JP2010234488A

JP2010234488A - 研磨パッドの製造方法および研磨パッドの表面形状評価方法

Info

Publication number: JP2010234488A
Application number: JP2009085770A
Authority: JP
Inventors: Yohei Noro; 陽平野呂; Ryoji Okuda; 良治奥田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】
研磨パッドをドレッシングし、研磨中のワークが認識する研磨パッドの厚みむらを簡易にかつ精度高く評価する方法、およびそのための研磨パッドを製造する方法を提供する。
【解決手段】
表面が内部と異なる色に着色されている研磨パッドの製造方法であって、着色材料が固体粉末のまま塗布する工程を含むことを特徴とする着色研磨パッドの製造方法、およびワークを研磨する、表面が内部と異なる色に着色されている研磨パッドを用い、ドレッサーでドレッシングを行い、ドレッシングによって削られた前記研磨パッド表面の色むらを評価する、研磨パッド表面形状評価方法において、前記ドレッサーのサイズが前記ワークと同じサイズであることを特徴とする研磨パッド表面形状評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨パッドの製造方法、ドレッシングした研磨パッドの表面形状評価方法に関するもので、特に半導体ウェーハ等のワークを研磨する研磨装置に使用される研磨パッドの製造方法および表面状態および厚みむら等の表面形状を評価する方法に関する。

半導体装置の微細化・多層化が進むにつれて、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術は、半導体装置製造工程になくてはならない必須の技術になっている。このＣＭＰ技術は、層間絶縁膜の平坦化のみならず、Ｃｕ配線や素子分離など、現在では様々な工程に利用されている。

平坦化ＣＭＰは、ワークと研磨パッド（以降、単にパッドと称することがある）の間に研磨剤を介在させて接触させ、ワークとパッドをある圧力を加えて、ある相対速度で動かすことにより実現される。このため、平坦化ＣＭＰにおいては、ワークとパッドの接触状態が重要である。

この接触状態に影響する要素として、研磨圧力やスラリーなどがあるが、パッドについては厚みと表面状態が挙げられる。研磨パッドの厚みがパッド面内で異なり、いわゆる厚みムラが存在すると、研磨圧力の不均一、スラリー液膜厚みの不均一が発生して、ワークが不均一に研磨される。また、スラリー液膜厚みが厚くなると、ハイドロプレーニング現象が発生し、研磨レートの低下を引き起こす。したがって、研磨パッドの厚みは均一であることが好ましい。

ここで、パッドの厚みとは、研磨定盤面を基準としてパッドの表面までの距離のことを意味し、例えばパッドを研磨定盤面へ貼ったときに異物や空気などを噛み込んで貼りむらが存在する場合は、たとえパッドそのものの厚みが均一であっても本発明における研磨パッドの厚みは不均一であることを意味する。

ドレッシングがパッド面内で不均一の場合、パッドの表面粗さが部分的に減少して研磨レートが低下する、あるいは研磨屑が付着してワーク上に欠陥（パーティクル付着、スクラッチ傷、など）が発生するなどの不具合が生じるため、パッド面内を均一にドレッシングして均一なパッド表面状態を形成することが好ましい。

ここで、ドレッシングとは、ダイヤモンドなどの砥石が付いたドレッサーを研磨パッドに接触させ、研磨パッドの表面を削り取るないしは表面を粗らすなどして、スラリーの保持性を良好にして研磨可能な状態に初期化したり（当該分野では「ブレークイン」と称する）、使用中の研磨パッドに対してスラリーの保持性を回復あるいはパッド表面に付着した研磨屑を除去し、研磨能力を維持させることをいう。

このドレッシングを行うにあたり、表面又は表層部が内部と異なる色に着色されていると、研磨パッドをドレッシングした際に、ドレッシングが行われた部分は着色されたところが除去されて下地の色が見えるが、ドレッシングされていない部分は着色されたままとなる。この事を利用して、研磨パッド表面の色の分布状態を評価することで、容易にドレッシングの均一性を判断できる技術が開示されている。さらには、この技術を用いて、パッドへの倣い性が良好な可撓性ドレッサーの優位性が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００７−０６７１１０号公報

しかし、前記特許文献１に記載された手法では、研磨パッドを着色するのに溶剤に分散された顔料や染料を用いているため、パッド材料の厚み方向への染みこみがパッド面内の位置によって異なることが懸念される。具体的には、着色剤の塗布量が一定でない場合や、着色剤を複数回塗布した場所がある場合などが挙げられる。このため、精密にパッドの厚みムラやパッドの表面状態分布を評価するには、着色の誤差が大きすぎることが課題であった。

また、ＣＭＰ装置で使用される研磨パッドは、研磨パッドそのものの厚みむらや研磨定盤への貼り付けむらがあることから、一般に貼り付け後の研磨パッド表面は平坦ではない。このため、貼り付けた後の研磨パッドは３０μｍ〜１００μｍ程度の高低差を持っている。ＣＭＰにおいては、ウェーハを安定に、かつウェーハ面内を均一に研磨するため、このような高低差を除去することが求められるとともに、ワークが認識するパッドの高低差を評価することが重要である。ここで、ドレッサーをワークに見立てることで、ワークが認識するパッド表面の高低差を評価することが可能となる。

しかし、ドレッサーに可撓性のドレッサーや、ワークサイズよりも小さいサイズのドレッサーを用いると、ドレッサーがパッドの高低差に倣い、ワークが認識する高低差を評価しにくいことが課題となっていた。また、ワークサイズよりも大きいサイズのドレッサーについては、ウェーハが倣うことのできる長周期のパッドの高低差も検知してしまうため、ワークが認識する高低差を評価しにくいことが課題となっていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＣＭＰ装置に代表される研磨装置の研磨パッドをドレッシングし、研磨中のワークが認識する研磨パッドの厚みむらを簡易にかつ精度高く評価する方法、およびそのための研磨パッドを製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、次のような手段を採用するものである。
（１）表面が内部と異なる色に着色されている研磨パッドの製造方法であって、着色材料が固体粉末のまま塗布する工程を含むことを特徴とする着色研磨パッドの製造方法、
（２）ワークを研磨する、表面が内部と異なる色に着色されている研磨パッドを用い、ドレッサーでドレッシングを行い、ドレッシングによって削られた前記研磨パッド表面の色むらを評価する、研磨パッド表面形状評価方法において、前記ドレッサーのサイズが前記ワークと同じサイズであることを特徴とする研磨パッド表面形状評価方法、
（３）前記ドレッシングによって削られた前記研磨パッド表面の色むらを評価する、研磨パッド表面形状評価方法において、研磨パッドが前記ドレッサーよりも大きいことを特徴とする、（２）に記載の評価方法。

以上説明したように、本発明の研磨パッドの製造方法および研磨パッド表面形状評価方法によれば、着色材料がパッド内部に浸透することなくパッドの最表層のみを着色することが可能となるため、パッド面内のドレッシング状態を精密に評価することができ、またワークが認識する研磨パッドの厚みむらを容易に評価することが可能となる。

本発明の実施の形態に係わる研磨装置を表す構成図実施例１および２の初期状態の結果を表す実施例１および２のドレッシング後の結果を表す実施例１の黒色粉末を用いた場合のパッドの拡大図比較例１のマジックインキ（登録商標）を用いた場合のパッドの拡大図

以下添付の図面に従って本発明に係る研磨パッド、ドレッシング評価方法の好ましい実施の形態について詳説する。なお、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。

図１は、本発明の実施の形態に係わる研磨装置を表す構成図である。同図に示す研磨装置１０は、主として研磨定盤１１、研磨パッド２０，図示しないウェーハキャリア、ドレッサー３０とで構成される。

研磨定盤１１は、回転軸１１ａに連結された図示しないモーターを駆動することにより図の矢印Ｅ方向に回転する。ワークであるウェーハを保持したウェーハキャリアは、不図示のモーターにより駆動されて回転する。また、研磨定盤１１の上面には、研磨パッド２０が貼付され、研磨パッド２０の上に図示しないスラリー供給ノズルから純水、またはスラリーが供給される。

本発明のワークとは、研磨パッドを用いて研磨される対象物であって、例えば半導体ウェー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、アルミニウム、タングステン、銅、あるいはこれらを主体とする合金等であり、構造的にダマシン、デュアルダマシン、プラグなどが挙げられる。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ってきている。また、上記以外に、磁気ヘッド、ハードディスク、サファイヤ、シリコン単結晶ウェーハ、化合物半導体ウェーハ（例えば、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、など）、Micro Electro Mechanical Systems（ＭＥＭＳ）素子、ディスプレイ用ガラス、ＴＥＴ素子基板、等の研磨に用いることもできる。

本発明の研磨パッドとは、数ｍｍ程度の厚みを有する板状あるいは布状研磨材料であり、粘着テープなどで研磨定盤に固定される。研磨パッドの材料としては、弾力のある発泡ポリウレタンが代表的であるが、これに限定されない。また、研磨パッド上面にスラリーの保持性を高めるための浅い溝が形成しても良い。溝は、格子溝、同心円溝、放射溝などが挙げられるが、これらに限定される物ではない。

かかる研磨パッドを構成する研磨層としては、透明で、かつ、基盤を研磨することができ、スラリーを保持して研磨機能を有する層であれば、特に限定されないが、例えば、特表平８−５００６２２号公報や国際公開第００／１２２６２号パンフレットなどに記載されている独立気泡を有する硬質の発泡構造研磨層や、特表平８−５１１２１０号公報に記載されている表面にスラリーの細かい流路を設けた無発泡構造研磨層や、不織布にポリウレタンを含浸して得られる連続孔を有する発泡構造研磨層などを使用することができる。

本発明の透明シートの透明とは、該シートの厚さ１ｍｍ当たりの５００〜８５０ｎｍの波長における光の透過率が、好ましくは７０％以上１００％以下、より好ましくは９０％以上である。特に好ましくは９５％以上である。

本発明の第１の態様において、表面が内部と異なる色に着色されている研磨パッドは、表層部のみに、内部と異なる色の粉体（着色材料）を固体粉末のまま塗布する工程を含んで製造される。表層部に塗布する粉末は、三菱化学社製カーボンブラック＃２６００、＃２６５０、ＭＡ１００、東海カーボン社製トーカブラック（登録商標）＃７３３０Ｆ、シースト（登録商標）９Ｈ、シースト（登録商標）６００、旭カーボン社製ＳＵＮＢＬＡＣＫ（登録商標）９００，ＳＵＮＢＬＡＣＫ（登録商標）９０５、三菱マテリアル社製チタンブラック１３ＭＣ等があげられる。

本発明における固体粉末とは、電子顕微鏡で観察して求めた粒径が、算術平均値として５００ｎｍ以下のものを表す。好ましくは３００ｎｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以下である。

着色材料を固体粉末のまま塗布することで、原理的に溶媒の染みこみに伴う顔料、塗料のパッド厚み方向の浸透が生じないため、前記パッド表面に塗布される顔料、塗料の厚みのむらや、複数回塗布することによる塗りむらが生じない
本発明における塗布方法とは、顔料、塗料などを水、有機溶媒に分散させたものを、刷毛やローラー状の刷毛を用いたり、スプレーで散布して、パッド表面を内部と異なる色に着色する方法とは異なり、例えば、固体粉末のまま筆に付着させて前記パッド上に付着させたり、直接噴霧する方法などがあげられる。

本発明における第２の態様である、ドレッシングによって削られた前記研磨パッド表面の色むらを評価する、研磨パッド表面形状評価方法において、本発明におけるドレッサーのサイズは、ワークと同じサイズのドレッサーである。同じサイズとは、ワークの径に対して±３０％以内の径であることである。より好ましくは±２５％以内、さらに好ましくは±２０％以内である。

本発明におけるドレッサーは、剛性が高いことが好ましく、特に限定されるものではないが、ステンレス等の金属製ディスクにダイヤモンド砥粒を電着したものが好ましく用いられる。

本発明におけるワークのサイズは、１００ｍｍ以上であることが好ましい。より好ましくは１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下で、さらに好ましくは２００ｍｍである。

本発明におけるパッドのサイズは、１００ｍｍ以上であることが好ましい。より好ましくは２００ｍｍ以上である。また、パッドがドレッサーよりも大きいことが好ましい。より好ましくはドレッサーの１．５倍以上、さらに好ましくは２倍以上である。

実施例１
ワークサイズが２００ｍｍ径で、６１０ｍｍ径の発泡ポリウレタン製の研磨パッドの表面にカーボンブラック（三菱化学社製＃２６５０）を筆で固体粉末のまま直接塗布し、表面を着色した。

固体粉末にて着色したパッドを、研磨機定盤に貼り付け、研磨機定盤を回転させ、ドレッシングを実施し、パッド表面の色むらを評価した。

ドレッシング条件は、研磨パッドの回転数を２１ｒｐｍ、ドレッサー回転数を２２ｒｐｍ、ドレッシング荷重は３４ｇ／ｃｍ^２とした。また、ドレッサーの揺動距離は２０ｍｍ、揺動速度は４ｍｍ／秒とし、研磨パッドの表面に純水を供給しながらドレッシングを行った。ドレッシング時間は３分とした。ドレッサーは、直径２３６ｍｍのステンレス製ディスクにダイヤモンド砥粒を電着した、旭ダイヤモンド工業株式会社 CMPコンディショナ CMP-M 100Aを用いてドレッシングした。

図２、３は実施例１の初期状態とドレッシング後の結果を示したものである。研磨パッド表面に存在する厚みむらについて、凸部分は選択的にドレッシングされ、白色部分として検出され、凹部分はドレッシングされず、黒色部分として残った。パッド表面の形状を、容易に評価することができた。

比較例１
発泡ポリウレタン製の研磨パッドの表面に、寺西化学工業社製マジックインキ（登録商標）（黒）で表面を着色した以外は実施例１と同様の条件とし、着色した研磨パッドを研磨機定盤に貼り付け、研磨機定盤を回転させ、ドレッシングを実施し、パッド表面の色むらを評価した。

研磨パッド表面は黒色着色が研磨パッドの厚み方向にしみこみ、厚みムラを十分に検出することができなかった。

図４、５に比較例１と実施例１のパッドの拡大図を示す。実施例１のように、黒色粉末を直接塗布する着色方法では、原理的に厚み方向へのしみこみがない。しかし、比較例１のように、溶媒に分散された顔料などを用いて着色を行った場合、深さ方向におけるしみこみ量の定量ができず、パッド表面の凹凸形状を検出できなかった。一方、実施例１のように、黒色粉末を用いて着色した場合、深さ方向のしみこみが無く、表層のみ着色されているので、パッド表面の凹凸形状、すなわち厚みむらを検出できた。

実施例２
パッドサイズが５０８ｍｍ径であり、ダイヤモンド砥粒を電着した多数のピアノ線（線状弾性体）を直径１００ｍｍのステンレス製ディスクにブラシ状に植え付けたタイプのドレッサーを用いた以外は実施例１と同様の条件とし、固体粉末にて着色した研磨パッドを、研磨機定盤に貼り付け、研磨機定盤を回転させドレッシングを実施し、パッド表面の色むらを評価した。

研磨パッド表面に存在する厚みむらについて、凸部分は選択的にドレッシングされ、白色部分として検出され、凹部分はドレッシングされず、黒色部分として残った。パッド表面の形状を評価できた。ドレッサーは剛性が低いため、パッドの表面形状に倣って、すなわち厚みむらに倣ってドレッシングを行ったため、パッドの表面形状をやや検出しにくかったが、問題なく評価できた。

実施例３
パッドサイズが５０８ｍｍ径、ドレッサーは直径１００ｍｍのステンレス製ディスクにダイヤモンド砥粒を電着したものを用いた以外は実施例１と同様の条件とし、固体粉末にて着色した研磨パッドを、研磨機定盤に貼り付け、研磨機定盤を回転させドレッシングを実施し、パッド表面の色むらを評価した。

研磨パッド表面に存在する厚みむらについて、凸部分は選択的にドレッシングされ、白色部分として検出され、凹部分はドレッシングされず、黒色部分として残った。パッド表面の形状を評価できた。ドレッサーは径がワークサイズに比べて小さいため、パッドの表面形状に倣って、すなわち厚みむらに倣ってドレッシングを行ったため、パッドの表面形状をやや検出しにくかったが、問題なく評価できた。

１０：研磨装置
１１：研磨機定盤
１１ａ：回転軸
２０：研磨パッド
３０：ドレッサー

Claims

表面が内部と異なる色に着色されている研磨パッドの製造方法であって、着色材料を固体粉末のまま塗布する工程を含むことを特徴とする着色研磨パッドの製造方法。
ワークを研磨する、表面が内部と異なる色に着色されている研磨パッドを用い、ドレッサーでドレッシングを行い、ドレッシングによって削られた前記研磨パッド表面の色むらを評価する、研磨パッド表面形状評価方法において、前記ドレッサーのサイズが前記ワークと同じサイズであることを特徴とする研磨パッド表面形状評価方法。
前記ドレッシングによって削られた前記研磨パッド表面の色むらを評価する、研磨パッド表面形状評価方法において、研磨パッドが前記ドレッサーよりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の評価方法。