JP2006287145A - 研磨パッド - Google Patents

Abstract

【課題】従来は研磨パッドの使用初期から終盤に至るまで、良好で安定した研磨特性を得ることが困難であった。
【解決手段】微小中空球体を含有するポリウレタンからなる研磨層と、クッション層とを含む研磨パッドにおいて、該研磨層と該クッション層とが、基材を有さない厚みが６５μmより大きく３００μm以下である粘着材、あるいは基材を有さない両面テープおよび／または両面シートにより貼り合わされていることを特徴とする研磨パッド。
【選択図】なし

Description

本発明は半導体ウェハの平坦化や半導体基板上に形成される絶縁層の表面や金属配線の表面を平坦化する工程に利用できる研磨パッドに関するものである。

半導体メモリに代表される大規模集積回路（ＬＳＩ）は、年々集積化が進んでおり、それに伴い大規模集積回路の製造技術も高密度化が進んでいる。さらに、この高密度化に伴い、半導体デバイス製造箇所の積層数も増加している。その積層数の増加により、従来は問題とならなかった積層により生じる半導体ウェハ主面の凹凸が問題となっている。この凹凸を平坦化する方法として、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が使用されるようになってきている。

一般にＣＭＰ装置は、被研磨物である半導体ウェハを保持する研磨ヘッド、被研磨物の研磨処理をおこなうための研磨パッド、前記研磨パッドを保持する研磨定盤から構成されている。そして、半導体ウェハの研磨処理は研磨剤と薬液からなる研磨スラリーを用いて、半導体ウェハと研磨パッドを相対運動させることにより研磨を行い、半導体ウェハ表面の平坦化を行うものである。

現在ＣＭＰで使用されている代表的な研磨パッドとしては、特許文献１記載のような
二層構造の研磨パッドが挙げられる。
特開平６−２１０２８号公報 二層構造の研磨パッドの代表的構成としては、研磨層である硬質発泡ポリウレタン、両面テープ、クッション層であるポリウレタン含浸不織布、両面テープをこの順に貼り合わせた研磨パッドが挙げられる。

上記代表的な二層構造の研磨パッドでは、研磨層とクッション層の貼り合わせは、ポリエステルフィルムを基材にもつ両面テープによりなされている。この両面テープは、特許文献１に記載のごとく、薄膜で基本的に弾性も圧縮性もないものである。

しかしながら、このようなポリエステルフィルムを基材にもつ両面テープを、研磨層とクッション層の貼り合わせに使用すると、ポリエステルフィルムの剛性が高いため、クッション層の持つ柔軟性を損ねてしまうことになり、ウェハを研磨したときにウェハの面内均一性が悪くなったり、研磨速度が不安定となる原因であることがわかった。また、基本的に弾性も圧縮性もない層が研磨層とクッション層の間に介在するため、クッション層のもつ特性を発現しがたい構造となっており、研磨するウェハの枚数が増えるにつれて研磨特性が変動し、長時間の作業に渡り安定した研磨特性を得ることができないことがわかった。

本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、研磨層とクッション層とを貼り合わせる方法に革新技術を見いだしたものである。本発明はクッション層の特性を損ねることなく、良好なウェハの研磨速度と面内均一性を得ることができ、かつ長時間に渡り安定した特性を発現する研磨パッドを提供することを目的とする。

（１）微小中空球体を含有するポリウレタンからなる研磨層と、クッション層とを含む研磨パッドにおいて、該研磨層と該クッション層とが、基材を有さない厚みが６５μmより大きく３００μm以下である粘着材により貼り合わされていることを特徴とする研磨パッド。
（２）微小中空球体を含有するポリウレタンからなる研磨層と、クッション層とを含む研磨パッドにおいて、該研磨層と該クッション層とが、基材を有さない両面テープおよび／または両面シートにより貼り合わされていることを特徴とする研磨パッド。
（３）基材を有さない両面テープおよび／または両面シートの厚みが２０μm以上３００μm以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の研磨パッド
（４）該クッション層の体積弾性率が２０．７ＭＰａ未満であることを特徴とする（１）〜（３）に記載の研磨パッド
（５）該クッション層が発泡ポリウレタンおよび／または不織布であることを特徴とする（１）〜（４）に記載の研磨パッド。

本発明による研磨パッドを用いることにより、良好な研磨レートと平坦性を得ることが出来、また処理するウェハの枚数が増えても安定した研磨特性を得ることが出来るようになった。

本発明においては、微小中空球体を含有するポリウレタンからなる研磨層と、クッション層とを含む研磨パッドにおいて、該研磨層と該クッション層とを、基材を有さない厚みが６５μmより大きく３００μm以下である粘着材粘着材により、あるいは基材を有さない両面テープおよび／または両面シートにより貼り合わせることが最も重要な技術である。

基材を有さない粘着材としては、特に限定されるものではないが、ゴム系、アクリル系などが代表的にあげられるが、アクリル系粘着材が品質の安定性、温度に対する安定性に優れているため、本発明の研磨パッドにおいて研磨層とクッション層とを貼り合わせるために好ましく使用される。

基材を有さない両面テープや基材を有さない両面シートとは、例えば、基材を有さない両面テープとは、両面テープの片側の面ともう一方の面の間に、基材を含まない両面テープであり、実質的に粘着材のみで構成された両面テープである。両面テープのある一面と反対の面とが、同じ粘着材であっても違う粘着材であっても構わず、接着力も両面で同じであっても異なっていても構わない。両面テープが実質的に粘着材のみで構成されており、剛性の高い基材を含まないことが肝要である。

基材を有さない粘着材の厚みは６５μmより大きく３００μmであることが必要である。好ましくは６５μmより大きく１５０μm以下である。粘着剤の厚みが６５μm以下であると平坦性や膜厚の均質性に劣り、安定した研磨特性を得られない場合がある。厚みが３００μm以上であると、粘着材がクッション層の特性を発現し難くし、研磨の結果が悪化する場合がある。

基材を有さない両面テープおよび両面シートの厚みは、特に限定はされないが、２０μm以上３００μm以下が好ましく、更に好ましくは６５μmより大きく１５０μm以下である。２０μmより薄いと研磨層とクッション層との接着力が低下し、安定した研磨特性を得られない場合がある。厚みが３００μm以上であると、粘着材がクッション層の特性を発現し難くし、研磨の結果が悪化する場合がある。

本発明の研磨パッドにおいて研磨層は、微小中空球体を含むポリウレタンから構成され、製造方法の一例としては、微小中空球体、イソシアネート基末端ウレタンプレポリマーと、活性水素含有化合物を混合して作成する方法があげられる。

イソシアネート基末端ウレタンプレポリマーとは、ポリオール又はポリオールと低分子ジオールの混合物と有機ジイソシアネート化合物とから通常用いられる反応条件で得られる反応物である。有機ジイソシアネート化合物としては、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−トリレ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、ナフタレン−１，５−ジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、パラフェニレンジイソシアネート、キシリレ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、これらの１種以外に２種以上を併用しても良い。

有機ジイソシアネート化合物と反応させるポリオールとしては、例えば、ポリ（オキシテトラメチレン）グリコールやポリ（オキシプロピレン）グリコール等のポリエーテル系ポリオール、ポリカーボネート系ポリオール、ポリエステル系ポリオール等が挙げられる。

上記ポリオールに例えば、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、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、２−メチル−１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、１，５−ペンタジオール、３−メチル−１，５−ペンタジオール、１，６−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール等の低分子ジオールを混合して用いることができる。

本発明で用いられるイソシアネート基末端ウレタンプレポリマーを重合反応させる活性水素含有化合物としては、例えば、ジアミン系化合物として、３，３´−ジクロロ−４，４´−ジアミノジフェニルメタン、クロロアニリン変性ジクロロジアミノジフェニルメタン、３，５−ビス（メチルチオ）−２，４−トルエンジアミン、３，５−ビス（メチルチオ）−２，６−トルエンジアミン等が挙げられ、更に活性水素含有化合物として上述のジアミン系化合以外に分子量５００〜１０００の範囲にある低分子ジオールとして、例えば、ポリ（オキシテトラメチレン）グリコール、ポリ（オキシプロピレン）グリコール等のポリエーテル系グリコール、ポリカーボネート系グリコール、ポリエステル系グリコール等を混合併用してもよい。

微小中空球体としては、アクリロニトリル−塩化ビニリデン共重合体、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体，塩化ビニル−エチレン共重合体、ポリビニールアルコール、ペクチン、ポリビニールピロリドン、ハイドロキシエチルセルローズ、メチルセルローズ、ハイドロプロピルメチルセルローズ、カーボキシメチルセルローズ（、ハイドロキシプロピルセルローズ、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリハイドロキシエーテルアクリライト、澱粉、マレイン酸共重合体、ポリエチレンオキシド、およびポリウレタンで構成されるグループから選択された少なくとも一つの材料から成るものを例としてあげられるが、これらに限定される物ではない。

微小中空球体の大きさとしては、粒子直径が１０μm以上１００μm以下が好ましい。かかる微小中空球体の具体的な例としては、“エクスパンセル”５５１ＤＥ（ケマノーベル社製）、“マツモトマイクロスフェア”Ｆ−３０Ｄ（松本油脂製薬（株）製）等をあげることができるが、これに限られるわけではない。

本発明の研磨パッドでクッション層として用いる材料は、体積弾性率が２０．７ＭＰａ未満である材料から構成されることが好ましい。その目的は、クッション層に半導体基板の全体のうねりを吸収させることで、良好な研磨特性を得ることにある。体積弾性率が２０．７ＭＰａ以上であると、クッション層が変化しがたく研磨対象物のうねりを吸収しにくく、良好な研磨の面内均一性や安定した研磨速度を得ることが出来ない場合がある。

体積弾性率とは、あらかじめ体積を測定した被測定物に等方的な印加圧力を加えて、その体積変化を測定し、以下の式で求められる。

体積弾性率＝印加圧力／（体積変化量／元の体積）
本発明の体積弾性率の測定は、以下のとおり行った。内容積が約４０ｍＬのステンレス製の測定セルに、試料片と２３℃の水を入れ、これに図１で例示される体積変化検出部を備えた測定セルを含んだ、図２で例示される体積弾性率の測定装置のように容量０．５ｍＬの硼珪酸ガラス製メスピペット（最小目盛り０．００５ｍＬ）を装着した。別に、圧力容器としてポリ塩化ビニル樹脂製の管（内径９０ｍｍφ×２０００ｍｍ、肉厚５ｍｍ）を使用して、その中に上記試料片を入れた測定セルを入れ、圧力Ｐで窒素加圧し、体積変化Ｖ1を測定した。続いて、試料を測定セルに入れないで、表１に示した圧力Ｐで窒素加圧し、体積変化Ｖ0を測定した。圧力ＰをΔＶ／Ｖ１＝（Ｖ1−Ｖ0）／Ｖ１で除した値を該試料の体積弾性率として算出した。

本発明の体積弾性率は、２３℃においてサンプルに０．０４〜０．１４ＭＰａの圧力がかかった時の体積弾性率のことである。

本発明の研磨パッドでは、クッション層は発泡ポリウレタンが耐久性にも優れるため、特に安定した研磨速度と良好な面内均一性を得ることが出来る最良の選択である。また、不織布を用いても同様の結果を得ることが出来る。

研磨層およびクッション層と基材を有さない粘着材との接着力向上を目的として、研磨層およびクッション層の基材を有さない粘着材被着面を表面処理することも可能である。表面処理の一例として、コロナ放電処理、プライマー処理などがあげられる。

本発明の研磨パッドは、ガラス、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等に平坦面を形成するのに好適に使用される。

以下、実施例によって、さらに本発明の詳細を説明する。しかし、本実施例により本発明が限定して解釈される訳ではない。なお、測定は以下のとおりに行った。

粘着剤厚み：
粘着剤の厚み測定は、走査型電子顕微鏡“ＳＥＭ２４００”（日立製作所（株）製 ）を使用し、パッドの厚さ方向の断面を倍率４００倍で観察し、粘着剤の厚みを測定した。

研磨評価：
１．ウェハ
酸化膜付き４インチシリコンウェハ（酸化膜厚：１μｍ）を使用した。
２．研磨方法
試験すべき研磨パッドの下に両面接着テープ“４４２ＪＳ”（住友スリーエム（株）製）を貼り付け、研磨機“ＬＭ−１５Ｅ”（ラップマスターＳＦＴ（株）製）の定盤上に貼り付けた。その後ダイヤモンドドレッサー“ＣＭＰ−Ｍ”（旭ダイヤモンド工業（株）製）（直径１４２ｍｍ）を用い、押し付け圧力０．０４ＭＰａ、研磨定盤回転数２５ｒｐｍ、ドレッサー回転数２５ｒｐｍで研磨定盤と同方向に回転させ、純水を１０ｍｌ／分で研磨パッド上に供給しながら５分間、研磨パッドのコンディショニングを行った。純水を１００ｍｌ／分で研磨パッド上に供給しながら研磨パッド上を２分間洗浄した後に、表面の酸化膜の厚みを、あらかじめ“ラムダエース”ＶＭ−２０００（大日本スクリーン製造（株）製）を使用して決められた１９８点につき測定したウェハを研磨ヘッドに取り付け、超純水で２倍に希釈した研磨スラリー“ＳＳ−２５”（キャボット社製）を２００ｍｌ／ｍｉｎ研磨パッド上に供給しながら、研磨圧力０．０４ＭＰａ、研磨定盤回転数４５ｒｐｍ、研磨ヘッド回転数４５ｒｐｍで研磨定盤と同方向に回転させ、１分間研磨を行った。ウェハ表面を乾燥させないようにし、直ちに純水をかけながらポリビニルアルコールスポンジでウェハ表面を洗浄し、乾燥圧縮空気を吹き付けて乾燥した。

次に研磨後の酸化膜の厚みを“ラムダエース”ＶＭ−２０００（大日本スクリーン製造（株）製）を使用して決められた１９８点につき測定して、下記（１）式により各々の点での研磨速度を算出し、下記（２）式によりユニフォーミティを算出した。判断基準として、研磨速度は３０００オングストローム／ｍｉｎ以上、ユニフォーミティは１０％以下を合格とした。また、研磨の安定性を評価するため、連続して２００枚のウェハを研磨し、１枚目から５枚目までの研磨速度とユニフォーミティの平均値を初期研磨特性とし、１９６枚目から２００枚目までの研磨速度とユニフォーミティの平均値を終盤研磨特性とし、初期研磨特性と終盤研磨特性の研磨速度の差が５％未満かつユニフォーミティの数値の差が３％未満であれば、研磨特性が安定していると判断した。

研磨速度＝（研磨前の酸化膜の厚み−研磨後の酸化膜の厚み）／研磨時間 ……（１）。

ユニフォーミティ(%)＝（最大研磨速度−最小研磨速度）／（最大研磨速度＋最小研磨速度）×１００ ……（２）。
実施例１
約６５℃に加熱したポリエーテル系ウレタンポリマ“アジプレン”Ｌ−３２５（ユニローヤル社製）７８重量部と、約１１０℃で溶解させた４，４’−メチレン−ビス（２−クロロアニリン）２０重量部と、中空高分子微小球体“エクスパンセル”５５１ＤＥ（ケマノーベル社製）１．８重量部とを混合して、約９０℃に加熱しておいた金型に流し込んだ。
９０℃のオーブン中で約６時間硬化させた後、室温になるまで徐冷させさらに６時間放置した。得られた成形体をスライサーで厚み１．２５ｍｍにスライスして、微小中空球体を含むポリウレタンのシートを作製し研磨層とした。

上記研磨層を、発泡ポリウレタンシート“ＥＸＧ”（日本発条製（株）製）（厚さ１．２５ｍｍ、印可圧力０．０４ＭＰａから０．１４ＭＰａの範囲での体積弾性率１．０９ＭＰａ〜１．２８ＭＰａ）とを、基材を有さない両面テープ（アクリル系粘着材、テープ厚み７０μm）で貼り合わせたのち、直径３００ｍｍの円形に加工し、表面に幅２ｍｍ，深さ０．６ｍｍ，ピッチ１５ｍｍの碁盤目状の溝を形成して研磨パッドとした。さらに研磨パッドの裏面には両面粘着テープ“４４２ＪＳ”（住友スリーエム（株）製）を貼り付けた。該研磨パッドを研磨機の定盤上に貼り付け、研磨評価を行った。

初期研磨特性は研磨速度３３００オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ８．３％であり、終盤研磨特性は研磨速度３２００オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ８．８％であった。初期、終盤研磨特性はともに合格であり、研磨特性も安定していた。
実施例２
実施例１記載の研磨層と厚み１ｍｍの不織布湿式ポリウレタン（印可圧力０．０４ＭＰａから０．１４ＭＰａの範囲での体積弾性率０．２４ＭＰａ〜０．４５ＭＰａ）とを、基材を有さない両面テープ（アクリル系粘着材、テープ厚み７０μm）で貼り合わせたのち、直径３００ｍｍの円形に加工し、表面に幅２ｍｍ，深さ０．６ｍｍ，ピッチ１５ｍｍの碁盤目状の溝を形成して研磨パッドとした。さらに研磨パッドの裏面には両面粘着テープ“４４２ＪＳ”（住友スリーエム（株）製）を貼り付けた。該研磨パッドを研磨機の定盤上に貼り付け、研磨評価を行った。

初期研磨特性は研磨速度３２２０オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ９．０％であり、終盤研磨特性は研磨速度３１８０オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ９．２％であった。初期、終盤研磨特性はともに合格であり、研磨特性も安定していた。
実施例３
実施例１記載の研磨層と発泡ポリウレタンシート“ＥＸＧ”（日本発条製（株）製）（厚さ１．２５ｍｍ、印可圧力０．０４ＭＰａから０．１４ＭＰａの範囲での体積弾性率１．０９ＭＰａ〜１．２８ＭＰａ）の間に、アクリル系粘着剤を厚さ４０μmとなるように塗布して貼り合わせた。次いで、直径３００ｍｍの円形に加工し、表面に幅２ｍｍ，深さ０．６ｍｍ，ピッチ１５ｍｍの碁盤目状の溝を形成して研磨パッドとした。さらに研磨パッドの裏面には両面粘着テープ“４４２ＪＳ”（住友スリーエム（株）製）を貼り付けた。該研磨パッドを研磨機の定盤上に貼り付け、研磨評価を行った。

初期研磨特性は研磨速度３０００オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ８．０％であり、終盤研磨特性は研磨速度３１４０オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ９．９％であった。初期、終盤研磨特性は合格ではあった。研磨特性の変動は大きかったが合格基準内であった。
比較例１
実施例１記載の研磨層と厚み１ｍｍの不織布湿式ポリウレタン（印可圧力０．０４ＭＰａから０．１４ＭＰａの範囲での体積弾性率０．２４ＭＰａ〜０．４５ＭＰａ）とを、ポリエステルフィルムを基材とする両面粘着テープ“４４２ＪＳ”（住友スリーエム（株）製）で貼り合わせたのち、直径３００ｍｍの円形に加工し、表面に幅２ｍｍ，深さ０．６ｍｍ，ピッチ１５ｍｍの碁盤目状の溝を形成して研磨パッドとした。さらに研磨パッドの裏面には両面粘着テープ“４４２ＪＳ”（住友スリーエム（株）製）を貼り付けた。該研磨パッドを研磨機の定盤上に貼り付け、研磨評価を行った。

初期研磨特性は研磨速度３０９５オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ９．９％であり、終盤研磨特性は研磨速度２８００オングストローム／ｍｉｎ、ユニフォーミティ１３．７％であった。終盤研磨特性は不合格であり、研磨特性も安定しなかった。

この図は、本発明で用いられる、体積変化検出部を備えた測定セルを例示説明するための概略側面図である。 この図は、本発明で用いられる、体積弾性率の測定装置を例示説明するための概略側面図である。

符号の説明

１ 測定セル
２ メスピペット
３ 容器
４ ゴム栓
５ 試料室
６ 蓋
７ 蓋
８ 勘合部
９ 勘合部
１０ 圧力容器
１１ 圧力計
１２ 加圧バルブ
１３ 放圧バルブ

Claims (5)

1. 微小中空球体を含有するポリウレタンからなる研磨層と、クッション層とを含む研磨パッドにおいて、該研磨層と該クッション層とが、基材を有さない厚みが６５μmより大きく３００μm以下である粘着材により貼り合わされていることを特徴とする研磨パッド。
2. 微小中空球体を含有するポリウレタンからなる研磨層と、クッション層とを含む研磨パッドにおいて、該研磨層と該クッション層とが、基材を有さない両面テープおよび／または両面シートにより貼り合わされていることを特徴とする研磨パッド。
3. 基材を有さない両面テープおよび／または両面シートの厚みが２０μm以上３００μm以下であることを特徴とする請求項２に記載の研磨パッド。
4. 該クッション層の体積弾性率が２０．７ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の研磨パッド。
5. 該クッション層が発泡ポリウレタンおよび／または不織布であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の研磨パッド。
   

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