JP7203542B2

JP7203542B2 - 加工システム及び方法

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Publication number: JP7203542B2
Application number: JP2018169236A
Authority: JP
Inventors: 広幸酒井
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: JP2020043215A

Description

本発明は、被加工物の表面（被加工面）を平坦に加工する加工システム及び方法に関する。

半導体製造分野では、被加工物としてシリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）の表面を平滑に研磨する化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を適用した研磨装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の研磨装置は、ウェハ及びプラテンを互いに回転させ、砥粒を含むスラリーを供給させながらウェハをプラテン上の研磨パッドに押し付けることにより、ウェハの表面を平滑化するものである。

特開２０１６－１５９３８５号公報

しかしながら、上述したような特許文献１記載の研磨装置は、ウェハ表面を全面に亘って一様に加工するため、研磨前のウェハ表面が不均一であると、ウェハ表面の凹凸がそのまま残存する虞があった。

そこで、被加工物の表面（被加工面）を精度良く平坦に加工するという解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る加工システムは、ウェハの表面を平坦に加工する加工システムであって、前記ウェハの表面を研削する研削装置と、研磨ヘッドに取り付けられて前記研磨ヘッドとともに回転する前記ウェハを回転する研磨パッドに押圧することにより、前記研削装置で研削した前記ウェハの全表面を研磨するＣＭＰ装置と、前記研磨パッドを貫通する孔を通して前記ＣＭＰ装置で研磨した前記ウェハの表面の高さを前記ウェハの全面に亘って測定する測定装置と、前記測定装置で測定した測定結果から前記ウェハにおいて前記ウェハの表面の高さが閾値以上の領域を抽出し、前記領域の前記ウェハの表面の高さに応じて照射条件を設定する制御装置と、中心部のガスクラスターイオンのみを選別したガスクラスターイオンビームを前記照射条件で前記領域に照射し、前記領域をトリミングするトリミング装置と、を備えている。

この構成によれば、被加工物表面を全面に亘ってＣＭＰ研磨した上で、被加工物表面のうち相対的に高い領域にガスクラスターイオンビームを照射して局所的にトリミングして被加工物表面の凹凸を緩やかにすることにより、被加工物表面を一様にＣＭＰ研磨だけする場合と比較して、効率良く且つ高精度で被加工物表面を平坦に加工することができる。また、測定装置で研磨後の被加工物表面の高さを測定することにより、被加工物表面のうち相対的に高い領域を精度良く検出可能なため、効率的に被加工物表面を平坦に加工することができる。さらに、複合基板等に対して研削、ＣＭＰ研磨及びトリミングを連続して行うことにより、効率的に被加工物表面を平坦に加工することができる。

また、本発明に係る加工システムは、前記照射条件が、ガスの種類、照射量及び照射時間を含むことが好ましい。

また、本発明に係る加工システムは、前記ＣＭＰ装置が、前記研削装置で研削した前記ウェハの表面から前記ウェハの厚さの１／３まで研磨し、前記トリミング装置が、前記領域における前記ウェハの厚さの数％乃至二十数％をトリミングすることが好ましい。

また、本発明に係る加工システムは、前記トリミング装置が、磁界によって前記中心部のガスクラスターイオンよりも小さいガスクラスターイオンの進路を変更させることが好ましい。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る加工方法は、ウェハの表面を平坦に加工する加工方法であって、前記ウェハの表面を研削し、研磨ヘッドに取り付けられて前記研磨ヘッドとともに回転する前記ウェハを回転する研磨パッドに押圧することにより、研削した前記ウェハの全表面を研磨し、前記研磨パッドを貫通する孔を通して研磨した前記ウェハの表面の高さを前記ウェハの全面に亘って測定し、前記ウェハの表面の高さの測定結果から前記ウェハの表面の高さが閾値以上の領域を抽出し、前記領域の前記ウェハの表面の高さに応じて照射条件を設定し、中心部のガスクラスターイオンのみを選別したガスクラスターイオンビームを前記照射条件で前記領域に照射して前記領域をトリミングする。

本発明は、被加工物表面を全面に亘ってＣＭＰ研磨した上で、被加工物表面のうち相対的に高い領域にガスクラスターイオンビームを照射して局所的にトリミングして被加工物表面の凹凸を緩やかにすることにより、効率良く且つ高精度で被加工物表面を平坦に加工することができる。

本発明の一実施例に係る加工システムの構成を示す模式図。研削装置の構成を示す模式図。ＣＭＰ装置を模式的に示す斜視図。トリミング装置の構成を示す模式図。複合基板を加工する手順を示す模式図。トリミング前のウェハ表面を撮影したＡＦＭ画像。トリミング後のウェハ表面を撮影したＡＦＭ画像。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

図１は、加工システム１の基本的構成を示す模式図である。加工システム１は、被加工物の表面（被加工面）を加工するものであり、具体的には、ウェハを薄く平坦に加工したり、ウェハ表面に形成された酸化膜等を平坦に加工するものである。

以下では、被加工物として半導体結晶又は圧電結晶等の機能層に単結晶、多結晶セラミック又は非晶質等の支持基板（下地層）を接合した複合基板（以下、単に「ウェハＷ」という）を例に説明するが、被加工物はこれに限定されるものではなく、例えば単一層の基板であっても構わない。

加工システム１は、ウェハＷの研削加工、トリミング加工及び研磨加工を連続して行うものである。加工システム１は、研削装置１０と、ＣＭＰ装置２０と、トリミング装置３０と、制御装置４０と、を備えている。

また、加工システム１は、研削装置１０、ＣＭＰ装置２０及びトリミング装置３０の間でウェハＷを搬送する図示しない搬送装置を備えている。なお、加工システム１は、各種装置を単一のハウジング内に収容して構成されても構わないし、各装置が一つずつハウジング内に収容されたものを相互に連結して構成されても構わない。

図２は、研削装置１０の構成を示す模式図である。研削装置１０は、インデックステーブル１１と、インデックステーブル１１上に配置されてウェハＷの裏面を吸着保持するウェハチャック１２を備えている。

ウェハチャック１２は、上面にアルミナ等の多孔質材料からなる図示しない吸着体が埋設されている。ウェハチャック１２は、内部を通って表面に延びる図示しない管路を備えている。管路は、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源又は給水源に接続されている。真空源が起動すると、ウェハチャック１２に載置されたウェハＷがウェハチャック１２に吸着保持される。また、圧縮空気源又は給水源が起動すると、ウェハＷとウェハチャック１２との吸着が解除される。

ウェハチャック１２は、エアベアリング１３を介してインデックステーブル１１上に設けられている。エアベアリング１３のロータを介して、ウェハチャック１２と図示しないロータリージョイントとが接続されており、ウェハチャック１２は回転軸ａ１回りに回転可能に構成されている。

また、研削装置１０は、研削砥石１４と、スピンドル１５と、スピンドル送り機構１６と、を備えている。研削砥石１４には、例えばカップ型砥石が用いられる。研削砥石１４は、スピンドル１５の下端に取り付けられている。スピンドル１５は、研削砥石１４を回転軸ａ２回りに回転可能に支持している。スピンドル送り機構１６は、スピンドル１５を垂直方向（図２の紙面上下方向）に昇降させるように構成されている。スピンドル送り機構１６は、スピンドル１５と図示しないコラムとを連結する２つのリニアガイド１６ａと、スピンドル１５を垂直方向に昇降させる公知のボールネジスライダ機構（不図示）と、を備えている。

図３は、ＣＭＰ装置２０の構成を示す斜視図である。ＣＭＰ装置２０は、ウェハＷ表面を全面に亘って平坦に加工するものである。ＣＭＰ装置２０は、プラテン２１と、研磨パッド２２と、研磨ヘッド２３と、を備えている。

プラテン２１は、円盤状に形成されており、プラテン２１の下方に配置された回転軸２４に連結されている。回転軸２４がモータ２５の駆動によって回転することにより、プラテン２１は図３中の矢印Ｄ１の方向に回転する。

プラテン２１の上面には、研磨パッド２２が貼付されている。研磨パッド２２は、例えばウレタン製であるが、これに限定されるものではない。なお、研磨パッド２２は、図３に示すように円形に形成されて研磨パッド２２の中央の回転軸回りに回転運動するものに限定されず、例えば、無端ベルト状に形成されて直線運動するものであっても構わない。

研磨パッド２２上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。スラリーは、プラテン２１の自転に応じて研磨パッド２２上に広がり、ウェハＷと研磨パッド２２との接触領域に供給される。スラリーは、例えば、酸化剤及び研磨材を含むもの、シリカスラリー等である。酸化剤は、例えば、セリアスラリー、アルミナスラリー等であるが、これに限定されるものではない。また、スラリーにウェハＷの表面を親水化させる濡れ剤を添加しても構わない。

研磨ヘッド２３は、プラテン２１より小径の円盤状に形成されており、研磨ヘッド２３の上方に配置された回転軸２６に連結されている。回転軸２６が図示しないモータの駆動によって回転することにより、研磨ヘッド２３は、図３中の矢印Ｄ２の方向に回転する。研磨ヘッド２３は、図示しない昇降装置によって垂直方向に昇降自在である。研磨ヘッド２３は、ウェハＷを研磨する際に下降して研磨パッド２２にウェハＷを押圧する。

ＣＭＰ装置２０は、ウェハＷ内の機能層の厚み（高さ）を測定する高さセンサ２７を備えている。高さセンサ２７は、例えばレーザ光を用いたレーザ干渉計であるが、これに限定されるものではない。高さセンサ２７は、プラテン２１の下方に配置されている。高さセンサ２７は、プラテン２１及び研磨パッド２２を垂直方向に貫通する孔２８に装着された透過性の窓２９を介してレーザ光をウェハＷ表面に投射し、ウェハＷで反射した反射光を受光することにより、機能層の厚みを測定する。

図４は、トリミング装置３０の構成を示す模式図である。トリミング装置３０は、研削後のウェハＷ表面にガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を局所的に照射して、ウェハＷの被照射領域を平坦に加工するものである。

トリミング装置３０の構成について具体的に説明すると、トリミング装置３０は、主に、ソースチャンバ３１Ａ、イオンチャンバ３１Ｂ、プロセスチャンバ３１Ｃを連結して構成されており、各チャンバはターボ分子ポンプ３２によって個別に減圧されている。

ソースチャンバ３１Ａには、ガラス製のノズル３３が設置されており、高圧ガスをノズル３３から真空中に噴射すると、急激な断熱膨張によって分子が冷却されて多数の分子からなるガスクラスターが生成される。ガスは、例えば、三フッ化窒素、酸素、窒素又はアルゴン等であるが、ウェハの種類等によって任意に選択可能である。

ガスクラスターは、ソースチャンバ３１Ａとイオンチャンバ３１Ｂとの間にガスクラスターの進行方向（図４の矢印の向き）に対して垂直に設けられた僅かな孔径のスキマー３４に向けて移動する。スキマー３４は、中心部のクラスターと周辺部のモノマーとに分離し、クラスターのみがイオンチャンバ３１Ｂに入るようになっている。

イオンチャンバ３１Ｂには、イオナイザー３５と、加速器３６と、アパーチャー板３７と、静電レンズ３８とが、クラスターの進行方向に沿ってこの順に設けられている。

イオナイザー３５は、図示しないフィラメントから放出された熱電子を印加して加速させ、熱電子をガスクラスターに衝突させることにより、ガスクラスターをイオン化させる。

加速器３６は、イオン化されたガスクラスターイオンを印加して加速させる。

アパーチャー板３７は、ガスクラスターイオンのうち中心部のガスクラスターイオンのみを選別し、静電レンズ３８は、磁界によって比較的小さいガスクラスターイオンの進路を変更させる。これにより、ガスクラスターイオンのクラスターサイズが選別されるとともに、ＧＣＩＢが収束されて、アパーチャー穴３９を介してウェハＷに向けて照射される。なお、符号Ｓは、ウェハＷを保持するステージである。ステージＳは、ＧＣＩＢの照射位置に対してウェハＷを相対的に移動可能に構成されている。

加工システム１は、制御装置４０によって動作を制御されている。制御装置４０は、加工システム１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御装置４０は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御装置４０の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。

次に、加工システム１を用いてウェハＷの機能層を平坦化する手順について、図５に基づいて説明する。

［研削工程］
ウェハＷをウェハチャック１２に吸着保持した後に、研削砥石１４をウェハＷの近傍まで接近させる。次に、ウェハチャック１２及び研削砥石１４をそれぞれ回転させながら、研削砥石１４をウェハＷ表面に押し当てる。

研削装置１０の研削条件は、例えば、ウェハチャック１２の回転速度は３００ｒｐｍ、研削砥石１４の番手は＃６０００、スピンドル１５の回転速度は２０００ｒｐｍ、スピンドル送り機構１６の送り速度は０．４μｍ／ｓである。

研削装置１０は、図５（ａ）に示すように、ウェハＷを所望の厚み（例えば、６μｍ）にまで研削する。なお、研削工程は、単一の研削装置のみで行うものであっても、加工条件が異なる複数の研削装置を用意して段階的に行うものであっても構わない。

［ＣＭＰ工程］
ウェハＷ表面が研磨パッド２２に対向するようにウェハＷが研磨ヘッド２３の下端に取り付けられた後に、研磨ヘッド２３を研磨パッド２２まで接近させる。次に、図５（ｂ）に示すように、プラテン２１及び研磨ヘッド２３をそれぞれ回転させながら、研磨ヘッド２３がウェハＷを研磨パッド２２に向けて押圧する。なお、図５（ｂ）では、説明の都合上、研磨パッド２２及び研磨ヘッド２３とウェハＷとを上下反転して図示している。

ＣＭＰ装置２０の研磨条件は、例えば、プラテン２１の回転速度は８０ｒｐｍ、研磨ヘッド２３の回転速度は８０ｒｐｍ、ウェハＷに作用する圧力は３ｐｓｉ、研磨時間６０ｓｅｃである。

ＣＭＰ装置２０は、ウェハＷ表面を全面に亘って一様に研磨する。研磨パッド２２による研磨量は、例えばウェハＷの表面から約２μｍに設定される。

研削装置１０による研削が終了すると、図５（ｃ）に示すように、ＣＭＰ研磨後のリンス処理時に、プラテン２１が窓２９がウェハＷの下方を通過する度に、高さセンサ２７が、ウェハＷ全面に亘って機能層の厚みを測定して研磨後のウェハＷ表面の細かい凹凸の高さを測定する。高さセンサ２７の測定地点は、研磨ヘッド２３がプラテン２１に対して水平方向に移動しながら自転することにより、ウェハＷ表面で任意に設定可能である。なお、図５（ｃ）では、説明の都合上、高さセンサ２７とウェハＷとを上下反転して図示している。

制御装置４０は、高さセンサ２７が測定した測定地点の座標及び高さに基づいて、ウェハＷ表面の形状を示すプロファイルを生成する。

［トリミング工程］
制御装置４０は、プロファイルに基づいて、ウェハＷ内において表面の高さが予め設定された所定閾値以上の測定地点を含む領域をトリミング対象領域として抽出するとともに、トリミング対象領域に対してＧＣＩＢを照射する照射条件を設定する。

トリミング対象となるウェハＷ表面の高さ閾値は任意に変更可能であるが、例えば、ＣＭＰ研磨前の目標高さに対して数百ｎｍ等と設定することが考えられる。

ＧＣＩＢの照射条件は、ガスの種類、照射量及び照射時間等であり、所望のトリミング量（例えば、数百ｎｍ）等に応じて、制御装置４０に予め記憶された照射条件の組み合わせが呼び出される。

ステージＳにウェハＷが保持された後に、ステージＳは、ＧＣＩＢの照射範囲がトリミング対象領域を含むようにウェハＷをＧＣＩＢの照射位置に対して相対的に移動させる。

その後、図５（ｄ）に示すように、トリミング装置３０は、制御装置４０から呼び出された照射条件に基づいて、ウェハＷ表面に向かってＧＣＩＢを照射する。ウェハＷの表面に照射されたガスクラスターイオンは、ウェハＷ表面の原子をスパッタリング（叩き出し）することにより、図５（ｅ）に示すように、ウェハＷ表面が平坦化される。

ＧＣＩＢは、クラスターイオン１原子あたりのエネルギーがクラスターを構成する原子の数に反比例するため、モノマーイオンと比較して、ウェハＷ表面のダメージを低減することができる。なお、複数のトリミング領域が抽出された場合には、トリミング装置３０によるトリミングを各領域に対して行う。

ここで、ＧＣＩＢによるトリミングの一例を示す。図６（ａ）～（ｄ）は、サンプルウェハ（８インチのＳｉウェハ）におけるＧＣＩＢ照射前のウェハ表面の４つの照射地点を示すＡＦＭ画像である。図７（ａ）～（ｄ）は、サンプルウェハにおけるＧＣＩＢ照射後のウェハ表面の４つの照射地点を示すＡＦＭ画像である。なお、照射地点１～４は、ウェハ中心回りに同心円上で互いに等間隔に離間した４点に設定した。また、サンプルウェハは、＃６０００の研削砥石１４を用いて予め研削したものである。

表１は、トリミング装置３０でサンプルウェハをトリミングした際のＧＣＩＢの照射条件を示す表である。

表２は、照射地点４か所におけるＧＣＩＢ照射前のＡＦＭ画像内の表面粗さＲａ及びＧＣＩＢ照射後のＡＦＭ画像内の表面粗さＲａを示す。

表２によれば、照射地点１～４全てにおいて表面粗さＲａが低下しており、ウェハ表面が平坦化されていることが分かる。

このようにして、上述した加工システム１は、ウェハＷ表面を全面に亘ってＣＭＰ研磨した上で、ウェハＷ表面のうち高さが所定閾値以上であるトリミング対象領域をＧＣＩＢで局所的にトリミングしてウェハＷ表面の凹凸を緩やかにすることにより、効率良く且つ高精度でウェハＷ表面を平坦に加工することができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

上述した実施形態では、研削工程、ＣＭＰ工程及びトリミング工程を経てウェハを薄く平坦に加工する場合を例に説明したが、ウェハ表面の酸化膜を平坦に加工する場合には、研削工程は不要である。

１・・・加工システム
１０・・・研削装置
１１・・・インデックステーブル
１２・・・ウェハチャック
１３・・・エアベアリング
１４・・・研削砥石
１５・・・スピンドル
１６・・・スピンドル送り機構
２０・・・ＣＭＰ装置
２１・・・プラテン
２２・・・研磨パッド
２３・・・研磨ヘッド
２４・・・回転軸
２５・・・モータ
２６・・・回転軸
２７・・・高さセンサ
２８・・・孔
２９・・・窓
３０・・・トリミング装置
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ・・・ソースチャンバ
３２・・・ターボ分子ポンプ
３３・・・ノズル
３４・・・スキマー
３５・・・イオナイザー
３６・・・加速器
３７・・・アパーチャー板
３８・・・静電レンズ
３９・・・アパーチャー穴
４０・・・制御装置
Ｓ・・・ステージ
Ｗ・・・ウェハ

Claims

ウェハの表面を平坦に加工する加工システムであって、
前記ウェハの表面を研削する研削装置と、
研磨ヘッドに取り付けられて前記研磨ヘッドとともに回転する前記ウェハを回転する研磨パッドに押圧することにより、前記研削装置で研削した前記ウェハの全表面を研磨するＣＭＰ装置と、
前記研磨パッドを貫通する孔を通して前記ＣＭＰ装置で研磨した前記ウェハの表面の高さを前記ウェハの全面に亘って測定する測定装置と、
前記測定装置で測定した測定結果から前記ウェハにおいて前記ウェハの表面の高さが閾値以上の領域を抽出し、前記領域の前記ウェハの表面の高さに応じて照射条件を設定する制御装置と、
中心部のガスクラスターイオンのみを選別したガスクラスターイオンビームを前記照射条件で前記領域に照射し、前記領域をトリミングするトリミング装置と、
を備えていることを特徴とする加工システム。
前記照射条件は、ガスの種類、照射量及び照射時間を含むことを特徴とする請求項１に記載の加工システム。
前記ＣＭＰ装置は、前記研削装置で研削した前記ウェハの表面から前記ウェハの厚さの１／３まで研磨し、
前記トリミング装置は、前記領域における前記ウェハの厚さの数％乃至二十数％をトリミングすることを特徴とする請求項１又は２に記載の加工システム。
前記トリミング装置は、磁界によって前記中心部のガスクラスターイオンよりも小さいガスクラスターイオンの進路を変更させることを特徴とする請求項３に記載の加工システム。
ウェハの表面を平坦に加工する加工方法であって、
前記ウェハの表面を研削し、
研磨ヘッドに取り付けられて前記研磨ヘッドとともに回転する前記ウェハを回転する研磨パッドに押圧することにより、研削した前記ウェハの全表面を研磨し、
前記研磨パッドを貫通する孔を通して研磨した前記ウェハの表面の高さを前記ウェハの全面に亘って測定し、
前記ウェハの表面の高さの測定結果から前記ウェハの表面の高さが閾値以上の領域を抽出し、
前記領域の前記ウェハの表面の高さに応じて照射条件を設定し、
中心部のガスクラスターイオンのみを選別したガスクラスターイオンビームを前記照射条件で前記領域に照射して前記領域をトリミングすることを特徴とする加工方法。