JP5209402B2 - 樹脂材料を含む基材の平坦化方法及び平坦化装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂材料を含む基材の平坦化方法及び平坦化装置に関するものである。

樹脂材料はその性能が今後ますます改善・高度化されると予想されており、その応用分野は単なる構造材料だけにとどまらず、微細なハイテク材料としての用途が逐次広がりつつある。特に高集積半導体装置においては、従来の無機物質（ＳｉＯ₂等）からなる絶縁層材料の低誘電率化が限界に達していることから、樹脂材料の低誘電率層間絶縁膜への応用範囲がますます拡大するものとして注目されている。

高集積半導体装置の絶縁層に樹脂材料を適用するためには、当然のことながら樹脂材料の表面を高精度に平坦化することが必要になる。それにもかかわらず、いわゆるＣＭＰ（化学的機械的研磨）加工で樹脂材料を加工の対象とした場合、樹脂材料を化学的手段によって表面改質するための具体的工程は未確定なままとなっており、単に機械的作用による研磨が行われているに過ぎない。因みに、Ｇ．Ｒ．Ｙａｎｇらは、樹脂材料として有望なＰａｒｙｌｅｎｅ ＮとＢＣＢのＣＭＰを試み、アルミナ砥粒に硝酸、またはアンモニアと界面活性剤を混合したスラリーを用いて研磨を行ったが、前記酸やアルカリによる樹脂材料に対する有効な作用は見られなかった、としている。

半導体装置のさらなる高集積化と３次元・多層構造化の傾向から判断すると、樹脂材料を主体とする有機絶縁層のＣＭＰ加工による広域平坦化技術を万全のものとしておくことの必要性は極めて大きいと考えられる。
特開２０００−２８６２５５号公報

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、樹脂材料を含む基材の平坦化加工を効果的に行うことができる樹脂材料を含む基材の平坦化方法及び平坦化装置を提供することにある。

本願請求項１に記載の発明は、一部又は全部が樹脂材料からなる基材の表面を平坦化する樹脂材料を含む基材の平坦化方法において、前記基材表面から内部に向かう一定の深さの領域内の樹脂材料を、化学物質と接触させる化学的手段及び前記樹脂材料と前記化学物質の少なくとも何れか一方へエネルギビームを照射する物理的手段によって変化・変性させるか、もしくは前記樹脂材料へエネルギビームを照射する物理的手段によって変化・変性させることによって、この変化・変性部分を改質層として形成する工程１と、前記工程１によって形成した改質層を、主として機械的手段によって除去加工する工程２とを有し、これら工程１，２を前記基材を対象として遂次的、もしくは並行的な処理手順で実施することで基材の表面を平坦化することを特徴とする樹脂材料を含む基材の平坦化方法にある。

本願請求項２に記載の発明は、前記エネルギビームは、紫外線またはレーザであることを特徴とする請求項１に記載の樹脂材料を含む基材の平坦化方法にある。

本願請求項３に記載の発明は、前記基材の表面を平坦化する平坦化加工中の樹脂材料及び／または前記樹脂材料と接触する化学物質の加熱と冷却を必要に応じて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂材料を含む基材の平坦化方法にある。

本願請求項４に記載の発明は、一部又は全部が樹脂材料からなる基材の表面を平坦化する樹脂材料を含む基材の平坦化装置において、前記基材表面を研磨部材の研磨面に当接し、研磨スラリーを前記基材表面と前記研磨部材研磨面の間に供給しながら両面を相対的に移動させることで前記基材の表面を研磨して平坦化する機構を具備すると共に、前記樹脂材料の変化・変性を行う化学物質を供給する化学物質の供給機構と、前記樹脂材料と前記供給機構で供給される化学物質の少なくとも何れか一方へエネルギビームを照射するエネルギビーム照射機構と、前記樹脂材料と前記化学物質の少なくとも何れか一方を加熱・冷却する加熱・冷却機構の全てまたは一部を具備することを特徴とする樹脂材料を含む基材の平坦化装置にある。

請求項１，２に記載の発明によれば、化学物質及びエネルギビームを用いるか、もしくはエネルギビームを用いることで、樹脂材料を含む基材に改質層を形成した上でこの改質層を機械的に除去加工するので、樹脂材料を含む基材の平坦化加工を効果的に行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、樹脂材料及び／または化学物質の加熱と冷却によって、より効果的に改質層を形成することができ、樹脂材料を含む基材の平坦化加工をより効果的に行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、化学物質の供給機構，エネルギビームの照射機構，加熱・冷却機構の全て又は一部によって樹脂材料を含む基材に改質層を形成することができ、この改質層を形成した基材表面を研磨部材等を用いて機械的に除去加工することができるので、樹脂材料を含む基材の平坦化加工を効果的に行うことができる。

本願発明は、一部又は全部が樹脂材料からなる基材の表面を平坦化する方法であり、前記基材表面から内部に向かう一定の深さの領域内の樹脂材料を化学的手段によって変化・変性させることによってこの部分を改質層となす工程１と、前記工程１によって形成した改質層を機械的手段によって除去加工する工程２とを有し、これら工程１，２を前記基材を対象として逐次的もしくは並行的な処理手順で、つまり工程１，２を順番にもしくは同時に実施することで、基材の表面を平坦化するものである。なお上記樹脂材料の変化・変性を起こすための手段としては、化学物質と接触させる化学的手段及び／又は前記樹脂材料と前記化学物質の少なくとも何れか一方へのエネルギビームの照射を行う物理的手段がある。また機械的手段としては、例えば研磨加工がある。

本願発明を実際に適用する装置の一例として、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）装置がある。ＣＭＰ装置は、前記樹脂材料を含む基材表面を研磨部材の研磨面に当接して研磨スラリーを両面間に供給しながら両面を相対的に移動することで前記基材表面を平坦に研磨（化学的機械的研磨）するものであるが、上記化学的機械的研磨工程の途中において前記工程１，２を行うことで、樹脂材料を含む基材の効果的な平坦化が実現できる。

ＣＭＰ装置は半導体ウエハ等の半導体装置の製造プロセス内で使用されているので、本願発明は半導体装置の表面の平坦化に用いて好適である。

半導体装置にはその構成要素としての層間絶縁膜（絶縁層）があり、また半導体装置の製造過程で用いる材料としての絶縁層やフォトレジスト層等があるが、これらの絶縁層やレジスト層の全部又は一部として樹脂材料を用いる場合、その表面の高精度な平坦化のために、本願発明を用いることができる。半導体装置の構成要素たる層間絶縁膜等に誘電率の低い樹脂材料からなる有機絶縁層を用いれば、所謂ＲＣ信号遅延現象が緩和される結果、前述のように半導体装置のさらなる高集積化や３次元・多層構造化の促進が図れることになる。

前記基材の樹脂材料に前記化学物質を接触させる化学的手段には、樹脂材料と化学物質である液状の薬剤とを接触させる方法や樹脂材料と化学物質であるオゾンとを接触させる方法等がある。以下、これら薬剤，オゾンと、前記エネルギビームの照射のそれぞれによる樹脂材料の変化・変性の内容について説明する。

〔薬剤について〕
樹脂材料（有機高分子樹脂）は金属等と比較すると元来耐食性が大きく、その化学的作用によるエッチングは一般に困難であるが、一方で従来、クロム硫酸混液や金属ナトリウムなどの薬液による樹脂材料の表面改質が行われている。また純然たる腐食とは異なるが、樹脂材料が種々の薬剤（例えば、塩素系有機溶剤、アセタール系溶剤やケトン類）等によって、表面の膨潤・溶解現象を容易に起こすことが知られており、さらに、薬液中に浸漬した樹脂材料の経時的な表面クラック発生を検証するための試験規格（例えば、ＡＳＴＭ１６９３、ＪＩＳ Ｚ１７００−１９９５）の制定もなされている。

前記した樹脂材料の液状の薬剤（薬液、溶媒）による膨潤は高分子物質に特有な現象として、種々の知見が得られている。即ち、溶媒中に浸漬された橋かけ高分子が溶媒を吸収して、次第にその部分の体積を増し、これが平衡に到達するまで体積増加が続く。その状況としては高分子、溶媒の組み合わせや温度によって決まった値に収束する挙動を示す。膨潤した高分子はゲルと呼ばれるゼリー状に変化する場合がある。さらに、溶媒中への浸漬を続けると次第に高分子自体が溶媒中へ溶解・分散する現象が起きる。

従って以上で示したような所望の液状の薬剤を樹脂材料に接触させれば、樹脂材料はその表面から内部に向かう一定の深さの領域内の樹脂成分を変化・変成させて改質層とすることができる。

なお薬剤の種類としては、上記したものに限定されず、他の各種の酸、アルカリ、金属塩、有機溶剤であっても良い。またこれらの薬剤の内のいくつかのものであっても良いし、全てを組み合わせたものであっても良い。

〔オゾンについて〕
樹脂材料が酸素中で高温に曝されると、著しい酸化・劣化を生じる。すなわち、酸素と接する部分で樹脂材料の表面での分子切断が生じ、局所的な分子量の低下や架橋を起こし、表面層の脆化や微細な亀裂を発生する。そして酸素よりも反応性に富むオゾンを樹脂材料に接触させると、酸素の場合よりもはるかに低い温度で、前記酸化・劣化を生じる。この現象を利用して本発明においては、オゾンを樹脂材料に接触させる（例えばオゾンを樹脂材料表面に吹き付ける）ことで、樹脂材料をその表面から内部に向かう一定の深さの領域内まで変化・変成させて改質層としている。

〔エネルギビームについて〕
表１は樹脂を構成する基本的結合単位であるＣ−Ｃ結合やその他の結合に関わる結合エネルギの値を示す表である。

これに対して、例えば波長λ＝２５０ｎｍの紫外線のエネルギ、Ｅは公式：Ｅ=ｈ・Ｃ／λ〔ｈ：プランク定数、Ｃ：光速〕から、１１５ｋｃａｌ／ｍｏｌ＝４．９６ｅＶとなって、表１のＣ−Ｃ（一重）結合、Ｃ−Ｈ結合、Ｃ−Ｃｌ結合等のエネルギよりはるかに大きくなる。従って紫外線を樹脂材料の表面に照射すれば、樹脂材料中の上記結合は大なり小なり損傷を受けて劣化を起こすことで、樹脂材料はその表面から内部に向かう一定の深さの領域内まで変化・変性されて改質層となる。紫外線以外のレーザやその他のエネルギビームでも同様の作用効果が生じる。

エネルギビームを照射する対象は、樹脂材料に限らず、樹脂材料に接触させる前記化学物質（例えば前記薬剤）に対して照射しても良い。即ち例えば化学物質（薬剤）にレーザ光を照射すれば高速の光化学反応が起こり、光化学反応を起こした化学物質を樹脂材料に接触させることによってさらに樹脂材料の迅速な表面改質を促すことができる。

以上述べたように、所定の化学物質（薬剤やオゾン等）との接触やエネルギビームの照射等によって、樹脂材料の変化・変性が生じ、その表面近傍に一定の深さ領域にわたる改質層を形成することができる。なお化学物質は複数の化学物質を組み合わせて使用しても良く、また化学物質とエネルギビームを組み合せて使用しても良い。実際に用いる薬剤などの化学物質は、もちろん樹脂材料の種類、及び機械的手段に使用される例えば研磨粒子等との相互作用に配慮して決定する。さらに化学物質とエネルギビームの組み合せ、及び下記する施工温度等の条件に関しても最適化を図ることはいうまでもない。

上記化学的手段や機械的手段による平坦化加工中の樹脂材料と化学物質は、それぞれ必要に応じてこれらを加熱又は冷却することが好ましい。これによってより好適な改質層の形成が行え、またより好適な改質層の除去加工が行えるようになる。

以上説明したように、ある種の薬液やガスとの接触や、エネルギビームの照射によって、樹脂表面は化学・物理的な作用を受け、変質・劣化するが、本願発明は前記樹脂材料の変質・劣化現象を積極的に利用することによって樹脂表面近傍の改質を行っている。こうして得られた改質層では、当然のことながら樹脂が元来有していたＣ−Ｈ−Ｏ等を主体とする骨格構造が局所的に開裂・破壊されているので、その部分での機械的強度が周囲よりも低くなる。強度が低下した部分は機械的手段による除去加工（機械的摺動等）に対して抵抗性が弱まるので、研削・研磨されやすく、材料除去加工が相対的に容易になる。そして本願発明にかかる樹脂材料を含む基材の平坦化方法は、従来のＣＭＰ機構による化学的・機械的作用の複合による広域平坦化のプロセスに類する方法での実施が可能であり、例えば図１に示す樹脂材料ウエハの平坦化装置１によって実現できる。

図１は本願発明を適用した樹脂材料ウエハの平坦化装置１の１構成例を示す概略構成図である。同図に示すように平坦化装置１は、支持台１０上に円形の水平回転台２０を設置し、水平回転台２０の上面に取り付けた研磨部材３０の上部に、樹脂材料ウエハＷを保持する基材均一加圧・保持機構４０と、スラリー液供給機構５０と、レーザ照射機構６０とを設置して構成されている。水平回転台２０は略円板形状に形成され、支持台１０の内部に収納されている駆動機構によって所定の回転速度で回転駆動される。

研磨部材３０は例えば平板状のパッドであって、研磨工程の進行に伴って、その内部にスラリー液に含まれる砥粒が徐々に埋め込まれていく。パッドは水平回転台２０の上面の略全体にこれを覆うように取り付けられている。

樹脂材料ウエハＷは半導体装置の集合体を含んでおり、少なくともその平坦化しようとする表面近傍に、半導体装置の構成要素、またはその製造過程で用いる材料としての絶縁層及び／又はレジスト層（何れも有機物材料）を含んでいる。

基材均一加圧・保持機構４０は下面に樹脂材料ウエハＷを保持するウエハ保持ヘッド部４１を有し、ウエハ保持ヘッド部４１は所定の回転数で回転駆動されると共に、上下に移動して前記樹脂材料ウエハＷを前記研磨部材３０の表面に所望の圧力で押圧したり、樹脂材料ウエハＷを研磨部材３０の表面から引き離したりする機構を有する。樹脂材料ウエハＷは、前記絶縁層等を形成した側の表面を下向き（研磨部材３０に対向する向き）にしてウエハ保持ヘッド部４１に保持される。

スラリー液供給機構５０は、通常の研磨スラリーに、樹脂改質を可能とする化学作用をもつ薬剤を混合した液（即ち浮遊砥粒と、前記樹脂材料ウエハＷの絶縁層等を変化・変性させる化学物質を含んだ液状の薬剤）を供給する機構であり、そのノズル５１の吐出口から前記研磨スラリー７０が研磨部材３０上に必要量供給される。即ちスラリー液供給機構５０は、樹脂材料の変化・変性を行う化学物質の供給機構でもある。

レーザ照射機構６０は、前記研磨部材３０の表面に向けてレーザ光を照射する機構であり、レーザ光源６１と、レーザ光源６１から研磨部材３０の表面に略平行に発射されたレーザ光を研磨部材３０の表面に向かうように反射させるミラー６３とを具備して構成されている。

以上のように構成された樹脂材料ウエハの平坦化装置１において、基材均一加圧・保持機構４０のウエハ保持ヘッド部４１の下面に樹脂材料ウエハＷをその平坦化しようとする面を下向きにして保持し、次に前記水平回転台２０とウエハ保持ヘッド部４１とをそれぞれ独立に回転駆動し、スラリー液供給機構５０から前記薬剤を含んだ研磨スラリー７０を研磨部材３０上に供給し、この状態で前記ウエハ保持ヘッド部４１を下降して樹脂材料ウエハＷを研磨部材３０表面に所定の研磨圧力にて押し付けることで、樹脂材料ウエハＷと研磨部材３０との間の相対研磨運動によって、樹脂材料ウエハＷの表面を研磨して平坦化する。また必要に応じてレーザ照射機構６０を駆動して研磨部材３０上に供給された研磨スラリー７０にレーザ光を照射する。

このようにして樹脂材料ウエハＷの表面を研磨すれば、前記研磨スラリー７０に含まれている薬剤によって前記樹脂材料ウエハＷ表面の絶縁層及び／又はレジスト層を構成する樹脂材料が化学作用によって改質（劣化）され、その改質層が機械的研磨作用によって除去されるという過程が連続的に起こり、かつ繰返されることによって実効性のある好適な研磨・平坦化が行えるようになる。更に加えてレーザ照射機構６０によって前記研磨スラリー７０に含まれている薬剤にレーザ光を照射するので、薬剤に高速の光化学反応が起こり、光化学反応を起こした薬剤によって前記樹脂材料の表面改質が加速的に実行される。

図２は図１に示す平坦化装置１による樹脂材料ウエハＷ表面の平坦化の状況の一例を示す模式図である。同図において、研磨スラリー７０には前記薬剤が含まれており、この薬剤によって樹脂材料ウエハＷの樹脂材料部分７５の薬液に触れる表面部分は改質（劣化）されて機械的強度の弱い改質層（表面改質層）８０が形成される。同時にこの改質層８０は研磨スラリー７０中の浮遊砥粒７１と、研磨部材３０に埋め込まれた砥粒３１によって除去されるので、該ウエハ表面は実効的に平坦化されていく。なお図２に示す８１は機械的研磨作用によって生じる加工変質層である。

なお上記平坦化装置１においては、研磨スラリー７０に全ての薬剤を含ませたが、研磨スラリー７０に薬剤の一部を含ませ、他の薬剤は別の供給手段によって別途研磨部材３０上に供給しても良い。また上記平坦化装置１においては、レーザ光を研磨スラリー７０中の薬剤に照射したが、その代りに（又はそれと共に）例えば樹脂材料ウエハＷ表面に直接レーザ光を照射するように構成しても良い。この場合のレーザ光の照射は、研磨部材３０から樹脂材料ウエハＷを引き離している状態、即ち例えば研磨部材３０による研磨前の状態や、研磨途中に一旦研磨部材３０から樹脂材料ウエハＷを引き離した状態等で行う。このレーザ光の照射によって樹脂材料ウエハＷ表面での改質層８０の形成を迅速に行うことができるので、研磨・平坦化の高速化を図ることが出来る。

また上記平坦化装置１において、樹脂材料ウエハＷ（即ち樹脂材料）と、研磨スラリー７０（即ち薬液）の内の少なくとも何れか一方を加熱及び／又は冷却する加熱及び／又は冷却機構を設置すれば、最適な温度条件下で研磨速度や加工変質層の状況を制御した樹脂材料ウエハＷの平坦化加工が実現できる。

樹脂材料ウエハの平坦化装置１を示す概略構成図である。 平坦化装置１による樹脂材料ウエハＷ表面の平坦化の状況の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 樹脂材料ウエハの平坦化装置
１０ 支持台
２０ 水平回転台
３０ 研磨部材
３１ 砥粒
Ｗ 樹脂材料ウエハ
４０ 基材均一加圧・保持機構
４１ ウエハ保持ヘッド部
５０ スラリー液供給機構
６０ レーザ照射機構
６１ レーザ光源
６３ ミラー
７０ 研磨スラリー（スラリー液）
７１ 浮遊砥粒
７５ 樹脂材料部分
８０ 改質層
８１ 加工変質層

Claims (4)

1. 一部又は全部が樹脂材料からなる基材の表面を平坦化する樹脂材料を含む基材の平坦化方法において、
   前記基材表面から内部に向かう一定の深さの領域内の樹脂材料を、化学物質と接触させる化学的手段及び前記樹脂材料と前記化学物質の少なくとも何れか一方へエネルギビームを照射する物理的手段によって変化・変性させるか、もしくは前記樹脂材料へエネルギビームを照射する物理的手段によって変化・変性させることによって、この変化・変性部分を改質層として形成する工程１と、
   前記工程１によって形成した改質層を、主として機械的手段によって除去加工する工程２とを有し、
   これら工程１，２を前記基材を対象として遂次的、もしくは並行的な処理手順で実施することで基材の表面を平坦化することを特徴とする樹脂材料を含む基材の平坦化方法。
2. 前記エネルギビームは、紫外線またはレーザであることを特徴とする請求項１に記載の樹脂材料を含む基材の平坦化方法。
3. 前記基材の表面を平坦化する平坦化加工中の樹脂材料及び／または前記樹脂材料と接触する化学物質の加熱と冷却を必要に応じて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂材料を含む基材の平坦化方法。
4. 一部又は全部が樹脂材料からなる基材の表面を平坦化する樹脂材料を含む基材の平坦化装置において、
   前記基材表面を研磨部材の研磨面に当接し、研磨スラリーを前記基材表面と前記研磨部材研磨面の間に供給しながら両面を相対的に移動させることで前記基材の表面を研磨して平坦化する機構を具備すると共に、
   前記樹脂材料の変化・変性を行う化学物質を供給する化学物質の供給機構と、前記樹脂材料と前記供給機構で供給される化学物質の少なくとも何れか一方へエネルギビームを照射するエネルギビーム照射機構と、前記樹脂材料と前記化学物質の少なくとも何れか一方を加熱・冷却する加熱・冷却機構の全てまたは一部を具備することを特徴とする樹脂材料を含む基材の平坦化装置。

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