JP5469461B2 - 被加工物の表面の精密研磨加工 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には機械制御に関し、特に、物品表面の精密加工又は仕上げのための方法及びシステムに関する。本発明は、特に、絶縁体上半導体（ＳＯＩ）構造の半導体層の研磨に用途を有する。

本発明を、特定の用途に関して開示する。しかし、他の用途も開示され、更なる用途は当業者に自明である。説明の都合で特定の用途を開示するが、本発明をこれらのいずれにも限定する意図はない。

今日まで、絶縁体上半導体構造で最も一般的に用いられている半導体材料はシリコンであり、ガラスは一般的な絶縁体である。高性能の薄膜トランジスタ、太陽電池、及びアクティブマトリクスディスプレイ等のディスプレイにとって、絶縁体上シリコン技術はますます重要になっている。絶縁体上シリコンウェハは、絶縁材料上の実質的に単結晶のシリコンの薄層で構成される（厚さは一般的に０．１〜０．３マイクロメートルであるが、５マイクロメートルもの厚さになる場合もある）。

シリコン上での薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）回路の形成を容易にするために、絶縁体上半導体構造をシリコン薄膜に結合させたら、一般的に、シリコン層の表面を研磨して略均一な厚さを有する層にする必要がある。

具体例として、ガラス上シリコン（ＳｉＯＧ）基体には、表面膜を薄くする加工処理が施される。これは、加工されている要素よりも実質的に小さい研磨接触ゾーンを有する工具によって行われる研磨処理である「決定論的研磨（deterministic polishing）」によって行われるのが一般的である。今日、このタイプの処理は、一般的に、超精密光学レンズ研磨装置（供給元としては英国レスターシャー州コールビルに所在するジーコ社（Zeeko Limited）がよく知られている）を用いて行われる。このタイプの装置は特許文献１に開示されている。一般的に、表面全体の加工を達成するために、加工工具と被加工物との間の精密移動は３つのデカルト座標で提供される。

特許文献１に開示されているタイプの加工工具を、本願明細書ではボンネット／パッド装置と呼ぶことがあり、これを図１に模式的に示す。工具１０は、略円筒形の本体１２と、内部が所定の圧力に与圧された加工ヘッド、即ちボンネット１４とを有する。ボンネットは、例えば、部分的に球形又は球根状の、繊維で補強されたゴムの隔壁であり得る。ボンネット１４の表面には研磨パッド１６が貼り付けられている。動作においては、加工される要素の表面にパッド１６が当てられ、この表面を研磨するためにパッド１６が回転軸Ａ回りに回転される。

使用前に、工具を、被加工物の被加工面に合わせて較正しなければならない。これを行うために、パッド１６を所定のパターンの複数の点で表面に接触させる。工具１０には、３つの軸に沿った精密移動（軸方向の移動はＺ軸制御に対応する）を提供する位置決め機構１９が設けられている。較正を行う際、パッド１６を表面上の較正点の１つに接触させると、工具１０に設けられたセンサ１８によって所定の力が検知されるまで、ボンネット１４が軸方向に移動される。これにより、接触の一貫性が確実になる。１組の較正点が取得された後は、被加工面の意図した仕上げ形状に対応する平面内又は他の適切な輪郭内にボンネットが留まるのを確実にするように、工具の移動を制御できる。更に、研磨される表面に対するボンネット１４の適切な軸方向の間隔が維持される。これは通常、ボンネットの前部を被加工物の表面を越えた位置に配置して、ボンネットが表面に押し当てられるようにする干渉間隔である。次に、ボンネット１４を回転させると同時に、ボンネット１４を、被加工物の被加工面に対して、輪郭（例えば、平面）に沿った所定の走査パターンで移動させることにより、実際の加工処理を行う。様々な走査パターンを使用できるが、最も一般的なパターンは、従来のテレビ受像機の陰極管上で走査される線のパターンに類似した、一連の密に離間した平行線、即ち「ラスタ」である。

ＳｉＯＧ膜の薄化に対する要求はかなり厳密である。最終的な膜厚は、約±８ｎｍの精度で制御されるのが望ましい。材料除去は、ボンネットの走査速度及びボンネットの回転速度にほぼ線形に比例することが知られている。しかし、材料除去は、研磨スポットサイズの２乗、即ち実際に研磨を行うパッドの面積に比例する。研磨スポットサイズは、ボンネットと加工される表面との間の力の量（この力は研磨される表面との干渉接触によって生じる）によって制御される。これらのパラメータの全てはよく理解されており、現在実践されている研磨では、これらは厳密に制御される。

ボンネット１４の回転のずれは、材料除去に深刻な影響を及ぼすことがわかった。このようなずれは、ボンネット１４を回転させ、径方向の（偏心）移動量（本願明細書では「径方向の誤差移動」と呼ぶ）を測定することによって測定され得る。なお、パッドの回転に何らかの偏心が生じると、高い回転速度ではスポットサイズが事実上大きくなって期待よりも多くの材料が除去され、低い回転速度では材料除去が時間と共に変化する。径方向の誤差移動が約５０マイクロメートルである場合、膜厚のばらつきは、膜厚の合計公差よりも大きい約１５ｎｍになり得ることがわかった。（例えば、ダイヤモンド旋盤及び／又は原位置でのカップ研磨による）ボンネット及びパッドの複合的な径方向の誤差移動を最小限にするために、あらゆる努力がなさている。しかし、この径方向の誤差移動を３０マイクロメートル以下に低減することはほとんどできない。

米国特許第６，７９６，８７７号明細書

従って、ボンネット／パッド式装置を用いて決定論的研磨を行う際に、必要な膜厚制御を達成するために、ボンネットのスポットサイズを、ボンネットの形直しによって達成可能な公差よりも厳密な公差に制御しなければならないことは明らかである。

本発明によれば、ボンネット／パッド式工具と被加工物の表面との間の相対的な間隔を動的に制御して、被加工物の表面と接触する研磨パッドの領域（本願明細書では「スポットサイズ」とも呼ぶ）が一定になるようにすることにより、スポットサイズのばらつき、及びそれに伴う材料除去量のばらつき（これが表面高さの変動を生じる）を解消する。 スポットサイズのばらつきは、パッドの径方向の誤差移動を含む様々な原因から生じる。工具の所与の内圧に対して、スポットサイズは、工具と被加工物表面との間の実際の軸方向の位置に関して変化する。本発明の第１の実施形態によれば、工具と被加工物の表面との間の力が検知され、スポットサイズの変化を補償するために、工具と被加工物の表面との間の軸方向の間隔が、力の変化とは反対の方向に制御される。この第１の実施形態によれば、例えば、サーバ制御サブシステムを用いることにより、動的なリアルタイム制御が実施される。

第２の実施形態によれば、使用前に、スポットサイズに影響するパラメータの変化が測定される。例えば、パッドが回転する際の、パッドの径方向の誤差移動が測定されて格納され得る。動作中は、この格納された情報を用いて、パッドの回転中に、工具と被加工物の表面との間の距離の時間的に変化する調節を行う。この距離調節により、径方向の誤差移動が補償され、均一なスポットサイズが生じる。

一般的に、工具と被加工物の表面との間の距離は、工具の軸方向の移動によって制御される。しかし、第３の実施形態によれば、被加工物を支持する作業台が、台の下部に二次元パターンで離間された少なくとも１つの、必要に応じて複数のアクチュエータ／位置センサ対を有する。スポットサイズのばらつきを補償するために工具と被加工物との間の距離を変更するよう、アクチュエータが制御されて台の仰角が調節される。これにより、工具と被加工物の表面との間の間隔の制御だけでなく、三次元における被加工物の表面の傾斜を制御して直交性を制御することも可能になる。

上記の簡単な説明、並びに本発明の更なる目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して、以下の本発明による具体的な実施形態の詳細な説明を読むことで、より完全に理解されよう。

ボンネット／パッド式研磨工具を示す模式図。 本発明による、工具と被加工物表面との間の力に関する工具と被加工物表面との間の距離の動的なサーボ制御が設けられた第１の実施形態を表わす模式的ブロック図。 図２のサーボ制御サブシステム３２の構造及び動作制御を表わす機能ブロック図。 本発明による、高速動作を達成する第１の実施形態の変形例を表わす模式的ブロック図。 本発明による第２の実施形態に従って実行される処理を示すフローチャート。 本発明による第３の実施形態を示す模式図。 本実施形態による間隔制御がどのように達成されるかを示すブロック図。

図２は、本発明による第１の実施形態を示す模式的ブロック図である。具体的には、図１のような工具１０を制御サブシステム３２と組み合わせたものが開示される。制御サブシステム３２は、工具１０と被加工物表面との間の力に関して工具１０と被加工物の表面との間の間隔を制御する。

被加工物は、ガラス上シリコン（ＳＯＧ）等といった絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）構造であり得る。本願明細書で用いる「絶縁体上シリコン」又は「ガラス上シリコン」は、シリコン以外の半導体材料又はシリコンを含む半導体材料を含むものとして、より広く解釈されると共に、ガラス以外の絶縁体材料も含むものとして理解される。例えば、本発明を実施するための他の有用な半導体材料としては、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ＧａＰ及びＩｎＰが挙げられるが、これらに限定されない。また、本発明を実施するために、例えば、様々な公知のシリコン及びセラミックを含むがこれらに限定されない、他の絶縁体材料を用いてもよい。本発明による方法及び装置は、かなり広い産業上の用途（例えば、超精密レンズ研磨及び他の表面加工技術）を有し得る。

ボンネット／パッド式工具１０を用いた際の、被加工物の仕上がり面の高さの変動を生じるスポットサイズのばらつきの原因に関しては、幾ばくかの議論が整っている。工具は、ボンネット１４の内部に、精密に制御された圧力を有するよう構築されている。ボンネット１４が被加工物の表面に押し当てられると、パッド１６の一部が表面に対して平らになり、回転の際に被加工物の表面と相互作用して表面を研磨し、材料を除去する。本願明細書では、この平らになった部分を「スポットサイズ」と呼んでおり、材料除去は、スポットサイズの２乗（即ち、その面積）として変化する。ボンネット１４は精密に制御された内圧を有するので、ボンネット１４と被加工物との間の力は、スポットサイズ（面積）と内圧との積に等しい。例えば、径方向の誤差移動によって、工具の回転中にスポットサイズが変化すると、工具の回転中の実効スポットサイズは増加し、期待よりも多くの材料が除去される。工具と被加工物との間の力も期待より大きくなる。

本実施形態では、工具１０の位置決め機構１９のＺ軸制御により、本体１２を図２の軸Ａに沿って移動させる。まず、被加工物の表面に対して工具１０を配置し、センサ１８によって検知されるそれらの間の力が、所望のスポットサイズを生じるのに必要な力になるようにする。この「基準の力」は、力基準信号３４の形態で格納され、入力として制御サブシステム３２に供給される。動作中、センサ１８は、本体１２と被加工物の表面との間の力を検知し、その力を表わす信号を生成し、この信号は、第２の入力として制御サブシステム３２に供給される。次に、制御サブシステム３２は制御信号を生成する。この制御信号は、センサ１８によって検知される力のばらつきを補償するために本体１２と被加工物の表面との間の距離を調節するよう、位置決め機構１９のＺ軸制御を行わせるものである。

センサ１８は、工具１０の内部に取り付けられたロードセルであってもよい。しかし、ロードセルは、力の測定を提供するために相対運動を必要とし、幾分制限された感度を有する。第１の実施形態の１つの変形例によれば、感度の向上を得るために、センサ１８の代わりに、圧電スタック力センサが用いられ得る。圧電スタック力センサは剛性が高く、信号を生成するために必要な変位は、一般的なロードセルよりも桁違いに低い。

図３は、制御サブシステム３２の構成及び動作を表わす機能ブロック図である。本願明細書では、サブシステム３２は、演算増幅器２４及び帯域フィルタ２２としてモデル化されている。これは説明上の都合であり、このタイプのサーボ制御システムは、一般的にこれよりも遥かに複雑であることが当業者には理解されよう。力センサ１８の出力信号及び力基準信号３４が、それぞれ別個に増幅器２４に供給される。増幅器２４の出力信号は帯域フィルタ２２を通過して、位置決め機構１９のＺ軸制御に供給される。

動作においては、装置のＺ軸制御は、通常の方法で、所定の力が達成されるようにボンネット１４を被加工物の表面に接触させるように行われる。その力は、意図したスポットサイズを達成するのに必要な力である。この時点で、力センサ１８によって生成された信号の値は、基準信号３４として保存される。制御サブシステム３２の動作は、力センサ１８の信号を基準信号３４と等しくするＺ軸運動を生じさせる出力信号を生成するという意味で、演算増幅器の動作と類似している。換言すれば、スポットサイズが意図した値からずれている際には、Ｚ軸運動によって本体１２と被加工物の表面との間の距離を変えることで、スポットサイズの変化を相殺する。従って、本体１２と被加工物の表面との間の距離の動的な時間的に変化する調節が行われる。

制御サブシステム３２は、スポットサイズのばらつきの多くを、可能であれば全てを補償する。このようなばらつきの原因としては、ボンネットの径方向の誤差移動、ボンネットの形状変形、被加工物の厚さ及び平坦度のばらつき、並びに装置の直交性及び軸の真直度の誤差が挙げられる。

フィルタ２２は制御サブシステム３２の設計帯域幅を表わしており、その帯域幅は、用途及び用いられる具体的な装置に依存する。ＳｉＯＧ基体の表面層の研磨に用いられるボンネット／パッド装置では、ボンネットの回転速度は一般的に２００ｒｐｍ（３．３Ｈｚ）前後である。しかし、ボンネット１４の各１回転に対して、一般的に１０のリップル誤差の運動が重畳され得る。これらの全てを補正するには、フィルタ３２の帯域幅は３３Ｈｚを超えるものである必要がある。ボンネット１４が最大速度の２，０００ｒｐｍで回転するとすれば、全てのリップル誤差運動の補償に必要な帯域幅は３３０Ｈｚを超える。これは、Ｚ軸方向に高い質量を有する一般的な位置決め機構では達成できない可能性がある。

高速回転での動作を達成するために、第１の実施形態に対して第２の変形を行う。図４を参照すると、図２の工具１０を変形して、工具１０’を設ける。この変形例は、本体１２にリニアアクチュエータ３０を取り付けて、本体の軸方向の移動を小さくすることを含む。高速回転に必要な位置決めの帯域幅を達成するために、アクチュエータ３０は非常に低質量である。このケースでは、アクチュエータ３０は、本体１２のスピンドル１３に取り付けられた圧電アクチュエータスタックである。軸方向のみに撓む可撓性マウント２０、２０を設けることにより、非常に低質量の構造が得られる。圧電結晶スタックの代わりに、例えば、音声コイルやリニアモータといった他のタイプのリニアアクチュエータも用いられ得ることが当業者にはわかるであろう。変更された工具１０’を用いているが、この第１の実施形態の変形例の動作は、図２及び図３に示したものと同じである。

図５は、本発明による第２の実施形態の処理のフローチャートを示す。このケースでは、工具１０又は１０’を動作させて、サーボ制御システムを用いずに、スポットサイズのばらつきを補償する。位置決め機構１９は定期的に（例えば、毎日）学習処理を受ける。これは、工具１０を基準の回転の向きに設定し、所望のスポットサイズを生じるように工具１０と被加工物との間の力を設定する初期工程を含む。この工程はブロック５０で示されている。次に、本体を軸Ａ回りに所定の量だけ回転させることにより、本体１２の角度方向を増分する（ブロック５２）。次に、工具と被加工物との間隔を調節して、センサ１８によって検知された力に生じている変化を除去し（ブロック５４）、この間隔変更を格納する（ブロック５６）。ブロック５８で行われる試験に基づき、ブロック５２〜５６の工程を、本体１２が軸Ａ回りに３６０°回転してその基準の向きに戻るまで繰り返す。次に、被加工物の研磨を開始し、ボンネット１４の時間的に変化する回転位置と同期して、メモリからの間隔変更のシーケンスが再現される（ブロック６０）。このようにして、ボンネットの各回転中にスポットサイズのばらつきを補償する。位置決め機構１９の制御プロセッサがトレーニングされたら、あとは、新たな被加工物の研磨の度に、ボンネット１４が基準位置にある時に工具１０と被加工物との間の力がノミナル値になるように位置決め機構１９を調節すればよい。そして、研磨を開始し、スポットサイズのばらつきを補償するために、格納された力のシーケンスを再現する。

図６は、本発明による第３の実施形態の模式図である。このケースでは、被加工物Ｗが台Ｔ上に支持され、工具１０’が被加工物Ｗの表面Ｓ上に配置されている。動作においては、表面Ｓを走査するように工具１０を移動させる。これは、位置決めシステム１９（図１９参照）を用いて工具１０を平行移動させることによって、及び／又は、台Ｔを平行移動させることによって達成され得る。台Ｔの下には、複数の距離センサ／アクチュエータ対Ｐが設けられており、各距離センサ／アクチュエータ対Ｐは、センサ６０及びリニアアクチュエータ６２を含む。この実施形態では３つの対Ｐがあり、これらは三角形に配置されている。工具１０を用いて、通常の方法で台の直交化を行う。即ち、台Ｔが空の状態で、工具１０を表面Ｓ上（例えば、一番左の対Ｐの上方）に配置し、センサ１８が所定の力を検知するまで、工具の位置決め機構１９を用いて工具１０と表面Ｓとの間の距離を調節する。その後、工具１０を各対Ｐの上方に順に配置してもよく、センサ１８が再び所望の力を測定するまで、台Ｔを上昇又は下降させるよう個々のアクチュエータ６２が作動される。この処理の結果、台Ｔの直交化が行われる。即ち、工具１０の動作平面が台Ｔの平面に平行になる。その後、台上に被加工物Ｗが載置され、工具１０が対Ｐの１つの上方に配置され、センサ１８が所望のスポットサイズに対応する力を読み取るまで、工具１０と表面Ｓとの間の距離が調節される。そして、研磨が開始され得る。

第１の実施形態（図２）と同様に、センサ１８によって測定される力を常に監視して、この力の変化を補償するために表面Ｓと工具１０との間の距離を調節する。しかし、このケースでは、複数の距離センサ／アクチュエータ対Ｐのアクチュエータ６２を動作させて、この間隔の調節を達成する。

図７の模式図は、本実施形態による間隔制御がどのように達成されるかを示す。最初に、所望のスポットサイズを達成するように力が設定されると、図２に示されるように、その力に対応する信号が基準の力３４として保存される。工具が表面Ｓ上を進む間に、センサ１８が工具１０と表面Ｓとの間の力を測定し、図２のケースと同様に、力の変化を補償するために工具１０と表面Ｓとの間隔を変えるよう、全てのアクチュエータ６２が同時に調節される。しかし、全てのアクチュエータが同時に作動されるので、台Ｔの直交性は維持される。従って、この実施形態では、工具１０に起因するスポットサイズのばらつきの補償のみならず、台Ｔの直交性の誤差に起因するスポットサイズのばらつきの補償も行われる。

制御サブシステム３２は、図２の対応する参照番号のサブシステムと略同一であり、アクチュエータ６２は、ロードセル、圧電結晶スタックアクチュエータ、音声コイル、リニアモータ等であり得る。センサ６０はリニアトランスデューサ（例えば、容量ゲージ）である。これらは、各アクチュエータが台Ｔを精密に同じ量だけ動かすことを確実にするために設けられる。

本発明の具体的な実施形態を説明の目的で開示したが、添付の特許請求の範囲で定められる本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの追加、変形及び置換が可能であることが、当業者にはわかるであろう。

１０、１０’ 工具
１２ 本体
１４ ボンネット
１６ パッド
１８ センサ
１９ 位置決め機構
３０ リニアアクチュエータ
３２ 制御サブシステム

Claims (8)

1. 被加工物の表面に接触した状態で移動される研磨層を担持する可撓性の球状の担体の背後に与圧室を含む加工工具において、前記研磨層のスポットが前記表面と研磨接触状態に保持されるように、前記研磨層が前記表面に対して押し付けられる前記加工工具の使用中に、前記スポットのサイズのばらつきを補償する方法であって、
   所定サイズのスポットを生じるよう計算された力を加えることにより、前記工具を前記表面に対して付勢する工程と、
   前記工具の動作中、前記工具と前記表面との間の実際の力を、前記加えられた力と比較する工程と、
   前記実際の力と前記加えられた力との間の差分を補償してこれら２つの力を略等しくするために、前記工具と前記表面との間の距離を調節する工程と
   を備え、
   前記比較する工程及び前記調節する工程が、前記工具の実際の動作がトレーニングされる使用前の学習処理中に実行され、距離調節のシーケンスを表わす補正信号が格納され、該補正信号が、実際の動作中にアクチュエータに対する駆動信号として供給されて、前記実際の力と前記加えられた力との間の差分を補償するために前記アクチュエータに前記工具と前記表面との間の距離を変更させることを特徴とする方法。
2. 前記調節する工程がサーボ機構によって実行され、該サーボ機構が、前記加えられた力を表わす信号及び前記実際の力を表わす信号の両方に応答して、前記実際の力と前記加えられた力との間の差分を補償するために前記工具と前記表面との間の距離をアクチュエータに変更させる駆動信号を該アクチュエータに対して生成することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記被加工物が台の上に支持され、前記工具と前記台が相対移動可能であり、前記アクチュエータが前記台に対して、該台を前記工具に近づく方向及び離れる方向に移動させるよう作用することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 被加工物の表面に接触した状態で移動される研磨層を担持する可撓性の球状の担体の背後に与圧室を含む加工工具において、前記研磨層のスポットが前記表面と研磨接触状態に保持されるように、前記研磨層が前記表面に対して押し付けられる前記加工工具であって、該工具の使用中に、前記スポットのサイズのばらつきを補償するために、
   初めに、所定サイズのスポットを生じるよう計算された力を加えることにより、前記工具を前記表面に対して付勢するアクチュエータと、
   前記工具と前記表面との間の実際の力を検知する力センサと、
   前記工具の動作中に、前記工具と前記表面との間の前記実際の力を前記加えられた力と比較して、該比較を表わす差分信号を生成するよう作用する比較器と、
   前記差分信号に応答して、前記実際の力と前記加えられた力との間の差分を補償してこれら２つの力を略等しくするために前記工具と前記表面との間の距離を調節するよう前記アクチュエータに作用するドライバと
   を備え、
   前記比較器及び前記ドライバが、前記工具の実際の動作がトレーニングされる使用前の学習処理中に作動され、距離調節のシーケンスを表わす補正信号が格納され、該補正信号が、実際の動作中にアクチュエータに対する駆動信号として前記ドライバに供給されて、前記実際の力と前記加えられた力との間の差分を補償するために前記アクチュエータに前記工具と前記表面との間の距離を変更させることを特徴とする加工工具。
5. 前記比較器及び前記ドライバがサーボ機構の一部であり、該サーボ機構が、前記加えられた力を表わす信号及び前記実際の力を表わす信号の両方に応答して、前記実際の力と前記加えられた力との間の差分を補償するために前記工具と前記表面との間の距離を前記アクチュエータに変更させる駆動信号を該アクチュエータに対して生成することを特徴とする請求項４記載の加工工具。
6. 前記被加工物が台の上に支持され、前記工具と前記台が相対移動可能であり、前記アクチュエータが前記台に対して、該台を前記工具に近づく方向及び離れる方向に移動させるよう作用することを特徴とする請求項５記載の加工工具。
7. 複数の更なるアクチュエータを更に備え、該アクチュエータが二次元パターンに配置され、該アクチュエータが、前記工具に対する前記台の姿勢を変えずに該台を移動させるよう作動されることを特徴とする請求項６記載の加工工具。
8. 動作中に前記工具が軸回りに回転し、前記学習処理中に、前記工具が基準の向きから一連の角度増分ずつ回転され、前記比較器が、各増分後に一連の距離調節信号を生成し、該距離調節信号が補正信号として格納され、該補正信号が、実際の動作中の回転中に同期して前記工具に供給されることを特徴とする請求項４記載の加工工具。

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