JP2019024078A - 多孔質ポリウレタン研磨パッドおよびそれを用いて半導体デバイスを調製するための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ウレタン系プレポリマーおよび硬化剤を含んで成り、
1.5〜2.5mmの厚さ(thickness)、平均径10〜60μmの多数の孔(a number of pores)、0.7〜0.9g/cm3の比重(specific gravity)、45〜65ショアDの25℃における表面硬さ(surface hardness)、15〜25N/mm2の引張強度(tensile strength)、80〜250%の伸び(elongation)を有しており、研磨される対象物と直接的に接する研磨面(または研磨表面もしくはポリッシュ面、polishing surface)から所定深さ1〜10μmまで測定されるAFM弾性係数(またはAFM弾性率、AFM elastic modulus)が101〜250MPaである、多孔質ポリウレタン研磨パッドが提供される。
多孔質ポリウレタン研磨パッドを供すること、
研磨される対象物を多孔質ポリウレタン研磨パッドに配置すること、
研磨される対象物を多孔質ポリウレタン研磨パッドに対して相対的に回転させ、その対象物を研磨(またはポリッシュ)すること
を含んで成り、
多孔質ポリウレタン研磨パッドは、
ウレタン系プレポリマーおよび硬化剤を含んで成り、
1.5〜2.5mmの厚さ、平均径10〜60μmの多数の孔、0.7〜0.9g/cm3の比重、45〜65ショアDの25℃における表面硬さ、15〜25N/mm2の引張強度、80〜250%の伸びを有しており、研磨される対象物と直接的に接する研磨面から所定深さ1〜10μmまで測定されるAFM弾性係数が101〜250MPaである、半導体デバイスの調製方法が提供される。
(1) ウレタン系プレポリマー、硬化剤、固相発泡剤を含んで成る混合物をモールド(または型)に注入(または射出)し、その混合物を成型に付すこと、ならびに
(2) 混合物を硬化させること
を含んで成る、多孔質ポリウレタン研磨パッドの調製プロセスで調製され得る。
プレポリマーは、比較的小さい分子量を有するポリマーであって、その調製プロセスで最終的に製造される成型品が常套的に成型されることになる中間レベルに重合程度が調整されているポリマーのことを指している。プレポリマーは、それ自体で成型されたり、あるいは、それが別の重合可能な化合物との反応後に成型されたりするものであってよい。例えば、プレポリマーは、イソシアネート化合物をポリオールと反応させることによって調製されてよい。
硬化剤は、アミン化合物およびアルコール化合物の少なくとも一方であってよい。具体的には、硬化剤は、芳香族アミン、脂肪族アミン、芳香族アルコールおよび脂肪族アルコールから成る群から選択される少なくとも1種の化合物を含んで成るものであってよい。
固相発泡剤は、熱膨張マイクロカプセルであり、5〜200μmの平均粒径(または平均粒子径)を有するマイクロバルーン(micro-balloons)の構造を有し得る。具体的には、固相発泡剤は、10〜150μm、10〜100μmまたは10〜60μmの平均粒子径を有し得る。より具体的には、固相発泡剤は、20〜60μm、20〜50μm、10〜50μm、または、25〜45μmの平均粒径を有し得る。さらに、熱膨張マイクロカプセルは、熱的に膨張可能なマイクロカプセルを熱的に膨張させることによって得られ得る。
ステップ(1)では、混合物がモールド内に注入されるに際して不活性ガスがモールド内に供給されてよい。ウレタン系プレポリマーと硬化剤と固相発泡剤とが混合され反応するに際して不活性ガスが加えられてよく、それによって、研磨パッドに孔が形成される。
混合物は、さらに、反応速度制御剤を含んでいてよい。反応速度制御剤は、第3アミン系化合物および有機金属系化合物から成る群から選択される少なくとも1種であってよい。なお、反応速度制御剤は、反応促進剤または反応抑制剤であってよい。具体的には、反応速度制御剤は、反応促進剤であってよい。
混合物は、さらに、界面活性剤(または表面活性剤)を含んで成っていてもよい。界面活性剤は、孔が互いに重なったり凝集したりすることを防止しつつ孔形成がなされるように作用し得る。具体的には、界面活性剤は、好ましくは、シリコーン系の非イオン界面活性剤である。しかしながら、研磨パッドに求められる物理的性質に応じて、他の界面活性剤が種々に選択され得る。
ウレタン系プレポリマーおよび硬化剤は、混合された際に相互に反応することになり、固体のポリウレタンが形成され、その後、その固体のポリウレタンは、シートまたはそれと同等なものへと形成される。具体的には、ウレタン系プレポリマーにおけるイソシアネート末端基は、硬化剤のアミン基、アルコール基やそれらと同等なものと反応することができる。かかる場合において、不活性ガスおよび固相発泡剤は原料中で一様に分散し、ウレタン系プレポリマーと硬化剤との反応に関与することなく孔を形成する。
成形はモールドを用いて行われる。具体的には、混合ヘッドまたはそれと同様なもので十分に撹拌された原料(すなわち、ウレタン系プレポリマー、硬化剤および固相発泡剤を含んで成る混合物)がモールド内へと注入され、それによって、かかる原料がモールド内に満たされる。
ある態様の多孔質ポリウレタン研磨パッドを調製するプロセスは、製造される研磨パッドの孔のサイズおよび分布を調整することによって研磨パッドの研磨特性(または研磨速度)を制御できる。
ある態様の半導体デバイスの調製方法は、
多孔質ポリウレタン研磨パッドを供すること、
研磨される対象物を研磨パッドに配置すること、
研磨される対象物を研磨パッドに対して相対的に回転させ、該対象物を研磨すること
を含んで成り、
研磨パッドは、
ウレタン系プレポリマーおよび硬化剤を含んで成り、
1.5〜2.5mmの厚さ、平均径10〜60μmの多数の孔、0.7〜0.9g/cm3の比重、45〜65ショアDの25℃における表面硬さ、15〜25N/mm2の引張強度、80〜250%の伸びを有しており、研磨される対象物と直接的に接する研磨面から所定深さ1〜10μmまでで測定されるAFM(原子間力顕微鏡)弾性係数が101〜250MPaである。
1−1:デバイスの構成
ウレタン系プレポリマーの供給ラインを備えたキャスティング機では、硬化剤、不活性ガス、および、反応速度制御剤、9.1重量%の未反応NCO含量を有するPUGL−600D(1500g/モルの重量平均分子量を有するSKC製)をプレポリマー・タンクに仕込み、4,4’-メチレンビス(2-クロロアニリン)(TCI東京化学工業製)を硬化剤タンクに仕込んだ。不活性ガスとしては窒素(N2)を用意した。さらに、シグマ・アルドリッチ社から販売されているトリエチレンジアミン(TEDA;反応促進剤)を反応速度制御剤として用いた。
ウレタン系プレポリマー、硬化剤、固相発泡剤、反応速度制御剤、および不活性ガスを混合した。なお、それらは個々の供給ラインから一定速度でミキシング・ヘッドから供給した。ミキシング・ヘッドの回転速度は、約3000rpmとした。かかる場合、硬化剤において反応基に対するウレタン系プレポリマーのNCO基のモル当量比は、1:1に調製され、トータルの供給量は10kg/分の速度に維持された。さらに、ポリウレタンシートの目標比重を0.8g/cm3として、不活性ガスは、ウレタン系プレポリマー、硬化剤、固相発泡剤、反応促進剤およびシリコーン界面活性剤の全体積基準で15%の体積で供給した。反応促進剤は、ウレタン系プレポリマーの100重量部を基準にして0.5重量部の量で供給した。
固相発泡剤、界面活性剤、不活性ガスおよび反応促進剤の含量を表1で示すように調整したこと以外は実施例1と同様の方法でもって、平均厚さ2mmを有する多孔質ポリウレタン研磨パッドを調製した。
平均径40μmの固相発泡剤を使用する一方で、界面活性剤、不活性ガスおよび反応促進剤を使用しなかったこと以外は実施例1と同様の方法で多孔質ポリウレタン研磨パッドを調製した。
実施例および比較例で調製した研磨パッドの性質を以下の条件および手法で測定した。結果を表2〜表4に示す。
ショアD硬さを測定した。研磨パッドを2cm×2cmのサイズ(厚さは約2mm)にカットし、温度25℃および湿度50±5%の条件下で16時間置いた。その後、硬度メーター(Dタイプ硬度計)を用いて研磨パッドの硬さを測定した。
研磨パッドを4cm×8.5cmの矩形(厚さは2mm)にカットし、温度23±2℃および湿度50±5%の条件下で16時間置いた。比重計を用いて研磨パッドの比重を測定した。
万能試験機(UTM)を用いて50mm/分の速度で研磨パッドを試験に付してフラクチャー(fracture)する直前の極限強度を測定した。
引張強度測定と同じ方法で試験を実施した。フラクチャー直前の最大変形量を測定した。初期長さに対する最大変形量の比について百分率(%)で表した。
研磨パッドを2cm×2cmの正方形(厚さは2mm)にカットし、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて100倍率で観察した。画像解析ソフトを用いて画像解析し、トータルの孔径を画像から測定した。その後、平均孔径を算出した。
Park Systems製のXE-150をAFM機器として用い、AFM機器にNANOSENSORS製のPPP-CONTSCRをカンチレバーとして設けた。さらに、カンチレバーで力を加え、研磨パッドの研磨面から4μmの深さまで力を加えた。AFM弾性係数およびAFM硬さをカンチレバーで測定した。さらに、AFM平方根平均粗さをAFM機器を用いて測定した。
スパッタリング・プロセスによって形成したタングステン薄層(またはタングステン・フィルム)を含む直径300mmのシリコン・ウェハを、CMP研磨機のプラテンに設けた多孔質ポリウレタン研磨パッドにセットした(シリコン・ウェハのタングステン薄層が下側に向くようにしてセットした)。次いで、シリコン・ウェハを121rpmの速度およびプラテンを115rpmの速度でもって60秒回転させ、焼成シリカ・スラリーを190mL/分の速度で供給しつつ、1.4psiの研磨荷重下でシリコン酸化物薄層を研磨した。研磨が完了したら、シリコン・ウェハをキャリアから取り外し、スピン・ドライヤーに載せ、精製水(DIW)で洗浄し、そして、窒素で15秒間乾燥させた。分光反射率型の厚さ測定機(Kyenece製、型式SI-F80R)を用いて乾燥後のシリコン・ウェハにおける薄層厚さを研磨前後で測定し、それから研磨速度を算出した。研磨速度は、以下の式1を用いた算出した。
[式1]
研磨速度=「シリコン・ウェハの研磨された厚さ(Å)」/「研磨時間(分)」
ひずみゲージおよび万能試験機(UTM)を用い、試験速度1mm/分、グリップ距離115mm、ロードセル30N、温度23±2℃および湿度45±5%の条件下でポアソン比を測定した。
引張試験または圧縮試験のための冶具、および万能試験機(UTM)を用い、試験速度500mm/分、グリップ距離70mm、ロードセル1kN、温度23±2℃および湿度45±5%の条件下で引張弾性係数および圧縮弾性係数を測定した。
Claims (11)
- 多孔質ポリウレタン研磨パッドであって、
ウレタン系プレポリマーおよび硬化剤を含んで成り、
1.5〜2.5mmの厚さ、平均径10〜60μmの多数の孔、0.7〜0.9g/cm3の比重、45〜65ショアDの25℃における表面硬さ、15〜25N/mm2の引張強度、80〜250%の伸びを有しており、研磨される対象物と直接的に接する研磨面から所定深さ1〜10μmまで測定されるAFM(原子間力顕微鏡)弾性係数が101〜250MPaである、多孔質ポリウレタン研磨パッド。 - ウレタン系プレポリマーの100重量部を基準にして、0.5〜10重量部の量の固相発泡剤を含んで成る、請求項1に記載の多孔質ポリウレタン研磨パッド。
- 固相発泡剤が、10〜60μmの平均粒径を有する、請求項2に記載の多孔質ポリウレタン研磨パッド。
- 研磨面のAFM硬さが、50〜150MPaである、請求項1に記載の多孔質ポリウレタン研磨パッド。
- 研磨面のAFM平方根平均粗さが30〜110nmである、請求項1に記載の多孔質ポリウレタン研磨パッド。
- 前記研磨パッドは、外部に露出する多数の開口孔を含んで成り、該開口孔が、互いに隣接しつつも互いに離隔する第1開口孔と第2開口孔とを有して成り、
第1開口孔と第2開口孔との間に研磨面が配置されている、請求項1に記載の多孔質ポリウレタン研磨パッド。 - 研磨面の領域が、研磨パッドの上面における全領域の30〜70%である、請求項6に記載の多孔質ポリウレタン研磨パッド。
- 開口孔は、10〜30μmの平均径および8〜28μmの平均深さを有する、請求項6に記載の多孔質ポリウレタン研磨パッド。
- 半導体デバイスを調製するための方法であって、
多孔質ポリウレタン研磨パッドを供すること、
研磨される対象物を研磨パッドに配置すること、
研磨される対象物を研磨パッドに対して相対的に回転させ、該対象物を研磨すること
を含んで成り、
研磨パッドは、
ウレタン系プレポリマーおよび硬化剤を含んで成り、
1.5〜2.5mmの厚さ、平均径10〜60μmの多数の孔、0.7〜0.9g/cm3の比重、45〜65ショアDの25℃における表面硬さ、15〜25N/mm2の引張強度、80〜250%の伸びを有しており、研磨される対象物と直接的に接する研磨面から所定深さ1〜10μmまで測定されるAFM(原子間力顕微鏡)弾性係数が101〜250MPaである、半導体デバイスの調製方法。 - 研磨される対象物は金属層を有して成り、
金属層が研磨面に直接的に接し、該金属層が研磨される、請求項9に記載の半導体デバイスの調製方法。 - 金属層がタングステンを含んで成る、請求項10に記載の半導体デバイスの調製方法。
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