JP2006175534A

JP2006175534A - 研磨方法及び研磨装置

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Publication number: JP2006175534A
Application number: JP2004369252A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Ishii; 康裕石井
Original assignee: NIPPON QUALITY LINKS KK; Lapmaster SFT Corp
Current assignee: NIPPON QUALITY LINKS KK; Lapmaster SFT Corp
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】従来の研磨プロセスや装置と比較して、容易且つ確実に被研磨物の外周縁部に発生する縁ダレを防止することができるとともに、最終製品の製造工程における生産性及び歩留まりを向上させることができる研磨方法及び研磨装置を提供する。
【解決手段】被研磨物Ｗの外周縁部への接触又は離脱により厚さが変化する研磨布６で被研磨物Ｗを研磨するに当たり、被研磨物Ｗの外周縁部への研磨布６が接触進入Ｗａする時の研磨圧力と離脱Ｗｂする時の研磨圧力の比を、１：１以外の値に適宜調整することにより、被研磨物Ｗの外周縁部の縁ダレをコントロールする。
【選択図】図１

Description

本発明は、縁ダレのない研磨方法及び研磨装置に関し、更に詳細には、被研磨物の縁ダレを嫌う研磨、特に、半導体ウエハやハードディスク基板の研磨に好適な研磨方法及び研磨装置に関する。

従来、半導体ウエハは、例えば、図７に示す装置で、粘性と弾性を併せ持つ粘弾性の柔らかな研磨布６を貼った精密平面上で平面仕上げ研磨され、高平坦度と共に傷のない完全鏡面で提供されてきた。

そして、一般に、高平坦度を得るため、上記ウエハは、超精密平面に貼付された粘弾性の柔らかな研磨布に対して、鉛直かつ均一な加重をかけることに腐心してきた。

しかしながら、この方法では、研磨布のやわらかさ故に、上記ウエハ外周部ではどうしても研磨布が変形し、特に、研磨平面の外周縁部分で、縁ダレの発生を防ぐことが出来なかった（図７（ａ）のＷｂ参照）。

一方、露光歩留まりの観点から、上記ウエハには、超高精度の平坦度が要求されてきたが、上記ウエハの極外周部の数ミリより外側は、高精度の鏡面加工が技術的に困難であることや、信頼性のある測定ができないことから、今までは、平坦度規格の除外領域とされてきた。

しかしながら、近年のコスト削減の圧力と、上記ウエハ外周部の平坦度測定精度の向上から、この除外領域が、外周３ｍｍから２ｍｍへ、さらに１ｍｍへと削減されることが確実視され、また実際に適用され始めており、縁ダレのない上記ウエハの研磨技術の確立が急務であった。

また、ＬＳＩ製造工程で用いられるＣＭＰプロセスにおいても、種々の膜を積層した後に平坦化処理を行う場合、エッジ部の研磨が選択的になされるような縁ダレが発生すると、各層の端面が露出し、フレーキングなどの問題を発生するため、やはり縁ダレのない上記ウエハの研磨技術の確立が期待されてきた。

以上のような問題点を解消するため、例えば、上記ウエハの周囲にリング状の加圧板を設け、このリングを半導体ウエハと独立に最適に加圧することで、上記ウエハ端部における研磨布の変形の不連続を低減し、ひいては上記ウエハ外周部の縁ダレを低減するものであった（特許文献１及び特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、研磨布の見かけの圧縮率の変化に伴い、外周リングの圧力を最適に調節する必要があり、非常に手間であった。また、加圧系統も均一な加圧系が独立に複数必要となり、装置構造も複雑になる欠点があった。更に、このリング状加圧板は、上記ウエハを取り巻くように配され、また、常に研磨布へ、一定の圧力を加え続けることから、スラリーの加工面への供給が制限され、スラリーの有効利用や均一な研磨が困難であった。
特開昭４８−３３４９１号公報特開平９−１６８９６４号公報

本発明は、上述した従来技術の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、研磨布で被研磨物（特に、半導体ウエハ）を研磨するに当たり、被研磨物の外周縁部への接触・進入時及び被研磨物の外周縁部への通過・離脱時における研磨圧力の比率を適宜調整することにより、従来の研磨プロセスや装置と比較して、容易且つ確実に被研磨物の外周縁部に発生する縁ダレを防止することができるとともに、最終製品の製造工程における生産性及び歩留まりを向上させることができる研磨方法及び研磨装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下の研磨方法及び研磨装置を提供するものである。

［１］粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨方法であって、前記被研磨物の外周縁部への接触又は離脱により厚さが変化する前記研磨布で前記被研磨物を研磨するに当たり、前記被研磨物の外周縁部への研磨布が接触進入する時の研磨圧力と離脱する時の研磨圧力の比を、１：１以外の値に適宜調整することにより、被研磨物の外周縁部の縁ダレをコントロールする研磨方法。

［２］被研磨物の外周縁部への研磨布の接触・進入時における研磨圧力が、被研磨物の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力よりも小さい［１］に記載の研磨方法。

［３］被研磨物の外周縁部への研磨布の接触・進入時及び被研磨物の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、研磨布の移動方向の上流側又は下流側に、被研磨物の回転軸の外側に偏心圧力を加えることで調節する［１］又は[２]に記載の研磨方法。

［４］被研磨物の外周縁部への研磨布の接触・進入時及び被研磨物の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、研磨布の移動方向の上流側又は下流側に沿って、被研磨物の回転軸を傾斜させながら、被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する［１］又は［２］に記載の研磨方法。

［５］被研磨物の外周縁部への研磨布の接触・進入時及び被研磨物の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、被研磨物の移動方向の上流側又は下流側に沿って、研磨布の回転軸を傾斜させながら、被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する［１］又は［２］に記載の研磨方法。

［６］粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨装置であって、前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時及び前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、前記研磨布の移動方向の上流側又は下流側に、前記被研磨物の回転軸の外側に偏心圧力を加えることで調節する偏心圧力調整手段を有する研磨装置。

［７］粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨装置であって、前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時及び前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、前記研磨布の移動方向の上流側又は下流側に沿って、前記被研磨物の回転軸を傾斜させながら、被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する被研磨布傾斜手段を有する研磨装置。

［８］粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨装置であって、前記被研磨物の移動方向の上流側又は下流側に沿って、前記研磨布の回転軸を傾斜させながら、前記被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する研磨布傾斜手段を有する研磨装置。

本発明の研磨方法及び研磨装置は、研磨布で被研磨物（平面加工物、特に、半導体ウエハ）を研磨するに当たり、被研磨物の外周縁部への接触・進入時及び被研磨物の外周縁部への通過・離脱時における研磨圧力の比率を適宜調整することにより、従来の研磨プロセスや装置と比較して、容易且つ確実に被研磨物の外周縁部に発生する縁ダレを防止することができるとともに、最終製品の製造工程における生産性及び歩留まりを向上させることができる。

以下、本発明の研磨方法及び研磨装置について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明に係る研磨方法の主な特徴は、粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、被研磨物の研磨を行う研磨方法であり、被研磨物の外周縁部への接触又は離脱により厚さが変化する研磨布で被研磨物を研磨するに当たり、被研磨物の外周縁部への研磨布が接触進入する時の研磨圧力と離脱する時の研磨圧力の比を、１：１以外の値に適宜調整することにより、被研磨物の外周縁部の縁ダレをコントロールすることにある。

ここで、本発明で縁ダレを防ぐ場合の研磨方法は、被研磨物の外周縁部へ研磨布が接触進入する時の研磨圧力と離脱する時の研磨圧力の比が、０．８：１以下であることが好ましく、０．５：１以下であることがより好ましく、限りなく０：１であることが更に好ましい。

また、本発明の研磨方法は、被研磨物の外周縁部への研磨布の接触・進入時における研磨圧力が、被研磨物の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力よりも小さいことが好ましい。

更に、本発明の研磨方法は、特に限定されないが、被研磨物の外周縁部への研磨布の接触・進入時及び被研磨物の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、研磨布の移動方向の上流側又は下流側に、被研磨物の回転軸の外側に偏心圧力を加える方法（研磨方法１）、研磨布の移動方向の上流側又は下流側に沿って、被研磨物の回転軸を傾斜させながら、被研磨物の研磨面に圧力を加える方法（研磨方法２）、被研磨物の移動方向の上流側又は下流側に沿って、研磨布の回転軸を傾斜させながら、被研磨物の研磨面に圧力を加える方法（研磨方法３）のいずれかを適宜用いることが好ましい。このとき、ウエハの保持は、特に限定されないが、チャックホルダーやワックス式（接着剤保持）を適宜用いることができる。

尚、本発明の研磨方法は、以下の考察から導き出されたものである。粘弾性の研磨布は、一般的に、図５に示すようにモデル化される。即ち、上記研磨布の厚さ変化は、シリンダーに代表される粘性の挙動と、スプリングに代表される弾性の挙動を併せ持ち、研磨布の厚さ（モデル回路両端の距離）の、加圧にともなう時間的変化は、一定の時定数を持った挙動を有する。このモデルによれば、図６に示すように、研磨布に加圧が発生した瞬間（ｔ₀）に最終圧縮厚さまで圧縮されるのではなく、一定の時間（ｔ₁−ｔ₀）をかけて変化していく。これは、圧力を開放した場合も同様であり、開放の瞬間（ｔ₂）に厚さが回復するのではなく、一定の時間（ｔ₃−ｔ₂）をかけて厚さが回復していく。

次に、図６に示す挙動を、図７（ａ）に示す従来の研磨の事例に適用すると、研磨布６とウエハＷ（被研磨物）との研磨時に発生するウエハ面内圧力分布は、図７（ｂ）に示すようになる。このため、図６に示すｔ₀は、図７（ａ）のＷａに当たり、ウエハＷに研磨布６が接触した瞬間であり、また、図６に示すｔ₂は、図７（ａ）のＷｂに当たり、ウエハＷが研磨布６から離脱した瞬間である。ここで、図６に示すように、ｔ₀からｔ₁にかけての研磨布６の厚さの変形は、図７（ａ）に示すＷａにおける研磨布６とウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への接触・進入時におけるウエハＷの存在する領域で発生し、一方、図６に示すｔ₂からｔ₃に至る厚さの回復変形は、図７に示すＷｂのウエハＷの存在しない自由領域で発生する。つまり、縁ダレａの現象は、常に研磨布６の接触・進入側でのみ発生していることを見い出した。

従来の研磨方法の場合、通常、図７（ａ）に示すように、ウエハＷは自転しながら研磨されるため、外周全周に縁ダレａが発生することとなり、その結果、ウエハＷの形状は、典型的な図７（ｃ）に示す形状となる。

一方、本発明の研磨方法では、図２（ａ）に示すＷａにおけるウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の接触・進入時にウエハＷを研磨布６にできるだけ押し付けないように、研磨圧力を下げ、主として研磨布６がウエハＷから通過・離脱する側でのみ研磨がなされるように適宜調整を行う。これにより、図２（ｂ）に示すウエハ面内圧力分布にすることができるため、ウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の接触・進入時における研磨布６の変形量を最小限にすることができる。これにより、本発明の研磨方法は、研磨布の変形の影響を受けることなく、ウエハ（被研磨物）を研磨することができるため、図２（ｃ）に示す縁ダレのないウエハＷを得ることができる。

尚、本発明で得られたウエハＷの典型的な仕上がり形状は、図２（ｃ）に示すように、縁ダレの無い形状となる。このとき、条件によっては、全体に中凸となる場合があるが、全体の研磨量が数ミクロン以下の場合、この全体的な形状劣化の程度も少なく、なおかつ、ウエハー露光は、一般に数ミリ角から数十ミリ角のサイトごとに焦点をあわせて露光することから、縁ダレのような急激な厚さ変化に比べて、このグローバルでゆるやかな凹形状化による実害は圧倒的に少ない。

次に、本発明の研磨装置を図面に基づいて、更に詳細に説明する。

図１は、本発明の研磨装置の一例を示す構成図であり、図２は、図１の詳細を説明するものであり、（ａ）は要部説明図、（ｂ）は研磨時におけるウエハ面内圧力分布図、（ｃ）は研磨後の典型的なウエハ断面形状を示すイメージ図である。

本発明の研磨装置の一例は、図１及び図２（ａ）に示すように、スピンドルシャフト４に対して、回転自由かつ必要十分な角度自由に取り付けられたチャックホルダ２に保持されたチャックプレー卜1に、テンプレート３を介して貼付されたウエハＷを、これに対面する研磨プレー卜５の表面に粘弾性の研磨布６を貼着させてポリシングするものである（研磨方法１参照）。

このとき、図１及び図２（ａ）に示す研磨装置は、ウエハＷの外周縁部の縁ダレを防止するため、研磨布６がウェハＷの研磨面に進入する側の接触部Ｗａと、研磨布６がウエハＷから離脱する側の離脱部Ｗｂの圧力比を変えて研磨（ポリッシング）できるように、ウエハＷを貼着したチャックプレート１を保持するチャックホルダ２の上方にあって、スピンドルシャフト４からの圧力とは独立に圧力をコントロールできる加圧軸の先端に回転体を具備した加圧ローラー８を備えている。

上記加圧ローラー８は、ウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の接触・進入時及びウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、研磨布６の移動方向の下流側（又は上流側）に沿って、ウエハＷ（被研磨物）のスピンドルシャフト４（回転軸）の外側に配設され、且つチャックホルダー２の外周部を転がりながら加圧（偏心圧力）を加えることで調節するものである。尚、ウエハＷの外周縁部の縁ダレを防止するには、ウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の接触・進入時における研磨圧力が、ウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力よりも小さくすることが必要不可欠である。

また、本発明の研磨装置の他の例は、図３に示すように、ウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の接触・進入時及びウエハＷ（被研磨物）の外周縁部への研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、スピンドルシャフト４と、これに垂直、かつ回転自由に固定されたチャックホルダ２を、研磨布６を貼付した研磨プレート５に対して、研磨布の移動方向の上流側（又は下流側）に沿ってわずかに（微）傾斜させながら、被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する（研磨方法２参照）。これにより、図３に示す研磨装置は、ウエハＷの外周縁部の縁ダレを防止するとともに、傾斜の程度と向きによって、研磨圧力のバランスが変化するため、研磨面の縁ダレを調整することができる。

尚、縁ダレ軽減のためには、傾斜角θが、研磨圧力や研磨布の厚さ及び圧縮率にもよるが、例えば、３００ｍｍウエハの場合、およそ０．０５〜２゜であることが好ましく、研磨布の厚さ変化が約１ｍｍ程度の場合、０．１〜０．４゜であることがより好ましく、更に、研磨布の厚さ変化が０．５ｍｍ程度の場合、０．０５〜０．２゜であることが更に好ましい。

更に、本発明の研磨装置の更に他の例は、図４に示すように、チャックプレート１に、テンプレート３を介して貼付されたウエハＷを、チャックホルダ２ごと上に向け、これに相対するように配設された研磨布６を貼付した研磨ホイルプレート９を、ウエハＷ中心からやや外周にずらせた位置に中心を配設し、更に、ウエハＷの鉛直方向から、研磨ホイルプレート９を垂直かつ回転自由に固定するホイルシャフト１０を（微）傾斜させることで、例えば研磨布６が、常にウエハＷ表面の内側から外側に向かってのみ接触研磨するように構成されたものである（研磨方法３参照）。これにより、図４に示す研磨装置は、ウエハＷの外周縁部の縁ダレを防止するとともに、傾斜の程度と向きによって、研磨圧力のバランスが変化するため、研磨面の縁ダレを調整することができる。

尚、縁ダレ軽減のためには、傾斜角δが、研磨圧力や研磨布の厚さ、圧縮率及び直径にもよるが、例えば、３００ｍｍウエハの場合、０．３゜以上のなるべく小さい値であることが好ましく、研磨布の厚さが１〜４ｍｍであり、且つ研磨布の直径が３００ｍｍである場合、０．６〜１２゜のなるべく小さい値であることがより好ましい。

本発明の研磨方法及び研磨装置は、例えば、ウエハの研磨、特に、半導体ウエハの研磨に好適に用いることができるため、産業上有益に利用することができる。

本発明の研磨方法の一例（半導体ウエハの研磨方法）を示す構成図である。図１の詳細を説明するものであり、（ａ）は要部説明図、（ｂ）は研磨時におけるウエハ面内圧力分布図、（ｃ）は研磨後の典型的なウエハ断面形状を示すイメージ図である。本発明の研磨方法の他の例（半導体ウエハの研磨方法）を示す構成図である。本発明の研磨方法の更に他の例（半導体ウエハの研磨方法）を示す構成図である。粘弾性の研磨布の力学的モデルを示す説明図である。粘弾性の研磨布における圧力変形の時間的変化を示すグラフである。従来の研磨方法の一例（半導体ウエハの研磨方法）を示すものであり、（ａ）は要部説明図、（ｂ）は研磨時におけるウエハ面内圧力分布図、（ｃ）は研磨後の典型的なウエハ断面形状を示すイメージ図である。

符号の説明

１…チャックプレート、２…チャックホルダー、３…テンプレート、４…スピンドルシャフト、５…研磨プレート、６…研磨布、７…研磨テーブル、８…加圧ローラー、９…研磨ホイルプレート、１０…ホイルシャフト、Ｗ…半導体ウエハ（ウエハ）、Ｗａ…研磨布進入側接触部、Ｗｂ…研磨布離脱側接触部。

Claims

粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨方法であって、前記被研磨物の外周縁部への接触又は離脱により厚さが変化する前記研磨布で前記被研磨物を研磨するに当たり、前記被研磨物の外周縁部への研磨布が接触進入する時の研磨圧力と離脱する時の研磨圧力の比を、１：１以外の値に適宜調整することにより、被研磨物の外周縁部の縁ダレをコントロールする研磨方法。
前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時における研磨圧力が、前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力よりも小さい請求項１に記載の研磨方法。
前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時及び前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、前記研磨布の移動方向の上流側又は下流側に、前記被研磨物の回転軸の外側に偏心圧力を加えることで調節する請求項１又は２に記載の研磨方法。
前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時及び前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、前記研磨布の移動方向の上流側又は下流側に沿って、前記被研磨物の回転軸を傾斜させながら、前記被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する請求項１又は２に記載の研磨方法。
前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時及び前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、前記被研磨物の移動方向の上流側又は下流側に沿って、前記研磨布の回転軸を傾斜させながら、前記被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する請求項１又は２に記載の研磨方法。
粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨装置であって、前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時及び前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、前記研磨布の移動方向の上流側又は下流側に、前記被研磨物の回転軸の外側に偏心圧力を加えることで調節する偏心圧力調整手段を有する研磨装置。
粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨装置であって、前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の接触・進入時及び前記被研磨物の外周縁部への前記研磨布の通過・離脱時における研磨圧力の比率を、前記研磨布の移動方向の上流側又は下流側に沿って、前記被研磨物の回転軸を傾斜させながら、被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する被研磨布傾斜手段を有する研磨装置。
粘弾性の研磨布と被研磨物とを相互に圧力を加えながら、相対的に回転・移動させることにより、前記被研磨物の研磨を行う研磨装置であって、前記被研磨物の移動方向の上流側又は下流側に沿って、前記研磨布の回転軸を傾斜させながら、前記被研磨物の研磨面に圧力を加えることで調節する研磨布傾斜手段を有する研磨装置。