JP2005001059A - 研磨用積層体 - Google Patents

Abstract

【課題】層間絶縁膜や金属配線等の、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工に好適な研磨パッドに用いられる、光学的に研磨の終点検知が可能な研磨用積層体を提供するためのもので、その目的とするところは、従来構造の光学的検知法に対応した窓付き研磨パッドの、面内ばらつきや経時変動の問題を解消し、高精度の研磨を実現することのできる研磨用積層体を提供すること。
【解決手段】少なくとも研磨層と支持層とから成り、研磨スラリーの流路である溝を有する研磨用積層体であって、前記溝が光透過性を有することを特徴とする研磨用積層体。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、各種メモリーハードディスク用基板等の研磨に用いられる材料に関し、その中でも層間絶縁膜や金属配線等の、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工に好適な研磨パッドにに関するものである。
【従来の技術】
半導体デバイスウエハの表面平坦化加工に用いられる、代表的なプロセスである化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）の一例を図１に示す。定盤（２）、試料ホルダー（５）を回転させ、研磨スラリー（４）をスラリー供給用配管（１０）を通して供給しながら、半導体デバイスウエハ（１）を研磨パッド（６）表面に押しあてることにより、デバイス表面を研磨し、高精度に平坦化するというものである。
【０００２】
研磨パッドの研磨層に用いる研磨用成形体としては、従来から、例えば、ロデール社製のＩＣ１０００に代表されるような、ポリウレタンをベースとした独立発泡基材が代表的に用いられてきた。通常、研磨前、あるいは研磨中において、一般的にドレッサーと呼ばれる工具（３）を回転させながら研磨パッド（６）表面に押しあてて目立て処理を行うことにより、研磨パッド（６）に内包されている気泡を開口させるというものであった。
【０００３】
エレクトロニクス業界の最近の著しい発展により、トランジスター、ＩＣ、ＬＳＩ、超ＬＳＩと進化してきている。これら半導体素子における回路の集積度が急激に増大するにつれて、半導体デバイスのデザインルールは年々微細化が進み、デバイス製造プロセスでの焦点深度は浅くなり、パターン形成面に求められる平坦性のレベル、つまりは研磨精度に対する要求はますます厳しくなってきている。
【０００４】
このように年々高まる研磨精度の要求に対応する上で、ＣＭＰプロセスにおける研磨の終点検知は非常に重要な要素である。終点検知法としては、例えばトルク計測法、光学的検知法、静電容量計測法、振動解析法、温度計測法等が用途に応じて用いられてきた。その中でも、面積の小さな凹部に金属や多結晶シリコンを埋め込む平坦化ではトルク計測法が実用化されているが、用途、つまりは研磨対象が限定されるという問題点があった。一方、トルク計測法では検知しにくいストッパ有りの層間絶縁膜の平坦化や、ＳＴＩ（トレンチ分離）平坦化に対しては光学的検知法と静電容量法が適用できるが、二者の内では、精度や空間分解能などの点において優れる光学的検知法の実用化が進んでいる（例えば、参考文献１参照。）。
光学的検知法とは、具体的には、光線を研磨パッド越しにウエハに照射し、その反射によって発生する干渉信号、つまりは被加工物表層の厚さ変化をモニタすることにより、研磨の終点を検知する方法である。
これまで、光学的な終点検知法に適用される研磨パッドとしては、例えば、図５に示すような、パッドの一部に光線が透過する、硬質均一樹脂シートからなる窓部（６７）を設けたものがあった（例えば、特許文献２参照。）。また、該窓付き研磨パッドの窓部（６７）と研磨層（６０）の構造が本質的に異なることに起因する、面内において研磨性能がばらつくという問題を、基本的に同種の、しかも発泡材料を用いながら、窓部の気孔率を、研磨層の気孔率よりも小さくすることで改善するというアプローチも試みられた（例えば、特許文献３参照。）。
しかし、研磨性能ばらつきは低減されたとは言うものの、厳密には研磨面（６２）と窓部の表面（６５）との状態が異なるため、両者の間に生じる研磨性能のわずかな差を完全に抑えきることは困難であり、結果的に研磨性能ばらつきを誘発してしまうという問題を根本的に払拭できるものではなかった。
【０００５】
【参考文献１】
土肥俊郎編著 詳説 半導体ＣＭＰ技術 Ｐ１２３〜Ｐ１３６
【特許文献２】
ＵＳＰ５６０５７６０号（特表平１１−５１２９７７）
【特許文献３】
特開２００１−１０５２９９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、光学的検知法に適用した研磨パッドに用いられる研磨用積層体を提供するためのもので、その目的とするところは、従来パッドの、研磨面に異質の表面が存在することによる研磨性能ばらつきが生じることのない研磨用積層体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記従来の問題点を鑑み、鋭意検討を重ねた結果、以下の手段により、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、
（１） 少なくとも研磨層と支持層とから成り、研磨スラリーの流路である溝を有する研磨用積層体であって、前記溝が光透過性を有することを特徴とする研磨用積層体。
（２） 前記支持層が光透過性を有する（１）の研磨用積層体。
（３） 前記溝が、研磨層を貫通し、支持層まで達している（１）、（２）の研磨用積層体。
（４） 支持層を構成する原料の主成分が熱可塑性エラストマーである（１）〜（３）の研磨用積層体。
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、研磨面には窓部を持たず、研磨スラリーの流路である溝を光透過性とするものである。光透過性とは、波長２００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲にある光を検出可能な程度に透過可能である事と定義する。一般に、溝部は、それ以外の部分に比べ、全体の厚みが薄いため、光は通りやすいが、支持層を有し、その上に研磨層を積層した研磨用積層体であれば、溝部を光透過性とする事は比較的容易である。
例えば、支持層を、光透過性を有する材質とすることで、研磨層の厚みが薄い溝の部分は光を透過する事が可能となる。また、支持層があれば、研磨層を貫通し、支持層まで達する溝を作製する事も可能である。
【０００９】
本発明の研磨用積層体の一例を図２に沿って具体的に説明する。図２は、研磨用成形体の研磨面（２２）とは反対の面側に支持層（２１）を積層したものに、研磨面（２２）側から研磨層（２０）を貫通し、支持層（２１）の表面まで達する溝（２３）を施した状態を表したものである。この時、研磨層が光透過性を有する程度に薄ければ、溝は研磨層を貫通して施さなくても良い。
溝を、支持層表面で留めず、支持層内まで進入するように施しても良く、この時の研磨用積層体の断面を示したものが図３である。
図２は、研磨用成形体に直接支持層を積層した場合であるが、これ以外にも、あらかじめ成形されたシートや板体等の支持用成形体に研磨用成形体を、例えば両面テープや接着剤等の接着層を介して接着することもできる。この状態を示したものが図４である。（５４）が接着層に該当する。
【００１０】
例えば図５に示すような、窓部（６７）をはめ込んだ、いわゆる従来の窓付き研磨パッドでは、前述の研磨性能ばらつきの問題に加え、窓部表面（６５）と研磨面（６２）との境界部分（６６）に、例えばわずかな段差が生じた場合は、研磨の際、段差部にウエハがひっかかり、ウエハがホルダーからはずれる原因となり得る問題や、ドレッサーが同じく段差部にひっかかり、研磨層（６０）の一部が支持層（６１）から剥がれるといった問題が危惧されるが、本発明の研磨用積層体を用いた場合は、その可能性が著しく低減される。
【００１１】
本発明の研磨用積層体に施される溝形状、サイズは特に限定しない。必要に応じて格子状、放射状、同心円状等に、あるいは円柱状の溝を必要な本数だけ、所望のサイズで施すことができる。それらの溝は、図２に示すように、研磨層表面から支持層表面までの間を貫通していても良い。あるいは図３および図４に示すように、支持層の途中まで進入していても良いが、より高い光線透過率を確保する上では、溝はより深く進入している方がより好ましい。
なお、本発明の溝を作製する方法は特に限定しないが、例えば、旋盤やフライス、レーザー等による機械加工が実用面から安価で好適である。
なお、本発明において、全ての溝が支持層に達している必要はなく、少なくとも１箇所以上、溝が支持層に達していれば、光学的検知法に適用できることは、容易に推測できるであろう。
【００１２】
本発明の研磨用積層体の研磨層に用いる研磨用成形体については特に限定しない。研磨層として用いる研磨用成形体の、硬度、弾性率、密度等の物性、および気泡、砥粒、補強材を含めた各種添加剤の有無等は、本発明の効果に影響を及ぼさない。具体的には、例えば、従来から代表的に研磨層として用いられてきた、独立気泡を内包した硬質ポリウレタン基材、不織布にポリウレタンを含浸させて成形したクッション基材、あるいは研磨砥粒を研磨層中に分散させた固定砥粒基材等、限定なく研磨層として使用することが可能である。
【００１３】
本発明の支持層を構成する材料の主成分は特に限定しない。ポリウレタン、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、ナイロン、フッ素系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、あるいは熱可塑性ポリウレタンエラストマーやフッ素ゴム等に代表される、光線が透過する材料が好適に用いることができる。
例えば、研磨用成形体に直接支持層を積層する方法としては、成形性を含めた技術面とコスト面双方から、溶融押出法が好適である。その場合、熱可塑性を有し、さらには研磨性能にかかわる物性を比較的制御し易いという観点から、熱可塑性エラストマーがより好適である。
支持層は気泡を内包していても良いし、あるいは気泡を内包していなくても良いが、内包する気泡は光線透過率を低下させる、あるいはばらつきを生じさせる原因となることが危惧される点から、特に必要がなければ、気泡を内包しない無発泡基材が好適である。気泡を内包する場合は、気泡サイズや数密度の設計に十分留意すると良い。また、光の検出に影響を与えない範囲で、繊維布やフィラー等を含有していても差し支えない。
【００１４】
なお、本発明が、研磨用積層体の最終形状やサイズを限定しないことは明らかである。例えば円盤状、ベルト状他、様々な形状の研磨用積層体を所望のサイズで得ることができる。
【００１５】
以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、実施例の内容になんら限定されるものではない。
（実施例）
＜研磨用成形体の作製＞
本発明の実施例で使用した研磨用成形体の製造設備の概略を図６に示す。バレル径５０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３２の第一押出機（１０１）とバレル径６５ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３６の第二押出機（１０８）を中空の単管（１０７）で連結したタンデム型押出機の先端に、リップ幅３００ｍｍの金型（１０９）を取り付けた。
主原料である大日精化工業（株）製熱可塑性ポリウレタンエラストマー（商品名：レザミンＰ−４２５０）に、同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）をあらかじめ混合した原料を使用した。
ボンベ（１０６）から取り出した後に、ガスブースターポンプ（１０５）により昇圧した二酸化炭素を、第一押出機（１０１）の中央前寄りに取り付けた注入口（１０４）を通して注入した。なお第一押出機（１０１）のバレルに取り付けた圧力センサーで注入口（１０４）の直前と直後の圧力を測定したところ、それぞれ２４ＭＰａ、２１ＭＰａであった。
押し出した直後にピンチロール（１１１）でピンチするのとほぼ同時に水槽（１１０）中に入れて冷却した後に、幅２１０ｍｍ、６３０ｍｍ長に裁断し、研磨用成形体を作製した。
成形条件を表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
＜積層体の作製＞
本発明の実施例で使用した積層設備の概略を図７に示す。
バレル径５０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３２の押出機（２０１）の先端に、リップ幅８００ｍｍの金型（２０２）を取り付けた。ローラーコンベア（２０３）上に支持板（２０５）を設置した。支持板としては厚み５ｍｍのベニヤ板を用いた。
幅２１０ｍｍ、６３０ｍｍ長の研磨用成形体（２０６）３枚を、研磨面が支持板に接するように、また各々のつなぎ目がきっちりと合うように支持板上にならべ、つなぎ目をホッチキスで仮止めした。
大日精化工業（株）製熱可塑性ポリウレタンエラストマー（試作品であるため商品名なし）を原料ホッパ（２０８）に投入し金型（２０２）から押し出した。金型（２０２）の下を、研磨用成形体を載せた支持板（２０５）を、ローラーコンベア（２０３）上を滑らせながら通過させ、金型（２０２）より押し出された溶融樹脂が、研磨用成形体（２０６）上に積層された直後に、ピンチロール（２０４）を通し、研磨層と支持層を圧着した。
支持層が十分に冷却した後に、ホッチキスの針を外した。
その後、得られた６３０ｍｍ角の積層体の研磨面側を、丸源鐵工所製ベルトサンダー（商品名：ＭＮＷ−６１０−Ｃ２）で研磨し、研磨用成形体表面近傍の無発泡層を除去し、積層体を得た。
【００１８】
＜光線透過率の測定＞
光線透過率の測定には、ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製紫外可視分光光度計ＵＶ−２４００ＰＣを用いた。
実施例において支持層を構成する主原料として用いた大日精化工業（株）製熱可塑性ポリウレタンエラストマー（試作品であるため商品名なし）を用いて、厚み２ｍｍの板状サンプルを射出成形により作製し、その光線透過率を測定した結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】

【００２０】
表２より、実施例の支持層は光透過性を有し、光学的検知法に適用し得る材料であることが確認された。
【００２１】
＜研磨用積層体の作製（溝加工）＞
溝加工の際、隣り合う研磨用成形体同士のつなぎ目には必ず溝が入るように溝間隔を、また溝が研磨層（２０）を貫通して支持層（２１）まで達するように溝深さをプログラム設定した。
ショーダテクトロン社製クロスワイズソーを用いて、幅２ｍｍの溝を、隣り合う溝と溝との間隔が１３ｍｍとなるように、研磨面全域に格子状に施した。
なお図２において、溝幅とはＡの距離を、隣り合う溝と溝との間隔とはＢの距離を、また溝深さとはＣを指す。
【００２２】
＜研磨パッドの作製＞
得られた研磨用積層体の支持層の、研磨層と接していない方の面に、透明性の高い厚み７５μｍのＰＥＴ基材両面テープを貼り付けた後、直径６１０ｍｍφの円盤状に切り取り、研磨パッドを得た。
【００２３】
（比較例）
実施例の研磨性能と比較する目的で、直径６１０ｍｍのロデール社製積層パッド（商品名：ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００）を比較例として使用した。
ＩＣ１０００およびＳＵＢＡ４００はそれぞれ、図５の６０および６１に該当する。
なお、本比較例の積層パッドの研磨面全域においては、幅２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔１３ｍｍの格子状溝（６３）が施されている。
【００２４】
＜研磨性能評価＞
実施例で得られた研磨パッドと、従来品の代表例である比較例の研磨パッド各々の研磨性能を、以下の方法で評価した。
研磨パッドをＭＡＴ製片面研磨機ＡＲＷ−６８１ＭＳの定盤に貼り付け、ダイヤモンドドレッサーを用いて１時間ドレスをかけた後に、キャボット社製研磨スラリー（商品名：ｉＣｕｅ５００３）を供給しながら直径２００ｍｍのＣｕブランケットウエハを研磨した。ウエハを研磨した後、次のウエハの研磨に入る前にドレスをかけた。主なドレス条件および研磨条件を表３に示す。
【００２５】
【表３】

【００２６】
研磨後のウエハを洗浄、乾燥後、シート抵抗測定機を用いてウエハ面内４９点のＣｕ膜厚を測定し、ウエハ面内４９点における研磨速度の平均値およびをウエハ面内における研磨速度のばらつき、つまりは面内ばらつきを算出した。
なお、面内ばらつきとしては、ウエハ面内４９点の研磨速度の最大値から最小値を引いた値を、研磨速度４９点の平均値の２倍で除した値を１００倍した値を用いた。面内ばらつきの値が大きいほど均一性が低いことを意味する。
実施例および比較例の研磨パッドそれぞれについて５０枚のウエハを研磨した。
５０枚のウエハの研磨速度および面内ばらつきの平均値を表４に示す。
【００２７】
【表４】

【００２８】
従来パッドの代表例である比較例の研磨パッドと比べて、実施例の研磨パッドの方が、研磨速度が大きく、かつ面内ばらつきが小さい、良好な研磨性能を発現することが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の、光透過性を有する支持層に研磨用成形体を積層した、光学的検知法に適用できる研磨用積層体を用いて作製した従来品と同サイズの研磨パッドは、研磨性能の代表的な指標でもある研磨速度、面内ばらつきについて、従来品を凌駕するレベルであることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）の標準的なプロセスの一例である。
【図２】本発明の、研磨用積層体の溝加工の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の、研磨用積層体の溝加工の他の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の、研磨用積層体の溝加工の他の一例を示す断面図である。
【図５】従来の研磨パッドの一例を示す断面図である。
【図６】実施例で用いた研磨用成形体製造設備の概略図である。
【図７】実施例で用いた積層設備の概略図である。
【符号の説明】
１ 半導体ウエハ
２ 定盤
３ ドレッサー
４ 研磨スラリー
５ 試料ホルダー
６ 研磨パッド
７ 回転軸
８ ウエハ固定用治具
９ バッキング材
１０ スラリー供給用配管
２０、３０、５０、６０ 研磨層
２１、３１、５１ 支持層
２２、３２、５２、６２ 研磨面
２３、３３、５３、６３ 溝
５４、６４ 接着層
６１ クッション層
６５ 窓部表面
６６ 研磨層と窓部との境界
６７ 窓部
１０１ 第一押出機
１０２ 原料ホッパ
１０３ 圧力調整弁
１０４ 発泡剤の注入用部品
１０５ ガスブースターポンプ
１０６ ボンベ
１０７ 中空単管
１０８ 第二押出機
１０９ 金型
１１０ 水槽
１１１ ピンチロール
１１２ 吸水ロール
１１３ 研磨用成形体
２０１ 単軸押出機
２０２ 金型
２０３ ローラーコンベア−
２０４ ピンチロール
２０５ 支持板
２０６ 研磨用積層体
２０７ 支持層

Claims (4)

1. 少なくとも研磨層と支持層とから成り、研磨スラリーの流路である溝を有する研磨用積層体であって、前記溝が光透過性を有することを特徴とする研磨用積層体。
2. 前記支持層が光透過性を有する請求項１記載の研磨用積層体。
3. 前記溝が、研磨層を貫通し、支持層まで達している請求項１または２記載の研磨用積層体。
4. 支持層を構成する原料の主成分が熱可塑性エラストマーである請求項１〜３何れか一項記載の研磨用積層体。

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