、研磨剤または冷媒の流量制御操作
器は、比例弁の場合は弁の開口度を所定値に操作させ、
またインバータとポンプの場合はインバータが所定周波
数をポンプ側へ出力しポンプの回転数を所定値に操作す
る。その結果、常に研磨に使用する定盤の研磨中の温度
を、３０±０．２”Ｃの一定に保持することができ、１
次、２次、３次の３段階のＭＣＰ工程を経て、全厚さむ
ら（ＴＴｖ）０．５〜３μｍ、面粗さ１〜１０大の超精
密なシリコンウェーハを製造できた。

発明の効果 ａ、高精度の非接触赤外線温度センサー若しくは熱電対
または電気抵抗温度計などの接触式温度計を用い計測し
た、定盤の各計測温度をそれぞれの設定温度と比較し、
その結果に応じたアナログ値を出力可能な調節計を電動
式もしくは空気式の比例弁またはインバータとポンプな
どの研磨剤または冷媒の流量制御により、定盤の温度変
動を設定値±０．２”Ｃ以内に抑えることができる。

ｂ、研磨剤の流量制御操作器として電動式もしくは空気
式の比例弁を用いた場合、制御弁の駆動部には耐薬品性
に優れるエチレンプロピレンゴムなどのゴム系材料を用
いたので研磨剤の凝固による制御弁の動作不良を防止で
きる。

Ｃ０上記効果により半導体ウェーハの単位時間当りの研
磨スピードの変動を抑えることができる。

ｂ、さらに、研磨中に生ずる定盤の熱変形変動を抑える
ことができ、その結果、６インチウェーハにて全厚みむ
ら（ＴＴＶ）を３μｍ程度に抑えることができ、常に良
好な加工精度の半導体ウェーハを得ることができる。

第１図はこの発明によるＭＣＰ装置の概略説明図である
。

第２図はこの発明によるＭＣＰ装置の制御系を示す説明
図である。

第３図はこの発明によるＭＣＰ装置に用いた比例弁のＪ
Ｕ略税明図であり、第４図はポンプの概略説明図である
。

第５図はＭＣＰ装置のウェーハ定盤の概略説明図である
。第６図は定盤の（既略説明図である。

第７図と第８図はＭＣＰ装置の概略説明図である。

１・・・半導体ウェーハ、２・・・ワックス、３・・・
ウェーハ定盤、４・・・加圧ヘッド、５・・・研磨布、
６・・・研磨布定盤、７・・・回転テーブル、８・・・
冷媒通路、９・・・ノズル、１０・・・研磨剤、 １１・・・赤外線温度センサー、２０・・・温度センサ
ー２１・・・演算器、２２・・・制御器、２３・・・比
例弁、２４・・・スプリング、２５・・・駆動部、２６
・・・流路、２７・・・ポンプ、２８・・・インバータ
。

【図面の簡単な説明】

第１図 第３図 第４図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 定盤形状が所要設定温度にて熱変形し平坦あるいは研磨
   布の粘弾性などを考慮した凸形状になるよう形状制御さ
   れた定盤を用い、表面に研磨布が貼着されかつ裏面側が
   冷媒で冷却される研磨布定盤と半導体ウェーハが貼着さ
   れたウェーハ定盤を対向させ、砥粒を溶液に懸濁させ所
   要ｐＨ濃度にした研磨剤を介して相対運動させて半導体
   ウェーハを研磨するメカノケミカルポリッシングにおい
   て、 研磨布上温度あるいは排出される研磨剤温度を測定して
   ウェーハ定盤と研磨布定盤の表面温度を特定し、 前記冷媒の排出温度を測定して研磨布定盤の裏面温度を
   特定し、 上記の連続的な温度測定結果に応じて研磨定盤が所要設
   定温度となるように、研磨剤及び冷媒の流量を制御する
   に際し、研磨剤の流量制御に制御弁の駆動部に耐薬品性
   ゴム系材料を使用し研磨剤の凝固による制御弁の動作不
   良を防止した比例弁を用い、高精度の流量制御を行い研
   磨することを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。 ２ インバータを用い周波数を制御して研磨剤及び冷媒の供
   給ポンプの回転数を制御し研磨剤及び冷媒の流量を制御
   することを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハの
   研磨方法。