JP2850803B2 - ウエーハ研磨方法 - Google Patents
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Description
研磨方法に係り、特にシリコンからなる被研磨ウエーハ
と、研磨布の相対速度及び研磨圧力とを制御したウエー
ハのメカノケミカル研磨方法に関する。
う)は、大口径化、高精度、高品質化、及びそれらとは
相反する生産の高能率化が求められているが、特に高精
度、高品質化には、高平坦度でかつ低加工歪み、低研磨
面粗度である表面が要求され、そのためウエーハ表面は
複数段階からなる研磨工程により鏡面研磨されている。
カル研磨法(機械化学複合研磨法)が用いられている。
これは機械研磨が持つ力学的作用とエッチングによる化
学的作用とを複合させ、その相乗効果で高能率、高精度
の鏡面を得る方法で、その研磨特性は研磨時の機械的要
素と化学的要素の配分により左右される。
記機械的要素を大きく作用させ高い平坦度を高能率に折
り込み、ついで最終段階では機械的要素を低減すること
により表面粗さを改善し、加工歪みのない高精度の鏡面
研磨を行なっている。
研磨定盤13とプレート11とよりなる研磨装置におい
て、研磨定盤13には研磨布14を貼着し、プレート1
1にはウエーハ12を装着し、ウエーハ12と研磨布1
4との間には研磨剤15を介在させた状態で相対速度を
構成し、ウエーハ12と、その下面にある砥粒17及び
研磨布14との間の摺擦運動によってメカノケミカル研
磨法による研磨を行なうようにしている。なお、研磨定
盤13及びプレート11には冷却液21を供給し、前記
摺擦運動の摩擦熱による加工温度の上昇を調整し、研磨
定盤13及びプレート11の熱的変形を防止するように
してある。また、冷却空気源25を設け、図1の(B)
の研磨定盤13の俯瞰図に見るように、ウエーハ12を
保持する研磨ステーション30と、該ウエーハ研磨時に
発生する加工熱を除去する冷却ステーション20を定盤
の回転軸を中心としてその周方向の対称位置に形成し、
研磨布14の表面温度分布を均一にし、高平坦度の研磨
加工を可能にしている。
は、図4の相対速度、研磨圧力、平坦度、表面粗さ及び
ヘイズレベルの変化の概要を示すタイムチャートに示す
ように3段階の研磨工程、即ち1次研磨、2次研磨、仕
上研磨とよりなっている。1次研磨及び2次研磨では研
磨剤中の砥粒としてコロイダルシリカを使用し、研磨布
は不織布型のものを使用する。前記相対速度は基準相対
速度を例えば100m/min、加圧圧力500g/c
m2で構成し、1次研磨工程の終段には平坦度加工は殆
ど終了し平坦度約0.3μmが確保されるが、表面粗さ
は約1nmである。その後、コロイダルシリカの粒度を
変えて2次研磨を行ない、該2次研磨工程の終段には平
坦度約0.3μm、表面粗さ約0.5nmが得られてい
る。
リカよりなる研磨剤と、スエード型の研磨布を使用し、
基準研磨圧力340g/cm2 と低相対速度40m/m
inで構成し、平坦度約0.3μm、表面粗さ約0.3
5nm、ヘイズレベル40ビットを得ている。
うに、最近の半導体ウエーハの傾向として、高精度と高
品質化を保持しつつ高生産能率を上げることが期待でき
る研磨法の検討が強く望まれている。ここで、メカノケ
ミカル研磨法をシリコンウエーハの研磨に採用した場合
の研磨機構について考えてみると、下記のような経過を
経て研磨が進行することが理解される。即ち、研磨剤と
して、ウエーハに対し化学作用を有するアルカリ水溶液
に、平均粒径が100nm以下のSiO2 の超微粒子を
砥粒としてコロイド状に懸濁させたものを、また研磨布
として軟質ポリや不織布型のものを使用して、ウエーハ
面を擦過することなくその表面に蓄積された溶解生成物
を前記超微粒子の摺擦運動による摩擦で除去し、また、
ウエーハ表面の加工歪みは化学的に除去し、加工欠陥の
ない無擾乱鏡面を得るようにしている。
砥粒がウエーハ表面及び研磨布との間で、弾塑性変形に
伴う歪みエネルギーと摩擦熱を発生し、ウエーハ表面が
化学的活性状態となってアルカリ溶液による溶出が促進
され、ウエーハ表面近くに溶解生成物が蓄積し、粘稠な
液体がウエーハ表面近傍に形成される。その溶解生成物
を前記砥粒である超微粒子SiO2 でもって除去するこ
とにより前記化学的活性状態による溶出が継続される。
それがメカノケミカル研磨の機構の概要である。
率を上げるためには、ウエーハ表面と、砥粒及び研磨布
との間の機械的作用に起因する温度上昇により醸成され
る化学的活性状態の継続維持と、該化学的活性化により
生じた溶解生成物をウエーハ表面より除去することが必
要とされ、一方高精度と高品質ウエーハ表面を得るため
には、前記溶解生成物を、該ウエーハに機械的影響を与
える事無くウエーハの近傍より除去することが必要とさ
れる。
なされたもので、従来の3段階研磨法で得られたウエー
ハと同等の品質を確保できる、2段階ウエーハ研磨方法
の提供を目的とする。
め、所定の加圧圧力のもとに回転するプレートに保持さ
れたシリコンウエーハに対し、所定の相対速度で相対運
動する研磨定盤に貼着した研磨布との間に研磨剤を介在
させ、複数研磨段階の研磨工程によりメカノケミカル研
磨されるウエーハの研磨方法において、前記複数段階の
研磨工程を1次研磨と仕上研磨とで構成し、前記1次研
磨の終段に、研磨布とウエーハとの間の相対速度の加速
と研磨圧力の減圧を同時または段階的に行なう事を特徴
とする。尚、前記相対速度とはウエーハと研磨布を相対
的に運動させ、ウエーハに研磨加工を施す際にウエーハ
表面を研磨布が相対的に動く速度であって通常は単位時
間当たりの接触距離で表わす。この場合前記1次研磨、
は300〜700g/cm2の高研磨圧力と、50〜1
50m/minの基準相対速度とで構成し、当該研磨の
終段で2から4倍の相対速度への急加速と、1/2〜1
/10の低研磨圧力への急速減圧を行なうのがよい。ま
た、前記仕上研磨は、100〜400g/cm2の基準
研磨圧力と、50〜150m/minの基準相対速度と
で構成し、当該研磨の終段で1/2〜1/5に相対速度
を急減速させて行なうのがよい。
4に示す従来メカノケミカル研磨によるタイムチャート
に見るように、前記ウエーハの平坦化は1次研磨で殆ど
終了し、以後約0.3μmの値が確保されていることが
わかる。即ち1次研磨で機械的ヤスリ効果を主とする平
坦化研磨を行い、以降は機械的要素と化学的要素とを適
宜組み合わせた効率的研磨に重点的に移行すべきことが
わかる。即ち、本発明は図2に示すように、1次研磨の
大半を、基準相対速度と高研磨圧力による機械的ヤスリ
効果を主とする研磨を行い、その終段以降の工程では機
械的要素と化学的要素とを適宜組み合わせる構成とし、
化学的活性状態の形成及びその継続維持とウエーハの表
面粗さの低減を図るべく、ウエーハ表面を取り巻く温度
状態、研磨剤及び研磨布の間隙を最適の状態とする。そ
のため、1次研磨の終段には、温度発生による化学的要
素を高めるべく高相対速度への切り換えと、機械的要素
を弱めるための低圧力研磨への切り換え設定を行う。な
お、高相対速度と低圧力研磨は、ともにハイドロプレー
ン現象を発生させることが目的である。ついで、仕上研
磨では、従来の仕上研磨で支配的に見られた化学的要素
に基づく研磨効率の低下を防止するため、仕上研磨の最
終段階において基準相対速度を減速させて機械的要素を
主体とする研磨を短期間だけ行い、その過程でヘイズの
発生を防止するようにしたものである。
ートに保持されたウエーハに対し、適当相対速度で相対
運動する研磨定盤に貼着した研磨布との間に研磨剤を介
在させ、複数段階の研磨工程で構成されるメカノケミカ
ル研磨法において、前記複数段階の研磨工程を1次研磨
と仕上研磨の2段階で構成し、1次研磨の基準相対速度
と高研磨圧力による機械的ヤスリ効果を主とする平坦化
の終段において、化学的作用の急速活性化を図るべく相
対速度の急加速と、この活性化によりウエーハ面近傍に
形成された溶解生成物の除去に際し、ウエーハ表面の機
械的影響を減らすための研磨圧力の急速減圧とを同時に
行なう事により、急速な表面粗さの低減と研磨効率の向
上を効果的に実現し、研磨工程の短縮を図るものであ
る。そして仕上研磨においては、前記研磨布に砥粒保持
率の高い高発泡密度のスエード型研磨布を使用し、工程
の大半を化学的要素による研磨を先行させて所要表面粗
さを確保し、その工程の最終段階において基準相対速度
を短期間減速させて、その間に機械的要素を主とする研
磨に移行させ、ヘイズ発生の防止を図る構成としたもの
である。
は、コロイダルシリカを砥粒とする研磨剤と、不織布型
の研磨布を使用し、工程の大半を約500g/cm2 前
後の高研磨圧力と約100m/min前後の基準相対速
度とで構成し、当該工程の終段で高相対速度への急加速
と、低研磨圧力への急速減圧とで、表面粗さの急速な低
減と研磨効率の向上、またそれによる研磨工程の短縮を
図るようにした。仕上研磨は、同じくコロイダルシリカ
を砥粒とする研磨剤と、研磨布には砥粒保持率の高い高
発泡密度のスエード型の研磨布を使用し、仕上研磨の大
半を約340g/cm2 前後の基準研磨圧力と約100
m/min前後の基準相対速度で最終表面粗さを確保
し、その最終段階において低相対速度に短期間減速する
ことにより該期間において機械作用と化学作用のバラン
スを図るとともにヘイズ防止加工を可能に構成したもの
である。
え設定により、その後時間的遅れを以て行なわれる研磨
圧力の急速減圧によりハイドロプレーン現象を起こし、
品質低下を防止するとともに研磨工程の短縮を図ること
ができる。 2)、仕上研磨では、高発泡密度のスエード型研磨布を
使用し、その大半を化学的要素を先行させる構成とした
ため、砥粒保持率の向上と相俟って研磨効率の増加維持
が図られ、仕上研磨の終段の短期間を低相対速度に減速
させることにより、機械的要素を主体とする研磨に移行
させ、ヘイズの発生を防止出来る。
を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載
されている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は
特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそ
れに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図1は、本発明の2段階ウエーハ研磨方法による研磨装
置の概要を示す側面図で、図2は本発明の2段階ウエー
ハ研磨方法の相対速度、研磨圧力、平坦度、表面粗さ及
びヘイズレベルの変化の概要を示すタイムチャートであ
る。
向に回転する研磨定盤13とプレート11よりなる研磨
装置において、研磨定盤13には研磨布14を貼着し、
プレート11にはウエーハ12を装着し、ウエーハ12
と研磨布14との間には研磨剤15を介在させた状態で
相対速度を構成し、ウエーハ12と、その下面にある研
磨剤15中の砥粒17及び研磨布14との間の摺擦運動
によってメカノケミカル研磨法による研磨を行なうよう
にしている。なお、研磨定盤13及びプレート11には
冷却液21を供給し、前記摺擦運動の摩擦熱による加工
温度の上昇を調整し、研磨定盤13及びプレート11の
熱的変形を防止するようにしてある。また、冷却空気源
25を設け、図1の(B)の研磨定盤13の俯瞰図に見
るように、ウエーハ12を保持する研磨ステーション3
0と、該ウエーハ研磨時に発生する加工熱を除去する冷
却ステーション20を定盤の回転軸を中心としてその周
方向の対称位置に形成し、研磨布14の表面温度分布を
均一にし、高平坦度の研磨加工を可能にしている。な
お、この冷却空気源25は、たとえば空気を送出させる
コンプレッサー(COM)と圧力調整装置、及び冷却器
からなるものが使用される。
に示すように、1次研磨と仕上研磨とより構成し、1次
研磨は研磨布14に不織布型のものを使用し、研磨剤1
5にはコロイダルシリカをウエーハに対し化学作用有す
る弱アルカリ性水溶液に懸濁させた液を使用し、その大
半は基準相対速度100m/min、高研磨圧力500
g/cm2による機械的ヤスリ効果を主とする平坦化で
構成し、その終段の平坦化が終了したところで、機械的
要素と化学的要素を適宜組合せ化学的作用の急速活性化
を図るべく、高相対速度270m/minに急加速させ
る。この相対速度の加速は、低研磨圧力との相乗作用に
よるハイドロプレーン現象の発生が目的である。ハイド
ロプレーン現象により研磨布とウェーハが僅かに離れる
ため、研磨布表面粗さがウェーハの表面粗さ(サザ波)
として転写しにくく、低減されるものと推定される。つ
いで、若干の時間的遅れを以て行なわれる低研磨圧力1
00g/cm2 への急速減圧でウエーハ表面を痛める事
無く前記溶解生成物は除去され、前記化学作用の継続維
持が図られるが、前記研磨剤中の砥粒17のSiO2 が
微細であること、及び研磨布14である不織布が軟質で
あることにより前記除去に際してウエーハ面を直接的に
擦過されることは殆どなく表面粗さは0.75nm前後
のものが得られる。なお、この際ウエーハは流体の動圧
効果によりハイドロプレーン現象を起こし研磨布14の
ヤスリ効果による表面粗さへの影響を低減させるように
してある。
率の高い高発泡密度のスエード型研磨布を使用し、研磨
剤15は砥粒に同じくコロイダルシリカを懸濁させた弱
アルカリ性水溶液を使用してメカノケミカル研磨を行な
うようにし、その大半は基準相対速度100m/mi
n、基準研磨圧力340g/cm2で構成し、化学的要
素を優先した研磨である。SiO2微粒子とウエーハと
の接触点での機械的エネルギーにより誘起される化学反
応を利用して鏡面研磨を行なうように構成し、その終段
において低相対速度40m/minに短期間減速して、
機械的要素を主体とする研磨に移行させて、図3に示す
ように、ヘイズ発生の防止を可能とし、仕上研磨終了時
には平坦度0.3μm前後、表面粗さ0.35nm前
後、ヘイズレベル40ビット前後のウエーハを得るよう
にしてある。なお、研磨布14に高発泡密度スエード型
のものを使用してあるため砥粒17を含む研磨剤15は
相対速度に沿って流動し、ウエーハ12の下面にある微
粒子はハイドロプレーン現象を起こし該ウエーハを機械
的に損傷させることなく且つ研磨布14との間隙は図3
に示すように広く保持されるため、前記短期間の減速に
対しては、その間隙は低下する事無く維持され、砥粒1
7によるヘイズの発生は防止される。即ち、本発明で使
用される高発泡密度スエード型研磨布は、通常のスエー
ド型研磨布の発泡密度である200〜300ケ/mm2
のものに対して、その約2倍の400〜600ケ/mm
2のものを使用するので、砥粒を保持する能力が優れて
おり、それにより研磨効率が向上するものとみられる。
なお、1次研磨、仕上研磨に使用する研磨剤中のコロイ
ダルシリカ砥粒の平均粒径は10〜50nmのものが適
宜使用される。また、ヘイズは焦光灯下で光散乱を起こ
すような微小な表面粗さで、パーティクル測定装置LS
−6030(日立DECO製)により測定したもので、
ヘイズはその機能であるヘイズモードと呼ばれる測定方
法により、光散乱強度を電圧に変換した比例値として示
される値である。
ば、1次研磨においては急激な相対速度の加速とそれに
付随する研磨圧力の減圧により品質に影響される事無く
研磨効率が向上し、従来の2次研磨を削減することが出
来、また、仕上研磨においては、高発泡密度のスエード
型研磨布によるメカノケミカル研磨の採用によって高能
率の無擾乱鏡面研磨を可能とし、最終段において短時間
の低相対速度への減速によりヘイズ発生の防止を可能と
した。即ち、従来法と同等品質のウエーハを2段階研磨
で製造することを可能とし、研磨効率の向上と加工コス
トの低減を図ることができる。
の概要を示す側面図でる。(B)は上記装置の研磨定盤
を上より見た俯瞰図である。
磨圧力、平坦度、表面粗さ及びヘイズレベルの変化の概
要を示すタイムチャートである。
関係、及びウエーハと研磨布との間隙の変化を示す図で
ある。
圧力、平坦度、表面粗さ及びヘイズレベルの変化の概要
を示すタイムチャートである。
Claims (3)
- 【請求項1】 所定の加圧圧力のもとに回転するプレー
トに保持されたシリコンウエーハに対し、所定の相対速
度で相対運動する研磨定盤に貼着した研磨布との間に研
磨剤を介在させ、複数研磨段階の研磨工程によりメカノ
ケミカル研磨されるウエーハの研磨方法において、 前記複数段階の研磨工程を1次研磨と仕上研磨とで構成
し、前記1次研磨の終段に、研磨布とウエーハとの間の
相対速度の加速と研磨圧力の減圧を同時または段階的に
行なう事を特徴とするウエーハ研磨方法 - 【請求項2】 前記1次研磨は、300〜700g/c
m2 の高研磨圧力と、50〜150m/minの基準相
対速度とで構成し、当該研磨の終段で2から4倍の相対
速度への急加速と、1/2〜1/10の低研磨圧力への
急速減圧を行なう事を特徴とする請求項1記載のウエー
ハ研磨方法 - 【請求項3】 前記仕上研磨は、100〜400g/c
m2 の基準研磨圧力と、50〜150m/minの基準
相対速度とで構成し、当該研磨の終段で1/2〜1/5
に相対速度を急減速させて行うことを特徴とする請求項
1記載のウエーハ研磨方法。
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