JP5699783B2 - ワークの研磨方法及び研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの研磨方法及び研磨装置に関し、特に、高い平坦度が要求される半導体ウェーハなどのワークの研磨量を正確に制御することのできる、ワークの研磨方法及び研磨装置に関する。

研磨に供するワークの典型例であるシリコンウェーハなどの半導体ウェーハの製造において、より高精度なウェーハの平坦度品質や表面粗さ品質を得るために、ウェーハの表裏面を同時に研磨する両面研磨工程が一般的に採用されている。半導体ウェーハに要求される形状（主に全面及び外周の平坦度合）は、その用途等によって様々であり、それぞれの要求に応じて、ウェーハの研磨量の目標を決定し、その研磨量を正確に制御することが必要である。
特に近年、半導体素子の微細化と、半導体ウェーハの大口径化により、露光時における半導体ウェーハの平坦度要求が厳しくなってきているという背景から、ウェーハの研磨量を適切に制御する手法が強く希求されている。

従来、研磨量の管理は、過去のバッチ処理の実績から調整することにより行っていた。すなわち、直前の研磨時間の実績と研磨量の実績から研磨レートを算出して、次バッチでの所定の研磨量を確保できるように研磨時間を設定するフィードバック制御が行われていた。
しかし、両面研磨においては、ウェーハが主に研磨される時間と、キャリアプレートが磨耗する時間とを含むため、バッチ内での研磨レートは一定でなく、また、バッチ間にドレス工程などを行う場合には、バッチ間の時間によっても研磨レートが変化してしまう。従って、直前の両面研磨処理の実績から次のバッチ処理での研磨時間を設定する場合、誤差が生じる。
さらに、研磨パッドのライフ、キャリアプレートの磨耗状態など、副資材の劣化により、直前の研磨と次バッチでの研磨とでは研磨条件が異なってくるため、フィードバック制御による研磨時間の設定は、研磨量の精度に問題があった。特に、両面研磨においては研磨時間が長いため、この副資材の劣化による精度の低下が大きくなる。
これに対し、例えば特許文献１には、研磨中における両面研磨装置の定盤駆動トルクの低下量から、ウェーハの研磨量を制御する方法が記載されている。

特開２００２―２５４２９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、定盤トルクの変化に対する応答性が悪く、トルクの変化量とウェーハの研磨量との相関をとることが困難である。また、ウェーハを保持する部材（キャリアプレート）と定盤とが接触した場合に、大きなトルク変動として研磨終了時点を判断するものであるため、キャリアプレートと定盤とが接触しない状態での研磨量の検出は行えないという問題がある。

本発明は、上記の問題を解決しようとするものであり、ウェーハを両面研磨するに当たり、研磨量を正確に制御することのできるウェーハの研磨方法及び研磨装置を提供することを目的とする。

発明者らは上記課題を解決すべく、鋭意究明を重ねた。
その結果、ワークの両面研磨において、排スラリーの温度変化率の変化がウェーハの研磨量の正確な指標となることを新たに見出した。
そして、発明者らは、研磨後の研磨スラリーの温度を計測することにより、該温度変化率の変化の割合を指標として、目標とする研磨量を達成するための研磨量の制御を正確に行うことができることの新規知見を得た。

本発明は、上記の知見に立脚するものであり、その要旨構成は、以下の通りである。
（１）ワークを保持する保持孔を１つ以上有するキャリアプレートにワークを保持し、研磨スラリーを供給しながら、研磨パッドが貼付された上定盤及び下定盤の間で前記キャリアプレートを回転させることにより、前記ワークの表裏面を同時に研磨する方法において、
研磨に供された、排水槽又は排水路にある前記研磨スラリーの温度を測定し、測定された前記研磨スラリーの温度変化率及び、該温度変化率の変化率を算出し、
前記温度変化率の変化率が所定の値以上となる時点を、前記ワークの厚さと前記キャリアプレートの厚さとが等しくなった時点であると判断して、研磨の終了や続行を判断して、前記ワークの研磨量の制御を行うことを特徴とする、ワークの研磨方法。

（２）研磨に供するワークを保持する１つ以上の保持孔が形成される、回転可能なキャリアプレートと、前記キャリアプレートを載置する下定盤及び、該下定盤と対をなす上定盤と、排水槽及び排水路とを備えた、ワークの両面を研磨する装置において、
研磨後の、前記排水槽又は前記排水路にある前記研磨スラリーの温度を測定する手段と、
測定された前記研磨スラリーの温度変化率及び、該温度変化率の変化率を算出する手段と、
前記温度変化率の変化率が所定の値以上となる時点を、前記ワークの厚さと前記キャリアプレートの厚さとが等しくなった時点であると判断して、研磨の終了や続行を判断して、前記研磨装置を制御する手段と、
をさらに備えていることを特徴とする、ワークの研磨装置。

本発明によれば、ウェーハの両面研磨においてインラインで研磨量を正確に制御して、要求に応じた形状を有する、高い平坦度の半導体ウェーハを製造することができる。
また、研磨量の正確な制御によって、研磨不足による再研磨の必要がなくなり、ウェーハ製造工程における生産性が向上する。
さらに、所期した磨耗量を超えることもなくなるため、ウェーハ不良の発生やキャリアプレートの磨耗を防止することもできる。

試作した両面研磨装置の概略斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 ウェーハ及びキャリアプレートと研磨パッドとの接触状態を示す図である。 研磨に供したスラリーの温度の時間変化を示す図である。 研磨に供したスラリーの温度の時間変化、及びウェーハ形状の時間変化を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる装置を示す概略斜視図である。 研磨に供したスラリーの温度の時間変化、及び、スラリー温度の時間による一次微分、二次微分の時間変化を示す図である。

以下、本発明を導くに至った過程について詳細に説明する。
発明者らは、上述した従前のトルク変化に基づくウェーハの研磨量の制御が不十分であることから、これに代わる手段について鋭意模索した。
まず、発明者らは、研磨中にウェーハ及びキャリアプレートと研磨パッドとの摩擦熱や、研磨スラリーと被研磨対象物（ウェーハ）との反応熱が発生することから、ウェーハの研磨量の指標として、ウェーハ研磨装置の各部及び供給材等の何某かの温度変化が適合する可能性を見出し、特に、研磨スラリーの温度に着目し、これを測定するために、図１、２に示す研磨装置を試作した。

図１は、試作したワークの研磨装置を示す概略斜視図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。
図１、２に示すように、この両面研磨装置１は、ウェーハ２を保持する保持孔３を有する、１枚又は複数枚の、図示例で５枚のキャリアプレート４と、これらキャリアプレート４を載置する下定盤５と、下定盤５と対をなす上定盤６とを備えている。
上下定盤５、６の対向面には、それぞれ研磨パッド７が貼布されている。
また、キャリアプレート４は、回転可能である。図示例では、サンギア８とインターナルギア９とによって、各キャリアプレート４を回転させることができる。
キャリアプレート４は、保持孔３を１つ以上、図示例では１つ有しており、図示例で、当該保持孔３は、キャリアプレート４の中心に対して偏心している。
さらに、この研磨装置は、図示例で、排水槽１０及び排水路１１を有し、研磨に供された研磨スラリーが、遠心力により径方向外側へと移動して、この排水槽１０から排水路１１へと排出される。
さらにまた、この研磨装置は、キャリアプレート４の温度を測定する温度計測手段１２を備えている。図示例では、温度計測手段１２は、排水路１１を流れるスラリーを測定するように設置されている。

発明者らは、上記の両面研磨装置を用いて研磨後に排出路１１に流れたスラリーの温度を測定したところ、スラリー温度は、図３に示す、ウェーハ及びキャリアプレートと、パッドとの接触面積の変化に伴い、図４に示す温度変化を生じることを知見した。

すなわち、図３に示すように、研磨初期においては、研磨パッド７がウェーハ２に対して摺動し、これにより摩擦熱が発生し始め、また、研磨スラリーとウェーハ２との反応熱も発生し始めるため、図４に示すように、スラリー温度は、研磨初期において、研磨時間の経過とともに上昇する（ステップ１）。
その後ウェーハが研磨されるにつれ、図３に示すように、研磨パッド７の弾性によりキャリアプレート４と研磨パッド７が接触する面積が徐々に増大する。これにより、キャリアプレート４と研磨パッド７との摺動により生じる摩擦熱が増大する。特にこの摩擦熱によるキャリアプレート４の温度変化は顕著であるため、図４に示すように、研磨スラリーの温度も徐々に上昇する（ステップ２）。
さらに、図３に示すように、ウェーハ２が研磨されるにつれ、キャリアプレート４と研磨パッド７とがほぼ全面にわたって接触する状態となる（ステップ３初期）。この全面接触した状態で、ウェーハ２がさらに研磨され、ウェーハ２とキャリアプレート４とが同じ厚さ（定寸状態）となる（ステップ３終期）。このステップ３の初期から終期の間は、図４に示すように、研磨スラリーの温度変化率が顕著に小さくなる。これは、キャリアプレート４の接触面積が一定であり、特にスラリー温度に影響を与えるキャリアプレート４の温度変化が小さいためである。
そして、図３に示すように、定寸状態からさらに研磨を続行すると、特に、キャリアプレート４が磨耗することによるキャリアプレート４の温度増大により、図４に示すように、スラリーの温度変化率が増大する（ステップ４）。
つまり、発明者らは、研磨パッド７の弾性により、研磨パッド７とキャリアプレート４との接触状態が経時的に変化すること、キャリアプレート４が温度上昇しやすい特性を有すること、両面研磨は研磨時間が長いことなど、ワークの両面研磨方法及び装置に特有の事情により、スラリー温度が特異な時間変化を示すことを新たに見出したものである。

発明者らは、両面研磨処理において一定時間毎に研磨処理を停止し、両面研磨装置外に設けたウェーハ厚み測定器を用いて停止させた各時点での研磨後のウェーハ厚みを測定するとともに、温度計測手段によりスラリー温度を測定して、スラリー温度の時間変化を測定した。
その結果、図５に示すように、ウェーハの厚さとキャリアプレートの厚さとが同一になる、定寸状態において、研磨に供したスラリーの温度変化率が変化することを見出した。
発明者らは、斯くの如くして、研磨スラリーの温度変化率の変化の割合を検出することにより、定寸状態となった時点を判定することができることの知見を得て、本発明を完成させるのに至ったものである。
なお、図５においてＧａｐ（μｍ）とは、ウェーハの厚さとキャリアプレートの厚さとの差を意味する。より具体的には、ウェーハ中心部の厚さと、ウェーハが装填されるキャリアプレートのホール内縁高さとの差を意味するものである。

図６は、本発明の一実施形態にかかる両面研磨装置の概略斜視図である。
図６に示す装置は、図１、２に示す装置構成に加え、測定された研磨スラリーの温度の時間変化率の変化に基づき、ウェーハの研磨量を制御する手段１３をさらに備えている。
図６に示す装置を用いることにより、ウェーハ２を保持する保持孔３を有するキャリアプレート４にウェーハ２を保持し、研磨スラリーを供給しながら、研磨パッド７が貼付された上定盤６及び下定盤５の間でキャリアプレート４を回転させることにより、ウェーハ２の表裏面を同時に研磨することができる。
なお、キャリアプレート４のみならず、上下定盤５、６も回転させることができ、この場合、上下定盤５、６は互いに反対方向に回転させる。
また、研磨スラリーの種類は特に制限されないが、粒径が０．５〜２．０μｍ程度のコロイダルシリカ等を用いることができる。
そして、上記両面研磨に際し、温度測定手段１２により、研磨に供された研磨スラリー（排スラリー）の温度を測定し、その測定された研磨スラリーの温度変化率の変化を検出することができる。
なお、温度測定手段１２は、例えば、赤外センサを用いた温度計や、抵抗温度計、熱電対などを用いることができ、排水槽１０、排水路１１の上方など、研磨に供した直後のスラリー温度を測定できる位置に設置することが好ましい。
これにより、研磨スラリーの温度変化率の変化を捉え、以下のように研磨状態を判定することができる。
例えば、研磨スラリーの温度の時間による変化率と、該変化率の時間による変化率（スラリー温度変化率の割合）とを算出して、研磨状態を判定することができる。
具体的には、スラリーの温度変化の時間による一次微分、二次微分を算出し、二次微分値が設定した上限閾値を超えた時点を定寸状態として判断とすることができる。
ここでいう一次微分とは、算出手段を用いて、例えば１秒間の時間間隔における温度の変化量を求め、その変化量を上記時間間隔で除することにより求める。
また、二次微分とは、算出手段を用いて、例えば１秒間の時間間隔における温度変化率の変化量を求め、その温度変化率の変化量を上記時間間隔で除することにより求める。
上記のようにして求めた二次微分の値が、例えば０．００００１℃／ｓ^２以上となる点が検出された時点をウェーハの厚さとキャリアプレートの厚さが等しくなる、定寸状態であると判断することができる。
スラリーの温度変化率の変化を検出して定寸状態となったものと判断した場合、要求されるウェーハの形状に応じて、研磨の終了や続行を判断して、ウェーハの研磨量を制御することができる。
例えば、定寸状態で研磨を終了する場合には、定寸状態に達したと判断すべき、スラリーの温度変化率の変化を検出した時点で、研磨装置制御手段１３により、研磨装置１を停止させて研磨を終了させることができる。
なお、スラリーの温度変化率、及び該変化率の時間変化率は、温度計測手段１２によって計測された温度に基づいて制御手段１３にて算出しても良いし、温度計測手段１２内に算出手段を設けることにより算出しても良い。さらに、温度計測手段１２と制御手段１３との間に、他の算出手段を介在させて行うこともできる。

従って、本発明によれば、ウェーハの両面研磨において研磨量をインラインで正確に制御して、要求に応じた形状を有する、高い平坦度の半導体ウェーハを製造することができる。また、研磨量の正確な制御によって、研磨不足による再研磨の必要がなくなり、ウェーハ製造工程における生産性が向上する。さらに、所期した磨耗量を超えることもなくなるため、ウェーハ不良の発生やキャリアプレートの磨耗を防止することもできる。
また、過去における研磨の実績とは独立して、研磨量を制御することができるため、副資材の経時劣化の影響による誤差が生じない。
加えて、スラリー温度自体や、スラリー温度の変化量ではなく、スラリーの温度変化率の変化を基準として研磨量を制御するため、装置の構成部材や供給材に特別な選定や調整を必要としない。

以下、本発明を実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明により、ウェーハの研磨量を正確に制御できることを確かめるため、図６に示す装置を用いて、ウェーハの研磨を行い、研磨に供した研磨スラリーの温度を測定した。
研磨に供するウェーハとして、直径３００ｍｍ、結晶方位（１００）、ｐ型のシリコンウェーハを使用した。
キャリアプレートは、初期の厚さ７７５μｍのエポキシ樹脂にガラス繊維を複合したガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）のプレートを用いた。
図６に示す装置において、研磨パッドは、ニッタ・ハース社製発泡ウレタン研磨布ＭＨＮ１５、研磨スラリーは、ニッタ・ハース社製Ｎａｌｃｏ２３５０を用いた。上下定盤を互いに逆方向に回転させ、キャリアプレートを上定盤と同方向に回転させて、キャリアプレート内に装填したウェーハ表面を研磨した。
温度センサは、オムロン社製Ｅ５２−Ｐ６Ｄを用いた。

測定した研磨スラリーの温度の時間変化について、その時間変化率及び該変化率の時間変化率を検出するために、以下に説明する演算を行うことのできる算出手段を温度測定手段と研磨装置制御手段との間に介在させて用いた。
＜研磨スラリーの温度の時間変化率の変化の検出方法＞
温度測定手段により測定したスラリー温度について、この演算手段により、温度の時間微分を一次微分、二次微分それぞれについて算出した。
本試験では、上記一次微分及び二次微分は差分法により求めた。すなわち、ある時点ｔでの一次微分は、時点ｔ±１秒の時間範囲での温度の変化量をその時間範囲で除することにより求め、ある時点ｔでの二次微分は、時点ｔ±１秒の時間範囲での一次微分の値の変化量をその時間範囲で除することにより求めた。
まず、温度の時間変化（一次微分）について、最小値を求めた。最小値は、二次微分の符号が負から正に変化する時点における、一次微分の値を最小値とした。
次いで、二次微分の閾値を０．９×１０^−５（℃／ｓ^２）に設定し、上記一次微分が最小値になった以降において、二次微分がこの閾値を超えた時点を定寸状態となった位置と判定して研磨を終了した。

図７に示すように、この閾値に達した時点を検出し、その時点で研磨装置制御手段により研磨を終了した。
研磨終了後のウェーハ中心部の厚さをＷａｆｅｒｓｉｇｈｔを用いて測定し、キャリアプレートのホール内縁高さをマイクロメータを用いて測定したところ、ウェーハの厚さは、７７５．１１μｍ、キャリアプレートの厚さは、７７５μｍであり、Ｇａｐは０．１１μｍであり、ほぼ定寸状態で研磨を終了することができた。

１ 両面研磨装置
２ ワーク(ウェーハ)
３ 保持孔
４ キャリアプレート
５ 下定盤
６ 上定盤
７ 研磨パッド
８ サンギア
９ インターナルギア
１０ 排水槽
１１ 排水路
１２ 温度測定手段
１３ 研磨装置制御手段

Claims (2)

1. ワークを保持する保持孔を１つ以上有するキャリアプレートにワークを保持し、研磨スラリーを供給しながら、研磨パッドが貼付された上定盤及び下定盤の間で前記キャリアプレートを回転させることにより、前記ワークの表裏面を同時に研磨する方法において、
   研磨に供された、排水槽又は排水路にある前記研磨スラリーの温度を測定し、測定された前記研磨スラリーの温度変化率及び、該温度変化率の変化率を算出し、
   前記温度変化率の変化率が所定の値以上となる時点を、前記ワークの厚さと前記キャリアプレートの厚さとが等しくなった時点であると判断して、研磨の終了や続行を判断して、前記ワークの研磨量の制御を行うことを特徴とする、ワークの研磨方法。
2. 研磨に供するワークを保持する１つ以上の保持孔が形成される、回転可能なキャリアプレートと、前記キャリアプレートを載置する下定盤及び、該下定盤と対をなす上定盤と、排水槽及び排水路とを備えた、ワークの両面を研磨する装置において、
   研磨後の、前記排水槽又は前記排水路にある前記研磨スラリーの温度を測定する手段と、
   測定された前記研磨スラリーの温度変化率及び、該温度変化率の変化率を算出する手段と、
   前記温度変化率の変化率が所定の値以上となる時点を、前記ワークの厚さと前記キャリアプレートの厚さとが等しくなった時点であると判断して、研磨の終了や続行を判断して、前記研磨装置を制御する手段と、
   をさらに備えていることを特徴とする、ワークの研磨装置。

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