JP2017064887A - 研磨パッド - Google Patents

Abstract

【課題】研磨レートを向上させつつ、スクラッチの発生を抑制することができ、さらに品質管理も容易に行うことができる研磨パッドを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る研磨パッド１００は、研磨層１０１を具備する。研磨層１０１は、中空微粒子１１１を含有し、ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７に準じて測定した垂直入射吸音率が周波数３５００Ｈｚで６％以上、周波数４５００Ｈｚで８％以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス基板や半導体デバイス等の研磨に利用される研磨パッドに関する。

光学材料、半導体ウエハ、半導体デバイス、ハードディス用基板、液晶ガラス基板等の研磨工程において研磨パッドが利用される。研磨パッドは、研磨材料からなる研磨層、不織布等からなるベース層及び両面テープ等からなる接着層をこの順で積層したものであり、接着層によって研磨装置に装着される。

研磨材料は、研磨対象物の種類や研磨工程に応じて硬質ポリウレタンや軟質ポリウレタン等の合成樹脂や樹脂含浸不織布等が選択される。半導体デバイスのＣＭＰにおいて、グローバル平坦性が要求される研磨工程用の研磨材料においては、微小な中空球体（中空微粒子）が混合された硬質ポリウレタンが多く利用されている。

例えば、特許文献１には、空隙スペースを有する高分子微小エレメントを高分子マトリックスに含浸させた研磨パッドが記載されている。この研磨パッドは、研磨工程において高分子マトリックスが磨耗すると、新たな高分子微小エレメントが研磨面に現れ、研磨面の硬度が維持されるとされている。

特表平０８−５００６２２号公報

一般に、研磨パッドは、研磨レートの向上とスクラッチの抑制が要求されている。しかしながら、中空微粒子を含有する研磨層を備えた研磨パッドにおいては、研磨層内における中空微粒子の分布が一様でないと、研磨特性が変化し、研磨レートの低下やスクラッチの発生の原因になる。

また、研磨層内における中空微粒子の分布が一様であるかどうかは、実際に研磨層を切断して内部を観察しないと確認することができず、さらに評価点（観察部位）を数多く設定しなければならないため、品質管理が容易でなかった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、研磨レートを向上させつつ、スクラッチの発生を抑制することができ、さらに品質管理も容易に行うことができる研磨パッドを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る研磨パッドは、研磨層を具備する。
上記研磨層は、中空微粒子を含有し、ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７に準じて測定した垂直入射吸音率が周波数３５００Ｈｚで６％以上、周波数４５００Ｈｚで８％以上である。

本発明者らは、研磨層の上記垂直入射吸音率が周波数３５００Ｈｚで６％以上、周波数４５００Ｈｚで８％以上である場合、研磨レートの向上とスクラッチの抑制を図ることができるという知見を得た。これは、すなわち、上記範囲の垂直入射吸音率が、研磨層の内部における中空微粒子の一様な分布状態であることを示唆する。研磨層の垂直入射吸音率によって研磨層内における中空微粒子の分布状態を推定できることから、研磨層を多くの部位で切断しての実観察が不要となり、これにより研磨層の品質管理を容易に行うことが可能となる。

上記研磨層は、ポリウレタン樹脂をさらに含んでもよい。この場合、上記中空微粒子は、熱可塑性樹脂からなる外殻を有し、上記ポリウレタン樹脂中に分散される。

ポリウレタン樹脂は、入手性及び加工性がよく、好適な研磨特性を有するため、研磨層の主たる構成材料として好適である。また、ポリウレタン樹脂中に分散された中空微粒子は、気泡として研磨面に露出し、研磨スラリーの研磨面へのなじみ易さを向上させる。

上記ポリウレタン樹脂は、イソシアネート化合物とポリオール系化合からなるプレポリマーと、ポリアミン系硬化剤との重合反応によって生成されていてもよい。

ポリウレタン樹脂は、イソシアネート化合物、ポリオール系化合及びポリアミン系硬化剤の重合反応によって生成する硬質ポリウレタンであるものとすることができる。

上記イソシアネート化合物は、２，４−トルエンジイソシアネートや２，６−トルエンジイソシアネートであり、上記ポリオール系化合物は、ジエチレングリコール及びポリテトラメチレンエーテルグリコールであり、上記ポリアミン系硬化剤は、４，４'−メチレンビス（２−クロロアニリン）であってもよい。

上記プレポリマーにおけるＮＣＯ当量は４００以上４６８以下であってもよい。

以上のように、本発明によれば、研磨レートを向上させつつ、スクラッチの発生を抑制することができ、さらに品質管理も容易に行うことができる。

本発明の実施形態に係る研磨パッドの斜視図である。 同研磨パッドの断面図である。 同研磨パッドの研磨層に含まれる中空微粒子の断面図である。 同研磨パッドに供給された研磨スラリー液の分布を示す模式図である。 本発明の実施例に係る研磨パッドが備える研磨層の構成を示す表である。 本発明の実施例及び比較例に係る研磨パッドについての各種測定結果を示す表である。 本発明の実施例及び比較例に係る研磨パッドについて測定した垂直入射吸音特性を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［研磨パッドの構成］
図１は、本実施形態に係る研磨パッド１００を示す斜視図である。同図に示すように、研磨パッド１００は、研磨層１０１及びベース層１０２を具備する。

研磨層１０１は、被研磨物に当接し、研磨を行う層である。以下、研磨層１０１の表面を研磨面１０１ａとする。研磨面１０１ａには、研磨スラリーの流れをよくするための溝や穴が形成されていてもよい。研磨層１０１の厚さは特に限定されず、例えば０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下程度とすることができる。

ベース層１０２は、研磨層１０１の被研磨物への当接を均一化させる層である。ベース層１０２は、不織布や合成樹脂等の可撓性を有する材料からなるものとすることができる。ベース層１０２の厚さは特に限定されず、例えば０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下程度とすることができる。

研磨層１０１とベース層１０２は接着材等によって接合され、研磨パッド１００を構成する。研磨パッド１００は、ベース層１０２に配設された両面テープ等によって研磨装置に貼付される。研磨パッド１００の大きさ（径）は研磨装置のサイズ等に応じて決定することができ、例えば、直径１０ｃｍ〜１ｍ程度とすることができる。なお、研磨パッド１００の形状は円板状に限られず、帯状等であってもよい。

［研磨層の構成］
図２は、研磨パッド１００の模式的断面図である。同図に示すように、研磨層１０１は、ポリマー１１０及び中空微粒子１１１を含む。

ポリマー１１０は、研磨材料の主たる構成材料である。ポリマー１１０は、プレポリマーと硬化剤の重合反応によって生成するポリマーであるものとすることができる。このようなポリマーとしては、ポリウレタンが挙げられる。ポリウレタンは、入手性及び加工性がよく、好適な研磨特性を有するため、ポリマー１１０の材料として好適である。

プレポリマーは、イソシアネート化合物とポリオール系化合物を混合したものとすることができる。

イソシアネート化合物は、イソシアネート基末端を有する化合物であり、例えば２，４−トルエンジイソシアネート（２，４−ＴＤＩ）を利用することができる。

この他にもイソシアネート化合物としては、ｍ−フェニレンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、２，６−トリレンジイソシアネート（２，６−ＴＤＩ）、２，４−トリレンジイソシアネート（２，４−ＴＤＩ）、ナフタレン−１，４−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−４，４'−ジイソシアネート、３，３'−ジメトキシ−４，４'−ビフェニルジイソシアネート、３，３'−ジメチルジフェニルメタン−４，４'−ジイソシアネート、キシリレン−１，４−ジイソシアネート、４，４'−ジフェニルプロパンジイソシアネート、トリメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）、イソフォロンジイソシアネート、プロピレン−１，２−ジイソシアネート、ブチレン−１，２−ジイソシアネート、シクロヘキシレン−１，２−ジイソシアネート、シクロヘキシレン−１，４−ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン−４，４'−ジイソシアネート（水添ＭＤＩ）、ｐ−フェニレンジイソチオシアネート、キシリレン−１，４−ジイソチオシアネート及びエチリジンジイソチオシアネートが挙げられる。

ポリオール系化合物は、２つ以上のヒドロキシル基を有する物質であり、例えば、ジエチレングリコール（ＤＥＧ）及びポリテトラメチレンエーテルグリコール（ＰＴＭＧ）とすることができる。

この他にも、ポリオール系化合物として、ブチレングリコール及びヘキサンジオール等の低分子量のポリオール化合物、並びに、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ビスフェノールＡとプロピレンオキサイドとの反応物等のポリエーテルポリオール化合物、エチレングリコールとアジピン酸との反応物、ブチレングリコールとアジピン酸との反応物等のポリエステルポリオール化合物、ポリカーボネートポリオール化合物及びポリカプロラクトンポリオール化合物等の高分子量のポリオール化合物が挙げられる。

硬化剤は、ポリアミン系硬化剤を利用することができる。ポリアミン系硬化剤は、２つのアミノ基を有する物質であり、ＭＯＣＡ（４，４'−メチレンビス（２−クロロアニリン））を用いることができる。また、ポリアミン系硬化剤として、二分子のクロロアニリンが結合した二核体であるＭＯＣＡや、三分子のクロロアニリンが結合した三核体のＭＯＣＡを含む多核体ＭＯＣＡを利用することも可能である。また、ＭＯＣＡ以外のポリアミン系硬化剤を利用してもよい。

また、ポリアミン系硬化剤に加え、ポリオール系化合物を硬化剤として利用することも可能であり、例えば、ＭＯＣＡとＰＴＭＧの混合物を硬化剤とすることができる。

なお、ポリマー１１０はポリウレタンに限られず、ポリノルボルネン、トランス−ポリイソプレン、スチレン−ブタジエン等であってもよい。また、ポリマー１１０はポリウレタン及びこれらの樹脂のうち１種又は複数種を含むものであってもよい。

中空微粒子１１１は、中空の球体状の物体であり、ポリマー１１０に含有されている。図３は、中空微粒子１１１の模式的断面図である。同図に示すように、中空微粒子１１１は、熱可塑性樹脂からなる球殻状の外殻１１１ａと、外殻１１１ａに囲まれた内部空間１１１ｂを有する。中空微粒子１１１は、液状の低沸点炭化水素を熱可塑性樹脂の殻で包み、加熱することによって形成されたものとすることができる。

加熱によって熱可塑性樹脂が軟化すると共に低沸点炭化水素が気体に変化し、気体の圧力によって熱可塑性樹脂が膨張することにより中空微粒子１１１が形成される。低沸点炭化水素は例えばイソブタンやペンタン等が用いられ、熱可塑性樹脂は例えば塩化ビニリデンやアクリロニトリルが用いられる。

中空微粒子１１１は、市販されているものを利用することも可能である。例えばマツモトマイクロスフェアーシリーズ（松本油脂製薬株式会社製）やエクスパンセルシリーズ（ＡｋｚｏＮｏｂｅｌ社製）を中空微粒子１１１として利用することができる。

中空微粒子１１１の大きさは特に限定されないが、直径数２０μｍ〜２００μｍ程度とすることができ、また径の異なる中空微粒子を２種類以上用いることもできる。研磨材料における中空微粒子１１１の含有割合は、研磨材料に対して、１０〜６０体積％が好適であり、１５〜４５体積％であるとより好適である。中空微粒子１１１は、研磨層１０１が研磨によって磨耗すると研磨面１０１ａに露出し、研磨面１０１ａの研磨特性に影響する。

［研磨スラリーについて］
研磨パッド１００は、研磨装置によって被研磨物に押圧された状態で回転駆動され、被研磨物を研磨する。その際、研磨パッド１００と被研磨物の間には、研磨粒子を含む研磨スラリーが供給される。

図４は、研磨時の研磨スラリーＳの分布示す模式図である。同図に示すように研磨スラリーＳは、研磨面１０１ａと被研磨物Ｔの間に位置し、両者を潤滑する。また、研磨スラリーＳには図示しない研磨粒子が含まれており、研磨パッド１００による被研磨物Ｔの研磨を補助する。

［研磨層の垂直入射吸音率について］
研磨層１０１は、ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７に準じて測定した垂直入射吸音率が所定の周波数で所定以上となるように構成される。

ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７は、国際規格ＩＳＯ １０５３４−２に整合する規定である。垂直入射吸音率とは、インピーダンス管（音響管）と呼ばれる測定装置を用いて研磨層１０１の試料に対して垂直（入射角度が０度）に音が入射したときの吸音特性を表す。

ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７は、伝達関数法による垂直入射吸音率の測定方法である。伝達関数法は、インピーダンス管内に設置した２つのマイクロフォン間の伝達関数により、ゲインと位相情報を取得し、垂直入射吸音率を算出するものである。伝達関数法は、定在波比法（ＪＩＳ Ａ １４０５−１：２００７（ＩＳＯ １０５３４−１））と比較して、ランダムノイズによって迅速に全周波数帯域の計測を行うことができ、処理時間も短く、インピーダンス管を短くすることができるという利点がある。

以下の説明において、「垂直入射吸音率」というときは、ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７に準じて測定した垂直入射吸音率を意味するものとする。

研磨層１０１の垂直入射吸音率は、研磨層１０１（ポリマー１１０）における中空微粒子１１１の分布状態と深く関係する。中空微粒子１１１が研磨層１０１の内部に一様に分布している場合、そうでない場合と比較して、特に周波数が３０００Ｈｚ〜６０００Ｈｚの範囲において吸音率が高くなる傾向にある。つまり、中空微粒子１１１が研磨層１０１の内部において偏在することなく一様に分布することで、研磨層１０１全体の吸音率が高められると推察される。

研磨層１０１の垂直入射吸音率は、例えば１５００Ｈｚ以上の範囲において、周波数が高くなるにつれて上昇し、４０００〜５０００Ｈｚの周波数帯域でなだらかなピークを示す傾向にある。本実施形態では、そのピークが現れる周波数（本例では４５００Ｈｚ）およびその手前の所定の周波数（本例では３５００Ｈｚ）の垂直入射吸音率を評価することで、研磨層１０１内における中空微粒子１１１の分布状態を把握するようにしている。

具体的に、本実施形態における研磨層１０１は、垂直入射吸音率が周波数３５００Ｈｚで６％以上、周波数４５００Ｈｚで８％以上となるように構成される。これにより、垂直入射吸音率が上記範囲外の研磨層と比較して、研磨レートを向上させ、さらにスクラッチの発生をも抑制することが可能となる。このことから、上記範囲の垂直入射吸音率を有する研磨層は、上記範囲外の研磨層と比較して、研磨層１０１（ポリマー１１０）の内部において中空微粒子１１１が一様に分布している度合が高いことを意味する。

さらに、垂直入射吸音率特性は、上述のように、研磨層の内部における中空微粒子の分布状態を示唆するひとつの指標として用いることができる。研磨層の垂直入射吸音率によって研磨層内における中空微粒子の分布状態を推定することができるため、研磨層を多くの部位で切断しての実観察が不要となる。このように研磨層の垂直入射吸音率を指標とすることで、研磨層の品質管理を容易に行うことができるようになる。

［研磨パッドの製造方法］
研磨パッド１００は次のようにして製造することが可能である。即ち、Ａ成分としてプレポリマーと中空微粒子の混合物、Ｂ成分として硬化剤をそれぞれ準備する。Ａ成分及びＢ成分を減圧脱泡した後、混合機に供給し、撹拌する。これにより、プレポリマーと硬化剤の重合反応が生じてポリマーが生成し、ポリマーと中空微粒子の混合液が形成される。

得られた混合液を所定温度に加熱した型枠に注型して一定時間加熱し、硬化させる。これにより、ポリマー発泡体が生成する。ポリマー発泡体を型枠から抜き出し、所定の厚みにスライスする。これにより、研磨層１０１が作製される。研磨層１０１をベース層１０２に貼付することにより研磨パッド１００が作製される。

本発明の実施例に係る研磨パッドを作製した。図５は、各研磨パッドが備える研磨層の組成を示す表である。

同図に示すように、実施例に係る研磨パッドの研磨層は、プレポリマー、硬化剤及び中空微粒子からなる。

プレポリマーは、ＴＤＩ（２、４−トルエンジイソシアネートと２，６−トルエンジイソシアネートの混合物）、ＤＥＧ（ジエチレングリコール）及びＰＴＭＧ（ポリテトラメチレンエーテルグリコール）の混合物とした。プレポリマーのＮＣＯ当量（ＮＣＯ基１個あたりのプレポリマーの分子量）を図中に示す。プレポリマーにおけるＮＣＯ当量は４００以上４６８以下とした。

硬化剤は、実施例１及び２ではＭＯＣＡ（４，４'−メチレンビス（２−クロロアニリン））とした。実施例３ではＭＯＣＡとＰＴＭＧの混合物とした。中空微粒子は、エクスパンセルシリーズ（ＡｋｚｏＮｏｂｅｌ社製）とした。

上記のように、Ａ成分としてプレポリマーと中空微粒子の混合物、Ｂ成分として硬化剤をそれぞれ準備し、減圧脱泡した後、混合機で混合し、ポリマーと中空微粒子の混合液を作製した。

得られた混合液を８０℃に加熱した型枠（８９０ｍｍ×８９０ｍｍの正方形）に注型して５時間加熱して硬化させ、ポリマー発泡体を作製した。ポリマー発泡体を型枠から抜き出し、１．３ｍｍの厚みにスライスした。これにより、研磨層を作製した。この研磨層をベース層に貼付することにより研磨パッドを作製した。

表１に、研磨層の構成材料におけるＲ値（イソシアネート基に対するアミノ基又は水酸基の当量比）を示す。

また、比較例として、ポリウレタンからなる研磨層を備えるＩＣ１０００（ニッタ・ハース社製）を準備した。

実施例及び比較例に係る研磨パッド（研磨層）について、各種測定を実施した。図６は、測定結果を示す表である。

（垂直入射吸音率）
実施例１〜３および比較例に係る研磨層について、周波数３５００Ｈｚおよび４５００Ｈｚでの垂直入射吸音率を測定した。試料厚みは１．３ｍｍとした。研磨層の垂直入射吸音率は、ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７に準じて測定した。測定装置には、小野測器社製音響インピーダンス管「SR-4100」を用いた。その測定結果を図７に示す。

測定の結果、研磨層の周波数３５００Ｈｚおよび４５００Ｈｚにおける垂直入射吸音率はそれぞれ、実施例１については９．６３％および１０．９７％、実施例２については６．５８％および８．５６％、実施例３については６．２８％および８．３２％、そして比較例については５．１５％および６．３３％であった。

（研磨レート）
次に、各研磨パッドについて研磨レートを測定した。各研磨パッドを研磨機（Ｆ−ＲＥＸ３００（荏原製作所社製））に装着した。研磨ディスクは３Ｍ Ａ１８８（♯６０）を利用した。

研磨パッドを被研磨物に当接させ、研磨を実施した。被研磨物は直径３００ｍｍのシリコンウエハ上にテトラエトキシシランをＰＥ−ＣＶＤ（plasma-enhanced chemical vapor deposition）で１μｍの厚さになるように形成した基板とした。

研磨パッドの回転数は定盤７０ｒｐｍ、トップリング７１ｒｐｍとし、研磨圧力は３．５ｐｓｉとした。研磨パッドには研磨スラリー（ＳＳ２５原液（キャボット社製）：純水＝１：１の混合液）を供給し、研磨スラリーの温度は２０℃、研磨スラリーの吐出量は２００ｍｌ／ｍｉｎとした。

研磨後に被研磨物の厚みを測定し、研磨レートを算出した。図６に算出した研磨レート（Å／ｍｉｎ）を示す。同図に示すように、実施例１〜３に係る研磨パッドでは比較例１に係る研磨パッドより高い研磨レートが得られた。

（スクラッチ評価）
また、各研磨パッドについてスクラッチの発生の有無を評価した。各研磨パッドのそれぞれについて２５枚の被研磨物を研磨し、研磨加工後の２１〜２５枚目の５枚の被研磨物について測定を実施した。測定は、表面ウェハ表面検査装置Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１ＤＬＳ（ＫＬＡテンコール社製）の高感度測定モードで行い、被研磨物の表面におけるスクラッチ等のディフェクト（欠陥）の個数を評価した。

図６に、評価結果を示す。直径３００ｍｍの被研磨物において、０．１６μｍ以上のディフェクトが２００個未満となった研磨パッドを○とし、２００個以上となった研磨パッドを×とした。同図に示すように、実施例１〜３に係る研磨パッドではディフェクトの数は少なかったが、比較例１に係る研磨パッドではディフェクトの多数のディフェクトが発生した。

以上から、実施例１〜３のように、垂直入射吸音率が周波数３５００Ｈｚで６％以上、周波数４５００Ｈｚで８％以上である研磨層を備えた研磨パッドによれば、比較例に係る研磨層を研磨パッドよりも研磨レートが向上し、スクラッチの発生も防止することが可能であることが確認された。

１００…研磨パッド
１０１…研磨層
１０２…ベース層
１１０…ポリマー
１１１…中空微粒子

Claims (5)

1. 中空微粒子を含有し、ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７に準じて測定した垂直入射吸音率が周波数３５００Ｈｚで６％以上、周波数４５００Ｈｚで８％以上である研磨層
   を具備する研磨パッド。
2. 請求項１に記載の研磨パッドであって、
   前記研磨層は、ポリウレタン樹脂をさらに含み、
   前記中空微粒子は、熱可塑性樹脂からなる外殻を有し、前記ポリウレタン樹脂中に分散される
   研磨パッド。
3. 請求項２に記載の研磨パッドであって、
   前記ポリウレタン樹脂は、イソシアネート化合物とポリオール系化合からなるプレポリマーと、ポリアミン系硬化剤との重合反応によって生成されている
   研磨パッド。
4. 請求項３に記載の研磨パッドであって、
   前記イソシアネート化合物は、２，４−トルエンジイソシアネートであり、
   前記ポリオール系化合物は、ジエチレングリコール及びポリテトラメチレンエーテルグリコールであり、
   前記ポリアミン系硬化剤は、４，４'−メチレンビス（２−クロロアニリン）である
   研磨パッド。
5. 請求項４に記載の研磨パッドであって、
   前記プレポリマーにおけるＮＣＯ当量は４００以上４６８以下である
   研磨パッド。

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