JP5346446B2 - ケミカルメカニカル研磨パッド - Google Patents

Description

本明細書は、基材、たとえば半導体基材又は磁気ディスクを研磨し、平坦化するのに有用な研磨パッドに関する。

ポリマー研磨パッド、たとえばポリウレタン、ポリアミド、ポリブタジエン及びポリオレフィン研磨パッドは、急速に進化するエレクトロニクス産業における基材平坦化のための市販材料を代表するものである。平坦化を要するエレクトロニクス産業基材としては、シリコンウェーハ、パターン付きウェーハ、フラットパネルディスプレー及び磁気記憶ディスクがある。平坦化に加えて、研磨パッドは、過度な数の欠陥、たとえばスクラッチ又は他のウェーハ凹凸を生じさせないことが不可欠である。さらには、エレクトロニクス産業の絶え間ない進歩は、研磨パッドの平坦化及び欠陥率能力に対し、より大きな要求を課している。

たとえば、半導体の製造は通常、いくつかのケミカルメカニカルプラナリゼーション（ＣＭＰ）工程を含む。各ＣＭＰ工程で、研磨パッドが、研磨溶液、たとえば砥粒含有研磨スラリー又は無砥粒反応性液と組み合わさって、後続の層の受容に備えて平坦化する、又は平坦さを維持するようなやり方で余剰材料を除去する。これらの層の積み重ねが、集積回路を形成するようなやり方で組み合わさる。これらの半導体デバイスの製造は、作動速度を高め、漏れ電流を減らし、消費電力を削減するデバイスに対する要求のせいで、より複雑化し続けている。デバイスアーキテクチャの点では、これは、より微細なフィーチャーの形状大きさ及び増大したメタライゼーションレベルの数と言い換えることができる。これらのますます厳しくなるデバイス設計要求が、ますます小さなライン間隔及び対応するパターン密度の増大の採用を強要している。デバイスのより小さなスケール及び増大した複雑さが、ＣＭＰ消費材料、たとえば研磨パッド及び研磨溶液に対する、より大きな要求を招くようになった。加えて、集積回路のフィーチャーサイズが縮小するにつれ、ＣＭＰ誘発欠陥、たとえばスクラッチがより大きな問題になる。さらに、集積回路の膜厚さの減少は、ウェーハ基材に対して受け入れられるトポグラフィーを提供すると同時に欠陥率を改善することを要求する。これらのトポグラフィー要件が、ますます厳格な平坦性、ラインディッシング及び小さなフィーチャーアレイエロージョン研磨規格を要求する。

旧来、注型成形ポリウレタン研磨パッドが、集積回路を製造するために使用される大部分の研磨処理のために機械的結着性及び耐薬品性を提供してきた。たとえば、ポリウレタン研磨パッドは、引裂きに抵抗するのに十分な引張り強さ、研磨中の摩耗問題を回避するための耐摩耗性ならびに強酸性及び強苛性アルカリ性の研磨溶液による攻撃に抵抗するための安定性を有する。残念ながら、平坦化を改善する傾向を示す硬質の注型成形ポリウレタン研磨パッドは欠陥を増す傾向をも示す。

Jamesらは、米国特許公開公報第２００５／００７９８０６号で、IC1000（商標）ポリウレタン研磨パッドに類似した平坦化能力を有するが、欠陥率性能が改善されている硬質ポリウレタン研磨パッド群を開示している。IC1000は、Rohm and Haas社又はその系列会社の商標である。残念ながら、Jamesらの研磨パッドで達成される研磨性能は、研磨基材及び研磨条件とともに変化する。たとえば、これらの研磨パッドは、酸化ケイ素／窒化ケイ素を研磨する用途、たとえば直接的な浅いトレンチデバイス分離（ＳＴＩ）研磨用途では利点が限られる。本明細書に関して、酸化ケイ素とは、半導体デバイスにおいて絶縁体を形成するのに有用な酸化ケイ素、酸化ケイ素化合物及びドープされた酸化ケイ素調合物をいい、窒化ケイ素とは、半導体用途に有用な窒化ケイ素、窒化ケイ素化合物及びドープされた窒化ケイ素調合物をいう。半導体デバイスを製造するのに有用なこれらのケイ素化合物は様々な方向に進化し続けている。使用されている絶縁体酸化物の具体的なタイプは、テトラエチルオルトシリケートの分解、ＨＤＰ（「高密度プラズマ」）及びＳＡＣＶＤ（「減圧化学蒸着」）から形成されるＴＥＯＳを含む。優れた平坦化能力を改善された欠陥率性能と併せ持つさらなる研磨パッドの必要性が今もある。特に、平坦化と欠陥率研磨性能との改善された組み合わせで酸化物／ＳｉＮを研磨するのに適した研磨パッドが要望されている。

本発明の態様は、半導体、光学及び磁性基材の少なくとも一つを平坦化するのに適した研磨パッドであって、ポリマーマトリックスを含み、ポリマーマトリックスが上研磨面を有し、上研磨面が、ポリマー研磨アスペリティを有するか、砥粒でコンディショニングされるとポリマー研磨アスペリティを形成し、ポリマー研磨アスペリティが、ポリマーマトリックスから延び、基材と接することができる上研磨面の部分であり、研磨パッドが、上研磨面の摩耗又はコンディショニングによってポリマーマトリックスからさらなるポリマー研磨アスペリティを形成し、ポリマー研磨アスペリティが、少なくとも４５重量％の硬質セグメント及び少なくとも６，５００psi（４４．８MPa）のバルク極限引張り強さを有するポリマーマトリックスからのものであり、ポリマーマトリックスが、硬質相と軟質相との二相構造を有し、二相構造が、１．６未満の軟質相の平均面積に対する前記硬質相の平均面積の比を有する研磨パッドを提供する。

本発明のもう一つの態様は、半導体、光学及び磁性基材の少なくとも一つを平坦化するのに適した研磨パッドであって、ポリマーマトリックスを含み、ポリマーマトリックスが上研磨面を有し、上研磨面が、ポリマー研磨アスペリティを有するか、砥粒でコンディショニングされるとポリマー研磨アスペリティを形成し、ポリマー研磨アスペリティが、ポリマーマトリックスから延び、基材と接することができる上研磨面の部分であり、研磨パッドが、上研磨面の摩耗又はコンディショニングによってポリマーマトリックスからさらなるポリマー研磨アスペリティを形成し、ポリマーマトリックスが、二官能性又は多官能性イソシアネートから誘導されるポリマーを含み、ポリマーが、ポリエーテルウレア、ポリイソシアヌレート、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタンウレア、それらのコポリマー及びそれらの混合物から選択される少なくとも一つを含み、ポリマー研磨アスペリティが、５０〜８０重量％の硬質セグメント及び６，５００〜１４，０００psi（４４．８〜９６．５MPa）のバルク極限引張り強さを有するポリマーマトリックスからのものであり、ポリマーマトリックスが、硬質相と軟質相との二相構造を有し、二相構造が、１．６未満の軟質相の平均面積に対する硬質相の平均面積の比を有する研磨パッドを提供する。

本発明のもう一つの態様で、本発明は、半導体、光学及び磁性基材の少なくとも一つを平坦化するのに適した研磨パッドであって、ポリマーマトリックスを含み、ポリマーマトリックスが上研磨面を有し、上研磨面が、ポリマー研磨アスペリティを有するか、砥粒でコンディショニングされるとポリマー研磨アスペリティを形成し、ポリマー研磨アスペリティが、ポリマーマトリックスから延び、基材と接することができる上研磨面の部分であり、ポリマーマトリックスが、少なくとも４５重量％の硬質セグメント及びポリエーテルウレア、ポリイソシアヌレート、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタンウレア、それらのコポリマー及び混合物から選択される少なくとも一つを含むポリマーを含み、ポリマーマトリックスが二相構造を有し、ポリマーが、二官能性又は多官能性イソシアネートと、未反応ＮＣＯ８．７５〜１２重量％を有し、９７〜１２５％の未反応ＮＣＯに対するＯＨ又はＮＨ _２ の化学量論比を有するＰＴＭＥＧ又はＰＴＭＥＧ／ＰＰＧブレンドとから誘導されるポリマーである研磨パッドを提供する。

本発明は、半導体、光学及び磁性基材の少なくとも一つを平坦化するのに適した、ポリマーマトリックスを含む研磨パッドを提供する。研磨パッドは、ＳＴＩ用途、たとえばＨＤＰ／ＳｉＮ、ＴＥＯＳ／ＳｉＮ又はＳＡＣＶＤ／ＳｉＮを研磨し、平坦化するのに特に適している。研磨パッドのバルク材料特性は、平坦化及び欠陥率研磨性能の両方において予想外の利点を有することができる。本明細書に関して、バルク材料の高い引裂き強さは、気孔を意図的に加えていないポリマー、たとえば非孔質ポリウレタンポリマーの性質を表す。旧来からの理解は、材料のコンプライアンスがスクラッチを減らし、低欠陥率研磨を促進するということ及び材料の剛性又は剛さが優れた平坦化挙動を達成するのに重要であるということであった。本発明では、研磨パッドのバルク極限引張り強さの増大が、その二相構造と組み合わさって、優れた研磨性能を促進するやり方で作用する。特に、本発明は、平坦化と欠陥率性能との融合を可能にして一定範囲の研磨性能を達成する。加えて、これらのパッドは、ｅＣＭＰ（「エレクトロケミカルメカニカルプラナリゼーション」）用途を促進するための表面構造を維持する。たとえば、パッドの穿孔、導電性ライニングされた溝の導入又は導体、たとえば導電性繊維もしくは金属ワイヤの配合がパッドをｅＣＭＰ研磨パッドに転換することができる。

図１を参照すると、ポリマー研磨パッド１０は、ポリマーマトリックス１２及び上研磨面１４を含む。研磨面１４は、複数のポリマー研磨アスペリティ１６を含むか、研磨パッド１０のウェーハ基材除去速度を制御するために砥粒によってコンディショニングされると、ポリマー研磨アスペリティ１６を形成する。本明細書に関して、アスペリティとは、研磨中に基材と接触することができる又は接触する可能性を有する構造をいう。一般に、硬い面、たとえばダイアモンドコンディショニングディスクを用いるコンディショニングが研磨中にパッド表面にアスペリティを形成する。これらのアスペリティは、多くの場合、気孔の縁の近くに形成する。コンディショニングは、周期的に、たとえば各ウェーハ研磨ののち３０秒間作用することもできるし、連続的に作用することもできるが、連続的なコンディショニングが、除去速度の改善された制御のための定常状態研磨条件を確立する利点を提供する。コンディショニングは通常、研磨パッド除去速度を高め、一般に研磨パッドの摩耗に伴う除去速度の減衰を防止する。コンディショニングに加えて、溝及び穿孔が、スラリーの分散、研磨均一性、研磨くず除去及び基材除去速度に対してさらなる利点を提供することができる。

ポリマー研磨アスペリティ１６は、ポリマーマトリックス１２から延び、基材と接触する上研磨面１４の部分を表す。ポリマー研磨アスペリティ１６は、高い極限引張り強さを有するポリマー材料からのものであり、研磨パッド１０は、ポリマー材料から上研磨面１４の摩耗又はコンディショニングによってさらなるポリマー研磨アスペリティ１６を形成する。

ポリマーマトリックスの極限引張り強さが、厳しい研磨用途に求められる酸化ケイ素除去速度、耐久性及びプラナリゼーションを促進する。特に、高い引張り強さを有するマトリックスは、酸化ケイ素除去速度を高める傾向を示す。好ましくは、マトリックスは、少なくとも６，５００psi（４４．８MPa）のバルク極限引張り強さを有する。より好ましくは、ポリマーマトリックスは、６，５００psi〜１４，０００psi（４４．８〜９６．５MPa）のバルク極限引張り強さを有する。もっとも好ましくは、ポリマーマトリックスは、６，７５０psi〜１０，０００psi（４６．５〜６８．９MPa）のバルク極限引張り強さを有する。さらには、研磨データは、７，０００〜９，０００psi（４８．２〜６２MPa）のバルク極限引張り強さがウェーハを研磨するのに特に有用であることを示す。充填材なしでの破断伸びは、通常少なくとも２００％であり、通常２００〜５００％である。極限引張り強さ及び破断伸びを測定するには、ＡＳＴＭ Ｄ４１２（バージョンＤ４１２−０２）で定められている試験法が特に有用である。

極限引張り強さに加えて、バルク引裂き強さもまた、パッドの研磨能力に寄与する。たとえば、少なくとも２５０lb/in（４．５×１０³g/mm）のバルク引裂き強さが特に有用である。好ましくは、マトリックスは、２５０〜７５０lb/in（４．５×１０³〜１．３４×１０³g/mm）のバルク引裂き強さを有する。もっとも好ましくは、マトリックスは、２７５〜７００lb/in（４．９×１０³〜１．２５×１０³g/mm）のバルク引裂き強さを有する。バルク引裂き強さを測定するには、ＡＳＴＭ Ｄ６２４−００ｅ１に概説されているデータ解析技術を使用する、ＡＳＴＭ Ｄ１９３８（バージョンＤ１９３８−０２）で定められている試験法が特に有用である。

バルク引裂き強さに加えて、硬質セグメントの融解熱を特性決定する示差走査熱量測定（「ＤＳＣ」）データもまた、研磨データを予測するのに有用であることができる。本明細書に関して、硬質セグメントの融解熱は、バルク又は無充填材料のベースライン未満の区域を表す。ＤＳＣ融解エンタルピーは、通常、少なくとも２５J/gであり、大部分の場合、２５〜５０J/gの範囲である。

ポリウレタン及び限られた混和性の連鎖セグメントを有する他のブロック又はセグメント化コポリマーは、各ブロック又はセグメントの性質に依存する性質を有する領域に分離する傾向を示す。このような材料のエラストマー挙動は、アモルファス軟質セグメント領域における再編成によって連鎖延長を可能にするこの多相形態のおかげであり、他方、規則的な硬質セグメントは、材料がその結着性を維持するのに役立つ。

この明確に区別される硬質相・軟質相の形態は、タッピングモードＳＰＭを通じて視覚化することができ、熱分析もまた、相どうしの混合の程度を示すことができる。本質的に相混合がない場合、コポリマー材料は、純粋なポリマーのＴ_gと合致する明確に分かれたＴ_gをブロックごとに示す。相混合の程度は、材料の計測Ｔ_gを純粋な材料のＴ_gと合わせて使用することによって定量化することができる。これは、混合領域中の各ポリマーの重量分率をFox方程式によって推定することを可能にする。さらには、材料のＴ_mは、純度が低めであるとき低くなることが知られている。ポリウレタン又はブロックコポリマーの場合、より高純度の硬質相は、軟質層もまたより高純度であるという間接的な指示である。

材料形態全体におけるこれら硬質セグメント及び軟質セグメントの配設は、系中の各ブロック又はセグメントの量に依存し、量が多い方の材料が一般に連続相として作用し、量が少ない方の材料がその連続相の中で島状の孤立部を形成する。高い引張り強さを有する本発明のパッドでは、これらの材料は、硬質セグメントを少なくとも４５重量％含有する。典型的な範囲は、硬質セグメント５０〜８０重量％及び硬質セグメント５５〜６５重量％を含む。硬質セグメントのこのレベルでは、硬質相は一般に、その中に混在する軟質相とある程度連続する。ＣＭＰ工程における平坦化の場合、硬質材料は、軟質材料よりも良好である傾向があるが、ウェーハ上にスクラッチを生じさせる可能性も高い。本明細書に関して、硬質セグメントの量（重量％）は、種々の硬さ試験器、ＳＡＸＳ、ＳＡＮＳ、ＳＰＭ、ＤＭＡ及びＤＳＣ Ｔ_m分析をはじめとする多数の分析方法で測定することもできるし、出発原料からの理論的計算によって測定することもできる。実際には、試験方法を組み合わせると、もっとも正確な値を出すことができる。本発明のパッドでは、大部分が硬質のマトリックスの内部に、ウェーハ表面に欠陥を生じさせるおそれのある粒子の周囲で変形することができる十分に大きなサイズの明確に区別される軟質相領域がある。

また、硬質セグメントの量に加えて、明確な硬質相に対する明確な軟質相の比が、研磨性能を決定するのに重要である。本明細書に関して、ＡＦＭによって示される場合で硬質セグメントと軟質セグメントとが比較的混在する相間区域は計算から除外した。たとえば、硬質相に隣接する軟質相は通常、明確な軟質相の平均面積に対する明確な硬質相の平均面積の比が１．６未満になるようなサイズを有する。たとえば、軟質相の平均面積に対する硬質相の平均面積の比は１．５未満又は０．７５〜１．５の範囲であることができる。加えて、軟質相は、理想的には、少なくとも４０nmの平均長さを有する。たとえば、軟質相の典型的な平均長さ範囲は４０〜３００nm及び５０〜２００nmである。

典型的なポリマー研磨パッド材料としては、ポリカーボネート、ポリスルホン、ナイロン、エチレンコポリマー、ポリエーテル、ポリエステル、ポリエーテル−ポリエステルコポリマー、アクリル酸系ポリマー、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンコポリマー、ポリブタジエン、ポリエチレンイミン、ポリウレタン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリケトン、エポキシ樹脂、シリコーン、それらのコポリマー及びそれらの混合物がある。ポリマー材料は、好ましくはポリウレタンであり、もっとも好ましくは架橋ポリウレタンではないものである。本明細書に関して、「ポリウレタン」とは、二官能性又は多官能性イソシアネートから誘導される生成物、たとえばポリエーテルウレア、ポリイソシアヌレート、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタンウレア、それらのコポリマー及びそれらの混合物である。

注型成形ポリウレタン研磨パッドは、半導体、光学及び磁性基材を平坦化するのに適している。パッドの具体的な研磨特性は、一部には、プレポリマーポリオールと多官能性イソシアネートとのプレポリマー反応生成物から生じる。研磨パッドを形成するためには、プレポリマー生成物を、硬化剤ポリアミン、硬化剤ポリオール、硬化剤アルコールアミン及びそれらの混合物からなる群より選択される硬化剤で硬化させる。プレポリマー反応生成物中の未反応ＮＣＯに対する硬化剤を比を制御すると、研磨中の多孔性パッドの欠陥率性能を改善することができることがわかった。

ポリマーは、無孔性、多孔性及び充填材入り研磨パッドを形成するのに有効である。本明細書に関して、研磨パッドのための充填材としては、研磨中に遊離又は溶解する固形粒子及び液体充填粒子又は球体がある。本明細書に関して、気孔としては、ガス充填粒子、ガス充填球体及び他の手段、たとえばガスで粘稠系を機械的に泡立てる、ガスをポリウレタン溶融体に注入する、ガス状生成物との化学反応を使用してガスをその場で導入する、又は圧力を下げて溶解ガスによって気泡を形成させることによって形成される空隙がある。研磨パッドは、少なくとも０．１容量％の気孔率又は充填材濃度を含む。この気孔又は充填材が、研磨中に研磨流体を移動させる研磨パッドの能力に寄与する。好ましくは、研磨パッドは、０．２〜７０容量％の気孔率又は充填材濃度を有する。もっとも好ましくは、研磨パッドは、０．３〜６５容量％の気孔率又は充填材濃度を有する。好ましくは、気孔又は充填材粒子は、１〜１００μmの重量平均直径を有する。もっとも好ましくは、気孔又は充填材粒子は、１０〜９０μmの重量平均直径を有する。膨張した中空ポリマー微小球の重量平均直径の公称範囲は１５〜９０μmである。さらには、高い気孔率と小さな孔径との組み合わせが欠陥率を下げるのに特に利点を有することができる。たとえば、研磨層の２５〜６５容量％を構成する２〜５０μmの孔径が欠陥率の低下を促進する。さらには、気孔率を４０〜６０％に維持すると、欠陥率に関して特に利点を得ることができる。さらには、多くの場合、気孔率のレベルを調節することによって酸化物：ＳｉＮ選択比が調節可能であり、その際、気孔率のレベルが高いほど酸化物選択比が低くなる。

好ましくは、ポリマー材料は、コポリマーの一つ以上のブロック又はセグメントを多く含む相に分離することができるブロック又はセグメント化コポリマーである。もっとも好ましくは、ポリマー材料はポリウレタンである。本明細書に関して、「ポリウレタン」とは、二官能性又は多官能性イソシアネートから誘導される生成物、たとえばポリエーテルウレア、ポリエステルウレア、ポリイソシアヌレート、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタンウレア、それらのコポリマー及びそれらの混合物である。パッドの研磨性を制御する手法は、その化学組成を変化させることである。加えて、原料及び製造法の選択が、ポリマー形態及び研磨パッドを製造するために使用される材料の最終的性質に影響する。

好ましくは、ウレタン製造は、多官能性芳香族イソシアネート及びプレポリマーポリオールからのイソシアネート終端化ウレタンプレポリマーの調製を含む。本明細書に関して、プレポリマーポリオールという語は、ジオール、ポリオール、ポリオールジオール、それらのコポリマー及びそれらの混合物を含む。好ましくは、プレポリマーポリオールは、ポリテトラメチレンエーテルグリコール［ＰＴＭＥＧ］、ポリプロピレンエーテルグリコール［ＰＰＧ］、エステル系ポリオール、たとえばエチレン又はブチレンアジペート、それらのコポリマー及びそれらの混合物からなる群より選択される。典型的な多官能性芳香族イソシアネートとしては、２，４−トルエンジイソシアネート、２，６−トルエ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、トリジンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート及びそれらの混合物がある。多官能性芳香族イソシアネートは、脂肪族イソシアネート、たとえば４，４′−ジフェニルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート及びシクロヘキサンジイソシアネートを２０重量％未満しか含有しない。好ましくは、多官能性芳香族イソシアネートは、脂肪族イソシアネートを１５重量％未満、より好ましくは１２重量％未満しか含有しない。

典型的なプレポリマーポリオールとしては、ポリエーテルポリオール、たとえばポリ（オキシテトラメチレン）グリコール、ポリ（オキシプロピレン）グリコール及びそれらの混合物、ポリカーボネートポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカプロラクトンポリオール及びそれらの混合物がある。典型的なポリオールは、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、２−メチル−１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、１，５−ペンタンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール及びこれらの混合物をはじめとする低分子量ポリオールと混合していることができる。

好ましくは、プレポリマーポリオールは、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、ポリエステルポリオール、ポリプロピレンエーテルグリコール、ポリカプロラクトンポリオール、それらのコポリマー及びそれらの混合物からなる群より選択される。プレポリマーポリオールがＰＴＭＥＧ、そのコポリマー又はその混合物であるならば、イソシアネート終端化反応生成物は、好ましくは、８．０〜１５．０重量％の範囲の未反応ＮＣＯを有する。ＰＴＭＥＧ又はＰＰＧとブレンドしたＰＴＭＥＧで形成されたポリウレタンの場合、ＮＣＯの好ましい重量％は８．７５〜１２．０の範囲であり、もっとも好ましくは、８．７５〜１０．０の範囲である。ＰＴＭＥＧ系ポリオールの具体例は、InvistaのTerathane（登録商標）2900、2000、1800、1400、1000、650及び250、LyondellのPolymeg（登録商標）2900、2000、1000、650、BASFのPolyTHF（登録商標）650、1000、2000ならびに低分子量種、たとえば１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール及び１，４−ブタンジオールである。プレポリマーポリオールがＰＰＧ、そのコポリマー又はその混合物であるならば、イソシアネート終端化反応生成物は、もっとも好ましくは、７．９〜１５．０重量％の未反応ＮＣＯ範囲を有する。ＰＰＧポリオールの具体例は、BayerのArcol（登録商標）PPG-425、725、1000、1025、2000、2025、3025及び4000、DowのVoranol（登録商標）1010L、2000L及びP400、いずれもBayerの製品ラインであるDesmophen（登録商標）1110BD、Acclaim（登録商標）Polyol 12200、8200、6300、4200、2200である。プレポリマーポリオールがエステル、そのコポリマー又はその混合物であるならば、イソシアネート終端化反応生成物は、もっとも好ましくは、６．５〜１３．０重量％の未反応ＮＣＯ範囲を有する。エステルポリオールの具体例は、Polyurethane Specialities社のMillester 1、11、2、23、132、231、272、4、5、510、51、7、8、9、10、16、253、BayerのDesmophen（登録商標）1700、1800、2000、2001KS、2001K²、2500、2501、2505、2601、PE65B、BayerのRucoflex S-1021-70、S-1043-46、S-1043-55である。

通常、プレポリマー反応生成物を、硬化剤ポリオール、ポリアミン、アルコールアミン又はそれらの混合物と反応又は硬化させる。本明細書に関して、ポリアミンは、ジアミン及び他の多官能性アミンを含む。典型的な硬化剤ポリアミンとしては、芳香族ジアミン又はポリアミン、たとえば４，４′−メチレン−ビス−ｏ−クロロアニリン［ＭＢＣＡ］、４，４′−メチレン−ビス−（３−クロロ−２，６−ジエチルアニリン）［ＭＣＤＥＡ］、ジメチルチオトルエンジアミン、トリメチレングリコールジ−ｐ−アミノベンゾエート、ポリテトラメチレンオキシドジ−ｐ−アミノベンゾエート、ポリテトラメチレンオキシドモノ−ｐ−アミノベンゾエート、ポリプロピレンオキシドジ−ｐ−アミノベンゾエート、ポリプロピレンオキシドモノ−ｐ−アミノベンゾエート、１，２−ビス（２−アミノフェニルチオ）エタン、４，４′−メチレン−ビス−アニリン、ジエチルトルエンジアミン、５−tert−ブチル−２，４−及び３−tert−ブチル−２，６−トルエンジアミン、５−tert−アミル−２，４−及び３−tert−アミル−２，６−トルエンジアミンならびにクロロトルエンジアミンがある。場合によっては、プレポリマーの使用を回避させる単一混合工程で研磨パッド用のウレタンポリマーを製造することも可能である。

研磨パッドを製造するために使用されるポリマーの成分は、好ましくは、得られるパッド形態が安定性であり、再現しやすくなるように選択される。たとえば、４，４′−メチレン−ビス−ｏ−クロロアニリン［ＭＢＣＡ］をジイソシアネートと混合してポリウレタンポリマーを形成する場合、モノアミン、ジアミン及びトリアミンのレベルを制御することがしばしば有利である。モノ−、ジ−及びトリアミンの割合を制御することは、化学比及び得られるポリマー分子量を一貫した範囲内に維持することに貢献する。加えて、一貫した製造のためには、酸化防止剤のような添加物及び水のような不純物を制御することがしばしば重要である。たとえば、水はイソシアネートと反応して気体二酸化炭素を形成するため、水の濃度を制御すると、ポリマーマトリックス中に気孔を形成する二酸化炭素気泡の濃度に影響を与えることができる。外来性の水とのイソシアネート反応はまた、連鎖延長剤との反応に利用可能なイソシアネートを減らし、したがって、化学量論比ならびに架橋のレベル（過剰なイソシアネート基がある場合）及び得られるポリマー分子量を変化させる。

ポリウレタンポリマー材料は、好ましくは、トルエンジイソシアネート及びポリテトラメチレンエーテルグリコールのプレポリマー反応生成物と芳香族ジアミンとから形成される。もっとも好ましくは、芳香族ジアミンは、４，４′−メチレン−ビス−ｏ−クロロアニリン又は４，４′−メチレン−ビス−（３−クロロ−２，６−ジエチルアニリン）である。好ましくは、プレポリマー反応生成物は、６．５〜１５．０重量％の未反応ＮＣＯを有する。この未反応ＮＣＯ範囲の適当なプレポリマーの例は、Air Products and Chemicals社製のAirthane（登録商標）プレポリマーPET-70D、PHP-70D、PET-75D、PHP-75D、PPT-75D、PHP-80D及びChemtura製のAdiprene（登録商標）プレポリマーLFG740D、LF700D、LF750D、LF751D、LF753D、L325である。加えて、上記に挙げたもの以外の他のプレポリマーのブレンドを使用して、そのブレンドの結果として適切な重量％の未反応ＮＣＯレベルに到達してもよい。上述のプレポリマーの多く、たとえばLFG740、LF700D、LF750D、LF751D及びLF753Dは、遊離ＴＤＩモノマーを０．１重量％未満しか有さず、従来のプレポリマーよりも一貫したプレポリマー分子量分布を有する低遊離イソシアネートプレポリマーであり、したがって、優れた研磨特性を有する研磨パッドを形成することを容易にする。この改善されたプレポリマー分子量一貫性及び低遊離イソシアネートモノマーが、より規則的なポリマー構造を与え、改善された研磨パッド一貫性に寄与する。大部分のプレポリマーの場合、低遊離イソシアネートモノマーは、好ましくは０．５重量％未満である。さらには、通常はより高いレベルの反応を有する「従来の」プレポリマー（すなわち、各端部をジイソシアネートによって止められた２個以上のポリオール）及びより高いレベルの遊離トルエンジイソシアネートプレポリマーが同様な結果を出すはずである。加えて、低分子量ポリオール添加物、たとえばジエチレングリコール、ブタンジオール及びトリプロピレングリコールが、プレポリマー反応生成物の重量％未反応ＮＣＯの制御を容易にする。

重量％未反応ＮＣＯを制御することに加えて、硬化剤及びプレポリマー反応生成物は、通常、未反応ＮＣＯに対するＯＨ又はＮＨ₂の化学量論比９０〜１２５％、好ましくは９７〜１２５％を有し、もっとも好ましくは、未反応ＮＣＯに対するＯＨ又はＮＨ₂の化学量論比が１００％より大きく、１２０％以下である。たとえば、１０１〜１１５％の範囲の未反応ＮＣＯで形成されたポリウレタンが優れた結果を提供するものと思われる。この化学量論比は、原料の化学量論レベルを提供することによって直接的に達成することもできるし、意図的又は外来性水分への暴露によってＮＣＯの一部を水と反応させることによって間接的に達成することもできる。

研磨パッドがポリウレタン材料であるならば、研磨パッドは、好ましくは、０．４〜１．３g/cm³の密度を有する。もっとも好ましくは、ポリウレタン研磨パッドは、０．５〜１．２５g/cm³の密度を有する。

実施例１
ウレタンプレポリマーとしての様々な量のイソシアネートと、４，４′−メチレン−ビス−ｏ−クロロアニリン［ＭＢＣＡ］とを、プレポリマーの場合には５０℃で、ＭＢＣＡの場合には１１６℃で混合することにより、ポリマーパッド材料を調製した。特に、種々のトルエンジイソシアネート［ＴＤＩ］とポリテトラメチレンエーテルグリコール［ＰＴＭＥＧ］とのプレポリマーが様々な性質を研磨パッドに付与した。ウレタン／多官能性アミン混合物は、プレポリマーを連鎖延長剤と混合する前又は後で、中空のポリマー微小球（AkzoNobel製のEXPANCEL（登録商標）551DE20d60又は551DE40d42）と混合した。微小球は、５〜２００μmの範囲で１５〜５０μmの重量平均直径を有するものであり、高剪断混合機を使用して約３，６００rpmでブレンドして混合物中に均一に分散させた。最終混合物を型に移し、約１５分間ゲル化させた。

そして、型を硬化オーブンに入れ、以下のサイクルで硬化させた。３０分かけて周囲温度から１０４℃の設定温度まで勾配させ、１０４℃で１５時間３０分保持し、その後、２時間かけて２１℃の設定温度まで下げる。その後、成形品を薄いシートに切削し、室温でマクロチャネル又は溝を表面に機械加工した。より高い温度での切削が表面粗さを改善することができる。表に示すように、試料１〜３が本発明の研磨パッドを表し、試料Ａ〜Ｊが比較例を表す。

表１は、様々な化学量論比及び異なる量のポリマー微小球を用いて注型成形されたポリウレタンの破断伸びを示す。様々な化学量論比がポリウレタンの架橋の量を制御する。さらには、ポリマー微小球の量を増すことは一般に物性を低下させるが、研磨欠陥率性能を改善する。充填剤入り材料で得られた破断伸びは、研磨性能の明確な指標になるとは思われない。ｎ−メチル−ピロリドン中の試料膨潤の値は、膨潤度が調合物の研磨性能の指標であるということを示した。１．６７以上の膨潤値（初期直径に対する膨潤材料の直径の比）の調合物は、改善された研磨結果を提供する（実際、材料は溶解することができる）。低すぎる試料膨潤値は、調合物が不十分な研磨性能を有するという強力な指標であった。しかし、ｎ−メチル−ピロリドンに溶解した試料は、受け入れられる研磨結果及び受け入れられない研磨結果の両方を提供した（研磨結果の明確な指標ではない）。

以下の表２は、様々な量のＮＣＯを８５、９５及び１０５％の化学量論比で用いて注型成形した一連のポリウレタンを提供する。

プレポリマーを窒素ガスブランケット下で加熱して粘度を下げたのち、所望の硬化剤：ＮＣＯ比でＭＢＣＡと手で混ぜ、ガス抜きした。次いで、試料を厚さ１／１６インチ（１．６mm）の板状物として手で注型成形した。次いで、注型成形した材料をオーブン中１００℃で１６時間保持して硬化を完了させた。引裂き伝ぱ抵抗試料は、ダイでカットするのではなく直接型に流し込んだものであり、ＡＳＴＭ Ｄ１９３８−０２によって規定されるよりもいくぶん厚いものであった。

実施例２
図２Ａ〜２Ｄは、ＳＰＭ技術を使用して画像化したポリウレタンの４種の試料を示す。この技術は、試料の異なる領域の間の硬さに基づく差違を増幅して、硬質相及び軟質相を画像化することができるよう変更を加えたものであった。実験を実施するため、低いばね定数のＦＥＳＰチップを使用してさらなる感度を得た。実験中、分析するすべての試料に関してすべてのサンプリングパラメータを一定に維持した。画像を修正するために０．８のセットポイント比を選択した。試料ごとの二つの画像は、左側が試料相分散を示し、右側がその同じ領域に関する対応するトポグラフィーを示す。

図２Ａ及び２Ｂ（試料１及び２）は、硬質相と軟質相との明確に区別される二相構造を有し、最高純度の軟質相に対する最高純度の硬質相の比が＜１．６であるポリウレタンに対応する。図２ｃ（試料Ｂ）は、明確に区別される二相構造を欠いている。図２ｄ（試料Ｈ）は、引裂き強さを高めるのに必要な最高純度の硬質相の量に対する最高純度の軟質相を十分には有していない。

最高純度の硬質相のもっとも明るい部分及び最高純度の軟質相のもっとも暗い部分によって画定される区域は、図２ａ〜２ｄからの各方向でもっとも近い１／１６インチまで計測した。明と暗の両極端の間のグレーの陰影によって示す硬質セグメントと軟質セグメントとの混合領域は計測及び計算から除外した。そして、変換係数１／１６インチ＝１２．５nmを使用して計測値をナノメートルに変換した。短手寸法及び長手寸法を互いに乗じて、最高純度の硬質相及び最高純度の軟質相の面積を概算した。表３Ａ〜３Ｄはそれぞれ図２Ａ〜２Ｄに対応する。

試料ごとに数値を合計し、最高純度の軟質相の合計に対する最高純度の硬質相の合計の比を表３Ｅで決定した。

本発明の試料の場合、最高純度の軟質相の合計に対する最高純度の硬質相の合計の比は＜１．６であった。

表４は、硬質セグメントのピーク融解温度、J/g単位の材料の融解熱、計算上の硬質セグメントの割合及び計算上の硬質セグメントのJ/gを示す。試料は、TA InstrumentsのQ1000 V9.4 DSC上、標準セルを使用して、−９０℃での初期平衡から等温状態で５分間保持したのち−９０〜３００℃まで毎分１０℃で勾配させて分析した。一方のセットの試料は調製時のままで試験し、他方のセットの試料は温度／湿度チャンバ中で５日間保持したのち試験した。

本発明の試料は、より高いピーク溶融温度及びより高いJ/g単位の融解熱ならびに硬質セグメントの計算上１グラムあたりのJ単位でより高い融解熱を示す。より高いピーク溶融温度及びより高い融解熱はいずれもより高い硬質相純度の指標である。同様に、軟質セグメント領域もまた、より高純度であり、より大きなサイズであると予測することができる。

図３は、ＤＳＣ Ｔ_m及び融解熱データを計算するための試験法を示す。「ピーク」面積は、TA InstrumentsのUniversal Analysis 2000をピーク積分アルゴリズムのためのリニアベースラインフィットとともに使用して計算した。「ピーク」の各側の比較的直線的な区域に終点を手作業で挿入し、下限を１８５℃付近にし、上限を２４０℃付近にした。そして、ソフトウェアによって「ピーク」最大値及び「ピーク」面積値を計算した。

表５は、種々のAdipreneポリウレタンプレポリマー及びＭＢＣＡから作られた、無充填バルクエラストマーの引張り特性及び引裂き特性を示す。充填剤入り材料に関しては、破断伸びは研磨性能の明確な指標ではない。しかし、引裂き強さは低欠陥率研磨性能に相関し、高い引裂き強さが低い欠陥率を与える。

実施例３
実施例１の工程で調製したケークから厚さ８０ミル（２．０mm）、直径２２．５インチ（５７cm）のパッドを切り出した。パッドは、幅２０ミル（０．５１mm）、深さ３０ミル（０．７６mm）、ピッチ７０ミル（１．８mm）の円形の溝パターンをSP2150ポリウレタンサブパッドとともに含むものであった。SpeedFam-IPEC472ツールを用いてプラテン１上５psi（３４．５kPa）、プラテン速度７５rpm、キャリヤ速度５０rpmで研磨して、種々のパッドに関する比較用の研磨データを得た。研磨はまた、Kinik CG181060ダイアモンドコンディショナに基づくものであった。試験ウェーハは、Rohm and Haas Electronic Materials CMP TechnologiesからのCelexis（商標）CX2000Aセリア含有スラリーの平坦化を計測するための、ＴＥＯＳシートウェーハ、窒化ケイ素シートウェーハ及び１ＨＤＴ ＭＩＴパターンウェーハを含むものであった。

表６は、調合物を、連鎖延長剤とイソシアネートとの化学量論比、孔径及び気孔レベルならびに得られた密度及びショアＤ硬さとともに示す。小径及び中間径の気孔は、計算上の気孔容積及び計測された調合物密度によって示されるような同じ体積添加量を達成するため、異なる重量レベルで加えた。

表７は、実験用パッド調合物及びCelexis（商標）CX2000を用いてプラテン１上でウェーハを研磨したのちRohm and Haas Electronic Materials CMP社のPolitex（商標）ポリウレタン微孔質研磨パッドを用いてプラテン２上でバフィング工程を実施したのち得られた、ＴＥＯＳ及びＳｉＮ除去速度に関するOpti-Probe 2600測定データを含む。チャターマーク及びスクラッチは、ウェーハをＨＦエッチングして約５００ÅのＳｉＮをウェーハ面から除去し、それによってセリア粒子汚染を除去し、欠陥を「装飾」してより明白にしたのち、Compass（商標）300をSEMVison（商標）G2とともに使用して定量化した。

これらのデータは、本発明の高引裂き強さ研磨パッドにより、大幅に低い欠陥率レベルが可能であることを示す。この結果は、小さな気孔を使用する調合物で特に顕著である。加えて、本発明のパッドにより、広い範囲のＴＥＯＳ／ＳｉＮ選択比が達成可能である。

非孔性研磨パッドのアスペリティを示す略断面図である。 試料１のＡＦＭプロットを示す。 試料２のＡＦＭプロットを示す。 試料ＢのＡＦＭプロットを示す。 試料ＨのＡＦＭプロットを示す。 ＤＳＣデータを測定する試験法を示す。

Claims (3)

1. 半導体、光学及び磁性基材の少なくとも一つを平坦化するのに適した研磨パッドであって、ポリマーマトリックスを含み、前記ポリマーマトリックスが上研磨面を有し、前記上研磨面が、ポリマー研磨アスペリティを有するか、砥粒でコンディショニングされるとポリマー研磨アスペリティを形成し、
   前記ポリマー研磨アスペリティが、前記ポリマーマトリックスから延び、基材と接することができる前記上研磨面の部分であり、
   前記研磨パッドが、前記上研磨面の摩耗又はコンディショニングによって前記ポリマーマトリックスからさらなるポリマー研磨アスペリティを形成し、
   前記ポリマー研磨アスペリティが、５０〜８０重量％の硬質セグメント及び少なくとも６，５００psi（４４．８MPa）のバルク極限引張り強さを有するポリマーマトリックスからのものであり、
   前記ポリマーマトリックスが、二官能性又は多官能性イソシアネートから誘導されるポリマーを含み、ここで、前記ポリマーは、ポリエーテルウレア、ポリイソシアヌレート、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタンウレア、それらのコポリマー及びそれらの混合物から選択される少なくとも一つを含み、
   前記ポリマーマトリックスが、硬化剤とイソシアネート終端化プレポリマーとの反応生成物からのものであり、
   前記硬化剤が、前記イソシアネート終端化プレポリマーを硬化させる硬化剤アミンを含み、
   前記イソシアネート終端化プレポリマーが、二官能性又は多官能性イソシアネートと、ＰＴＭＥＧ又はＰＴＭＥＧ／ＰＰＧブレンドとから誘導され、かつ８．７５〜１２重量％の未反応ＮＣＯを有し、
   前記硬化剤及び前記イソシアネート終端化プレポリマーが、１００％より大きく、１２５％以下のＮＣＯに対するＮＨ₂の化学量論比を有し、
   前記ポリマーマトリックスが、硬質相と軟質相との二相構造を有し、前記二相構造が、１．６未満の前記軟質相の平均面積に対する前記硬質相の平均面積の比を有する研磨パッド。
2. 半導体、光学及び磁性基材の少なくとも一つを平坦化するのに適した研磨パッドであって、ポリマーマトリックスを含み、前記ポリマーマトリックスが上研磨面を有し、前記上研磨面が、ポリマー研磨アスペリティを有するか、砥粒でコンディショニングされるとポリマー研磨アスペリティを形成し、
   前記ポリマー研磨アスペリティが、前記ポリマーマトリックスから延び、基材と接することができる前記上研磨面の部分であり、
   前記研磨パッドが、前記上研磨面の摩耗又はコンディショニングによって前記ポリマーマトリックスからさらなるポリマー研磨アスペリティを形成し、
   前記ポリマー研磨アスペリティが、５０〜８０重量％の硬質セグメント及び６，５００〜１４，０００psi（４４．８〜９６．５MPa）のバルク極限引張り強さを有するポリマーマトリックスからのものであり、
   前記ポリマーマトリックスが、二官能性又は多官能性イソシアネートから誘導されるポリマーを含み、ここで、前記ポリマーは、ポリエーテルウレア、ポリイソシアヌレート、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタンウレア、それらのコポリマー及びそれらの混合物から選択される少なくとも一つを含み、
   前記ポリマーマトリックスが、硬化剤とイソシアネート終端化プレポリマーとの反応生成物からのものであり、
   前記硬化剤が、前記イソシアネート終端化プレポリマーを硬化させる硬化剤アミンを含み、
   前記イソシアネート終端化プレポリマーが、二官能性又は多官能性イソシアネートと、ＰＴＭＥＧ又はＰＴＭＥＧ／ＰＰＧブレンドとから誘導され、かつ８．７５〜１２重量％の未反応ＮＣＯを有し、
   前記硬化剤及び前記イソシアネート終端化プレポリマーが、１００％より大きく、１２５％以下のＮＣＯに対するＮＨ₂の化学量論比を有し、
   前記ポリマーマトリックスが、硬質相と軟質相との二相構造を有し、前記二相構造が、１．６未満の前記軟質相の平均面積に対する前記硬質相の平均面積の比を有する研磨パッド。
3. 前記ポリマーマトリックスが２５〜５０J/gの融解熱を有する、請求項２記載の研磨パッド。