JPH02257627A - 半導体ウエーハの研磨方法及び装置 - 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） 本願発明は、シリコン等からなる半導体ウェーハの研磨
方法及び装置に関する。

（従来の技術） ＬＳＩ等の大規模集積回路を製作する材料である半導体
ウェーハは、最終鏡面仕上を行う研磨工程において、そ
の最終品質が決定される。

上記研磨工程では、−船釣にメカニカルポリッシングと
呼ばれる研磨手法が採用されている。即ち、５〜３００
ｍｍ程度の粒径な有するＳｉＯ□粒子を苛性ソーダ、ア
ンモニア及びエタノールアミン等のアルカリ溶液に懸濁
させてＰＨを９〜１２程度に調整した、いわゆるコロイ
ダルシリカから成る研磨液と、ポリウレタン樹脂等から
成る研磨布とを用いて研磨を行う。

そして上記研磨工程は、−船釣に第７図に示すように、
１次、２次、３次の３段階から成る。具体的には、１次
研磨では、前工程で生じた歪を除去することを目的とし
て、高硬度研磨布により５〜２０ｐｍ程度の研磨を行う
。そして２次研磨では、上記１次研磨で生じた歪を除去
することを目的として中硬度研磨布により０゜？−５ｐ
ｍ＋程度の研磨を行い、最後の３次研磨では、ウェーハ
表面に残っている曇り（ヘイズ）を除去することを目的
として、低硬度研磨布により０．０１〜１．０μ、ｍ程
。度の研磨を行い、超精密な半導体ウェーハを得るので
ある。例えば、５インチウェーハの場合、全厚さむら（
ＴＴＶ）が３〜４ｐｍ、面粗さが１〜１０人程度被着精
密な半導体ウェーハとなされる。

そして上記１〜３次研磨において上述のコロイダルシリ
カを含む高価な研磨液が使用されているのであり、単位
時間当り多量に研磨液を使用する１次、２次研磨では、
通常、研磨液はリサイクル使用され、所定の寿命到達時
に交換される。

第６図は従来の１次又は２次研磨の研磨装置の概念図で
あって、該図において、１は研磨機であり、該研磨機１
の座２上に研磨布３が置かれる。

４は座２の天井部から垂下せしめられた回転軸であり、
該回転軸４の下端に半導体ウェーハ５が支持されている
。研磨液６はタンク７に収められ、該タンク７から供給
配管８によって座２の上面に供給され、研磨使用された
研磨液６は、戻り配管９によって座２から上記タンク７
へ戻される。そして上記供給配管８の中途部適所には、
供給ポンプ１０及びフィルタ１１が付設されている。

（発明が解決しようとする課題） ところで従来の半導体ウェーハの研磨には次のような問
題点がある。

研磨は通常、研磨剤を使用する実研磨と、その後、水を
使用した水リンスとからなり、その研磨剤と水との切換
えが不十分であつた場合、研磨液に水が混入することが
あり、この場合にコロイダルシリカの含有濃度（以下、
「研磨液濃度」と称する）が小さくなって、単位時間当
りの研磨スピードが低下する。

また、半導体ウェーハが研磨されることによって生じた
微少シリカが、研磨液中のコロイダルシリカに吸着され
、コロイダルシリカの凝集が起り、研磨液の研磨能力が
使用寿命に比例して低下し、第４図に示すように、単位
時間当りの研磨スピードが低下する。

上記コロイダルシリカの凝集は、研磨液が新液である場
合と重液である場合とを比較して見れば一目瞭然である
。

すなわち、第５図は、研磨液が新液である場合の粒径分
布と重液である場合の粒径分布を対比して示すグラフで
、新液である場合は、コロイダルシリカの粒径が４ＯＮ
Ｍ〜２０ＯＮＭの範囲であるのに対し、重液である場合
は、４ＯＮＭ〜９０ＯＮＭの範囲である。なお、各粒径
の量は左縦軸の数値で読み取る棒グラフで示し、一定粒
径以下の累積量は左縦軸の数値で読み取る線グラフ（白
抜きは新液、塗りつぶしは重液）で示している。

なお、第４図は、研磨液のリサイクル回数を横軸に採り
、また単位時間当りの研磨スピードを縦軸に採ったもの
である。

更に、従来の半導体ウェーハの研磨では、第６図に示す
ように、フィルタ１１で凝集粗大シリカ粒子又はその他
の粗大粒子を研磨液６から分離するようにしていたが、
上記フィルタ１１の分離能力が十分でなく、研磨進行中
の半導体ウェーハ５に研磨キズを生じさせることが多か
った。

本願発明は、上記問題点を解決することを課題としてな
されたものである。

（課題を解決するための手段） すなわち、第１の発明は、半導体ウェーハを研磨布で研
磨する際、研磨面に対しコロダルシリカを含有する研磨
液を循環使用する半導体ウェーハの研磨方法において、
研磨液の循環径路途中に遠心分離器を付設し、該遠心分
離器により凝集粗大シリカを除去しつつ研磨液を循環使
用する半導体ウェーハの研磨方法であり、第２の発明は
、研磨機と、研磨液を貯留するタンクと、循環経路を設
けるべく前記研磨機とタンク間に付設された配管と、該
配管の途中部に付設された供給ポンプとを具備する半導
体ウェーハの研磨装置において、前記タンクに遠心分離
器を付設した半導体ウェーハの研磨装置であり、第３の
発明は、半導体ウェー八を研磨布で研磨する際、研磨面
に対しコロイダルシリカを含有する研磨液を循環使用す
る半導体ウェーハの研磨方法において、研磨面に供給す
べき研磨液の濃度を計測し、該計測値に基いて高濃度の
研磨原液及び水等溶媒を、適宜供給することにより研磨
面に供給すべき研磨液の濃度を一定に保持し、研磨布で
半導体ウェーハを研磨する半導体ウェーハの研磨方法で
あり、第４の発明は、研磨機と、研磨液を貯留するタン
クと、循環経路を設けるべく前記研磨機とタンク間に付
設された配管と、該配管の中途部に付設された供給ポン
プとを具備する半導体ウェーハの研磨装置において、前
記タンク内に超音波伝播速度計測器を配設する一方、タ
ンクに研磨液の原液タンク及び溶媒タンクを付設し、こ
れら再供給タンクに比例弁を取付け、更に超音波伝播速
度計測器の計測値を演算して前記比例弁を制御する制動
装置を備えさせた半導体ウェーハの研磨装置であり、第
５の発明は、研磨機と、研磨液を貯留するタンクと、循
環経路を設けるべく前記研磨機とタンク間に付設された
配管と、該配管の中途部に付設された供給ポンプとを具
備する半導体ウェーハの研磨装置において、前記タンク
内にディスプレーサを配設する一方、タンクに研磨液の
原液タンク及び溶媒タンクを付設し、これら再供給タン
クに比例弁を取付け、更にディスプレーサの受ける浮力
の計測値を演算して前記比例弁を制御する制動装置を備
えさせた半導体ウェーハの研磨装置であり、第６Ｑ発明
は、半導体ウェー八を研磨布で研磨する際、研磨面に対
しコロイダルシリカを含有する研磨液を循環使用する半
導体ウェーハの研磨方法において、研磨面に供給すべき
研磨液の濃度を計測し、該計測値に基いて高濃度の研磨
原液及び水等溶媒を、適宜供給することにより研磨面に
供給すべき研磨液の濃度を一定に保持し、更に、研磨液
の循環経路途中に遠心分離装置を付設し、該遠心分離装
置により凝集粗大シリカを除去しつつ研磨液を循環使用
して、研磨布で半導体ウェーハを研磨する半導体ウェー
ハの研磨方法である。

より具体的に説明すると、−船釣に、研磨に際してリサ
イクル使用（循環使用）されるコロイダルシリカ粒子の
粒径分布は、第５図に示すように、重液の方が、大きい
粒径のコロイダルシリカが多くなる。その理由は、上述
したように、半導体ウェー八が研磨されることによって
生じた微少シリカ（研磨くず）が研磨剤中に吸入され、
その結果凝集粗大シリカ粒子の割合が増加するからであ
る。このとき研磨液の色も乳白色から次第に赤茶色に変
色する。

上記赤茶色状の凝集粗大シリカ粒子は、遠心力場におく
ことによって容易に沈降させることができる。つまり、
球形粗大粒子の沈降速度Ｖは、Ｖ＝２　（ＰＩ−Ｐ、）
　ｄ”ｇ／９ｎ。

但しｐ、・・・球形粗大粒子の密度 ｄ・・・球形粗大粒子の半径 ｐｏ・・・分散媒の密度 ｎｏ・・・粘性係数 ｇ・・・遠心力 で表わされる。

従って、重力加速度の８０００倍程度以上の遠心力を有
する遠心力場に赤茶色状の凝集粗大シリカ粒子を有する
研磨液を通し、且つその処理時間を適度に設定してやれ
ば凝集粗大シリカ粒子のみを沈降させることができる。

また、一定時間内に施される研磨によって均質な半導体
ウェーハを得るためには、常時一定濃度の研磨液を供給
してあげる必要がある。

ところで、−船釣に、同質のコロイダルシリカを含む研
磨液濃度は、研磨液の比重に比例する。

従って、研磨液の比重を算出し、その数値に基いて研磨
液濃度を一定に保持することができる。

上記比重の計測においては、超音波伝播速度計測により
比重を算出する方法、或いはディスプレーサ（浮き）を
利用した直接比重計測法を採用し得る。

前者は、液体中を伝わる超音波の速さが液体の成分（濃
度）と温度とによって大きく変化する原理を利用して液
体の濃度を計測するもので、具体的には、液体の比重な
Ｐ、体積弾性率をｅ、液体中の超音波の伝播速度なυ、
としたとき、Ｐ＝ｅ／υｘ２ となることを利用したものである。なお、市販の超音波
液体用濃度計としては、例えば、ＦＵＤ−１（商品名：
富士工業株式会社製）等が挙げられる。また、後者は、
ディスプレーサ（浮き）を研磨液中に投入し、ここで受
ける浮力を計測して比重を算出するものである。

（作　用） 供給配管に流される研磨液は、研磨機に送られ研磨に供
される。使用された研磨液中には微少なシリカ粒子を供
って戻り配管を通りタンクに戻されるが、やがて上記微
少なシリカ粒子がコロイダルシリカに吸着されて研磨液
中に凝集粗大シリカが生成される。この凝集粗大シリカ
を含む研磨液は上記遠心分離器に通されて、ここで凝集
粗大シリカが除かれる。このようにして凝集粗大シリカ
が除かれると研磨液の濃度が低下するが、研磨液の濃度
低下が検知されると比例弁が開いて研磨原液及び溶媒が
注入され、研磨液の濃度を一定に保持する。かくして、
常時一定粒径以下のコロイダルシリカを含み一定濃度と
なされた研磨液が半導体ウェーハの研磨に再使用される
ことになる。

（実施例） 以下、本願発明を添付図面に基いて説明する。

第１図は、研磨液の比重測定（換言すれば濃度測定）を
超音波伝播速度計測器にいて行う実施例を示す概念図、
第２図は遠心分離器の拡大断面図、第３図は研磨液の比
重測定（換言すれば濃度測定）をディスプレーサ（浮き
）によって行う実施例を示す概念図であり、これらの図
中、第６図に用いた符号と同一の符号は、同−物若しく
は該当物を示す。

第１図及び第３図の実施例図に示すように、タンク７に
は、凝集粗大シリカを除去するために遠心分離器１２が
付設されている。この遠心分離器１２は、第２図に断面
して示す如き構成のもので、１２ａは回転筒、１２ｂは
電動機、１２ｅは軸受を示す。

更に具体的には、タンク７に分枝供給管１３を枝出しし
てその先端に遠心分離器１２の一端を接続し、更に該遠
心分離器１２の他端に分枝戻り管ｌ４を接続し、この分
枝戻り管１４の他端をタンク７に到らせている。また、
１５は定流量弁で、研磨液６を遠心分離器１２内に送り
込むべく、また、研磨液６の通過時間を所定の時間とな
すべく分枝供給管１３の中途部に設けている。従って、
タンク７内に存する研磨液６は常に遠心分離器１２を通
され、該遠心分離器１２て凝集粗大シリカが分離除去さ
れる。ここで上記遠心分離器１２は重力加速度の８００
０倍以上の遠心力を与え得るものが必要であり、例えば
市販のものではシャープレス（商標名：巴工業株式会社
製）等を採用すればよい。なお、当該遠心分離器１２内
における研磨液６の通過時間は１〜６分間位に設定する
のが好ましい。

更に上記タンク７には、タンク７内に研磨原液１６を供
給すべく、送給管１７を備えた原液タンク１８が、そし
て、タンク７内に水等溶媒１９を供給すべく送給管２０
を備えた溶媒タンク２１が付設されている。

１７ａ、２０ａは上記供給管１７．２０に設けられた比
例弁であり、研磨原液１６と溶媒１９の送給割合を一定
比率に維持する役割を担っており、これら比例弁１７ａ
、２０ａの作動量は、タンク７内の研磨液６に比重（換
言すれば濃度）によって制御される。

すなわち、第１図の実施例では、タンク７内の研磨液６
中の超音波伝播速度計測器２２を配設して、この超音波
伝播速度計測器２２によって研磨液６の比重を測定し、
該測定値に基いて制御装置２３により上記比例弁１７ａ
、２０ａの開度を調整している。

また、第３図の実施例は、いわゆる直接比重測定法であ
って、タンク７内の研磨液６中に、ディスプレーサ２４
（浮き）を配し、該ディスプレーサ２４の受ける浮力を
トルクメータ２５に計測せしめ、上記制動装置２３で比
例弁１７ａ、２０ａの開度を調整している。

かくして、比例弁１７ａ、２０ａの適正な開度調整によ
りタンク７内の研磨液６の濃度が常時−足保持され、供
給配管８には常に一定濃度の研磨液が送り込まれること
になる。

（発明の効果） 以上説明したように、本願発明に依れば、凝集粗大シリ
カを除去してコロイダルシリカ全体の粒度分布を均一化
しているため、研磨キズの発生を未然に防止できると共
に、研磨液の使用寿命を延ばし得る。そして、供給すべ
き研磨液の濃度を一定に保持しているため、半導体ウェ
ーハの研磨スピードを均一化でき、研磨液の交換使用を
可及的に押え得て作業性が向上することができ、更には
従来必要であったフィルターの清掃管理を行わなくて済
む等、多岐に亘る効益を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は研磨液の比重測定を超音波伝播速度計測器にて
行う実施例を示す概念図、第２図は遠心分離器の拡大断
面図、第３図は研磨液の比重測定をディスプレーサ（浮
き）によって行う実施例を示す概念図、第４図は研磨液
のリサイクル回数と研磨スピードとの関係を示すグラフ
、第５図は研磨液が新液である場合と重液である場合に
おける粒径分布グラフ、第６図は従来の研磨装置の概念
図、第７図は研磨工程のフローチャートである。 １・・・研磨機　　　　　３・・・半導体ウェーハ５・
・・研磨布　　　　　６・・・研磨液７・・・タンク　
　　　　８・・・供給配管９・・・戻り配管　　　　１
０・・・供給ポンプ１２・・・遠心分離器　　１６・・
・研磨原液１７ａ・・・比例弁　　　１８・・・原液タ
ンク１９・・・溶媒　　　　　２０ａ・・・比例弁２１
・・・溶媒タンク ２２・・・超音波伝播速度測定器 ２３・・・制動装置　　　２４・・・ディスプレーサ特
許出願人　九州電子金属株式会社

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体ウェーハを研磨布で研磨する際、研磨面に
   対しコロイダルシリカを含有する研磨液を循環使用する
   半導体ウェーハの研磨方法において、研磨液の循環径路
   途中に遠心分離器を付設し、該遠心分離器により凝集粗
   大シリカを除去しつつ研磨液を循環使用することを特徴
   とする半導体ウェーハの研磨方法。
2. （２）研磨機と、研磨液を貯留するタンクと、循環経路
   を設けるべく前記研磨機とタンク間に付設された配管と
   、該配管の途中部に付設された供給ポンプとを具備する
   半導体ウェーハの研磨装置において、 前記タンクに遠心分離器を付設したことを特徴とする半
   導体ウェーハの研磨装置。
3. （３）半導体ウェーハを研磨布で研磨する際、研磨面に
   対しコロイダルシリカを含有する研磨液を循環使用する
   半導体ウェーハの研磨方法において、研磨面に供給すべ
   き研磨液の濃度を計測し、該計測値に基いて高濃度の研
   磨原液及び水等溶媒を、適宜供給することにより研磨面
   に供給すべき研磨液の濃度を一定に保持し、研磨布で半
   導体ウェーハを研磨することを特徴とする半導体ウェー
   ハの研磨方法。
4. （４）研磨機と、研磨液を貯留するタンクと、循環経路
   を設けるべく前記研磨機とタンク間に付設された配管と
   、該配管の中途部に付設された供給ポンプとを具備する
   半導体ウェーハの研磨装置において、 前記タンク内に超音波伝播速度計測器を配設する一方、
   タンクに研磨液の原液タンク及び溶媒タンクを付設し、
   これら両供給タンクに比例弁を取付け、更に超音波伝播
   速度計測器の計測値を演算して前記比例弁を制御する制
   動装置を備えさせたことを特徴とする半導体ウェーハの
   研磨装置。
5. （５）研磨機と、研磨液を貯留するタンクと、循環経路
   を設けるべく前記研磨機とタンク間に付設された配管と
   、該配管の中途部に付設された供給ポンプとを具備する
   半導体ウェーハの研磨装置において、 前記タンク内にディスプレーサを配設する一方、タンク
   に研磨液の原液タンク及び溶媒タンクを付設し、これら
   両タンクに比例弁を取付け、更にディスプレーサの受け
   る浮力の計測値を演算して前記比例弁を制御する制動装
   置を備えさせたことを特徴とする半導体ウェーハの研磨
   装置。
6. （６）半導体ウェーハを研磨布で研磨する際、研磨面に
   対しコロイダルシリカを含有する研磨液を循環使用する
   半導体ウェーハの研磨方法において、研磨面に供給すべ
   き研磨液の濃度を計測し、該計測値に基いて高濃度の研
   磨原液及び水等溶媒を、適宜供給することにより研磨面
   に供給すべき研磨液の濃度を一定に保持し、更に、研磨
   液の循環経路途中に遠心分離装置を付設し、該遠心分離
   装置により凝集粗大シリカを除去しつつ研磨液を循環使
   用して、研磨布で半導体ウェーハを研磨することを特徴
   とする半導体ウェーハの研磨方法。