JPH01193172A - 基板上の薄膜の研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、Ｓ　ＯＩ　（ＳＬｌｉｃｏｎ　ｏｎ　１ｎｓ
ｕｌａｔｏｒ）の如き一定膜厚のＷｌｌ膜が基板上に形
成されている薄膜試料の研磨方法に関するものである。

【従来の技術】

従来、半導体基板等の研磨は、該半導体基板よりも大き
な直径を有する回転定盤に基板を押し付けて該定盤を回
転させることにより行なわれていた。この場合、研磨加
工の精度は、回転定盤の平坦度及び基板に対する押圧加
重の均一度によって大きく影響されるが、近年、工作精
度の向上により薄膜を含めた半導体基板全体の平行度と
して０゜５μｍ程度に仕上げることができる。又、所謂
、貼付は法によりＳｏｌ基板を製作する場合、半導体基
板上に形成した薄膜を、さらに１μｍ程度の均一な膜厚
になるように研磨しなければならない。 しかしながら、上述した従来の研磨方法では、薄膜を含
む基板全体としての均一な平面加工は行ない得るが、特
に基板自体の平坦性が悪く、さら□に該基板上に形成さ
れたｍ膜の厚さも不均一な場合には、かかるＷｉＩ！そ
のものを一定且つ均一な膜厚に仕上げることは不可能で
あった。この薄膜の膜厚の均一性はこの種半導体素子等
の性能を著しく左右するため問題になっていた。 本発明は、かかる実情に鑑み、基板上の薄膜を掻めて高
い精度で均一な膜厚に形成し得る研磨方法を提供するこ
とを目的とする。 〔課題を解決するための手段〕 本発明による基板上の薄膜の研磨方法は、研磨すべき薄
膜を形成した基板に、該薄膜の厚さを予め測定した複数
の測定点を設定しておき、上記測定点を夫々の中心とし
た一定面積を存する加工領域を西成し、この加工領域よ
りも小さな面積になるように接触面の暉径が設定された
研磨用のパッドを、上記加工領域内でジグザグ状の経路
に沿って移動せしめると共に上記バンドの上記接触面の
上記薄膜に対する接触圧力を加工領域の中心に位置する
測定点の膜厚測定値に応じて変化せしめて、上記各加工
領域毎に順次研磨加工を行なう。 この場合、研磨用のバンドの接触面は、その直径が上記
加工領域の一辺の長さの少なくとも１／２であることが
好ましく、又、上記薄膜表面に対して凸状曲面に形成さ
れるとよい、さらに、上記接触面の形状を多角形にして
もよく、又、上記パッドの自転の角速度と公転の角速度
とが反対方向且つ等しい大きさにすると共に上記自転及
び公転の夫々半径を等しくなるように設定することもで
きる。 〔作用〕 各加工領域においてその中央部の加工量は周辺部に比べ
て大きく、これにより所望の測定点を中心にして基板上
の１膜を局所的に研磨することができると共に、各測定
点の膜厚測定値に応じて研磨加工量を調整するようにし
たので基板の全領域に亘って薄膜の膜厚が均一になるよ
うに研磨することができる。 又、研摩用のパッドの接触面の直径や形状等を適宜に特
定し、さらに該パッドの自転及び公転の角速度等を適当
に選択することにより上記膜厚の均一化が効果的に達成
され得る。 （実施例〕 以下、第１図乃至第６図に基づき本発明による基板上の
薄膜の研磨方法の第一実施例を説明する。 第１図乃至第３図は本発明方法を実施するために用いる
装置の構成を示しているが、図中、ｌは装置のベースプ
レート、２はベースプレート１上に固設されたテーブル
、３はテーブル２上を直交二軸方向（Ｘ、Ｙ方向）に沿
って移動可能に装着されていて半導体基板Ｐを載置し且
つ固定せしめている試料台、４．５は試料台３を夫々Ｘ
方向、Ｙ方向に移動せしめるための駆動用モータ、６は
ベースプレート１に立設された支柱７に取付けられた研
磨工具ユニット、８は軸受９．９゛を介して試料台３に
対して垂架されると共にその下端部に後述する研磨用の
パッドを装着するアタッチメント８ａが設けられていて
常態の所定位置から軸方向に沿って適宜のストロークだ
け動き得るように取付けられている回転軸、１０はアタ
ッチメント８ａの先端に装着された研磨用のパッ゛ド、
１）はギア１２．１２’を介して回転軸８を回転せしめ
るための駆動用モータ、１３はポールスクリエ等を介し
て一対のガイドシャフト１４．１４″と連結されていて
その上下動によりスプリング１５を介してパッドｌＯの
基板Ｐに対する押圧力を調節し得るようになっているア
ジャストブロック、１６．１６’はガイドシャフト１４
．１４’を夫々回転せしめるための駆動用モータ、１７
は制御回路ユニットである。ここで、かかる研磨装置の
基本的作用並びに研磨方法の概略を説明するが、まず、
研磨加工前の基板Ｐは、所定の複数の点において膜厚が
測定されていて、制御回路ユニット１７においてこの膜
厚測定値が記憶されると共に所望の膜厚目標値と比較さ
れ、これにより各測定点に対応する研磨加工量が決定さ
れる。試料台３の移動によりその上に固定されたかかる
基板Ｐに対してパッド１０は相対的にＸ方向、Ｘ方向に
沿ってすべての位置を取り得るが、制御回路ユニット１
７は両者間の相対的位置関係を判断することにより該基
板Ｐの上記測定点上に位置したパッド１０に対してその
測定点の研磨加工量に対応する加工を行なうべく指令を
送出する。ところで、基板Ｐには各測定点を中心とする
一定の面積を有する加工領域が画成されていて、この加
工領域を単位として順次研磨加工が行なわれるが、この
場合、制御回路ユニット１７から作動信号を受けた駆動
モータ４，５によって試料台３が移動せしめられること
により、パッド１０が基板Ｐの任意の測定点上に位置す
ると試料台３は一旦この位置で停止すると共に駆動用モ
ータ１）がギア１２．１２′及び回転軸８を介してバン
ド１０を回転せしめる。 さらに、制御回路ユニット１７はバンドＩＯがこの測定
点の加工領域内で一定のジグザグ運動をするように試料
台３を移動せしめる駆動用モータ４゜５の作動を制御す
ると共にパッド１０のかかるジグザグ運動中核パッド１
０の基板Ｐに対する接触圧力が該制御回路ユニット１７
内に記憶されているこの測定点に対応した研磨加工量を
得るために適合した圧力になるように駆動用モータ１６
．１６′を作動せしめてアジャストブロック１３を介し
パッド１０を装着するアタッチメント８ａのストローク
を調節する。このように単位の加工領域において、その
中心位置である測定点に対応して予め決定された量だけ
研磨加工が行なわれ、基板Ｐの全域に亘り、測定点の配
列に従って試料台３を移動することにより加工領域毎に
かかる研磨加工が順次行なわれてい（。 次に上記の構成で成る研磨装置を用いた研磨方法の具体
例をさらに詳細に説明する。まず、研磨すべき薄膜が形
成された基板Ｐは、第４図に示す如く、格子状配列とな
るように複数の測定点ａ　ＩＩＩａｌｌ＋・・・・＋ａ
ｍａ（以下、任意の測定点を総括的に単に測定点ａとい
う）が選定され、予め干渉縞パターンの画像解析等によ
って各測定点ａにおける膜厚が測定される。この測定点
ａの膜厚測定値により基板Ｐ上の薄膜の厚さの分布を知
ることができ、そのためには基板Ｐの全域に亘り連続的
に測定することが理想的であるが、測定時間等の制約に
より基板Ｐの直径が５ｃｎ程度の場合は測定点ａとして
１６ケ所、又７．５億程度の場合は３６ケ所が適当であ
る。尚、このように測定点ａを離散的に設定する場合、
各測定点ａ間の膜厚は直線的に補間して推定されるが、
基板Ｐの表面が十分滑らかに加工されているので、かか
る補間により基板Ｐ上の全域に亘る正確な膜厚分布を知
るには十分である。 次いで、各測定点を中心にして一定面積を有する単位の
加工領域を画成するが、例えば測定点ａｄｚを中心とす
る場合にはその周辺の８個の測定点ａｌｌ＋　ａｌｌ＋
　ａｌ！＋　”１）＋　ａＲ＠＋　”＄１＋　８２＊＊
ａ、によって加工領域Ａｕｇ（同様にしてＡ　ｔ　３　
＋Ａ３！、・・・・、Ａ、い以下任意の加工領域を総括
的に単に加工領域Ａという）が画成される。ところで、
上述した研磨用のパッドＩＯの基板Ｐと接触すべき接触
面１０ａの直径は、該接触面の面積が加工領域Ａ２！の
面積より小さくなるように選ばれるが、この場合、加工
領域Ａ。の−辺の長さ（例えば測定点ａｌｌ＋　　３３
１間の距離）少なくとも１／２の大きさになるように選
定される（第５図参照）、この加工領域Ａｔｔを研磨す
る場合、パッド１０が第５図に示す如く該加工領域Ａ。 内でジグザグ状、の経路に沿って移動するように基板Ｐ
を載置する試料台３が駆動用モータ４．５によってテー
ブル３上を移動せしめられる。ここで、パッド１０の接
触面１０ａの加工領域ＡＩに対する接触圧力は後述する
ようにアジャストブロック１３によって調節されるもの
であるが、パッド１ｏの上記ジグザグ運動による基板Ｐ
上の薄膜に対する加工特性を第６図に示す、即ち、第６
図は加工領域Ａ！！における基板Ｐ上の薄膜の研磨量を
表わしていて、加工領域Ａ１．の外周部はどその中央部
に比してバンド１０による正味の加工時間が少ないため
に外周部に向って研磨量は単調に減少し、図示のように
測定点ａ、に対応する点を頂点とした四角錐状を呈する
。従って、このような加工特性を利用すれば、基板Ｐ上
の所望の測定点ａを中心にして薄膜の膜厚を局所的に減
少させることができ、この場合、加工領域Ａは測定点ａ
により画成されていて、測定点３間のｌＩ！厚は正確に
推定されているから、各測定点３間の膜厚の変化常態が
損われることはない。 かくして単位の加工領域Ａとして加工領域Ａ■の場合の
研磨加工が行なわれるが、さらにすべての加工領域Ａに
ついて上記と同様な方法で研磨加工を行なう、この際、
各加工領域Ａの中心に位置する測定点（以下、中心測定
点という）における薄膜の膜厚測定値に応じてバンド１
０の接触面１０ａの薄膜表面に対する接触圧力が次式に
従って設定される。 ｐ＝ｋ　（ｔ−ｔｏ　）菖・・−・・（１）ここで、ｐ
は接触圧力、には比例定数、Ｌは膜厚測定値、ｔ・は膜
厚目標値であり、指数ｘ＞１である。上式から分るよう
に、まず、研磨すべき薄膜の膜厚測定値ｔが膜厚目標値
ｔ、より大きい程、接触圧力ｐは大きくなる。これによ
り基板Ｐの全域に亘り各加工領域Ａ毎に適正な研磨量が
設定されて全体的に膜厚の均一化を図り得るが、さらに
ｘ＞ｌとすることによりかかる均一化をより高い精度で
実現できる。即ち、一般に接触面１０ａの接触圧力ｐを
研磨すべき薄膜の変化状態に対して単純な比例関係（つ
まり、ｘ−１）により設定した場合、膜厚の大きい部分
と小さい部分との間で両者の差を正確に加工量として置
喚えるには不充分であり、又短時間で膜厚のばらつきを
減少させることができない０例えば、２〜１０１）ｍ程
度の膜厚のばらつきがあるシリコン薄膜をｌＩｊｍの一
定の膜厚に仕上げる場合、メカノケミカルボリンラング
による加工速度の一般的な値は５０００人／分程度であ
るから全加工時間は１８分程度になるが、この間に膜厚
のばらつきを解消する必要があり、従って膜厚が最大の
部分を最大の加工速度で、又膜厚目標値ｔ、との膜厚の
差が小さい部分で加工量を極力少な（するように加工し
なければならない、このためには各加工領域Ａの中心測
定点の膜厚測定値に対して例えば二次関数的関係等非線
形関係で接触圧力ｐを設定することが最も効果的である
。この様に各加工領域Ａ毎にパッド１０の接触圧力を研
磨すべき薄膜の膜厚変化に応じて設定するので基板Ｐの
全域に亘り膜厚を均一にできるが、これは制御回路ユニ
ット１７により駆動用モータ１６．１６’を駆動せしめ
てアジャストブロック１３を介してパッドｌＯを装着す
るアタッチメント８ａの上下動によって行なわれる。 ところで、パッド１０の接触面１０ａの形状が円形であ
る場合、これを基板Ｐ上の一定の位置で回転させるとｆ
Ｉ膜に対する加工特性は第７図に示す如く、接触面１０
ａの外周部に対応して鋭いエツジ状を呈する。さらに、
かかるパッド１０を上述した如くジグザグ運動（第５図
参照）させるとパッド１０の移動経路に沿ってジグザグ
状の溝が形成されてしまい、これは薄膜の微視的平坦性
を著しく害し問題となる。この問題に対し、バンド１０
の接触面１０ａの形状を多角形にすることによりその解
決を図ることができる。即ち、第８図は多角形の接触面
１０ａを有するパッド１０を上記と同様基板Ｐ上の一定
の位置で回転させた場合の加工特性を示しているが、第
７図の如き接触面１０ａの外周部のエツジ状急峻性が緩
和されていることがわかる。これは、接触面１０ａの外
周部における薄膜に対する正味の加工時間が円形の場合
に比し相対的に減少したことによるものであり、これに
より薄膜表面の平坦性が微視的にも向上する。 この様な平坦性は、第９図に示す如く、パッドｌＯの接
触面１０ａを薄膜に対して例えば球面等凸状曲面に形成
することによっても得ることができる。このように曲面
にすることにより接触面１０ａの外周部はど薄膜に対す
る接触圧力を小さくすることができ、この結果加工特性
としては実質的に第８図に示したものと同様になる。 さらに、第１０図及び第１）図に示すように、パッド１
０を回転軸８（アタッチメント８ａ）に対して偏心させ
て、パッド１０を遊星運動せしめることによっても薄膜
表面の微視的平坦性を向上させることができる。この場
合、パッド１０は自転しつつ一定の公転円軌道上を公転
するが、自転の角速度と公転の角速度を、その大きさが
等しく且つ反対方向にすると共に、パッドの接触面ｌＯ
ａの半径ｒと公転軌道の半径Ｒと等しくすることにより
、接触面１０ａ及び薄膜の接触部分における相対速度が
接触面１０ａ内の任意の位置で等しくなって該薄膜は均
一に加工される。 第１２図は、第二実施例を示す、この例は、基板Ｐ及び
測定点ａの選定の仕方が第一実施例と同じである（第４
図）が、例えば単位の加工領域Ａ′ｏは測定点ａＩｉ＋
　　ａ１）＋　　ａ　＊２＊　　８３１によって画成さ
れている０図から明らかなように加工領域Ａ′の面積は
第一実施例における加工領域Ａの面積より小さく、又加
工領域Ａ′■　の−辺の長さは約０．７０７倍である。 この場合、基板Ｐは、加工領域Ａ′、の各辺がＸ方向、
Ｙ方向（第２図参照）に−敗するように研磨装置の試料
台３上に固定され、従って第一実施例の場合とは基板Ｐ
が試料台３に対して４５°の角度だけ回転した状態にな
っていて、加工方法は基本的には第一実施例の場合と同
様である。この例によれば、基板Ｐ上に形成された研磨
すべき薄膜の膜厚のばらつきが著しい場合に特に有効で
ある。ここで、第４図を参照して加工領域Ａ！、を例に
とると、その周辺の測定点ａｌｌ＋　　ａｔｌ＋　　ａ
　！！＋　　ａ　！ｔ　（第一隣接格子点という）及び
測定点ａｌｌ＋　　”　ｌ！＋　　ａ３ｔ＋　　ａ！ｓ
　（第二隣接格子点という）は、これらの点を中心とす
る加工領域Ａ　ｌｘ　、　Ａ　ｘ　＋　、　Ａ　ｔ　ｓ
　、　Ａ　３１　（第一隣接加工領域という）及び加工
領域Ａｚ＋　Ａ＋、＋　ＡＳ！ｌＡｓ５（第二隣接加工
領域という）と互いに加工領域を共有しているため、第
−隣接格子点及び第二隣接格子点の加工量は第一隣接加
工領域と第二隣接加工領域との双方から影響を受けるこ
とになる。 このため測定点ａ。の膜厚が第−及び第二隣接格子点の
膜厚に比して極端に薄く形成されている場合、加工領域
Ａ、の加工により第−及び第二隣接格子点の膜厚に対応
する加工量を加工領域の共有部分から除去してしまうと
、この共有部分の膜厚が膜厚目標値よりも薄（なり過ぎ
てしまうという不都合が生じる０本実施例によれば、か
かる加工領域の重畳を回避して特に膜厚のばらつきの著
しい薄膜に対し効果的である。尚、この例の場合、隣接
する四個の測定点（例えば測定点ａｌｌ＋　　ａｌｌ＋
ａ　ｌｌ＋　　ａ　ｉｓ）により画成される領域の中心
に位置する点く第１２図において符号ｂｌｌで示されて
いる。同様にして符号ｂ＋！＋　　ｂ１３＋　０．”＋
　　ｂ１３＋　”・・、ｂｌｌｌｌ）は全く加工されな
いことになるため、さらにこれらの点を中心とする加工
領域を設ける必要があり、例えば点ｂａｔを中心にして
点ｂ１８゜ｂ！Ｉ＋　　ｂ！＄＋　　ｂ２Ｎにより加工
領域Ｂ、が画成される。これらの点ｂ１９．・・・、＋
ｂｌ１ｍは測定点として選定されていないので、その膜
厚は測定されていないがこれらの点を加工する際のパッ
ド１０の接触面１０ａの接触圧力は周囲の測定点ａにお
ける膜厚測定値の平均値を以って設定される。 さらに第二実施例による研磨方法の具体例を説明すると
、直径が約５ａＩｌの二枚シリコン単結晶板を酸化して
貼合せた後、一方の単結晶板を従来の方法によりその厚
さが５μｍ程に研磨して成る基板Ｐを用いる。この基板
Ｐの膜厚分布は干渉式膜厚計による測定値として２〜７
μｍの範囲でばらついていた。測定点ａの間隔は８ｗｍ
に設定する。 一方、直径が８鶴の球面状に形成されたパッドｌＯの下
端面に、−辺が５．６６　ｍ−の正方形の人工皮革ポリ
ンラングパッドを貼着して接触面１０ａとなし、かかる
パッドｌＯを例えば加工領域Ａ′８゜においてジグザグ
状経路に沿って移動せしめ、このジグザグの振幅及び長
さはともに５．６６　ｓ＊とした。各加工領域における
パッド１０の接触面１０ａの接触圧力はｐ−ｋ（ｔ　　
ｔ＠　）”　　［１）式参照）によって設定すると共に
上述した加工領域Ｂに対する接触圧力はその中心点ｂｌ
　ｌ　＋　　ｂ　ｌ　ｇ　＋・・・・ｂ　ｈａの周囲の
四個の測定点ａの膜厚測定値の平均値を上式における膜
厚測定値ｔとして用いることにより決定する。かくして
基板Ｐの全域をＷ４羅して研磨加工を行なうと約２０分
間の加工時間内に最大１μｍの膜厚減少があり、さらに
この状態の膜厚分布をもとにしてパッドｌＯの接触圧力
を再決定して研磨加工を行なうという操作を上回繰返し
た結果、１±０．２μｍの−様なｌ！厚の３０１層が得
られた。 〔発明の効果〕 以上のように本発明方法によれば、このｌｌ薄膜試料の
研磨に適用して極めて均−且つ平坦度の高い薄膜を形成
することができ、その際加工時間としても能率良く行な
われて基板上の薄膜の研磨方法として優れた効果を発揮
する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、本発明方法を実施するために用い
る研磨装置の夫々正面図、平面図、側面図、第４図は本
発明の第一実施例による基板上の加工領域を画成する方
法を説明する基板の平面図、第５図は上記加工領域にお
ける研磨用のパッドの移動経路を示す基板の部分拡大図
、第６図は加工領域における研摩量の関係を示す図、第
７図は円形のバンドの接触面の半径方向に対する加工量
の関係を示すグラフ、第８図は多角形のバンドの接触面
の半径方向に対する加工量の関係を示すグラフ、第９図
はパッドの接触面の変形例を示す断面図、第１０図は回
転軸に偏心して装着されたパッドの断面図、第１）図は
該パッドの自転及び公転の関係を示す図、第１２図は第
二実施例による基板上の加工領域を画成する方法を説明
する基板の平面図である。 １・・・・ベースプレート、２、、−　テーブル、３．
。 ・・試料台、６・・・・研磨工具ユニット、８・・・・
回転軸、１０・・・・パッド、１０ａ・・・・接触面、
１３・・・・アジャストブロック、１７・・・・ｔ１４
ｍ回路ユニット、ａ、ｂ・・・・測定点、Ａ、Ｂ・・・
・加工領域、Ｐ・・・・基板。 第２図 第５図 第６図 第７図 ｔ９図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）研磨すべき薄膜を形成した基板に、該薄膜の厚さ
   を予め測定して成る複数の測定点を設定しておき、上記
   測定点を中心とした夫々一定面積を有する加工領域を画
   成し、該加工領域の面積よりも小さな面積になるように
   接触面の直径が設定された研磨用のパッドを上記加工領
   域内でジグザグ状の経路に沿って移動せしめると共に上
   記パッドの上記接触面の上記薄膜に対する接触圧力を各
   上記加工領域の中心位置である上記測定点の膜厚測定値
   に応じて変化せしめて、上記各加工領域毎に順次研磨加
   工を行なうようにした基板上の薄膜の研磨方法。
2. （２）上記パッドの上記接触面の直径が、上記加工領域
   の一辺の長さの少なくとも１／２である特許請求の範囲
   （１）に記載の基板上の薄膜の研磨方法。
3. （３）上記パッドの上記接触面が、上記薄膜の表面に対
   して凸状曲面に形成されている特許請求の範囲（１）に
   記載の基板上の薄膜の研磨方法。
4. （４）上記パッドの上記接触面の形状が、多角形である
   特許請求の範囲（１）に記載の基板上の薄膜の研磨方法
   。
5. （５）上記パッドは、その自転の角速度と公転の角速度
   とが、方向が反対で且つ大きさが等しく、上記自転の半
   径と上記公転の半径とが等しくなるように設定されてい
   る特許請求の範囲（１）に記載の基板上の薄膜の研磨方
   法。