JPH0757464B2 - 基板上の薄膜の研磨方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、SOI（Silicon on insulator）の如き一定膜
厚の薄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、
貼付け法によりSOI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
た薄膜の厚さも不均一な場合には、かかる薄膜そのもの
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、基板上の薄膜を極めて高
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
た一定面積を有する加工領域を画成し、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クザグ状の経路
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、研磨用のパッドの接触面は、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
の薄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、研磨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、１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、11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はボールス
クリュ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10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,Y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17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11がギア12,12′及
び回転軸８を介してパッド10を回転せしめる。さらに、
制御回路ユニット17はパッド10がこの測定点の加工領域
内で一定のジクザグ運転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1
0のかかるジグザグ運動中該パッド10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
いく。

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a₁₁,a₁₂,‥‥,a_nn（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
5cm程度の場合は測定点ａとして16ヶ所、又7.5cm程度の
場合は36ヶ所が適当である。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a₂₂を中心とする
場合にはその周辺の８個の測定点a₁₁,a₁₂,a₁₃,a₂₁,a₂₃,
a₃₁,a₃₂,a₃₃によって加工領域A₂₂（同様にしてA₂₃,A₃₂,
‥‥,A_mm、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10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A₂₂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A₂₂の一辺の長さ
（例えば測定点a₁₁,a₃₁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A₂₂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A₂₂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A₂₂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10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A₂₂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A₂₂の外周部ほどその中央部に比し
てパッド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
₂₂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ａ間の膜厚は正確に推定されて
いるから、各測定点ａ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A₂₂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、中心側定
点という）における薄膜の膜厚測定値に応じてパッド10
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−t₀）^ｘ ……（１） ここで、ｐは接触圧力,kは比例定数,tは膜厚測定値,t₀
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t₀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＞１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
換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。例えば、２〜10μｍ程度の
膜厚のばらつきがあるシリコン薄膜を１μｍの一定の膜
厚に仕上げる場合、メカノケミカルポリッシングによる
加工速度の一般的な値は5000Å／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t₀との膜厚の差が小さい部分
で加工量を極力少なく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10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薄膜に
対する加工特性は第７図に示す如く、接触面10aの外周
部に対応して鋭いエッジ状を呈する。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、パッド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
の外周部のエッ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10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の外周部ほ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11図に示すように、パッド10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10a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′₂₂は測定点a₁₂,a₂₁,
a₂₃,a₃₂によって画成されている。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′₂₂の一辺の長さは約
0.707倍である。この場合、基板Ｐは、加工領域Ａ′₂₂
の各辺がＸ方向,Y方向（第２図参照）に一致するように
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
A₂₂を例にとると、その周辺の測定点a₁₂,a₂₁,a₂₃,a
₃₂（第一隣接格子点という）及び測定点a₁₁,a₁₃,a₃₂,a
₃₃（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A₁₂,A₂₁,A₂₃,A₃₂（第一隣接加工領域とい
う）及び加工領域A₁₁,A₁₃,A₃₂,A₃₃（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、第一隣
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a₂₂の膜厚が第一及び第二隣接格
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A₂₂の加工により第一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くな
り過ぎてしまうという不都合が生じる。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a₁₁,a₁₂,a₂₁,
a₂₂）により画成される領域の中心に位置する点（第12
図において符号b₁₁で示されている。同様にして符号
b₁₂,b₁₃,‥‥,b₃₃,‥‥,b_nn）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b₂₂を中心にして点b₁₂,
b₂₁,b₂₃,b₃₂により加工領域B₂₂が画成される。これらの
点b₁₁,‥‥,b_nn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5cm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２〜７μ
ｍの範囲でばらついていた。測定点ａの間隔は8mmに設
定する。一方、直径が8mmの球面状に形成されたパッド1
0の下端面に、一辺が5.66mmの正方形の人工皮革ポリッ
シングパッドを貼着して接触面10aとなし、かかるパッ
ド10を例えば加工領域Ａ′₂₂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5.66mm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−t₀）^２（（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b₁₁,b₁₂,‥‥b_nn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
全域を網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10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七回繰返した結果、１±0.
2μｍの一様な膜厚のSOI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、この種薄膜試料の研
磨に適用して極めて均一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磨量の関係を示す図、
第７図は円形のパッ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図は多角形のパッドの接触
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11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
……制御回路ユニット、a,b……測定点、A,B……加工領
域、Ｐ……基板。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   記加工領域内でジク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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。