(57)【要約】      （修正有）【課題】試料の研磨面における研磨痕や応力ムラの発生を抑え、試料表面の極めて広い範囲において十分な平坦度が得られて分析評価の可能な領域の大幅な拡大化を実現し、信頼性の高い薄膜化された試料を得る。【解決手段】試料保持部２は、試料１０が固定される試料台１１と、試料台１１を研磨表面１ａに対して移動自在とし、試料台１１を研磨表面１ａ内の任意の位置で固定する試料台設置機構と、試料台１１に固定された試料１０の研磨表面１ａ内における研磨方向に対する設置角度を調節する角度調節機構１３と、試料台１１を研磨表面１ａに対して水平となるように調節する水平調節機構１４とを備えて構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を研磨して薄膜化する研磨装置であって、
前記試料を研磨する研磨表面を備えた研磨部と、
前記研磨表面に対して前記試料を接触させる試料保持部と
を含み、
前記試料保持部は、
前記試料が固定される試料台と、
前記試料台を前記研磨表面に対して移動自在とし、前記試料台を前記研磨表面内の任意の位置で固定する試料台設置機構と
を備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記試料保持部は、前記研磨表面に対して前記試料台を支持調節する一対の支持棒と、前記各支持棒の前記研磨表面からの高さを調節するマイクロメータとを備えており、前記マイクロメータにより前記各支持棒の高さを調節することにより、前記試料台に固定された前記試料の前記研磨表面への接触状態を制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
試料を研磨して薄膜化する研磨方法であって、
前記試料が固定され、前記試料を研磨する研磨表面内で移動自在とされた前記試料台が、前記研磨表面内の所定部位で位置固定され、前記試料の前記研磨表面との任意の接触点における研磨方向を一定不変とされた状態で、前記試料を研磨して薄膜化することを特徴とする研磨方法。
【請求項４】
前記試料台に固定された前記試料の前記研磨表面内における研磨方向に対する設置角度が、前記試料の劈開面が前記研磨方向と非平行となるように調節されて前記試料台が位置固定された状態で、前記試料を研磨して薄膜化することを特徴とする請求項３に記載の研磨方法。
【請求項５】
前記試料台に前記試料の固定部位に形成されたグリッドと、前記グリッドに対応して形成された設置マーカーとが設けられており、前記設置マーカーが前記設置角度の基準位置に調節されて、この状態を基準として前記設置角度が調節された状態で、前記試料を研磨して薄膜化することを特徴とする請求項４に記載の研磨方法。
【請求項６】
前記設置角度が１０°以上４５°以下の範囲内の値に設定されることを特徴とする請求項４又は５に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を研磨して薄膜化する研磨装置及び方法に関し、微細なデバイスが形成された半導体チップの一部を試料とする場合等に適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば半導体デバイスの電気特性や元素分布等の評価を正確に行なうべく、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope：透過型電子顕微鏡）、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry：二次イオン質量分析法）等の物理分析技術が用いられる。このような物理分析技術に供し、正確な分析を行なうには、試料である半導体チップ等を極薄状態に薄膜化することが必要である。
【０００３】
通常、上記のような薄膜試料を作製するには、試料表面を研磨加工して薄膜化する研磨装置が用いられる。この研磨装置は、試料を研磨する研磨板を備えた研磨部と、試料を固定保持し、研磨板の研磨表面に対して試料を接触させる試料保持部とを備えて構成されている。研磨時には、例えば試料である半導体チップの裏面を回転する研磨板の表面に接触させ、半導体チップのデバイス構造を残したまま目的の位置を露出させる。この場合、全体の試料の厚みを１μｍ以下程度にまで削ることを要する。このように、ミリメートルオーダーのサイズの半導体チップを１μｍ以下程度の厚みに削る場合、研磨を終了した試料の表面において、極めて高い平坦度が要求される。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１８９６４９号公報
【特許文献２】特開２００６−８４４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の研磨装置では、研磨時に研磨部及び試料保持部の双方が共に回転し、試料保持部に支持された試料を研磨部に対して相対的に研磨する構成を採ることから、試料において研磨方向、接触角及び研磨速度が常に一定でない。そのため、試料の研磨面に研磨痕や応力ムラが発生し易く、特にシリコンのような脆い材質の試料では容易に劈開が発生し、結果として割れが生じてしまう。また、薄膜化された試料が得られたとしても、試料の研磨面に研磨傷が生じてしまい、十分な表面平坦度が得られないことから、試料表面における分析評価の可能な領域が極めて狭くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、試料の研磨面における研磨痕や応力ムラの発生を抑え、試料表面の極めて広い範囲において十分な平坦度が得られて分析評価の可能な領域の大幅な拡大化を実現し、信頼性の高い薄膜化された試料を得ることができる研磨装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の研磨装置は、試料を研磨して薄膜化する研磨装置であって、前記試料を研磨する研磨表面を備えた研磨部と、前記研磨表面に対して前記試料を接触させる試料保持部とを含み、前記試料保持部は、前記試料が固定される試料台と、前記試料台を前記研磨表面に対して移動自在とし、前記試料台を前記研磨表面内の任意の位置で固定する試料台設置機構とを備える。
【０００８】
本発明の研磨方法は、試料を研磨して薄膜化する研磨方法であって、前記試料が固定され、前記試料を研磨する研磨表面内で移動自在とされた前記試料台が、前記研磨表面内の所定部位で位置固定され、前記試料の前記研磨表面との任意の接触点における研磨方向を一定不変とされた状態で、前記試料を研磨して薄膜化する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試料の研磨面における研磨痕や応力ムラの発生を抑え、試料表面の極めて広い範囲において十分な平坦度が得られて分析評価の可能な領域の大幅な拡大化を実現し、信頼性の高い薄膜化された試料を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
−本発明の基本骨子−
本発明者は、試料を研磨する研磨表面を備えた研磨部と、研磨表面に対して試料を接触させる試料保持部とを備えた研磨装置において、研磨時における試料の研磨痕や応力ムラの発生が、研磨表面内の研磨速度と試料が固定される試料台との速度差及び研磨表面の局所的凹凸に起因する摩擦力の試料表面におけるバラツキに起因するものであることを見出した。更に、研磨時に研磨表面に対して試料保持部が言わばランダムに移動することから、研磨方向が試料の劈開面に平行となる場合（瞬間的な場合も含む）があり、このときに試料が劈開して割れが発生することを見出した。
【００１１】
本発明では、上記の考察に基づき、試料保持部に、試料台を研磨表面に対して移動自在とし、試料台を研磨表面内の任意の位置で固定する試料台設置機構を設ける。この場合、研磨時において、研磨部の研磨方向（研磨部が回転駆動する研磨板である場合には、試料の研磨表面との接触点における回転接線方向）、研磨方向に対する接触角及び研磨速度が常に一定に保たれる。この構成では、試料の研磨表面における研磨方向、接触角及び研磨速度を適宜調節して研磨することにより、試料の研磨面における研磨痕や応力ムラの発生を抑止することができる。従って、試料表面の極めて広い範囲において十分な平坦度が得られて分析評価の可能な領域の大幅な拡大化を実現し、信頼性の高い薄膜化された試料を得ることができる。
【００１２】
接触角を適宜調節するには、試料保持部に、試料台に固定された試料の研磨表面内における研磨方向に対する設置角度を調節する角度調節機構を付加すれば良い。この場合、角度調節機構に、試料台に隣接して、設置角度を視認自在とする角度スケールを設けることが好適である。この角度調節機構により、作業者は接触角を容易且つ正確に任意値に設定し、試料の劈開等の発生を確実に防止することができる。試料がシリコンのような脆い材質である場合、容易に劈開が発生し、結果として割れが生じてしまうが、接触角の調節により試料の劈開発生の懸念が払拭される。
【００１３】
なお、特許文献１には、試料の周囲にダミー試料を貼付し、両者の厚みの差から研磨角度を調節する技術が開示されている。また、特許文献２には、微小な試料片をエネルギービームを用いて平面状に加工する技術が開示されている。しかしながら、前者の技術では、試料の研磨を行なうために当該試料に加えてダミー試料を設ける必要がある。従って、本発明とは異なる発明であり、余計な手間がかかるとともに、試料構成の複雑化を招くことは必至である。また、後者の技術では、試料表面の平坦化にエネルギービームを用いるという、本発明とは異なる発明であり、本発明に比較して迂遠な構成を採るものであると言える。
【００１４】
−本発明を適用した好適な実施形態−
以下、本発明を適用した好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
（研磨装置の構成）
図１は、本実施形態による研磨装置の概略構成をその動作と共に示す斜視図である。図２は、研磨装置の構成要素である試料保持部の概略構成を示す平面図である。なお、試料保持部２の構成部材である試料台設置機構１２については、便宜上、図１では図示を省略する。
この研磨装置は、図１（ａ）に示すように、試料１０を研磨加工する研磨板を有する研磨部１と、研磨板の研磨表面１ａに対して試料１０を接触させる試料保持部２とを備えて構成されている。
【００１６】
研磨部１は、円板形状の板状部材である研磨板を有しており、研磨板の研磨表面１ａに試料１０を接触させて回転駆動（図１には一例として、研磨表面１ａの回転方向を矢印Ａ１で示す。）することにより試料１０を所望の厚みに薄膜化する。なお、研磨部としては、円板形状のものに代わって、例えば矩形状の板状部材とし、これを所定方向に揺動させて試料１０を研磨加工するようにしても良い。
試料１０としては、主に半導体チップ等を想定している。半導体チップを構成する主材料であるシリコンは比較的脆い材質であり、劈開が生じ易いものである。
【００１７】
試料保持部２は、試料１０が固定される試料台１１と、試料台１１を研磨表面１ａに対して移動自在とし、試料台１１を研磨表面１ａ内の任意の位置で固定する試料台設置機構１２と、試料台１１に固定された試料１０の研磨表面１ａ内における研磨方向に対する設置角度を調節する角度調節機構１３と、試料台１１を研磨表面１ａに対して水平となるように調節する水平調節機構１４とを備えて構成されている。ここで、試料台１１、角度調節機構１３、及び水平調節機構１４が試料保持部２の本体２ａに設けられている。
【００１８】
試料台設置機構１２は、例えば図２に示すように、本体２ａを把持するチャッキング部材１２ａと、チャッキング部材１２ａを面内で自在に並進移動させ、所定位置でチャッキング部材１２ａを固定するアーム部材１２ｂとを有して構成されている。
研磨加工時には、チャッキング部材１２ａにより本体２ａを側面から把持し、アーム部材１２ｂにより本体２ａを研磨部１の研磨表面１ａ内で並進移動（図１には一例として、研磨表面１ａの半径方向への移動を矢印Ａ２で示す。）させ、研磨表面１ａ上の所定位置で固定する。
【００１９】
試料１０の研磨表面１ａに対する研磨方向を固定化することにより、試料１０の研磨表面１ａとの接触部位（接触点）における研磨速度又はトルクが一定となる。更に、研磨表面１ａと試料１０との接触角が一定となるため、研磨に伴う摩擦力が試料１０の表面上で一定となる。従って、試料１０の表面における研磨痕や応力ムラの発生を抑止され、試料１０の表面の極めて広い範囲において十分な平坦度が得られて分析評価の可能な領域の大幅な拡大化を実現し、信頼性の高い薄膜化された試料を得ることができる。本実施形態では、例えば１ミリメートル角の試料１０を１μｍ以下の厚みとなるまで、割れを防ぎつつ平坦に試料１０を加工研磨することができる。
【００２０】
試料台１１は、棒状部材であり、先端部位に試料１０が設置されるように構成されている。先端部位には、図１（ｂ）に示すように、試料１０の一辺を合わせて貼付するためのグリッド１１ａが形成されている。更に、試料台１１の側面には、グリッド１１ａに対応した設置マーカーとなるノッチ１１ｂが形成されている。
【００２１】
角度調節機構１３は、試料台１１に隣接して設けられ、研磨方向を基準とした設置角度を視認自在とする角度スケール１３ａを有しており、角度スケール１３ａに対して試料台１１を適宜回転移動させることにより、設置角度を所望値に設定することができる。
研磨加工時には、試料１０をその一辺がグリッド１１ａと適宜重なるように貼付し、ノッチ１１ｂが角度スケール１３ａにおける設置角度の基準位置（０°）に調節される。この状態で設置角度を所望値に設定すれば良い。
【００２２】
なお、角度調節機構１３における角度調節は、操作者が手動で行なうようにしても良いが、微小角度の調節を正確に行なうべく、例えば図３に示すように、角度調節機構１３に設置角度の自動調節機構２１を接続し、自動調節機構２１により試料台１１を適宜回転移動させ、設置角度を所望値に設定するように構成しても好適である。更には、角度スケール１３ａを設ける代わりに（或いは角度スケール１３ａに加えて）、例えばモニター２２を自動調節機構２２と接続し、モニター２２により設置角度の所望値を自動調節機構２１に指示し、自動調節機構２１の駆動により試料台１１の設置角度を設定するように構成しても良い。
【００２３】
水平調節機構１４は、研磨表面１ａに対して試料台１１を支持調節する一対の支持棒１４ａ，１４ｂと、各支持棒１４ａ，１４ｂの研磨表面１ａからの高さを調節するマイクロメータ１４ｃとを備えて構成されている。マイクロメータ１４ｃにより各支持棒１４ａ，１４ｂの高さを適宜調節することにより、試料台１１に固定された試料１０の研磨表面１ａへの接触状態を制御する。
【００２４】
本実施形態では、試料１０が半導体チップ等の比較的脆く劈開が生じ易い材質のものである場合に、試料１０の研磨加工時において、角度調節機構１３により、研磨方向に対して試料１０の劈開面を傾斜させた状態に設定する。試料台設置機構１２により、この状態で試料１０を研磨表面１ａに対して固定保持し、研磨を開始する。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、設置角度が０°である場合、研磨方向と試料１０の劈開面とは平行となり、試料１０に劈開が発生し易くなる。これは、従来技術のように試料１０を研磨表面１ａに対して移動自在の状態で研磨加工する際に、試料１０が研磨表面１ａ上でランダムに移動した結果、研磨方向が試料１０の劈開面に平行（試料１０の一辺１０ａと垂直）となった場合に相当する。
【００２６】
これに対して、研磨方向に対して試料１０の劈開面を傾斜させた状態で試料１０を研磨表面１ａに対して固定保持し、研磨する場合、研磨方向と試料１０の劈開面とは非平行となり、試料１０には劈開が発生し難くなる。
図４（ｂ）に示すように、具体的に本実施形態では、角度調節機構１３により、設置角度（試料１０の一辺１０ａの研磨方向に対する垂直状態を０°とする。）を１０°以上４５°以下の範囲内の値に設定する。このように設置角度を調節して試料１０を研磨加工することにより、脆い材質の試料１０でも数μｍ程度の厚みまで割れを生ぜしめることなく、試料１０を１μｍ以下まで薄膜化することができる。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、例えばシリコンの（１１０）面の劈開を防止するには、試料１０を基準位置（劈開面（０°）の位置）から７°程度以上傾斜させれば良いことが経験的に判っている。この方向は結晶学的に見て（１１０）方向から近いランダム方向である。試料台１１への試料１０の貼付精度等を考慮してマージンを加えれば、研磨加工時における試料１０の劈開を防止できる設置角度の下限値は１０°程度であると認められる。なお、上記ではシリコンの（１１０）面の劈開を例に採って説明したが、他の材料や他の結晶面についても同様の議論が成立する。
【００２８】
一方、図５（ｂ）の左図に示すように、研磨加工時における試料１０の劈開を防止できる設置角度の上限値は４５°程度である。これは、試料１０の結晶における対称性から得られる値である、即ち、図５（ｂ）の右図に示すように、設置角度を４５°より大値（図示の例では６０°）とすると、設置角度の劈開面に対する他方の角度が４５°未満（図示の例では３０°）となるためである。
【００２９】
（研磨方法）
以下、上述した研磨装置を用いて試料１０を研磨する方法について説明する。
図６は、本実施形態による研磨方法を工程順に示すフロー図である。図７は、本実施形態による研磨方法における研磨加工の様子を示す模式図である。
【００３０】
先ず、図７（ａ）に示すように、複数の素子パターン２０が形成された半導体基板３０から、例えば１ｍｍ角程度のサイズに試料片３を切り出す。そして、所定の接着剤３８を用いてガラス板３９に試料片３を貼付し、試料１０を作製する。試料１０を作製する際には、当該研磨が表面研磨であるか裏面研磨であるかにより、ガラス板３９への貼付面が異なる。表面研磨を行なう場合を図７（ｂ）に、裏面面研磨を行なう場合を図７（ｃ）にそれぞれ示す。前者の場合には試料１０の裏面が貼付面となり、後者の場合には試料１０の表面が貼付面となる。
【００３１】
試料１０においては、素子パターン２０として例えばＭＯＳトランジスタが形成されている。このＭＯＳトランジスタは、ＳＴＩ素子分離構造３１で活性領域が確定され、当該活性領域にゲート絶縁膜３２を介したゲート電極３３と、その両側にソース／ドレイン領域３４とが形成され、これらを覆うように層間絶縁膜３５ａが形成され、層間絶縁膜３５ａに形成されたコンタクト孔３６を介してソース／ドレイン領域３４と電気的に接続された配線３７が形成され、配線３７を覆う層間絶縁膜３５ｂが形成されて、概略構成されている。
【００３２】
上記のように作製した試料１０のガラス板３９を、試料台１１のグリッド１１ａに合わせ、例えばワックスを用いて貼付する（ステップＳ１）。
続いて、試料１０が貼付された試料台１１を、試料保持部２の本体２ａに設置する（ステップＳ２）。
続いて、試料台１１が設置された試料保持部２を試料台設置機構１２に設置し、試料保持部２を研磨部１の研磨表面１ａに接触させて固定保持する（ステップＳ３）。
【００３３】
続いて、研磨部１により、研磨板を回転駆動して試料１０の試し研磨を行なう（ステップＳ４）。
続いて、試し研磨の結果に基づき、試料１０の表面に生じた研磨痕を例えば光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察し、当該研磨痕の方向（研磨方向）と劈開方向との角度差を測定する（ステップＳ５）。
【００３４】
続いて、ステップＳ５において研磨方向と劈開方向との角度差を測定した結果、当該角度差が例えば１０°以上４５°以下か否かを判定する（ステップＳ６）。
ステップＳ６において、当該角度差が例えば１０°以上４５°以下であると判定されたならば、試料１０の設置角度が規定範囲であり、試料１０に劈開が生じ難い状態であると認められるため、ステップＳ８へ進む。
【００３５】
一方、ステップＳ６において、当該角度差が例えば１０°より小値（或いは４５°より大値）と判定されたならば、試料１０の設置角度が規定範囲から外れており、試料１０に劈開が生じ易い状態であると認められるため、角度調節機構１３により試料１０の設置角度が規定値内の所望値となるように、試料台１１を回転させて調節する（ステップＳ７）。そして、再びステップＳ４の試し研磨を行なう。
【００３６】
続いて、設置角度が規定値と判断された試料１０において、水平調節機構１４により、研磨部１の研磨表面１ａとの接触状態、即ち水平度を調節する（ステップＳ８）。
続いて、粗仕上げ用の研磨液及び研磨板を用い、研磨部１により、研磨板を回転駆動して試料１０の粗研磨を行なう（ステップＳ９）。この粗研磨処理の際に、必要であれば、水平調節機構１４により試料１０の水平度を微調整しながら当該粗研磨処理を行なう。
【００３７】
続いて、ステップＳ９において粗研磨を行なった試料１０の厚みを測定し、当該厚みが例えば１０μｍ以下か否かを判定する（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０において、当該厚みが１０μｍ以下と判定されたならば、試料１０の研磨表面１ａに対する水平度が許容範囲にあると認められるため、ステップＳ１１へ進む。
一方、ステップＳ１０において、当該厚みが１０μｍより大値と判定されたならば、試料１０の研磨表面１ａに対する水平度が許容範囲になく不十分であると認められるため、再びステップＳ８で試料１０の水平度の調節を行なう。
【００３８】
続いて、試料１０の水平度が許容範囲にあると認められた場合には、精密仕上げ用の研磨液及び研磨板を用い、研磨部１により、研磨板を回転駆動して試料１０の精密研磨を行なう（ステップＳ１１）。この精密研磨処理の際に、必要であれば、水平調節機構１４により試料１０の水平度を微調整しながら当該精密研磨処理を行なう。
【００３９】
続いて、ステップＳ１１において精密研磨を行なった試料１０の厚みを測定し、当該厚みが例えば１μｍ以下か否か、或いは試料１の表面から目的物（例えば配線３７の一部等）が露出したか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００４０】
ステップＳ１２において、当該厚みが１μｍ以下、或いは試料１の表面から目的物が露出したと判定されたならば、試料１０の研磨結果が良好であると認められるため、当該研磨処理を終了する。
一方、ステップＳ１２において、当該厚みが１μｍより大値、或いは試料１の表面から目的物が未だ露出していないと判定されたならば、試料１０の研磨結果が不十分であると認められるため、水平調節機構１４により再び研磨部１の水平度を調節する（ステップＳ１３）。そして、再度ステップＳ１１の精密研磨処理を行なう。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、試料１０の研磨面における研磨痕や応力ムラの発生を抑え、試料１０の表面の極めて広い範囲において十分な平坦度が得られて分析評価の可能な領域の大幅な拡大化を実現し、信頼性の高い薄膜化された試料を得ることができる。この構成により、ＡＦＭやＴＥＭ、ＳＩＭＳ等による微細化したデバイスの広範囲且つ正確な評価が可能になり、１つの試料の観察評価によって多くの情報が得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態による研磨装置の概略構成をその動作と共に示す斜視図である。
【図２】研磨装置の構成要素である試料保持部の概略構成を示す平面図である。
【図３】研磨装置における試料保持部の周辺構成の他の例を示す斜視図である。
【図４】本実施形態における試料の設置角度の適否を説明するための模式図である。
【図５】本実施形態における試料の設置角度の適正範囲を説明するための模式図である。
【図６】本実施形態による研磨方法を工程順に示すフロー図である。
【図７】本実施形態による研磨方法における研磨加工の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  研磨部
１ａ  研磨表面
２  試料保持部
２ａ  本体
１０  試料
１１  試料台
１１ａ  ノッチ
１１ｂ  グリッド
１２  試料台設置機構
１２ａ  チャッキング部材
１２ｂ  アーム部材
１３  角度調節機構
１３ａ  角度スケール
１４  水平調節機構
１４ａ，１４ｂ  支持棒
【図１】
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【図２】
2008229734.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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