JP2005322788A - 研磨パッド及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウエハ表面にスクラッチが生じにくく、窓表面に傷が生じにくく、かつ高精度の光学終点検知を安定的に行うことのできる研磨パッド、及び該研磨パッドを用いた半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 研磨領域および光透過領域を有する研磨パッドにおいて、前記光透過領域は、パッド表面側に位置する超軟質層とパッド裏面側に位置する軟質層とが積層されたものであり、前記超軟質層のアスカーＡ硬度は２５〜５５度であり、前記軟質層のアスカーＡ硬度は３０〜７５度であり、かつ前記軟質層のアスカーＡ硬度は超軟質層のアスカーＡ硬度より大きいことを特徴とする研磨パッド。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ウエハ表面の凹凸をケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）で平坦化する際に使用される研磨パッドに関し、詳しくは、研磨状況等を光学的手段により検知するための窓（光透過領域）を有する研磨パッド、及び該研磨パッドを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。

半導体装置を製造する際には、ウエハ表面に導電性膜を形成し、フォトリソグラフィー、エッチング等をすることにより配線層を形成する工程や、配線層の上に層間絶縁膜を形成する工程等が行われ、これらの工程によってウエハ表面に金属等の導電体や絶縁体からなる凹凸が生じる。近年、半導体集積回路の高密度化を目的として配線の微細化や多層配線化が進んでいるが、これに伴い、ウエハ表面の凹凸を平坦化する技術が重要となってきた。

ウエハ表面の凹凸を平坦化する方法としては、一般的にＣＭＰ法が採用されている。ＣＭＰは、ウエハの被研磨面を研磨パッドの研磨面に押し付けた状態で、砥粒が分散されたスラリー状の研磨剤（以下、スラリーという）を用いて研磨する技術である。

ＣＭＰで一般的に使用する研磨装置は、例えば、図１に示すように、研磨パッド１を支持する研磨定盤２と、被研磨対象物（ウエハ）４を支持する支持台（ポリシングヘッド）５とウエハの均一加圧を行うためのバッキング材と、研磨剤の供給機構を備えている。研磨パッド１は、例えば、両面テープで貼り付けることにより、研磨定盤２に装着される。研磨定盤２と支持台５とは、それぞれに支持された研磨パッド１と被研磨対象物４が対向するように配置され、それぞれに回転軸６、７を備えている。また、支持台５には、被研磨対象物４を研磨パッド１に押し付けるための加圧機構が設けてある。

このようなＣＭＰを行う上で、ウエハ表面の平坦度の判定の問題がある。すなわち、希望の表面特性や平面状態に到達した時点を検知する必要がある。従来、酸化膜の膜厚や研磨速度等に関しては、テストウエハを定期的に処理し、結果を確認してから製品となるウエハを研磨処理することが行われてきた。

しかし、この方法では、テストウエハを処理する時間とコストが無駄になり、また、あらかじめ加工が全く施されていないテストウエハと製品ウエハでは、ＣＭＰ特有のローディング効果により、研磨結果が異なり、製品ウエハを実際に加工してみないと、加工結果の正確な予想が困難である。

そのため、最近では上記の問題点を解消するために、ＣＭＰプロセス時に、その場で、希望の表面特性や厚さが得られた時点を検出できる方法が望まれている。このような検知については、様々な方法が用いられているが、測定精度や非接触測定における空間分解能の点から、回転定盤内にレーザー光による膜厚モニタ機構を組み込んだ光学的検知方法（特許文献１、特許文献２）が主流となりつつある。

前記光学的検知手段とは、具体的には光ビームを窓（光透過領域）を通して研磨パッド越しにウエハに照射して、その反射によって発生する干渉信号をモニタすることによって研磨の終点を検知する方法である。

窓を有する研磨パッドとしては、例えば、２枚以上の透明材料が積層された窓を有する研磨体であって、研磨対象物側の透明材料の圧縮弾性率が、研磨対象物側の反対側の透明材料の圧縮弾性率より小さいことを特徴とする研磨体が開示されている（特許文献３）。該研磨体によると、シリコンウエハを傷つけることがなく、研磨が不均一にならず、窓が傷付くことがなく、研磨終点の検出精度や膜厚の測定精度が低下することがなく、および窓の変形による研磨終点の検出の不安定さや膜厚の測定の不安定さを生じないという効果が得られると記載されている。

また、研磨層と透光窓部材とを有する研磨パッドであって、少なくとも透光窓部材の研磨面側の最表層がマイクロゴムＡ硬度６０度以下の軟質透光層で構成されていることを特徴とする研磨パッドが開示されている（特許文献４）。該研磨パッドによると、基板表面にスクラッチが少なく、研磨中に研磨状態を光学的に良好に測定できるという効果が得られると記載されている。

また、研磨層と透光窓部材とを有する研磨パッドであって、該透光窓部材はマイクロゴムＡ硬度６０度以下の軟質透光層と、マイクロゴムＡ硬度８０度以上の硬質透光層が少なくとも積層され、かつ、前記軟質透光層は研磨面側の最表層に位置することを特徴とする研磨パッドが開示されている（特許文献５）。該研磨パッドによると、基板表面にスクラッチが少なく、研磨中に研磨状態を光学的に良好に測定できるという効果が得られると記載されている。

しかし、上記特許文献３〜５に記載の研磨パッドは、窓の最表層に軟質材料を使用しているため、ある程度スクラッチの発生を抑制することができるが、依然としてスクラッチの発生を十分に抑制することができなかった。
特開平９−７９８５号公報 特開平９−３６０７２号公報 特許第３３７４８１４号明細書 特開２００３−２８５２５８号公報 特開２００３−２８５２５９号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、ウエハ表面にスクラッチが生じにくく、窓表面に傷が生じにくく、かつ高精度の光学終点検知を安定的に行うことのできる研磨パッド、及び該研磨パッドを用いた半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上述のような現状に鑑み鋭意研究を重ねた結果、研磨パッド用の光透過領域として、下記の光透過領域を用いることにより、上記課題を解決できることを見出した。

即ち、本発明は、研磨領域および光透過領域を有する研磨パッドにおいて、前記光透過領域は、パッド表面側に位置する超軟質層とパッド裏面側に位置する軟質層とが積層されたものであり、前記超軟質層のアスカーＡ硬度は２５〜５５度であり、前記軟質層のアスカーＡ硬度は３０〜７５度であり、かつ前記軟質層のアスカーＡ硬度は超軟質層のアスカーＡ硬度より大きいことを特徴とする研磨パッド、に関する。

本発明者は、窓の最表層に軟質材料を使用しても、依然としてスクラッチの発生を十分に抑制することができない原因が、最表層を支持する下層にあると考え、超軟質層と軟質層のアスカーＡ硬度を上記範囲に特定することによりスクラッチの発生を十分に抑制することができることを見出した。また、超軟質層のアスカーＡ硬度を２５〜５５度にすることにより光透過領域表面の傷の発生も抑制することができ、それにより高精度の光学終点検知を安定的に行うことが可能になる。

超軟質層のアスカーＡ硬度が２５度未満の場合には、柔らかすぎるために超軟質層表面にスラリー中の砥粒が刺さりやすく、刺さった砥粒によってシリコンウエハにスクラッチが発生しやすくなる。一方、アスカーＡ硬度が５５度を超える場合には、シリコンウエハにスクラッチが発生しやすくなり、また超軟質層表面に傷がつきやすくなるために透明性が低下し、研磨の光学終点検知精度が低下する。超軟質層のアスカーＡ硬度は３０〜４５であることが好ましい。

また、軟質層のアスカーＡ硬度が３０度未満の場合には、光透過領域全体の剛性が不十分になり、研磨時に研磨領域と光透過領域との間からスラリーが漏れやすくなる。一方、アスカーＡ硬度が７５度を超える場合には、光透過領域全体の剛性が高くなりすぎてシリコンウエハにスクラッチが発生しやすくなる。軟質層のアスカーＡ硬度は３５〜７０であることが好ましい。

本発明においては、軟質層のアスカーＡ硬度と超軟質層のアスカーＡ硬度との差が５度以上であることが好ましく、さらに好ましくは８度以上である。アスカーＡ硬度の差が５度未満の場合には、研磨中に光透過領域の形状安定性が低下し、剥がれや水漏れなどの不具合が発生する恐れがある。

また、軟質層の厚さは、光透過領域の厚さの１０〜７０％であることが好ましく、さらに好ましくは２０〜６０％であり、特に好ましくは４５〜５５％である。軟質層の厚さが光透過領域の厚さの１０％未満の場合には、光透過領域全体の剛性が不十分になり、研磨時に研磨領域と光透過領域との間からスラリーが漏れやすくなる傾向にある。また、研磨の際にかかる応力により光透過領域全体が容易に変形し、光学的に大きく歪む傾向にある。そのため研磨の光学終点検知精度が低下する恐れがある。一方、７０％を超える場合には、短期間での研磨パッドの使用により超軟質層が完全に研削され、軟質層が露出することによりシリコンウエハにスクラッチが発生しやすくなる傾向にある。

前記超軟質層には、可塑剤を４〜４０重量％添加することが好ましく、さらに好ましくは２５〜４０重量％である。上記特定量の可塑剤を添加することにより、超軟質層のアスカーＡ硬度を上記範囲内に調整することが可能である。また、研磨中においてスラリーによる光透過領域の膨潤を抑制することができ（硬度変化を抑制することができ）、安定的に研磨の光学終点を検知することが可能になる。

前記軟質層には、可塑剤を２〜４０重量％添加することが好ましく、さらに好ましくは５〜３０重量％である。上記特定量の可塑剤を添加することにより、軟質層のアスカーＡ硬度を上記範囲内に調整することが可能である。

また、本発明は、前記記載の研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を含む半導体デバイスの製造方法、に関する。

本発明の研磨パッドは、研磨領域および光透過領域を有する。

光透過領域は、パッド表面側（ウエハ側）に位置する超軟質層とパッド裏面側（定盤側）に位置する軟質層とが積層されたものであり、前記超軟質層のアスカーＡ硬度は２５〜５５度であり、前記軟質層のアスカーＡ硬度は３０〜７５度であり、かつ前記軟質層のアスカーＡ硬度は超軟質層のアスカーＡ硬度より大きいものである。

前記超軟質層及び軟質層の形成材料は、前記特性を発現する材料であれば特に制限されないが、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ハロゲン系樹脂（ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなど）、ポリスチレン、オレフィン系樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、及びエポキシ樹脂などが挙げられる。これらの樹脂は単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。これらのなかで、ポリウレタン樹脂は、耐摩耗性が高く、研磨中のドレッシング痕による光透過領域の光散乱を抑制することができるため好ましい材料である。

前記ポリウレタン樹脂は、有機イソシアネート、ポリオール（高分子量ポリオールや低分子量ポリオール）、及び鎖延長剤等からなるものである。

有機イソシアネートとしては、２，４−トルエンジイソシアネート、２，６−トルエンジイソシアネート、２，２’−ジフェニルメタンジイソシアネート、２，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、１，５−ナフタレンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、ｍ−フェニレンジイソシアネート、ｐ−キシリレンジイソシアネート、ｍ−キシリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、１，４−シクロヘキサンジイソシアネート、４，４’−ジシクロへキシルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

有機イソシアネートとしては、上記ジイソシアネート化合物の他に、３官能以上の多官能ポリイソシアネート化合物も使用可能である。多官能のイソシアネート化合物としては、デスモジュール−Ｎ（バイエル社製）や商品名デュラネート（旭化成工業社製）として一連のジイソシアネートアダクト体化合物が市販されている。これら３官能以上のポリイソシアネート化合物は、単独で使用するとプレポリマー合成に際して、ゲル化しやすいため、ジイソシアネート化合物に添加して使用することが好ましい。

高分子量ポリオールとしては、ポリテトラメチレンエーテルグリコールに代表されるポリエーテルポリオール、ポリブチレンアジペートに代表されるポリエステルポリオール、ポリカプロラクトンポリオール、ポリカプロラクトンのようなポリエステルグリコールとアルキレンカーボネートとの反応物などで例示されるポリエステルポリカーボネートポリオール、エチレンカーボネートを多価アルコールと反応させ、次いで得られた反応混合物を有機ジカルボン酸と反応させたポリエステルポリカーボネートポリオール、及びポリヒドキシル化合物とアリールカーボネートとのエステル交換反応により得られるポリカーボネートポリオールなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

また、ポリオールとして上述した高分子量ポリオールの他に、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、１，４−ビス（２−ヒドロキシエトキシ）ベンゼン等の低分子量ポリオールを併用してもよい。

鎖延長剤としては、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、１，４−ビス（２−ヒドロキシエトキシ）ベンゼン等の低分子量ポリオール類、あるいは２，４−トルエンジアミン、２，６−トルエンジアミン、３，５−ジエチル−２，４−トルエンジアミン、４，４’−ジ−ｓｅｃ−ブチルージアミノジフェニルメタン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジクロロ−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、２，２’，３，３’−テトラクロロ−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジアミノ−３，３’−ジエチル−５，５’−ジメチルジフェニルメタン、３，３’−ジエチル−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−メチレン−ビスーメチルアンスラニレート、４，４’−メチレン−ビスーアンスラニリックアシッド、４，４’−ジアミノジフェニルスルフォン、Ｎ，Ｎ’−ジ−ｓｅｃ−ブチル−ｐ−フェニレンジアミン、４，４’−メチレン−ビス（３−クロロ−２，６−ジエチルアミン）、３，３’−ジクロロ−４，４’−ジアミノ−５，５’−ジエチルジフェニルメタン、１，２−ビス（２−アミノフェニルチオ）エタン、トリメチレングリコールージ−ｐ−アミノベンゾエート、３，５−ビス（メチルチオ）−２，４−トルエンジアミン等に例示されるポリアミン類を挙げることができる。これらは１種で用いても、２種以上を混合しても差し支えない。

前記ポリウレタン樹脂における有機イソシアネート、ポリオール、及び鎖延長剤の比は、各々の分子量やこれらから製造される超軟質層及び軟質層の所望物性などにより適宜変更できる。超軟質層及び軟質層のアスカーＡ硬度を前記範囲内にそれぞれ調整するためには、ポリオールと鎖延長剤の合計官能基（水酸基＋アミノ基）数に対する有機イソシアネートのイソシアネート基数が０．９〜１．２であることが好ましく、さらに好ましくは０．９５〜１．０５である。

超軟質層及び軟質層のアスカーＡ硬度を上記範囲内にそれぞれ調整するために、ポリウレタン樹脂には可塑剤を添加することが好ましい。可塑剤は、公知のものを特に制限なく使用可能である。例えば、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジブチル、フタル酸ジ（２−エチルヘキシル）、フタル酸ジノニル、及びフタル酸ジラウリルなどのフタル酸ジエステル、アジピン酸ジオクチル、アジピン酸ジ（２−エチルヘキシル）、アジピン酸ジイソノニル、セバシン酸ジブチル、セバシン酸ジオクチル、及びセバシン酸ジ（２−エチルヘキシル）などの脂肪族二塩基酸エステル、リン酸トリクレジル、リン酸トリ（２−エチルヘキシル）、及びリン酸トリ（２−クロロプロピル）などのリン酸トリエステル、ポリエチレングリコールエステル、及びジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートなどのグリコールエステル、エポキシ化大豆油、及びエポキシ脂肪酸エステルなどのエポキシ化合物などが挙げられる。これらの中で、ポリウレタン樹脂やスラリーとの相溶性の観点から、グリコールエステル系可塑剤を用いることが好ましい。

前記ポリウレタン樹脂は、溶融法、溶液法など公知のウレタン化技術を応用して製造することができるが、コスト、作業環境などを考慮した場合、溶融法で製造することが好ましい。

前記ポリウレタン樹脂の重合手順としては、プレポリマー法、ワンショット法のどちらでも可能であるが、高い透明性を確保するため事前に有機イソシアネートとポリオールからイソシアネート末端プレポリマーを合成しておき、これに鎖延長剤を反応させるプレポリマー法が好ましい。プレポリマー法の場合、均一に分散させるために、可塑剤はイソシアネート末端プレポリマーに添加しておくことが好ましい。

超軟質層と軟質層とからなる光透過領域の作製方法は特に制限されず、公知の方法により作製できる。例えば、１）各層を形成して接着剤などで貼り合わせる方法、２）軟質層を形成した後に、注型成形により軟質層上に超軟質層を形成する方法などにより作製することができる。

光透過領域の形状及び大きさは特に制限されるものではないが、研磨領域の開口部と同様の形状及び大きさにすることが好ましい。

光透過領域の厚さは特に制限されるものではないが、研磨領域の厚みと同一厚さ、またはそれ以下にすることが好ましい。光透過領域が研磨領域より厚い場合には、研磨中に突き出た超軟質層によりシリコンウエハを傷つける恐れがある。また、研磨の際にかかる応力により超軟質層が変形し、光学的に大きく歪むため研磨の光学終点検知精度が低下する恐れがある。

また、光透過領域の厚みのバラツキは、１００μｍ以下であることが好ましい。厚みのバラツキが１００μｍを越える場合には、大きなうねりを持ったものとなり、ウエハに対する接触状態が異なる部分が発生するため研磨特性に影響を及ぼす傾向にある。

厚みのバラツキを抑える方法としては、積層シート表面をバフィングする方法が挙げられる。バフィングは、粒度などが異なる研磨シートを用いて段階的に行うことが好ましい。なお、積層シート（光透過領域）をバフィングする場合には、表面粗さは小さければ小さい程良い。表面粗さが大きい場合には、光透過領域表面で入射光が乱反射するため光透過率が下がり、検出精度が低下する傾向にある。

研磨領域の形成材料は、研磨層の材料として通常用いられるものであれば特に制限なく使用できるが、本発明においては微細発泡体を用いることが好ましい。例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ハロゲン系樹脂（ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなど）、ポリスチレン、オレフィン系樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、エポキシ樹脂、及び感光性樹脂などが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。なお、研磨領域の形成材料は、光透過領域と同組成でも異なる組成であってもよいが、光透過領域に用いられる形成材料と同種の材料を用いることが好ましい。

ポリウレタン樹脂は耐摩耗性に優れ、原料組成を種々変えることにより所望の物性を有するポリマーを容易に得ることができるため、研磨領域の形成材料として特に好ましい材料である。

前記ポリウレタン樹脂は、有機イソシアネート、ポリオール（高分子量ポリオールや低分子量ポリオール）、及び鎖延長剤からなるものである。

使用する有機イソシアネートは特に制限されず、例えば前記記載の有機イソシアネートが挙げられる。

使用するポリオールは特に制限されず、例えば前記記載のポリオールが挙げられる。なお、これらポリオールの数平均分子量は、特に限定されるものではないが、得られるポリウレタンの弾性特性等の観点から５００〜２０００であることが好ましい。数平均分子量が５００未満であると、これを用いたポリウレタンは十分な弾性特性を有さず、脆いポリマーとなる。そのためこのポリウレタンから製造される研磨パッドは硬くなりすぎ、被研磨対象物の研磨面のスクラッチの原因となる。また、摩耗しやすくなるため、パッド寿命の観点からも好ましくない。一方、数平均分子量が２０００を超えると、これを用いたポリウレタンは軟らかくなるため、このポリウレタンから製造される研磨パッドは平坦化特性に劣る傾向にある。

また、ポリオール中の高分子量成分と低分子量成分の比は、これらから製造される研磨領域に要求される特性により決められる。

鎖延長剤としては、４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）、２，６−ジクロロ−ｐ−フェニレンジアミン、４，４’−メチレンビス（２，３−ジクロロアニリン）等に例示されるポリアミン類、あるいは、上述した低分子量ポリオールを挙げることができる。これらは１種で用いても、２種以上を併用してもよい。

前記ポリウレタン樹脂における有機イソシアネート、ポリオール、及び鎖延長剤の比は、各々の分子量やこれらから製造される研磨領域の所望物性などにより種々変え得る。研磨特性に優れる研磨領域を得るためには、ポリオールと鎖延長剤の合計官能基（水酸基＋アミノ基）数に対する有機イソシアネートのイソシアネート基数は０．９５〜１．１５であることが好ましく、さらに好ましくは０．９９〜１．１０である。

前記ポリウレタン樹脂は、前記記載の方法と同様の方法により製造することができる。なお、必要に応じてポリウレタン樹脂に酸化防止剤等の安定剤、界面活性剤、滑剤、顔料、充填剤、帯電防止剤、その他の添加剤を添加してもよい。

前記ポリウレタン樹脂を微細発泡させる方法は特に制限されないが、例えば中空ビーズを添加する方法、機械的発泡法、及び化学的発泡法等により発泡させる方法などが挙げられる。なお、各方法を併用してもよいが、特にポリアルキルシロキサンとポリエーテルとの共重合体であって活性水素基を有しないシリコーン系界面活性剤を使用した機械的発泡法が好ましい。該シリコーン系界面活性剤としては、ＳＨ−１９２（東レダウコーニングシリコン製）等が好適な化合物として例示される。

研磨領域に用いられる独立気泡タイプのポリウレタン発泡体を製造する方法の例について以下に説明する。かかるポリウレタン発泡体の製造方法は、以下の工程を有する。
１） イソシアネート末端プレポリマーの気泡分散液を作製する撹拌工程
イソシアネート末端プレポリマーにシリコーン系界面活性剤を添加し、非反応性気体と撹拌し、非反応性気体を微細気泡として分散させて気泡分散液とする。イソシアネート末端プレポリマーが常温で固体の場合には適宜の温度に予熱し、溶融して使用する。
２） 硬化剤（鎖延長剤）混合工程
上記の気泡分散液に鎖延長剤を添加し、混合撹拌する。
３） 硬化工程
鎖延長剤を混合したイソシアネート末端プレポリマーを注型し、加熱硬化させる。

微細気泡を形成するために使用される非反応性気体としては、可燃性でないものが好ましく、具体的には窒素、酸素、炭酸ガス、ヘリウムやアルゴン等の希ガスやこれらの混合気体が例示され、乾燥して水分を除去した空気の使用がコスト的にも最も好ましい。

非反応性気体を微細気泡状にしてシリコーン系界面活性剤を含むイソシアネート末端プレポリマーに分散させる撹拌装置としては、公知の撹拌装置を特に限定なく使用可能であり、具体的にはホモジナイザー、ディゾルバー、２軸遊星型ミキサー（プラネタリーミキサー）等が例示される。撹拌装置の撹拌翼の形状も特に限定されないが、ホイッパー型の撹拌翼の使用すると微細気泡が得られるため好ましい。

なお、撹拌工程において気泡分散液を作成する撹拌と、混合工程における鎖延長剤を添加して混合する撹拌は、異なる撹拌装置を使用することも好ましい態様である。特に混合工程における撹拌は気泡を形成する撹拌でなくてもよく、大きな気泡を巻き込まない撹拌装置の使用が好ましい。このような撹拌装置としては、遊星型ミキサーが好適である。撹拌工程と混合工程の撹拌装置を同一の撹拌装置を使用しても支障はなく、必要に応じて撹拌翼の回転速度を調整する等の撹拌条件の調整を行って使用することも好適である。

前記ポリウレタン微細発泡体の製造方法においては、気泡分散液を型に流し込んで流動しなくなるまで反応した発泡体を、加熱、ポストキュアすることは、発泡体の物理的特性を向上させる効果があり、極めて好適である。金型に気泡分散液を流し込んで直ちに加熱オーブン中に入れてポストキュアを行う条件としてもよく、そのような条件下でもすぐに反応成分に熱が伝達されないので、気泡径が大きくなることはない。硬化反応は、常圧で行うと気泡形状が安定するため好ましい。

前記ポリウレタン樹脂の製造において、第３級アミン系、有機スズ系等の公知のポリウレタン反応を促進する触媒を使用してもかまわない。触媒の種類、添加量は、混合工程後、所定形状の型に流し込む流動時間を考慮して選択する。

前記ポリウレタン発泡体の製造は、容器に各成分を計量して投入し、撹拌するバッチ方式であっても、また撹拌装置に各成分と非反応性気体を連続して供給して撹拌し、気泡分散液を送り出して成形品を製造する連続生産方式であってもよい。

研磨層となる研磨領域は、以上のようにして作製されたポリウレタン発泡体を、所定のサイズに裁断して製造される。

本発明の微細発泡体からなる研磨領域は、被研磨対象物と接触する研磨側表面に、スラリーを保持・更新するための溝が設けられていることが好ましい。該研磨領域は、微細発泡体により形成されているため研磨表面に多くの開口を有し、スラリーを保持する働きを持っているが、更なるスラリーの保持性とスラリーの更新を効率よく行うため、また被研磨対象物との吸着による被研磨対象物の破壊を防ぐためにも、研磨側表面に溝を有することが好ましい。溝は、スラリーを保持・更新する表面形状であれば特に限定されるものではなく、例えば、ＸＹ格子溝、同心円状溝、貫通孔、貫通していない穴、多角柱、円柱、螺旋状溝、偏心円状溝、放射状溝、及びこれらの溝を組み合わせたものが挙げられる。また、溝ピッチ、溝幅、溝深さ等も特に制限されず適宜選択して形成される。さらに、これらの溝は規則性のあるものが一般的であるが、スラリーの保持・更新性を望ましいものにするため、ある範囲ごとに溝ピッチ、溝幅、溝深さ等を変化させることも可能である。

前記溝の形成方法は特に限定されるものではないが、例えば、所定サイズのバイトのような治具を用い機械切削する方法、所定の表面形状を有した金型に樹脂を流しこみ硬化させる方法、所定の表面形状を有したプレス板で樹脂をプレスして形成する方法、フォトリソグラフィを用いて形成する方法、印刷手法を用いて形成する方法、及び炭酸ガスレーザーなどを用いたレーザー光により形成する方法などが挙げられる。

研磨領域の厚みは特に限定されるものではないが、０．８〜２．０ｍｍ程度である。前記厚みの研磨領域を作製する方法としては、前記微細発泡体のブロックをバンドソー方式やカンナ方式のスライサーを用いて所定厚みにする方法、所定厚みのキャビティーを持った金型に樹脂を流し込み硬化させる方法、及びコーティング技術やシート成形技術を用いた方法などが挙げられる。

また、研磨領域の厚みのバラツキは、１００μｍ以下であることが好ましく、特に５０μｍ以下であることが好ましい。厚みのバラツキが１００μｍを越える場合には、研磨領域が大きなうねりを持ったものとなり、被研磨対象物に対する接触状態が異なる部分ができ、研磨特性に悪影響を与える傾向にある。また、研磨領域の厚みのバラツキを解消するため、一般的には研磨初期に研磨領域の表面をダイヤモンド砥粒を電着、又は融着させたドレッサーを用いてドレッシングするが、上記範囲を超えたものは、ドレッシング時間が長くなり、生産効率を低下させることになる。また、厚みのバラツキを抑える方法としては、所定厚みにした研磨領域表面をバフィングする方法もある。バフィングする際には、粒度などが異なる研磨シートで段階的に行うことが好ましい。

研磨領域および光透過領域を有する研磨パッドの作製方法は特に制限されず、種々の方法が考えられるが、具体的な例を以下に説明する。なお、下記具体例ではクッション層を設けた研磨パッドについて記載しているが、クッション層を設けない研磨パッドであってもよい。

まず１つめの例は、図２に示すように、所定の大きさに開口した研磨領域９を両面テープ１０と貼り合わせ、その下に研磨領域９の開口部に合わせるように、所定の大きさに開口したクッション層１１を貼り合わせる。次に、クッション層１１に離型紙１３のついた両面テープ１２を貼りあわせ、研磨領域９の開口部に光透過領域８（超軟質層＋軟質層）をはめ込み、貼り合わせる方法である。

２つめの具体例としては、図３に示すように、所定の大きさに開口した研磨領域９を両面テープ１０と貼り合わせ、その下にクッション層１１を貼り合わせる。その後、研磨領域９の開口部に合わせるように、両面テープ１０、及びクッション層１１を所定の大きさに開口する。次に、クッション層１１に離型紙１３のついた両面テープ１２を貼りあわせ、研磨領域９の開口部に光透過領域８（超軟質層＋軟質層）をはめ込み、貼り合わせる方法である。

３つめの具体例としては、図４に示すように、所定の大きさに開口した研磨領域９を両面テープ１０と貼り合わせ、その下にクッション層１１を貼り合わせる。次に、クッション層１１の反対面に離型紙１３のついた両面テープ１２を貼りあわせ、その後、研磨領域９の開口部に合わせるように、両面テープ１０から離型紙１３まで所定の大きさに開口する。研磨領域９の開口部に光透過領域８（超軟質層＋軟質層）をはめ込み、貼り合わせる方法である。なおこの場合、光透過領域８の反対側が開放された状態になり、埃等がたまる可能性があるため、それを塞ぐ部材１４を取り付けることが好ましい。

４つめの具体例としては、図５に示すように、離型紙１３のついた両面テープ１２を貼り合わせたクッション層１１を所定の大きさに開口する。次に所定の大きさに開口した研磨領域９を両面テープ１０と貼り合わせ、これらを開口部が合うように貼りあわせる。そして研磨領域９の開口部に光透過領域８（超軟質層＋軟質層）をはめ込み、貼り合わせる方法である。なおこの場合、研磨領域の反対側が開放された状態になり、埃等がたまる可能性があるため、それを塞ぐ部材１４を取り付けることが好ましい。

前記研磨パッドの作成方法において、研磨領域やクッション層などを開口する手段は特に制限されるものではないが、例えば、切削能力をもつ治具をプレスして開口する方法、炭酸レーザーなどによるレーザーを利用する方法、及びバイトのような治具にて研削する方法などが挙げられる。なお、研磨領域の開口部の大きさは特に制限されない。また、研磨領域の開口部の形状も特に制限されない。

前記クッション層は、研磨領域（研磨層）の特性を補うものである。クッション層は、ＣＭＰにおいて、トレードオフの関係にあるプラナリティとユニフォーミティの両者を両立させるために必要なものである。プラナリティとは、パターン形成時に発生する微小凹凸のある被研磨対象物を研磨した時のパターン部の平坦性をいい、ユニフォーミティとは、被研磨対象物全体の均一性をいう。研磨層の特性によって、プラナリティを改善し、クッション層の特性によってユニフォーミティを改善することを行う。本発明の研磨パッドにおいては、クッション層は研磨層より柔らかいものを用いることが好ましい。

前記クッション層の形成材料は特に制限されないが、例えば、ポリエステル不織布、ナイロン不織布、アクリル不織布などの繊維不織布、ポリウレタンを含浸したポリエステル不織布のような樹脂含浸不織布、ポリウレタンフォーム、ポリエチレンフォームなどの高分子樹脂発泡体、ブタジエンゴム、イソプレンゴムなどのゴム性樹脂、及び感光性樹脂などが挙げられる。

研磨領域９に用いられる研磨層とクッション層１１とを貼り合わせる手段としては、例えば、研磨領域とクッション層を両面テープで挟み、プレスする方法が挙げられる。

両面テープは、不織布やフィルム等の基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有するものである。クッション層へのスラリーの浸透等を防ぐことを考慮すると、基材にフィルムを用いることが好ましい。また、接着層の組成としては、例えば、ゴム系接着剤やアクリル系接着剤等が挙げられる。金属イオンの含有量を考慮すると、アクリル系接着剤は金属イオン含有量が少ないため好ましい。また、研磨領域とクッション層は組成が異なることもあるため、両面テープの各接着層の組成を異なるものとし、各層の接着力を適正化することも可能である。

クッション層１１と両面テープ１２とを貼り合わせる手段としては、クッション層に両面テープをプレスして接着する方法が挙げられる。

該両面テープは、上述と同様に不織布やフィルム等の基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有するものである。研磨パッドの使用後に、プラテンから剥がすことを考慮すると、基材にフィルムを用いるとテープ残り等を解消することができるため好ましい。また、接着層の組成は、上述と同様である。

前記部材１４は、開口部を塞ぐものであれば特に制限されるものではない。但し、研磨を行う際には、剥離可能なものでなければならない。

半導体デバイスは、前記研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を経て製造される。半導体ウエハとは、一般にシリコンウエハ上に配線金属及び酸化膜を積層したものである。半導体ウエハの研磨方法、研磨装置は特に制限されず、例えば、図１に示すように研磨パッド１を支持する研磨定盤２と、半導体ウエハ４を支持する支持台（ポリシングヘッド）５とウエハへの均一加圧を行うためのバッキング材と、研磨剤３の供給機構を備えた研磨装置などを用いて行われる。研磨パッド１は、例えば、両面テープで貼り付けることにより、研磨定盤２に装着される。研磨定盤２と支持台５とは、それぞれに支持された研磨パッド１と半導体ウエハ４が対向するように配置され、それぞれに回転軸６、７を備えている。また、支持台５側には、半導体ウエハ４を研磨パッド１に押し付けるための加圧機構が設けてある。研磨に際しては、研磨定盤２と支持台５とを回転させつつ半導体ウエハ４を研磨パッド１に押し付け、スラリーを供給しながら研磨を行う。スラリーの流量、研磨荷重、研磨定盤回転数、及びウエハ回転数は特に制限されず、適宜調整して行う。

これにより半導体ウエハ４の表面の突出した部分が除去されて平坦状に研磨される。その後、ダイシング、ボンディング、パッケージング等することにより半導体デバイスが製造される。半導体デバイスは、演算処理装置やメモリー等に用いられる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定した。

（アスカーＡ硬度測定）
ＪＩＳ Ｋ６２５３−１９９７に準拠して行った。２ｃｍ×２ｃｍ（厚み：任意）の大きさに切り出した超軟質層及び軟質層を硬度測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で１６時間静置した。測定時には、それぞれの試料を重ね合わせ、厚み６ｍｍ以上とした。硬度計（高分子計器社製、アスカーＡ型硬度計）を用い、それぞれ硬度を測定した。

（平均気泡径測定）
厚み１ｍｍ程度になるべく薄くミクロトームカッターで平行に切り出した研磨領域を平均気泡径測定用試料とした。試料をスライドガラス上に固定し、画像処理装置（東洋紡社製、Ｉｍａｇｅ Ａｎａｌｙｚｅｒ Ｖ１０）を用いて、任意の０．２ｍｍ×０．２ｍｍ範囲の全気泡径を測定し、平均気泡径を算出した。

（比重測定）
ＪＩＳ Ｚ８８０７−１９７６に準拠して行った。４ｃｍ×８．５ｃｍの短冊状（厚み：任意）に切り出した研磨領域を比重測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で１６時間静置した。測定には比重計（ザルトリウス社製）を用い、比重を測定した。

（アスカーＤ硬度測定）
ＪＩＳ Ｋ６２５３−１９９７に準拠して行った。２ｃｍ×２ｃｍ（厚み：任意）の大きさに切り出した研磨領域を硬度測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で１６時間静置した。測定時には、試料を重ね合わせ、厚み６ｍｍ以上とした。硬度計（高分子計器社製、アスカーＤ型硬度計）を用い、硬度を測定した。

（圧縮率および圧縮回復率測定）
直径７ｍｍの円（厚み：任意）に切り出した研磨領域（研磨層）を圧縮率および圧縮回復率測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で４０時間静置した。測定には熱分析測定器 ＴＭＡ（ＳＥＩＫＯ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ製、ＳＳ６０００）を用い、圧縮率と圧縮回復率を測定した。また、圧縮率と圧縮回復率の計算式を下記に示す。

圧縮率（％）＝｛（Ｔ１―Ｔ２）／Ｔ１｝×１００
Ｔ１：研磨層に無負荷状態から３０ｋＰａ（３００ｇ／ｃｍ² ）の応力の負荷を６０秒間保持した時の研磨層厚み
Ｔ２：Ｔ１の状態から１８０ｋＰａ（１８００ｇ／ｃｍ² ）の応力の負荷を６０秒間保持した時の研磨層厚み

圧縮回復率（％）＝｛（Ｔ３―Ｔ２）／（Ｔ１―Ｔ２）｝×１００
Ｔ１：研磨層に無負荷状態から３０ｋＰａ（３００ｇ／ｃｍ² ）の応力の負荷を６０秒間保持した時の研磨層厚み
Ｔ２：Ｔ１の状態から１８０ｋＰａ（１８００ｇ／ｃｍ² ）の応力の負荷を６０秒間保持した時の研磨層厚み
Ｔ３：Ｔ２の状態から無負荷状態で６０秒間保持し、その後、３０ｋＰａ（３００ｇ／ｃｍ² ）の応力の負荷を６０秒間保持した時の研磨層厚み

（貯蔵弾性率測定）
ＪＩＳ Ｋ７１９８−１９９１に準拠して行った。３ｍｍ×４０ｍｍの短冊状（厚み；任意）に切り出した研磨領域を動的粘弾性測定用試料とし、２３℃の環境条件で、シリカゲルを入れた容器内に４日間静置した。切り出した後の各シートの正確な幅および厚みの計測は、マイクロメータにて行った。測定には動的粘弾性スペクトロメーター（岩本製作所製、現アイエス技研）を用い、貯蔵弾性率Ｅ’を測定した。その際の測定条件を下記に示す。
＜測定条件＞
測定温度 ： ４０℃
印加歪 ： ０．０３％
初期荷重 ： ２０ｇ
周波数 ： １Ｈｚ

（スクラッチ数の測定）
研磨装置としてＳＰＰ６００Ｓ（岡本工作機械社製）を使用し、作製した研磨パッドを用いて、８インチのシリコンウエハに熱酸化膜を１μｍ成膜したものを約０．５μｍ研磨した。熱酸化膜の膜厚測定には、干渉式膜厚測定装置（大塚電子社製）を用いた。研磨条件としては、スラリーとしてシリカスラリー（ＳＳ１２、キャボット社製）を研磨中に流量１５０ｍｌ／ｍｉｎにて添加した。研磨荷重としては３５０ｇ／ｃｍ² 、研磨定盤回転数３５ｒｐｍ、ウエハ回転数３０ｒｐｍとした。トプコン社製のウエハ表面検査装置（ＷＭ２５００）を用いて、前記研磨後のシリコンウエハ上に０．２μｍ以上の条痕がいくつあるかを測定した。測定結果を表１に示す。

（水漏れ評価）
上記と同様の方法でシリコンウエハを３０分間連続研磨した。シリコンウエハを代えつつ同様に研磨を繰り返し、累積で１０時間研磨した。その後、研磨パッド裏面側の光透過領域のはめこみ部分を観察し、下記基準で水漏れ評価をした。
○：はめこみ部分でのスラリー漏れは全く認められない。
×：はめこみ部分でのスラリー漏れが認められる。

〔光透過領域の作製〕
製造例１
７０℃に温調したイソシアネート末端プレポリマー（日本ポリウレタン社製、コロネート４０８０、ＮＣＯ含有率：３．０重量％）１００重量部を減圧タンクに計量し、減圧（約１０Ｔｏｒｒ）によりプレポリマー中に残存している気体を脱泡させ、そこにリン酸トリ（２−クロロプロピル）１０重量部を加えて均一に混合した。そこに１２０℃で溶解させた４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）（イハラケミカル社製、イハラキュアミンＭＴ）８．６重量部を加え、ハイブリッドミキサー（キーエンス社製）を用いて撹拌・混合した。そして該混合物を型に流し込み、１００℃のオーブン中で１５時間ポストキュアを行い、ポリウレタン樹脂（可塑剤含有量：８．４重量％）からなる軟質層（縦５７ｍｍ、横１９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）を作製した。

一方、７０℃に温調した前記イソシアネート末端プレポリマー１００重量部を減圧タンクに計量し、減圧（約１０Ｔｏｒｒ）によりプレポリマー中に残存している気体を脱泡させ、そこにジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート７０重量部を加えて均一に混合した。そこに１２０℃で溶解させた４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）（イハラケミカル社製、イハラキュアミンＭＴ）８．６重量部を加え、ハイブリッドミキサー（キーエンス社製）を用いて撹拌・混合した。そして該混合物を型内の前記軟質層上に流し込み、１００℃のオーブン中で１５時間ポストキュアを行い、軟質層上にポリウレタン樹脂（可塑剤含有量：３９．２重量％）からなる超軟質層（縦５７ｍｍ、横１９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）を形成することにより光透過領域１を作製した。

製造例２〜１５
表１に記載の配合比で、製造例１と同様の方法で光透過領域２〜１５を作製した。また、いずれの製造例においても、前記イソシアネート末端プレポリマー１００重量部、及び前記４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）８．６重量部を用いた。また、可塑剤Ａはジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートであり、可塑剤Ｂはリン酸トリ（２−クロロプロピル）である。

〔研磨領域の作製〕
フッ素コーティングした反応容器内に、フィルタリングしたポリエーテル系プレポリマー（ユニロイヤル社製、アジプレンＬ−３２５、ＮＣＯ濃度：２．２２ｍｅｑ／ｇ）１００重量部，及びフィルタリングしたシリコーン系ノニオン界面活性剤（東レ・ダウシリコーン社製、ＳＨ１９２）３重量部を混合し、温度を８０℃に調整した。フッ素コーティングした撹拌翼を用いて、回転数９００ｒｐｍで反応系内に気泡を取り込むように約４分間激しく撹拌を行った。そこへ予め１２０℃で溶融し、フィルタリングした４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）（イハラケミカル社製、イハラキュアミンＭＴ）２６重量部を添加した。その後、約１分間撹拌を続けてフッ素コーティングしたパン型のオープンモールドへ反応溶液を流し込んだ。この反応溶液の流動性がなくなった時点でオーブン内に入れ、１１０℃で６時間ポストキュアを行いポリウレタン樹脂発泡体ブロックを得た。このポリウレタン樹脂発泡体ブロックをバンドソータイプのスライサー（フェッケン社製）を用いてスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体シートを得た。次にこのシートをバフ機（アミテック社製）を使用して、所定の厚さに表面バフをし、厚み精度を整えたシートとした（シート厚み：１．２７ｍｍ）。このバフ処理をしたシートを所定の直径（６１ｃｍ）に打ち抜き、溝加工機（東邦鋼機社製）を用いて表面に溝幅０．２５ｍｍ、溝ピッチ１．５０ｍｍ、溝深さ０．４０ｍｍの同心円状の溝加工を行った。このシートの溝加工面と反対側の面にラミ機を使用して、両面テープ（積水化学工業社製、ダブルタックテープ）を貼り、その後、この溝加工したシートの所定位置に光透過領域をはめ込むための穴（厚み１．２７ｍｍ、５７．５ｍｍ×１９．５ｍｍ）を打ち抜いて両面テープ付き研磨領域を作製した。作製した研磨領域の各物性は、平均気泡径４５μｍ、比重０．８６ 、アスカーＤ硬度５３度、圧縮率１．０％、圧縮回復率６５．０％、貯蔵弾性率２７５ＭＰａであった。

〔研磨パッドの作製〕
実施例１
表面をバフがけし、コロナ処理したポリエチレンフォーム（東レ社製、トーレペフ、厚さ：０．８ｍｍ）からなるクッション層を前記作製した両面テープ付き研磨領域の粘着面に、ラミ機を用いて貼り合わせた。さらにクッション層表面に両面テープを貼り合わせた。その後、研磨領域の光透過領域をはめ込むために打ち抜いた穴部分のうち、５１ｍｍ×１３ｍｍの大きさでクッション層を打ち抜き、穴を貫通させた。その後、製造例１で作製した光透過領域をはめ込み、研磨パッドを作製した。該研磨パッドを用いて行った各種評価の結果を表１に示す。

実施例２〜７及び比較例１〜８
実施例１と同様の方法で研磨パッドを作製した。各研磨パッドを用いて行った各種評価の結果を表１に示す。

表１から、本発明の研磨パッドを用いた場合には、シリコンウエハ表面にスクラッチが生じにくく、また光透過領域のはめこみ部分でスラリー漏れを起こすこともない。

ＣＭＰ研磨で使用する従来の研磨装置の一例を示す概略構成図 本発明の研磨パッドの一例を示す概略断面図 本発明の研磨パッドの他の一例を示す概略断面図 本発明の研磨パッドの他の一例を示す概略断面図 本発明の研磨パッドの他の一例を示す概略断面図 本発明の終点検出装置を有するＣＭＰ研磨装置の一例を示す概略構成図

符号の説明

１：研磨パッド
２：定盤
３：研磨剤（スラリー）
４：被研磨対象物（ウエハ）
５：被研磨対象物（ウエハ）支持台（ポリシングヘッド）
６、７：回転軸
８：光透過領域
９：研磨領域
１０、１２：両面テープ
１１：クッション層
１３：離型紙（フィルム）
１４：開口部を塞ぐ部材
１５：レーザー干渉計
１６：レーザービーム

Claims (5)

1. 研磨領域および光透過領域を有する研磨パッドにおいて、前記光透過領域は、パッド表面側に位置する超軟質層とパッド裏面側に位置する軟質層とが積層されたものであり、前記超軟質層のアスカーＡ硬度は２５〜５５度であり、前記軟質層のアスカーＡ硬度は３０〜７５度であり、かつ前記軟質層のアスカーＡ硬度は超軟質層のアスカーＡ硬度より大きいことを特徴とする研磨パッド。
2. 前記軟質層のアスカーＡ硬度と前記超軟質層のアスカーＡ硬度との差が５度以上である請求項１記載の研磨パッド。
3. 前記軟質層の厚さが、光透過領域の厚さの１０〜７０％である請求項１又は２記載の研磨パッド。
4. 前記超軟質層は、可塑剤を４〜４０重量％含有する請求項１〜３のいずれかに記載の研磨パッド。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を含む半導体デバイスの製造方法。

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