【半導体製造プロセス入門】CMP後洗浄装置/研磨パッド/終点検出

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ウェハー、半導体
前回の当連載では研磨装置(CMP装置)の基礎知識をご紹介しましたが、引き続き研磨工程を解説します。
今回はCMP後の洗浄、CMP装置に使われる研磨パッドとスラリーなどをご説明します。

1.CMP後洗浄

CMPの後には必ず洗浄が必要です。CMP直後のウエハー表面にはスラリーが残っています。このスラリーは研磨粒子と薬液が混ざったものですが、そのまま放置しておくと薬液が蒸発し、研磨粒子のみがウエハー表面に固まった状態で付着します(固着)。固着した研磨粒子は取り除くことが難しく、ウエハー全体を廃棄しなければならなくなります。

そこで、CMP後洗浄というプロセスが必要になります。しかもCMPの後できるだけ早く行う必要があります。
そのため、CMP装置と一体化した後洗浄装置が主流となっています(ビルトイン型の後洗浄装置)。また、一体化することで、CMPで使用した研磨粒子が他のプロセスを行うクリーンルームへ広がってしまうのを防止するという意味もあります。
なお、CMPや後洗浄はウエットプロセスですから、一体化したCMP研磨・洗浄装置はドライイン・ドライアウトの原則に従います。
 

ブラシ洗浄+スピン洗浄

後洗浄は「ブラシ洗浄」と「スピン洗浄」の組み合わせで行います。

「ブラシ洗浄」は純水を含ませた樹脂製のスポンジをウエハーに当てて、なでるようにして研磨粒子の除去を行うものです。
ブラシにはペン型ロール型があります。ペン型はウエハーの表面のみを洗浄し、ロール型は表面と裏面の両方を洗浄します。スラリーがウエハー裏面にも回り込むからです。

その後、薬液と純水をウエハーに噴射して洗浄を行う「スピン洗浄」をおこない、さらに乾燥を行って、後洗浄プロセスが終了します。
 

2.研磨パッドとスラリー

研磨パッドには、「硬質」と「軟質」があります。
CMPの対象となる膜の材質によって、硬さや弾力性などを使い分けしています。両方用いる場合もあります。

一つのデバイスが完成するまでには様々な種類の膜の処理があります。研磨パッドを膜の種類が変わるたびに、その都度交換していたのでは効率が悪いため、多数のCMP装置を同時に使用することで、多様な膜種に対応することになります。デバイスの種類によっては、研磨パッドをそれぞれ変えたCMP装置が何十台も必要になっています。

研磨パッドにも寿命があります。CMPではウエハーを研磨しますが、同時に研磨パッドも摩耗するため、通常数百枚のウエハーを研磨すると交換となります。したがって、交換の手間や時間を考えると決して効率のよい装置とはいえません。
また、CMP装置のランニングコストのうち半分は消耗品といわれ、研磨パッドやスラリーはその多くを占めています。それでもウエハー全体の平坦度を向上させる必要があるためCMPを行わなければなりません。

なお、研磨パッドにはが掘ってあります。これは、溝にスラリーを溜めることによって、少しずつウエハー表面と接触させるようにするためと、溝中の空気が大気圧よりも上がることにより、ウエハーが吸着せず、水平方向に自由に動くことができるようにするためです。
溝は格子状のものや同心円状のものがありますが、半導体メーカーによっては企業秘密としている場合もあります。また、溝の加工を専門に行う外注業者も存在します。

さらに、適切なCMPを行うためには、研磨パッドやスラリーなどの相性があり、このあたりが半導体メーカーのそれぞれのノウハウとなっています。
 

3.終点検出(センサ)

終点検出」とは、膜厚を調整するためにCMPの終点(エンドポイント)を検出することです。つまり、研磨の終了時点のことです。
終点検出は、削りすぎを防止するためにとても重要です。もし終点検出が存在しないと、どれくらいの研磨量かを判断するのが経験と勘のみになってしまいます。

一般的な工業製品での研磨では一部自動化が行われているものの、まだまだ技能者の目視に頼っている部分が大きいのは、どれくらい削ればよいのかを定量的に判断するのが難しいからです。

半導体製造においてのCMPでは、古くは時間管理によってこの終点検出を行っていました。しかし、多様な膜種があることや、それぞれのケースでCMPの進み具合が異なる場合が多いことから、現在では、終点検出用のセンサーを設けることが多くなっています。
 

(1)光学式

終点検出用のセンサーで最も多いのは「光学式」と呼ばれる方法です。
光学式では研磨パッドに光を透過する窓を設けておき、研磨パッドの下から弱いレーザー光線をウエハー表面に照射しています。研磨が進むにつれウエハー表面の光の反射率が変化するので、この変化を捉えて終点検出すなわち研磨の終了時点とするものです。
 

(2)トルクセンサー方式

トルクセンサー方式」と呼ばれるものもあります。
研磨中はプラテンや研磨パッドが回転していますが、研磨が進むにつれ、この回転に必要な力(トルク)が変化します。これを捉えて終点検出を行うのがトルクセンサー方式です。
 

(3)振動センサー方式

また、「振動センサー方式」というのもあります。
研磨中はプラテンや研磨パッドが細かく振動しますが、研磨が進むにつれ振動の大きさや周波数が変化しますので、これを捉えて終点検出を行います。

 

終点検出の方式は他にも様々な方法があり、通常は複数の方法の組み合わせで行われています。
逆に言うと決定版がないのが現状で、CMP装置の要素技術としては最も開発競争の激しい分野といえるでしょう。
終点検出をシステムとして開発・販売している業者もいて特許の紛争になった例もあります。
 

以上、研磨装置であるCMP装置が、半導体製造装置の中でも微細化のカギを握っていることが理解いただけたかと思います。CMPプロセス自体が新しい知見の発見や技術開発が盛んに行われている分野でもあります。
これからもCMPの重要性がますますクローズアップされていくことでしょう。
 

(アイアール技術者教育研究所 F・S)
 

 

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