JPH06275584A - 評価方法及びシリコンウェハ - Google Patents

評価方法及びシリコンウェハ

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JPH06275584A
JPH06275584A JP5061594A JP6159493A JPH06275584A JP H06275584 A JPH06275584 A JP H06275584A JP 5061594 A JP5061594 A JP 5061594A JP 6159493 A JP6159493 A JP 6159493A JP H06275584 A JPH06275584 A JP H06275584A
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JP
Japan
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polishing
polishing cloth
silicon wafer
porous
surface roughness
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JP5061594A
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English (en)
Inventor
Mariko Urushibara
真理子 漆原
Kiyoshi Akamatsu
潔 赤松
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】研磨布評価方法と、研磨布の製造方法と、表面
粗さ0.3nmRmax以内の平滑なシリコンウェハ
と、それを得る製造方法とを実現すること。 【構成】メカノケミカル加工において、研磨布の評価方
法として研磨布のポーラス径と、ポーラス壁厚とによる
ものを提案し、マイクロラフネスとの相関を得た。そし
て、フォトリソグラフィ技術により任意形状を有する研
磨布を作製し、定盤温度、研磨圧力を最適化することに
より表面粗さ0.3nmRmaxのシリコンウェハを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子用シリコン
ウェハ及びその製造方法に係わるものであり、特に表面
粗さが原子オーダーのレベルに制御されたシリコンウェ
ハ及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来からシリコンウェハは研磨布と研磨
剤の相対摺動により鏡面研磨されているが、これまで表
面粗さについては特に言及されておらず、経験的に鏡面
仕上げするに過ぎなかった。また、その表面粗さに対し
ての研磨布、研磨剤との関係も明確にされていなかっ
た。最近、より平滑な面を得る方法として、例えばEE
M(Elastic Emission Machining)法による0.5nm
Rmaxのウェハ加工法が1990年度精密工学会秋季
大会学術講演会講演論文集p.313に提案されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】半導体素子を高集積化
するための信頼性を得るため、平坦度の他に今までは余
り問題とされなかったシリコンウェハ表面のマイクロラ
フネス(微小部分の粗さ形状)が重要となり、シリコン
ウェハの表面形状の平滑化が要求され、シリコンウェハ
の酸化膜耐圧向上が非常に大切になっている。また、こ
の酸化膜耐圧は、ウェハ表面粗さが悪くなると低下する
傾向がみられる。特に半導体集積回路素子の高集積化が
進むにつれて、この表面粗さは素子の信頼性を高める上
で重要な技術の一つとされ、原子オーダーの平滑面の制
御が要求されてきた。
【0004】この原子オーダーの平滑面を得るために研
磨に関しては、ケミカルな作用とメカニカルな作用の複
合によるメカノケミカル研磨が用いられてきたが、そこ
で使用される研磨布や研磨剤とシリコンウェハの表面粗
さとの関係は明確にされていなかった。特に研磨布にお
いてはその弾性特性や粘性特性、摩擦特性によるシリコ
ンウェハの平坦度に関する提案はされているが(198
5年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集pp.85
−88、1989年度精密工学会春季大会学術講演会論
文集pp.211−212、1991年度砥粒加工学会
論文集pp.175−178)、シリコンウェハ表面の
マイクロラフネスに関しては言及されていない。
【0005】したがって、本発明の目的は上記従来の問
題点を解決することにあり、第1の目的は研磨布の評価
方法を、第2の目的はその評価方法に基づいた研磨布
を、第3の目的はその研磨布の製造方法を、第4の目的
はその研磨布を用い、平滑研磨により原子オーダーに制
御された半導体素子用シリコンウェハを提供することに
ある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するた
め、ケミカルな作用とメカニカルな作用の複合によるメ
カノケミカル研磨の加工要因を明確にする必要がある。
先ず、ケミカル成分としては、(1)研磨剤の化学成
分、(2)研磨剤の砥粒と研磨布の摩擦による発生熱
量、メカニカル成分としては(1)研磨剤の砥粒径・硬
さ・粘度、(2)研磨布の硬さ・形状、(3)研磨速
度、(4)加工圧力などが挙げられる。
【0007】このメカノケミカル研磨においてウェハ表
面では(1)メカニカルな表面層除去、(2)研磨によ
って生じるケミカルな反応層、(3)研磨剤によるエッ
チングが行われている。原子オーダーの平滑面を得るた
めに、ケミカルな作用により生成した反応層を薄くし、
その反応層を研磨布によってメカニカル的に除去するも
のである。
【0008】本発明者らは研磨に大きく影響する研磨布
に関して実験、検討の結果、研磨布はポーラス径(表面
の微細な穴)とポーラスの壁厚とで評価することが可能
であり、シリコンウェハの表面粗さは研磨布のポーラス
径とポーラス間の壁厚とに相関を持つという知見を得
た。
【0009】またメカノケミカル加工条件の検討を行
い、微細なポーラスの表面形状を有する研磨布を用い、
定盤温度15〜20℃、研磨圧力2〜10kPaに制御
することによってシリコンウェハの表面粗さを向上でき
ることがわかった。
【0010】これにより表面粗さ0.3nmRmaxの
鏡面を有するシリコンウェハを実現することが出来る。
【0011】
【作用】シリコンウェハの研磨に用いる研磨布はそのポ
ーラス径とポーラスの壁厚とで評価することが可能であ
る。またシリコンウェハの表面粗さは研磨布の表面形状
に依存し、微細なポーラスを有する研磨布を用い、定盤
温度15〜20℃、研磨圧力2〜10kPa以下に制御
することによって、表面粗さ0.3nmRmaxのシリ
コンウェハを得る。
【0012】
【実施例】以下に本発明の一実施例を示し、さらに具体
的に説明する。
【0013】ウェハの表面粗さを向上させるため、研磨
にメカノケミカル加工を用いる。図1はメカノケミカル
加工における加工モデルを示したものであるが、シリコ
ンウェハ3の表面には研磨剤によってケミカル反応によ
り反応層2が形成される。メカニカル的な研磨により、
この反応層2を、または、反応層2とシリコン3を砥粒
1が除去してゆくと共に、ウェハ表面は研磨剤によりエ
ッチングされる。
【0014】この反応層2は研磨温度と研磨剤のアルカ
リ成分(pH)に大きく影響される。エッチングは研磨
温度と研磨剤のpH、エッチング時間に大きく影響さ
れ、温度が高いほど、又pHが高いほど、そしてエッチ
ング時間が長いほど得られる表面粗さは悪くなる。メカ
ニカルな除去量は微小にして、研磨剤による反応層の形
成を抑え、その反応層2を砥粒1により除去することが
シリコンウェハの表面粗さを向上させる。
【0015】図2は研磨装置の断面を示したものであ
り、本実施例ではこの研磨装置を用いてシリコンウェハ
を研磨した。装置構成は、回転数が任意に変えられる回
転定盤5上に研磨布1が貼られ、その上に、研磨剤供給
ノズル10から研磨剤6が供給される。研磨布1上には
ウェハ保持治具7に固定されたシリコンウェハ8が設置
され、ウェハ保持治具7自体はウェハ貼付治具9に固定
されており、このウェハ貼付治具9は、加圧、回転、揺
動させることが可能である。メカノケミカル研磨におい
ては、平均粒径5〜10nmの砥粒を用い、研磨布1に
は微細多孔質のポリウレタンパッドを使用している。
【0016】図3に研磨布の形状(ポーラス径・壁厚)
と表面粗さとの相関関係を示す。
【0017】前述したように、メカノケミカル加工にお
いて、ケミカルな反応を抑え、反応層を薄膜化した上
で、ひずみを与えることなく除去することが重要であ
る。この機械的除去メカニズムは研磨布の形状・硬さな
どによるものが大きいと考えられてきたが、今まで言及
されてきた問題点は研磨の加工能率や平坦度が主なもの
であり、マイクロラフネスに関してのものはなかった。
そこで、研磨布の粘性・弾性変形など各種実験・考察の
結果、シリコンウェハの表面粗さは研磨布のポーラス径
・ポーラス壁厚と相関を持つことが明らかになった。
【0018】ポーラス径をd(nm)、ポーラス壁厚を
t(nm)とすると、表面粗さRmax(nm)は相関
関数は次式で表される。
【0019】
【数1】
【0020】ポーラス径・ポーラス壁厚共に小さくなる
と表面粗さは向上し、ポーラス径と壁厚を比較すると壁
厚の方が表面粗さに大きな影響を及ぼすことが明らかに
なった。よって、メカノケミカル加工の際、壁厚の薄
く、かつ、微細なポーラスを有する研磨布を用いること
によってマイクロラフネスを向上させることが可能であ
る。
【0021】メカノケミカル加工に使用される研磨布の
表面は、発泡剤を利用して微細ポーラスを作製してき
た。しかし、この方法では表面形状の制御が難しく、ま
た、容易に任意形状を得ることが出来ない。そこで、本
発明ではフォトリソグラフィ技術を利用して、表面に微
細かつ壁厚の薄いポーラス穴を有する研磨布を作製し
た。
【0022】図4にフォトリソグラフィ技術による研磨
布の製造方法を示す。
【0023】研磨布の材料としては熱可塑性のポリウレ
タン11を用いた。基板定盤12上に熱可塑性のポリウ
レタン11を固定した後、この表面を平面研削し、被加
工面上にフィルム13としてポジ型感光性を有する芳香
族ポリアミド樹脂フィルム(膜厚10μm)を熱圧着し
た。次に、研磨布表面形状のフォトマスク(マスク全面
に隣接する穴と穴の中心間隔が12μmで直径20μm
の穴があいているもの)を用いて露光し、N−メチルピ
ロリドン系の溶媒を用いて現像し、パターン14を得
る。そしてイオンミリングによりポリウレタンを深さ3
0μmまで加工する。その後、有機溶剤(例えばジメチ
ルアセトアミド)を溶媒に用いて残像フィルムを除去し
た。このように加工した研磨布の形状精度はポーラス径
20±4μm、ポーラス壁厚2±0.2μmであった。
【0024】以上代表的な実施例を例示して説明した
が、そのほかのフィルム、例えばポリスチレン樹脂、ノ
ボラック樹脂、アラミド樹脂、ポリイミド樹脂、さらに
は、これらのポリマー成分を含有するそのほかの樹脂成
分からなるフィルムについても同様の効果がある。ま
た、フォトマスクの形状を変えることにより、任意形状
の表面形状を有する研磨布を得ることが可能である。
【0025】図5は作製した研磨布を用いたメカノケミ
カル加工における、定盤温度とシリコンウェハ表面粗さ
との関係を示す。定盤温度15℃付近で表面粗さの極小
値を持ち、この値より低い温度では研磨における機械的
除去作用が大きくなり、表面粗さが悪くなると考えられ
る。逆に、この値より高い温度ではケミカル作用が大き
くなるとともに反応層も増大するため、表面粗さが悪く
なると考えられる。よって、この図から研磨温度を15
〜20℃の範囲で研磨することにより、シリコンウェハ
の表面粗さを0.3nmRmaxに向上できることが分
かる。これは定盤温度を低く保つことによりケミカルな
反応を抑制し、機械的除去作用とのバランスの最適化に
よるものである。
【0026】図6は作製した研磨布を用いたメカノケミ
カル加工における、研磨圧力とシリコンウェハ表面粗さ
との関係を示す。研磨圧力3kPa付近で表面粗さの極
小値を持ち、表面粗さは研磨圧力を特定値に制御するこ
とによって良くなることを示している。これは、その研
磨条件における研磨圧力が機械的除去作用に影響するた
めであり、2〜10kPa以下の研磨圧力に制御すると
シリコンウェハの表面粗さを0.3nmRmaxに向上
できることが分かる。
【0027】作製された表面粗さ0.3nmRmax以
内の鏡面を有するシリコンウェハは高集積化された半導
体素子に使用される。
【0028】なお上記表面粗さの計測は、何れも原子レ
ベルの分解能を有するAFM(Atomic Force Microscop
e、測定範囲1μm×1μm)によるものである。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、上述したようにシリコ
ンウェハの表面粗さは研磨布のポーラス径、ポーラス壁
厚とに相関を持ち、微細なポーラスを有する研磨布を用
い、定盤温度15〜20℃、研磨圧力2〜10kPaに
制御することにより、表面粗さ0.3nmRmaxのシ
リコンウェハ表面を得ることが出来る。このシリコンウ
ェハは高集積化の進んだ半導体素子の基板として用いら
れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】メカノケミカル加工のモデル図である。
【図2】研磨装置の要部断面図である。
【図3】研磨布の表面形状(ポーラス径・壁厚)とマイ
クロラフネスの相関関係を示す特性図である。
【図4】研磨布の加工工程図である。
【図5】定盤温度とシリコンウェハ表面粗さとの関係を
示す特性図である。
【図6】研磨圧力とシリコンウェハ表面粗さとの関係を
示す特性図である。
【符号の説明】
1…研磨布、 2…砥粒、 3…反応層、 4…シリコン、 5…回転定盤、 6…研磨剤、 7…ウェハ保持治具、 8…シリコンウェハ、 9…ウェハ貼付治具、 10…研磨剤供給ノズル、 11…ポリウレタン、 12…基板定盤、 13…フィルム、 14…パターン。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体素子用シリコンウェハの鏡面研磨に
    おいて、メカノケミカル加工に用いられる研磨布の、そ
    の表面形状であるポーラス(表面の微細な穴)径とポー
    ラス間の壁厚をパラメータにもつ相関係数による評価を
    特徴とする評価方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の評価方法に基づき、メカノ
    ケミカル加工により実現された表面粗さ0.3nmRm
    ax以内の鏡面を有することを特徴とするシリコンウェ
    ハ。
  3. 【請求項3】メカノケミカル加工に用いられる研磨布の
    製造方法において、研磨布材として被加工面上に感光性
    フィルムを圧着(または接着)する工程と、フォトリソ
    グラフィ技術を用いて前記感光性フィルムを所定のポー
    ラス形状にパターニングする行程と、このパターニング
    された圧着(または接着)フィルムをマスクとしてミリ
    ング加工する行程と、この被加工面上に残っているフィ
    ルムマスクを剥離する行程とを有して成ることを特徴と
    する研磨布の製造方法。
  4. 【請求項4】請求項3記載のフォトリソグラフィ技術を
    用いた感光性フィルムのポーラス形状のパターニングと
    して、円形、三角形、四角形、五角形、六角形、楕円形
    など任意ポーラス形状を有するマスクで構成して成るこ
    とを特徴とする研磨布の製造方法。
  5. 【請求項5】請求項3記載の製造方法により製造され
    た、ポーラス径10〜30μm、ポーラス壁厚1〜3μ
    mの表面形状を有することを特徴とする研磨布。
  6. 【請求項6】請求項3記載の製造方法に基づいて作製さ
    れた、表面形状に円形、四角形、五角形、六角形、楕円
    形など任意ポーラス形状を有することを特徴とする研磨
    布。
  7. 【請求項7】請求項3記載の製造方法に基づいて作製さ
    れた、表面形状に円形、四角形、五角形、六角形、楕円
    形など任意ポーラス形状を有し、深さ5〜50μmmの
    深さのポーラスを有することを特徴とする研磨布。
  8. 【請求項8】メカノケミカル加工によりシリコンウェハ
    を鏡面研磨するに際し、請求項5又は6又は7記載の研
    磨布を用い、表面粗さを小さくできる研磨温度を15か
    ら20度に制御し、研磨圧力を2〜10kPaの研磨条
    件により研磨した、表面粗さ0.3nmRmax以内の
    鏡面を有することを特徴とする半導体素子用シリコンウ
    ェハ。
  9. 【請求項9】請求項2又は8記載のシリコンウェハを用
    いて作製されたことを特徴とする半導体素子。
JP5061594A 1993-03-22 1993-03-22 評価方法及びシリコンウェハ Pending JPH06275584A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014075489A (ja) * 2012-10-04 2014-04-24 Shin Etsu Handotai Co Ltd ウェーハの評価方法及びウェーハの研磨方法
JP2015211993A (ja) * 2014-05-02 2015-11-26 古河電気工業株式会社 研磨パッド、研磨パッドを用いた研磨方法及び該研磨パッドの使用方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014075489A (ja) * 2012-10-04 2014-04-24 Shin Etsu Handotai Co Ltd ウェーハの評価方法及びウェーハの研磨方法
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