JP2009291854A - 研磨パッド - Google Patents

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進一 松村
Nobuyuki Oshima
伸之 大嶋
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弘 牧野
Naoko Kawai
奈緒子 河井
Maiko Oshida
麻衣子 押田
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Abstract

【課題】研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができる研磨パッドを提供する。
【解決手段】アミノ基(NH基)を有する芳香族アミンと、イソシアネート基(NCO基)を有するイソシアネート末端プレポリマーとを反応硬化させた発泡ポリウレタンからなる研磨パッドであって、見かけ密度を、0.60g/cm〜0.90g/cmとしている。
【選択図】図1

Description

本発明は、研磨パッドに関し、更に詳しくは、シリコンウェハなどの半導体ウェハの研磨に好適なポリウレタン系の研磨パッドに関する。
半導体ウェハなどの平坦化処理には、化学機械研磨(CMP)技術が用いられており、従来からCMP技術を用いた種々のCMP装置が提案されている。図2は、従来のCMP装置の概略構成図である。定盤1の表面に取付けられた研磨パッド2には、研磨用のスラリー3がスラリー供給装置4から供給される。被研磨物としての、例えば、半導体ウェハ5は、研磨ヘッド6に、バッキングフィルム7を介して保持される。研磨ヘッド6に荷重が加えられることによって、半導体ウェハ5は、研磨パッド2に押し付けられる。
研磨パッド2上に供給されるスラリー3は、研磨パッド2上を広がって半導体ウェハ5に到達する。定盤1と研磨ヘッド6とは、矢符Aで示すように同方向に回転して相対的に移動し、研磨パッド2と半導体ウェハ5との間にスラリー3が侵入して研磨が行われる。なお、8は研磨パッド2の表面を目立てするためのドレッサーである。
研磨パッド2としては、耐摩耗性等に優れた発泡ポリウレタンを使用したものが知られている。
近年、シリコンウェハ等の被研磨物の平坦度の要求が益々厳しくなっており、かかる平坦度を向上させるには、研磨パッドを、高硬度、高弾性率にすることが有効であり、熱可塑性ポリウレタンからなる高硬度、高弾性率の研磨パッドも提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−91898号公報
しかしながら、上記特許文献1の研磨パッドは、熱可塑性のポリウレタンで構成されているために、熱硬化性のポリウレタンに比べて、例えば、100℃以上の高温時の耐熱性が悪く、軟化点が低いために、研磨時に高温状態になるような場合や形状加工時、例えば溝加工時などで研磨パッドが局所的に高温状態になった場合、研磨パッドが軟化溶融してうまく加工できないなどの課題がある。
一般に、発泡ポリウレタンからなる研磨パッドを、高硬度、高弾性率にするには、密度を上げればよいが、密度を上げると、発泡倍率が下がることになり、ポア(気泡)のサイズが小さくなる結果、スラリーの保持能力が低下して研磨レートが低下するといった課題がある。
また、研磨パッドの硬度が高くなると、被研磨物の被研磨面に傷(スクラッチ)を生じさせるという課題もある。
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができる研磨パッドを提供することを目的とする。
本発明の研磨パッドは、熱硬化性の発泡ポリウレタンからなる研磨パッドであって、見かけ密度が、0.60g/cm〜0.90g/cmである。
ここで、見かけ密度とは、発泡ウレタンからなる研磨パッドのポア(気泡)を含めた密度をいい、寸法から求められる体積で、質量を割った密度をいう。
見かけ密度が、0.60g/cm未満ではポアの容積が大きいために、スラリー保持容量が大きく、そのため十分な研磨レートを維持できるが、弾性率が低下して被研磨物の平坦度が悪化する。一方、見かけ密度が、0.90g/cmを超えると弾性率が高くなり、被研磨物の平坦度は向上するが、スラリー保持容量が小さくなるために研磨レートが極端に低下してしまう。
本発明の研磨パッドによると、見かけ密度が、0.60g/cm〜0.90g/cmであるので、ポア容積を確保できるとともに、弾性率を高めることが可能となり、これによって、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることが可能となる。
本発明の好ましい実施形態では、30℃における貯蔵弾性率E’が、2.0×10Pa〜6.5×10Paである。
30℃における貯蔵弾性率E’が、2.0×10Pa未満では被研磨物の平坦度が悪く、6.5×10Paを超えると被研磨物の平坦度は良いが、一般的に同じポリウレタンの場合、弾性率が高い程、密度が高くなるため、スラリー保持容量が小さくなり研磨レートが低下する。
本発明の一つの実施形態では、ショアD硬度が、35〜60である。
ショアD硬度が、35未満では被研磨物の平坦度が悪く、60を超えると被研磨物の平坦度は良いが、一般的に同じポリウレタンの場合、硬度が高い程、密度が高くなるため、スラリー保持容量が小さくなり研磨レートが低下する。
本発明の他の実施形態では、圧縮率が、0.5%〜2.3%である。
圧縮率が、2.3%を超えると、被研磨物の平坦度が悪く、0.5%未満では被研磨物の平坦度は良いが、一般的に同じポリウレタンの場合、圧縮率が低い程、密度が高くなるため、スラリー保持容量が小さくなり研磨レートが低下する。
本発明の更に他の実施形態では、最大ポア径が、1.3mm〜2.0mmである。
最大ポア径が、1.3mm未満ではポア容積が小さくなりスラリー保持容量低下し研磨レートが低下する。また、2.0mmを超えると、スラリー保持容量は十分であるがポアサイズが大きいため被研磨物の表面粗さが悪化する。
本発明の他の実施形態では、平均ポア径が、0.35mm〜0.45mmである。
平均ポア径が、0.35mm未満ではポア容積が小さくなりスラリー保持容量低下し研磨レートが低下する。また、0.45mmを超えるとスラリー保持容量は十分であるがポアサイズが大きいため被研磨物の表面粗さが悪化する。
本発明によれば、見かけ密度が、0.60g/cm〜0.90g/cmであるので、ポア容積を確保できるとともに、弾性率を高めることが可能となり、これによって、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることが可能となる。
以下、図面によって本発明の実施形態について詳細に説明する。
この実施形態の研磨パッドは、図1に示すようにして製造される。すなわち、イソシアネート基(NCO基)を有するイソシアネート末端プレポリマーと、アミノ基(NH基)を有する芳香族アミンとを、発泡剤(水)と共に混合攪拌し(S1)、所定の型に注型し(S2)、反応硬化させて発泡ポリウレタンの成型体を得る(S3)。得られた発泡ポリウレタンの成型体を、所定の厚さのシート状に裁断し(S4)、それを打ち抜いて研磨パッドを得る。
イソシアネート基(NCO基)を有するイソシアネート末端プレポリマーは、アルコール系活性水素含有化合物とイソシアネート化合物とよりなるのが好ましく、アルコール系活性水素含有化合物は、ポリオールおよび鎖伸張剤からなるのが好ましい。
このイソシアネート末端プレポリマーは、2価以上のアルコール系活性水素を有するポリオールおよび/または鎖伸張剤と、2価以上のイソシアネート基を有するイソシアネート化合物とにより作成されるのが好ましい。
また、研磨用であるので、加水分解を起こさないエーテル系のポリオールが好ましく、エーテル系のポリオールとして、PPG(ポリプロピレングリコール)、PTMG(ポリテトラメチレンエーテルグリコール)、PEG(ポリエチレングリコール)等の−O−結合を有するものが好ましく、その中でも一般的には、物性(引張り特性)の良好なPTMG系が好ましい。
鎖伸張剤としては、分子量MWが500以下のEG(エチレングリコール)、PG(プロピレングリコール)、BG(ブタンジオール)、DEG(ジエチレングリコール)、トリメチロールポロパン等を用いることができる。
イソシアネート化合物としては、TDI(トリレンジイソシアネート)、MDI(ジフェニルメタンジイソシアネート)、HDI(ヘキサメチレンジイソシアネート)、水添MDI(ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート)、ポリメリックMDI(ポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネート)等および、これらのイソシアネートから作成されるプレポリマーが使用される。
芳香族アミンとしては、少なくともMOCA(4,4’−メチレンビス(o−クロロアニリン))およびMOCA類似物の少なくとも一方を使用するのが好ましい。
MOCA類似物としては、メチレン-ビス(2,3ジクロロアニリン)、4’,4メチレン-ビス(2-メチルエステルアニリン)などを使用することができる。
この実施形態の研磨パッドは、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができるように、次のようにしている。
すなわち、この実施形態の研磨パッドは、見かけ密度が、0.60g/cm〜0.90g/cmであり、好ましくは、30℃における貯蔵弾性率E’が、2.0×10Pa〜6.5×10Pa、ショアD硬度が、35〜60、圧縮率が、0.5%〜2.3%、最大ポア径が、1.3mm〜2.0mm、平均ポア径が、0.35mm〜0.45mmである。
この実施形態の研磨パッドは、上述の製造方法において、例えば、発泡剤の量を少なくするなどして発泡倍率を調整することにより、見かけ密度、貯蔵弾性率E’、ショアD硬度、圧縮率、最大ポア径および平均ポア径が、前記範囲内に収まるようにしている。
特に、見かけ密度、貯蔵弾性率E’、最大ポア径および平均ポア径を前記範囲内に収まるように最適化することにより、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができるとともに、被研磨面に生じる研磨傷を改善することができる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
各種特性を評価するために、上述の製造方法によって、試験用パッドとして、実施例1〜3および比較例の研磨パッドを製造した。また、従来の2種類(従来例1,2)の研磨パッドも試験用パッドとした。
各試験用パッドの物性値を表1に示す。
Figure 2009291854
表1における見かけ密度は、次のようにして算出した。直径300mmにカットした試料の重量(g)を電子天秤で測定し、小数点以下2桁までを読みとる。ダイヤルゲージで厚みを3点測定して平均値をcm換算して計算する。次の計算式により見かけ密度を算出する。数値は小数点以下3桁目を四捨五入する。
密度(g/cm3)=重量/(3.14×15×厚み) (半径:cm単位)
表1における貯蔵弾性率E’は、SIIナノテクノロジー製の動的粘弾性測定装置DMS6100を用いて、下記表2の条件で計測した。
Figure 2009291854
表1における圧縮率は、次式に従って算出した。
圧縮率 (%)={(T1−T2)/T1}×100
ここで、
T1:研磨パッドに無負荷状態から641g/cmの応力を60秒間加えて保持した際の研磨パッドの厚み
T2:T1の状態からさらに5161g/cmの応力を60秒間加えて保持した際の研磨パッドの厚みである。
表1におけるポア径の測定は、三谷商事製の画像処理ソフトウェアWinRoof Ver5.6.2を用いて、4×4mmの測定範囲の3箇所について、しきい値決定法としてPタイル法を用いて測定した。
表1に示すように、実施例1〜3は、見かけ密度が、0.60g/cm〜0.90g/cmの範囲にあるのに対して、従来例1,2は、見かけ密度が、0.60g/cmよりも小さく、比較例は、見かけ密度が、0.90g/cmよりも大きい。
実施例1〜3は、ショアD硬度が、35〜60の範囲にあるのに対して、従来例1,2は、ショアD硬度が、35よりも低く、比較例は、ショアD硬度が、60よりも高い。
実施例1〜3は、30℃における貯蔵弾性率E’が、2.0×10Pa〜6.5×10Paの範囲にあるのに対して、従来例1,2は、貯蔵弾性率E’が、2.0×10Paよりも小さく、比較例は、貯蔵弾性率E’が、6.5×10Paよりも大きい。
実施例1〜3は、圧縮率が、0.5%〜2.3%の範囲にあるのに対して、従来例1,2は、圧縮率が、2.3%よりも大きく、比較例は、圧縮率が、0.4%よりも小さい。
実施例1〜3は、最大ポア径が、1.3mm〜2.0mmの範囲にあるのに対して、従来例1,2は、最大ポア径が、2.0mmよりも大きく、比較例は、最大ポア径が、1.3mmよりも小さい。
実施例1〜3は、平均ポア径が、0.35mm〜0.45mmの範囲にあるのに対して、従来例1,2は、平均ポア径が、0.45mm以上であり、比較例は、平均ポア径が、0.35mmよりも小さい。
以上の従来例1,2、実施例1〜3および比較例の各試験用パッドを用いて、表3の研磨条件でウェハの両面研磨試験を行った。
Figure 2009291854
両面研磨試験は、表3に示すように、SpeedFam製の両面研磨装置20B−5P−4Dを用いて行った。スラリーは、ニッタ・ハース製のNP6220(20倍希釈)を、流量4.5L/min〜5.0L/minで供給した。下定盤の回転速度は、毎分31回転、上定盤の回転速度は、逆方向に毎分11回転とし、インターナルギアおよびサンギアの回転速度は、それぞれ毎分6.3回転および毎分23.8回転とした。圧力は、11.2kPaとし、立ち上げ時には、ダイヤモンドドレッサーによって、30分のコンデイショニングを行った。
試験結果およびその判定結果を表4に示す。判定は、研磨レート、平坦度の評価項目であるTTV(Total Thickness Variation)およびSTIR(Sight Total Indicator Reading )、研磨傷の評価項目であるrms(Root Mean Square)について、それぞれ◎(優)、○(良)、△(可)、×(不可)の4段階で行うとともに、更に、それらの総合評価を、◎、○、△、×の4段階および点数で行った。
Figure 2009291854
表4における研磨レート(μm/min)、TTV(μm)、STIR(μm)およびrms(nm)の各判定基準を表5に示す。
Figure 2009291854
表5に示すように、研磨レートについては、0.45以上を◎、0.40以上0.45未満を○、0.35以上0.40未満を△、0.35未満を×と判定した。
TTVについては、0.4未満を◎、0.4以上0.6未満を○、0.6以上0.8未満を△、0.8以上を×と判定した。
STIRについては、0.10未満を◎、0.10以上0.14未満を○、0.14以上0.18未満を△、0.18以上を×と判定した。
rmsについては、0.8未満を◎、0.8以上1.0未満を○、1.0以上1.1未満を△、1.1以上を×と判定した。
総合評価では、表4に示される研磨レート、TTV、STIRおよびrmsについての◎、○、△、×の4段階の判定結果に対して、◎は3点、○は2点、△は1点、×は0点を割り当て、その合計点が、3点〜4点は×、5点〜6点は△、7点は○、8点は◎と総合判定するとともに、4項目のいずれか一つの項目に×があれば、合計点に拘わらず、総合評価は×とした。
表4に示すように、従来例1は、研磨レートは◎の判定であるが、平坦度の評価項目であるTTVおよびSTIRはいずれも×の判定であるとともに、研磨傷の評価項目であるrmsも×の判定となっている。また、従来例2は、研磨レートは◎の判定であるが、TTVおよびSTIRはいずれも△の判定であり、rmsは×の判定となっている。したがって、従来例1,2は、総合評価は×の判定となる。
これに対して、実施例1は、研磨レートは◎の判定であり、TTVおよびSTIRはいずれも△の判定であり、rmsは○の判定となっており、総合評価は△となる。
また、実施例2は、研磨レートは○の判定であるが、TTVおよびSTIRはいずれも◎の判定であり、rmsも◎の判定となっており、総合評価も◎の判定となる。
実施例3は、研磨レートは△の判定であるが、TTVおよびSTIRはいずれも◎の判定であり、rmsも◎の判定となっており、総合評価は○の判定となる。
これに対して、比較例は、研磨レートが×の判定であるために、TTV、STIRおよびrmsは、いずれも◎の判定となっているが、総合評価は×の判定となる。
このように実施例1〜3は、従来例1,2および比較例に比べて、研磨レート、平坦度の評価項目であるTTVおよびSTIR、並びに、研磨傷の評価項目であるrmsのすべての項目のバランスが良く、研磨レートを大きく損なうことなく、被研磨物の平坦度および研磨傷を改善できることが分かる。
上述の実施例1〜3では、従来例1,2に比べて、TTVでは、20%〜40%、STIRでは、10%〜40%、rmsでは、20%〜30%の改善効果がそれぞれ確認された。
本発明は、シリコンウェハ等の研磨に用いる研磨パッドとして有用である。
OLE_LINK5本発明の実施形態におけるOLE_LINK5製造工程図 CMP装置の概略構成図
符号の説明
2 研磨パッド

Claims (6)

  1. 熱硬化性の発泡ポリウレタンからなる研磨パッドであって、
    見かけ密度が、0.60g/cm〜0.90g/cmであることを特徴とする研磨パッド。
  2. 30℃における貯蔵弾性率E’が、2.0×10Pa〜6.5×10Paである請求項1に記載の研磨パッド。
  3. ショアD硬度が、35〜60である請求項1または2に記載の研磨パッド。
  4. 圧縮率が、0.5%〜2.3%である請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨パッド。
  5. 最大ポア径が、1.3mm〜2.0mmである請求項1〜4のいずれか一項に記載の研磨パッド。
  6. 平均ポア径が、0.35mm〜0.45mmである請求項1〜5のいずれか一項に記載の研磨パッド。
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