JP3578975B2

JP3578975B2 - シリコンウエハの高速鏡面研磨方法

Info

Publication number: JP3578975B2
Application number: JP2000176628A
Authority: JP
Inventors: 暢木下; 和人安藤; 良貴山本
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2020-06-13
Also published as: JP2001358099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハを高速度で鏡面研磨することが可能なシリコンウエハの高速鏡面研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンウエハの鏡面研磨方法としては、例えば、シリカ粒子とＫＯＨ等のアルカリを含むスラリーやコロイダルシリカを研磨材として用い、不織布タイプやスウェードタイプの軟質パッドにより、２〜３段階の多工程で研磨する多段階研磨方法が知られている。
【０００３】
〔問題点〕
しかしながら、従来の研磨方法では、研磨速度が著しく低く、また工程数も多く、このため、目的とする鏡面を得るためには長時間を要し、生産性が極めて低いものであった。
即ち、鏡面加工の前工程として、ラッピング加工の後、加工ダメージ層の除去のため、酸或いはアルカリ溶液によるエッチング処理が必要であり、その後、鏡面研磨工程として、少なくとも研磨条件の異なる２〜３段階の多段階研磨を行わなければならず、極めて工程数が多く、スループットの悪い鏡面研磨プロセスであった。
また、シリカはシリコンよりも硬質なため、ウエハにスクラッチ傷等のダメージを与え易く、また、軟質クロスを用いた研磨方法であるため、エッジ部ダレが生じやすく、ウエハの使用可能面積が狭くなり、コスト高となっていた。
更に、研磨材にＫＯＨ等のアルカリ水溶液を含むため、廃液処理問題や研磨装置および治具が損傷するという不具合があった。
更にまた、エッチング液も廃液処理問題を有するものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術が有する上記問題点に鑑みなされたものであって、その解決のため具体的に設定された課題は、鏡面研磨速度が著しく向上し、少ない工程数で短時間に鏡面が得られることによりスループットが向上し、ウエハにスクラッチ傷や加工変質層等のダメージを与えることがなく、しかも廃液処理問題や研磨装置および治具が損傷する不具合も生じることがないシリコンウエハの高速鏡面研磨方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を効果的に解決できるよう具体的に構成された手段としての、本発明における請求項１に係るシリコンウエハの高速鏡面研磨方法は、シリコンウエハを表面粗さＲａが１５０ｎｍ以下になるまで表面加工し、この加工表面を砥粒が炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子である研磨材を用いて湿式研磨条件の下で鏡面研磨することを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
ただし、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるため具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、発明内容を限定するものでない。
【０００７】
本実施の形態に係るシリコンウエハの高速鏡面研磨方法は、従来の公知方法により表面粗さＲａが１５０ｎｍ以下となるようにシリコンウエハを予め表面加工する行程（以下、加工工程という）と、この表面加工後のシリコンウエハを、砥粒として炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子のみを含む研磨材を用いて湿式研磨条件の下で鏡面研磨する行程（以下、研磨工程という）とを少なくとも有している。
なお、本明細書において、「表面粗さＲａ」とは、接触指針型表面粗さ計等で測定される研磨体表面における凸部と凹部との段差の平均をいう。
【０００８】
以下、各工程毎に詳説する。
「加工工程」
表面粗さＲａが１５０ｎｍ以下となるようシリコンウエハの表面を加工する従来公知の表面加工方法としては、特段制限されるものではなが、例えば、ラッピング法や研削法等を例示することができ、中でも研削法によるのが好ましい。研削法によるのが好ましい理由は、研削加工法によるウエハはダメージ層が薄く、また必ずしも明確ではないが、シリコンウエハと炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子とのメカノケミカル反応が進みやすいからである。
【０００９】
「研磨工程」
研磨工程は、表面粗さＲａが１５０ｎｍ以下となるように表面加工された後のシリコンウエハを、砥粒として炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を含む研磨材により更に湿式研磨して、鏡面を得る研磨工程である。
【００１０】
この研磨工程の具体例としては、次の工程を例示することができる。
▲１▼ 砥粒としての炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を含有する研磨材スラリー又はペーストを、シリコンウエハと研磨パッドとの間に供給しつつ、シリコンウエハ及び／又は研磨パッドを回転させてシリコンウエハを湿式研磨する工程（以下、研磨工程Ａという）。
▲２▼ 砥粒としての炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を砥石に成形し、またはポリウレタン樹脂等の発泡体中に固定させた研磨パッド（以下、これらを研磨体という）をシリコンウエハに接触・回転させて湿式研磨する工程（以下、研磨工程Ｂという）。
【００１１】
また、炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子の粒径は、特段制限されるものではないが、通常、砥粒として用いられている粒径、例えば０．１〜１００ μｍ程度のものを使用することが好ましい。
【００１２】
「研磨工程Ａ」
この研磨工程に用いる研磨材スラリーは、例えば、砥粒としての炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子と水とを含有している。
研磨材スラリー中の炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子の添加量（砥粒量）は、特段制限されるものではないが、添加量が少なすぎると研磨速度が低下しすぎて実用性に欠け、又、砥粒量が多すぎると研磨加工に寄与しない砥粒が多くなり、研磨液コストが上昇して研磨加工コストの上昇を招き、そして、研磨材スラリーの流動性が低下して研磨材スラリーのシリコンウエハ表面への供給に問題が生じるため好ましくない。このようなことから、実用的な砥粒量としては、通常、２〜８０重量％が望ましい。
【００１３】
なお、前記炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を加えて分散させた研磨材スラリー（研磨液）とするには、ポリカルボン酸塩等の界面活性剤などを加えると、炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子の分散性が向上するので好ましい。
【００１４】
研磨パッドとしては、シリコンウエハの研磨に従来から用いられている研磨パッドを用いることができるが、ＩＣ１０００やＭＨＳ１５Ａ（いずれもロデールニッタ社製）のような発泡ポリウレタン製の研磨パッド等の硬質パッドを用いると、砥粒と真実接触点での圧力が高くなり、研磨速度が向上するので好ましい。
前記研磨パッドとシリコンウエハとを接触させて研磨する際の研磨加工圧は、特段限定されるものではなく通常９．８〜３９．２ｋＰａ（１００〜４００ｇｆ／ｃｍ^２）程度で充分であるが、研磨加工圧は大きいほど砥粒と真実接触点での圧力が高くなり研磨速度が向上するので好ましい。
【００１５】
「研磨工程Ｂ」
前記研磨体は、砥石または研磨パッドからなる。
砥粒としての前記炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を砥石状に成形するには、前記炭酸カルシウム及び／又は炭酸マグネシウムにより砥石全体を成形する場合や、砥石のシリコンウエハとの接触部を部分的に形成させる場合とがあり、また砥石にも前記の炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を、結合材を用いず熱処理等のみで固化させたもの（ボンドレス砥石）と、レジノイドボンド等の結合剤を使用して固化し成形させたもの（レジノイドボンド砥石）があり得る。砥石における砥粒率（砥石中に占める砥粒の容積比率）は、特に限定されるものではなく、例えば７０〜１００％である。
【００１６】
レジノイドボンド砥石の形成に用いるレジノイドボンドは、特に限定されず、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、水溶性高分子樹脂などの単体または混合物を用いることができる。
レジノイドボンド砥石またはボンドレス砥石の成形は、一般に用いられる公知の成形技術を用いて形成することができる。
【００１７】
炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を含有する前記研磨パッドとしては、例えば、次のようなものを例示することができる。
▲１▼ 前記炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を含むポリウレタン溶液にポリエステル等の化学繊維の不織布を含浸して作製した不織布タイプ。
▲２▼ ポリエステル等の化学繊維の不織布上に、前記炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を含むポリウレタンを発泡剤により発泡させ作製したスウェードタイプ。
▲３▼ 前記炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子を含むポリウレタン溶液を発泡剤により独立発泡させ作製した発泡ポリウレタンタイプ。
【００１８】
前記研磨体とシリコンウエハとを接触させて研磨する際の研磨加工圧は、特段限定されるものではなく、通常９．８〜３９．２ｋＰａ（１００〜４００ｇｆ／ｃｍ^２）程度で充分であるが、研磨加工圧は大きいほど砥粒と真実接触点での圧力が高くなり研磨速度が向上するので好ましい。
また、適切に酸やアルカリ成分を含有させた溶液を、前記研磨体とシリコンウエハとの間に滴下しながら研磨する。
【００１９】
「作用」
この高速鏡面研磨方法によるシリコンウエハの研磨メカニズムは、必ずしも明確でないが、シリコンウエハを構成するシリコンと炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウムとは、湿式下の加圧された状態で効率よくメカノケミカル反応を起こすため、砥粒（炭酸カルシウム及び／又は炭酸マグネシウム）がシリコンより軟質であるにも拘わらず鏡面研磨が可能となるものと推測される。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例を詳細に説明する。
〔実施例１〕
（研磨材スラリーの調整）
粒径０．５μｍ以下の炭酸カルシウム粒子２０００ｇと水８０００ｇとを混合し攪拌した後、超音波分散機に１０分間かけ研磨剤スラリーとした。
【００２１】
（研磨試験）
予め＃８００のダイヤモンド砥石を用いて表面粗さＲａが１４０ｎｍとなるよう研削したシリコンウエハにつき、機械的回転式研磨装置（回転数：６０ｒｐｍ）を用い、研磨パッド（ロデールニッタ社製ＩＣ１０００）、研磨加工圧２９．４ｋＰａ（３００ｇｆ／ｃｍ^２）、上記の研磨材スラリーの滴下量２０ｍｌ／分、研磨時間３０分の研磨条件下にて研磨した。この研磨試験の結果を表１に示した。
【００２２】
なお、研磨速度はデジタル式マイクロメータを用いた研磨前後のシリコンウエハ厚みの測定値と研磨時間から算出し、表面粗さ及びエッジ部ダレは接触指針型表面粗さ計を用いてそれぞれ測定し、スクラッチ傷の有無は光学顕微鏡観察により判定した。
また、加工変質層の有無は、研磨後のシリコンウエハをエッチング液に浸漬して斜め方向にエッチングし、４結晶モノクロメータ付きＸ線回析装置を用いたロッキングカーブ測定法により深さ方向の加工変質層の厚みを測定するか、またはシリコンウエハの断面を透過型電子顕微鏡を用いて変質層の有無を観察することにより確認した。
【００２３】
〔実施例２〕
用いられるシリコンウエハを、＃１０００ダイヤモンド砥石を用いた研削法により表面粗さＲａが６０ｎｍとなるよう予め加工されたシリコンウエハに変更した他は、実施例１に準じて研磨試験を実施した。その結果を表１に示した。
【００２４】
〔実施例３〕
（研磨材スラリーの調整）
砥粒を炭酸マグネシウムに変更した他は、実施例１に準じて研磨材スラリーを調整した。
（研磨試験）
この研磨材スラリーを用いた他は、実施例１に準じて研磨試験を実施した。その結果を表１に示した。
【００２５】
〔実施例４〕
シリコンウエハをラッピング後、エッチング法により表面粗さＲａが１４０ｎｍとなるよう予め加工されたシリコンウエハに変更した他は実施例１に準じて研磨試験を実施した。その結果を表１に示した。
【００２６】
〔実施例５〕
（砥石の作製）
粒径０．５μｍ以下の炭酸カルシウム粒子３６００ｇ、フェノール樹脂（住友デュレズ社製）４００ｇを混合し、研磨定盤が１５インチφの砥石を成形した。
（研磨試験）
この砥石を用い、研磨加工圧２９．４ｋＰａ（３００ｇｆ／ｃｍ^２）、砥石貼り付け定盤回転数６０ｒｐｍ、ワーク回転数４０ｒｐｍの条件下で、シリコンウエハと砥石の間に水を１０ｍｌ／分の滴下量で滴下しながら機械的回転式研磨装置を用いてシリコンウエハを湿式研磨した。シリコンウエハは実施例１で用いたものと同一である。研磨試験の結果を表１に示した。
【００２７】
〔比較例１〕
用いられるシリコンウエハを、＃６００ダイヤモンド砥石を用いた研削法により表面粗さＲａが１７０ｎｍとなるよう予め加工されたシリコンウエハに変更した他は、実施例１に準じて研磨試験を実施した。その結果を表１に示した。
【００２８】
〔比較例２〕
比較例１で用いたシリコンウエハを使用した他は、実施例５に準じて研磨試験を実施した。その結果を表１に示した。
【００２９】
〔比較例３〕
（研磨材スラリーの調整）
砥粒として粒径０．０３ μｍのコロイダルシリカ粒子５００ｇを水９５００ｇに加え、ＫＯＨでｐＨを１０に調整した研磨剤スラリーを作製した。
（研磨試験）
この研磨材スラリーを使用した他は実施例１に準じてシリコンウエハを研磨した。その結果を表１に示した。
【００３０】
〔比較例４〕
実施例５の砥石を用い、研磨加工圧２９．４ｋＰａ（３００ｇ／ｃｍ^２）、砥石貼り付け定盤回転数６０ｒｐｍ、ワーク回転数４０ｒｐｍの条件下、乾式法により、機械的回転式研磨装置を用いてシリコンウエハを研磨した。シリコンウエハは実施例１で用いたものと同一である。研磨試験の結果を表１に示した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるシリコンウエハの高速鏡面研磨方法によれば、シリコンウエハを表面粗さＲａが１５０ｎｍ以下になるまで表面加工し、この加工表面を砥粒が炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子である研磨材を用いて湿式研磨条件の下で鏡面研磨したことにより、鏡面研磨中に被研磨加工物表面にスクラッチ傷等の加工ダメージを与えることなく、加工変質層の形成もなく、高速で鏡面研磨することが可能となる。
このため、この研磨方法を実施することにより、ラッピング加工や研削加工後、直ちに表面粗さＲａが例えば0.5ｎｍ程度の鏡面研磨加工が可能となり、従来のシリカスラリーによる２次鏡面研磨と同等以上の品質を持つシリコンウエハが１行程で得られ、もってスループットが向上し、シリコンウエハを高生産性と低コストとを両立させて鏡面研磨仕上げすることができる。
また、エッチング廃液の処理問題もなく、さらにアルカリ廃液等の処理問題や研磨装置および冶具が損傷する不具合もない。
さらに、硬質の研磨パッドを使用可能であるため、エッジ部ダレの発生が少なく、加工精度も向上する。

Claims

シリコンウエハを表面粗さＲａが１５０ｎｍ以下になるまで表面加工し、この加工表面を砥粒が炭酸カルシウム粒子及び／又は炭酸マグネシウム粒子である研磨材を用いて湿式研磨条件の下で鏡面研磨することを特徴とするシリコンウエハの高速鏡面研磨方法。