JP3632500B2

JP3632500B2 - 回転加工装置

Info

Publication number: JP3632500B2
Application number: JP14113799A
Authority: JP
Inventors: 繁夫大月; 茂夫森山; 隆久賀谷; 賢一戸川; 誠梶原; 秀一大和田; 幸夫鈴木; 陽子白石
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: US6336842B1; JP2000326210A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板等の表面を研磨する回転加工装置に関し、特に半導体基板を研磨する研磨工具の表面の凹凸を除去する構成を備えた回転加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程は多くのプロセス処理工程よりなる。近年、処理時間の高速化や微細化の要求に伴い半導体デバイスの回路素子は、多層化の傾向をより強めている。このような回路素子の多層化の傾向は、半導体基板上で回路素子を形成した領域と、そうでない領域との間に段差を生じさせ、積層を重ねる毎にその段差が加算される。この結果、上層側ではフォトリソグラフィ工程のマスク露光の際に、焦点深度を越えたり、エッチングが困難になる場合がある。
【０００３】
このような問題を解決するべく、半導体基板表面の平坦化を図る技術が求められてきた。このための平坦化技術として、アルミナやシリカ等の研磨粒子を過酸化水素水等に懸濁させた研磨剤（スラリー液）を、軟質若しくは粘弾性を有する研磨パッド上に流通させ、当該研磨パッドを回転させ、シリコンウェハ等を押し付けて表面を研磨する化学的研機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術が知られている。
【０００４】
しかしながら、軟質若しくは粘弾性を有する研磨パッドを用いているため、パターンの種類や段差の状態によっては十分に平坦化できないという問題や、スラリー液を常に流通させるために過大な消耗品コストがかかるといったような問題があった。
【０００５】
ＷＯ９７／１０６１３号公報には、砥粒とそれらを結合する結合樹脂からなる砥石を用いて上記課題を解決した研磨装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体基板を平坦化するための研磨工具は硬質になるにつれてより高い平坦性が求められる。何故なら軟質なものと比較して、研磨工具の研磨面の凹凸の存在は、研磨対象である半導体基板を平坦ではなく偏って研磨したり、逆に研磨の際、研磨工具の特定部分に偏った圧力をかけることによる研磨工具を破損してしまうようなことにもなるからである。
【０００７】
特開平７−９３２５号公報には、研磨工具の表面を任意の形状に形成する技術が開示されている。当該公報には、研磨工具の表面を任意の形状に形成するための工具を備え、当該工具を任意の方向に移動する移動機構が開示されている。
【０００８】
このような工具は余り強く押し当てたり、過度に深く研磨しようとすると研磨工具を破損してしまう恐れがある。特に研磨工具が硬質である程、その傾向は顕著になる。よって、研磨工具表面にダメージを与えない程度に工具を近接し、研磨（成形）を開始する必要があるが、特開平７−９３２５号公報に開示の研磨装置はその点において十分なものではなかった。
【０００９】
本発明の目的は、研磨工具にダメージを与えることなく研磨工具の表面の成形を可能とする研磨装置の提供を目的とするものである。また本発明の更なる目的は、研磨工具の表面研磨時の処理時間を低減し得る研磨装置の提供を目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、試料を研磨する研磨工具と、当該研磨工具を支持する回転盤と、前記研磨工具表面を成型する工具と、当該工具と前記研磨工具との間隔を調節するための位置調節機構を有する回転加工装置において、前記工具を回転させるための回転機構と、当該回転機構の回転の変化を検知する検知器とを備え、当該検知器で得られる回転の変化に基づいて前記工具による前記研磨工具への成型開始高さを決定することを特徴とする回転加工装置を提供する。
【００１１】
このような構成とすることによって、工具の回転の変化により接触を検知し、当該接触点を前記工具による研磨工具への成形開始高さにできるようになる。
【００１２】
なお、本発明の他の構成は以下の発明の実施の形態の欄で更に説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例装置について、図１を用いて詳細に説明する。本実施例は、短時間かつ高能率で、加工ダメージが殆どない、高精度かつ安価な加工方法の要求が特に強い、半導体ウェハ平坦化装置に適用した例である。
【００１４】
半導体素子の高集積化により、３次元化したウェハ基板１（試料）表面を研磨して平坦化をするために、ウェハ研磨砥石４（研磨工具）を用いる。ここで、このウェハ研磨砥石４は例えば、５〜５００ｋｇ／ｍｍ^２程度の弾性率を持つものであり、他分野で用いられているような一般的な砥石に比べ、１／１０から１／１００の硬さであり、逆に一般的にＣＭＰで用いられる硬質ポリウレタン製の研磨パッドに比べれば、５倍から５０倍の硬さがある。なお、以下、５〜５００ｋｇ／ｍｍ^２程度の弾性率を持つウェハ研磨砥石を用いた回転加工装置について説明するが、このような硬度を持つウェハ研磨砥石に限られるものではなく、本発明は種々の硬度を持つ研磨パッド，ウェハ研磨砥石を備えた回転加工装置に適用することが可能である。
【００１５】
ウェハ研磨用砥石４は、研磨を行うための砥粒と当該砥粒を結合するための樹脂から構成される。砥粒の種類としては、二酸化珪素，酸化セリウム，酸化アルミナなどが好ましく、粒径は０．０１〜０．１μｍ程度のものがスクラッチを発生することなく良好な高能率を得ることができる。
【００１６】
また、砥粒を結合するための樹脂には、フェノール系，ポリエステル系などの高純度有機系樹脂が好ましい。上記砥粒を結合樹脂に混合後、適切な圧力を加えて固形化し、必要に応じて加熱硬化などの処理を加える。
【００１７】
このようにして製造されたウェハ研磨砥石４は、定盤５（回転盤）上に固定される。ウェハ基板１は弾性のある押さえパット２を介してウェハホルダ３に固定する。ウェハ基板１はウェハ研磨砥石４に対抗して配置されることになる。そしてこのウェハホルダ３を回転しながらウェハ研磨砥石４表面に荷重し、純水等を表面に供給することにより、ウェハ基板１表面上の絶縁膜等の凸部が研磨除去され平坦化される。
【００１８】
なお、ウェハ研磨砥石４は使用していくに従って研磨屑等により目詰まりを起こしたり、表面が変形したりする。このような状態で装置を使用すると、ウェハ基板１に対する研磨能力が劣化したり、適正な平坦化加工を行うことができなくなるので、適当な頻度、或いはウェハ基板の研磨と並行して、ウェハ研磨砥石４の表面の目立て、あるいは表面全体形状創成等の表面修正を行う。この作業は短時間かつ高能率で、加工ダメージが殆どなく行われる必要がある。
【００１９】
本実施例装置は、このような作業を行うために砥石８（工具）を備えている。この砥石８を用いてウェハ研磨砥石４の目立て及び表面形成を行う。以下にその動作を説明する。
【００２０】
先ず、ウェハ研磨砥石４を定盤５上に固定した状態で回転させる。定盤５は、定盤回転モータ６およびその定盤回転モータ制御部７およびその制御装置１４により、その回転速度を可変制御できる。砥石８はウェハ研磨砥石４に対し垂直な方向に配置される。
【００２１】
砥石８は刃先部に、ダイヤモンド粒またはセラミック粒等の砥粒９が埋設された加工工具である。この砥石８は、スピンドルモータ１０（回転機構）に駆動されて、例えば１００００ｒｐｍで高速回転し、例えば１０ｒｐｍ程度の回転速度で回転するウェハ研磨砥石等被加工物４の表面をμｍオーダの切込み量で精密加工する。
【００２２】
スピンドルモータ１０の制御部は２つのブロックから構成される。まず第１は、ウェハ研磨砥石４と砥石８との、接触位置を検出する場合に使用されるトルク制御部１５、第２は、実際の加工で使用される速度制御部１６である。またスピンドルモータ１０からの制御情報を得る、負荷電流検出器１７、および速度検出器１８から構成される。
【００２３】
スピンドルモータ１０は、Ｚ移動台２０に設けられており、Ｚ駆動系１１に駆動されて、図中Ｚ軸方向、すなわち切込み方向に移動可能である（位置調節機構）。またＺ移動台２０の位置は、Ｚ位置検出器２１によって高精度に検出され、制御装置１４に送られる。
【００２４】
さらにこのＺ移動台２０は、Ｘ駆動系１３により、水平方向のＸ軸方向に移動されるＸ軸移動台１２上でＸ方向の運動を規制されるので、Ｘ移動台１２の動きによって、砥石８は、Ｚ方向の送り量を保ったまま砥石４の半径方向に直線運動できる。砥石８の送り量は、Ｚ移動台２０の位置決め座標で決定され、制御装置１４の指示によって与えられる。
【００２５】
なお、本実施例装置の説明では、砥石８をＺ軸方向に移動させるための移動機構を備えているが、これに限られることはなく、例えば定盤５にＺ軸方向への移動機構を設け、定盤５をＺ軸方向に移動させることによって、砥石８とウェハ研磨砥石４との相対位置を調節するようにしても良い。
【００２６】
本発明実施例装置の砥石８は、ウェハ研磨砥石４への押圧力を制御しているのではなく、Ｚ移動台２０のＺ方向の位置を制御している。砥石８の位置を適正に制御することで、ウェハ研磨砥石４の研磨面に過大な圧力をかけたり、研磨面の凹凸の除去が不足するというような弊害を解消することが可能になる。
【００２７】
以下に砥石８のＺ方向の位置を適正に制御するための具体的手段について説明する。先ずウェハ研磨砥石４の研磨面の表面形状修正が必要となるのは、ウェハ研磨砥石４を新品と交換したときである。
【００２８】
ウェハ研磨砥石４を交換した直後は、図２に示すように、その平均的な厚みに大差はないものの、表面形状は不均一な場合があり個々に異なっていることがある。このような状態のウェハ研磨砥石４に対し、適正に砥石８の位置を制御しつつ表面形状修正を行うために、本発明実施例装置では、まずウェハ研磨用砥石４と砥石８の接触を検知し、その際の砥石８のＺ方向の位置を検出している。
【００２９】
本実施例装置では、砥石８とウェハ研磨用砥石４の接触を検知するために、速度検出器１８によってスピンドルモータ１０の回転速度変動を検知している。この回転変動検知には例えばエンコーダのような回転速度検出手段が用いられる。そして回転変動が認められた場合のＺ移動台２０の位置をＺ位置検出器２１で検出する。このＺ移動台２０の位置に基づく、砥石８の位置がウェハ研磨砥石４への成形始点（成形高さ）となる。
【００３０】
このように方向の位置を検出し、予め定められた量の切り込み量（加工深さ）に基づいて移動機構の移動量を制御するようにすれば、ウェハ研磨砥石４の研磨面に過大な圧力をかけたり、研磨面の凹凸の除去が不足するというような弊害を解消することができる。なお、接触検知位置と成形始点とは必ずしも一致させる必要はなく、例えば接触を検知した砥石８の高さより少し高い個所に成形始点を設定するようにしても、またその逆であっても良い。
【００３１】
以上のように本実施例装置では、スピンドルモータ１０の回転変動に基づいてウェハ研磨砥石４と砥石８の接触検知、或いは砥石８の成形高さ検知を行っているが、砥石８とウェハ研磨砥石４との接触を、両砥石の近傍に設けた光学センサ等により検出することも考えられる。しかしウェハ研磨砥石４や砥石８は使用していくにつれて摩耗していくので、光学センサとの位置の整合性をとるのが難しく、成形高さ検出を行うには不向きである。
【００３２】
また他にもＺ移動台２０に、砥石８のＺ方向への押圧力に対する反力を検知することで、ウェハ研磨砥石４と砥石８との接触を検知することも考えられる。しかし本発明実施例装置のように回転変動の検知に基づいて接触を検知する技術と比較すると以下のような問題がある。本発明実施例装置で採用されている砥石８は、先に説明したように刃先部にダイヤモンド粒やセラミック粒が埋設されている。これらダイヤモンド粒等はスピンドルモータ１０の回転によって、ウェハ研磨砥石４を引っ掻くように回転する。本発明実施例装置では、スピンドルモータを回転させつつ、Ｚ移動台２０によって砥石８を、ウェハ研磨砥石４に近接させているので、ダイヤモンド粒がウェハ研磨砥石４に引っ掛かった所で回転変動として検知されるようになり、接触検知レスポンスが良い。
【００３３】
それに対し、ダイヤモンド粒等の接触に基づく、反力を検知することは難しく、ダイヤモンド粒等を保持する有機系樹脂の部分がウェハ研磨砥石４に衝突するようになってようやく反力を検知することができるようになるため、回転検知と比較すると接触検知のレスポンスが悪いという問題がある。
【００３４】
また他にもスピンドルモータ１０の負荷電流の変化を検知して砥石８とウェハ研磨砥石４の接触を検知することも考えられるが、トルクリップル等により電流値が逐一変動するため、微小な負荷電流変動に基づく接触検知が困難である。即ち、モータのトルクリップルより十分に大きな電流変動でなければ、回転の変化を検知することは困難である。
【００３５】
以上のように本実施例装置では接触検知を高精度に行うべく、スピンドルモータ１０の回転速度の変化を検知している。
【００３６】
図２及び図３はウェハ研磨砥石４を新品交換した場合の表面形状の修正動作の説明図である。
【００３７】
ウェハ研磨砥石４を交換した直後は、図２に示すように、その平均的な厚みに大差はないものの、表面形状は不均一な場合があり個々に異なっていることがある。このような状態のウェハ研磨砥石４に対し、適正に砥石８の位置を制御しつつ研磨を行うために、本発明実施例装置では、まずウェハ研磨用砥石４と砥石８の接触を検知している。
【００３８】
制御装置１４は、接触検知の際、スピンドルモータ１０をトルク制御部１５で駆動するように切替部１９を切替制御する。この時の回転速度は、ダイヤモンド砥石８がウェハ研磨砥石４に接触しても、ダメージを与えない程度に、かろうじて回転する程度（例えば数１０ｒｐｍ）で、速度検出器１８の信号によって設定される。
【００３９】
また切り込み方向の送り速度は、速度検出器１８からの速度低下および停止信号を受けたとき、ウェハ研磨砥石４にダメージを与えずにＺ移動台２０を停止、あるいは上方向に待避可能な速度に設定されている。
【００４０】
実際のウェハ研磨砥石４の表面形状を検出する手順は、初めＸ移動台１２を
Ｘ１の位置に移動し、スピンドルモータ１０を前述の如くトルク制御モードで起動し、Ｚ移動台２０をゆっくりと下降させながらスピンドルモータ１０の速度低下もしくは停止を検出し、Ｚ移動台２０を急停止させる。
【００４１】
この時Ｚ位置検出器２１により、その時のＺ移動台２０の高さＨ１を制御装置１４内に記憶する。次にＺ移動台２０を初めの高さまで戻し、Ｘ軸移動台１２を次のポイントＸ２の位置に移動する。
【００４２】
さらに前項までの動作をＸ３点まで繰り返すことで、図３のようなウェハ研磨砥石４の表面形状が検出できる。なおこの場合のＸ方向の検出ポイント数やそれぞれの間隔、および検出動作開始時の高さとＺ移動台２０の送り速度等は制御装置１４から変更することも可能となっている。表面形状が検出されれば、凹凸の最大値Ｈｍａｘおよび最小値Ｈｍｉｎが求まるので、修正後の高さＨ０は、マージンを見越してＨｍｉｎよりも若干低い位置に設定することができる。
【００４３】
また修正動作に必要な研削量（Ｈｍａｘ−Ｈ０）も求まるので、ウェハ研磨砥石４にダメージを与えないような、Ｘ方向１回のスキャンに対する分割切り込み量も求めておく。以上までが修正動作前に行われる、新品交換直後のウェハ研磨砥石４の表面形状検出手順である。このような手順で検出することによって、新品のウェハ研磨砥石表面の全面範囲に亘って、凹凸の状態を確認することができる。
【００４４】
次に表面形状の修正動作について説明する。制御装置１４は、スピンドルモータ１０を速度制御部１６で駆動するよう切替部１９を制御し、修正動作に必要な高速回転数（例えば１００００ｒｐｍ程度）を指令する。ウェハ研磨用砥石４は回転を始め、加工液（例えば純水）が供給される。
【００４５】
次に制御装置１４は、前項で求めた最大高さＨｍａｘまでＺ移動台２０を高速移動させ、さらに前項で求めた分割切り込み量分、Ｚ移動台２０を下降させ、Ｘ軸移動台１２を端から端まで定速スキャンさせることで、ウェハ研磨砥石４を平坦に研削していく。この動作を修正後の高さＨ０まで繰り返すことで、極めて平坦なウェハ研磨砥石４が得られる。このようにＨｍａｘ，Ｈ０を求めた上で、１回分の切り込み量を設定することができるので、ウェハ研磨砥石にダメージを与えないようにしつつ、無駄なスキャンをなくすことができ、研削の高速化を図ることができる。
【００４６】
なお、本発明実施例装置では、ウェハ研磨砥石４と砥石８の接触検知の際には、スピンドルモータの回転トルクが所定値になるように制御し、成形の際にはスピンドルモータの回転速度が所定値になるように制御される。この理由は、接触検知の際、スピンドルモータを回転速度一定で制御すると、ウェハ研磨砥石４と砥石８が接触した場合であっても、回転を維持するように制御されるため、ウェハ研磨砥石４にダメージが及んでしまう可能性があるからである。またウェハ研磨砥石４の成形の際にスピンドルモータ１０の回転を速度一定で制御するのは、均一な加工精度を維持するためである。
【００４７】
本発明実施例装置ではウェハ研磨砥石４にダメージを与えない程度に切り込み深さが設定されるため、ウェハ研磨砥石４にダメージを与えることなく、均一な加工精度を維持することが可能になる。
【００４８】
最後に修正後の高さＨ０を、次回の修正動作での接触位置の参考値として、制御装置１４内に記憶する。
【００４９】
これまでの動作により、ウェハ基板１の表面を高精度に平坦化加工できるようになるが、ウェハ基板１の加工を繰り返していると、前述の如くウェハ研磨砥石４も加工され、目詰まりや表面全体形状変化が生じるので、再度ウェハ研磨砥石４の修正動作が必要となる。ところが、この場合の修正後高さ目標値Ｈ０′は、新品交換時ほど凹凸はないため、前回修正動作の最後の高さＨ０を基準に、やや下がった位置Ｈ０′で充分であることは明らかである。以下、前回の修正動作からの情報をもとに、再修正動作する場合の手順について説明する。
【００５０】
再修正動作では、最初からスピンドルモータ１０を速度制御モードで起動し、多少ゆっくりした回転数で廻すことにより、負荷電流変化が検出できやすい状態としておく。次に制御装置１４内に記憶しておいた、前回の修正動作の最終高さＨ０を目標値として、Ｚ移動台２０を高速下降させる。このとき負荷電流が異常に増えていなければ、ダイヤモンド砥石８先端は、ウェハ研磨砥石４表面に接触したか、接触直前位置程度で停止していることになる。ここからはスピンドルモータ１０を切り込み時の回転数に戻し、前記修正動作と同様の手順により実行される。修正動作完了後、再度、次回の修正動作での接触位置の参考値として、今回の最終高さＨ０′が制御装置１４内に記憶される。一方、図４に示すように、切り込み準備としての前回最終高さＨ０までのＺ移動台２０送り時に、なんらかの要因により、スピンドルモータ１０の負荷電流が異常に大きくなった場合、オーバー切り込みとなり、ウェハ研磨砥石４破損の危険性があるので、このような場合には、Ｚ移動台２０をすみやかに待避させ最悪のケースを未然に防ぐような機能も盛り込むこともできる。
【００５１】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、半導体基板等の試料表面を平坦にする研磨装置において、試料を平坦に形成するための研磨工具に対する表面成形を、研磨工具にダメージを与えることなく行うことが可能となる。また高い精度での表面成形が可能になる。さらに表面成形を高速に行うことも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工方法を説明する図。
【図２】本発明の新品交換時の被加工物表面形状を説明する図。
【図３】本発明の新品交換時の被加工物表面形状検出結果を説明する図。
【図４】本発明の異常切り込みを回避する動作を説明する図。
【符号の説明】
１…ウェハ基板、２…押えパット、３…ウェハホルダ、４…ウェハ研磨砥石（研磨工具）、５…定盤、６…定盤回転モータ、７…定盤回転モータ制御部、８…ダイヤモンド砥石（工具）、９…ダイヤモンド粒、１０…スピンドルモータ（回転機構）、１１…Ｚ駆動系、１２…Ｘ軸移動台、１３…Ｘ駆動系、１４…制御装置、１５…トルク制御部、１６…速度制御部、１７…負荷電流検出器、１８…速度検出器、１９…切替部、２０…Ｚ移動台、２１…Ｚ位置検出器。

Claims

試料を研磨する回転可能に支持される研磨工具と、当該研磨工具表面に対し垂直な方向に配置され、回転機構による回転によって前記研磨工具を回転させながら前記研磨工具表面を成形する工具と、当該工具と前記研磨工具表面との間隔を、離間した状態から接触させた状態まで調節する移動機構と、前記回転機構の回転速度、或いは回転トルクの変動を検知するセンサとを備え、前記研磨工具の成型の際には、前記回転機構の回転速度が所定値になるように制御し、前記工具と研磨工具の接触を検知する際には前記回転機構のトルクが所定値になるように制御する制御装置を備え、前記工具による前記研磨工具の成型の前に、当該成型の際の前記回転機構の回転より遅い回転で前記移動機構の移動により前記工具と前記研磨工具を近接させ、その際の前記センサの回転速度、或いは回転トルクの変動検知に基づいて前記工具による前記研磨工具への成型開始高さを決定する手段を備え、当該成型開始高さ決定は前記研磨工具表面の複数箇所への接触検知に基づいて行われることを特徴とする回転加工装置。
請求項１において、
前記成型開始高さを決定する手段は、前記複数箇所への接触検知によって得られた複数の研磨工具表面高さの内、表面高さの高い位置に基づいて、前記成形開始高さを決定することを特徴とする回転加工装置。