JP5514806B2

JP5514806B2 - 研磨パッド組成物およびその製造方法ならびに使用

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Publication number: JP5514806B2
Application number: JP2011507575A
Authority: JP
Inventors: バジャイ，レジーブ
Original assignee: セミクエスト・インコーポレーテッド
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: KR20110005295A; CN102083586A; JP2011530158A; KR101618273B1; US8177603B2; WO2009134775A1; US20090270019A1; CN102083586B

Description

（関連出願）
本出願は、米国仮特許出願第６１／０４８，８１８号（２００８年４月２９日出願）、第６１／１１１，２９０号（２００８年１１月４日出願）、および第６１／１１１，３３７号（２００８年１１月５日出願）の正規出願に関し、これらの正規出願である。これらの出願は、本発明の譲受人に譲渡されており、その全体について参照により本明細書に組み込まれている。

（技術分野）
本発明は、化学的機械研磨による平坦化（ＣＭＰ）の分野に関し、具体的には、ＣＭＰで使用される、不混和性ポリマーで作られた研磨パッドに関する。

最新式の集積回路（ＩＣ）製作では、材料層が、半導体ウェーハ上にあらかじめ形成された埋め込み構造に適用される。化学的機械研磨平坦化（ＣＭＰ）は、これらの層（またはその一部）を除去し、得られた表面を研磨して所望の構造を得るために用いられる研磨プロセスである。ＣＭＰは、酸化物および金属のいずれにも行うことができ、一般にウェーハに対して動いている研磨パッドと組み合わせて適用される化学スラリーの使用を伴う（例えば、このパッドはウェーハに対して回転し、これらの間にはスラリーが分散している）。得られる平滑な平坦面は、次のウェーハ処理工程のためにフォトリソグラフィの焦点深度を維持し、かつ、輪郭工程にわたって金属配線が確実に変形しないようにするために必要である。ダマシン加工では、ＣＭＰを用いて、誘電体の上面からタングステンまたは銅などの金属を除去して接続構造を画定することが必要となる。

従来の研磨パッドは、キャスト形状で微細孔要素が充填されたポリマー、通常はウレタンから作られているか、またはポリウレタンで被覆した不織フェルトから作られている。研磨作業中、研磨パッドはウェーハ（これも回転している）と接触しつつ回転し、こうして研磨を行う。多くのパッドは、これらの研磨工程中、ウェーハの下にスラリーを分配するための構造を有する。こうしたスラリー分配構造は、米国特許第５，５７８，３６２号に記載されている中空微細要素を加えることにより、またはキャスト工程中に形成された泡の導入によって組み込まれた空隙または微細孔を含んでいる。米国特許第６，８９６，５９３号は、超臨界ＣＯ₂を使用して成形加工中に気孔を形成することを記載している。

研磨中に、研磨パッド材料は、パッドの研磨能力の低下をもたらす塑性変形を受ける。例えば、研磨工程中のこうした変形により処理が不均一になり、その結果、はるかに低い除去率でしか研磨作業を行うことができないことになる。

研磨性能を回復し、かつ安定した研磨性能を得るためには、研磨パッド表面を、目の細かいダイヤモンド粒子で覆われたディスクで定期的に研磨（またはコンディショニング）する。こうしたコンディショニングの目的は、安定した研磨をもたらすように、パッドのすり減った上層を除去し、上面のテクスチャーを回復することである。こうしたコンディショニング工程は、硬質パッドを用いる研磨工程に十分に受け入れられている。しかし、柔質パッドの場合には、コンディショニング工程は十分に受け入れられておらず、それゆえ、こうしたパッドの有効寿命の低下をもたらす傾向がある。

米国特許第５，５７８，３６２号米国特許第６，８９６，５９３号

化学的機械研磨による平坦化（ＣＭＰ）で使用される研磨パッドの組成物およびその製造方法ならびに使用をする。本発明の一実施形態では、研磨パッドまたはパッドの研磨要素／表面は、ポリウレタンとポリオレフィンの組合せから作られる。ここで、ポリウレタンはバルク相であり、ポリオレフィンは分散相である。バルク相材料（ポリウレタン）は、サイズが１００ｎｍ未満の粒子を有することがあるが、分散相の粒子のサイズは１０００ｎｍを超えることがある。分散相ポリマー（例えば、ポリオレフィンまたは２種の異なるポリエチレン材料のブレンド）は、バルク相ポリマー（ポリウレタン）と不混和性であることが好ましく、研磨中に研磨パッドから放出可能であり、これにより研磨パッドの露出面上に微細孔の領域をもたらす。ポリオレフィン材料としては、ポリエチレン材料および／またはポリプロピレン材料を挙げることができる。

ある場合には、ポリウレタン−ポリオレフィン研磨パッドに選択される材料は、ポリオレフィンの粘度とポリウレタンの粘度の比が３未満であるようにすることができる。ポリウレタン材料の引張強さは１０００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）（６８９４．７６ｋＰａ）を超えるものとすることができ、一方、ポリウレタン材料の曲げ弾性率は２０００ｐｓｉ（１３７８９．５２ｋＰａ）を超えるものとすることができ、ポリウレタン材料のショアＤ硬度は２５を超えるものとすることができる。こうしたパッドでは、分散したポリオレフィン材料のドメイン・サイズは２００マイクロメートル以下とすることができる。いくつかの実施形態では、研磨パッドのポリオレフィン材料は１〜３５体積％とすることができる。こうした研磨パッドの露出面は表面フィーチャーを含むことができる。

本発明のさらに別の実施形態では、研磨パッドは、ポリウレタン形成反応前にイソシアネートまたはポリオールに分散させたポリオレフィンの粒子を含むことができる。ポリオレフィン粒子のサイズは１０〜２００マイクロメートルとすることができる。ポリウレタンは、以下の特性を有することができる：１０００ｐｓｉ（６８９４．７６ｋＰａ）を超える引張強さ、２０００ｐｓｉ（１３７８９．５２ｋＰａ）を超える曲げ弾性率、および２５を超えるショアＤ硬度。

本発明の他の実施形態では、研磨パッドは、ポリオレフィン材料とポリウレタン材料のポリマー・ブレンドを含むことができる。ポリオレフィン材料のメルト・インデックスは３以下とすることができ、ポリウレタン材料のメルト・インデックスは１５以上とすることができる。したがって、ポリオレフィン材料とポリウレタン材料のメルト・インデックスの比は０．２未満とすることができる。ポリオレフィン材料とポリウレタン材料の硬度の差はショアＤ１５未満とすることができる。

本発明のさらに別の実施形態では、研磨パッドは、ポリウレタン・マトリックス中に、２種のポリオレフィン材料のポリマー・ブレンドから作られた１種または複数の研磨要素を含むことができる。第１ポリオレフィン材料のメルト・インデックスは３以下とすることができる、一方、第２ポリオレフィン材料のメルト・インデックスは２５以上、ポリウレタン材料のメルト・インデックスは１５以上とすることができる。より具体的には、ポリオレフィン材料の第１のものとポリウレタン材料とのメルト・インデックスの比は０．２未満とすることができ、一方、ポリオレフィン材料の第２のものとポリウレタン材料とのメルト・インデックスの比は１を超えることができる。ポリオレフィン材料とポリウレタン材料との硬度の差はショアＤ１５未満とすることができる。

本発明のさらに他の実施形態では、研磨パッドは、メルト・インデックスが１５を超えガラス転移温度（Ｔｇ）が室温未満であるポリウレタン材料と、メルト・インデックスが２５以上でＴｇが室温未満である第１ポリエチレン材料と、メルト・インデックスが３未満でＴｇが室温未満である第２ポリエチレン材料とを含むことができる。ポリエチレン材料とポリウレタン材料の間の硬度の差はショアＤ１５未満とすることができる。

本発明のさらに別の実施形態では、研磨パッドは、メルト・インデックスが３以下の第１ポリエチレン材料と、メルト・インデックスが２５以上の第２ポリエチレン材料と、メルト・インデックスが１５以上のポリウレタン材料とを含むことができる。第１ポリエチレン材料とポリウレタン材料のメルト・インデックスの比は０．２未満とすることができ、第２ポリエチレン材料とポリウレタン材料のメルト・インデックスの比は１を超えることができる。ポリウレタン材料の硬度はショアＤ７０以下とすることができ、一方、第１ポリエチレン材料の硬度はショアＤ６０以下とすることができ、第２ポリエチレン材料の硬度はショアＤ６０以下とすることができる。ポリウレタン材料、第１ポリエチレン材料および／または第２ポリエチレン材料の硬度の差はショアＤ１５以下とすることができる。

本発明のさらに別の実施形態では、研磨パッドは、曲げ弾性率が６０ＭＰａを超えるポリウレタン材料と、それぞれ曲げ弾性率が２００ＭＰａを超える第１および第２ポリエチレン材料とを含むことができる。ポリウレタン材料、第１ポリエチレン材料、および／または第２ポリエチレン材料の硬度の差はショアＤ１５以下とすることができる。

次いで、本発明の実施形態では、ＣＭＰで使用される研磨パッドは、互いに不混和性の２種のポリマーから製造することができる。第１ポリマー（例えば、ポリウレタン材料）はマトリックス相とすることができ、第２ポリマー（例えば、ポリオレフィン材料）は分散相とすることができる。分散相は、例えば、低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン−ブテン、および／または超低密度ポリエチレン−ブテンから形成することができ、かつ、コンディショニング工程および／または研磨工程によって露出される場合に除去可能にすることができる。第１ポリマーのドメイン・サイズは、第２ポリマーのドメイン・サイズとは異なるものとすることができる。ある場合には、分散相は、２種以上のポリオレフィン材料から構成することができ、２種のポリオレフィン材料の混合物の場合には、第１ポリエチレン材料のメルト・インデックスを３０とすることができ、第２ポリエチレン材料のメルト・インデックスを０．７５とすることができる。その代わりに、またはそれに加えて、第１ポリオレフィン材料のドメイン・サイズは１０ｎｍを超えるものとすることができ、第２ポリオレフィン材料のドメイン・サイズは１０ｎｍ未満とすることができる。

パッド製造時、２種のポリマーを一緒に混合し、得られる混合物を金型キャビティに注入して、パッドまたは研磨要素を形成することができる。研磨パッドに含まれる第１および第２ポリマーの相対的なドメイン・サイズは、例えば、混合物に含まれる第１および第２ポリマーのそれぞれの量を変化させることによって調整することができる。

気孔は、例えば研磨工程中に遭遇する摩耗により、本発明の研磨パッドの上部研磨表面に導入することができる。その代わりに、またはそれに加えて、気孔部位は、その製造中に研磨パッドに生成することができ、かつ、こうした気孔部位のサイズは前記製造中に調節することができる。

本発明の上記および他の実施形態を以下にさらに詳しく説明する。

本発明は、添付図面の図に例として示されるが、これらは本発明を限定するものではない。

図１(ａ)および図１(ｂ)は、異なる種類の研磨パッドの横断面を示す図であり、それらの違いにもかかわらず、本発明の実施形態によって製造され使用することができる。本発明の一実施形態による、ポリウレタン−ポリオレフィン・ブレンドで作られた研磨パッドまたは研磨要素／表面を示す拡大図である。本発明の一実施形態による、研磨パッドまたは要素のマトリックス中の１つの分散相粒子のクローズアップを示す図である。本発明の実施形態によって作られ、その後断面を切断し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で検査した、研磨パッド／要素の一部の検査結果を示す図である。本発明の実施形態によって作られ、その後断面を切断し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で検査した、研磨パッド／要素の一部の検査結果を示す図である。本発明の実施形態によって作られ、その後断面を切断し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で検査した、研磨パッド／要素の一部の検査結果を示す図である。

不混和性ポリマー、例えばポリウレタンとポリオレフィンから作られた研磨表面／研磨要素を有する研磨パッドを本明細書に開示する。こうしたパッドの一例では、研磨表面／要素のバルク相はポリウレタンから作られており、一方、分散相（研磨工程中に放出することができる）はポリオレフィンから作られている。研磨工程中に分散相材料が放出されるにつれて、微細孔の領域がパッドの研磨表面／要素上に形成される。

図１（ａ）は、研磨パッドの１種、例えばＲｏｈｍａｎｄＨａａｓのＩＣ１０００の断面切欠き図である。これは、本発明によって製造され使用されることにより最新のものにすることができる。研磨パッド１００は、重合体マトリックス１０４（これはポリウレタンとすることができる）に埋め込まれたマイクロエレメント１０２を含む。パッド表面は、研磨工程中にスラリーを輸送するための溝１０６を含む。この種の研磨パッドでは、多数の表面修飾を形成してパッドの表面にわたってスラリー分配を行う。

図１（ｂ）は、ＳｅｍｉＱｕｅｓｔ，Ｉｎｃ．によって作られた研磨パッド１０８の横断面を示す。この研磨パッド１０８は、加工された構造であり、２００７年４月６日に出願された米国特許出願第１１／６９７，６２２号に記載されている。本出願は、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれている。パッド１０８は研磨要素１１０からなる。これは圧縮可能なアンダーフォーム１１４上に載っており、ガイド・プレート１１２によって垂直方向に支持されている。研磨作用は、固体ポリマー材料で作られた研磨要素によって行われる。一方、研磨要素間のオープン・スペースによってスラリー分配が行われる。オープン・スペースは連続気泡フォームで充填されている。

本発明の実施形態によれば、これらの異なる２つの研磨パッドの研磨表面１０４および１１０は、本明細書に記載された材料を使用することにより有利に作ることができる。

図２（ａ）は、ポリウレタン−ポリオレフィン・ブレンドで作られる研磨パッドまたは研磨要素／表面２００の拡大図を示す。この場合、分散相２０１（ポリオレフィンとすることができる）は、マトリックスすなわちバルク相２０３（ポリウレタンとすることができる）に分配されている。十分に混合された系では、分散相を構成する粒子のサイズは約１０〜２０マイクロメートルであり、相境界２０２は明瞭である。図２（ｂ）は、マトリックス中の１つの分散相粒子のクローズアップを示す。極性および界面張力の大きな差により、界面は平滑であり、これら２つの表面は付着性を示さない。ポリオレフィン粒子は、ポリウレタン界面から引き離されている。

次いで、本発明の一実施形態では、研磨パッド（上記構成のいずれかとすることができる）は、ポリオレフィンとポリウレタンのポリマー・ブレンドから作られた１種または複数の研磨要素または表面を含む。ここで、
（１）ポリオレフィンの粘度とポリウレタンの粘度の比は３未満であり、
（２）ポリウレタンの引張強さは１０００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）（６８９４．７６ｋＰａ）を超え、
（３）ポリウレタンの曲げ弾性率は２０００ｐｓｉ（１３７８９．５２ｋＰａ）を超え、
（４）ポリウレタンのショアＤ硬度は２５を超え、および／または
（５）分散したポリオレフィン相のドメイン・サイズは２００マイクロメートル以下である。
ある場合には、研磨パッドのポリオレフィン含有量は１〜３５体積％とすることができる。さらに、ある場合には、ポリオレフィンはポリエチレンでもよく、ポリプロピレンでもよい。例えばパッドの上面を機械加工することにより、多種類の表面フィーチャーをパッドの上面に（例えば、パッドの形成中または形成後に）形成することができる。

本発明の他の一実施形態は、ウレタン形成反応前にイソシアネートまたはポリオール中にポリオレフィン粒子を分散させることによって作られた、１種または複数の研磨要素または表面を有する研磨パッドを提供する。こうしたパッドでは、ポリオレフィン粒子は１０〜２００マイクロメートルのサイズとすることができ、ポリウレタンの引張強さは１０００ｐｓｉ（６８９４．７６ｋＰａ）を超えるものとすることができ、ポリウレタンの曲げ弾性率は２０００ｐｓｉ（１３７８９．５２ｋＰａ）を超えるものとすることができ、かつ／またはポリウレタンのショアＤ硬度は２５を超えるものとすることができる。こうしたパッドでは、ポリオレフィンはポリエチレンでもよく、ポリプロピレンでもよい。

本発明のさらに別の実施形態は、射出成形、押出成形、反応射出成形または焼結を用いて、先に論じたような研磨パッドを製造する方法を提供する。これらの様々な場合では、ポリオレフィン粒子をウレタン成形反応前にウレタン前駆体混合物に分散させることができる。ポリオレフィンと熱可塑性ポリウレタンを溶融混合した後、金型へ注入してパッドを形成することができる。かつ／または、ポリオレフィンと熱可塑性ウレタンを、パッドの形成に使用される射出成形機においてインラインで混合させることができる。

本発明のさらに他の一実施形態は、ポリオレフィンとポリウレタンのポリマー・ブレンドから作られた１種または複数の研磨要素または表面を有する研磨パッドを提供する。ここで、ポリオレフィンとポリウレタンのメルト・インデックス比は０．２未満であり、ポリオレフィンのメルト・インデックスは３以下であり、ポリウレタンのメルト・インデックスは１５以上である。この場合には、ポリオレフィンはポリエチレンでもよく、ポリプロピレンでもよい。また、ポリオレフィン材料およびポリウレタン材料の両方の硬度はショアＤ１５未満だけ異なっていてもよい。

本発明のさらに別の実施形態は、２種のポリオレフィンとポリウレタンのポリマー・ブレンドから作られた１種または複数の研磨要素または表面を有する研磨パッドを提供する。ここで、ポリオレフィン材料の第１のものとポリウレタンとのメルト・インデックス比は０．２未満であり、ポリオレフィン材料の第２のものとポリウレタンとのメルト・インデックス比は１を超える。ただし、第１ポリオレフィン材料のメルト・インデックスは３以下であり、第２ポリオレフィン材料のメルト・インデックスは２５以上であり、ポリウレタンのメルト・インデックスは１５以上である。ポリオレフィン材料のいずれかまたは両方は、ポリエチレンでもよく、ポリプロピレンでもよい。例えば、ある場合には、ポリオレフィン材料の少なくとも１種はポリプロピレンである。すべてのポリオレフィンおよびポリウレタン材料の硬度は、ショアＤ１５未満だけ異なっていてもよい。

本発明のさらに他の一実施形態は、メルト・インデックスが１５を超えるポリウレタンと、メルト・インデックスが２５以上の第１ポリエチレン材料と、メルト・インデックスが３未満の第２ポリエチレン材料とを混合し、この混合物を射出成形機または押出機中で溶融混合させた後、金型キャビティへ注入することにより、２つの明瞭な相サイズ（１つは１００ｎｍ未満であり、他の１つは１０００ｎｍを超える）を含む固体研磨パッドを作る方法を提供する。ある場合には、ポリウレタンは室温未満のガラス転移温度（Ｔｇ）を有することができる。同様に、ポリエチレンは室温未満のＴｇを有することができる。ある場合には、ポリウレタンとポリエチレンの硬度はショアＤ１５未満だけ異なっていてもよい。

本発明の別の実施形態は、２種のポリエチレンとポリウレタンのポリマー・ブレンドから作られた１種または複数の研磨要素または表面を有する研磨パッドを提供する。ここで、第１のポリエチレン材料とポリウレタンとのメルト・インデックスの比は０．２未満であり、第２のポリエチレン材料とポリウレタンとのメルト・インデックスの比は１を超えている。ただし、第１ポリエチレン材料のメルト・インデックスは３以下であり、第２ポリエチレン材料のメルト・インデックスは２５以上であり、ポリウレタンのメルト・インデックスは１５以上である。ポリウレタンの硬度はショアＤ７５以下とすることができる。第１ポリエチレン材料の硬度はショアＤ６０以下とすることができる。第２ポリエチレン材料の硬度はショアＤ６０以下とすることができる。３つの材料すべての硬度の範囲（すなわち、それぞれの材料の様々な硬度の差）は、ショアＤ１５以下とすることができる。

本発明の別の実施形態は、２種のポリエチレンとポリウレタンのポリマー・ブレンドから作られた１種または複数の研磨要素または表面を有する研磨パッドを提供する。ここで、第１のポリエチレン材料とポリウレタンとのメルト・インデックスの比は０．２未満であり、第２のポリエチレン材料とポリウレタンとのメルト・インデックスの比は１を超えている。ただし、第１ポリエチレン材料のメルト・インデックスは３以下であり、第２ポリエチレン材料のメルト・インデックスは２５以上であり、ポリウレタンのメルト・インデックスは１５以上である。ポリウレタンの曲げ弾性率は６０ＭＰａを超えるものとすることができる。第１ポリエチレン材料の曲げ弾性率は２００ＭＰａを超えるものとすることができる。第２ポリエチレン材料の曲げ弾性率は２００ＭＰａを超えるものとすることができる。３つの材料すべての硬度の範囲（すなわち、それぞれの材料の様々な硬度の差）は、ショアＤ１５以下とすることができる。

様々な実施形態において、本発明は、研磨パッドに気孔を元の位置に導入する方法、製造中に生成した気孔部位のサイズを調節する手段、および研磨パッド・ミクロ構造を提供する。コンディショニングをほとんどまたはまったく必要とせずに、こうしたミクロ構造を作る方法も提供される。

研磨パッドの機械的物性を変えるためにポリマーを混合することを記載している文献もある。例えば、米国特許第７，４３８，６３６号には、研磨パッドの靭性特性を向上させるために、弾性率のより高いポリマー・マトリックスに弾性率のより低いポリマーを混合することが開示されている。米国特許第７，３７１，１６０号には、研磨性能を向上させるために、マトリックス中に弾性相を分散させることを記載している。これらの改良では、分散相がマトリックスに組み込まれたままであることが重要である。また、添加された弾性ポリマーは、それが重合体マトリックス（ポリウレタン・マトリックスなど）と結合を形成することを可能にする何らかの化学的官能性基を含んでいることが好ましい。

米国特許第７，０７７，８７９号、第６，９９２，１２３号、および第６，８９９，６１１号には、水溶性ポリマーをマトリックスへ加えることが記載されている。研磨工程中にパッドの上面は水性環境に露出されるので、水溶性ポリマーは溶解して押し流され、空隙を残し、これにより「元の位置に」気孔を生成する。同様に、米国特許第６，８９０，２４４号には、チャンネル形状の気孔を生成するために可溶性繊維を加えることが開示されている。米国特許第６，６８５，５４０号には、マトリックス中に分配されたポリマー粒子が記載されている。ここで、この分配相はそれ自体が複合コア−シェル形態を有する。米国特許第６，６４８，７３３号には、研磨中に利用できる硬質および軟質ドメインを導入するために、特にコポリマーを含有する研磨パッドが開示されている。米国特許第５，４８９，２３３号、第５，５７８，３６２号、第６，０９５，９０２号、第６，２１７，４３４号、および第６，８９６，５９３号には、様々な研磨パッドとその使用方法が記載されている。

これらの参考文献から、パッド・マトリックスに代替のポリマーを組み込む２つの方法を考案することができる。１つは、不溶性ポリマーを添加してパッドの機械的物性を変え、かつ研磨に関与させ、一方、可溶性ポリマーは研磨媒体に溶解して気孔を生成する。もう１つは、分散相に使用される不溶性ポリマーは、注意深く選択した硬度、弾性率およびＴｇなどの特性を有する。これらの特性は、機械的物性を向上させるためのマトリックス・ポリマーの特性とは明確に異なる。

しかし、本明細書には、界面の相互作用、メルト・インデックス、および２つのポリマー相（マトリックスと分散相）間のメルト・インデックスの比に基づいて、ポリマーを選択する方法が開示される。これらの２種のポリマーが互いに不混和性であり、優先的に別個のドメインを形成するようにポリマー系を選択することによって、コンディショニングまたは研磨工程でこれが露出すると、分散相を除去することができる。個々のポリマーのメルト・インデックスおよびメルト・インデックスの比が、マトリックス中へのより小さな相の分散性、したがって相のサイズを決める。これらの２種のポリマーの混合は、金型キャビティに溶融物を注入する直前に射出成形機で行うことができる。あるいは、これらの２種のポリマーは、完全混合を成し遂げるために、例えば二軸押出機で別々に混合することができる。

ポリマー・ブレンドは、新しい特性を得るためにポリマーを混合することにより作られた１種の材料である。こうして生成されたポリマー混合物は、混和性、部分的混和性、または不混和性とすることができる。本発明の実施形態では不混和性ポリマーが利用される。この場合、適切なメルト・インデックスおよびメルト・インデックス比を有する不混和性ポリマーを選択することにより、適切なドメイン・サイズが得られる。

ウレタン−ポリオレフィン混合物の溶融加工中、ポリエチレン相の個別の小滴がウレタン溶融物内に分配されることが予想される。これらの小滴のサイズは、押出機によって与えられる剪断力、実際の融解粘度、ならびにこれら二相の融解粘度の相対的割合の関数である。

ポリマーについては、分散相のサイズを決める重要なパラメータは、キャピラリー数、Ｃａ、および粘度比（ｐ（＝ｎ_d／ｎ_m））である。ただし、ｎ_dは分散相の粘度であり、ｎ_mはマトリックス相の粘度である。粘度の代わりにメルト・インデックス（ＭＩ）を使用することはかなり一般的である。これが加工条件をより厳密に反映するからである。ＡＳＴＭ国際標準Ｄ１２３８試験法は、基準分銅（２１６０グラム）を駆動ピストン上に置いたとき、指定された直径（０．０８２５インチ〜２．２ｍｍ）のチューブ押出ダイを通して一定温度（１９０℃）で１０分間に押し出されたポリマーの重量として、メルト・インデックスの測定を標準化している。

キャピラリー数Ｃａは、粘性力と界面にわたって作用する表面張力との相対的な影響を表わし、次式で与えられる。
Ｃａ＝Ｒｎ_mＹ’／ａ
式中、Ｒは特有の小滴サイズであり、ｎ_mはマトリックスの粘度であり、Ｙ’はマトリックスの変形速度であり、ａは界面張力である。Ｃａが限界値を超えると、小滴は分解する。所与の系について、剪断力が高くなるとマトリックスの変形速度が大きくなり、結果的に、小滴はより小さなサイズへ分解する。界面張力、構成成分の絶対的メルト・インデックス、および構成成分のメルト・インデックスの比などの系特有のパラメータと、（射出成形機または押出機などの）混合装置の剪断速度とが組み合わさって、分散相の粒度分布に影響を及ぼす。

気孔は研磨パッド構造の重要な態様である。気孔がない状態では、研磨速度は非常に低い。例えば、二酸化ケイ素膜を有するウェーハを研磨するために使用される非多孔性パッドは、このウェーハを５ｐｓｉ（１３．７８９５２ｋＰａ）の下向きの力と５０ｒｐｍのパッド速度でパッドに対して押しつけた場合、２００Å／分未満の除去速度を示すことになる。多孔性パッドを同じ条件下で使用した場合、フィルム除去速度は１０００Å／分を超えることができる。

ダイヤモンド・ディスク・コンディショニングを行うと、非多孔性パッドは多孔性パッドと同様、高いフィルム除去速度を達成することができる。コンディショニング・ディスクは微小な凹凸を生成し、これにより、高速での研磨が可能になる。多孔性パッドも経時的に除去性能が低下する（そして、一般にウェーハは長い間研磨される）。これはパッド材料の塑性流動によると考えられる。これにより、研磨凹凸が不鮮明になるとともに気孔が汚染され、スラリーを収容しこれを輸送するこれらの能力が低下する。目の細かいダイヤモンド・ディスクを用いてパッド表面をコンディショニングすると、パッド上面の損傷した層が除去され、新しい表面が露出し、凹凸が再生成する。したがって、ダイヤモンド・コンディショニングは安定した研磨工程の重要な部分である。

安定した研磨工程の利点を提供することに加えて、ダイヤモンド・コンディショニングはまた、工程に変動性も導入する。ディスク間の変動、ならびにコンディショニング・ディスクの寿命にわたるダイヤモンドの有効性の変化がプロセス・ドリフトを引き起こし、頻繁なプロセス監視と修正処置が必要になる。さらにダイヤモンドが失われるというリスクもある。これにより、パッド中に埋め込まれたダイヤモンド・ダストが見られることもあり、その結果、引掻傷による破滅的なウェーハの損失をもたらす恐れがある。したがって、プロセス上の必要事項としてのコンディショニングを最小限にするか、あるいはこれを行わないことが望ましい。

本発明は、（もし必要であるとしても）最低限のコンディショニングを必要とする研磨パッド・ミクロ構造を提供する。上述のように、本パッドは、ポリウレタンと、メルト・インデックスが異なる２種のポリオレフィンとを混合することにより生成される、少なくとも２つの別個の分散ドメイン・サイズからなる。ドメインの一方は、１マイクロメートル以下、好ましくは１００ｎｍ未満の粒子を有し、もう一方のドメインは、５〜２０マイクロメートル、好ましくはおよそ１０マイクロメートルの粒子を有する。ナノドメイン（例えば、＞１００ｎｍサイズのドメイン）の役割は、表面が剥がれるにつれて新しいナノテクスチャーを露出しながら、一様に摩耗する性能を本パッドに与えることである。一方、大きなドメイン（例えば、〜１０マイクロメートルサイズのドメイン）は、より大きな気孔の部位を提供する。これは研磨のためのスラリー溜めとして働く。ドメインの相対的なサイズは重要である。何故ならば、安定した研磨結果を得るには、ナノドメインがより小さいことが好ましく、少なくともパッド摩耗速度と同程度であることが好ましいからである。例えば、パッド摩耗が毎分０．５マイクロメートルの研磨では、より小さなドメインのサイズは、０．５マイクロメートル以下であることが望ましく、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であることが好ましい。一方、スラリー溜めドメインは、研磨中安定したスラリー流を供給するために、１〜２桁大きい必要がある。

先に論じたように、ポリウレタンとポリエチレンなどの不混和性ポリマーの混合物を使用する場合、分散相のサイズは、両ポリマーのメルト・インデックス、ならびにそれぞれのメルト・インデックスの比によって決まる。例えば、メルト・インデックスが２０のポリウレタンと、メルト・インデックスが３０のポリエチレンを使用した場合、１００ｎｍ〜２マイクロメートルのポリエチレン・ドメインが得られた。一方、メルト・インデックス０．７５のポリエチレンを使用した場合、５〜１５マイクロメートルのポリエチレン・ドメインが得られた。それぞれのメルト・インデックスが３０と０．７５である２種のポリエチレンの混合物を、メルト・インデックス２０のポリウレタンと共に使用することによって、小さいドメインとより大きなドメインの両方を作ることができることが予想される。小さいドメインとより大きなドメインの比は、２種のポリエチレンの相対量を変化させることにより調整することができる。

本発明の一実施形態では、マトリックス・ポリマーは、ポリウレタンＬｕｂｒｉｚｏｌＥｓｔａｎｅ５８１４２（メルト・インデックスはおよそ２５である）とすることができる。また、分散相（パッドのおよそ１０重量パーセントを構成している）は、ＲｅｌｉａｎｃｅＰｏｌｙｍｅｒｓＩｎｄｉａから市販されている低密度ポリエチレン１６ＭＡ４００（メルト・インデックスはおよそ３０である）とすることができる。これらのポリマーを射出成形機で混合して、６０キャビティ金型において、下側に円筒キャビティを含む、フランジ・ベースが０．３２”で直径０．２４”×高さ０．１４０”の研磨要素を作成した。射出成形は２２５℃で行われ、十分に混合された不透明なパーツが作られた。このパーツの断面を切断した。このパーツの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）検査は、およそ１００ｎｍ〜１マイクロメートルの丸形の分散相粒子を示した。ほとんどのキャビティは平滑な壁部を示した。これは、ポリエチレン粒子がマトリックスに付着していなかったことを示している。これらの結果を図３に示す。

本発明の別の実施形態では、マトリックス・ポリマーは、ポリウレタンＬｕｂｒｉｚｏｌＥｓｔａｎｅ５８１４４（メルト・インデックスはおよそ２０である）であり、分散相（およそ１０重量パーセントを構成している）は低密度ポリエチレン−ブテンＤｏｗＤＮＤＡ８３３５ＮＴ７（メルト・インデックスはおよそ３０である）である。これら２種の材料を射出成形機で混合して、１６キャビティ金型において、下側に円筒キャビティを含む、フランジ・ベースが０．３２”で直径０．２４”×高さ０．１４０”の研磨要素を作成した。射出成形は２１５℃で行われ、十分に混合された不透明なパーツが作られた。このパーツの断面を切断した。このパーツのＳＥＭ検査は、およそ１００ｎｍ〜２マイクロメートルの丸形の分散相粒子を示した。より小さなサイズのドメインも観察された。ほとんどのキャビティは平滑な壁部を示した。これは、ポリエチレン粒子がマトリックスに付着していなかったことを示している。

本発明のさらに別の実施形態では、マトリックス・ポリマーは、ポリウレタンＬｕｂｒｉｚｏｌＥｓｔａｎｅ５８１４４（メルト・インデックスはおよそ２０である）であり、分散相（およそ１０重量パーセントを構成している）は超低密度ポリエチレン−ブテンＤｏｗＦｌｅｘｏｍｅｒＤＦＤＢ１０８５ＮＴ（メルト・インデックスはおよそ０．７５である）である。これら２種の材料を射出成形機で混合して、１６キャビティ金型において、下側に円筒キャビティを含む、フランジ・ベースが０．３２”で直径０．２４”×高さ０．１４０”の研磨要素を作成した。射出成形は２１５℃で行われ、十分に混合された不透明なパーツが作られた。このパーツの断面を切断した。このパーツのＳＥＭ検査は、およそ５〜１５マイクロメートルの丸形の分散相粒子を示した。より小さなサイズのドメインも観察された。ほとんどのキャビティは平滑な壁部を示した。これは、ポリエチレン粒子がマトリックスに付着していなかったことを示している。ドメインの濃度は低かった。これらの結果を図４および図５に示す。

本発明のさらに別の実施形態では、マトリックス・ポリマーは、ポリウレタンＬｕｂｒｉｚｏｌＥｓｔａｎｅ５８１４４（メルト・インデックスはおよそ２０である）であり、分散相（およそ２０重量パーセントを構成している）はポリエチレンＤｕｐｏｎｔ２０２０（メルト・インデックスはおよそ１．１である）である。これら２種の材料を射出成形機で混合して、３２キャビティ金型において、下側に円筒キャビティを含む、フランジ・ベースが０．３２”で直径０．２４”×高さ０．１４０”の研磨要素を作成した。射出成形は２１５℃で行われ、十分に混合された不透明なパーツが作られた。このパーツの断面を切断した。このパーツのＳＥＭ検査は、およそ５〜１５マイクロメートルの丸形の分散相粒子を示した。ほとんどのキャビティは平滑な壁部を示した。これは、ポリエチレン粒子がマトリックスに付着していなかったことを示している。

かくして、ポリウレタンとポリオレフィンの組合せ（ただし、ポリウレタンがバルク相であり、ポリオレフィンが分散相である）から作られた、ＣＭＰで使用される研磨パッドについて説明した。様々な例に関して論じたが、本発明は、これらに限定されることを意図するものではなく、以下に記載の特許請求の範囲によってのみ判断されるべきである。

２０１分散相；２０２界面；２０３バルク／マトリックス相。

Claims

バルク相である第１ポリマーと、
前記第１ポリマーに不混和性であり、かつ研磨中に前記研磨パッドから放出可能であり、これによって前記研磨パッドの露出面上に微細孔の領域をもたらす、分散相である第２ポリマーと、
を含み、
前記２種のポリマーは、異なる界面相互作用、異なるメルト・インデックス、および前記２つのポリマー相間のメルト・インデックスの比を有し、
前記第１ポリマーはポリウレタン材料であり、前記第２ポリマーはポリオレフィン材料である化学的機械研磨による平坦化（ＣＭＰ）で使用される研磨パッド。
前記ポリオレフィン材料は、ポリエチレン材料とポリプロピレン材料の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
前記ポリオレフィン材料は、２種の異なるポリエチレン材料のブレンドから作られることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
前記ポリオレフィンの粘度と前記ポリウレタンの粘度の比は３３未満であり、
前記ポリウレタン材料の引張強さは１０００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）（６８９４．７６ｋＰａ）を超え、
前記ポリウレタン材料の曲げ弾性率は２０００ｐｓｉ（１３７８９．５２ｋＰａ）を超え、
前記ポリウレタン材料のショアＤ硬度は２５を超え、
前記分散ポリオレフィン相のドメイン・サイズは２００マイクロメートル以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
前記研磨パッドは１〜３５体積％のポリオレフィン材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
前記研磨パッドの露出面は表面フィーチャーを含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。