JP2013123763A - 被研磨物の研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被研磨物を速い研磨速度で研磨することができる被研磨物の研磨方法を提供する。
【解決手段】本発明の被研磨物の研磨方法は、試験被研磨物１を用いて、化学機械研磨の研磨速度が速くなる、化学機械研磨の前工程の研削の研削方向を求める試験加工工程と、試験加工工程で求められた研削方向にて被研磨物１の表面１ａを研削し、化学機械研磨する通常加工工程と、を含む。試験加工工程では、一方向に試験被研磨物１と砥石１１とを相対移動させることにより、中心軸１２を中心に回転する砥石１１にて、試験被研磨物１の表面１ａを研削する。その後、試験被研磨物１の表面を化学機械研磨して、化学機械研磨の研磨速度を求める。これを繰り返し、化学機械研磨の研磨速度が速くなる研削方向を求める。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、被研磨物の表面を研磨する被研磨物の研磨方法に関する。さらに詳しくは、化学機械研磨を含む研磨方法に関する。

従来から、半導体ウェハなどの被研磨物の表面を平坦化するために化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）が行われている。ＣＭＰにおいては、被研磨物の表面の研磨量が面内において不均一となりやすく、均一に研磨して平坦性を向上しつつ、高い研磨速度が求められている。

特許文献１には、ウェハ表面の改質に用いる作動液が開示されている。また、特許文献２には、高い物質除去率を有する化学機械研磨パッドが開示されている。さらに、特許文献３には、プラズマ処理による表面改質について開示されている。

特表２０１０−５３７４０４号公報 特表２００９−５０５３９７号公報 特開２００２−００９１５１号公報

特許文献１の作動液や、特許文献２の化学機械研磨パッドについては、ウェハに合わせた作動液、パッドを準備する必要がある。また、特許文献３のプラズマ処理では、専用の装置が必要である。

本発明の課題は、被研磨物を速い研磨速度で研磨することができる被研磨物の研磨方法を提供することにある。

本発明者は、ある特定の一方向に被研磨物と砥石とを相対移動させて研削を行うことにより、後工程の化学機械研磨の研磨速度を速くすることができることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の被研磨物の研磨方法が提供される。

［１］ 一方向に試験被研磨物と砥石とを相対移動させることにより、中心軸を中心に回転する前記砥石にて、前記試験被研磨物の表面を研削し、前記試験被研磨物の前記表面を化学機械研磨して前記化学機械研磨の研磨速度を求め、または、前記表面の状態を調べ、前記試験被研磨物と前記砥石との相対移動の方向を変えて同様のことを繰り返して、前記化学機械研磨の前記研磨速度が速くなる研削方向を求める試験加工工程と、前記試験加工工程で求められた前記研削方向にて、被研磨物の前記表面を前記砥石で研削した後、前記被研磨物の前記表面を前記化学機械研磨する通常加工工程と、を含む被研磨物の研磨方法。

［２］ 前記被研磨物は、タンタル酸リチウムのＹ３５〜５５度面の単結晶ウェハであり、前記化学機械研磨の研磨速度が速くなる前記研削方向が、前記単結晶ウェハのオリエンテーションフラットに対して、１００〜１１０度の方向であり、前記研削方向に前記被研磨物と前記砥石とを相対的に水平移動させて前記被研磨物の前記表面を研磨する前記［１］に記載の被研磨物の研磨方法。

ある特定の一方向に被研磨物と砥石とを相対移動させて研削を行うことにより、後工程の化学機械研磨の研磨速度を速くすることができる。

本発明の被研磨物の研磨方法の工程を説明する図である。 研削装置を示す模式図である。 他の研削装置を示す模式図である。 研削方向がオリエンテーションフラットに対して０度の場合を示す模式図である。 研削方向がオリエンテーションフラットに対して１０５度の場合を示す模式図である。 ラップ加工装置を示す模式図である。 ＣＭＰ装置を示す模式図である。 研削方向がオリエンテーションフラットに対して１０５度の場合の被研磨物の表面の加工痕を示す模式図である。 研削方向がオリエンテーションフラットに対して０度の場合の被研磨物の表面の加工痕を示す模式図である。 従来の研削装置を示す模式図である。 従来の研削装置による被研磨物の表面の加工痕を示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明の被研磨物の研磨方法は、半導体ウェハなどの被研磨物１の表面１ａを研磨する化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）を含む研磨方法である。図１に示すように、本発明の被研磨物の研磨方法は、試験被研磨物１を用いて、化学機械研磨の研磨速度が速くなる、化学機械研磨の前工程の研削の研削方向を求める試験加工工程と、試験加工工程で求められた研削方向にて被研磨物１の表面１ａを研削し、化学機械研磨する通常加工工程と、を含む。なお、研削として、例えば、カップ型の砥石１１を用いて、クリープフィード研削を行うことができる（図２Ａ参照）。クリープフィード研削は、大きな切り込み量で、送り速度を小さくし、１パスで目的形状に加工する研削である。あるいは、台金１１ａの外周面に砥層１１ｂが設けられたストレート型の砥石１１を用いて研削を行うこともできる（図２Ｂ参照）。研削は、一方向に一回行ってもよいし、一方向に複数回行ってもよい。

試験加工工程では、一方向に試験被研磨物１と砥石１１とを相対移動させることにより、中心軸１２を中心に回転する砥石１１にて、試験被研磨物１の表面１ａを研削する（研削工程：図２Ａ参照）。その後、試験被研磨物１の表面１ａを化学機械研磨して、化学機械研磨の研磨速度を求める（化学機械研磨工程：図４参照）。

次に、異なる方向に試験被研磨物１と砥石１１とを相対移動させて研削を行い試験被研磨物１の表面１ａを化学機械研磨して、化学機械研磨の研磨速度を求める。このように試験被研磨物１と砥石１１との相対移動の方向を変えて研削、化学機械研磨を繰り返して、化学機械研磨の研磨速度が速くなる研削方向を求める。

なお、試験加工工程において、試験被研磨物１の表面１ａがどのような場合に、化学機械研磨の研磨速度が速くなるか分かっている場合には、化学機械研磨をしないで、研削後の試験被研磨物１の表面１ａの状態を調べてもよい。表面１ａの状態を調べる方法としては、例えば、硬度測定、Ｘ線回折等が挙げられる。硬度が小さくなると化学機械研磨の研磨速度が速くなる材料の場合は、硬度が小さくなるような研削方向を求めればよい。

通常加工工程では、試験加工工程で求められた研削方向にて、被研磨物１の表面１ａを砥石１１で研削した後（研削工程：図２Ａ参照）、被研磨物１の表面１ａを化学機械研磨する（化学機械研磨工程：図４参照）。試験加工工程は、研削の条件を決める試験的な工程であり、通常加工工程は、製品の製造工程である。

本発明の被研磨物の研磨方法では、化学機械研磨の前に被研磨物１の表面１ａを一方向に研削するが、その研削方向を適正化することによって、表面１ａの状態を改質する。つまり、化学機械研磨の前工程の研削工程において、ある結晶方位に沿って研削することで、被研磨物の表面全体を均一に改質（結晶の転位）できる。改質した表面１ａは軟化または脆くなっており、後工程（ラップ、ポリッシュ、ＣＭＰ）における加工が容易となり、結果として高速加工が実現できる。改質のパラメータは研削方向のみであり、専用の工具や装置が不要である。

本発明の被研磨物の研磨方法における被研磨物１は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ_２等の半導体ウェハや、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）、ＬＴ（タンタル酸リチウム）、ＧａＮ等の単結晶ウェハなどである。

以下、さらに詳しく各工程について説明する。各工程は、試験加工工程においても、通常加工工程においても同様である。被研磨物１と記載しているところは、試験加工工程においては、試験被研磨物１の意味である。なお、試験被研磨物１とは、試験用の試料という意味で、被研磨物１と同じものを用いることができる。

（研削工程）
図２Ａに、研削装置１０の模式図を示す。図２Ａに示すように、研削装置１０には、砥石１１が中心軸１２を中心に回転可能に備えられている。図２Ａに示す砥石１１は、台金１１ａの下面の外周縁に沿って砥層１１ｂが設けられたカップ型の砥石１１である。また、研削装置１０は、被研磨物１を固定するためのテーブル１３を備える。そして、被研磨物１と砥石１１とを相対的に一方向に水平移動させて、被研磨物１を研削する。図２Ａでは、砥石１１を中心軸１２を中心に回転させつつ、被研磨物１の単結晶ウェハをテーブル１３にて一方向に水平移動させることにより、単結晶ウェハの表面１ａを研削している。図２Ａの実施形態では、中心軸１２に対して垂直に、被研磨物１を移動させている。

図２Ｂに他の研削装置１０の模式図を示す。図２Ｂに示す砥石１１は、台金１１ａの外周面に砥層１１ｂが設けられたストレート型の砥石１１であり、外周面に設けられた砥層１１ｂによって研削することができる。中心軸１２を水平方向とし、中心軸１２と被研磨物１とを平行に配置して、被研磨物１または砥石１１を移動させて研削する。

本発明の被研磨物の研磨方法は、研削工程において、砥石１１の回転数を５００〜５０００ｒｐｍとすることが好ましい。より好ましくは、２０００〜４０００ｒｐｍ、さらに好ましくは、２５００〜３５００ｒｐｍである。砥石１１の回転数をこの範囲とすることにより、被研磨物１の表面１ａに均一な改質層（変質層）が得られる。被研磨物の研磨方法に用いる砥石１１の種類としては、ビトリファイドボンド、メタルボンド、レジンボンド等が挙げられる。

被研磨物１を固定したテーブル１３の送り速度は、１〜１００ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。被研磨物１は、テーブル１３上に固定されているため、テーブルの送り速度とは、被研磨物１の移動速度である。テーブル１３の送り速度は、より好ましくは、１０〜８０ｍｍ／ｍｉｎ、さらに好ましくは、２０〜６０ｍｍ／ｍｉｎである。テーブル１３の送り速度をこの範囲とすることにより、被研磨物１の表面１ａに均一な改質層（変質層）が得られる。

研削工程における切り込み量は、０．１〜５０μｍとすることが好ましい。より好ましくは、１〜４０μｍ、さらに好ましくは、１０〜３０μｍである。切り込み量をこの範囲とすることにより、被研磨物１の表面１ａに均一な改質層（変質層）が得られる。

試験加工工程では、被研磨物１の研削方向をある一方向として研削し、それを化学機械研磨して、研磨速度を求める。ここで、研削方向について説明する。研削方向とは、被研磨物１が単結晶ウェハである場合には、オリエンテーションフラット１ｖに対する方向で定義することにする。図２Ｃに示すように、オリエンテーションフラット１ｖに平行に研削した場合を０度とする。図２Ｄに示すように、反時計方向に研削方向がずれた角度を、研削方向の角度とする。図２Ｄは、研削方向が１０５度の場合を示す。

被研磨物１が、タンタル酸リチウム（ＬＴ）のＹ３５〜５５度面の単結晶ウェハである場合、化学機械研磨の研磨速度が速くなる研削方向は、単結晶ウェハのオリエンテーションフラット１ｖに対して、１００〜１１０度、好ましくは、１０５度の方向である（図２Ｄ参照）。この方向にタンタル酸リチウムの単結晶ウェハを研削することにより、化学機械研磨による研磨速度を速くすることができる。

（ラップ工程）
本発明の被研磨物の研磨方法は、図２Ａの研削工程の後、化学機械研磨工程を行うが、研削工程の後、化学機械研磨工程の前にラップ工程を行ってもよい。図３にラップ工程を行うためのラップ加工装置を示す。図３に示すように、ラップ加工装置は、上定盤２２と、この上定盤２２に対向するように配置され、回転する下定盤２３と、これらの間に挟み込まれる円盤形状のキャリア２４と、を有する。キャリア２４の下面に被研磨物１を配置し、上定盤２２と下定盤２３とで被研磨物１を挟み、砥粒で研磨して平坦性を高める。

（化学機械研磨工程）
図４に、化学機械研磨に用いるＣＭＰ装置３０の模式図を示す。ＣＭＰ装置３０は、定盤３２、研磨ヘッド３３、スラリー供給装置３４を備える。定盤３２には、研磨パッド４０が取り付けられている。スラリー供給装置３４からは、スラリーが研磨パッド４０上に供給され、定盤３２が回転するとともに、研磨ヘッド３３が、研磨パッド４０上に配置された被研磨物１を研磨パッド４０に対して押しつけつつ定盤３２と同方向に回転することにより、被研磨物１の表面１ａを化学的及び機械的に研磨する。

本発明の研磨パッド４０は、研磨パッド４０は、円板状に形成され、その表面には、複数の溝４５が加工されており、定盤３２に取り付けられて被研磨物１を研磨するものである。研磨パッド４０は、例えば、発泡硬質ウレタン、スウェード等で形成されている。溝４５の数、深さ、幅等は、被研磨物１の種類、研磨目的などによって適宜選択することができる。しかしながら、例えば、溝４５の幅は、０．２〜１．５ｍｍ、溝４５のピッチ（溝４５の中心間の距離）は、１〜２０ｍｍ程度のものを利用することができる。

化学機械研磨工程における研磨パッド４０の回転数は、１０〜３００ｒｐｍであることが好ましい。より好ましくは、２０〜１５０ｒｐｍ、さらに好ましくは、３０〜１００ｒｐｍである。研磨パッド４０の回転数をこの範囲とすることにより、被研磨物１の研磨量を面内において均一にできる。

化学機械研磨工程における被研磨物１の回転数は、１０〜３００ｒｐｍとすることが好ましい。より好ましくは、２０〜１５０ｒｐｍ、さらに好ましくは、３０〜１００ｒｐｍである。被研磨物１の回転数をこの範囲とすることにより、被研磨物１の研磨量を面内において均一にできる。

被研磨物１を研磨パッド４０に押しつける荷重は、０．５〜１００ｋＰａとすることが好ましい。より好ましくは、５〜５０ｋＰａ、さらに好ましくは、１０〜３０ｋＰａである。荷重をこの範囲とすることにより、被研磨物１の研磨量を面内において均一にできる。

スラリーは、ＣＭＰ装置３０のスラリー供給装置３４から、研磨パッド４０の表面上に供給する。スラリーは、研磨材、酸、酸化剤、および水を含む。研磨材としてコロイダルシリカ、ヒュームドシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニアおよびこれらの混合物等を利用することができる。また、酸化剤としては、過酸化物、硝酸塩等を利用することができる。さらに、スラリーには、ｐＨ調整剤を含んでもよい。ｐＨ調整剤は、スラリーのｐＨを所望の値に調整するために酸性物質又は塩基性物質を適宜使用する。

スラリー供給装置３４から、スラリーを研磨パッド４０上に供給し、定盤３２が回転するとともに、研磨ヘッド３３が、研磨パッド４０上に配置された被研磨物１を研磨パッド４０に対して押しつけつつ定盤３２と同方向に回転することにより、被研磨物１の表面１ａを化学的及び機械的に研磨する。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

被研磨物１として、Ｙ４０度タンタル酸リチウムの単結晶ウェハを用意した。

（実施例１，比較例１）
タンタル酸リチウムの単結晶ウェハの表面１ａを、一方向に研削した。砥石１１は、ダイヤモンド＃１０００、ビトリファイドボンド砥石を用いた。砥石１１の回転数は、２５００ｒｐｍ、被研磨物１を固定したテーブルの送り速度は、２０ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量は、５μｍとした。単結晶ウェハのオリエンテーションフラット１ｖに対する研削方向は、０，１０５度とした（図２Ｃ，２Ｄ参照）。図５に、研削方向が１０５度の場合の被研磨物１（単結晶ウェハ）の表面の加工痕、図６に、研削方向が０度の場合の被研磨物１（単結晶ウェハ）の表面の加工痕を示す。

（硬度）
研削後の単結晶ウェハの表面１ａの硬度は、１１５°三角すい圧子によるマルテンス硬さ（ＨＭＴ１１５）にて評価した。

（化学機械研磨）
研削後の単結晶ウェハの表面１ａを化学機械研磨した。化学機械研磨の条件は、次の通りである。研磨パッド４０の回転数は、１００ｒｐｍとした。単結晶ウェハの回転数は、１００ｒｐｍとした。単結晶ウェハを研磨パッド４０に押しつける荷重は、１５ｋＰａとした。スラリーは、研磨材としてコロイダルシリカを含むものを用いた。研磨前後の単結晶ウェハの厚みを測定することにより、化学機械研磨の研磨速度を求めた。

（比較例２）
従来の研削装置５０により研削した。図７Ａに従来の研磨装置５０を示す。中心軸１２を中心に回転する砥石１１にて被研磨物１を回転させながら研削した。実施例１と同様にしてその表面の状態や化学機械研磨の研磨速度を調べた。図７Ｂに、従来の研削装置による被研磨物の表面の加工痕を示す。

実施例１では、硬度が低くなり、化学機械研磨の研磨速度が、比較例１や比較例２よりも速くなった。研削方法を、一般的なインフィード研削（比較例２）から、クリープフィード研削とすることにより、単結晶ウェハの表面全体を均一に改質することができた。また、クリープフィード研削の研削方向をある特定の一方向とすることにより、後工程の化学機械研磨の研磨速度を速くすることができた。

本発明の被研磨物の研磨方法は、半導体ウェハ等の被研磨物の表面の研磨に用いることができる。

１：（試験）被研磨物、１ａ：（被研磨物の）表面、１ｖ：オリエンテーションフラット、１０：研削装置、１１：砥石、１１ａ:台金、１１ｂ:砥層、１２：中心軸、１３：テーブル、２０：ラップ加工装置、２２：上定盤、２３：下定盤、２４：キャリア、３０：ＣＭＰ装置、３２：定盤、３３：研磨ヘッド、３４：スラリー供給装置、４０：研磨パッド、４５：溝、５０：研磨装置。

Claims (2)

1. 一方向に試験被研磨物と砥石とを相対移動させることにより、中心軸を中心に回転する前記砥石にて、前記試験被研磨物の表面を研削し、
   前記試験被研磨物の前記表面を化学機械研磨して前記化学機械研磨の研磨速度を求め、または、前記表面の状態を調べ、
   前記試験被研磨物と前記砥石との相対移動の方向を変えて同様のことを繰り返して、前記化学機械研磨の前記研磨速度が速くなる研削方向を求める試験加工工程と、
   前記試験加工工程で求められた前記研削方向にて、被研磨物の前記表面を前記砥石で研削した後、前記被研磨物の前記表面を前記化学機械研磨する通常加工工程と、
   を含む被研磨物の研磨方法。
2. 前記被研磨物は、タンタル酸リチウムのＹ３５〜５５度面の単結晶ウェハであり、
   前記化学機械研磨の研磨速度が速くなる前記研削方向が、前記単結晶ウェハのオリエンテーションフラットに対して、１００〜１１０度の方向であり、
   前記研削方向に前記被研磨物と前記砥石とを相対的に水平移動させて前記被研磨物の前記表面を研磨する請求項１に記載の被研磨物の研磨方法。

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