JP2016209951A

JP2016209951A - 乾式研磨装置

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Publication number: JP2016209951A
Application number: JP2015095466A
Authority: JP
Inventors: 真司吉田; Shinji Yoshida
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-05-08
Also published as: JP6487767B2

Abstract

【課題】ウエーハの温度が変化してもウエーハの厚みを正確に測定できるようにする。
【解決手段】乾式研磨装置１は、研磨パッド２５とスピンドル２１との回転中心Ｏを貫通する貫通孔２６を用いて研磨加工中のウエーハＷを測定する測定手段４０を備え、測定手段４０は、研磨加工中のウエーハＷの温度を測定する放射温度計４２と、温温度測定光４５を透過させるとともに貫通孔２６の延在方向に対し直交する方向に光を反射させるミラー４３と、投光部４４１から投光される厚み測定光４６がウエーハＷの上面Ｗａと下面Ｗｂとで反射することにより受光部４４３で受光するそれぞれの反射光４７の光路長差によってウエーハＷの厚みを算出する厚み測定器４４とを備えたため、研磨加工中のウエーハＷの温度が変化してもウエーハＷの厚みを正確に測定可能となり、ウエーハＷに対する過度な研磨を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウエーハなどの被加工物を研磨する乾式の研磨装置に関する。

ウエーハを研削砥石で研削して薄化すると、ウエーハの被研削面に加工歪みなどが生じてチップの抗折強度が低下することから、ウエーハを研削した後に、ウエーハの被研削面を例えば研磨装置において研磨することにより抗折強度を向上させている。研磨装置としては、例えば、円盤状のマウンターに研磨パッドを装着させた研磨工具を備え、研磨液を用いずに乾式で研磨する乾式研磨装置がある（例えば、下記の特許文献１を参照）。

このような乾式研磨装置においては、研磨パッドでウエーハの被研磨面を押圧しながら研磨するため、研磨によって摩擦熱が発生し、ウエーハの被研磨面が加熱されてウエーハにダメージを与えてしまう。そのため、ウエーハの研磨加工中はウエーハの温度管理をする必要がある。また、ウエーハを所望の厚みに仕上げるためには、ウエーハの厚みを測定する必要もある。

ウエーハの研磨中は、研磨パッドによってウエーハの被研磨面の全面が覆われた状態となっているため、ウエーハの温度や厚みを測定することが困難となっている。そこで、例えば下記の特許文献２及び３に示す研磨装置においては、中心に貫通孔を有するスピンドルと、スピンドルの先端においてマウントを介して装着された研磨パッドとを備え、研磨パッドの中心にもスピンドルの貫通孔と連通する貫通孔を形成し、スピンドルの貫通孔内に非接触式の温度センサや非接触式の厚み測定器を配設して、スピンドルの上方からウエーハの温度や厚みを測定している。

特許第４４６４１１３号公報特開２００６−２１６８９５号公報特開第５５１７６９８号公報

上記したような厚み測定器では、ウエーハの上方から厚み測定光を投光し、ウエーハの上面で反射した反射光とウエーハの内部を透過して下面で反射した反射光との干渉光を利用してウエーハの厚みを測定しているため、ウエーハの温度の変化によってウエーハの屈折率が変わると、厚み測定器が読み取るウエーハの厚みの値も変化する。例えばウエーハの温度が２０℃のときと６０℃のときとでは、６０℃のときの方が、ウエーハの厚み測定値が大きくなってしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、研磨加工中のウエーハの温度が変化しても、ウエーハの厚みを正確に測定できるようにすることを目的としている。

本発明は、ウエーハを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルが保持するウエーハを乾式で研磨する研磨パッドが回転可能なスピンドルに装着されて構成される研磨手段と、該研磨手段と該チャックテーブルとを相対的に接近及び離間させる方向に研磨送りする研磨送り手段と、該研磨パッドと該スピンドルとの回転中心を貫通する貫通孔を介して研磨加工中のウエーハを測定する測定手段と、を備える乾式研磨装置であって、該測定手段は、該チャックテーブルに対向して配設され該チャックテーブルが保持するウエーハから放射される赤外光の温度測定光を受光することにより研磨加工中のウエーハの温度を測定する放射温度計と、該温度測定光の光路上に配設され該温度測定光を透過させるとともに該貫通孔の延在方向に対して直交する方向に光を反射させるミラーと、ウエーハの厚みを測定する厚み測定光を投光する投光部と該厚み測定光の反射光を受光する受光部とを備え、該投光部から投光された該厚み測定光が該ミラーで反射し該貫通孔を通過しウエーハの上面と下面とにおいてそれぞれ反射した反射光が再び該貫通孔を通過し該ミラーで反射することにより該受光部が受光するそれぞれの反射光の光路長差によってウエーハの厚みを算出する厚み算出部を有する厚み測定器とを備え、研磨加工中のウエーハの温度とウエーハの厚みとを測定する。

また、本発明は、上記放射温度計が測定するウエーハの温度を用いて、上記厚み算出部が算出したウエーハの厚みを補正する厚み補正手段を含み、該厚み補正手段は、ウエーハの温度とウエーハの屈折率との関係に基づいて該放射温度計が測定したウエーハの温度に対応するウエーハの屈折率を算出する屈折率算出部と、該屈折率算出部が算出した屈折率を用いて該厚み算出部が算出したウエーハの厚みを補正する補正部と、を備えることが望ましい。

本発明の乾式研磨装置は、研磨パッドとスピンドルとの回転中心を貫通する貫通孔を介して研磨加工中のウエーハを測定する測定手段を備え、測定手段は、研磨加工中のウエーハの温度を測定する放射温度計と、温度測定光を透過させるとともに貫通孔の延在方向に対し直交する方向に光を反射させるミラーと、投光部から投光される厚み測定光がウエーハの上面と下面とで反射することにより受光部が受光するそれぞれの反射光の光路長差によってウエーハの厚みを算出する厚み測定器とを備えたため、研磨加工中のウエーハの温度に基づいてウエーハの厚みを正確に測定することが可能となる。よって、ウエーハを所望の厚みに仕上げることができる。

また、本発明の乾式研磨装置は、ウエーハの温度とウエーハの屈折率との関係に基づき、上記放射温度計が測定したウエーハの温度に対応するウエーハの屈折率を算出する屈折率算出部と、屈折率算出部が算出したウエーハの屈折率を用いて上記厚み算出部が算出したウエーハの厚みを補正する補正部とを備える厚み補正手段を含んで構成したため、研磨加工中にウエーハの温度が変化しても、放射温度計が測定したウエーハの温度に基づき、厚み算出部が測定した厚み値を適正なウエーハの厚み値に補正することができる。

乾式研磨装置の一例の構成を示す斜視図である。研磨手段及び測定手段の構成を示す断面図である。研磨手段によって、チャックテーブルに吸引保持されたウエーハを研磨加工する状態を示す断面図である。測定手段によって、ウエーハの温度及びウエーハの厚みを測定する状態を説明する説明図である。ウエーハの温度とウエーハの屈折率との相関関係を示すグラフである。

図１に示す乾式研磨装置１は、ウエーハなどの被加工物に乾式の研磨加工（ドライポリッシュ）を施す研磨装置の一例である。乾式研磨装置１は、Ｙ軸方向にのびる装置ベース２を有し、装置ベース２の内部には、同方向にのびる基台３が配設されている。基台３の上部には、ウエーハを保持する保持面４ａを有するチャックテーブル４と、チャックテーブル４をＹ軸方向に移動させるＹ軸方向送り手段１０とを備えている。チャックテーブル４は、カバー５によって周囲がカバーされ、保持面４ａには図示しない吸引源が接続されている。吸引源の吸引力を保持面４ａに作用させることにより、保持面４ａでウエーハを吸引保持することができる。

Ｙ軸方向送り手段１０は、Ｙ軸方向にのびるボールネジ１１と、ボールネジ１１の一端を回動可能に支持する軸受部１２と、ボールネジ１１の他端に接続されたモータ１３と、ボールネジ１１と平行にのびる一対のガイドレール１４と、ボールネジ１１に螺合するナットを底部に有するとともにガイドレール１４に摺接する移動基台１５とを備えている。移動基台１５の上にはチャックテーブル４が配設されており、モータ１３がボールネジ１１を回動させると、ガイドレール１１にガイドされて移動基台１５がＹ軸方向に移動し、移動基台１５とともにチャックテーブル４をＹ軸方向に移動させることができる。

装置ベース２のＸ軸方向後部側には、コラム７が立設されている。コラム７の前方には、チャックテーブル４に保持されるウエーハに対して研磨加工を施す研磨手段２０と、研磨手段２０とチャックテーブル４とを相対的に接近及び離間させる方向に研磨送りする研磨送り手段３０と、研磨加工中のウエーハの温度とウエーハの厚みとを測定する測定手段４０を備えている。

研磨送り手段３０は、コラム７の前方に固定された固定部３１と、Ｚ軸方向にのびるボールネジ３２と、ボールネジ３２の一端に接続されたモータ３３と、ボールネジ３２と平行にのびる一対のガイドレール３４と、一方の面がホルダ３６を介して研磨手段２０に連結された昇降板３５とを備えている。昇降板３５の他方の面には一対のガイドレール３４が摺接し、昇降板３５の中央部分に形成されたナットにはボールネジ３２が螺合している。モータ３３がボールネジ３２を回動させると、ガイドレール３４にガイドされて昇降板３５がＺ軸方向に昇降し、昇降板３５とともに研磨手段２０をＺ軸方向に昇降させることができる。

研磨手段２０は、Ｚ軸方向の軸心を有するスピンドル２１と、スピンドル２１を回転可能に囲繞して支持するハウジング２２と、スピンドル２１の一端に連結されたモータ２３と、スピンドル２１の下端に装着されたホイールマウント２４と、ホイールマウント２４の下面に着脱可能に装着された研磨パッド２５とを備えている。図２に示すように、研磨パッド２５とスピンドル２１との回転中心Ｏには、その軸方向に沿って延在する貫通孔２６が形成されている。研磨パッド２５は、その下面側がウエーハを研磨する研磨面２５ａとなっている。研磨パッド２５は、例えばウレタンや不織布により形成されている。

スピンドル２１の上方側に配設された測定手段４０は、チャックテーブル４に保持されたウエーハＷに向けて厚み測定光を投光しウエーハＷの上面Ｗａと下面Ｗｂとでそれぞれ反射した厚み測定光の反射光の光路長差によってウエーハＷの厚みを測定する厚み測定器４４と、チャックテーブル４の保持面４ａに対向して配設されウエーハＷの温度を測定する放射温度計４２と、温度測定光の光路上に配設され温度測定光を透過させるとともに貫通孔２６の延在方向に対して直交する方向に光を反射させるミラー４３とを備えている。厚み測定器４４、放射温度計４２及びミラー４３は、ケース４１の内部に収容されている。

厚み測定器４４は、厚み測定光（赤外光）を出射する投光部４４１と、投光部４４１から出射された厚み測定光の光路上に配設されたハーフミラー４４０と、ハーフミラー４４０を基準として厚み測定光の反射方向の反対側に配設された回折格子４４２と、回折格子４４２において回折した厚み測定光の反射光を受光する受光部４４３と、受光部４４３が受光したそれぞれの反射光の光路長差によってウエーハの厚みを算出する図１に示す厚み算出部４４４とを備えている。厚み算出部４４４は、受光部４４３が受光したそれぞれの反射光の干渉光の波形解析を行うことで、研磨加工中のウエーハの厚みを算出することができる。

投光部４４１は、例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であり、投光部４１１が出射する厚み測定光は、比較的広いスペクトル幅を有する。厚み測定光としては、ウエーハＷを透過する波長を有するものが選択される。例えばウエーハＷの材質がシリコンである場合は、厚み測定光として赤外領域の光を用いる。また、受光部４４３としては、例えばＣＣＤ等のイメージセンサーを用いる。

放射温度計４２は、例えば赤外線センサを備え、チャックテーブル４に保持されるウエーハＷから放射される赤外光の温度測定光が貫通孔２６を通過し、放射温度計４２の赤外線センサが該温度測定光を受光することにより、研磨加工中のウエーハの温度を測定することができる。

ミラー４３は、赤外光の透過と反射とを可能にする材質で形成されており、例えばシリコンやゲルマニウムなどにより形成されている。ミラー４３は、チャックテーブル４に保持されるウエーハから放射される赤外光の温度測定光を透過させるとともに、投光部４４１から投光されハーフミラー４４０にて反射した厚み測定光を反射させて貫通孔２６の延在方向に導き、ウエーハの上面と下面とでそれぞれ反射した厚み測定光を貫通孔２６の延在方向に対して直交する方向に反射させることが可能となっている。
なお、厚み測定光を反射させるミラー４３の反射面は、表面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以下で形成されている。

図１に示すように、乾式研磨装置１は、放射温度計４２が測定したウエーハの温度を用いて厚み算出部４４４が算出したウエーハの厚み値を適正な厚み値に補正する厚み補正手段５０を含んで構成されている。厚み補正手段５０は、ウエーハの温度とウエーハの屈折率との相関関係に基づき、放射温度計４２が測定したウエーハの温度に対応するウエーハの屈折率を算出する屈折率算出部５１と、屈折率算出部５１が算出したウエーハの屈折率を用いて厚み算出部４４４が算出したウエーハの厚みを補正する補正部５２とを備えている。屈折率算出部５１は、放射温度計４２に接続され、補正部５２は、屈折率算出部５１と厚み算出部４４４とに接続されている。

次に、乾式研磨装置１を用いて図２に示すウエーハＷを研磨加工する動作について説明する。ウエーハＷは、被加工物の一例であって、例えばシリコンによって形成されている。ウエーハＷの上面Ｗａは、研磨パッド２５の研磨面２５ａが接触する被研磨面であり、上面Ｗａと反対側にある下面Ｗｂは、チャックテーブル４の保持面４ａに吸引保持されている。

図１に示したチャックテーブル４の保持面４ａにウエーハＷを載置したら、図示しない吸引源の吸引力を保持面４ａに作用させウエーハＷを吸引保持する。そして、Ｙ軸方向送り手段１０のモータ１３がボールネジ１１を回動させることにより、蛇腹６の伸縮をともない移動基台１５とともにチャックテーブル４をＹ軸方向に移動させて研磨手段２０の下方に移動させる。

その後、研磨送り手段３０のモータ３３がボールネジ３２を回動させ、昇降板３５とともに研磨手段２０を下降させる。図３に示すように、スピンドル２１が例えば矢印Ａ方向に回転しながら、研磨パッド２５をチャックテーブル４に対して接近する方に研磨送りし、回転する研磨パッド２５の研磨面２５ａをウエーハＷの上面Ｗａの全面に接触させる。

ウエーハＷの研磨加工中は、放射温度計４２によりウエーハＷの温度を測定する。図４に示すように、ウエーハＷの下面Ｗｂから放射される赤外光の温度測定光４５が、図３に示した貫通孔２６に沿って通過してミラー４３を透過し、この温度測定光４５を放射温度計４２に備えるセンサが受光することで、研磨加工中のウエーハＷの温度を測定する。

放射温度計４２が測定する所望のウエーハの温度は、例えば２０〜６０℃の範囲となっている。この範囲の温度でミラー４３を透過する温度測定光４５の波長は、例えば３〜５０μｍとなっている。所望のウエーハの温度とは、研磨パッド２５でウエーハＷを研磨するときに生じる摩擦熱によってウエーハＷの被研磨面に面焼けなどの不具合が生じることなく、ウエーハＷに対して研磨加工を行うことができる温度のことを意味する。このようにして、放射温度計４２で所望のウエーハＷの温度を測定したら、測定結果の情報を厚み補正手段５０の屈折率算出部５１に送る。

また、厚み測定器４４によってウエーハＷの厚みを測定する。まず、投光部４４１から厚み測定光４６をウエーハＷに向けて投光する。厚み測定光４６は、ハーフミラー４４０及びミラー４３で反射して図３に示した貫通孔２６を通って下降し、ウエーハＷの上面Ｗａで一部が反射し、残りがウエーハＷの内部を透過して下面Ｗｂにおいて反射する。ミラー４３にて反射する厚み測定光の波長は、例えば１．１〜１．４μｍとなっている。

ウエーハＷの上面Ｗａで反射した反射光とウエーハＷの下面Ｗｂで反射した反射光との干渉光４７は、貫通孔２６に沿って上昇するとともにミラー４３において貫通孔２６の延在方向と直交する方向に反射する。このように反射したそれぞれの干渉光４７は、ハーフミラー４４０を透過し回折格子４４２に到達する。

回折格子４４２は、干渉光４７を波長に応じて異なる方向に反射させることにより干渉光を分光する。そして、分光された光は、受光部４４３において受光される。受光部４４３は、複数の受光素子が直線状に配置されて構成されており、各受光素子は、干渉光４７のうち特定の波長の成分を受光する。そして、受光部４４３は、各受光素子が受光した光の強さを示す信号を出力する。すなわち、受光部４４３が出力する信号は、干渉光４７のスペクトルを解析した結果を示しており、受光部４４３が光強度スペクトル分布を取得した後、厚み算出部４４４が光強度スペクトル分布に対して波形解析を行うことで、ウエーハＷの厚みを算出する。

厚み補正手段５０は、厚み算出部４４４が算出したウエーハＷの厚み値をウエーハＷの温度に対応する厚み値に補正する。屈折率算出部５１は、図５のグラフに示すウエーハの温度とウエーハの屈折率との相関関係の情報を記憶しており、この関係に基づいて、放射温度計４２が測定したウエーハＷの温度に対応するウエーハＷの屈折率を算出する。このグラフでは、ウエーハの温度が２０から８０℃まで上昇するにつれて、ウエーハの屈折率が３．７から３．６より小さい値まで下がることが示されている。屈折率算出部５１は、例えば、放射温度計４２が測定したウエーハＷの温度が６０℃のとき、ウエーハＷの屈折率が３．６であると算出し、この算出結果を補正部５２に送る。

続いて、補正部５２は、屈折率算出部５１から送られてきたウエーハＷの屈折率の値を用いて厚み算出部４４４が算出したウエーハＷの厚み値を補正する。このようにして、研磨加工中におけるウエーハＷの厚みを認識ながらウエーハＷの研磨加工を行い、ウエーハＷの補正した厚みの値が所望の値に達すると、図１に示した研磨送り手段３０によって研磨手段２０をチャックテーブル４から離間する方向に上昇させ、研磨加工を終了する。

以上のとおり、乾式研磨装置１では、研磨加工中のウエーハＷの温度及び厚みを測定する測定手段４０が、研磨加工中のウエーハＷの温度を測定する放射温度計４２と、温温度測定光４５を透過させるとともに貫通孔２６の延在方向に対し直交する方向に光を反射させるミラー４３と、投光部４４１から投光される厚み測定光４６がウエーハＷの上面Ｗａと下面Ｗｂとで反射することにより受光部４４３で受光するそれぞれの反射光４７の光路長差によってウエーハＷの厚みを算出する厚み測定器４４とを備えることから、研磨加工中のウエーハＷの温度を測定し、この温度をもとにウエーハＷの厚みを正確に測定でき、ウエーハＷを所望の厚みに仕上げることができる。
また、乾式研磨装置１は、屈折率算出部５１と補正部５２とを備える厚み補正手段５０を含んで構成したため、研磨加工中のウエーハＷの温度が変化しても、ウエーハの温度とウエーハの屈折率との相関関係をもとに、放射温度計４２が測定したウエーハＷの温度に対応するウエーハＷの屈折率を算出して、厚み測定器４４が測定した厚み値を補正部５１によって適正なウエーハＷの厚み値に補正することができる。

また、図２〜図４に示したミラー４３と厚み測定器４４との間にコリメータレンズを配設するようにしてもよい。これにより、投光部４４１から投光された厚み測定光４６を平行光にしてミラー４３において反射させて貫通孔２６を通過させることができる。また、コリメータレンズの下方であって貫通孔２６の下端付近に集光レンズを配設するようにしてもよい。

１：乾式研磨装置２：装置ベース３：基台４：チャックテーブル
４ａ：保持面５：カバー６：蛇腹７：コラム
１０：Ｙ軸方向送り手段１１：ボールネジ１２：軸受部１３：モータ
１４：ガイドレール１５：移動基台
２０：研磨手段２１：スピンドル２２：ハウジング２３：モータ
２４：ホイールマウント２５：研磨パッド２５ａ：研磨面２６：貫通孔
３０：研磨送り手段３１：固定部３２：ボールネジ３３：モータ
３４：ガイドレール３５：昇降板
４０：測定手段４１：ケース４２：放射温度計４３：ミラー４４：厚み測定器
４４０：ハーフミラー４４１：投光部４４２：受光部４４３：回折格子
４４４：厚み算出部
４５：温度測定光４６：厚み測定光４７：干渉光
５０：厚み補正手段５１：屈折率算出部５２：補正部

Claims

ウエーハを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルが保持するウエーハを乾式にて研磨する研磨パッドが回転可能なスピンドルに装着されて構成される研磨手段と、該研磨手段と該チャックテーブルとを相対的に接近及び離間させる方向に研磨送りする研磨送り手段と、該研磨パッドと該スピンドルとの回転中心を貫通する貫通孔を介して研磨加工中のウエーハを測定する測定手段と、を備える乾式研磨装置であって、
該測定手段は、
該チャックテーブルに対向して配設され該チャックテーブルが保持するウエーハから放射される赤外光の温度測定光を受光することにより研磨加工中のウエーハの温度を測定する放射温度計と、
該温度測定光の光路上に配設され該温度測定光を透過させるとともに該貫通孔の延在方向に対して直交する方向に光を反射させるミラーと、
ウエーハの厚み測定に供する厚み測定光を投光する投光部と該厚み測定光の反射光を受光する受光部とを備え、該投光部から投光された該厚み測定光が該ミラーで反射し該貫通孔を通過しウエーハの上面と下面とにおいてそれぞれ反射した反射光が再び該貫通孔を通過し該ミラーで反射することにより該受光部が受光するそれぞれの反射光の光路長差によってウエーハの厚みを算出する厚み算出部を有する厚み測定器とを備え、
研磨加工中のウエーハの温度とウエーハの厚みとを測定することを特徴とする乾式研磨装置。
前記放射温度計が測定するウエーハの温度を用いて、前記厚み算出部が算出したウエーハの厚みを補正する厚み補正手段を含み、
該厚み補正手段は、ウエーハの温度とウエーハの屈折率との関係に基づいて該放射温度計が測定したウエーハの温度に対応するウエーハの屈折率を算出する屈折率算出部と、
該屈折率算出部が算出した屈折率を用いて該厚み算出部が算出したウエーハの厚みを補正する補正部と、を備える請求項１記載の乾式研磨装置。