JP6253382B2

JP6253382B2 - 研磨方法

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Publication number: JP6253382B2
Application number: JP2013257599A
Authority: JP
Inventors: 文照田篠; ガートンニール
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: JP2015112695A

Description

本発明は、板状の被加工物を研磨する研磨方法に関する。

半導体ウェーハに代表される板状の被加工物は、例えば、上面に不織布等の研磨部材を備える研磨定盤と、当該研磨定盤の上方において被加工物を吸引保持する保持機構とを備えた研磨装置で研磨される（例えば、特許文献１参照）。

この研磨装置において、研磨定盤と、保持機構とは相互に回転可能に構成されている。被加工物を保持した保持機構と、研磨定盤とを回転させた上で、砥材を含むスラリーを研磨部材に供給しながら被加工物を所定の圧力で研磨部材に押し当てることにより、被加工物を研磨できる。

被加工物を研磨部材に押し当てる圧力（押し当て圧力）は、例えば、作業者の経験等に基づいて調節されている。このように、押し当て圧力を最適な値に調節することで、被加工物と研磨部材との間にスラリーを介在させて良好な研磨を実現できる。

特開平３−２４８５３２号公報

しかしながら、上述のように、作業者の経験等に基づいて押し当て圧力を最適な値に調節するのは、必ずしも容易でない。仮に、押し当て圧力が最適な値より大きく設定されると、被加工物と研磨部材との間にスラリーが侵入しなくなって、研磨を良好に進行させることができない。一方、押し当て圧力が最適な値より小さく設定されると、研磨部材と被加工物との隙間が過度に大きくなって、研磨の進行速度を大幅に低下させてしまう。

押し当て圧力を変更しながら加工を繰り返すことで、最適な値を選定することも可能である。しかしながら、このように試行錯誤で押し当て圧力を選定する方法は、多大な労力を必要とする。

また、被加工物やスラリーの種類、要求される加工品質等の条件が変われば、最適な押し当て圧力も変わるので、その場合には、最適な値を再び選定し直さなくてはならないという問題もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、良好な研磨をより簡単に実現できる研磨方法を提供することである。

本発明によれば、被加工物を研磨する研磨方法であって、砥材を含むスラリーを介して研磨手段の加工面に被加工物の被加工面を押圧しつつ該研磨手段で被加工物を研磨する研磨ステップと、該研磨ステップ前または実施中に、被加工物の該被加工面に対面する該研磨手段の該加工面と、被加工物の該被加工面との間の距離を検出手段で検出する距離検出ステップと、該研磨ステップの前または実施中に、該距離検出ステップで検出された該距離に基づいて該研磨手段の該加工面と被加工物の該被加工面とを相対的に近接離反移動させる移動ステップと、を備え、該距離検出ステップで検出された該距離の値が該砥材の平均砥粒径よりも小さい場合に、該移動ステップでは、該研磨手段の該加工面と被加工物の該被加工面とを相対的に離反移動させることを特徴とする研磨方法が提供される。

本発明において、前記移動ステップでは、前記距離検出ステップで検出された前記距離の値をｇ、基準値をｇ _１、ｇ _２として、ｇ _１ ≦ｇ≦ｇ _２の範囲に保つように前記研磨手段の前記加工面と被加工物の前記被加工面とを相対的に近接離反移動させることが好ましい。

本発明の研磨方法は、研磨手段の加工面と、被加工物の被加工面との間の距離を検出手段で検出する距離検出ステップと、距離検出ステップで検出された距離に基づいて、研磨手段の加工面と、被加工物の被加工面とを相対的に近接離反移動させる移動ステップと、を備えるので、研磨手段の加工面と、被加工物の被加工面との間の距離を任意に制御しながら被加工物を研磨できる。

すなわち、本発明の研磨方法では、被加工物を研磨手段に押し当てる押し当て圧力ではなく、研磨手段の加工面と、被加工物の被加工面との間の距離を制御するので、例えば、スラリーに含まれる砥材が適切に侵入可能な距離を制御の基準とすることで、被加工物を良好に研磨できる。このように、本発明の研磨方法によれば、被加工物を押し当てる押し当て圧力を制御する場合等と比較して、良好な研磨をより簡単に実現できる。

本実施の形態に係る研磨方法で使用される研磨装置の構成例及び研磨ステップを模式的に示す図である。距離検出ステップ及び移動ステップを模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る研磨方法は、距離検出ステップ（図２参照）、移動ステップ（図２参照）、研磨ステップ（図１参照）を含む。

距離検出ステップでは、研磨装置が備える研磨部材（研磨手段）の加工面と被加工物の被加工面との間の距離（間隔）をセンサユニット（検出手段）で検出する。移動ステップでは、距離検出ステップの検出結果に基づいて、研磨部材の加工面と被加工物の被加工面とを相対的に近接又は離反させる。

研磨ステップでは、砥材を含むスラリーを研磨部材の加工面に供給しながら、被加工物を研磨部材に押圧して研磨する。ここで、研磨部材の加工面と被加工物の被加工面との間の距離は、距離検出ステップ及び移動ステップにより制御される。以下、本実施の形態に係る研磨方法について詳述する。

はじめに、本実施の形態に係る研磨方法で使用される研磨装置の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る研磨方法で使用される研磨装置の構成例及び研磨ステップを模式的に示す図であり、図２は、距離検出ステップ及び移動ステップを模式的に示す図である。図１に示すように、研磨装置２は、上面が平坦な円盤状の研磨定盤４を備えている。

研磨定盤４は、モータ等の回転機構（不図示）と連結されており、鉛直方向に伸びる回転軸の周りに回転する。研磨定盤４の上面には、被加工物１１を研磨する研磨部材（研磨手段）６が配置されている。研磨部材６としては、例えば、不織布等を用いることができる。

研磨部材６の上方には、被加工物１１を吸引保持する保持機構（保持手段）８が配置されている。保持機構８は、モータ等の回転機構（不図示）と連結されており、鉛直方向に伸びる回転軸の周りに回転する。また、この保持機構８は、昇降機構（移動機構）１０で昇降（上下動）される。

保持機構８の下面８ａは、被加工物１１の上面１１ａ側を吸引保持する保持面となっている。この保持面には、保持機構８の内部に形成された流路を通じて吸引源の負圧が作用し、被加工物１１を吸引する吸引力が発生する。保持機構８に被加工物１１の上面１１ａ側を吸引保持させると、被加工物１１の下面１１ｂには研磨部材６の上面６ａが対面する。

保持機構８と隣接する位置には、研磨部材６の上面６ａに、砥材（砥粒）１３（図２）を分散させたスラリー１５を供給するノズル１２が配置されている。このノズル１２は、保持機構８等と干渉しない位置に位置付けられている。

被加工物１１は、代表的には、円盤状の半導体ウェーハである。この被加工物１１を保持した保持機構８と、研磨定盤４とを相互に回転させた上で、保持機構８を昇降機構１０で下降させ、スラリー１５を供給しながら研磨部材６の上面６ａに押し当てることで、被加工物１１の下面１１ｂ側を研磨できる。

すなわち、本実施の形態では、保持機構８に保持された状態で下方に露出する被加工物１１の下面１１ｂが被加工面となり、上方に露出する研磨部材６の上面６ａが被加工物１１を加工する加工面となる。

保持機構８の側部には、被加工面となる被加工物１１の下面１１ｂと、加工面となる研磨部材６の上面６ａとの間の距離を検出するためのセンサユニット（検出手段）１４が設けられている。このセンサユニット１４は、配線等を介して接続された制御装置１６で制御される。

図２に示すように、センサユニット１４の筐体下部には、検出対象となる研磨部材６に向けて超音波を発信するとともに、その反射波を受信する超音波センサ１８が配置されている。超音波センサ１８は、電力（電圧）と振動（超音波）とを相互に変換する圧電素子（超音波振動子）１８ａを含んでいる。

圧電素子１８ａは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＢ（Ｚｉ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）等の材料で形成される。なお、チタン酸ジルコン酸鉛は、ＰＺＴ等と呼ばれることもある。

この圧電素子１８ａに所定のパルス電圧（交流電圧）を印加すると、印加されたパルス電圧の周波数に対応する周波数の超音波が発生する。また、圧電素子１８ａに上述のような超音波を加えると、加えられた超音波の周波数に対応する周波数のパルス電圧が圧電素子１８ａの端子に発生する。

この圧電素子１８ａの下端には、超音波を伝達する超音波伝達部材１８ｂが設けられている。超音波伝達部材１８ｂは、例えば、水晶、アクリル樹脂等の材料で形成されており、圧電素子１８ａで発生する超音波を良好に伝播する。超音波伝達部材１８ｂの下面は、センサユニット１４の筐体下部から露出しており、研磨部材６の上面６ａに供給されたスラリー１５と接する。

圧電素子１８ａの端子には、パルス電圧を発生するパルス電圧発生器２０が接続されている。パルス電圧発生器２０は、制御装置１６の指示に基づき、例えば、電圧が２５０Ｖ程度で周波数が１ｋＨｚ程度のパルス電圧を発生させ、超音波センサ１８の圧電素子１８ａに印加する。

また、圧電素子１８ａの端子には、圧電素子１８ａから出力されるパルス電圧を、制御装置１６で識別可能な電気信号に変換する変換器（コンバータ）２２が接続されている。変換器２２は、超音波（反射波）の受信によって圧電素子１８ａで発生したパルス電圧を、制御装置１６で識別可能な電気信号に変換して制御装置１６に出力する。

このように構成されたセンサユニット１４は、制御装置１６からの指示に基づいて、パルス電圧発生器２０で発生したパルス電圧を圧電素子１８ａに印加する。その結果、圧電素子１８ａから超音波が発生し、超音波伝達部材１８ｂを伝播する。

上述のように、超音波伝達部材１８ｂの下面には、研磨部材６の上面６ａに供給されたスラリー１５が接している。そのため、超音波伝達部材１８ｂを伝播した超音波は、スラリー１５に印加され、研磨部材６の上面６ａにおいて反射される。

研磨部材６の上面６ａで反射された超音波（反射波）は、スラリー１５及び超音波伝達部材１８ｂを伝播して圧電素子１８ａに印加される。圧電素子１８ａは、印加された超音波をパルス電圧に変換して変換器２２に出力する。圧電素子１８ａからパルス電圧が入力されると、変換器２２は、当該パルス電圧を変換して制御装置１６に出力する。

制御装置１６は、超音波センサ１８から発信された超音波が、研磨部材６の上面６ａで反射され、超音波センサ１８で受信されるまでの時間ｔを計測する時間計測部１６ａを備えている。

時間計測部１６ａは、例えば、超音波センサ１８に対して超音波の発信を指示した時刻ｔ１と、研磨部材６の上面６ａにおいて反射した超音波を超音波センサ１８で受信した時刻ｔ２との差（ｔ２−ｔ１（＝ｔ））を計測する。

時間計測部１６ａで計測された時間ｔは、制御装置１６の距離算出部１６ｂに通知される。この距離算出部１６ｂは、通知された時間ｔに基づいて、被加工面となる被加工物１１の下面１１ｂと、加工面となる研磨部材６の上面６ａとの間の距離（間隔）ｇを算出する。

距離算出部１６ｂは、例えば、下記式（１）に基づいて距離ｇを算出する。なお、式（１）において、ｖはスラリー１５中の音速を、ｗ_０は被加工物１１の厚みを、ｄは超音波伝達部材１８ｂの下面から保持機構８の下面８ａまでの距離をそれぞれ示している。
（１）・・・ｇ＝ｖ（ｔ／２）−（ｄ＋ｗ_０）

制御装置１６は、距離算出部１６ｂで算出された距離ｇの値を、例えば、任意の基準値（基準となる距離）ｇ_１，ｇ_２（ｇ_１≦ｇ_２）と比較して、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとを適切な距離に保つ。

具体的には、距離ｇの値が基準値ｇ_１より小さい場合、制御装置１６は昇降機構１０で保持機構８を上昇させて、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとを離反させる。

一方、距離ｇの値が基準値ｇ_２より大きい場合、制御装置１６は昇降機構１０で保持機構８を下降させて、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとを近接させる。これにより、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとの間の距離ｇを、ｇ_１≦ｇ≦ｇ_２の範囲に保つことができる。

次に、上記研磨装置を使用して実施される研磨方法について説明する。本実施の形態に係る研磨方法では、まず、準備ステップとして、保持機構に被加工物１１を保持させるとともに、砥材１３を分散させたスラリー１５を研磨部材６の上面６ａに供給する。そして、保持機構８を下降させて、超音波伝達部材１８ｂの下面にスラリー１５を接触させる（図１、図２）。

準備ステップを実施した後には、研磨部材６の上面６ａと、被加工物１１の下面１１ｂとの間の距離（間隔）ｇを検出する距離検出ステップを実施する。この距離検出ステップでは、まず、センサユニット１４から研磨部材６に向けて超音波ＵＳａを発信し、研磨部材６の上面６ａで反射した超音波ＵＳｂをセンサユニット１４で受信する（図２）。

超音波ＵＳｂが受信されると、時間計測部１６ａは、超音波ＵＳａの発信から超音波ＵＳｂの受信までに要した時間ｔを算出し、距離算出部１６ｂに通知する。距離算出部１６ｂは、通知された時間ｔに基づいて、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとの間の距離ｇを算出する。

距離検出ステップを実施した後には、距離ｇの値に基づき保持機構８を昇降させて、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとを適切な距離に保つ移動ステップを実施する。この移動ステップでは、まず、距離算出部１６ｂで算出された距離ｇの値を、任意の基準値ｇ_１，ｇ_２（ｇ_１≦ｇ_２）と比較する。

距離ｇの値が基準値ｇ_１より小さい場合、制御装置１６は昇降機構１０で保持機構８を上昇させて、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとを離反させる（図２）。一方、距離ｇの値が基準値ｇ_２より大きい場合、制御装置１６は昇降機構１０で保持機構８を下降させて、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとを近接させる。

保持機構８の移動量（離反及び近接の距離）は任意である。例えば、保持機構８の移動量を、基準値ｇ_１又は基準値ｇ_２と、距離ｇの値との差に応じて決定するができる。この場合、距離ｇの値に応じて保持機構８の移動量が変化するので、被加工物１１の下面１１ｂと研磨部材６の上面６ａとを適切な距離に保ちやすい。ただし、保持機構８の移動量はこれに限定されず、一定でも良い。

また、基準値ｇ_１としては、スラリー１５に含まれる砥材１３の平均砥粒径の値を用いることが好ましい。例えば、距離ｇの値が砥材１３の平均砥粒径の値より小さくなると、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとの間に十分な砥材１３を介在させることが難しくなり、良好な研磨を実現できない。

そこで、スラリー１５に含まれる砥材１３の平均砥粒径の値を基準値ｇ_１として用い、距離ｇの値が砥材１３の平均砥粒径の値を下回らないように制御する。これにより、被加工物１１の下面１１ｂと、研磨部材６の上面６ａとの間に十分な砥材１３を介在させて、良好な研磨を実現できる。

基準値ｇ_２としては、例えば、砥材１３の平均砥粒径と略同等程度の値を用いると良い。距離ｇの上限となる基準値ｇ_２をこのように設定することで、研磨の進行速度を大幅に低下させずに済み、生産性を維持できる。なお、基準値ｇ_２は、基準値ｇ_１と同じでも良い。

移動ステップを実施した後には、被加工物１１を研磨する研磨ステップを実施する。この研磨ステップでは、砥材１３を含むスラリー１５を研磨部材６に供給しながら、被加工物１１を保持した保持機構８と研磨定盤４とを相互に回転させる。

上述した距離検出ステップ及び移動ステップによって、被加工物１１の下面１１ｂと研磨部材６の上面６ａとの距離はあらかじめ適切に制御されている。よって、被加工物１１を良好に研磨できる。

なお、研磨の進行とともに、被加工物１１は薄くなるので、研磨ステップの実施中にも、距離検出ステップ及び移動ステップを繰り返し実施する必要がある。研磨ステップの実施中において、距離検出ステップ及び移動ステップは、連続的に繰り返されても良いし、所定の時間を空けて繰り返されても良い。距離検出ステップ及び移動ステップを実施するタイミングは、研磨の進行速度等に応じて任意に設定される。

以上のように、本実施の形態に係る研磨方法は、研磨部材（研磨手段）６において加工面となる上面６ａと、被加工物１１において被加工面となる下面１１ｂとの間の距離ｇをセンサユニット（検出手段）１４で検出する距離検出ステップと、距離検出ステップで検出された距離ｇに基づいて研磨部材６の上面６ａと、被加工物１１の下面１１ｂとを相対的に近接又は離反させる移動ステップと、を備えるので、研磨部材６の上面６ａと、被加工物１１の下面１１ｂとの間の距離ｇを任意に制御しながら被加工物１１を研磨できる。

すなわち、本実施の形態に係る研磨方法では、被加工物１１を研磨部材６に押し当てる押し当て圧力ではなく、研磨部材６の上面６ａと、被加工物１１の下面１１ｂとの間の距離ｇを制御するので、例えば、スラリー１５に含まれる砥材１３が適切に侵入可能な距離を制御の基準とすることで、被加工物１１を良好に研磨できる。このように、本実施の形態に係る研磨方法によれば、被加工物１１を押し当てる押し当て圧力を制御する場合等と比較して、良好な研磨をより簡単に実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施の形態では、式（１）に基づいて距離ｇを算出しているが、距離ｇの算出方法はこれに限定されない。

式（１）では、超音波伝達部材１８ｂが十分に薄い場合（圧電素子１８ａの下面から超音波伝達部材１８ｂの下面までの距離が短い場合）を想定している。超音波伝達部材１８ｂが厚い場合には、超音波伝達部材１８ｂの厚みや、超音波伝達部材１８ｂを伝播する超音波の音速等を考慮して距離ｇを算出することが望ましい。

また、上記実施の形態では、保持機構８を昇降させることで、研磨部材（研磨手段）６において加工面となる上面６ａと、被加工物１１において被加工面となる下面１１ｂとを近接又は離反させているが、上面６ａと下面１１ｂとは、相対的に近接又は離反されれば良い。例えば、研磨定盤４を昇降させても良いし、研磨定盤４と保持機構８との双方を昇降させても良い。

その他、上記実施の形態に係る構成、方法などは、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

２研磨装置
４研磨定盤
６研磨部材（研磨手段）
６ａ上面
８保持機構（保持手段）
８ａ下面
１０昇降機構
１２ノズル
１４センサユニット（検出手段）
１６制御装置
１６ａ時間計測部
１６ｂ距離算出部
１８超音波センサ
１８ａ圧電素子（超音波振動子）
１８ｂ超音波伝達部材
２０パルス電圧発生器
２２変換器（コンバータ）
１１被加工物
１１ａ上面
１１ｂ下面
１３砥材
１５スラリー
ＵＳａ超音波
ＵＳｂ超音波（反射波）

Claims

被加工物を研磨する研磨方法であって、
砥材を含むスラリーを介して研磨手段の加工面に被加工物の被加工面を押圧しつつ該研磨手段で被加工物を研磨する研磨ステップと、
該研磨ステップ前または実施中に、被加工物の該被加工面に対面する該研磨手段の該加工面と、被加工物の該被加工面との間の距離を検出手段で検出する距離検出ステップと、
該研磨ステップの前または実施中に、該距離検出ステップで検出された該距離に基づいて該研磨手段の該加工面と被加工物の該被加工面とを相対的に近接離反移動させる移動ステップと、を備え、
該距離検出ステップで検出された該距離の値が該砥材の平均砥粒径よりも小さい場合に、該移動ステップでは、該研磨手段の該加工面と被加工物の該被加工面とを相対的に離反移動させることを特徴とする研磨方法。
前記移動ステップでは、前記距離検出ステップで検出された前記距離の値をｇ、基準値をｇ _１、ｇ _２として、ｇ _１ ≦ｇ≦ｇ _２の範囲に保つように前記研磨手段の前記加工面と被加工物の前記被加工面とを相対的に近接離反移動させることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。