JP2020040160A - 加工システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の被加工面を精度良く平坦に加工する加工システム及び方法を提供する。【解決手段】加工システムは、回転するプラテン上の研磨パッド２２にウェハＷを押圧してウェハＷ表面を全面に亘って研磨する全体研磨用ＣＭＰ装置２０、全体研磨後の被加工物表面の高さを測定する高さセンサ２７、部分研磨用ＣＭＰ装置は、全体研磨後のウェハＷ表面のうち高さが所定閾値以上である部分研磨対象領域を局所的に研磨する部分研磨用ＣＭＰ装置を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、被加工物の表面（被加工面）を平坦に加工する加工システム及び方法に関する。

半導体製造分野では、被加工物としてシリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）の表面を平滑に研磨する化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を適用した研磨装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の研磨装置は、ウェハ及びプラテンを互いに回転させ、砥粒を含むスラリーを供給させながらウェハをプラテン上の研磨パッドに押し付けることにより、ウェハの表面を平滑化するものである。

特開２０１６−１５９３８５号公報

しかしながら、上述したような特許文献１記載は、ウェハ表面を全面に亘って一様に加工するため、研磨前のウェハ表面が不均一であると、ウェハ表面の凹凸がそのまま残存する虞があった。

そこで、被加工物の表面（被加工面）を精度良く平坦に加工するという解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る加工システムは、被加工物の表面を加工する加工システムであって、前記被加工物表面を全面に亘って研磨する全体研磨用ＣＭＰ装置と、全面に亘って研磨した後の前記被加工物表面のうち高さが所定閾値以上の領域を研磨する部分研磨用ＣＭＰ装置と、を備えている。

この構成によれば、被加工物表面を全面に亘ってＣＭＰ研磨した上で、被加工物表面のうち相対的に高い領域を局所的にＣＭＰ研磨して被加工物表面の凹凸を緩やかにすることにより、被加工物表面を一様にＣＭＰ研磨する場合と比較して、効率良く且つ高精度で被加工物表面を平坦に加工することができる。

また、本発明に係る加工システムは、前記全体研磨用ＣＭＰ装置は、部分研磨前の前記被加工物表面の高さを測定する測定装置を備え、前記部分研磨用ＣＭＰ装置は、前記高さが所定閾値以上の領域を研磨することが好ましい。

この構成によれば、測定装置で部分研磨前の被加工物表面の高さを測定することにより、被加工物表面のうち相対的に高い領域を精度良く検出可能なため、効率的に被加工物表面を平坦に加工することができる。

また、本発明に係る加工システムは、研磨前の前記被加工物を研削する研削装置をさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、複合基板等に対して研削、全体研磨及び部分研磨を連続して行うことにより、効率的に被加工物表面を平坦に加工することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る加工方法は、被加工物の表面を加工する加工方法であって、前記被加工物表面を全面に亘って研磨する全体ＣＭＰ工程と、全面に亘って研磨した後の前記被加工物表面のうち高さが所定閾値以上の領域を研磨する部分ＣＭＰ工程と、含んでいる。

この構成によれば、被加工物表面を全面に亘ってＣＭＰ研磨した上で、被加工物表面のうち相対的に高い領域を局所的にＣＭＰ研磨して被加工物表面の凹凸を緩やかにすることにより、被加工物表面を一様にＣＭＰ研磨する場合と比較して、効率良く且つ高精度で被加工物表面を平坦に加工することができる。

本発明は、被加工物表面を全面に亘ってＣＭＰ研磨した上で、被加工物表面のうち相対的に高い領域を局所的にＣＭＰ研磨して被加工物表面の凹凸を緩やかにすることにより、効率良く且つ高精度で被加工物表面を平坦に加工することができる。

本発明の一実施例に係る加工システムの構成を示す模式図。 研削装置の構成を示す模式図。 全体研磨用ＣＭＰ装置を模式的に示す斜視図。 部分研磨用ＣＭＰ装置の構成を示す模式図。 複合基板を加工する手順を示す模式図。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

図１は、加工システム１の基本的構成を示す模式図である。加工システム１は、被加工物の表面（被加工面）を加工するものであり、具体的には、ウェハを薄く平坦に加工したり、ウェハ表面に形成された酸化膜等を平坦に加工するものである。

以下では、被加工物として半導体結晶又は圧電結晶等の機能層に単結晶、多結晶セラミック又は非晶質等の支持基板（下地層）を接合した複合基板（以下、単に「ウェハＷ」という）を例に説明するが、被加工物はこれに限定されるものではなく、例えば単一層の基板であっても構わない。

加工システム１は、ウェハＷの研削加工、トリミング加工及び研磨加工を連続して行うものである。加工システム１は、研削装置１０と、全体研磨用ＣＭＰ装置２０と、部分研磨用ＣＭＰ装置３０と、制御装置４０と、を備えている。

また、加工システム１は、研削装置１０、全体研磨用ＣＭＰ装置２０及び部分研磨用ＣＭＰ装置３０の間でウェハＷを搬送する図示しない搬送装置を備えている。なお、加工システム１は、各種装置を単一のハウジング内に収容して構成されても構わないし、各装置が一つずつハウジング内に収容されたものを相互に連結して構成されても構わない。

図２は、研削装置１０の構成を示す模式図である。研削装置１０は、インデックステーブル１１と、インデックステーブル１１上に配置されてウェハＷの裏面を吸着保持するウェハチャック１２を備えている。

ウェハチャック１２は、上面にアルミナ等の多孔質材料からなる図示しない吸着体が埋設されている。ウェハチャック１２は、内部を通って表面に延びる図示しない管路を備えている。管路は、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源又は給水源に接続されている。真空源が起動すると、ウェハチャック１２に載置されたウェハＷがウェハチャック１２に吸着保持される。また、圧縮空気源又は給水源が起動すると、ウェハＷとウェハチャック１２との吸着が解除される。

ウェハチャック１２は、エアベアリング１３を介してインデックステーブル１１上に設けられている。エアベアリング１３のロータを介して、ウェハチャック１２と図示しないロータリージョイントとが接続されており、ウェハチャック１２は回転軸ａ１回りに回転可能に構成されている。

また、研削装置１０は、研削砥石１４と、スピンドル１５と、スピンドル送り機構１６と、を備えている。研削砥石１４には、例えばカップ型砥石が用いられる。研削砥石１４は、スピンドル１５の下端に取り付けられている。スピンドル１５は、研削砥石１４を回転軸ａ２回りに回転可能に支持している。スピンドル送り機構１６は、スピンドル１５を垂直方向（図２の紙面上下方向）に昇降させるように構成されている。スピンドル送り機構１６は、スピンドル１５と図示しないコラムとを連結する２つのリニアガイド１６ａと、スピンドル１５を垂直方向に昇降させる公知のボールネジスライダ機構（不図示）と、を備えている。

図３は、全体研磨用ＣＭＰ装置２０の構成を示す斜視図である。全体研磨用ＣＭＰ装置２０は、ウェハＷ表面を全面に亘って一様に平坦に加工するものである。全体研磨用ＣＭＰ装置２０は、プラテン２１と、研磨パッド２２と、研磨ヘッド２３と、を備えている。

プラテン２１は、円盤状に形成されており、プラテン２１の下方に配置された回転軸２４に連結されている。回転軸２４がモータ２５の駆動によって回転することにより、プラテン２１は図３中の矢印Ｄ１の方向に回転する。

プラテン２１の上面には、研磨パッド２２が貼付されている。研磨パッド２２は、例えばウレタン製であるが、これに限定されるものではない。なお、研磨パッド２２は、図３に示すように円形に形成されて研磨パッド２２の中央の回転軸回りに回転運動するものに限定されず、例えば、無端ベルト状に形成されて直線運動するものであっても構わない。

研磨パッド２２上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。スラリーは、プラテン２１の自転に応じて研磨パッド２２上に広がり、ウェハＷと研磨パッド２２との接触領域に供給される。スラリーは、例えば、酸化剤及び研磨材を含むもの、シリカスラリー等である。酸化剤は、例えば、セリアスラリー、アルミナスラリー等であるが、これに限定されるものではない。また、スラリーにウェハＷの表面を親水化させる濡れ剤を添加しても構わない。

研磨ヘッド２３は、プラテン２１より小径の円盤状に形成されており、研磨ヘッド２３の上方に配置された回転軸２６に連結されている。回転軸２６が図示しないモータの駆動によって回転することにより、研磨ヘッド２３は、図３中の矢印Ｄ２の方向に回転する。研磨ヘッド２３は、図示しない昇降装置によって垂直方向に昇降自在である。研磨ヘッド２３は、ウェハＷを研磨する際に下降して研磨パッド２２にウェハＷを押圧する。

全体研磨用ＣＭＰ装置２０は、ウェハＷ内の機能層の厚み（高さ）を測定する高さセンサ２７を備えている。高さセンサ２７は、例えばレーザ光を用いたレーザ干渉計であるが、これに限定されるものではない。高さセンサ２７は、プラテン２１の下方に配置されている。高さセンサ２７は、プラテン２１及び研磨パッド２２を垂直方向に貫通する孔２８に装着された透過性の窓２９を介してレーザ光をウェハＷ表面に投射し、ウェハＷで反射した反射光を受光することにより、機能層の厚みを測定する。

図４は、部分研磨用ＣＭＰ装置３０の構成を示す模式図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。

部分研磨用ＣＭＰ装置３０は、ウェハチャック３１と、プラテン３２と、を備えている。

ウェハチャック３１は、ウェハＷ表面を上方に向けた状態でウェハＷを吸着保持する。ウェハチャック３１の上面にアルミナ等の多孔質材料からなる図示しない吸着体が埋設されている。ウェハチャック３１は、内部を通って表面に延びる図示しない管路を備えている。管路は、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源又は給水源に接続されている。真空源が起動すると、ウェハチャック３１に載置されたウェハＷがウェハチャック３１に吸着保持される。また、圧縮空気源又は給水源が起動すると、ウェハＷとウェハチャック３１との吸着が解除される。

ウェハチャック３１は、図示しないスライド機構に連結されている。スライド機構は、例えば、ウェハチャック３１を載置したスライダを水平方向にスライドさせるボールネジスライダ機構等である。ウェハチャック３１は、スライド機構によってＸ方向、Ｙ方向に任意にスライド可能に構成されている。

プラテン３２は、ウェハチャック３１より小径の円盤状に形成され、ウェハチャック３１の上方に配置されている。プラテン３２は、プラテン３２の上方に配置された回転軸３３に連結されている。回転軸３３が図示しないモータの駆動によって回転することにより、プラテン３２は図４（ａ）中の矢印の向きに回転する。プラテン３２は、図示しない昇降装置によって垂直方向に昇降自在である。

プラテン３２の上面には、研磨パッド３４が貼付されている。研磨パッド３４は、例えばウレタン製であるが、これに限定されるものではない。プラテン３２がウェハチャック３１に向かって下降すると、研磨パッド３４がウェハＷを押圧して研磨する。

プラテン３２には、内部を通って下面に延びる管路３５が設けられている。管路３５を介して、研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが研磨パッド３４に供給される。スラリーは、プラテン３２の自転に応じて研磨パッド３４の径方向に広がり、ウェハＷと研磨パッド３４との接触領域に供給される。スラリーは、例えば、酸化剤及び研磨材を含むもの、シリカスラリー等である。酸化剤は、例えば、セリアスラリー、アルミナスラリー等であるが、これに限定されるものではない。また、スラリーにウェハＷの表面を親水化させる濡れ剤を添加しても構わない。

加工システム１は、制御装置４０によって動作を制御されている。制御装置４０は、加工システム１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御装置４０は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御装置４０の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。

次に、加工システム１を用いてウェハＷの機能層を平坦化する手順について、図５に基づいて説明する。

［研削工程］
ウェハＷをウェハチャック１２に吸着保持した後に、研削砥石１４をウェハＷの近傍まで接近させる。次に、ウェハチャック１２及び研削砥石１４をそれぞれ回転させながら、研削砥石１４をウェハＷ表面に押し当てる。

研削装置１０の研削条件は、例えば、ウェハチャック１２の回転速度は３００ｒｐｍ、研削砥石１４の番手は＃６０００、スピンドル１５の回転速度は２０００ｒｐｍ、スピンドル送り機構１６の送り速度は０．４μｍ／ｓである。

研削装置１０は、図５（ａ）に示すように、ウェハＷを所望の厚み（例えば、６μｍ）にまで研削する。なお、研削工程は、単一の研削装置のみで行うものであっても、加工条件が異なる複数の研削装置を用意して段階的に行うものであっても構わない。

［全体研磨工程］
ウェハＷ表面が研磨パッド２２に対向するようにウェハＷが研磨ヘッド２３の下端に取り付けられた後に、研磨ヘッド２３を研磨パッド２２まで接近させる。次に、図５（ｂ）に示すように、プラテン２１及び研磨ヘッド２３をそれぞれ回転させながら、研磨ヘッド２３がウェハＷを研磨パッド２２に向けて押圧する。なお、図５（ｂ）では、説明の都合上、研磨パッド２２及び研磨ヘッド２３とウェハＷとを上下反転して図示している。

全体研磨用ＣＭＰ装置２０の研磨条件は、例えば、プラテン２１の回転速度は８０ｒｐｍ、研磨ヘッド２３の回転速度は８０ｒｐｍ、ウェハＷに作用する圧力は３ｐｓｉ、研磨時間６０ｓｅｃである。

全体研磨用ＣＭＰ装置２０は、ウェハＷ表面を全面に亘って一様に研磨する。研磨パッド２２による研磨量は、例えばウェハＷの表面から約２μｍに設定される。

研削装置１０による研削が終了すると、図５（ｃ）に示すように、ＣＭＰ研磨後のリンス処理時に、プラテン２１が窓２９がウェハＷの下方を通過する度に、高さセンサ２７が、ウェハＷ全面に亘って機能層の厚みを測定して研磨後のウェハＷ表面の細かい凹凸の高さを測定する。高さセンサ２７の測定地点は、研磨ヘッド２３がプラテン２１に対して水平方向に移動しながら自転することにより、ウェハＷ表面で任意に設定可能である。なお、図５（ｃ）では、説明の都合上、高さセンサ２７とウェハＷとを上下反転して図示している。

制御装置４０は、高さセンサ２７が測定した測定地点の座標及び高さに基づいて、ウェハＷ表面の形状を示すプロファイルを生成する。

［部分研磨工程］
部分研磨用ＣＭＰ装置３０は、プロファイルに基づいて、ウェハＷ内において表面の高さが予め設定された所定閾値以上の測定地点を含む領域を部分研磨対象領域として抽出するとともに、部分研磨対象領域に対して局所的にＣＭＰ研磨を行う。

具体的には、まず、ウェハＷ表面が研磨パッド３４に対向するようにウェハＷがウェハチャック３１に吸着保持された後に、ウェハＷ内の部分研磨対象領域が研磨パッド３４と対向するように、スライド機構が、ウェハチャック３１をプラテン３２に対して水平方向にスライドさせる。

次に、研磨パッド３４をウェハＷまで接近させて、図５（ｄ）に示すように、回転不能に保持されたウェハＷに研磨パッド３４が回転しながら押圧される。研磨条件は、例えば、プラテン３２の回転速度は８０ｒｐｍ、ウェハＷに作用する圧力は３ｐｓｉ、研磨時間６０ｓｅｃである。

部分研磨用ＣＭＰ装置３０は、ウェハＷ内の部分研磨対象領域を局所的に研磨する。研磨パッド２２による研磨量は、例えばウェハＷの表面から約２μｍに設定される。なお、複数の部分研磨対象領域が抽出された場合には、部分研磨用ＣＭＰ装置３０による部分研磨を各領域に対して行う。

このようにして、上述した加工システム１は、ウェハＷ表面を全面に亘ってＣＭＰ研磨した上で、ウェハＷ表面のうち高さが所定閾値以上である部分研磨対象領域を局所的にＣＭＰ研磨してウェハＷ表面の凹凸を緩やかにすることにより、効率良く且つ高精度でウェハＷ表面を平坦に加工することができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

上述した実施形態では、研削工程、全体研磨工程及び部分研磨工程を経てウェハを薄く平坦に加工する場合を例に説明したが、ウェハ表面の酸化膜を平坦に加工する場合には、研削工程は不要である。

１ ・・・加工システム
１０ ・・・研削装置
１１ ・・・インデックステーブル
１２ ・・・ウェハチャック
１３ ・・・エアベアリング
１４ ・・・研削砥石
１５ ・・・スピンドル
１６ ・・・スピンドル送り機構
２０ ・・・全体研磨用ＣＭＰ装置
２１ ・・・プラテン
２２ ・・・研磨パッド
２３ ・・・研磨ヘッド
２４ ・・・回転軸
２５ ・・・モータ
２６ ・・・回転軸
２７ ・・・高さセンサ
２８ ・・・孔
２９ ・・・窓
３０ ・・・部分研磨用ＣＭＰ装置
３１ ・・・ウェハチャック
３２ ・・・プラテン
３３ ・・・回転軸
３４ ・・・研磨パッド
３５ ・・・管路
４０ ・・・制御装置
Ｓ ・・・ステージ
Ｗ ・・・ウェハ

Claims (4)

1. 被加工物の表面を加工する加工システムであって、
   前記被加工物表面を全面に亘って研磨する全体研磨用ＣＭＰ装置と、
   全面に亘って研磨した後の前記被加工物表面のうち高さが所定閾値以上の領域を研磨する部分研磨用ＣＭＰ装置と、
   を備えていることを特徴とする加工装置。
2. 前記全体研磨用ＣＭＰ装置は、部分研磨前の前記被加工物表面の高さを測定する測定装置を備え、
   前記部分研磨用ＣＭＰ装置は、前記高さが所定閾値以上の領域を研磨することを特徴とする請求項１記載の加工システム。
3. 研磨前の前記被加工物を研削する研削装置をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の加工システム。
4. 被加工物の表面を加工する加工方法であって、
   前記被加工物表面を全面に亘って研磨する全体ＣＭＰ工程と、
   全面に亘って研磨した後の前記被加工物表面のうち高さが所定閾値以上の領域を研磨する部分ＣＭＰ工程と、
   を含むことを特徴とする加工方法。