JP2012000714A - 研磨パッド、および半導体ウェーハの研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周縁ダレと表面粗さの改善を十分に両立可能な研磨パッド、前記研磨パッドを用いて研磨した半導体ウェーハを提供する。
【解決手段】表面１４が被研磨物２４に圧接される研磨層１２を有し、前記研磨層１２が複数の気泡を含む発泡ポリウレタンにより形成された研磨パッド１０であって、前記複数の気泡のうち、前記気泡の内部空間が互いに空間的に分離して形成された気泡（クローズドセル１６）が９０％以上存在することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は研磨パッド、及び前記研磨パッドを用いて半導体ウェーハを研磨する方法に関し、被研磨面の表面粗さや被研磨面の周縁ダレを改善する技術に関する。

一般的な半導体ウェーハなどの製造工程においては、単結晶インゴットをワイヤーソーなどでスライスして薄円盤状のウェーハを生成し、得られたウェーハの割れ、欠けを防止するためにその外周部を面取りし、ラッピングを行なってウェーハの表面を平面化する。その後、面取り及びラッピングされたウェーハに残留する加工歪みを除去するためにエッチングを行ない、さらに、ウェーハ表面を鏡面化する鏡面研磨を行なった後に、ウェーハに付着した研磨剤や異物を除去するために洗浄を行っている。

通常、ウェーハの研磨は、１次研磨、２次研磨、仕上げ研磨の３段階で行なわれており、かかる研磨は、研磨パッドとウェーハとの間にスラリー（研磨液）を供給しながら加圧した状態で相対的に摺動させて化学的作用と機械的研磨の複合作用によってウェーハ表面を平坦化する、いわゆるＣＭＰ技術によって行なわれる。

ここで上記２次研磨に用いられる研磨パッドには、研磨層に従来発泡ポリウレタンを用いたものがある。発泡ポリウレタンによる研磨層は発泡構造を有しているため、研磨液を貯留させつつ研磨加工をおこなうことができる。ところが、このタイプの研磨パッドは柔軟性を有し、変形しやすいので、被研磨物の周縁部が中央部より大きく研磨加工される周縁ダレが発生しやすく被研磨面の平坦性が低下する。一方、特許文献１に示されるように研磨層に硬質の材料を用いると周縁ダレは発生しにくくなるが、研磨加工時に用いるスラリー中の研磨粒子により被研磨面にスクラッチ（キズ）が発生して表面粗さが顕著になり、さらに研磨層のドレッシングが困難となる。

このような問題を解決するため、特許文献２においては、表面が被研磨物に圧接される研磨層を有し、前記研磨層が発泡構造である研磨パッドにおいて、前記発泡構造を形成する気泡の直径、前記表面における気泡の面積率、単位面積当たりの個数、発泡構造を構成する気泡の分布・サイズ等を開示し、被研磨物の平坦性及び表面粗さの改善を試みている。また同様の目的を有する他の従来技術も開示されている（特許文献３乃至６参照）。

特開２００７−３１８８３号公報 特開２００９−２６２３１２号公報 特開２００９−８３０１４号公報 特開２００１−２３２５５４号公報 特開平７−１６４３０７号公報 特開平１１−２９１１５７号公報

しかし、特許文献１等に明記されている研磨層中の気泡の分布・サイズ・密度といった条件の範囲内では、周縁ダレと表面粗さの改善を十分に両立させることができないといった問題があった。

そこで本発明は上記問題点に着目し、周縁ダレと表面粗さの改善を十分に両立可能な研磨パッド、前記研磨パッドを用いて研磨した半導体ウェーハを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る研磨パッドは、第１には、表面が被研磨物に圧接される研磨層を有し、前記研磨層が複数の気泡を含む発泡ポリウレタンにより形成された研磨パッドであって、前記複数の気泡のうち、前記気泡の内部空間が互いに空間的に分離して形成された気泡が９０％以上存在することを特徴とする。

研磨層において気泡が凝集・連結することにより気泡の直径より大きな内部空間が形成される場合には、その部分が外部からの力に対して容易に変形するため、その部分の圧縮率が増加して圧縮率が不均一となり、その結果、研磨層全体の圧縮率が増加することになる。このように圧縮率が増加した研磨層を用いて被研磨物を研磨すると被研磨物が研磨層に沈み込み、被研磨物の外周部に対する接触圧が発生し、これが被研磨面の周縁ダレの原因となる。またこのように圧縮率に不均一がある場合には、被研磨面に対する圧力が不均一になるため、これにより被研磨面の表面粗さが増加する。

しかし、上記構成（複数の気泡を、その内部空間を空間的に互いに分離して形成）とすることにより、研磨層の気泡がエアークッション的な役割を有するとともに、研磨層には気泡が形成する内部空間を最小単位としたセル構造が形成されることになる。よって上述の大きな内部空間を有する場合に比べて圧縮率が均一となるため研磨層全体の圧縮率を小さくすることができる。よって研磨層が低密度であっても一定の硬度を得ることができ、被研磨物の研磨層への沈み込みを抑制することができる。また圧縮率が均一となるため被研磨面への圧力も均一となり、被研磨面の表面粗さを改善することができる。

また、低密度で低圧縮率の研磨パッドが形成可能となるので、研磨層の表面は疎、つまり研磨層の表面における気泡孔の面積の割合が大きくなり、反対に研磨層材料の面積の割合が小さくなる。よって、被研磨物の外周部には疎となった研磨層の表面が接触するので接触圧を抑制することができる。したがって、被研磨物の周縁ダレを抑制することが可能となる。

そして、低密度で形成可能となるので、短時間の研磨層のドレッシングにより、研磨層の表面の粗さを低減して研磨層の表面をスムースにすることができ、これにより被研磨面全体の平坦度を向上させることができる。

また、低密度で形成可能となるので、研磨層の表面の開口した気泡孔の面積を大きくすることができ、研磨時において気泡孔の目詰まりを抑制して被研磨物の連続加工を効率良く安定的に行うことができる。

また、研磨層に発泡ポリウレタンを用いることにより、研磨層の硬度は一定の範囲に制限されるため、被研磨面に対するスクラッチを抑制し、平坦度の高い被研磨面を形成可能な研磨パッドとなる。

そして、本願発明者は、研磨パッド中の気泡について、内部空間が互いに空間的に分離して形成された気泡が９０％以上存在すれば、上述の効果が十分に得られるとの知見を得ている。したがって研磨パッドをある程度の歩留で形成することができ、コストを抑制することができる。

第２には、前記発泡ポリウレタンの密度が０．４５ｇ／ｃｍ^３以下、かつ前記発泡ポリウレタンの圧縮率が４％以下であり、前記密度の下限は前記圧縮率を４％にする値であることを特徴とする。

発泡ポリウレタンの密度が増加すると発泡ポリウレタンの硬度が増加するので圧縮率は低下し、逆に発泡ポリウレタンの密度が減少すると発泡ポリウレタンの硬度が減少するので圧縮率は増加する。よって上述の範囲を満たす密度の下限は、上述の圧縮率を上限値とする値となっている。

本願発明者は、本発明の発泡ポリウレタンが上述のエアークッション的な効果を備えたセル構造を有することにより、上述の密度においても上述の圧縮率が得られるとの知見を得ている。さらに本願発明者は、上述の条件を満たす研磨層を有する研磨パッドを用いて被研磨物を研磨した場合に、良好な平坦度、表面粗さを有する被研磨面が得られるとの知見を得ている。

したがって上述の条件を満たす発泡ポリウレタンを研磨層として用いることにより、良好な平坦度、表面粗さを有する被研磨面を形成することが可能な研磨パッドとなる。

また本発明にかかる半導体ウェーハの研磨方法は、前記研磨パッドに研磨液を供給し、半導体ウェーハと前記研磨パッドを圧接しながら相対的に回転させて前記半導体ウェーハの表面を研磨することを特徴とする。
上記方法により、周縁ダレを抑制し、表面粗さ及び平坦度に優れる高品質な半導体ウェーハを製造することができる。

本発明に係る研磨パッドは、被研磨面の周縁ダレと表面粗さの改善を十分に両立させ、高品質な研磨面を形成可能な研磨パッドとして有効に機能する。また本発明に係る研磨パッドを用いて半導体ウェーハの表面を研磨することにより、表面粗さ及び平坦度に優れる高品質な半導体ウェーハを製造することができる。

本実施形態に係る研磨パッドと被研磨物との配置を示す模式図である。 クローズドセルの割合が高い場合とオープンセルの割合が高い場合の圧力分布の比較を示す概念図であり、図２（ａ）はクローズドセルの割合が高い場合を示す概念図、図２（ｂ）はオープンセルの割合が高い場合を示す概念図である。 本実施形態の発泡ポリウレタンと参照用の発泡ポリウレタンの表面の画像を示す図であり、図３（ａ）は本実施形態の発泡ポリウレタンの表面画像、図３（ｂ）は参照用の発泡ポリウレタンの表面画像である。 本実施形態の発泡ポリウレタンを用いた研磨パッド（ＰａｄＣ、ＰａｄＤ）と参照用の発泡ポリウレタンを用いた研磨パッド（ＰａｄＡ、ＰａｄＢ）の密度、硬度、圧縮率、オープンセルの割合と、これらの研磨パッドを用いてシリコンウェーハの表面を研磨した場合のＧＢＩＲ、ＥＳＦＱＲ、Ｒｍｓ（表面粗さ）を比較した表を示す図である。 図４の表をもとに圧縮率とＥＳＦＱＲとの関係の比較したグラフである。 図４の表をもとにオープンセルの割合と圧縮率との関係を比較したグラフである。 図４の表をもとに密度とＧＢＩＲとの関係の比較したグラフである。 図４の表をもとにオープンセルの割合と表面粗さ（Ｒｍｓ）との関係の比較したグラフである。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

本実施形態に係る研磨パッドと被研磨物との配置を図１に示す。図１に示すように本実施形態に係る研磨パッド１０は、表面１４が被研磨物２４に圧接される研磨層１２を有し、前記研磨層１２が複数の気泡を含む発泡構造の研磨パッド１０であって、前記複数の気泡の内部空間は互いに空間的に分離して形成されたもの（クローズドセル１６）を含み、前記複数の気泡のうち、前記気泡の内部区間が空間的に互いに分離して形成されたもの（クローズドセル１６）が９０％以上存在するものである。本実施形態ではこのよう研磨層１２中に独立に存在する気泡をクローズドセルと称する。

本実施形態の研磨パッド１０は、研磨装置（不図示）を構成する回転する円形の定盤（不図示）に貼り付けられる円形のパッドであり、下面に定盤（不図示）に研磨パッド１０を接着させる接着層（不図示）を有し、上面にシリコンウェーハ等の被研磨物２４を研磨する研磨層１２を有している。

研磨層１２は、発泡ポリウレタンから形成され、イソシアネート基含有化合物であるイソシアネート末端プレポリマーと、活性水素含有化合物である芳香族アミンを、発泡剤（水）と共に混合攪拌し、所定の型に注型し、反応硬化させてポリウレタンの成型体を得る。そして発泡ポリウレタンの成型体を、所定の厚さ（１ｍｍ程度）のシート状に裁断し、それを円形に打ち抜くことにより研磨層１２を得る。ここで、この発泡ポリウレタンを製造する工程において、発泡剤の量を多くする、あるいは反応硬化させる反応時間を短くすることで、ポリウレタン内に形成されるクローズドセル１６の割合を増大させることができる。

イソシアネート末端ポリマーとしては、ポリイソシアネートとポリオールとを、通常用いられる条件で反応させて得られるものである。このイソシアネート末端ポリマーは、市販されているものを用いてもよいし、ポリオールとポリイソシアネートとから合成して用いてもよい。
ポリイソシアネートとしては、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−ジイソシアネート等が挙げられる。

研磨用としては、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（ポリテトラエ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（引張物性）の良好なＰＴＭＧ系が好ましい、特に分子量ＭＷ＝５００〜５０００のＰＴＭＧが好ましい。

活性水素含有化合物である芳香族アミンとしては、例えば、ジアミン系化合物として、３，３’−ジクロロ−４，４’−ジアミノフェニルメタン（ＭＯＣＡ）、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−トルエンジアミン系等が挙げられる。

図１に示すように、本実施形態の研磨パッド１０の研磨層１２は、低密度に形成されるとともに、後述の図４（ａ）に示すように、気泡が独立して、すなわち、気泡が形成する内部空間が空間的に分離したクローズドセル１６が大半を占めた構造を有している。言い換えれば、研磨層１２は、ポリウレタンを膜とするシャボン玉が壊れずに凝集して、境界となる膜を互いに共有したような構造を有している。一方、従来の研磨パッドの研磨層１８は高密度に形成されるとともに、後述の図４（ｂ）に示すように気泡同士が凝集・連結されたオープンセル２２が比較的多く存在する。

図２にクローズドセルの割合が高い場合とオープンセルの割合が高い場合の圧力分布の比較を示し、図２（ａ）はクローズドセルの割合が高い場合、図２（ｂ）はオープンセルの割合が高い場合を示す。

図１に示すように被研磨物２４は、研磨層１８に圧接され、研磨層１８との相対運動により圧接面が被研磨面２６となる。しかし研磨層１８はある程度の柔軟性を有することから、被研磨物２４は研磨層１８に沈み込むことがある。そして被研磨物２４の進行方向にある被研磨物２４の被研磨面２６の外周部２８には図中の矢印に示されるような接触圧が発生するので、外周部２８が矢印の方向に研磨される、しかも被研磨物２４は、一般的に回転させながら研磨層１８との相対運動を行なうので、結果的に被研磨面２６の外周部２８全域で周縁ダレが発生することになる。

よって図２（ｂ）に示すように、研磨層１８においてオープンセル２２が形成される場合には、その部分が外部からの力に対して容易に変形するため、その部分の圧縮率が増加して圧縮率が不均一となり、これにより研磨層１８全体の圧縮率が増加することになる。このように圧縮率が増加した研磨層１８を用いて被研磨物２４を研磨すると被研磨物２４が研磨層１８に沈み込み、被研磨物２４の外周部２８に研磨層１８の表面２０が圧接して接触圧が発生し、これが被研磨面２６の周縁ダレの原因となる。また圧縮率に不均一がある場合には、被研磨面２６に対する圧力が不均一になるため、これにより被研磨面２６の表面粗さが悪化する。

しかし、図２（ａ）の研磨層１２においては、研磨層１２の気泡（クローズドセル１６）がエアークッション的な役割を有するとともに、研磨層１２には気泡（クローズドセル１６）が形成する内部空間を最小単位としたセル構造が形成されることになる。よって上述の気泡同士が凝集・連結した内部空間（オープンセル２２）を有する場合に比べて圧縮率が均一となるため研磨層１２全体の圧縮率を小さくすることができる。よって研磨層１２が低密度であっても一定の硬度を得ることができ、被研磨物２４の研磨層１２への沈み込みを抑制することができる。また圧縮率が均一となるため被研磨面２６への圧力も均一となり、被研磨面２６の表面粗さを改善することができる。

また、低密度で形成可能となるので、研磨層１２の表面１４は疎、つまり研磨層１２の表面１４における気泡孔１６ａ（図３（ａ）参照）の面積の割合が大きくなり、反対に研磨層１２の材料の面積の割合が小さくなる。よって、被研磨物２４の外周部には疎となった研磨層１２の表面１４が接触するので接触圧を抑制することができる。したがって、研磨に対して必要とされる硬度を得ることができ、かつ被研磨物２４の周縁ダレを抑制することが可能となる。

そして、低密度で形成可能となるので、短時間の研磨層１２のドレッシングにより、研磨層１２の表面１４の粗さを低減して研磨層１２の表面をスムースにすることができ、これにより被研磨面２６全体の平坦度を向上させることができる。

また、低密度で形成可能となるので、研磨層１２の表面１４の開口した気泡孔１６ａ（図３（ａ）参照）の面積を大きくすることができ、研磨時において気泡孔１６ａの目詰まりを抑制して被研磨物２４の連続加工を効率良く行うことできる。

本願発明者は、本実施形態の発泡ポリウレタンの表面形状と、本実施形態の発泡ポリウレタンを研磨層として用いた場合の被研磨物の周縁ダレ、ＧＢＩＲ、表面粗さ（Ｒｍｓ）との関係について調査した。具体的には、被研磨物として直径３００ｍｍのシリコンウェーハを使用し、本実施形態の発泡ポリウレタンを研磨層とした研磨パッドを用い、研磨パッドに研磨液を供給しつつ、シリコンウェーハと研磨パッドを圧接しながら相対的に回転させてシリコンウェーハの表面を研磨した。

図３に本実施形態の発泡ポリウレタンと参照用（従来技術）の発泡ポリウレタンの表面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｎｉｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した画像を示し、図３（ａ）は本実施形態の発泡ポリウレタンの表面画像、図３（ｂ）は参照用の発泡ポリウレタンの表面画像を示す。

ここで、参照用の発泡ポリウレタンは、ウェーハ外周の周縁ダレを抑制することを目的に圧縮特性を変形し難い方向（高密度、高硬度）に制御した発泡ポリウレタンを複数生成したものである（ＰａｄＡ、ＰａｄＢ）（図４参照）。一方、本実施形態の研磨層の発泡ポリウレタンは、硬度を８３〜９０度に維持した状態で、発泡ポリウレタンの気泡孔の体積割合を多く形成したものを複数生成したものである（ＰａｄＣ、ＰａｄＤ）（図４参照）。

まず、図３（ａ）に示すように、本実施形態の発泡ポリウレタンの表面には、ほぼ球形の多数の小さな気泡孔１６ａ（窪み）が存在することがわかる。よって発泡ポリウレタンの内部ではこれらの小さな気泡（クローズドセル１６）が互いに独立して、即ち気泡（クローズドセル１６）の内部空間が互いに空間的に分離して存在する。

また、図３（ａ）の画像には、いくつか大きな気泡孔２２ａが存在する。これは小さな気泡が集まって大きな気泡（オープンセル２２）を形成したものと考えられる。よってこのようなオープンセル２２も本実施形態の発泡ポリウレタンの内部に存在するものと考えられる。図３（ａ）の表面の画像において、オープンセル２２の個数は全体の１０％以下となっていることが確認できた。よって、本実施形態の発泡ポリウレタンの内部にも１０％以下の割合でオープンセル２２が存在するものと考えられる。逆にいえば、本実施形態の発泡ポリウレタンには上述の小さな気泡（クローズドセル１６）が９０％以上の割合で存在することになる。

一方、図３（ｂ）に示すように、参照用の発泡ポリウレタンの表面においては、気泡孔１６ａの数が図３（ａ）の場合より少なくなり、気泡孔１６ａ、２２ａの存在しない領域が発生している。これにより本実施形態の発泡ポリウレタンの表面における気泡孔１６ａ、２２ａの総面積は、参照用の発泡ポリウレタンより大きくなり、本実施形態の発泡ポリウレタンにおいては目詰まりしにくく、研磨効率は参照用のものより高くなることが考えられる。

また図３（ｂ）に示すように、参照用の発泡ポリウレタンにおいては、気泡孔２２ａが図３（ａ）の場合より多く発生していることが分かる。図３（ａ）の画像において、気泡孔２２ａ（オープンセル２２）の個数は全体の２３％程度存在することが確認できた（図４参照）。よって参照用の発泡ポリウレタンにおいてはオープンセル２２が本実施形態の発泡ポリウレタンより大きな割合で存在することが考えられ、密度も本実施形態の発泡ポリウレタンより大きくなることが考えられる。よって本実施形態の発泡ポリウレタンは低密度で形成しても、参照用のものより圧縮率を低くすることができると考えられる。

図４に本実施形態の発泡ポリウレタンを用いた研磨パッド（ＰａｄＣ、ＰａｄＤ）と参照用の発泡ポリウレタンを用いた研磨パッド（ＰａｄＡ、ＰａｄＢ）の密度、硬度、圧縮率、オープンセルの割合と、これらの研磨パッド用いてシリコンウェーハの表面を研磨した場合のＧＢＩＲ、ＥＳＦＱＲ、Ｒｍｓ（表面粗さ）を比較した表を示す。

また図５に図４の表をもとに圧縮率とＥＳＦＱＲとの関係の比較したグラフ、図６に図４の表をもとにオープンセルの割合と圧縮率との関係を比較したグラフ、図７に図４の表をもとに密度とＧＢＩＲとの関係の比較したグラフ、図８に図４の表をもとにオープンセルの割合と表面粗さ（Ｒｍｓ）との関係の比較したグラフを示す。

なお、研磨時のシリコンウェーハへの圧力が２００ｇ／ｃｍ^２以下であると研磨レートが大きく低下して生産性の低下を招き、逆に３００ｇ／ｃｍ^２以上であるとシリコンウェーハに周縁ダレが発生するとの知見を得ている。よって、研磨時のシリコンウェーハへの圧力を２００ｇ／ｃｍ^２〜３００ｇ／ｃｍ^２程度とし、その他同一条件でドレッシング及び研磨したものを比較した。

ここで、ＥＳＦＱＲ（Ｅｄｇｅ ｆｌａｔｎｅｓｓ ｍｅｔｒｉｃ，Ｓｅｃｔｏｒ ｂａｓｅｄ，Ｆｒｏｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ， ｌｅａｓｔ ｓＱｕａｒｅｓ ｆｉｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌａｎｅ，Ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｉｔｈｉｎ ｓｅｃｔｏｒ）とは、ウェーハ全周の外周領域に形成した扇形の領域（セクター）内のＳＦＱＲを測定したものであり、本実験では平坦度測定器（ＫＬＡ−Ｔｅｃｎｏｒ社製：ＷａｆｅｒＳｉｇｈｔ）を用い、エッジ除外領域（Ｅｄｇｅ Ｅｘｃｌｕｃｉｏｎ）が１ｍｍで、ウェーハ全周を５度間隔で７２分割し、セクターを構成する径方向の一辺のセクターの長さが３０ｍｍとしたセクター（サイトサイズ）内を測定した値である。なお、ＳＦＱＲ（Ｓｉｔｅ Ｆｒｏｎｔ ｌｅａｓｔ ｓＱｕａｒｅｓ Ｒａｎｇｅ）とは、設定されたサイト内でデータを最小二乗法にて算出してサイト内平面を基準平面とし、この平面からのプラス側、すなわちウェーハの主表面を上に向け水平に置いた場合の上側と、マイナス側、すなわちウェーハの主表面を上に向け水平に置いた場合の下側と、のそれぞれの最大変位量の絶対値の和で表わしたサイト毎に評価された値のことである。

また、ＧＢＩＲ（Ｇｒｏｂａｌ Ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｄｅａｌ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ Ｒａｎｇｅ）とは、ウェーハ前面の平坦度を示す指標である。具体的には、ウェーハの裏面を完全に吸着したと仮定した場合におけるウェーハの裏面を基準として、ウェーハ全体の最大変位と最小変位との差を算出することにより求められる、平坦度測定器（ＫＬＡ−Ｔｅｃｎｏｒ社製：ＷａｆｅｒＳｉｇｈｔ）を用いて行なった。表面粗さ（ＲＭＳ）は、レーザー式表面粗さ検査装置（チャップマン）により面粗さのＲＭＳ（二乗平均平方根：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）で表わしたものである。

ここで参照用の研磨パッド（ＰａｄＡ、ＰａｄＢ）におけるオープンセルの割合はそれぞれ４３％、２３％であり、本実施形態の研磨パッド（ＰａｄＣ、ＰａｄＤ）におけるオープンセルの割合はそれぞれ９．８％、７％である（図４参照）。そしてＰａｄＡ〜ＰａｄＤについて、それぞれ複数のサンプルを抽出し上述の測定を行なった、

図４、図５に示すように、参照用の研磨パッド（ＰａｄＡ、ＰａｄＢ）の圧縮率は６％から７％の間を推移している。一方、本実施形態の研磨パッド１０（ＰａｄＣ、ＰａｄＤ）において、ＰａｄＣの圧縮率は２．３％から３．９％の間を推移し、ＰａｄＤの圧縮率は２．７％から３．１％の間を推移している。

また図４に示すように、ＰａｄＡ〜ＰａｄＤは、硬度において大きな差は見られない。しかし、図６に示すように、オープンセル２２の割合が小さくなるほど圧縮率が小さくなる、すなわちクローズドセル１６の割合が高くなるほど圧縮率が小さくなることがわかる。これは上述のようにクローズドセル１６によるエアークッションの効果がオープンセル２２の場合より高いため、これが圧縮率の差として現れるものと考えられる。

ここで圧縮率の測定は、研磨パッドに実際にウェーハを圧接したときの研磨パッドの深さ方向全体の沈み込みの量に基づいて算出されるため、上述のクローズドセル、オープンセルに係るエアークッションの効果の大小の影響を受けて測定値に差が生じることになる。一方、硬度の測定は、測定用のプローブの被検査物に入り込む深さによって算出されることになるが、プローブの発泡ポリウレタンへ及ぼす力の範囲は、発泡ポリウレタンの表面付近に限られるので、発泡ポリウレタン内の空孔の影響を受けることなく、空孔の影響を除いた素材そのものの硬度を測定することになる。したがって、ＰａｄＡ〜ＰａｄＤについて、圧縮率においては大きな差が生じるにも係らず、硬度においては大きな差は生じないことになる。

また図４、図５に示すように、周縁ダレの指標となるＥＳＦＱＲについて、ＰａｄＣは４１．８６〜４７．７５ｎｍの間で推移し、ＰａｄＤは２０．４２〜２６．６１ｎｍの間で推移している。一方、ＰａｄＡは１０７．７７〜１１３．７５ｎｍの間で推移し、ＰａｄＢは１０６．３８〜１０９．７１ｎｍの間で推移している。このようにＰａｄＣ、ＰａｄＤはＰａｄＡ、ＰａｄＢに比べてＥＳＦＱＲが良好となっていることから、ＰａｄＣ、ＰａｄＤにおいては図４、図５に示すように圧縮率が抑制されるため被研磨物２４の研磨層１２への沈み込みが抑制され、周縁ダレが抑制されたものと考えられる。

次に、図４、図７に示すように、ＰａｄＡの密度は０．５〜０．５２ｇ／ｃｍ^３の間で推移し、ＰａｄＢの密度は０．４８〜０．５ｇ／ｃｍ^３の間で推移している。一方、ＰａｄＣの密度は０．３９〜０．４２ｇ／ｃｍ^３の間で推移し、ＰａｄＤの密度は０．４〜０．４３ｇ／ｃｍ^３程度の間で推移している。このようにＰａｄＡ、ＰａｄＢにおいて密度が高く、ＰａｄＣ、ＰａｄＤにおいて密度が低いのは、図３（ｂ）に示すように、ＰａｄＡ、ＰａｄＢにおいては気泡（クローズドセル１６、オープンセル２２）が存在しない部分が多く、逆に図３（ａ）に示すように、ＰａｄＣ、ＰａｄＤにおいては気泡が存在しない部分が少ないからと考えられる。

また図４、図７に示すように、被研磨面の平坦度を示す指標となるＧＢＩＲついて、ＰａｄＣは１４６．７６〜１７９．２４ｎｍの間で推移し、ＰａｄＤは１３５．９７〜２２１．５１ｎｍの間で推移している。一方、ＰａｄＡは６７５．１３〜７４２．２２ｎｍの間で推移し、ＰａｄＢは６９２．８６〜７８７．４７ｎｍの間で推移している。このようにＧＢＩＲにおいてＰａｄＣ、ＰａｄＤは、ＰａｄＡ、ＰａｄＢより良好な値を示している。これは、上述の図３の説明で述べたようにＰａｄＣ、ＰａｄＤはＰａｄＡ、ＰａｄＢよりも研磨効率が高くなっていることが考えられる。また上述のようにＰａｄＣ、ＰａｄＤの密度はＰａｄＡ、ＰａｄＢより低いので、ＰａｄＣ、ＰａｄＤの表面はＰａｄＡ、ＰａｄＢより疎になっている。これにより研磨パッド１０の被研磨物２４の外周部２８に対する接触圧が小さくなったため周縁ダレが抑制され、ＧＢＩＲが向上したものと考えられる。

そして、図４、図８に示すように、研磨層におけるオープンセル２２の割合と、被研磨物の表面粗さ（Ｒｍｓ）の関係をみると、オープンセル２２を４３％有するＰａｄＡは４．３〜４．８Åの間で推移し、オープンセル２２を２３％有するＰａｄＢは３．７〜４の間で推移している。一方、オープンセル２２を９．８％有するＰａｄＣは２．４〜２．９Åの間で推移し、オープンセル７％有するＰａｄＤは２．１〜２．８Åの間で推移している。そして図７に示すようにオープンセル２２の割合が小さくなるにつれて全体的に表面粗さ（Ｒｍｓ）が小さくなっていくことが分かった。これはオープンセル２２の存在する部分は他の部分より変形しやすいため、被研磨面２６に対する圧力が不均一となり、これがそのまま表面粗さとして現れたものと考えられる。

また図４に示すように、ＰａｄＣとＰａｄＤとを比較すると、どちらも密度は同程度のものであるのに対し、オープンセル２２の割合を小さくしたＰａｄＤの方がＰａｄＣよりも圧縮率が小さいため、ウェーハの表面平坦度（ＥＳＦＱＲ、ＧＢＩＲ）の改善効果が大きいことがわかる。またＰａｄＤはＰａｄＣに比べてＲｍｓの値が小さいため、ウェーハの表面品質（ヘイズ）の改善効果が大きくなると考えられる。一方、ＰａｄＡ、ＰａｄＢのように、オープンセル２２の割合を高くした発泡ポリウレタンを用いる場合、たとえ密度が低くなるように形成されたものであっても圧縮率、Ｒｍｓの改善効果は小さいといえる。

なお、図４、図８に示すように、発泡ポリウレタンのオープンセル２２の割合を小さくしていっても表面粗さの値が増加することがないため、研磨層１２の硬度は一定の範囲に押さえられ、スクラッチが増加することはないものと考えられる。

本実施形態において、オープンセル２２は本来存在しないことが望ましいが、上述の調査からオープンセル２２の割合を１０％以下、即ち、クローズドセル１６の割合を９０％以上にすることにより、従来のものより、周縁ダレ、ＧＢＩＲ、表面粗さにおいて明らかに改善した被研磨面２６を形成できる研磨パッド１０になると考えられる。

また上述の調査より、本実施形態の研磨パッド１０の発泡ポリウレタンの圧縮率は少なくも４％以下にし、かつ密度を０．４５ｇ／ｃｍ^３以下にすることにより、ＥＳＦＱＲ値が５０ｎｍ以下、ＧＢＩＲ値が３００ｎｍ以下、Ｒｍｓ値が３Å以下となる高品質のシリコンウェーハを安定的に形成可能となると考えられる。また本実施形態の発泡ポリウレタンにおいても、密度が増加すると発泡ポリウレタンの硬度が増加するので圧縮率は低下し、逆に発泡ポリウレタンの密度が減少すると発泡ポリウレタンの硬度が減少するので圧縮率は増加すると考えられる。よって上述の範囲を満たす密度の下限は、上述の圧縮率を上限値とする値となっている。よって密度の下限値は圧縮率を４％にする値とすることが適切であると考えられる。

このように本発明は、被研磨物の周縁ダレを抑制して平坦度を向上させることを目的とし、発泡ポリウレタン中の気泡をクローズドセル、オープンセルとに分類し、気泡中のクローズドセルの割合が９０％以上であって、低密度でありながら低圧縮率を実現した研磨パッドを用いて平坦度の高いウェーハを形成することを提案している。しかし、従来技術においては、同様の目的を有しつつも、研磨パッド表面における気泡の面積率、密度、気泡径等の定量的な要件について言及しているのみであって、クローズドセル、オープンセルの存在といった定性的な要件について何ら考慮されていない。よって、本発明の研磨パッドほどの低密度、低圧縮率を同時に実現することは困難であり、本発明ほどの平坦度を有するウェーハを形成することも困難であるといえる。

したがって上述の調査から以下のことが言える。研磨層１２の気泡（クローズドセル１６）が全体の９０パーセント以上あれば、前述の効果が十分に得られるとの知見を得た。したがって研磨パッド１０をある程度の歩留で形成することができ、コストを抑制することができる。

研磨層１２に発泡ポリウレタンを用いることにより、研磨層１２の硬度は一定の範囲に制限されるため、被研磨面２６に対するスクラッチを抑制し、平坦度の高い被研磨面２６を形成可能な研磨パッド１０となる。

前記発泡ポリウレタンの密度が０．４５ｇ／ｃｍ^３以下、かつ前記発泡ポリウレタンの圧縮率が４％以下であり、前記密度の下限は前記圧縮率を４％にすることが適切である。

本実施形態の発泡ポリウレタンが上述のエアークッション的な効果を備えたセル構造を有することにより、上述の密度においても上述の圧縮率が得られるとの知見を得た。さらに上述の条件を満たす研磨層１２を有する研磨パッド１０を用いて被研磨物２４を研磨した場合に、良好な平坦度、表面粗さを有する被研磨面２６が得られるとの知見を得た。

よって、上述の条件を満たす発泡ポリウレタンを研磨層１２として用いることにより、周縁ダレが抑制され良好な平坦度を有する被研磨面２６を有する半導体ウェーハの製造が可能となる。

被研磨面の周縁ダレと表面粗さの改善を十分に両立させ、高品質な研磨面を形成可能な研磨パッド、高品質な半導体ウェーハとして利用できる。

１０………研磨パッド、１２………研磨層、１４………表面、１６………クローズドセル、１６ａ………気泡孔、１８………研磨層、２０………表面、２２………オープンセル、２２ａ………気泡孔、２４………被研磨物、２６………被研磨面、２８………外周部。

Claims (3)

1. 表面が被研磨物に圧接される研磨層を有し、前記研磨層が複数の気泡を含む発泡ポリウレタンにより形成された研磨パッドであって、
   前記複数の気泡のうち、前記気泡の内部空間が互いに空間的に分離して形成された気泡が９０％以上存在することを特徴とする研磨パッド。
2. 前記発泡ポリウレタンの密度が０．４５ｇ／ｃｍ^３以下、かつ前記発泡ポリウレタンの圧縮率が４％以下であり、前記密度の下限は前記圧縮率を４％にする値であることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
3. 請求項１または２に記載の研磨パッドに研磨液を供給し、半導体ウェーハと前記研磨パッドを圧接しながら相対的に回転させて前記半導体ウェーハの表面を研磨することを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。