JP2007083387A - 透明な研磨パッド - Google Patents

Abstract

【課題】研磨組成物を使用するＣＭＰ加工において、光学終点検出装置との組合せで有用な研磨パッドを提供する。
【解決手段】研磨面４６を有する研磨パッド４０は、ポリマーマトリックス５２でできており、液状コア５６を有するポリマーカプセル５４を含む。ポリマーマトリックス、ポリマーカプセル及び液状コアそれぞれは屈折率を有し、透明であり、研磨パッド中に別個の開口又は窓を要することなくインサイチュ光学終点検出装置の使用を可能にする。
【選択図】図４

Description

本発明は一般に、ケミカルメカニカルプラナリゼーション（「ＣＭＰ」）加工を使用して基材を研磨し、平坦化するのに有用な研磨パッドに関する。特に、本発明は、インサイチュ光学終点検出装置との組み合わせで有用な、埋め込まれたポリマーカプセルを含有するポリマーマトリックス研磨パッドを提供する。

集積回路及び他の電子装置の作製においては、導体、半導体及び絶縁材料の多数の層を半導体ウェーハの表面に付着させたり、同表面から除去したりする。導体、半導体及び絶縁材料の薄い層は、多様な付着技術によって付着させることができる。最新の加工における一般的な付着技術としては、スパッタリングとしても知られる物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）及び電気化学的めっき法（ＥＣＰ）がある。

材料層が順次、付着され、除去されるにつれ、ウェーハの一番上の表面が平坦でなくなる。後続の半導体加工（たとえばメタライゼーション）はウェーハが平坦面を有することを要するため、ウェーハは平坦化されていなければならない。望ましくない表面トポグラフィー並びに表面欠陥、たとえば粗面、凝集した材料、結晶格子の損傷、スクラッチ及び汚染された層若しくは材料を除去するのにはプラナリゼーションが有用である。

典型的なＣＭＰ加工では、円形の回転プレートを有する下部のプラテンが研磨パッドを保持し、研磨パッドは、その研磨面が上を向くように取り付けられる。基材と相互作用する薬品を通常は含有し、砥粒を含有することもできる研磨組成物が研磨パッドの表面に供給される。回転キャリヤを有する上部のプラテンが基材を保持し、基材は、平坦化される表面が下を向くように保持される。キャリヤは、その回転軸が研磨パッドの回転軸と平行であり、かつそれから外れるように配置される。さらには、キャリヤは、ＣＭＰ加工に適切であるように、研磨パッドの表面を中心に振動又は他のやり方で動かすことができる。基材と研磨パッドとが上部のプラテンによる下向きの圧力によって接触させられ、押し合われ、それにより、研磨パッドの表面の研磨組成物が基材の表面（作用環境）と接触して、薬品が基材と反応することを許しつつ、メカニカル研磨が起こる。

研磨パッドは、多様な方法で、たとえばケークを流込み成形する方法又はシートを流込み成形する方法によって製造することができる。典型的な製造法では、一種以上のプレポリマー、架橋剤、硬化剤及び砥粒を含むことができるポリマーパッド材料成分を混合して樹脂を得る。この樹脂を、流込み、ポンプによって、又は射出などにより、型に移す。ポリマーは通常、速やかに硬化し、最終的にはオーブンに移して硬化工程を完了させることができる。そして、硬化したケーク又はシートを所望の厚さ及び形状にカットする。

研磨パッド表面の凹凸がＣＭＰ加工中の研磨組成物の輸送を支援し、このような凹凸は、研磨パッドの研磨面上に多くの方法で形成することができる。一つの方法によると、表面凹凸は、ポリマーマトリックスを含む研磨パッドに中空のポリマーカプセルを埋め込むことによって形成される。具体的には、表面凹凸は、カプセルを破裂させ、その中に含まれる空洞を研磨パッドの表面上の作用環境にさらすことによって形成される。これは、研磨パッドをコンディショニングすることによって達成することができる。

通常、コンディショニングは、コンディショニングパッドのコンディショニング面に埋め込まれたダイアモンドポイント（又は他の引っかき若しくは切削手段）を用いて研磨パッドの研磨面を摩耗させることからなる。コンディショニングされた研磨パッドが使用されるにつれ、凹凸は損耗し、ＣＭＰ加工からの研磨くず（debris）で目詰まりする。この結果、使用の継続とともに研磨パッド表面の凹凸が失われる。凹凸は、ＣＭＰ加工中に研磨面が摩耗したら、連続的又は完結的なコンディショニングによって再生することができる。凹凸はまた、研磨加工中に、研磨コンディショニングなしで、埋め込まれたポリマーカプセルが研磨面にさらされ、破裂するときに再生することができる。便宜上、「コンディショニング」とは、新たな凹凸を露出させるパッドの摩耗によるか、コンディショニングパッドの使用によるか、他の再生技術によるかにかかわらず、表面凹凸の再生をいう。

研磨加工が効果を示すためには、研磨組成物の輸送に加え、研磨組成物が研磨パッドの表面上を流れなければならない。この流れは大規模テクスチャ（large-scale texture）によって支援される。大規模テクスチャは、溝の導入によって研磨パッドの研磨面に形成される。溝パターン設計及び溝寸法が研磨パッド特性及びＣＭＰ加工特性に影響する。研磨パッドの溝付けは当該技術で周知であり、公知の溝設計としては、半径方向、円形、らせん、ｘ−ｙなどがある。通常、溝は、研磨パッドの研磨面が形成されたのち、機械的手段によって、たとえば固定ブレード（たとえばたがね）又は他の切削手段を使用する切削によって研磨面に導入されるが、パッドと一体に成形することもできるし、型押によって形成することもできる。

所望の量の材料が基材の表面から除去された時点でＣＭＰ加工を止めることが重要である。システムによっては、ＣＭＰ加工は、所望の量の材料が基材の表面から除去された時点を決定するために、加工を止めることなく全体を通じて絶えずモニタリングされる。これは典型的には、インサイチュ光学終点検出によって実施される。インサイチュ終点検出は、レーザ（又は他の）光をプラテン側から研磨パッド中の開口又は窓に通して投射して、そのレーザ光が基材の被研磨面から反射し、検出器によって集光されるようにすることを含む。これらのシステムは、光学的に透明な研磨パッドの場合に十分に機能するが、通常、充填剤入りパッドには有効ではない。

ＣＭＰ加工に使用される一般的なパッドが、Rohm and Haas Electronic Materials CMP Technologiesによって製造、販売されているIC1000（商標）研磨パッドである。図１に示すように、これらのパッド１０は、透明なマトリックス１２及びガス充填ポリマー球体１４から形成された気孔を有する。透明なマトリックス１２とポリマー球体１４との屈折率における大きな違いは大きな屈折度に相当する。この屈折は、特に高気孔率研磨パッドの場合に多数の界面と遭遇する場合、研磨パッドに入る光が実質的に屈折し、パッドを通過して反射して効果的なシグナル生成を提供するのに十分な自由度で研磨パッドを通過しないため、不透明さを生じさせる。

図２は、従来技術の一般的なガス充填球体１４の光路を示す。ポリマーカプセル１４は、第一の屈折率を有するポリマーシェル１６、第二の屈折率を有するガスコア１８、ポリマーシェル１６がポリマーマトリックス材料１２と接触するところの第一の界面２０及びポリマーシェル１６がガスコア１８と接触するところの第二の界面２２を有する。大部分の市販の研磨設備の場合、ガスコア１８の屈折率は、ポリマーシェル１６の屈折率と許容できないほどの量で異なる。光線２４が、ポリマーマトリックス材料１２を通過し、そこで第一の界面２０と遭遇し、わずかに屈折する様子が示されている。光線２４は、ポリマーシェル１６を通過し、そこで第二の界面２２と遭遇し、一部が光線２６によって示すように反射し（以下さらに述べる）、一部が光線２８によって示すように屈折する。光線２８は、ガスコア１８を通過したのち、再び第二の界面２２と接触し、そこで再び一部が光線３０によって示すように反射し、一部が光線３２によって示すように屈折する。光線３２は、第一の界面２０と遭遇し、わずかに屈折し、有意なシグナル損失をもってポリマーカプセル１４を出る。さらには、反射した光線３０は、ガスコア１８を通過したのち、第二の界面２２と遭遇し、そこで一部が光線３４によって示すように反射し、一部が光線３６によって示すように屈折する。

そのような窓の一つが、窓が透明なポリマーでできており、研磨パッドに形成された開口に挿入されている、Birangらへの米国特許第５，８９３，７９６号に開示されている。基材の表面から反射する光の量は、除去された材料の量に対応する。検出された光の量が所定の値に等しい場合、ＣＭＰ加工は所望の終点に達しており、ＣＭＰ加工を止める。

第５，８９３，７９６号特許の窓は、窓を受けるための開口が形成されている形成済みパッドに挿入することもできるし、あるいはまた、所定の場所に流込み成形することもできる。しかし、第５，８９３，７９６号特許の窓を有する研磨パッドを製造する方法は、２ピース以上からなる研磨パッドを生じさせる。その結果、研磨組成物が研磨パッド材料と窓材料との継ぎ目に入り、研磨パッドから漏れて、インサイチュ光学終点検出装置に干渉するおそれがある。この現象を軽減又は解消しようとする多くの試みが成されてきており、たとえば研磨パッドの底を不浸透性フィルムで覆うことによるものである。しかし、この方法は、さらなる工程及び新たな材料を製造工程に組み入れることになり、それが非効率的であり、費用を要する。加えて、窓材料は多くの場合、研磨パッド材料とは異なり、研磨パッド材料とは異なる特性を有し、それが研磨に悪影響を及ぼすおそれがある。

したがって、透明であり、別個の窓を要することなく、基材の表面の検査ができる多孔性研磨パッドが要望されている。

本発明は、研磨組成物及びインサイチュ光学終点検出装置を使用するケミカルメカニカルポリッシング加工で基材を研磨するのに有用な透明な研磨パッドであって、第一の屈折率を有するポリマーマトリックス材料と、前記ポリマーマトリックス材料に埋め込まれ、前記ポリマーマトリックス材料に光学的に接続され、ある直径、ある厚さ及び前記ポリマーマトリックスの前記第一の屈折率の３０％以内である第二の屈折率を有するポリマーシェルを含む複数のポリマーカプセルと、空洞の中に収容され、前記ポリマーシェルに光学的に接続され、前記ポリマーマトリックスの前記第一の屈折率の３０％以内である第三の屈折率を有する液状コアと、前記ポリマーマトリックス材料及び前記埋め込まれたポリマーカプセルの、研磨面に露出した空洞によって画定される複数の凹凸を含む研磨面とを含む研磨パッドを提供する。

図３を参照すると、本発明は、透明であり、開口又は窓を要することなく、インサイチュ光学終点検出装置（図示せず）とともに使用することができ、研磨組成物が漏れるおそれのある継ぎ目をなくし、少ない工程で製造することができる、ＣＭＰ加工で基材４２を平坦化するのに有用な研磨パッド４０を提供する。研磨パッド４０は、研磨面４６が上を向き、基材４２と接するようにプラテン４４に取り付けられる。また、図４でさらに詳細に示す研磨パッド５０の領域が示されている。

図４に示すように、研磨パッド４０は、ポリマーマトリックス５２でできており、ポリマーカプセル５４を含む。ポリマーカプセル５４は液状コア５６を有する。図４はまた、研磨面４６又はその近くにある、ポリマーカプセル５４の露出した空洞によって画定されたポア５８を示す。ポリマーマトリックス材料５２、ポリマーシェル７０（図５）及び液状コア５６それぞれは屈折率を有する。特に、ポリマーマトリックス材料、ポリマーシェル及び液状コアの屈折率は、研磨パッドが透明になり、インサイチュ光学終点検出に使用することができるよう、よく類似している。好ましくは、研磨パッドは、インサイチュ光学終点検出を可能にするレーザ光の少なくとも一つの波長に対して透明である。もっとも好ましくは、研磨パッドは、６４０〜６７０nmの波長のレーザ光に対して透明である。

ポリマーマトリックス材料５２は、熱可塑性材料、たとえば熱可塑性ポリ（塩化ビニリデン）ＰＤＶＣ、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、エチレン酢酸ビニル、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリブタジエン、エチレン−プロピレンターポリマー、ポリカーボネート及びポリエチレンテレフタレート並びにそれらの混合物を含むことができる。加えて、マトリックス材料５２は、熱硬化性材料、たとえば架橋ポリウレタン、エポキシ、ポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリブタジエン及びそれらの混合物を含むことができる。ポリマーマトリックス材料５２は、好ましくはポリウレタンを含み、より好ましくは架橋ポリウレタンを含み、たとえばRohm and Haas Electronic Materials CMP Technologies製のIC1000（商標）及びVisionPad（商標）研磨パッドを含む。

図５を参照すると、ポリマーシェル７０は、熱可塑性材料、たとえば熱可塑性ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、エチレン酢酸ビニル、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリブタジエン、エチレン−プロピレンターポリマー、ポリカーボネート及びポリエチレンテレフタレート並びにそれらの混合物を含むことができる。加えて、ポリマーシェル７０は、熱硬化性材料、たとえば架橋ポリウレタン、エポキシ、ポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリブタジエン及びそれらの混合物を含むことができる。好ましくは、ポリマーシェル７０はＰＤＶＣを含む。

研磨パッドは、従来の方法、たとえば流込み成形、射出成形、同軸射出成形、押出し成形、焼結、接着などによって形成することができる。好ましくは、研磨パッド１０は、シート又はケークを流込み成形することによって形成される。研磨パッド１０がそのように形成されると、混合物を、流込み又は射出により、開放型でも密閉型でもよい型に移す。場合によっては、シートを連続的に流込み成形してロールにして生産速度を高める。そして、混合物を、好ましくは、光活性化、時間活性化、熱活性化又は化学活性化することができる硬化剤の使用によって硬化させる。ひとたび硬化したならば、バッチを型から取り出し、機械的手段、たとえばスカイビング若しくは打抜き又はレーザカットによって個々の研磨パッドに切断する。場合によっては、研磨パッドは、混合物を型に流し込み、硬化させ、スカイビングすることによって形成される。液状コアは、ポリマーケークの流込み成形から起こるおそれのあるパッド間のばらつきを抑制するのに特に有用である。たとえば、ケークの中心部及び頂部を加熱させうる発熱反応は、液体充填カプセルの場合に、ガス充填カプセルの場合よりも少ない熱膨張を提供する。

カプセル膨張及び密度不均一を減らすことに加え、熱を伝達する液状コアの能力は、溝形付け工程中のポリマーマトリックス材料の溶融又は炭化を軽減又は解消するように働く。液状コアは、形成中に溝の周囲のポリマーマトリックス材料を、その領域から熱を引き離すことによって冷ますように働き、研磨パッドの熱量を高めるように働いて、ポリマーマトリックス材料の温度上昇を下げる。したがって、本発明の研磨パッドは、空冷又は実質的な量の水の導入を要することなく、より少ない溶融又は炭化で溝付けすることができる。

液状コア５６は、水性又は非水性の液体、たとえばアルコールを含むことができる。好ましくは、液状コアは、水溶液、たとえば有機若しくは無機塩の水溶液、プレポリマー若しくはオリゴマーの水溶液又は水溶性ポリマーの水溶液を含む。場合によっては、液状コアはまた、ＣＭＰ加工のための試薬を含有することもできる。もっとも好ましくは、液状コアは、不可避的な不純物しか含まない水、たとえば溶存ガスを含む脱イオン水である。

ポリマーカプセル５４は、直径Ｄを有し、厚さＴを有するポリマーシェル７０及びポリマーシェル７０に含まれる液状コア５６で構成されている。厚さＴは、ポリマーカプセル５４の直径Ｄと比べて相対的に小さく示されている。好ましくは、ポリマーシェル７０は、直径Ｄが１μm〜１５０μmである。より好ましくは、ポリマーカプセル５４は、直径が２μm〜７５μmである。好ましくは、ポリマーカプセル５４は、厚さＴが０．０１μm〜５μmである。より好ましくは、ポリマーカプセル５４は、厚さＴが０．０５μm〜２μmである。ポリマーシェル７０は、研磨パッド１０が形成される前に液状コア５６がポリマーマトリックス材料５２と接触することを防ぎ、研磨中、たとえばコンディショニング中に又はウェーハに対する摩耗によって開いて、研磨組成物が液状コア５６を押し退けることを許し、研磨組成物を輸送するための凹凸を形成する。あるいはまた、ポリマーシェル７０は、研磨パッド１０が形成される前に液状コア５６がポリマーマトリックス材料５２と接触することを防ぎ、研磨パッドが形成されたのち溶解してポリマーマトリックス中に空洞を形成し、この空洞が研磨中に開いて、研磨組成物が液状コア５６を押し退けることを許し、研磨組成物を輸送するための凹凸を形成する。

一般に、光学的に接続される二つの隣接する構成材料は接続点で界面を形成する。ポリマーカプセル５４は、ポリマーシェル７０がポリマーマトリックス材料５２と接触するところの第一の界面７２と、ポリマーシェル７０が液状コア５６と接触するところの第二の界面７４とを有する。任意の構成材料の屈折率が隣接する光学的に接続された材料の屈折率と異なるならば、一方の材料から他方の材料に通過する光線はその界面で実質的に屈折する。図５は、ポリマーカプセル５４の表面に入射する光線８０を示す。光線８０が第一の界面７２と遭遇すると、光線は、第一の界面７２を通過するとき、ごくわずかな量しか屈折しない。そして、光線８０は、第二の界面７４と遭遇し、そこで屈折する。そして、光線８０は液状コア５６を通過し、再び第二の界面７４と遭遇し、そこで屈折する。最後に、光線８０は、再び第一の界面と遭遇し、屈折し、ポリマーカプセルを出る。図５に見られるように、入射光線８０は、ごくわずかな量しか屈折せず、屈折による累積効果をごくわずかしか受けずにポリマーカプセル５４を通過する。

二つの光学的に接続された材料の屈折率のより小さな差は、より小さな屈折度に相当する。この屈折は、少数の界面にしか遭遇しない場合又はポリマーマトリックス５２、ポリマーシェル７０及び液状コア５６がすべて近い屈折率を有する場合、特に小さい。透明な研磨パッドの場合、透明なサブパッド又は光シグナルが自由に通過する開口を有するサブパッドを使用することが好ましい。さらには、特定の領域でパッドを溝なしに残すことがシグナル強度を改善することができる。

屈折に加えて、二つの光学的に接続された材料の屈折率の相対差は反射にも影響する。大きく異なる屈折率を有する二つの光学的に接続された材料の界面と遭遇する光線は部分的に反射する。二つの光学的に接続された材料の屈折率の差が大きいほど、反射する光の割合が大きくなる。この反射は、屈折と同様、研磨パッドを通過する光の量を減らして、不透明さを生じさせる。好ましくは、ポリマーマトリックス材料それぞれの屈折率は、シェル及び液状コアの屈折率の３０％以内である。より好ましくは、ポリマーマトリックス材料それぞれの屈折率は、シェル及び液状コアの屈折率の２５％以内である。もっとも好ましくは、ポリマーマトリックス材料それぞれの屈折率は、シェル及び液状コアの屈折率の２０％以内である。本明細書に関して、以下が真であるならば、屈折率ｒ１（ポリマーマトリックス）は、第二の屈折率ｒ２（シェル又は液状コア）のｘ％以内である。

一般に、ポリマーマトリックス、ポリマーシェル及び液状コアの屈折率が近いほど、工程モニタリングのためにウェーハを透過し、反射するシグナルは強くなる。加えて、他の要因、たとえばポリマーカプセルのサイズ、光透過率及び密度がシグナル強度に影響する。たとえば、ポリマーカプセルへの液状コアの添加は、ケミカルメカニカルポリッシングには不適な光学的に不透明な研磨パッドを、光学シグナル、たとえばレーザによって発されるシグナルによる終点検出に適した光学的に透明な研磨パッドに変えることができる。加えて、液状コアはパッドの剛性を高め、それがパッドの平坦化能力を改善することができる。さらには、液状コアは、ガス充填ポリマーカプセルに比べてパッドの熱伝導率を改善する。最後に、液状コアは、溝を切るための、特に複雑な溝、たとえば変則的な半径方向溝を切る場合の研磨パッドの機械加工性を改善することができる。

従来技術のポリマーカプセルの部分断面図である。 光の散乱を示す図１のポリマーカプセルの略図である。 ＣＭＰ加工で使用される本発明の研磨パッドを示す略図である。 図３の研磨パッドの部分断面図である。 光の透過を示す図４のポリマーカプセルの略図である。

Claims (10)

1. 研磨組成物及びインサイチュ光学終点検出装置を使用するケミカルメカニカルポリッシング加工で基材を研磨するのに有用な透明な研磨パッドであって、
   第一の屈折率を有するポリマーマトリックス材料と、
   前記ポリマーマトリックス材料に埋め込まれ、前記ポリマーマトリックス材料に光学的に接続され、ある直径、ある厚さ及び前記ポリマーマトリックスの前記第一の屈折率の３０％以内である第二の屈折率を有するポリマーシェルを含む、空洞を有する複数のポリマーカプセルと、
   前記空洞の中に収容され、前記ポリマーシェルに光学的に接続され、前記ポリマーマトリックスの前記第一の屈折率の３０％以内である第三の屈折率を有する液状コアと、
   前記ポリマーマトリックス材料及び前記埋め込まれたポリマーカプセルの、研磨面に露出した空洞によって画定される複数の凹凸を含む研磨面と
   を含む研磨パッド。
2. 前記ポリマーシェルが、前記研磨パッドが形成される前に前記液状コアが前記ポリマーマトリックス材料と接触することを防ぎ、研磨中に前記ポリマーシェルが開いて、前記研磨組成物が前記液状コアを押し退けることを許し、前記研磨組成物を輸送するための凹凸を形成する、請求項１記載の研磨パッド。
3. 前記ポリマーシェルが、前記研磨パッドが形成される前に前記液状コアが前記ポリマーマトリックス材料と接触することを防ぎ、前記研磨パッドが形成されたのち前記ポリマーシェルが溶解して前記ポリマーマトリックス中に空洞を形成し、研磨中に前記空洞が開いて、前記研磨組成物が前記液状コアを押し退けることを許し、研磨組成物を輸送するための凹凸を形成する、請求項１記載の研磨パッド。
4. 前記ポリマーカプセルの直径が１μm〜１５０μmである、請求項１記載の研磨パッド。
5. インサイチュ光学終点検出を可能にするレーザ光の少なくとも一つの波長に対して透明である、請求項１記載の研磨パッド。
6. ６４０nm〜６７０nmの波長のレーザ光に対して透明である、請求項５記載の研磨パッド。
7. 前記ポリマーシェルが厚さ０．１〜５μmである、請求項１記載の研磨パッド。
8. 前記液状コアが、不可避的な不純物を含む水である、請求項１記載の研磨パッド。
9. 前記ポリマーシェルが、ＰＤＶＣである、請求項１記載の研磨パッド。
10. 前記ポリマーシェルの前記第二の屈折率が前記ポリマーマトリックスの前記第一の屈折率の２０％以内であり、前記液状コアの前記第三の屈折率が前記ポリマーマトリックスの前記第一の屈折率の２０％以内である、請求項１記載の研磨パッド。

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