JP2015226951A

JP2015226951A - 研磨装置

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Publication number: JP2015226951A
Application number: JP2014113375A
Authority: JP
Inventors: 良史鷹巣; Yoshifumi Takasu; 久保　雅裕; Masahiro Kubo; 雅裕久保; 和田　紀彦; Norihiko Wada; 紀彦和田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-17

Abstract

【課題】光触媒粒子を使用することなく研磨レートを向上させることができる研磨装置を提供する。【解決手段】研磨装置１は、１８０ｎｍ?１０ｎｍの波長と２５０ｎｍ?１０ｎｍの波長とを含む紫外線を定盤２を介してウェハ４の研磨面に照射する紫外線照射装置８と、定盤２とウェハ４との間に配置された研磨材と、定盤２とウェハ４とを相対的に移動させる、回転駆動装置３と基材５と支持円盤６とにより構成される移動装置と、定盤２とウェハ４との間に酸素を供給するための酸素供給装置９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハなどのワークの表面を研磨する研磨装置に関する。

従来、半導体ウェハのデバイス形成面を研磨するための研磨装置として、化学的作用と機械的作用を併せ持つ化学的機械研磨装置（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎ：ＣＭＰ）装置が用いられている。

近年、次世代半導体基板として、サファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等の硬脆性材料で構成される基板が注目を集めている。これらの基板は、化学的に安定しており、通常の化学的機械研磨装置を用いても、化学的作用がＳｉ（ケイ素）と比較して非常に小さいため、研磨レートが小さいという課題がある。

この課題を改善する装置として、特許文献１（国際公開第２００７／０６３８７３号）に開示された研磨装置がある。特許文献１には、酸素を含む加工雰囲気の圧力を大気圧よりも高く設定し、当該加工雰囲気の中で、チタニア（ＴｉＯ_２）の粒子を含むスラリーを用いて、紫外線を照射しながら被加工物を研磨する装置が開示されている。

国際公開第２００７／０６３８７３号

しかしながら、特許文献１の研磨装置では、光触媒粒子であるチタニアを用いるため、装置が高価になるという問題点がある。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、光触媒粒子を使用することなく、研磨レートを向上させることができる研磨装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る研磨装置は、
紫外線を透過する定盤と、
１８０ｎｍ±１０ｎｍの波長と、２５０ｎｍ±１０ｎｍの波長とを含む紫外線を前記定盤を介してワークに照射する紫外線照射源と、
前記定盤と前記ワークとの間に配置された研磨材と、
前記定盤と前記ワークとを相対的に移動させる移動装置と、
前記定盤と前記ワークとの間に酸素を供給するための酸素供給源と、
を備える研磨装置を提供する。

本発明に係る研磨装置によれば、光触媒粒子を使用することなく、研磨レートを向上させることができる。

本発明の実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図図１の研磨装置が備える定盤の平面図図２ＡのＡ１−Ａ１線断面図図２Ｂの点線で囲まれた領域の拡大図ウェハの研磨面を研磨しているときの図２Ｃの領域の状態を示す断面図ウェハと定盤の第１領域との接触状態を示す断面図

本発明の第１態様によれば、紫外線を透過する定盤と、
１８０ｎｍ±１０ｎｍの波長と、２５０ｎｍ±１０ｎｍの波長とを含む紫外線を前記定盤を介してワークに照射する紫外線照射源と、
前記定盤と前記ワークとの間に配置された研磨材と、
前記定盤と前記ワークとを相対的に移動させる移動装置と、
前記定盤と前記ワークとの間に酸素を供給するための酸素供給源と、
を備える研磨装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記ワークと対向する前記定盤の表面は、前記研磨材の直径よりも小さい表面粗さを有する第１領域と、前記定盤を厚み方向に凹ませた凹部により形成され、当該凹部の幅が前記研磨材の直径よりも大きい第２領域とを有する、第１態様に記載の研磨装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記第１領域の面積は、前記第２領域の面積よりも大きい、第２態様に記載の研磨装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記研磨材の硬さは、前記ワークの硬さよりも柔らかく、前記紫外線と前記酸素とが反応することにより前記ワークの表面に形成された酸化膜の硬さよりも硬い、第１〜３態様のいずれか１つに記載の研磨装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記定盤は、波長１７０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下の波長域に対して透過性を有する、第１〜４態様のいずれか１つに記載の研磨装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記ワークをドライ環境下で研磨するように構成された、第１〜５態様のいずれか１つに記載の研磨装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記酸素供給源は、前記定盤と前記ワークとの間にオゾン水、酸素水、過酸化水素水のいずれか１つを供給する、第１〜５態様のいずれか１つに記載の研磨装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、前記酸素供給源は、前記定盤と前記ワークとの間に酸素水を供給する、第１〜５態様のいずれか１つに記載の研磨装置を提供する。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１を用いて、本発明の実施形態に係る研磨装置の全体構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る研磨装置の構成を示す模式図である。

本実施形態に係る研磨装置１は、定盤２を備えている。定盤２の中心部は、回転駆動装置３に取り付けられている。回転駆動装置３が回転軸Ｃ１を中心として回転することで、定盤２が回転軸Ｃ１を中心として回転する。

ワークの一例であるウェハ４は、定盤２の中心部よりも外側上面に配置される。ウェハ４は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）などの硬脆性材料で構成されている。ウェハ４の上面には、基材５が接着されている。基材５は、支持円盤６に、回転軸Ｃ２を中心として回転可能に支持されている。基材５は、定盤２が回転軸Ｃ１を中心として回転するとき、定盤２とウェハ４との摩擦力により回転力を得て、支持円盤６に位置を規制されながら回転軸Ｃ２を中心として回転する。なお、本実施形態においては、回転駆動装置３と基材５と支持円盤６とにより、定盤２とウェハ４とを相対的に移動させる移動装置が構成されている。移動装置の構成は、定盤２とウェハ４とを相対的に移動させることができるものであればよい。

基材５の上面には、重り７が配置されている。重り７は、定盤２とウェハ４と基材５とが所定の圧力で密着するように自重により基材５を押圧する。

定盤２及びウェハ４の下方には、紫外線照射源の一例である紫外線照射装置８が配置されている。紫外線照射装置８は、定盤２を通じてウェハ４の研磨面に紫外線を照射するように設けられている。紫外線照射装置８が照射する紫外線には、波長が１８０ｎｍ±１０ｎｍである第１紫外線と、波長が２５０ｎｍ±１０ｎｍである第２紫外線が含まれる。紫外線照射装置８としては、例えば、低圧水銀ランプを用いることができる。定盤２は、第１紫外線及び第２紫外線を透過させることができるように、１７０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下の波長域に対して透過性を有する材料で構成されている。

また、研磨装置１は、定盤２とウェハ４との間に酸素を供給するための酸素供給源の一例である酸素供給装置９を備えている。本実施形態において、酸素供給装置９は、研磨装置１の筐体１０内に酸素供給し、当該筐体１０内の酸素濃度を制御するように構成されている。

次に、図２Ａ〜図２Ｃを用いて、定盤２の構成について説明する。図２Ａは、定盤２の平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＡ１−Ａ１線断面図である。図２Ｃは、図２Ｂの点線で囲まれた領域Ｅの拡大断面図である。

定盤２は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ウェハ４の研磨面と接触する表面２１に、第１領域２２と第２領域２３とを有している。第１領域２２は、酸化膜を生成するための領域（酸化膜生成領域）である。本実施形態において、第１領域２２は、図２Ｃに示すように、定盤２の表面２１の表面粗さを粗くした部分である。第２領域２３は、酸化膜を除去するための領域（酸化膜除去領域）である。本実施形態において、第２領域２３は、図２Ｃに示すように、定盤２を厚み方向に凹ませた凹部により形成されている。

次に、ウェハ４の研磨面を研磨するときの動作について説明する。図３は、ウェハ４の研磨面を研磨しているときの領域Ｅの状態を示す断面図である。

まず、図３に示すように、研磨材１１がウェハ４に接触するように、第２領域２３に研磨材１１を保持させる。研磨材１１としては、例えば、ダイヤモンド、ジルコニア、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）が用いられる。

次いで、紫外線照射装置８が、波長が１８０ｎｍ±１０ｎｍである第１紫外線Ｕ１と、波長が２５０ｎｍ±１０ｎｍである第２紫外線Ｕ２とを、定盤２を通じてウェハ４に照射する。

これにより、まず、定盤２の表面２１とウェハ４との隙間に介在する酸素（Ｏ_２）と第１紫外線Ｕ１とが反応し、オゾン（Ｏ_３）が生成される。その理由は、酸素が１８０ｎｍ±１０ｎｍに光吸収スペクトルを有し、かつ、波長が１８０ｎｍ±１０ｎｍである第１紫外線が酸素の結合エネルギよりも大きいエネルギを有するからである。

前記のようにして生成されたオゾンは、第２紫外線Ｕ２と反応して分解され、原子状の酸素と酸素分子とが生成される。その理由は、オゾンが２５０ｎｍ±１０ｎｍに光吸収スペクトルを有し、かつ、波長が２５０ｎｍ±１０ｎｍである第２紫外線Ｕ２がオゾンの結合エネルギよりも大きいエネルギを有するからである。

前記のようにして生成された原子状の酸素は、ウェハ４の研磨面を酸化させる。これにより、ウェハ４の研磨面に酸化膜が生成される。この酸化膜は、定盤２の回転により基材５が回転軸Ｃ２を中心として回転するとき、第２領域２３内の研磨材１１により除去される。

本実施形態に係る研磨装置によれば、第１紫外線Ｕ１と第２紫外線Ｕ２とを照射することにより、ウェハ４の研磨面に酸化膜を形成することができ、当該酸化膜を研磨材１１で除去することにより、研磨面の研磨レートを向上させることができる。また、このとき、光触媒粒子を用いる必要性を無くすことができる。

なお、「波長が１８０ｎｍ±１０ｎｍである紫外線」とは、厳密には、波長が１８０ｎｍ±１０ｎｍにピークを有する紫外線を意味する。同様に「波長が２５０ｎｍ±１０ｎｍである紫外線」とは、波長が２５０ｎｍ±１０ｎｍにピークを有する紫外線を意味する。「ピーク」とは、少なくとも全体強度の１０％以上の強度を有する部分をいう。そのため、様々な波長強度を有する紫外線の場合、第１紫外線と第２紫外線の両方の条件を満たす場合もある。この場合、１８０ｎｍ±１０ｎｍの波長と、２５０ｎｍ±１０ｎｍの波長とを含む紫外線を１つの紫外線照射装置８から照射することができる。なお、１８０ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する第１紫外線Ｕ１を照射する装置と、２５０ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する第２紫外線Ｕ２を照射する装置とは、別々に設けてもよい。なお、強度が全体強度の１０％未満である部分は、他の波長の強度の影響が強くなり、期待する効果が小さくなるため、ピークではないものとする。

なお、本実施形態に係る研磨装置においては、定盤２の表面２１とウェハ４との間に、オゾンを生成するための酸素が存在する空間が必要である。このため、図４に示すように、第１領域２２の表面粗さを粗くし、第１領域２２とウェハ４との隙間に空間Ｓ１が形成されるようにしている。しかしながら、この空間Ｓ１に研磨材１１が入り込んでしまうと、研磨材１１に紫外線が吸収されて効果的に原子状の酸素を生成することができず、ウェハ４の研磨面に酸化膜を生成することができないおそれがある。このため、第１領域２２の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は、研磨材１１の直径よりも小さいことが望ましい。

また、ウェハ４の研磨面を研磨する初期の段階においては、ウェハ４と第１領域２２との間に研磨材１１が入り込んでしまうことが起こり得る。このため、第１領域２２の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を研磨材１１の直径の１／３以下にすることがより望ましい。これにより、定盤２の回転力によって研磨材１１を第１領域２２上から効率的に排出することができる。但し、第１領域２２の表面粗さを小さくし過ぎると、空間Ｓ１が小さくなるため、空間Ｓ１に存在する酸素量も少なくなる。その結果、酸化膜の生成効率が低下し、研磨レートが低下するおそれがある。このため第１領域２２の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は、５ｎｍ以上であることが望ましい。

なお、第１領域２２の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を研磨材１１の直径の１／３以下にした場合であっても、第１領域２２上に存在する研磨材１１の量が多過ぎると、定盤２の回転力によって研磨材１１を第１領域２２上から排出できないことが起こり得る。このため、ウェハ４の研磨面の研磨を行う前に、スキージ等を用いて第１領域２２上の研磨材１１を取り除くことが望ましい。本実施形態において、第２領域２３は溝形状に形成されているので、第１領域２２上の研磨材１１を第２領域２３内に移動させることで、容易に第１領域２２上の研磨材１１を取り除くことができる。

また、通常、第１領域２２における酸化膜生成速度は、第２領域２３における酸化膜除去速度よりも遅い。このため、第１領域２２の面積は、第２領域２３の面積よりも大きいことが望ましい。これにより、酸化膜生成速度と酸化膜除去速度とを近づけることができ、研磨効率を向上させることができる。

また、研磨材１１の硬さをＨ１とし、ウェハ４の硬さをＨ２とし、ウェハ４の研磨面に生成される酸化膜の硬さをＨ３としたとき、Ｈ２＞Ｈ１＞Ｈ３の関係を満たすように各硬さを設定することが望ましい。酸化膜の硬さＨ３よりも研磨材１１の硬さＨ１が小さい場合、酸化膜除去速度が著しく小さくなる。また、ウェハ４の硬さＨ２よりも研磨材１１の硬さＨ１が大きい場合、ウェハ４を機械的作用で加工してしまい、加工痕を基点として１０ｎｍ以上の内部加工変質層が生成されるおそれがある。内部加工変質層の厚さは、研磨材１１の硬さと研磨時の圧力に依存する。例えば、研磨材１１としてダイヤモンドを用い、重り７として２Ｋｇの鉄材を用いた場合、平均２０ｎｍ、最大２００ｎｍ程度の内部加工変質層が生成されるおそれがある。１０ｎｍ以上の内部加工変質層が生成された場合、最終的に内部加工変質層が無いウェハ４を製造することが非常に困難になる。また、仮に当該ウェハ４を製造できたとしても、内部加工変質層を除去するのに要する時間が長くなり、研磨に要するコストが増加することになる。

また、第２領域２３の幅（定盤２の面方向）は、研磨材１１の直径の１０倍以上であることが望ましい。これにより、第２領域２３内で研磨材１１を効率的に保持して、ウェハ４の研磨面の研磨レートを向上させることができる。なお、第２領域２３の幅が研磨材１１の直径の１０倍未満である場合には、第１領域２２から排出される研磨材１１が第２領域２３内に保持されるまでに時間がかかる。その結果、研磨時間が増加することなる。

また、第２領域２３の幅（定盤２の面方向）は、１，０００μｍ以下であることが望ましい。第２領域２３の幅が１，０００μｍより大きい場合、第１領域２２に対向するウェハ４上に形成された酸化膜が除去された後も、ウェハ４と第２領域２３とが接触している時間が長くなる。その結果、研磨レートが低下するおそれがある。

また、研磨材１１の形状は、局所加重による研磨速度のバラツキを避けるために、球状であることが望ましい。また、研磨材１１の形状は、楕円形状等の接触点が平均化される形状であってもよい。

また、研磨装置１は、ウェハ４をドライ環境（水分が無い又は少ない環境）下で研磨するように構成されることが望ましい。通常、研磨材１１は溶剤で希釈して使用するが、ウェハ４をドライ環境下で研磨する場合、当該溶剤を用いないので、当該溶剤を洗浄する必要性を無くすことができる。なお、この場合、空間Ｓ１に供給する酸素は気体である必要がある。

また、研磨装置１は、ウェハ４をウエット環境下で研磨するように構成されてもよい。この場合、酸素供給装置９は、定盤２とウェハ４との間にオゾン水、酸素水、過酸化水素水のいずれか１つを供給することが望ましい。これにより、紫外線と酸素とが反応する際に発生するオゾンや過酸化水素を含有した水を活用することができる。また、研磨時に発生する研磨屑を効率的に排出することができる。また、この場合、酸素供給装置９は、定盤２とウェハ４との間に酸素水を供給することがより望ましい。酸素水を用いて研磨することで、オゾン水及び過酸化水素水を用いて研磨する場合に比べて、消費エネルギをより少なくすることができる。

なお、前記では、第２領域２３の断面形状を、図２Ｃに示すような矩形状としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２領域２３の断面形状は、Ｖ字状、半円状、台形状などであってもよい。また、前記では、第２領域２３を同心円状に形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２領域２３は、定盤２の回転軸Ｃ１に向かう放射線状や、升目状に形成されてもよい。

＜実施例＞
本発明の実施例にかかる研磨装置について説明する。
本実施例に係る研磨装置は、定盤２として、波長１５０ｎｍ以上に透過域を有する合成石英を備えている。また、基材５として、ステンレス（ＳＵＳ）基材を備えている。この基材５には、ウェハ４として２インチの窒化ガリウム（ＧａＮ）が熱溶融性ワックスにより固定されている。基材５は、ウェハ４が定盤２に接触するように支持円盤６に支持されている。基材５の上面には、重り７として、５ｋｇの鋳鉄が配置されている。

定盤２には、ウェハ４の研磨面と接触する表面２１に、同心円状の第１領域２２と第２領域２３とが形成されている。第１領域２２には、化学エッチングにより表面粗さＲａが５０ｎｍ程度の微細な凹凸が形成されている。第２領域２３には、ダイヤモンド砥粒の研削加工により、幅１００μｍ、深さ１００μｍの矩形断面の凹部が形成されている。第１領域２２の面積と第２領域２３の面積との比は、２：１である。

また、本実施例に係る研磨装置は、紫外線照射装置８として、５０Ｗの低圧水銀ランプを備えている。この紫外線照射装置８は、波長が１８４．９ｎｍである紫外線と、波長が２５３．７ｎｍである紫外線を照射可能に構成されている。

第２領域２３には、研磨材１１として、粒子径２００ｎｍのジルコニアが保持されている。なお、ジルコニアのビッカース硬度は１２５０Ｈｖである。ウェハ４として使用される窒化ガリウムのピッカーズ硬度は１８００Ｈｖである。紫外線照射装置８から照射される紫外線と酸素との反応により窒化ガリウムの研磨面に形成される酸化膜（主として酸化ガリウム）のピッカーズ硬度は、７５０Ｈｖである。

前記のように構成された本実施例に係る研磨装置を用いて、ウェハ４の研磨面の研磨を行った。このとき、回転駆動装置３の回転数は、６０回／分に設定した。また、紫外線照射装置８から定盤２を介してウェハ４に紫外線を照射しながら、筐体１０内の酸素濃度が３０％になるように酸素供給装置９からウェハ４と定盤２との間に酸素を供給した。この条件下で研磨されたウェハ４の研磨面の表面粗さを調べたところ、算術平均粗さＲａは０．２ｎｍであった。従って、本実施例に係る研磨装置を用いることによって、光触媒粒子を使用することなく、良好な研磨面が得られることが確認された。また、従来の一般的な化学的機械研磨装置と比べて、本実施例に係る研磨装置により、研磨レートが約２倍向上した。

本発明にかかる研磨装置は、光触媒粒子を使用することなく研磨レートを向上させることができるので、特に、サファイアや炭化ケイ素、窒化ガリウム、ダイヤモンド等の硬脆性材料で構成される基板の表面を研磨する装置として有用である。

１研磨装置
２定盤
３回転駆動装置
４ウェハ
５基材
６支持円盤
７重り
８紫外線照射装置
９酸素供給装置
１０筐体
１１研磨材
２１表面
２２第１領域
２３第２領域
Ｃ１，Ｃ２回転軸
Ｓ１空間
Ｕ１第１紫外線
Ｕ２第２紫外線

Claims

紫外線を透過する定盤と、
１８０ｎｍ±１０ｎｍの波長と、２５０ｎｍ±１０ｎｍの波長とを含む紫外線を前記定盤を介してワークに照射する紫外線照射源と、
前記定盤と前記ワークとの間に配置された研磨材と、
前記定盤と前記ワークとを相対的に移動させる移動装置と、
前記定盤と前記ワークとの間に酸素を供給するための酸素供給源と、
を備える研磨装置。
前記ワークと対向する前記定盤の表面は、前記研磨材の直径よりも小さい表面粗さを有する第１領域と、前記定盤を厚み方向に凹ませた凹部により形成され、当該凹部の幅が前記研磨材の直径よりも大きい第２領域とを有する、請求項１に記載の研磨装置。
前記第１領域の面積は、前記第２領域の面積よりも大きい、請求項２に記載の研磨装置。
前記研磨材の硬さは、前記ワークの硬さよりも柔らかく、前記紫外線と前記酸素とが反応することにより前記ワークの表面に形成された酸化膜の硬さよりも硬い、請求項１〜３のいずれか１つに記載の研磨装置。
前記定盤は、波長１７０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下の波長域に対して透過性を有する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の研磨装置。
前記ワークをドライ環境下で研磨するように構成された、請求項１〜５のいずれか１つに記載の研磨装置。
前記酸素供給源は、前記定盤と前記ワークとの間にオゾン水、酸素水、過酸化水素水のいずれか１つを供給する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の研磨装置。
前記酸素供給源は、前記定盤と前記ワークとの間に酸素水を供給する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の研磨装置。