JP2005169568A

JP2005169568A - リテーナリング及びそれを用いた研磨装置

Info

Publication number: JP2005169568A
Application number: JP2003413430A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Kono; 恭幸河野; Makoto Aritsuka; 眞在塚
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】研磨対象の基板外周縁部を破損せず、研磨の処理数が増加しても、リテーナリングの温度上昇を抑制し、研磨量異常の発生を抑制する安価なリテーナリング及びそれを備えた研磨装置を提供する。
【解決手段】化学的機械的研磨に用いられるリテーナリング５０１において、少なくとも研磨パッド及び研磨対象である基盤５０２に接触する面の材質が、超高分子量ポリエチレン樹脂を主成分とする樹脂組成物であり、さらに当該樹脂（１００重量部）中に０．０１重量部〜２０重量部の有機充填物及び／又は無機充填物を少なくとも１種類以上含有させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、化学的機械的研磨に用いられるリテーナリング及びそれを用いる研磨装置に関する。

研磨技術は、シリコンウェハ基板やガラス基板などの硬質材料表面を平坦化平滑化するために、広く用いられている。近年は半導体の高集積化や記録媒体の高密度化が進んでおり、とりわけシリコンウェハ基板や磁気記録媒体用のガラス基板に対する表面の平坦化平滑化には一層高いレベルが要求されている。代表例として、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）は、半導体基板上のデバイス作製工程において、作製の過程で形成される表面の凹凸、例えば層間絶縁膜表面の凹凸を高いレベルで平滑化平坦化する技術として用いられている。このＣＭＰの一般的構成は、通常、砥粒と化学的作用のための薬剤を含む研磨液が介在する状態で、研磨対象であるシリコンウェハ基板が固定された基板保持部が、表面に研磨パッドが固定された研磨テーブルに押しつけられ、基板保持部及び研磨テーブルが自転運動するものである。研磨パッドは発泡ポリウレタンなどの材料を用いることが一般的である。

ここで、研磨装置について簡単に説明する。図１、図２は、従来用いられている研磨装置の構成例を示す構成図である。この研磨装置は、図１に概略を示すように、研磨対象を保持する基板保持部１０２と、研磨パッド１０７が貼り付けられた研磨テーブル１０６と、研磨液供給口１０８と、ダイヤモンドペレットを装着したコンディショニング機構１０９とを備えている。基板保持部１０２及びコンディショニング機構１０９には、回転、揺動、加圧を行う機構が付帯され、また、研磨テーブル１０６には、回転機構が付帯しているが、それらは図示していない。

ここで、基板保持部１０２に関してより詳細に説明する。図２に示すように、基板保持部１０２は、基板１０３の裏面にインサートパッド１０５と呼ばれる弾力性のある層を有し、基板１０３の外周にリテーナリング１０１が設けられている。リテーナリング１０１は、研磨中の基板１０３の横ずれを防止する作用と、基板１０３の外周縁部の研磨異常を防止する作用がある。従来、リテーナリング１０１の材質には、金属、石英（例えば、特許文献１参照）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、高純度アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）（例えば、特許文献２参照）などのセラミックス、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）等の樹脂（例えば、特許文献３参照）、あるいはセラミックスと樹脂の複合構造材（例えば、特許文献４、５参照）が用いられている。なお、このリテーナリング１０１は、荷重調整機構１０４により荷重が加えられる。この研磨装置を用い、例えば、ＬＳＩの多層配線構造において、層間絶縁膜の表面を平坦化するようにしている。

ところで、このリテーナリング１０１は、１００〜７００ｇｆ／ｃｍ²程度の荷重をかけて研磨パッド１０７に接触させている。したがって、基板１０３を研磨しているときは、研磨パッド１０７との摩擦により、研磨の処理数が増加するとリテーナリング１０１及び研磨パッド１０７の温度が上昇する。また、研磨には研磨パッド１０７及びリテーナリング１０１以外に研磨スラリーと呼ばれる研磨液を使用しており、研磨パッド１０７及びリテーナリング１０１の温度上昇により、研磨スラリーも温度が上昇する。研磨スラリーはＣＭＰの化学的研磨において重要な役割を持っているため、研磨中に温度が上昇すると熱による異常反応が起こる恐れがあり、基板１０３に形成されるデバイスの特性に悪影響を及ぼす場合がある。

また、リテーナリング１０１の温度が上昇すると、リテーナリング１０１自体が変形し、荷重調整機構１０４による荷重の調整が困難になり、基板１０３の外周縁部の研磨異常が発生することがある。

セラミックス及びステンレス製リテーナリングは、比較的熱伝導性が高いため樹脂製リテーナリングと比較して温度の上昇は抑制されるものの、樹脂製リテーナリングと比較すると硬度が非常に高いためリテーナリング１０１と接触する基板１０３外周縁部が損傷してしまう場合がある。

樹脂材料の中では比較的熱伝導性の高いポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）製のリテーナリングにおいてもＣＭＰ時の昇温を抑制するのは困難である。

更に、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製のリテーナリングでは、実施自体が高価であるという問題もある。
特開平８−１４８４５３号公報特開平８−１８７６５７号公報特開２０００−０８４８３６号公報特開２０００−５２２４１号公報特開２００１−１２１１０８号公報

本発明は、前記のような現状の問題に鑑み、研磨対象の基板外周縁部を破損せず、研磨の処理数が増加しても、リテーナリングの温度上昇を抑制し、研磨量異常の発生を抑制する安価なリテーナリング及びそれを備えた研磨装置を提供することを目的とする。

本発明者等は鋭意検討した結果、本願発明を完成した。
すなわち本願発明は、
（１）少なくとも研磨パッド及び研磨対象に接触する面の材質が、超高分子量ポリエチレン樹脂を主成分とする樹脂組成物であることを特徴とする化学的機械的研磨に用いられるリテーナリングである。
（２）超高分子量ポリエチレン樹脂（１００重量部）中に０．０１重量部〜２０重量部の有機充填物及び／又は無機充填物を少なくとも１種類以上含有していることを特徴とする（１）に記載のリテーナリングである。
（３）研磨テーブル表面に設けられた研磨パッドと、研磨対象の基板の外周側面に位置し、研磨パッドと接するように設置されたリテーナリングを有する基板保持部とを備えた研磨装置であって、前記リテーナリングが（１）〜（２）いずれかに記載のリテーナリングであることを特徴とする研磨装置である。

本発明では、リテーナリングの少なくとも研磨パッド及び研磨対象に接触する面の材質が、安価な超高分子量ポリエチレン樹脂を主成分とする樹脂組成物を用いているため、研磨対象の基板外周縁部の損傷を防ぐ効果がある。更に、研磨処理枚数が増加してもリテーナリングの温度上昇が抑制されるため、熱による異常反応の発生が抑制され、基板に形成されるデバイスの特性への影響が少なくなる。また、リテーナリングが変形することによる研磨パッドを押さえる能力の低下が少なく、研磨対象の基板外周縁部の研磨異常が抑制されるだけでなく、削れたリテーナリング材料による研磨パッドの目詰まりが減る効果も期待できる。

本発明のリテーナリングは、少なくとも研磨パッド及び研磨対象に接触する面の材質が、超高分子量ポリエチレン樹脂を主成分とする樹脂組成物であることが好ましい。

また、上記の樹脂組成物に有機充填材及び／又は無機充填材が少なくとも１種類以上含まれている樹脂組成物であることも好ましい。

超高分子量ポリエチレン樹脂は、工業的に広く用いられている低密度ポリエチレン樹脂（ＬＤＰＥ）や高密度ポリエチレン樹脂（ＨＤＰＥ）と構成骨格は同等であるが、通常のポリエチレン樹脂の重量平均分子量が数万から十数万であるのに対して、超高分子量ポリエチレン樹脂の重量平均分子量は数十万から数百万におよぶ。機械的外因に化学的外因（例えば酸、アルカリ）も加味された条件下で、超高分子量ポリエチレン樹脂を主成分とするリテーナリングが以下のような諸特性に優れることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、該リテーナリングは、ＣＭＰの際、研磨の処理量が増えても従来の樹脂製リテーナリングよりも温度上昇が少なく、熱による異常反応の発生も抑制され、基板に形成されるデバイス特性への影響も少ない。更には熱によるリテーナリング自体の変形が少ないため、基板の外周縁部の研磨量異常を防ぐ。また、削れたリテーナリング材料による研磨パッドの目詰まりが減るだけでなく、研磨パッド上でのすべりも良好なため運転動力の削減にも寄与することが期待できる。

なお、変形をさらに抑制するために、機械的強度のより優れた例えば金属材料からなる保持部材を本発明で指定する樹脂（以下、指定樹脂）で少なくとも研磨パッド及び研磨対象と接触する面を覆うことで、リテーナリング全体の強度を上げることも可能である。例えば図３に示す様に機械的強度の優れた材料を中心材として、その周囲全体を指定樹脂でライニングする方法、図４あるいは図５に示すように研磨パッド及び研磨対象と接触する部分に指定樹脂を使用する方法が例示できる。また、研磨スラリーの流通を助けること等を目的として、リテーナリングの研磨パッドに接触する表面に溝構造あるいは孔を持たせることも本発明を妨げるものではない。

また、超高分子量ポリエチレン樹脂を主成分とする樹脂組成物中に、有機充填剤及び／又は無機充填剤を含有することで、超高分子量ポリエチレン樹脂単体の場合よりも更に温度上昇が抑制される。

以下この発明の実施の態様を図を参照して説明する。図６、図７は、この発明の実施の態様における研磨装置の構成例を示す構成図である。この研磨装置は、図７に概略を示すように、研磨対象を保持する基板保持部５０８と、研磨パッド５０５が貼り付けられた研磨テーブル５０６と、研磨液供給口５０７とを備えている。ダイヤモンドペレットを装着したコンディショニング機構は図示していない。ここで、研磨パッド５０５の表面の材質は例えば硬質発泡ウレタン樹脂である。なお、基板保持部５０８には、回転、加圧を行う機構が付帯され、また、研磨テーブル５０６には、回転機構が付帯しているが、それらは図示していない。

ここで、基板保持部５０８に関してより詳細に説明する。図６に示すように、基板保持部５０８は、基板５０２の裏面にインサートパッド５０４と呼ばれる弾力性のある層を有している。そして、研磨を行うときは、このインサートパッド５０４を介して、研磨パッド５０５に基板５０２の研磨対象面が押しつけられる。この基板５０２の研磨対象面には、例えばＬＳＩの多層配線構造の一部が形成され、その最表面には層間絶縁膜が堆積された状態となっている。そして、その層間絶縁膜表面には、下層の配線層などによる凹凸があり、これを、この研磨装置による化学的機械的研磨により切削研磨することで、平坦化するようにしている。

また、基板５０２の外周に研磨中の基板５０２の横ずれを防止するリテーナリング５０１が設けられている。そして、この実施の態様では、リテーナリング５０１の少なくとも研磨パッド及び研磨対象に接触する面の材質は、超高分子量ポリエチレン樹脂組成物を主成分としている。本発明に使用する超高分子量ポリエチレン樹脂は、その重量平均分子量が５０万以上、好ましくは３００万以上、更に好ましくは５５０万以上のポリエチレン樹脂である。なお、本発明の重量平均分子量はＡＳＴＭＤ４０２０に規定する測定方法に準拠して求める。

有機充填材としては、カーボンブラック、カーボンファイバー、アセチレンブラック、炭素繊維、黒鉛粉末などがあげられ、カーボンブラック、カーボンファイバーがより好ましい。

無機充填材としては、ガラスビーズ、シリカ、タルク、ステアリン酸カルシウム、炭酸カルシウム、アドマパウダーなどがあげられ、ガラスビーズ、アドマパウダー、シリカがより好ましい。

充填量としては、超高分子量ポリエチレン樹脂（１００重量部）中に０．０１重量部〜２０重量部が好ましく、０．１重量部〜１０重量部がより好ましい。

ここで、リテーナリング５０１の表面が、研磨パッド１０２に接触し、かつリテーナリング５０１の表面と基板５０２との研磨パッド５０５に接触する面を同一高さとしている。ここで、このリテーナリング５０１は、約５００ｇｆ／ｃｍ^２の荷重をかけて研磨パッド５０５に接触させている。

この結果、このリテーナリング５０１は、従来のようなポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、高密度ポリエチレン樹脂（ＨＤＰＥ）で構成した場合に比較して、格段に放熱性が向上している。また、このリテーナリング５０１は樹脂製であるため、研磨パッド５０５に接触する部分は樹脂と研磨対象の基板５０２だけであり、金属製リテーナリングを使用した場合に懸念される、金属成分が研磨パッド５０５に広がり、基板５０２に形成されているデバイスの特性に悪影響を及ぼしたり、金属材料の切削片が発生したとき、その切削片により研磨面を傷つけたりすることがない。

（リテーナリングの温度上昇率評価方法）
上記のリテーナリング５０１を用いた研磨装置により、４インチ径のシリコン基板を試料とし、下記の研磨条件にて化学的機械的研磨を行った。リテーナリングの評価は、室温にて研磨処理中のリテーナリング５０１が研磨パッドと接触している部分の温度を測定し、単位時間当たりの温度上昇率の比較をもって行った。リテーナリングの温度上昇率は、ポリフェニレンサルファイド樹脂製リテーナリングの温度上昇率を１００としたときの相対値で表した。
（研磨条件）
１．荷重；５００ｇｆ／ｃｍ^２
２．研磨スラリー；１２．５重量％のコロイダルシリカスラリー
３．リテーナリングサイズ；内径１００ｍｍ、外径１２０ｍｍ
４．研磨スラリー供給量；３０ｍｌ／ｍｉｎ
５．研磨テーブル回転数；５０ｒｐｍ
６．研磨時間；１ｍｉｎ
（実施例１）
リテーナリング５０１に重量平均分子量５９０万の超高分子量ポリエチレン樹脂製のリテーナリングを用いて評価を行った。その結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が４８であった。

（実施例２）
リテーナリング５０１に重量平均分子量３４０万の超高分子量ポリエチレン樹脂（１００重量部）中にガラスビーズ２．５重量部、カーボンファイバー２．２重量部、カーボンブラック０．０５重量部、アドマパウダー１．５重量部を含有したリテーナリングを用いて評価を行った結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が３５であった。

（実施例３）
リテーナリング５０１に重量平均分子量３４０万の超高分子量ポリエチレン樹脂（１００重量部）中にガラスビーズ５．０重量部、アドマパウダー２．０重量部を含有したリテーナリングを用いて評価を行った結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が４０であった。この温度上昇率は超高分子ポリエチレン樹脂単体での温度上昇率よりも低く、充填材を含有することにより温度上昇を抑制することが証明された。

（比較例１）
リテーナリング５０１に重量平均分子量が１万の低密度ポリエチレン樹脂製リテーナリングを用いて評価を行った。その結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が８２であった。

（比較例２）
リテーナリング５０１に重量平均分子量が１０万の高密度ポリエチレン樹脂製リテーナリングを用いて評価を行った。その結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が６３であった。

（比較例３）
リテーナリング５０１にポリアセタール樹脂製リテーナリングを用いて評価を行った。その結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が５６であった。

（比較例４）
リテーナリング５０１にポリカーボネート樹脂製リテーナリングを用いて評価を行った。その結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が６３であった。

（比較例５）
リテーナリング５０１にポリエチレンテレフタレート樹脂製リテーナリングを用いて評価を行った。その結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が１０４であった。

（比較例６）
リテーナリング５０１にポリエーテルエーテルケトン樹脂製リテーナリングを用いて評価を行った。その結果、リテーナリング５０１の温度上昇率が６７であった。

従来の研磨装置の構成例を示す構成図従来の研磨装置の構成例を示す構成図リテーナリングの構造例を示す断面図リテーナリングの構造例を示す断面図リテーナリングの構造例を示す断面図本発明の研磨装置の構成例を示す構成図本発明の研磨装置の構成例を示す構成図

符号の説明

リテーナリング…１０１、２０１、３０１、４０１、５０１
リテーナリングの樹脂組成物部分…２０１ａ、３０１ａ、４０１ａ
リテーナリングの機械的強度の高い部分.…２０１ｂ、３０１ｂ、４０１ｂ
研磨パッド…１０７、５０５
インサートパッド…１０５、２０５、３０５、４０５、５０４
基板…１０３、２０３、３０３、４０３、５０２
荷重調整機構…１０４、２０４、３０４、４０４
基板保持部…１０２、２０２、３０２、４０２、５０８
研磨テーブル…１０６、５０６
研磨液供給口…１０８、５０７
コンディショニング機構…１０９

Claims

少なくとも研磨パッド及び研磨対象に接触する面の材質が、超高分子量ポリエチレン樹脂を主成分とする樹脂組成物であることを特徴とする化学的機械的研磨に用いられるリテーナリング。
超高分子量ポリエチレン樹脂（１００重量部）中に０．０１重量部〜２０重量部の有機充填物及び／又は無機充填物を少なくとも１種類以上含有していることを特徴とする請求項１に記載のリテーナリング。
研磨テーブル表面に設けられた研磨パッドと、研磨対象の基板の外周側面に位置し、研磨パッドと接するように設置されたリテーナリングを有する基板保持部とを備えた研磨装置であって、前記リテーナリングが請求項１〜２いずれかに記載のリテーナリングであることを特徴とする研磨装置。