JP4681970B2 - 研磨パッドおよび研磨機 - Google Patents

Description

本発明の研磨パッドは、ポリウレタンを主な材料とする研磨パッドである。本発明は、この研磨パッドを用いてシリコンウエハを研磨する研磨機に関するものである。

本発明の研磨パッドは、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）に用いるものであり、レンズ、反射ミラー等の光学材料やシリコンウエハ、ハードディスク用のガラス基板、アルミ基板、及び一般的な金属研磨加工等の高度の表面平坦性を要求される材料の平坦化加工を安定、かつ高い研磨効率で行うことが可能である。

本発明の研磨パッドは、特にシリコンウエハ、ならびにシリコンウエハ上に酸化物層、金属層等が形成されたデバイスを、さらにこれらの酸化物層や金属層を積層・形成する前に平坦化する工程に使用することも可能である。

半導体集積回路の製造に使用されるシリコンウエハは、単結晶シリコンの円盤であり、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体集積回路の製造工程において、回路形成に使用する各種薄膜の信頼できる半導体接合を形成するために、各工程において、表面を高精度に平坦に研磨することが要求される。

シリコンウエハの製造工程を概略説明すると、この製造工程には、シリコン単結晶インゴットを薄円板状に切断するスライス工程と、スライス工程で得られたシリコンウエハの割れや欠けを防止するためのシリコンウエハの周縁部を面取り加工する面取工程と、面取加工されたシリコンウエハの平坦化を行うラッピング処理を施すラッピング工程と、ラッピング処理されたシリコンウエハにエッチング処理を施してシリコンウエハの加工歪を除去するエッチング工程と、エッチング処理されたシリコンウエハの表面を鏡面化する研磨工程とがある。

最後の研磨工程において用いられる研磨パッドは、研磨機の下定盤（回転定盤）に両面粘着テープにより固着され、シリコンウエハは研磨機の上定盤（回転定盤）に固着される。研磨機によってはシリコンウエハをキャリアに固着し、このキャリアを上定盤に回転可能に取り付けるものがある。研磨パッドとシリコンウエハは研磨機に固定されて相対回転され、それらの接触面間に砥粒を含む研磨スラリーが連続供給されて、研磨操作が実行される（特許文献１）。

上記した両面粘着テープは、シリコンウエハに凹凸や段差やうねり（凹凸成分）が存在しても、その凹凸成分に沿ってシリコンウエハ全面を、均一に高低差を緩和するように研磨することができるように研磨パッドを下定盤に固定するものである。この両面粘着テープは、両面粘着シートあるいは両面粘着フィルムとも称することができるものである。少なくとも１つの基材層と少なくとも２つの粘着材層とを含むものである。

このような研磨パッドで研磨されたシリコンウエハに要求される品質は、一般的に、ＧＢＩＲ（グローバル・バックサイド・アイデアル・レンジ）やＳＦＱＲ（サイト・フロント・リースト・スクウエア）などの指標で表される平坦度で、これらの値ができる限り低い、換言すれば高平坦度のシリコンウエハであることが好ましい。ＧＢＩＲ、ＳＦＱＲの平坦度指標の詳細は省略するが、これらはＳＥＭＩ規格にかかり、ＧＢＩＲはグローバル平坦性であり、周縁部を除いて画定される全ウエハ表面全体に対するものであり、ＳＦＱＲはローカル平坦性であり、ウエハの或る限られた領域の平坦性に関するもので、作り込まれる半導体部品の領域に概ね相当する。近年の半導体デバイスでは、一層の超微細化構造により、この平坦度指標に対する要求が厳しくなってきている。

ところで、研磨パッドによるシリコンウエハの研磨においては、研磨パッドを両面粘着テープの粘着力により下定盤に固定しているが、ポリウレタンを主材料とした研磨パッドでは、ポリウレタンが両面粘着テープに粘着し難いため、両面粘着テープの粘着力が不十分となり、研磨中に、極端な場合では研磨パッドが下定盤から剥離する場合があった。また、研磨パッドの裏面に初期存在する凹凸成分（うねり成分を含む）のうち両面粘着テープの粘着層で吸収されなかった凹凸成分は研磨時の圧力で研磨パッドの表面側の平面性を阻害する要因となってシリコンウエハの高平坦度な研磨性能に影響する要因となる。
特開２００１−４４１５３

以上のことから、本発明は、ポリウレタンを主材料とする研磨パッドにおいて、裏面の平面性が高く、かつ、両面粘着テープに高安定で粘着固定が可能で、これを用いた研磨機でシリコンウエハの高平坦度研磨を可能とする研磨パッドを提供することを目的とする。

本発明による研磨パッドは、ウレタンのプレポリマー、鎖延長剤および発泡剤を混合して硬化させて得られる、ポリウレタンを主な材料とする研磨パッドにおいて、当該研磨パッドの裏面に開口している気泡と気泡との間のエリアが中心線平均粗さＲａで２μｍ以上、３０μｍ以下の表面粗さに加工処理されていることを特徴とするものである。

ポリウレタンは、ウレタン結合を示すポリマーである。ウレタン結合は、イソシアネート基と、水酸基などの活性水素を有する化合物との付加反応により生成することができる。

中心線平均粗さＲａは、ＪＩＳ規格 Ｂ０６０１−１９８２に準拠する中心線平均粗さである。中心線平均粗さＲａが２μｍ未満では研磨パッドを定盤に設置した後の立ち上げ作業に時間がかかる上、研磨レートも低くなる傾向にある。中心線平均粗さＲａが３０μｍを超えると、スクラッチが発生することとなり好ましない。中心線平均粗さＲａは、より好ましくは２．０μｍ以上、５．０μｍ以下であり、最適には２．５μｍ以上、４．０μｍ以下である。この中心線平均粗さＲａの組合わせ範囲は種々に変更することができる。

本発明の研磨パッドを用いる研磨機は、回転する下定盤を備えたものであればよく、シリコンウエハの固定タイプにはなんら限定されない。研磨機には回転研磨方式、ベルト研磨方式を問わない。

この中心線平均粗さＲａの２μｍ以上、３０μｍ以下はレーザ顕微鏡により１０μｍ×１０μｍの領域にて測定された表面粗さである。

本発明によると、研磨パッドの裏面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで２μｍ以上、３０μｍ以下の平面に処理されて当該裏面の初期凹凸成分が存在していないことにより、シリコンウエハの高平坦度な研磨が可能となり、かつ、研磨パッドがポリウレタンを主材料であっても、両面粘着テープに高い粘着力で固定して下定盤から剥離するおそれがなくなる、など研磨が高安定化しシリコンウエハを高平坦度に研磨することができるようになる。

前記研削による筋状研削痕が１または複数の互いに異なる方向で形成されている場合、研磨パッドの裏面の表面粗さの均一性を高めることができ、両面粘着テープを介して下定盤の盤面全体への固定力が一定化して好ましい。

前記中心線平均粗さＲａは、当該研磨パッドの裏面に開口している気泡と気泡との間の部分のエリアが１０μｍ平方における表面粗さであることが好ましい。

本発明によると、シリコンウエハを高平坦度に研磨できるようになる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る研磨パッドを詳細に説明する。

本実施の形態の研磨パッドは、ポリウレタンを主な材料とする研磨パッであって、当該研磨パッドの裏面に開口している気泡と気泡との間のエリアが中心線平均粗さＲａで２μｍ以上、３０μｍ以下の平面に研削（平面研削）処理されている。この場合、前記中心線平均粗さＲａは、気泡と気泡との間の部分のエリアが１０μｍ平方における表面粗さである。研削処理は例えばバフ（羽布）研磨機、その他で実施することができる。バフ研磨は、バフホイールを高速回転させて砥粒の切削作用で研磨パッドの裏面を研削処理することができる。バフホイールは研削砥石と同様の研削作用をすることができる。

上記研削処理は研磨パッド裏面に筋状研削痕を付けるものであり、この筋状研削痕による凹凸により上記表面粗さが設定される。筋状研削痕は１方向でもよいが、複数の異なる方向に付けることが好ましい。筋状研削痕以外には、微細な凹凸状、微細な粒状、その他の形状でもよい。

以上の構成を備えた研磨パッドにおいては、前記研削処理により、裏面の初期凹凸成分が除去されているので、この凹凸成分の影響を受けることなくシリコンウエハの平坦化研磨が可能であり、かつ、その研磨パッド裏面の前記表面粗さにより両面粘着テープが十分な粘着力で当該研磨パッド裏面に固定される結果、両面粘着テープを介して下定盤に安定固定され、研磨パッドが下定盤から剥離するおそれが解消される。

以上の構成を備えた研磨パッドにおいて、前記中心線平均粗さＲａが１１．２μｍの平面に研削処理した実施形態の研磨パッド（以下、実施形態研磨パッド）と、前記研削処理をしないもので中心線平均粗さＲａが、２．１μｍの研磨パッド（以下、比較研磨パッド）とを比較する。比較研磨パッドは、実施形態パッドと同様に、発泡ポリウレタン製であり、当該研磨パッドの裏面には多数の開口した気泡が存在しているが、前記研削処理が施されていない。

（実施形態研磨パッド）
この実施形態研磨パッドの裏面の平面を図１の日立製作所製走査型電子レーザ顕微鏡Ｓ−２２５０Ｎの倍率１００倍でのＳＥＭ写真に示す。このＳＥＭ写真に示す実施形態研磨パッドはウレタンのプレポリマーと鎖延長剤、発泡剤、整泡剤を混合して、金型に注型して硬化し、その後、１．３ｍｍにスライスしたものである。この実施形態研磨パッドは、硬化時に化学発泡している。ＳＥＭ写真は両面粘着テープに設置する前の状態での写真である。実施形態研磨パッドの裏面には、砥粒粒度が番手♯２４０の研削装置により多数の開口した直径が各種の気泡と気泡との間のエリアに縦横の筋状研削痕が形成されている。この気泡は研削前はほぼ円形の凹部形状であったが、研削圧力によりその円形形状が崩されている。この筋状研削痕は直交二次元ＸＹ座標軸方向に形成されている。すなわち、研削処理は２回実施されている。上記エリアに止まらず、気泡の周縁部分にも研削処理で適宜の中心線平均粗さＲａに形成されている。実施形態研磨パッドの裏面の表面粗さはレーザ顕微鏡表面粗さ測定による中心線平均粗さＲａ（日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ０６０１）で１１．２μｍである。

このＳＥＭ写真に示す実施形態研磨パッドの裏面に両面粘着テープを設置し、研磨機の下定盤に貼り付けて以下の研磨を実施した。研磨前に研磨パッド表面をドレッシング処理している。

（Ａ）研磨条件
・研磨スラリー：ｐＨ１１のコロイダル・シリカ・スラリー
・研磨機：両面研磨機
・研磨時間：４０分
・研磨スラリー希釈比率：１：２０（希釈後スラリー濃度：２．５％）
（Ｂ）シリコンウエハ観察
・ＡＤＥ社製の三次元表面測定器（Ｕｌｔｒａ Ｇａｇｅ）９５００Ａ
以上の測定において、実施形態研磨パッドの測定結果は以下の通りであった。

（研磨結果）
ＧＢＩＲ：０．２２μｍ
ＳＦＱＲ：０．０３４μｍ（２５ｍｍ平方平均）
（剥離試験結果）
実施形態研磨パッドと両面粘着テープとの間の粘着強度１８０度剥離試験：剥離強度：４．８ｋｇｆ／ｉｎｃｈ
なお、実施形態研磨パッドとして中心線平均粗さＲａ２．０μｍと３０μｍとについて研磨を行ったところ、中心線平均粗さＲａ２．０μｍのものでは、ＧＢＩＲは０．２５μｍ、ＳＦＱＲは０．０４μｍ（２５ｍｍ平方平均）、剥離強度４．５ｋｇｆ／ｉｎｃｈであり、中心線平均粗さＲａ３０μｍのものでは、ＧＢＩＲは０．２８μｍ、ＳＦＱＲは０．０３８μｍ（２５ｍｍ平方平均）、剥離強度は４．９ｋｇｆ／ｉｎｃｈであった。

（比較研磨パッド）
この比較研磨パッドの裏面の平面を図２のＳＥＭ写真に示す。このＳＥＭ写真は図１のＳＥＭ写真と同条件で撮影した写真である。比較研磨パッドの裏面の表面粗さはレーザ顕微鏡（電子顕微鏡）表面粗さ測定による中心線平均粗さＲａ（日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ０６０１）で２．１μｍである。

比較研磨パッドの裏面に両面粘着テープを設置し、研磨機の下定盤に貼り付けた。研磨条件、ドレッシング条件１、ドレッシング条件２、シリコンウエハ観察は実施形態研磨パッドと同じ。

（日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ０６０１）
（研磨結果）
ＧＢＩＲ：１．１２μｍ
ＳＦＱＲ：０．５４μｍ（２５ｍｍ平方平均）
（剥離試験結果）
実施形態研磨パッドと両面粘着テープとの間の粘着強度１８０度剥離試験：２．７ｋｇｆ／ｉｎｃｈ
以上、実施形態研磨パッドと比較研磨パッドとを対比すると、実施形態研磨パッドはＧＢＩＲは０．５μｍ未満、ＳＦＱＲは０．１μｍ未満と極めて良好な結果となった。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

実施の形態に係る研磨パッドのＳＥＭ写真である。 実施の形態と比較される研磨パッドのＳＥＭ写真である。

Claims (5)

1. ウレタンのプレポリマー、鎖延長剤および発泡剤を混合して硬化させて得られる、ポリウレタンを主な材料とする研磨パッドにおいて、当該研磨パッドの裏面に開口している気泡と気泡との間のエリアが中心線平均粗さＲａで２μｍ以上、３０μｍ以下の表面粗さに加工処理されている、ことを特徴とする研磨パッド。
2. 前記加工処理が研削処理である、ことを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
3. 前記研削による筋状研削痕が１または複数の互いに異なる方向で形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の研磨パッド。
4. 前記中心線平均粗さＲａが、１０μｍ平方の前記エリアでの表面粗さである、ことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の研磨パッド。
5. 請求項１ないし４いずれかに記載の研磨パッドを用いてシリコンウエハを研磨する研磨機。