JP2008186887A - 研磨パッド、研磨装置および研磨装置用保護フィルム - Google Patents

Abstract

【課題】研磨パッドに貫通孔を設け光学的に研磨状態を測定する研磨装置において、貫通孔の隙間からスラリーが漏れて測定手段を汚したり研磨パッドのクッション層にしみ込んだりすることを防止する研磨パッドと保護フィルムを提供する。
【解決手段】研磨パッドはクッション層を有し、研磨面と裏面を連通する貫通孔が設けられ、該クッション層の吸水率を５％以下とする。また保護フィルムは、研磨パッドを固定する定盤に光学的に研磨状態を測定するための貫通孔が設けられ、その貫通孔にはめ込まれた透明材を保護するものであって、ベースフィルム１９と粘着層２０とセパレーターフィルム２１の三層から構成され、セパレーターフィルムはベースフィルムの端より大きく、切り込み２２によって２個以上に分割されている。分割されている一部のセパレーターフィルムを剥がし貫通孔部分に粘着し、その後残りの部分を粘着させると皺が入らず良好に貼り付け可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等において平坦面を形成するのに使用される研磨装置に用いられる研磨パッド、研磨装置および研磨装置用保護フィルムに関するものである。

半導体デバイスが高密度化するにつれ、多層配線と、これに伴う層間絶縁膜形成や、プラグ、ダマシンなどの電極形成等の技術が重要度を増している。これに伴い、これら層間絶縁膜や電極の金属膜の平坦化プロセスの重要度は増しており、この平坦化プロセスのための効率的な技術として、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）と呼ばれる研磨技術が普及している。

このＣＭＰ技術を用いた研磨装置は図１の様に、ウェハ等の基板を研磨しながら、研磨パッドの裏側（定盤側）から、レーザー光または可視光を基板の被研磨面に照射して、研磨状態を測定する装置が、重要な技術として注目を集めている（特許文献１参照）。

一方、研磨パッドに貫通孔を設け、ウェハーの研磨面の光の反射状態を見て研磨状態を判定するウェハー研磨方法が知られている（特許文献１参照）。しかし、ここで紹介された研磨パッドに貫通孔を設ける研磨方法は、スラリーが貫通孔に入り込むため、光学手段がスラリーで汚れたり、研磨パッドがクッション層を有する場合には、クッション層がスラリーを吸い込んでしまうことがあった。一方、この貫通孔に硬質の透明材をはめ込んでスラリーリークを防止する研磨パッドが知られていた。しかしながら貫通孔に埋め込まれている透明材の隙間からスラリーがリークしたり、透明材がウェハーのスクラッチの原因になるという問題があった。
特開２０００−２５４８６０号公報

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、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使用される研磨装置において、基板表面にスクラッチが生じにくく、研磨中に研磨状態を光学的に良好に測定できる貫通孔を設けた、スラリーを吸い込んでしまわない研磨パッドやそれを用いた研磨装置、または研磨装置の光学手段をスラリーの汚れから防止する為の研磨装置用保護フィルムを提供せんとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。（１）クッション層を有した研磨パッドであって、研磨面と裏面を連通する貫通孔が設けられ、該クッション層の吸水率が５％以下であることを特徴とする研磨パッド。
（２）（１）に記載の研磨パッド、前記研磨パッドと基板とを当接し、相対移動させて研磨を行う手段、および、前記研磨パッドと被研磨材との間にスラリーを供給する手段、ならびに前記研磨パッドの研磨層を通して光学的に研磨状態を測定する手段とを少なくとも具備する研磨装置。
（３）研磨パッドを固定する定盤を有し、かつ該定盤が光学的に研磨状態を測定するためのホール、および該ホールにはめ込まれた透明材を有する研磨装置に用いる保護フィルムであって、該保護フィルムはベースフィルムと粘着層とセパレーターフィルムの三層から構成され、粘着層の上のセパレーターフィルムはベースフィルムの端より大きく、２個以上に分割されていることを特徴とする研磨装置用保護フィルム。
（４）（１）に記載の研磨パッドを使用し、絶縁膜または金属配線を光学的に研磨状態を測定しながら研磨する方法。

本発明により、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際に、被研磨材表面にスクラッチの発生も少なく、研磨中に研磨状態を光学的に良好に測定することができるとともに、研磨装置の光学手段をスラリー等で汚さない研磨装置を提供することができる。

本発明は、前記課題、つまり被研磨材表面にスクラッチが生じにくく、研磨中に研磨状態を光学的に良好に測定できる研磨パッドについて、そして、研磨装置の光学手段をスラリー等で汚さない方法を鋭意検討した結果、研磨面と裏面を連通する貫通孔が設けられ、クッション層の吸水率が５％以下である研磨パッドを用いること、ベースフィルムの端より大きく、２個以上に分割されているセパレーターフィルムを備えた研磨装置用保護フィルムを用いることで課題を一挙に解決することができることを究明したものである。

本発明の研磨層は、マイクロゴムＡ硬度で７０度以上、好ましくは８０度以上が好ましい。マイクロゴムＡ硬度が７０度を満たない場合は、半導体基板の局所的凹凸の平坦性が不良となるので好ましくない場合がある。

本発明の研磨パッドの研磨層表面には、ハイドロプレーン現象を抑える為に、溝切り形状、ディンプル形状、スパイラル形状、同心円形状等、通常の研磨パッドがとり得る溝（グルーブ）が形成されて使用される。

本発明のクッション層の吸水率は５％以下である。吸水率が５％を越える場合は、クッション層に研磨中に使用する水が吸水され、研磨パッドの貫通孔の周辺部分が膨潤して、貫通孔の縁が他の研磨層表面部分より高くなり、均一な研磨の阻害をしたり、スクラッチの原因となるので好ましくない。

この様なクッション層としては、天然ゴム、ニトリルゴム、ネオプレンゴム、ポリブタジエンゴム、熱硬化ポリウレタンゴム、熱可塑性ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの無発泡のエラストマを上げることができるが特にこれらに限定されるわけではない。クッション層の厚みは、０．３〜２ｍｍの範囲が好ましい。０．５ｍｍに満たない場合は、半導体基板全面の面内均一性が損なわれるので好ましくない場合がある。２ｍｍを越える場合は、局所平坦性が損なわれるので好ましくない場合がある。さらに好ましい厚みの範囲は、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。さらに好ましい範囲は０．７５ｍｍ以上１．７５ｍｍ以下である。

本発明の研磨パッドは、研磨パッドの研磨面と裏面を連通する貫通孔が設けられている。

かかる研磨パッドの貫通孔の断面形状は、正方形、楕円形、円形、長方形など色々な形状が取り得る。

本発明の研磨面と裏面を連通する貫通孔の形成方法は、所定の金型を使用して、打ち抜くという方法か、ＮＣルーター等で刃物を使用してくり抜く方法が挙げられる。

次に、本発明の研磨装置について説明する。

本発明の第１の研磨装置は、上記述べたような研磨パッドと研磨パッドと被研磨材との間にスラリーを供給する手段、前記研磨パッドと基板とを当接し相対移動させて研磨を行う手段および前記研磨パッドに設けられた貫通孔をとおして光学的に研磨状態を測定する手段を少なくとも具備するものである。研磨パッド以外の手段は従来公知の手段を組み合わせて構成することができる。

係る装置を用い、研磨パッドと基板との間にスラリーを介在させた状態で、前記研磨パッドと前記基板との間に荷重を加え、かつ前記基板と前記研磨パッドとを相対移動させることにより被研磨材を研磨することができ、かつ前記被研磨材に光を照射することにより被研磨材の研磨状態を光学的に求めることが可能である。

具体的には、例えば図１に示すような構成の装置が挙げられる。定盤１３にはホール１４が形成され、前記研磨パッドの貫通孔がホール１４の上に位置するように設置されている。ホール１４の中には透光材２がはめ込まれており、スラリーが落下して定盤下のビームスプリッター８等に接触しないように、スラリーのリークを防止する役割をしている。定盤１３が回転している一部の間、研磨ヘッド６に保持される被研磨材５から見えるように、このホールの位置が決められる。光源９は、定盤１３の下にあって、ホールが被研磨材５に近接した時には、光源９から発進したレーザーまたは白色光７の入射光１１が定盤１３のホール、研磨層１を通過してその上にある被研磨材５の表面に当たるような位置に固定される。被研磨材５の表面での反射光１２は、ビームスプリッター８で光検出部１０に導かれ、光検出部１０で検出された光の強度の波形を分析する事によって、被研磨材表面の研磨状態を測定することができる。

本発明の第２の研磨装置は、図１のように研磨パッドに貫通孔があいている場合に限らず、貫通孔に高質の透明材がはめ込まれている場合であっても、ホールにはめ込まれた透明材へスラリーリークが生じるので、研磨パッドを定盤に貼り付ける前に、定盤表面のホール部分を被覆出来る研磨装置用保護フィルムを貼り付ける事で汚れを防止することが出来る。

研磨装置用保護フィルムは、厚みが１０〜５０μｍの透明なベースフィルムで粘着層が１０〜３０μｍの厚さが形成されたおり、大きさはホールの面積の２倍以上がホール部分へのスラリー接液を防止できるので好ましい。

該研磨装置用保護フィルムは、粘着層の部分が、ベースフィルムの端より大きなセパレーターフィルムで被覆されており、セパレーターフィルムは、２個以上に分割されていて、分割されている一部のセパレーターフィルムを剥がして、露出した粘着層を定盤のホール部分に粘着させ、その後残りのセパレーターフィルムを剥離して、定盤に粘着層を固定する様に貼り付けると皺が入らず、良好に貼り付けることが可能で、スラリーリークを確実に防止することができる。

分割の仕方として３分割が、まず中央部を剥離して、露出した粘着層を定盤ホールに粘着させ、その後、残りのセパレーターフィルムを剥がして、定盤に粘着層を固定する様に貼り付けると皺が入らず、空気も入らずに、スラリーリークを確実に防止できるので好ましい。該保護フィルムを貼り付けた上から、該研磨パッドを貼り付けることで、ホールの透明材からのスラリーリークを防止できる。セパレーターフィルムは、ベースフィルムの端より少なくとも３ｍｍ以上大きいことが、セパレーターフィルムを剥離しやすいので好ましい。

本発明の研磨パッドを用いて、スラリーとしてシリカ系スラリー、酸化アルミニウム系スラリー、酸化セリウム系スラリー等を用いて半導体ウェハ上での絶縁膜の凹凸や金属配線の凹凸を局所的に平坦化することができたり、グローバル段差を小さくしたり、ディッシングを抑えたりできる。スラリーの具体例として、キャボット社製のＣＭＰ用ＣＡＢ−Ｏ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標） ＳＣ−１、ＣＭＰ用ＣＡＢ−Ｏ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標） ＳＣ−１１２、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標） ＡＭ１００、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標） ＡＭ１００Ｃ、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ １２、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標） ２５、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標） Ｗ２０００、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標） Ｗ−Ａ４００等を挙げることができるが、これらに限られるわけではない。

本発明の研磨パッドの対象は、例えば半導体ウェハの上に形成された絶縁層または金属配線の表面であるが、絶縁層としては、金属配線の層間絶縁膜や金属配線の下層絶縁膜や素子分離に使用されるシャロートレンチアイソレーションを挙げることができ、金属配線としては、アルミ、タングステン、銅等であり、構造的にダマシン、デュアルダマシン、プラグなどがある。銅を金属配線とした場合には、窒化珪素等のバリアメタルも研磨対象となる。絶縁膜は、現在酸化シリコンが主流であるが、遅延時間の問題で低誘電率絶縁膜が用いられる様になる。本発明の研磨パッドでは、スクラッチがはいりにくい状態で研磨しながら研磨状態を良好に測定することが可能である。半導体ウェハ以外に磁気ヘッド、ハードディスク、サファイヤ等の研磨に用いることもできる。

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。

マイクロゴムＡ硬度：
高分子計器（株）製のマイクロゴム硬度計"ＭＤ−１"で測定する。マイクロゴム硬度計"ＭＤ−１"の構成は下記のとおりである。
１．１センサ部
（１）荷重方式：片持ばり形板バネ
（２）ばね荷重：０ポイント／２．２４ｇｆ。１００ポイント／３３．８５ｇｆ
（３）ばね荷重誤差：±０．３２ｇｆ
（４）押針寸法：直径：０．１６ｍｍ円柱形。 高さ０．５ｍｍ
（５）変位検出方式：歪ゲージ式
（６）加圧脚寸法：外径４ｍｍ 内径１．５ｍｍ
１．２センサ駆動部
（１）駆動方式：ステッピングモータによる上下駆動。エアダンパによる降下速度制御
（２）上下動ストローク：１２ｍｍ
（３）降下速度：１０〜３０ｍｍ／ｓｅｃ
（４）高さ調整範囲：０〜６７ｍｍ（試料テーブルとセンサ加圧面の距離）
１．３試料台
（１）試料台寸法：直径 ８０ｍｍ
（２）微動機構：ＸＹテーブルおよびマイクロメータヘッドによる微動。ストローク：Ｘ軸、Ｙ軸とも１５ｍｍ
（３）レベル調整器：レベル調整用本体脚および丸型水準器。

気泡径測定：日立製作所（株）製ＳＥＭ２４００走査型電子顕微鏡を使用し、倍率２００倍で観察した写真を画像解析装置で解析することにより、写真中に存在するすべての気泡径を計測し、その平均値を平均気泡径とした。

実施例１
市販のマイクロバルーン含有発泡ポリウレタンであるＩＣ−１０００（ニッタハース社製）（密度：０．８２ｇ／ｃｍ³ 、平均気泡径：２３μｍ）（厚み：１．２５ｍｍ、大きさ：直径５０８ｍｍ）と熱可塑性ポリウレタンゴム（厚み＝１ｍｍ、吸水率＝０．１％、Ａ硬度＝６８度）を積水化学製両面テープ５５０Ｄを中間テープに使用して貼り合わせをおこなった。裏面テープとして積水化学工業（株）両面テープ５６０４ＴＤＸを貼り合わせた。研磨パッドの直径は７７０ｍｍである。研磨パッドの端から１４０ｍｍの位置に研磨パッドの中心方向の大きさが２８ｍｍで中心方向に垂直な方向の大きさが１０８ｍｍの開口部を開けた。

前記研磨パッドの研磨層表面にグルーブ幅１ｍｍ、グルーブ深さ０．６ｍｍ、グルーブピッチ２０ｍｍの格子状のＸＹ−グルーブをＮＣルーターで形成して、終点検出用研磨パッドとした。２５μｍの厚みのＰＥＴフィルム５０ｍｍ×１３０ｍｍに粘着層として１５μｍを片面に塗工し、５０μｍのセパレーターフィルム５６ｍｍ×１４０ｍｍをカバーして、セパレーターフィルムの長い方向と平行に、中心から５ｍｍの位置にセパレーターフィルム部分に２本の切れ目をいれた保護フィルムを用意する。終点検知機能の付いた研磨機の定盤（７７０ｍｍ直径）に取り付けてある白色光の為の透明材に該保護フィルムを、次に様にして貼り付ける。まず、中央部の２本の切れ目で分離された中央部のセパレーター部分をまず、剥離し、露出した粘着層表面を、定盤のホールにはめ込まれた窓部材の中央部に接着させ、次に残りの片側のセパレターを剥がしながら、中央部から外側にしごく様に、窓部材に保護フィルムを接着させ、次に反対側の残りのセパレーターを剥がしながら、中央部から外側にしごく様に、窓部材に保護フィルムを接着させる。

終点検知機能の付いた研磨機の定盤に取り付けてある白色光の為の透明材に前記研磨パッドを貫通孔が一致する様に貼り付けた。酸化膜の１２インチウェハをメンブレン圧力＝４ｐｓｉ、プラテン回転数＝４５ｒｐｍ、研磨ヘッド回転数＝４５ｒｐｍ、スラリー（キャボット社製、ＳＳ−１２）を２００ｃｃ／分の流量で流して、研磨を行ったところ、膜厚変化に伴うレーザー光の干渉による強度変化がはっきり観察され、十分大きな強度変化があり終点検知が可能であった。酸化膜の研磨レートは２４５０オングストローム／分であった。面内均一性は１２％と良好であった。８μｍ以上のディフェクトも５個と非常に少なかった。

さらに引き続き９時間研磨を行ったが、膜厚変化に伴う白色光の干渉による強度変化がはっきり観察され、十分大きな強度変化があり終点検知が可能であった。酸化膜の研磨レートは２３００オングストローム／分であった。面内均一性は１２％と良好であった。

実施例２
実施例１で用意した研磨パッドを終点検出用研磨パッドとした。２５μｍの厚みのＰＥＴフィルム５０ｍｍ×１３０ｍｍに粘着層として１５μｍを片面に塗工し、５０μｍのセパレーターフィルム５６ｍｍ×１４０ｍｍをカバーして、セパレーターフィルムの短い方向と平行に、中心から５ｍｍおよび３５ｍｍの位置にセパレーターフィルム部分に４本の切れ目をいれた保護フィルムを用意する。終点検知機能の付いた研磨機の定盤（７７０ｍｍ直径）に取り付けてある白色光の為の透明材に該保護フィルムを、次に様にして貼り付ける。まず、中央部の２本の切れ目で分離された中央部のセパレーター部分をまず、剥離し、露出した粘着層表面を、定盤のホールにはめ込まれた窓部材の中央部に接着させ、次にその横のセパレーター部分を剥がしながら、中央部から外側にしごく様に、窓部材に保護フィルムを接着させ、次に反対側の横のセパレーター部分を剥がしながら、中央部から外側にしごく様に、窓部材に保護フィルムを接着させ、さらに残りのセパレーター部分を剥がしながら、窓部材に保護フィルムを接着させ、最後のセパレーター部分を剥がしながら、窓部材に保護フィルムを接着させる。

終点検知機能の付いた研磨機の定盤に取り付けてある白色光の為の透明材に前記研磨パッドを貫通孔が一致する様に貼り付けた。酸化膜の１２インチウェハをメンブレン圧力＝４ｐｓｉ、プラテン回転数＝４５ｒｐｍ、研磨ヘッド回転数＝４５ｒｐｍ、スラリー（キャボット社製、ＳＳ−１２）を２００ｃｃ／分の流量で流して、研磨を行ったところ、膜厚変化に伴う白色光の干渉による強度変化がはっきり観察され、十分大きな強度変化があり終点検知が可能であった。酸化膜の研磨レートは２４５０オングストローム／分であった。面内均一性は１２％と良好であった。

０．１８μｍ以上のディフェクトも８個と非常に少なかった。
さらに引き続き９時間研磨を行ったが、膜厚変化に伴う白色光の干渉による強度変化がはっきり観察され、十分大きな強度変化があり終点検知が可能であった。酸化膜の研磨レートは２３００オングストローム／分であった。面内均一性は１２％と良好であった。

比較例１
実施例１で用意した研磨パッドを終点検出用研磨パッドとした。

前記研磨パッドの研磨層表面にグルーブ幅１ｍｍ、グルーブ深さ０．６ｍｍ、グルーブピッチ２０ｍｍの格子状のＸＹ−グルーブをＮＣルーターで形成して、終点検出用研磨パッドとした。

終点検知機能の付いた研磨機（定盤７７０ｍｍ直径）に上記終点検出用研磨パッドを貼り、開口部に同じ大きさの硬質ポリウレタンで出来た透明部材（厚み２．２５ｍｍ）をはめ込んだ。メンブレン圧力＝４ｐｓｉ、プラテン回転数＝４５ｒｐｍ、研磨ヘッド回転数＝４５ｒｐｍ、スラリー（キャボット社製、ＳＳ−１２）を２００ｃｃ／分の流量で流して、研磨を行ったところ、膜厚変化に伴うレーザー光の干渉による強度変化がはっきり観察され、最大が２３．０で、最小が２１．０で、十分大きな強度変化があり終点検知が可能であった。酸化膜の研磨レートは２４５０オングストローム／分であった。面内均一性は９％と良好であった。０．１８μｍ以上のディフェクトは９０個と多かった。

さらに引き続き９時間研磨を行ったが、膜厚変化に伴うレーザー光の干渉による強度変化が低下しており、最大が２２．１で、最小が２１．１で、精度の良い終点検出が難しくなっていた。酸化膜の研磨レートは２３００オングストローム／分であった。面内均一性は１５％と少し悪化していた。

この図は、研磨装置の一例を用いて、研磨状態を光学的に測定する原理を説明する概略図である。 研磨パッドの概略図 実施例１の保護フィルム 実施例２の保護フィルム

符号の説明

１ 研磨層
２ 透光材
３ 終点検出用研磨パッド
４ クッション層
５ 被研磨材（ウェハー）
６ 研磨ヘッド
７ レーザーまたは白色光
８ ビームスプリッター
９ 光源
１０ 光検出部
１１ 入射光
１２ 反射光
１３ 定盤
１４ ホール
１５ 貫通孔
１６ 裏面テープ
１７ 中間テープ
１８ 経路
１９ ＰＥＴ層（２５μｍ）
２０ 粘着層（１５μｍ）
２１ セパレーター（５０μｍ）
２２ 切り込み

Claims (4)

1. クッション層を有した研磨パッドであって、研磨面と裏面を連通する貫通孔が設けられ、該クッション層の吸水率が５％以下であることを特徴とする研磨パッド。
2. 請求項１に記載の研磨パッド、前記研磨パッドと基板とを当接し、相対移動させて研磨を行う手段、および、前記研磨パッドと被研磨材との間にスラリーを供給する手段、ならびに前記研磨パッドの研磨層を通して光学的に研磨状態を測定する手段とを少なくとも具備する研磨装置。
3. 研磨パッドを固定する定盤を有し、かつ該定盤が光学的に研磨状態を測定するためのホール、および該ホールにはめ込まれた透明材を有する研磨装置に用いる保護フィルムであって、該保護フィルムはベースフィルムと粘着層とセパレーターフィルムの三層から構成され、粘着層の上のセパレーターフィルムはベースフィルムの端より大きく、２個以上に分割されていることを特徴とする研磨装置用保護フィルム。
4. 請求項１に記載の研磨パッドを使用し、絶縁膜または金属配線を光学的に研磨状態を測定しながら研磨する方法。

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