(57)【要約】【目的】  研磨途中でウエハを定盤から離すことなく研磨中の膜の厚さを知ることができ、研磨の高精度な制御が効率よくできるウエハの研磨に用いられるウエハ研磨方法及びウエハ研磨装置を提供することを課題とする。【解決手段】  定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨方法において、前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射し、前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に前記膜の厚さを測定する。【選択図】  図1
2005217433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨方法において、
前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射し、
前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に前記膜の厚さを測定する研磨方法。
【請求項２】
定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨方法において、
前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射し、
前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に研磨の終点を検知する研磨方法。
【請求項３】
前記光が複数の波長からなる光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨方法。
【請求項４】
定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨装置において、
前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射する手段と、
前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に前記膜の厚さを測定する手段とを有することを特徴とする研磨装置。
【請求項５】
定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨装置において、
前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射する手段と、
前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に研磨の終点を検知する手段とを有することを特徴とする研磨装置。
【請求項６】
前記ウエハの研磨面に光を照射する手段の光が複数の波長からなる光であることを特徴とする請求項４又は５に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ、特にＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)ウエハ等の膜付きウエハの研磨に用いられるウエハ研磨方法及びウエハ研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ研磨では、上面に研磨布が張り付けられた定盤を回転させ、研磨布上に研磨液を滴下しながら、研磨布にウエハ支持板に固定したウエハを、ウエハ支持板により回転させつつ押し付けて、ウエハと研磨布との摩擦により研磨を進行させる方法が広く用いられている。この方法において、研磨加工量は通常、定盤の回転速度、研磨荷重、研磨液の供給量及びその温度、ウエハの回転及び揺動、等が厳しく管理された条件下で、研磨時間によって調節される。
【０００３】
研磨によるウエハ厚さの減少量と研磨時間とから平均の加工速度を求め、研磨時間の決定に用いる。通常のウエハ研磨においては、加工速度の測定はこの方法以外になく、又諸条件の変動がもたらす数％の加工速度の変動は実用上支障がないので、この方法で十分であった。
【０００４】
膜付きウエハにもこの研磨方法が適用される。通常のウエハの研磨と比較すると、研磨加工量の変動の許容幅が小さいので、研磨時間で加工量を制御しようとすれば、加工速度のわずかな変動も許さないような厳しい工程管理が必要となる。この種の研磨では膜の厚さの調節がその主な目的であって、研磨加工量の制御はその手段に過ぎない。膜の厚さは肉眼による干渉縞の観察あるいは光学的な測定によって知ることが出来るので、実験的な研磨では、研磨を時々中断して、膜厚を確認しながら研磨終了の時期を決めるのが一般的である。
【０００５】
この方法は失敗の少ない安全な方法であるが、生産のための方法としては問題が多い。即ち、研磨を中断する度にウエハの洗浄、乾燥が必要なため、１枚当たりの処理時間が長く、自動化のための機構が複雑となり研磨費用が高くなる問題がある。又、中断と中断の間の時間が短くなると、定常状態の研磨と条件が異なってくるため、予期した研磨加工量が得られず、かえって制御性が悪化してしまうという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、研磨途中でウエハを定盤から離すことなく研磨中の膜の厚さを知ることができ、研磨の高精度な制御が効率よくできるウエハの研磨に用いられるウエハ研磨方法及びウエハ研磨装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による課題を解決するための手段は、
(1)定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨方法において、前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射し、前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に前記膜の厚さを測定する研磨方法、
(2)定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨方法において、前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射し、前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に研磨の終点を検知する研磨方法、
(3)前記光が複数の波長からなる光であることを特徴とする上記の方法、
(4)定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨装置において、前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射する手段と、前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に前記膜の厚さを測定する手段とを有することを特徴とする研磨装置、
(5)定盤に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨装置において、前記定盤の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射する手段と、前記領域を通過した前記ウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨途中に研磨の終点を検知する手段とを有することを特徴とする研磨装置、
(6)前記ウエハの研磨面に光を照射する手段の光が複数の波長からなる光であることを特徴とする上記の装置、
にある。
【０００８】
また、特許請求の範囲の請求項としては記載しないが、本発明の別な態様として、
(7)回転する定盤の研磨布の張り付けられた面に、研磨液を滴下しつつ、ウエハ支持板に固定したウエハをウエハ支持板により回転させつつ押し付け研磨する方法において、定盤及び研磨布の回転中心と周縁との間に設けた窓からウエハの研磨面の光の反射状態を見て研磨状態を判定するウエハ研磨方法、
(8)光の反射状態を電荷結合素子を用いた撮像装置とその撮像表示装置で見るか、分光反射率測定装置で見る上記の方法、
(9)回転装置により回転する定盤と、定盤の表面に張り付けられた研磨布と、定盤の中心と周縁との間の研磨布に対面し軸方向移動可能に配置され、回転装置により回転するウエハ支持板と、定盤の中心と周縁との間の研磨布張り付け面に半径方向に延長して設けた溝と、該溝と一致させ研磨布に設けた研磨布窓と、定盤の前記溝内に設けた貫通孔と、該貫通孔を閉じる透明窓材と、定盤の前記溝を有する面の反対側で貫通孔の回転路に臨ませ配置した、前記の透明窓材を通して光をウエハ支持板に固定したウエハの研磨面に照射しその反射光を受光するプローブと、該プローブに接続した光ケーブルと、光ケーブルに接続した光ケーブルへの光供給装置と反射光観察又は評価装置とを備えているウエハ研磨装置、
(10)回転装置により回転する透明な材料からなる定盤と、定盤の表面に張り付けられた研磨布と、定盤の中心と周縁との間の研磨布に対面し軸方向移動可能に配置され、回転装置により回転するウエハ支持板と、定盤の中心と周縁との間の研磨布張り付け面に半径方向に延長して設けた溝と、該溝と一致させ研磨布に設けた研磨布窓と、定盤の前記溝を有する面の反対側で前記の溝に臨ませ配置した、前記定盤を通して光をウエハ支持板に固定したウエハの研磨面に照射しその反射光を受光するプローブと、該プローブに接続した光ケーブルと、光ケーブルに接続した光ケーブルへの光供給装置と反射光観察又は評価装置とを備えているウエハ研磨装置、
(11)定盤に設けた溝が中心から放射状に伸びる近接した２本の直線に囲まれた形状をなしている上記のウエハ研磨装置、
(12)反射光観察装置が電荷結合素子を用いた撮像装置とその撮像表示装置とからなるか、反射光評価装置が分光反射率測定装置である上記のウエハ研磨装置、
がある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、研磨途中でウエハを定盤から離すことなく研磨中の膜の厚さを知ることができるので、研磨の高精度な制御が効率よくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明において、定盤及び研磨布の回転中心と周縁との間に設けた窓からウエハの研磨面の光の反射状態を見て研磨状態を判定すれば、研磨を中断せずに研磨状態の終点を知ることが出来るので、研磨処理の時間を短くでき、装置も簡単で済む。光の反射状態は、光ケーブルでウエハの研磨面に光を照射してその反射光をビデオカメラに用いられている電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置で取り、これをブラウン管などの撮像表示装置で表示せしめ、撮像表示装置に現れた干渉縞により厚さを判断する。膜厚の場合、２μｍ以下では旧型の蛍光灯や白熱灯で縞が見え、１μｍ以下では白色灯で虹色の縞が見える。
【００１１】
又、光ケーブルでウエハの研磨面に光を照射してその反射光を分光反射率測定装置に入れ、特定の波長のピークにより所望の厚さになったことを知る。この研磨状態の判定は、研磨中に行っても、研磨を一時停止して行ってもよい。一時停止しても前記の従来の方法よりも研磨終点までの時間は極めて小さくできる。
【００１２】
本発明のウエハ研磨装置において、透明窓材とウエハとの間にできる研磨液の膜を通してウエハの研磨面に照射した光の反射光を観察あるいは評価するのであるが、研磨液は液中に微粒子が懸濁したものであり、光を散乱する性質をもっているので、透明窓材の表面とウエハの研磨面との間の間隔が小さい方が観察あるいは評価に都合がよい。
【００１３】
定盤の中心と周縁との間の研磨布張り付け面に半径方向に延長した溝を設けるのは、研磨布にだけ研磨布窓を設けたのでは、研磨液に空気が混じる恐れがあり、空気が混じると観察が困難となるので、研磨液を十分保持できるようにし、空気が混じらないようにするためである。溝に研磨液を十分保持させるため、この溝や研磨布窓は研磨加工に寄与しない領域となるので、ウエハ面内の加工量分布を乱さない形を選ぶ必要があり、定盤の中心から周辺にウエハの研磨面が同一時間で通過するように、定盤の中心から放射状に伸びる近接した２本の直線に囲まれるようにするのがよい。
【００１４】
このような形状とすれば、研磨中にウエハが圧縮荷重を受けて圧縮されている研磨布上から圧縮されていない研磨布の部分に乗り上げる時に、研磨布窓に引っ掛かったりしないで、研磨布窓よりくぼみを乗り越えて滑らかに研磨布に乗り上げることができる。
【００１５】
透明窓材の溝中における位置及び形状は任意である。観察または測定をウエハの中心で代表させて良い場合には、透明窓材の位置をウエハの回転中心の下に位置させてもよい。
アルミニウムのような光の透過しない材料で定盤が作られている時は上記のように、定盤に貫通孔を設けて研磨液が漏洩しないように透明窓材で貫通孔を閉じて光を通過させるようにするが、透明ガラスのような光の通過する材料で定盤が作られているときは、貫通孔や透明窓材を必要としない。しかし、ウエハの研磨面と、溝底との間隔を小さくするために、光を透過させる部分だけ溝底を高くするのがよい。
【００１６】
光をウエハの研磨面に照射しその反射光を受けるプローブは、研磨を停止して観察又は評価を行う場合は問題はないが、研磨中に観察又は評価を行う場合、定盤の光通過窓は回転しており、ウエハも自転しているので、ウエハの特定場所を正確に観察又は評価するのに時間を必要とするときは、ウエハの自転速度と同じ速度でプローブを光通過窓と同じ回転路において往復運動させればよい。
【００１７】
分光反射率測定装置で膜厚の評価を行う場合には、測定毎に膜厚を計算で求めることが出来るので、研磨の終点を正確に決定できる。研磨中に膜厚計算を行わず、膜が目標の厚さになったときの分光反射率を予め計算で求めておいて、測定した分光反射率の特徴が計算と一致した時点で研磨を終了してもよい。
【実施例】
【００１８】
図１、図２に示した実施例について説明する。定盤１は直径３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍのアルミニウム製の円盤で、その中心の片面に定盤１を回転するための軸が固定してある。定盤１の軸を固定した面の反対側の面には、中心から放射状に伸びる近接した２本の直線で囲まれ、中心付近から周縁近くまで伸びた溝２が設けてある。溝２の中心側の幅は５ｍｍで周縁側の幅は１５ｍｍ、深さ１ｍｍとなっている。溝２の長手方向中央には、直径１０ｍｍの貫通孔３が設けられ、溝２の反対側では円錐状に拡大している。貫通孔３の溝２側にはパイレックス（登録商標）透明ガラス製の透明窓材４が嵌め込まれ、研磨液が漏れないようにしてある。
【００１９】
定盤１の溝２を有する面には、定盤１と同形の厚さ０．７ｍｍのローデルニッタ社製、商品名ｓｕｂａ-５００ウレタン含浸ポリエステル不織布からなる研磨布５が張り付けられ、溝２に相当する部分は溝２と同形に切り抜かれて、研磨布窓６が形成されている。透明窓材４は定盤１の表面より約０．５ｍｍ突出するが、研磨布５の弾性を考慮しても研磨布５の表面より十分低くなっている。
【００２０】
定盤１の溝２の反対側には透明窓材４の回転路に面して研磨するウエハ７の研磨面に光を照射しその反射光を受光するプローブ９が配置されている。プローブ９はピント調節用レンズを内蔵し、光ケーブル１０に接続され、その他端は二股に別れ図示していない分光反射率測定装置と測定用光源に接続されている。
【００２１】
片面に回転用の軸が固定された直径１１０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状のアルミニウム製のウエハ支持板８に、表面に熱酸化膜を形成した２枚のシリコンウエハを、熱酸化膜を接せしめて接着し、一方のウエハを平面研削して厚さ１５μｍのシリコン膜として直径１００ｍｍのＳＯＩウエハを、平面研削加工していない面をワックスで張り付けた。
【００２２】
粒径が０．０１μｍ以下のシリカ粉末を含むアルカリ性溶液からなるローデルニッタ社製、商品名ＮＡＬＣＯ-２３５０を２０倍に希釈した研磨液を定盤１の研磨布５の表面に滴下しつつ、定盤１を毎分５０回転させながら、ウエハ支持板８に張り付けたウエハ７を、自転速度毎分４０回転で回転させつつ、研磨布５に、回転中心が透明窓材４の上に位置するように、研磨荷重１０ｋｇｆで押し付けて目標膜厚を１μｍにして研磨を開始した。
【００２３】
この条件では、透明窓材４の移動線速度は約５００ｍｍ／秒なので、直径１０ｍｍの透明窓材４を通してウエハ７の中心を測定出来る時間は、１回の通過に付き約１０ｍ秒である。この時間は、波長範囲６８０〜８００ｎｍ、分解能１ｎｍで行う分光反射率測定に対して十分であった。測定の参照基準には、同じ条件に置いたシリコンウエハを用いた。
【００２４】
研磨開始時、膜の分光反射率は、シリコンウエハと同一のスペクトルを示したが、研磨の進行に伴い反射率の波長に対する周期的な変動が現れ、徐々にその振幅を増した。反射光強度の個々のピークは相互の間隔を狭めながら短波長側へと移行した。個々のピークの移動により、測定波長範囲内のピークが入れ代わるにつれて、ピークの間隔は次第に広がった。
【００２５】
計算によれば、ＳＯＩの厚さ１μｍのシリコン膜の分光反射率は波長７００ｎｍと７７０ｎｍにピークを持つ。そこで、一つのピークの位置が７００ｎｍを下回った時点で次のピークの位置を読み、それが７６５ｎｍ以上であれば研磨を終了するものとし、７６５ｎｍ未満であればその位置を追跡しながら研磨を続行した。
【００２６】
このようにして１０枚のＳＯＩウエハを研磨した結果、総てのウエハにおいて中心の膜厚は０．９８〜１．００μｍの範囲に収まっていた。研磨の所要時間は３０〜４５分の範囲にあった。
【００２７】
比較例
実施例と同様の条件で同一のＳＯＩウエハのシリコン膜の研磨を行った。研磨途中での膜厚の測定は次のように観察により行った。１．研磨液の供給を停止し、研磨布に純水をかけ流した後、定盤及びウエハ支持板の回転を停止する。２．ウエハをウエハ支持板ごと取り上げ純水でゆすいで水を切る。３．照明に照らされた面光源にウエハを映して観察する。４．下記の目安で膜厚を観察する。５．ａ）研磨終了の場合、ウエハ支持板からウエハを外す。ｂ）目標より厚い場合は、研磨を再開、所定時間の後１．へ
干渉縞の観察による膜厚判断の目安
ナトリウムランプ照射下で縞がぼんやり見える→８〜１０μｍ以下
〃        はっきり見える→  ５μｍ以下
３波長発光型蛍光ランプ照明下で縞が見える  →  ３μｍ以下
旧型の蛍光ランプや白熱ランプでも見える    →  ２μｍ以下
白色光下（普通の照明）で虹色を呈する。    →  １μｍ以下
正味の研磨時間は３０〜４０分であったが、ウエハ１枚につき２〜４回研磨を中断して膜厚測定を行ったため、平均の研磨時間としては１時間を要した。膜厚測定の結果を元に１０秒単位で研磨終了の時期を決めたが、最終的にウエハ中心の膜厚は０．９〜１．１μｍの範囲に分布した。又、研磨終了時期をこれより細かく調節しても制御性が良くなることはなく、従来法の研磨の限界精度と考えられた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のウエハ研磨装置の一部断面側面図である。
【図２】図１の定盤１の一部平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    定盤
２    溝
３    貫通孔
４    透明窓材
５    研磨布
６    研磨布窓
７    ウエハ
８    ウエハ支持板
９    プローブ
１０    光ケーブル
【図１】
2005217433.tif 000003
【図２】
2005217433.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月12日(2005.4.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨布に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨装置において、
前記膜付きウエハの研磨面に光を照射する手段と、
前記膜付きウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨と同時に研磨の終点を検知する手段とを有し、
前記研磨面に照射する光、および前記ウエハからの反射光が、前記研磨面上に形成されている研磨液の膜を透過することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記膜付きウエハの研磨面に光を照射する手段は、前記研磨布の一部の領域を通過させて前記ウエハの研磨面に光を照射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】
研磨中に前記研磨面の全面が前記研磨布と接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ、特にＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)ウエハ等の膜付きウエハの研磨に用いられる研磨装置に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明は、研磨途中でウエハを定盤から離すことなく研磨中の膜の厚さを知ることができ、研磨の高精度な制御が効率よくできるウエハの研磨に用いられる研磨装置を提供することを課題とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明による課題を解決するための手段は、
(1)研磨布に膜付きウエハを押し付けて研磨する研磨装置において、膜付きウエハの研磨面に光を照射する手段と、膜付きウエハからの反射光をモニタすることにより、研磨と同時に研磨の終点を検知する手段とを有し、研磨面に照射する光、およびウエハからの反射光が、研磨面上に形成されている研磨液の膜を透過することを特徴とする研磨装置、
(2)膜付きウエハの研磨面に光を照射する手段は、研磨布の一部の領域を通過させてウエハの研磨面に光を照射することを特徴とする上記の研磨装置、
(3)研磨中に研磨面の全面が研磨布と接触していることを特徴とする上記の研磨装置、
にある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、特許請求の範囲の請求項としては記載しないが、本発明の別な態様として、
(4)回転する定盤の研磨布の張り付けられた面に、研磨液を滴下しつつ、ウエハ支持板に固定したウエハをウエハ支持板により回転させつつ押し付け研磨する方法において、定盤及び研磨布の回転中心と周縁との間に設けた窓からウエハの研磨面の光の反射状態を見て研磨状態を判定するウエハ研磨方法、
(5)光の反射状態を電荷結合素子を用いた撮像装置とその撮像表示装置で見るか、分光反射率測定装置で見る上記の方法、
(6)回転装置により回転する定盤と、定盤の表面に張り付けられた研磨布と、定盤の中心と周縁との間の研磨布に対面し軸方向移動可能に配置され、回転装置により回転するウエハ支持板と、定盤の中心と周縁との間の研磨布張り付け面に半径方向に延長して設けた溝と、該溝と一致させ研磨布に設けた研磨布窓と、定盤の前記溝内に設けた貫通孔と、該貫通孔を閉じる透明窓材と、定盤の前記溝を有する面の反対側で貫通孔の回転路に臨ませ配置した、前記の透明窓材を通して光をウエハ支持板に固定したウエハの研磨面に照射しその反射光を受光するプローブと、該プローブに接続した光ケーブルと、光ケーブルに接続した光ケーブルへの光供給装置と反射光観察又は評価装置とを備えているウエハ研磨装置、
(7)回転装置により回転する透明な材料からなる定盤と、定盤の表面に張り付けられた研磨布と、定盤の中心と周縁との間の研磨布に対面し軸方向移動可能に配置され、回転装置により回転するウエハ支持板と、定盤の中心と周縁との間の研磨布張り付け面に半径方向に延長して設けた溝と、該溝と一致させ研磨布に設けた研磨布窓と、定盤の前記溝を有する面の反対側で前記の溝に臨ませ配置した、前記定盤を通して光をウエハ支持板に固定したウエハの研磨面に照射しその反射光を受光するプローブと、該プローブに接続した光ケーブルと、光ケーブルに接続した光ケーブルへの光供給装置と反射光観察又は評価装置とを備えているウエハ研磨装置、
(8)定盤に設けた溝が中心から放射状に伸びる近接した２本の直線に囲まれた形状をなしている上記のウエハ研磨装置、
(9)反射光観察装置が電荷結合素子を用いた撮像装置とその撮像表示装置とからなるか、反射光評価装置が分光反射率測定装置である上記のウエハ研磨装置、
がある。