(57)【要約】【課題】  被研磨面の凹凸段差が基板厚さの０．３〜２．０倍以上あるような被研磨面においてもウエハが割れたり欠けたりしない化学機械研磨（ＣＭＰ）方法を提供する。【解決手段】  被研磨面の凹凸段差が基板厚みの約０．３〜１．０倍以上ある被研磨面を化学機械研磨するに際し、初期研磨加工圧力を、通常研磨加工圧力設定値より低い設定値にて一定時間研磨した後、通常研磨加工圧力設定値に切り換え、終点まで研磨する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板厚みの０．３〜２．０倍の凹凸段差を有する被研磨対象の被研磨面をケミカルメカニカル研磨にて平坦化する基板研磨方法において、研磨圧力を通常研磨加工圧力設定値より低い初期研磨加工圧力値に設定して一定時間研磨した後、研磨加工圧力を通常研磨加工圧力設定値に切り換えて研磨終点まで研磨することを特徴とする基板研磨方法。
【請求項２】
前記研磨加工圧力設定値を３段階以上としたことを特徴とする請求項１に記載の基板研磨方法。
【請求項３】
前記初期研磨加工圧力値が基板保持部材の自重と等しいか、それ以下の値であることを特徴とする請求項１に記載の基板研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はウエハや各種基板上に形成された所謂MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）素子もしくは構造体等を高精度に研磨するための研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの超微細化や多層配線化が進み、これに伴って、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰやＳＯＩ等からなる半導体ウエハ、或いはトランジスタを有するガラス又は石英製の基板等、いわゆる素子基板の表面を高精度に平坦化する精密研磨装置が求められている。その中でも半導体素子が形成されたウエハ等の基板の表面を高精度に平坦化するための精密研磨方法として化学機械研磨方法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている。
【０００３】
一方、半導体の実装技術として、高密度実装や高速実装が進展しつつある。複数の基板を重ねて、３次元方向の接続を行うようにした３次元実装（ＳＯＣ：System On Chip）等が知られている。たとえば、特開２００３−０９６５９６号公報に記載されている、電気抵抗率が低く、エレクトロマイグレーション耐性が高い銅を使い、めっき埋込み配線を化学機械研磨方法（ＣＭＰ）により形成する。更に標準の厚さ７２５μｍ（８インチウエハ）の基板の裏面側を研削しエッチングし貫通電極する方法が知られている。
【０００４】
また、半導体プロセスを応用した三次元ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System：微小電気機械システム)素子や構造体が種々提案され、その精密平坦化方法として化学機械研磨方法が使われている。例えば、特開２００１−００１３００号公報には微細梁構造、例えば微小な鏡（マイクロミラー）を支える微細梁構造の製作方法が、特開２００３−２０２５６７号公報には台形状の感光膜構造物を覆う金属膜の構造物を少なくとも台形状の感光膜構造物の上面の位置まで化学機械研磨方法（ＣＭＰ）により、選択的に研磨して平坦化し三次元ＭＥＭＳ集光体を製造する方法が提案されている。
【０００５】
しかし、これら３次元実装、三次元ＭＥＭＳ素子や構造体は、いずれも標準規格基板を使って形成されている。つまり、標準規格基板の上に形成されたパターンを化学的機械研磨（ＣＭＰ）するもので、基板厚さに対し高々約10％程度の段差を平坦化するものである。
【０００６】
ところが、近年、規格より薄い厚さのウエハを使って、直接３次元実装、三次元ＭＥＭＳ素子や構造体を形成する方法が検討されている。初めから所望の厚さのウエハ（厚さ３００μｍから５０μｍのウエハ）に直接パターンを形成し、化学機械研磨（ＣＭＰ）する。
【０００７】
つまり、ウエハを貫通する孔にめっきにより金属を埋め込み、その後化学機械研磨（ＣＭＰ）して埋め込み貫通電極構造を作りこむようにした3次元実装、三次元ＭＥＭＳ素子や構造体を形成する方法が検討されている。
なお、
図４は、研磨方法の模式図(従来例)、
図５は、３次元実装素子の例(従来例)、
図６は、３次元実装素子プロセス図（従来例）、
図７は、微細梁構造製法図（従来例）、
図８は、三次元ＭＥＭＳ集光体の図（従来例）である。
【特許文献１】特開２００３−０９６５９６号公報
【特許文献２】特開２００１−００１３００号公報
【特許文献３】特開２００３−２０２５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、従来の標準規格ウエハでの場合は、化学機械研磨（ＣＭＰ）する対象の凹凸段差はウエハの厚みに対し高々1０％程度以内である。それに対し薄い厚さのウエハを使う場合は、使用するウエハの厚さによるが、３０％から２００％に達する場合がある。従って、このような規格より薄い厚さのウエハ、たとえば、厚さ３００μmから５０μmのウエハに、貫通する孔を形成し、その孔に金属をめっきにより埋め込み化学機械研磨（ＣＭＰ）して、ウエハを貫通する電極構造を作りこむ場合、特に、埋め込み配線や電極にボイド等のめっき不良がないようにしようとすると、めっき後の金属がウエハ基板表面より５０μｍから２００μｍ以上飛び出した状態になってしまう。しかも飛び出し量が場所により、この範囲内の飛び出し量でばらついた状態になっていることが多い。
【０００９】
特に、ボイド等の無い、より緻密なめっき貫通電極を得るため、スルーホールめっき法やブラインドビアめっき法のようなボイド等のめっき不良のできやすい方法に代わり、貫通孔の底にシード層を設けた方法を採用した場合、めっきの飛出し量やその分布にばらつきがより顕著になる。このような凹凸段差状態の厚さの薄いウエハ基板を化学機械研磨（ＣＭＰ）をしようとすると、段差による応力集中が局所的に生じやすくなる為、研磨中にウエハが割れたり欠けたり、亀裂が入ってしまうという問題が生じる。このような、被研磨面の凹凸段差が基板厚さの０．３〜２．０倍以上あるような被研磨面においてもウエハが割れたり欠けたりしない化学機械研磨（ＣＭＰ）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】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、被研磨面の凹凸段差が基板厚みの約０．３〜１．０倍以上ある被研磨面を化学機械研磨（ＣＭＰ）するに際し、初期研磨加工圧力を、通常研磨加工圧力設定値より低い設定値にて一定時間研磨した後、通常研磨加工圧力設定値に切り換え、終点まで研磨する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、加工圧力を３段階以上の値に徐々に増加させて切り換え、終点まで研磨する。請求項３に記載の発明は、初期加工圧力をウエハ保持部材自重のみ、つまり外部加圧機構による加圧力を０設定とし、一定時間研磨した後、通常研磨加工圧力設定値に切り換え、終点まで研磨する。請求項４に記載の発明は、初期加工圧力をカウンター圧力バランス機構を加圧機構に追加し、ウエハ保持部材自重より更に小さい圧力設定にて、一定時間研磨した後、通常研磨加工圧力設定値に切り換え、終点まで研磨する方法により解決する。
【００１２】
このように、初期加工圧力設定値が、ウエハが割れない値にて研磨する為、ウエハ基板の割れや欠け問題を避けることが出来る。また、徐徐に研磨が進行し凹凸段差が減少し通常圧力設定値でも割れたりかけたりしない状態に達したら、圧力を通常設定値にする。
【００１３】
通常研磨設定値にすることにより、低い圧力値では研磨時間が長くかかるところを、短縮でき、最終的に、割れや欠けなく良好な化学機械研磨（ＣＭＰ）が可能となる。つまり被研磨面の凹凸段差が基板厚みの約０．３〜２．０倍以上あるような被研磨面であってもウエハが割れたり欠けたりせずに化学機械研磨（ＣＭＰ）ができ、平坦化された埋め込み配線や、貫通電極構造を作りこむことが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明になる、初期研磨加工圧力を、通常研磨加工圧力設定値より低い設定値にて一定時間研磨した後、通常研磨加工圧力設定値に切り換え、終点まで研磨することにより、被研磨面の凹凸段差が基板厚さの約０．３〜２．０倍以上あるような被研磨面であってもウエハが割れたり欠けたりしないで化学機械研磨（ＣＭＰ）をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の好適な実施の形態による研磨方法を説明する為の模式図である。
【００１７】
被研磨体保持手段１は被研磨体２をその被研磨面３が下を向く状態で保持する。研磨ヘッド１０は、被研磨面３より大なる面積の研磨面１１を有する研磨パッド１２を保持し、回転軸１３を中心に回転する。研磨ヘッド１０には、回転用の駆動手段１４が設けられており、回転軸１３を中心に回転する。被研磨体保持手段１には、回転用の駆動手段１６が設けられており、回転軸１５を中心に回転する。回転方向はいずれも同方向に回転する。回転軸１５及び１３の軸位置は重ならないように、また被研磨体２が常に研磨パッド１２上にあるように配置されている。符号１７は、加圧機構を含む加圧ユニットであり、被研磨体保持手段１に回転しつつ圧力を加える為の機構ユニットである。加圧ユニットは、制御ユニット１９からの加圧力信号に応じ、任意の加圧力が加わるように調整されている。また、制御ユニット１９からの信号に基づき任意に加圧力が研磨動作中でも切り替わるよう設定されている。このような、加工圧力可変に設定された装置にて、研磨する例を図２を用いて説明する。図２は3次元実装素子や構造体を形成する為のめっき埋め込み貫通電極が形成された被研磨体のひとつの代表的な例を示す。符号５１は４インチ、厚さt＝２００μｍのウエハである。符号５２、５３、５４はウエハを貫通する直径約２０から１５μｍの孔にめっきにより金属を埋め込んだものである。ウエハ表面および貫通孔表面は、電極とウエハ基板間の導通を防ぐ為、酸化膜もしくは窒化膜が形成されている。更に、不図示だが、ウエハ裏面の酸化膜もしくは窒化膜の上には金属膜が形成されており、シード電極層が形成されており、めっき時の陰極として作用する。埋め込み貫通電極めっき部のウエハ表面からの飛出し量はｈ１が約１０から１５０μｍ、ｈ２が１５０から２５０μm、ｈ３が約５０μmあり、平均的に５０μｍから２００μｍある。このようにばらついているのが一般的である。符号５２、５４は貫通孔が孤立的に分布する場合の埋め込みめっき貫通電極である。符号５３は貫通孔が１００μピッチで複数個並んだ配列の部分の埋め込みめっき貫通電極である。孤立電極部５２、５４と密集部５３との間隔aは１ｍｍから３ｍｍある。このような、めっき後の金属がウエハ基板表面より５０μｍから２００μｍ以上飛び出した状態になっており、しかも飛び出し量が場所によりばらついた状態になっている。つまり、被研磨面の凹凸段差が基板厚さの約０．３〜１．０倍以上あるような被研磨面を持っている。このような凹凸段差を持つ被研磨体を、初期研磨加工圧力を、ウエハが研磨中に割れない程度の低い加工圧力にて一定時間研磨する。通常研磨加工圧力設定値は、５００グラム重／平方センチから１００グラム重／平方センチである。それより低い加工圧力１００グラム重／平方センチ以下が好適である。より好ましくは、被研磨保持部材の自重のみで、外部加圧力設定としては０グラム重が好適である。その場合、被研磨体保持部材はメカ機構、構成で異なるが、３０〜５０グラム重／平方センチがより好適である。その後、通常研磨加工圧力では割れない段差に達した後、通常研磨加工圧力値に切り換え、終点まで研磨する。ウエハ厚さとパターンの分布により及び膜構成やプロセス履歴等により、ウエハが割れ��い圧力が異なるが、図２に示すウエハにおいてはめっき飛出し量がＭａｘ７０μｍ以下であれば割れないことが確認できており、その値になるまでの時間初期加工圧力設定にて研磨するのが好適であり、図２の場合では約３０分程度が好適であった。
【００１８】
加工圧力の切り換えを２段より増やす事により、よりきめ細かい制御が可能になる。その結果、研磨時間も短縮できる。
【００１９】
更に、初期加工圧力を更に小さくし、割れに対する安全度を向上する方法として、加圧力に対し逆方向から圧力を加えるカウンター圧力バランス機構を加圧機構に追加することにより、ウエハ保持部材自重より更に小さい加工圧力設定が可能となる。
【実施例１】
【００２０】
以下実施例を示す。図１の構成の装置にて、研磨保持手段１として水貼法により被研磨体２を保持し、被研磨体として図２のパターンの銅の埋め込みめっき貫通孔電極が形成されたウエハを研磨した。この場合の突出量の最大値は約１２０μｍであった。研磨ヘッド１０の回転数は４０ｒｐｍ、研磨保持手段回転数４３ｒｐｍ、スラリー供給量５０ｃｃ／ｍ、研磨パッドは、ロデールニッタ製IC1000、スラリーとして芝浦メカトロニクス製ＣＨＳ３０００ＥＭと過酸化水素水を混合したものを用いた。以上の条件下、本発明になる方法にて、初期研磨加工圧力５０グラム重／平方センチ（保持部材１の自重のみ）にて２０分研磨し、その後通常研磨加工圧力３００グラム重／平方センチにて研磨終点、即ち平坦になるまで約３５分研磨した。その結果ウエハ割れ等も無く良好な化学機械研磨（ＣＭＰ）ができた。また、埋め込み貫通電極のめっきもボイド等認められない良好な緻密な貫通電極が得られた。本研磨時の飛出し量の経時変化のグラフを図３に示す。約20分の初期低加工圧力設定研磨で、所定割れない飛出し量以下である３０μmに達しており、良好な結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】発明の研磨方法の模式図
【図２】3次元実装用埋め込みめっき貫通孔電極形成ウエハ
【図３】めっき飛出し量経時変化のグラフ
【図４】研磨方法の模式図(従来例)
【図５】３次元実装素子の例(従来例)
【図６】３次元実装素子プロセス図（従来例）
【図７】微細梁構造製法図（従来例）
【図８】三次元ＭＥＭＳ集光体の図（従来例）
【符号の説明】
【００２２】
１  被研磨体保持手段
２  被研磨体
３  被研磨面
１０  研磨ヘッド
１２  研磨パッド
１４、１６  回転駆動手段
１７  加圧手段(加圧ユニット)
１９  制御ユニット
５１  ウエハ
５２，３，４  めっき埋め込み貫通孔
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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