JP4524643B2 - ウェーハ研磨方法 - Google Patents

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Description

本発明は、集積回路を形成するウェーハ等の表面を研磨するためのウェーハ研磨装置及びウェーハ研磨方法に関する。
一般に、表面がエッチングされたシリコンウェーハは、ポリシング工程において、その表面に研磨が施される。従来の研磨では、硬質研磨パッドが備えられたウェーハ研磨装置を用いてウェーハ表面の粗い凹凸を取り除いて表面を平坦にする第1研磨工程と、軟質研磨パッドが備えられたウェーハ研磨装置を用いてウェーハ表面の微小ピットを消滅する第2研磨工程を行うことで、ウェーハの表面を平滑で無歪の鏡面に仕上げている。なお、第1研磨工程と第2研磨工程とでは用いる研磨パッドの種類が異なるために、第1研磨工程と第2研磨工程でそれぞれ専用のウェーハ研磨装置を用いている。
図7は、従来の研磨方法に用いられるウェーハ研磨装置の概略構成を示す図であり、図7の(a)は平面図、図7の(b)は側面図である(例えば、特許文献1参照)。
従来のウェーハ研磨装置は、回転円盤31と、この円盤表面のほぼ全面に亘って貼り付けられた研磨パッド32と、回転円盤32の上方に設けられた複数の回転ホルダ33と、各回転ホルダ33に固定されたウェーハ取り付けプレート35から構成されている。回転ホルダ33は軸34によって上下運動並びに回転運動を行うように構成されている。ウェーハ取り付けプレート35に複数のウェーハ6が取り付けられている。なお、図中符号37は注入パイプであり、この注入パイプ37から必要に応じて酸化セリウム系などの研磨スラリー38を供給しながらウェーハの研磨を行うこともある。
特開昭64−78758号公報
しかしながら従来の研磨方法では、第1研磨工程と第2研磨工程でそれぞれ専用のウェーハ研磨装置と研磨パッドを用いて行っているために、ウェーハを研磨するための設備や研磨資材の増加によりウェーハの製造コストがかかると問題があった。また、用いるウェーハ研磨装置を変えて二つの研磨工程を行っているために、研磨工程が煩雑になる、研磨時間がかかるという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ウェーハを研磨するための設備や研磨資材の削減が可能で、しかもウェーハの研磨工程の簡略化と研磨時間を短縮できるウェーハの研磨装置及びウェーハ研磨方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討及び実験を重ねた結果、研磨前のウェーハの表面の粗さ成分には、図1に示すPSD(power spectral density)解析により波長が大きい(例えば、波長が10μmを超える)成分と、波長が小さい(例えば、波長が10μm以下)成分があることがわかった。
また、ウェーハ表面の研磨を行う際に粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する研磨スラリーを用いた場合、図2(a)の曲線Aに示すように波長が大きい成分は短時間で取り除くことができる(収束率が大きい)が、波長が短い成分の収束率は小さいことがわかった。また、ウェーハ表面の研磨を行う際に粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する研磨スラリーを用いた場合、図2(a)の曲線Bに示すように波長が小さい成分は短時間で取り除くことができる(収束率が大きい)が、波長が大きい成分の収束率は小さいことがわかった。
なお、上記収束率は、ウェーハ表面が鏡面化するまでの時間の逆数であり、収束率が大きいほど鏡面化するまでの時間が短く、研磨の効率が良いものである。
さらに、本発明者は鋭意検討及び実験を重ねた結果、ウェーハの表面の研磨を行う際に研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを途中で粒径が異なるものに変更(粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する第1の研磨スラリーから粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する第2の研磨スラリーに変更、但し、第1の研磨スラリー中の研磨剤の粒径は第2の研磨スラリー中の研磨剤の粒径より大きい)すると、図3(a)の曲線Cに示すように波長が大きい成分については図3(a)の曲線Dに示す従来の硬度が96の硬質研磨パッドを用いる場合よりも収束率が僅かに小さくなるものの、図3(a)の曲線Eに示す従来の硬度が70の軟質研磨パッドを用いる場合よりも収束率が大幅に大きくなり、また、波長が小さい成分については図3(a)の曲線Eに示す従来の硬度が70の軟質研磨パッドを用いる場合よりも収束率が僅かに小さくなるものの、図3(a)の曲線Dに示す従来の硬質研磨パッドを用いる場合よりも収束率が大幅に大きくなり、しかも一つのウェーハ研磨装置でウェーハ表面の波長が大きい粗さ成分と波長が小さい粗さ成分の両方を効率良く取り除いて、平滑で無歪の鏡面に仕上げることができることを究明し、本発明を完成した。
また、ウェーハの表面の研磨を行う際に研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを途中で粒径が異なるものに変更(粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する第1の研磨スラリーから粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する第2の研磨スラリーに変更、但し、第1の研磨スラリー中の研磨剤の粒径は第2の研磨スラリー中の研磨剤の粒径より大きい)すると、図2(a)の曲線Cに示すように波長が大きい成分については図2(a)の曲線Aに示す粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する研磨スラリーを用いる場合よりも収束率が僅かに小さくなるものの、図2(a)の曲線Bに示す粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する研磨スラリーを用いる場合よりも収束率が大幅に大きくなり、また、波長が小さい成分については図2(a)の曲線Bに示す粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する研磨スラリーを用いる場合よりも収束率が僅かに小さくなるものの、図2(a)の曲線Aに示す粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する研磨スラリーを用いる場合よりも収束率が大幅に大きくなり、しかも一つのウェーハ研磨装置でウェーハ表面の波長が大きい粗さ成分と波長が小さい粗さ成分の両方を効率良く取り除いて、平滑で無歪の鏡面に仕上げることができることを究明し、本発明を完成した。なお、図2(b)と図3(b)に、ウェーハ表面の粗さ成分の波長との関係を示すグラフを示した。
本発明のウェーハ研磨装置は、軸を中心に回転するキャリアプレートに保持されたウェーハを、前記軸と異なる軸を中心として回転する研磨定盤に設けられた研磨パッドに押圧摺動して研磨するウェーハ研磨装置において、
粒径の異なる研磨スラリーを前記研磨パッドの表面に供給する手段が設けられたことにより上記課題を解決した。
本発明は、軸を中心に回転するキャリアプレートに保持されたウェーハを、前記軸と異なる軸を中心として回転する研磨定盤に設けられた研磨パッドに押圧摺動して研磨するウェーハ研磨装置において、
研磨スラリーを前記研磨パッドの表面に供給する手段が設けられ、該研磨スラリー供給手段は供給する研磨スラリーを粒径の異なるものに切り替え可能な構成とされたことにより上記課題を解決した。
本発明のウェーハ研磨装置において、前記粒径が異なる研磨スラリーは、粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する第1の研磨スラリーと、粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する第2の研磨スラリーであり、第1の研磨スラリー中の研磨剤の粒径は第2の研磨スラリー中の研磨剤の粒径より大きいものであることが好ましい。
本発明のウェーハ研磨方法は、研磨パッドを回転させ、該研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給するとともに回転するウェーハを押圧摺動して、表面の粗さ成分として波長が10μmを超える波長が大きい粗さ成分と波長が10μm以下の波長が小さい粗さ成分とを有するウェーハ表面を研磨して鏡面化するウェーハ研磨方法であって、
前記研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する第1の研磨スラリーから粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する第2の研磨スラリーに変更して、研磨の初期から終期にかけて変化する粗さ成分に応じて供給する研磨スラリーを使い分け、
波長が大きい粗さ成分について前記第2の研磨スラリーのみを用いる場合よりも収束率を大きくし、また、波長が小さい粗さ成分について前記第1の研磨スラリーのみを用いる場合よりも収束率を大きくし、一回の研磨工程によってウェーハ表面の波長が大きい粗さ成分と波長が小さい粗さ成分の両方を取り除いて、平滑で無歪の鏡面に仕上げることにより上記課題を解決した。
本発明のウェーハ研磨方法は、前記研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを前記第1の研磨スラリーから前記第2の研磨スラリーに変更してウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を取り除き、一回の研磨工程によって平滑で無歪の鏡面に仕上げることができる。
本発明の前記研磨スラリーとしては、前記第1の研磨スラリー中の研磨剤の粒径が前記第2の研磨スラリー中の研磨剤の粒径より大きく設定されることができる。
本発明のウェーハ研磨方法は、研磨パッドを回転させ、該研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給するとともに回転するウェーハを押圧摺動してウェーハ表面を研磨するウェーハ研磨方法であって、
前記研磨パッドの表面に粒径が異なる研磨スラリーを供給することにより上記課題を解決した。
本発明のウェーハ研磨方法は、研磨パッドを回転させ、該研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給するとともに回転するウェーハを押圧摺動してウェーハ表面を研磨するウェーハ研磨方法であって、
前記研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを途中で粒径が異なるものに変更することにより上記課題を解決した。
上記構成の本発明のウェーハ研磨方法においては、前記研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する第1の研磨スラリーから粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する第2の研磨スラリーに変更することが好ましい。


本発明のウェーハ研磨装置は、粒径の異なる研磨スラリーを前記研磨パッドの表面に供給する手段が設けられたことにより、粒径の大きな研磨スラリーと粒径の小さな研磨スラリーを研磨工程における所定時に供給してウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を効率良く取り除き、一回の研磨工程によって平滑で無歪の鏡面に仕上げることができる。
本発明のウェーハ研磨装置は、研磨スラリーを前記研磨パッドの表面に供給する手段が設けられ、該研磨スラリー供給手段は供給する研磨スラリーを粒径の異なるものに切り替え可能な構成とされたことにより、このウェーハ研磨装置を用いてウェーハの表面の研磨を行うと、ウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を効率良く取り除いて、平滑で無歪の鏡面に仕上げることができる。すななち、本発明のウェーハ研磨装置を用いる研磨では一つのウェーハ研磨装置でウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を取り除くことができるので、従来のようにウェーハ表面の粗い凹凸を取り除く場合と微小ピットを消滅させる場合で用いるウェーハ研磨装置や研磨パッドを変更しなくても済み、ウェーハを研磨するための設備や研磨資材の削減が可能で、しかもウェーハの研磨工程の簡略化と研磨時間を短縮でき、ウェーハを効率良く研磨できる。
本発明のウェーハ研磨方法は、粒径の異なる研磨スラリーを前記研磨パッドの表面に供給することにより、粒径の大きな研磨スラリーと粒径の小さな研磨スラリーを研磨工程における所定時に供給してウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を効率良く取り除き、一回の研磨工程によって平滑で無歪の鏡面に仕上げることができる。
また、本発明のウェーハ研磨方法は、研磨パッドを回転させ、該研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給するとともに回転するウェーハを押圧摺動してウェーハ表面を研磨するに際して、上記研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを途中で粒径が異なるものに変更することにより、一つのウェーハ研磨装置で、研磨スラリーを粒径が異なるものに切り替えるだけで、ウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を取り除くことができるので、従来のようにウェーハ表面の粗い凹凸を取り除く場合と微小ピットを消滅させる場合で用いるウェーハ研磨装置や研磨パッドを変更しなくても済み、ウェーハを研磨するための設備や研磨資材の削減が可能で、しかもウェーハの研磨工程の簡略化と研磨時間を短縮でき、ウェーハを効率良く研磨できる。
また、本発明のウェーハ研磨方法は、研磨の初期から終期にかけて変化する粗さ成分に応じて供給する研磨スラリーを使い分けることにより、ウェーハを研磨するための設備や研磨資材の削減が可能で、しかもウェーハの研磨工程の簡略化と研磨時間を短縮できる。
以下、本発明に係るウェーハ研磨装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図4は、本実施形態のウェーハ研磨装置の要部拡大断面図であり、図5は、図1のウェーハ研磨装置に備えられた研磨定盤とキャリアプレートを示す平面図である。
本実施形態のウェーハ研磨装置10は、研磨パッド11が表面に設けられた研磨定盤12と、この上方に配設された複数台(図面では4台)の研磨ヘッド13と、研磨スラリーを研磨パッド11の表面に供給する研磨スラリー供給手段16を備えている。
各研磨ヘッド13は、軸を中心に回転可能に設けられている。各研磨ヘッド13の研磨定盤と対向する面にキャリアプレート14が設けられており、研磨ヘッド13が回転するとこの研磨ヘッド13に設けられたキャリアプレート14も軸を中心に回転することになる。このキャリアプレート14には複数(図面では5枚)のシリコンウェーハWがヘッド中心部を中心に所定間隔(図面では72度間隔)で保持されている。シリコンウェーハWは、例えば、スライスやラッピング後にエッチングが施されたもので、さらに表面を鏡のように磨く研磨工程(ポリシング工程)を施す必要があるものである。このシリコンウェーハWの寸法は、例えば、直径300mm、厚さ750mmのものが好適に用いられている。
研磨パッド11は、発泡ウレタンあるいは不織布やスエードから構成されている。
研磨スラリー供給手段16は、第1の研磨スラリー39又は第2の研磨スラリー40を研磨パッド11の表面に供給する供給パイプ17と、この供給パイプ17の一方の端部に接続されたバルブ(切り替え手段)18と、このバルブ18に第1の供給パイプ19bを介して接続された第1の研磨スラリー供給源19aと、上記バルブ18に第2の供給パイプ20bを介して接続された第2の研磨スラリー供給源20aを主体として構成されている。供給パイプ17の他方の端部は、研磨パッド11の中央部の上方に開口している。
この研磨スラリー供給手段16はバルブ18を操作することにより、供給パイプ17から研磨パッド11の表面に第1の研磨スラリー39又は第2の研磨スラリー40のいずれかが供給されるようになっており、また、各研磨スラリーの供給量も調整できるようになっている。
第1の研磨スラリー39は、粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有するものである。上記粒径が60nm〜140nmの研磨剤を分散させる溶媒としては、例えば、アルカリ性の水溶液を挙げることができる。
第2の研磨スラリー40は、粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有するものである。
上記粒径が50nm〜70nmの研磨剤を分散させる溶媒としては、例えば、アルカリ性の水溶液を挙げることができる。
上記第1の研磨スラリー中の研磨剤の粒径は上記第2の研磨スラリー中の研磨剤の粒径より大きいことが好ましい。
すなわち、上記研磨スラリー供給手段16は供給する研磨スラリーを粒径の異なるものに切り替え可能な構成になっている。
研磨定盤12は上記軸とは異なる軸を中心に回転可能に設けられている。研磨定盤12および各研磨ヘッド13の回転方向は同じ方向とされている。なお、研磨ヘッド13の移動方法は、本実施形態に限るものではない。
シリコンウェーハWをキャリアプレート14に取り付ける方法は、ワックス貼着であってもよいし、ワックスレスマウント式でもよい。
次に、この研磨装置10を用いたシリコンウェーハWの研磨方法を説明する。
図4と図5に示すように、まず複数枚(図面では5枚)のシリコンウェーハWを所定間隔(図面では72度間隔)で各キャリアプレート14にワックス貼着し、それから各キャリアプレート14を対応する研磨ヘッド13の下面に固着する。
ついで、各研磨ヘッド13を下降することで、各シリコンウェーハWを、研磨定盤12上に設けられた研磨パッド11の研磨作用面に押圧する。この状態を維持しつつ、研磨の初期では研磨パット11上に研磨スラリー供給手段16から第1の研磨スラリー39を供給しながら、研磨定盤12を図2の実線矢印方向に回転させる。同時に、各研磨ヘッド13を、図5の二点鎖線矢印方向に回転させ、各シリコンウェーハWを研磨パッド11に押圧摺動し、研磨する。このようにすると、研磨の初期には波長が大きい粗さ成分を効率良く取り除くことができる。
ついで、研磨の終期では各シリコンウェーハWを研磨パッド11の研磨作用面に押圧した状態を維持しつつ、研磨パット11上に研磨スラリー供給手段16から供給する研磨スラリーを第2の研磨スラリー40に変更し、この第2の研磨スラリー40を供給しながら、研磨定盤12を図2の実線矢印方向に回転させる。同時に、各研磨ヘッド13を、図5の二点鎖線矢印方向に回転させ、各シリコンウェーハWを研磨パッド11に押圧摺動し、研磨する。このようにすると、研磨の終期には波長が小さい粗さ成分を効率良く消滅させることができる。
上記のような研磨工程により、各シリコンウェーハWの研磨面(表面)が研磨される。
本実施形態のウェーハ研磨装置10は、研磨スラリーを研磨パッド11の表面に供給する手段16が設けられ、該研磨スラリー供給手段16は供給する研磨スラリーの粒径を異なるものに切り替え可能な構成とされたことにより、このウェーハ研磨装置10を用いてウェーハWの表面の研磨を行うと、ウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を効率良く取り除くことができ、平滑で無歪の鏡面に仕上げることができる。すななち、本実施形態のウェーハ研磨装置10を用いる研磨では一つのウェーハ研磨装置でウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方(波長が大きい粗さ成分と波長が小さい粗さ成分の両方)を取り除くことができるので、従来のようにウェーハ表面の粗い凹凸を取り除く場合と微小ピットを消滅させる場合で用いるウェーハ研磨装置や研磨パッドを変更しなくても済み、ウェーハを研磨するための設備や研磨資材の削減が可能で、しかもウェーハの研磨工程の簡略化と研磨時間を短縮でき、ウェーハを効率良く研磨できる。
また、本実施形態のウェーハ研磨方法は、研磨パッド11を回転させ、該研磨パッド11の表面に研磨スラリーを供給するとともに回転するウェーハを押圧摺動してウェーハ表面を研磨するに際して、上記研磨パッド11の表面に供給する研磨スラリーを途中で粒径が異なるものに変更することにより、すなわち、研磨の初期から終期にかけて変化する粗さ成分に応じて供給する研磨スラリーを使い分けることにより、一つのウェーハ研磨装置で、ウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を取り除くことができるので、従来のようにウェーハ表面の粗い凹凸を取り除く場合と微小ピットを消滅させる場合で用いる研磨パッドを変更しなくても済み、ウェーハを研磨するための設備や研磨資材の削減が可能で、しかもウェーハの研磨工程の簡略化と研磨時間を短縮でき、ウェーハを効率良く研磨できる。
具体例を挙げると、従来のようにウェーハ表面の粗い凹凸を取り除く場合と微小ピットを消滅させる場合で用いるウェーハ研磨装置や研磨パッドを変更して研磨を行う場合(硬質研磨パッドを用いる第1研磨工程と軟質研磨パッドを用いる第2研磨工程を行う場合、比較例)の加工時間は、図6に示すように約1650秒要した。これに対して研磨スラリー供給手段16が備えられた実施形態のウェーハ研磨装置10を用い、研磨パッド11の表面に供給する研磨スラリーを粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する第1の研磨スラリーから粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する第2の研磨スラリーに変更してシリコンウェーハWの表面を研磨した場合(実施例)の加工時間は、図6に示すように約800時間であり、比較例に比べてウェーハの研磨加工に要する時間を1/2以下に短縮することができ、ウェーハを効率良く研磨することができることがわかった。
本実施例によれば、研磨の初期から終期にかけて変化する粗さ成分に応じて供給する研磨スラリーを使い分けることにより、各粗さ成分に応じた加工を1軸上で行うことができ、これによって研磨加工に要する時間を半減でき、設備も半減でき、研磨パッドも半減でき、コストダウンすることができる。
研磨前のウェーハの表面の粗さのPSD解析結果を示すグラフ。 (a)は、研磨スラリーと収束率の関係を示すグラフ、(b)ウェーハの表面の粗さの成分と波長との関係を示すグラフ。 (a)は、研磨パッドと収束率の関係と研磨スラリーと収束率の関係を示すグラフ、(b)ウェーハの表面の粗さの成分と波長との関係を示すグラフ。 本発明の実施形態のウェーハ研磨装置の要部拡大断面図。 図1のウェーハ研磨装置に備えられた研磨定盤とキャリアプレートを示す平面図。 実施例と比較例の研磨加工時間を示すグラフ。 従来のウェーハ研磨装置の概略構成を示す図であり、(a)は平面図、(b)は側面図。
符号の説明
10・・・ウェーハ研磨装置、11・・・研磨パッド、12・・・研磨定盤、13・・・研磨ヘッド、14・・・キャリアプレート、16・・・研磨スラリー供給手段、17・・・供給パイプ、18・・・バルブ、19a・・・第1の研磨スラリー供給源、19b・・・第1の供給パイプ、20a・・・第2の研磨スラリー供給源、20b・・・第2の供給パイプ、39・・・第1の研磨スラリー、40・・・第2の研磨スラリー、W・・・シリコンウェーハ

Claims (3)

  1. 研磨パッドを回転させ、該研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給するとともに回転するウェーハを押圧摺動して、表面の粗さ成分として波長が10μmを超える波長が大きい粗さ成分と波長が10μm以下の波長が小さい粗さ成分とを有するウェーハ表面を研磨して鏡面化するウェーハ研磨方法であって、
    前記研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを粒径が60nm〜140nmの研磨剤を含有する第1の研磨スラリーから粒径が50nm〜70nmの研磨剤を含有する第2の研磨スラリーに変更して、研磨の初期から終期にかけて変化する粗さ成分に応じて供給する研磨スラリーを使い分け、
    波長が大きい粗さ成分について前記第2の研磨スラリーのみを用いる場合よりも収束率を大きくし、また、波長が小さい粗さ成分について前記第1の研磨スラリーのみを用いる場合よりも収束率を大きくし、一回の研磨工程によってウェーハ表面の波長が大きい粗さ成分と波長が小さい粗さ成分の両方を取り除いて、平滑で無歪の鏡面に仕上げることを特徴とするウェーハ研磨方法。
  2. 前記研磨パッドの表面に供給する研磨スラリーを前記第1の研磨スラリーから前記第2の研磨スラリーに変更してウェーハ表面の粗い凹凸と微小ピットの両方を取り除き、一回の研磨工程によって平滑で無歪の鏡面に仕上げることを特徴とする請求項1に記載のウェーハ研磨方法。
  3. 前記研磨スラリーとしては、前記第1の研磨スラリー中の研磨剤の粒径が前記第2の研磨スラリー中の研磨剤の粒径より大きく設定されることを特徴とする請求項1または2記載のウェーハ研磨方法。
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