JP5892389B2 - 研磨パッド及び研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨パッド及び研磨方法に関し、特に、化学的機械的研磨法によって被研磨物を研磨するときに使用される研磨パッド及びこのような研磨パッドを用いた研磨方法に関する。

従来から、半導体ウェハや液晶ディスプレイ用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、磁気ディスク用ガラス基板等の被研磨物の表面を研磨して平坦化する方法として、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）が用いられている。ＣＭＰ法を用いて被研磨物を研磨する際は、研磨パッドを被研磨物に押し当て、両者の間に研磨スラリーを供給しながら研磨パッドと被研磨物とを回転させる。研磨スラリーは、研磨パッドの回転に伴う遠心力によって、中心側から外側に向かって流れ、最終的には研磨パッドの外部に排出される。また、近年では、研磨スラリーを被研磨物の表面に均等かつ十分に行き渡らせて被研磨物を一様で高精度に平坦化すること、高価な研磨スラリーの消費を抑えること、及びスクラッチの原因となる研磨屑を効率的に排出することを達成するために、研磨パッドの研磨面に様々な形状の溝を形成する技術が多用されている。

そして表面に溝が形成された研磨パッドとしては、特許文献１に記載されたものが知られている。

特開２００４−３５８６５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された研磨パッドは、溝の延びる方向と研磨パッドの回転方向が密接に関係しており、研磨時には、特定の一方向にしか回転させることができないものである。そして研磨時に常に研磨パッドを一方向に回転させていると、研磨パッドの研磨面の毛羽が回転方向下流側に向けて倒れてしまう。そして研磨面の毛羽が倒れると、研磨パッド表面の発泡開孔部が塞がり易くなる。そして発泡開孔部が塞がってしまうと、研磨スラリー中のフィラーの保持能力が低下してしまい、研磨パッドの研磨レートが低下するという問題があった。

また、研磨面の目詰まりを解消するためには研磨面の毛羽を立たせるためにコンディショニングを行う必要があるが、従来用いられていた、目詰まりを起こし易い研磨パッドでは、コンディショニングの頻度が比較的高くなり、研磨パッドの寿命が短くなる、という問題があった。

そこで本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、研磨面の目詰まりを抑制することにより研磨パッドの研磨レートが低下するのを抑制することができ、且つ長寿命の研磨パッドを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、円形の研磨面を備え、中心部が円形にくり抜かれたドーナツ状の研磨パッドであって、当該研磨面に形成された複数の環状溝を備え、各々の環状溝は、真円を描き、且つ円形の研磨面の周と接するように配置され、前記研磨面をなす円の半径をＲ、前記くり抜かれた中心部の円の半径をｒ、および前記環状溝の直径をＸとした場合、Ｒ−ｒ≦Ｘ≦Ｒの関係が成り立つことを特徴としている。又は、円形の研磨面を備える研磨パッドであって、当該研磨面に形成された複数の環状溝を備え、各々の環状溝は、真円を描き、且つ円形の研磨面の周と接するように配置され、前記研磨面をなす円の半径をＲ、および前記環状溝の直径をＸとした場合、Ｘ≦Ｒの関係が成り立ち、前記環状溝が、隣接する環状溝と接するか又は交差していることを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、真円を描き、円形の研磨面の周と接するように配置された複数の環状溝を有する研磨パッドを提供することができる。そしてこのような研磨パッドの環状溝は、研磨パッドを何れの方向に回転させた場合でも、好適に研磨スラリーを排出し、且つ保持することができる。即ち、真円を描く環状溝は、研磨パッドの円形状面の半径に対して線対象に配置され弧状に延びる２つの半環状溝によって構成されることとなる。そしてこのような２つの半環状溝を有する研磨パッドを回転させた場合、一方の半環状溝は、回転方向下流側に向けてその弧を描くため、研磨パッドの中心と研磨パッドの側壁との間に研磨スラリーを分散させることができ、他方の半環状溝は、回転方向上流側に向けてその弧を描くため、研磨パッドの側壁に至ったが排出されなかった研磨スラリーを研磨パッドの中心方向に戻すことができる。また、研磨パッドを逆回転させた場合、上述した他方の半環状溝は回転方向下流側に向けてその弧を描き、一方の半環状溝は回転方向上流側に向けてその弧を描くため、各々の半環状溝が上述した場合と逆の役割を果たす。従って、本発明の研磨パッドは、何れの方向に回転させても研磨スラリーを十分に分散させることができる。よって、本発明の研磨パッドによれば、何れの方向に回転させても研磨スラリーの流動性を低下させることなく高い研磨性能を発揮することができるため、研磨パッドを一方向に回転させ続けることによる目詰まりを抑制することができる。また、研磨パッドを逆回転させられるようにし、回転方向を切り替えることで回転方向下流側に向けて倒れた毛羽を起こすことができる。従って、回転方向を切り替える度にコンディショニングを行う必要がなく、コンディショニングの頻度が高まることによる製品寿命の短命化を抑制することができる。

また、本発明において好ましくは、前記複数の環状溝は、同一の直径を有しており、前記複数の環状溝の中心は、それぞれ、研磨面をなす円と同心の円の円周上に配置され、且つ研磨面をなす円よりも直径が短い円の周上に配置されている。

このように構成された本発明によれば、環状溝の中心から円をなす研磨面の中心までの距離を、全ての環状溝において同一とすることができる。これにより、環状溝、ひいては半環状溝を研磨面上により均一に配置することができ、研磨スラリーをより均一に研磨面上に分散させることができる。

また、本発明において好ましくは、前記複数の環状溝のうちの一つの環状溝は、前記複数の環状溝のうちの他の環状溝と、前記研磨面をなす円の直径に対して線対称になるように配置されている。

このように構成された本発明によれば、環状溝、ひいては半環状溝を研磨面上にさらに均一に配置することができ、研磨スラリーをさらに均一に研磨面上に分散させることができる。

これらの場合において、前記複数の環状溝は、３個乃至１６個の環状溝を有することが好ましい。

このように構成された本発明によれば、環状溝の数を少なくとも３個とすることにより、研磨スラリーを十分に分散させることができる。また、環状溝の数を多くとも１６個とすることにより、研磨パッドの中心付近において溝の密度が高くなって研磨スラリーが滞留するのを抑制することができ、且つ研磨スラリーが滞留し易い環状溝同士の交点を少なくすることができる。

以上のように本発明によれば、研磨面の目詰まりを抑制することにより研磨パッドの研磨レートが低下するのを抑制することができ、且つ長寿命の研磨パッドを提供することができる。

本発明の実施形態による研磨パッドが適用されている両面研磨装置を示す断面図である。 本発明の実施形態による研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。 図２の領域IIIの拡大図である。 本発明の実施形態による研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。 本発明の実施形態による研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。 本発明の実施形態の変形例による研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。 本発明の実施形態の変形例による研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。 本発明の実施例及び比較例による研磨パッドの研磨レートの推移を示すグラフである。 本発明の実施例及び比較例による研磨パッドの研磨レートの平均値と標準偏差を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による研磨パッドについて説明する。図１は、本発明の実施形態による研磨パッドが適用されている両面研磨装置を示す断面図である。

先ず、図１に示すように、両面研磨装置１は、ＣＭＰ法により被研磨物３の面を平坦化するものである。両面研磨装置１は、回転軸周りに回転する一対の研磨定盤５と、研磨定盤５の上面に固定された研磨パッド７と、被研磨物３を保持するための保持具１３とを備えている。両面研磨装置１は、対向する研磨定盤５の面に各々研磨パッド７をセットし、対向する研磨パッド７の間に、被研磨物３が配置される。

このような両面研磨装置１は、図示しない研磨スラリー供給装置から研磨パッド７の研磨面９の中心近傍に研磨スラリーを供給しながら、研磨定盤５をシャフト１５周りに回転させながら、保持具１３を中心周りに回転させることによって保持具１３によって保持された被研磨物３の研磨パッド７と接触している面を平坦化するようになっている。

研磨定盤５は、金属製であり、円板形状を有している。研磨定盤５の一方の面は、研磨パッド７が貼り付けられる貼付面を構成しており、この貼付面は、実質的に平らである。一対の研磨定盤５は、その中心を通る一本のシャフト１５に固定されており、このシャフト１５を回転させることによってシャフト１５周りに回転する。

保持具１３は、被研磨物３よりも大きい直径を有し、固い定盤に、例えば軟質プラスチック製の保持パッドを貼り付けて構成されている。定盤の外周には、シャフト１５の外周の歯車と噛み合う歯車が形成されており、定盤は、シャフト１５を回転させることによってシャフト１５周りで公転しながら定盤の中心周りで自転する。

研磨パッド７は、例えばイソシアネート基含有化合物を含むプレポリマーと硬化剤との反応により硬化して成形される乾式法により製造される硬質ポリウレタン製のパッドであり、内部に無数の気泡を有している。この気泡は、研磨パッド７の研磨面９に向けて開孔している。また、研磨パッド７は、研磨定盤５とほぼ同一の外径を有するドーナツ形状とされる。そしてドーナツ形状の研磨パッド７の一方のドーナツ状面が研磨面９を構成している。また、研磨パッド７は、研磨定盤５に対して着脱可能に貼り付けられている。そして一対の研磨定盤５に貼り付けられた研磨パッド７は、同一の構成を有している。

図２は、研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。研磨パッド７の研磨面９には、複数の環状溝１９が形成されている。環状溝１９は、研磨パッド７を研磨面側から見たときに、環を描くように延びている溝である。環状溝１９は、研磨パッドを矢印Ａ方向又は矢印Ｂ方向に回転させたときに、研磨スラリーを保持し分散させるために形成されている。環状溝１９は、真円を描くように延びており、その直径が研磨面９の中央近傍から外周に至るように位置決めされている。環状溝１９の断面形状としては、Ｖ字、矩形、半円形等、公知のあらゆる断面形状を採用することができる。

複数の環状溝１９は、各々同一の直径を有し、研磨面９の中心を取り囲むように配置されており、図２に示す例では、３個の環状溝１９を等角度間隔で配置した研磨パッド７を示している。環状溝１９の個数は、３個乃至１６個、好ましくは４個乃至８個の範囲で適宜選択可能である。これは、環状溝１９の数が少なすぎると研磨スラリーを研磨面９の全面に十分に行き渡らせることができず、一方で環状溝１９の数が多すぎると研磨面９の中心近傍において溝の密度が高くなってしまい、又は環状溝１９同士の交点の数が増えてしまうことにより研磨スラリーの流動性が低下して滞留し易くなるからである。また、複数の環状溝１９を、研磨面９をなす円の或る直径に対して線対称に配置することが好ましい。これにより、研磨面９上の溝の分布、ひいては研磨スラリーの分布をより均一にすることができる。

複数の環状溝１９は、その環の直径の長さＸが、研磨面９の半径Ｒおよびくり抜かれた円の半径ｒの長さに対してＲ−ｒ≦Ｘ≦Ｒの関係が成り立つように寸法決めされている。そして複数の環状溝１９の中心は、研磨面９をなす円と同心の円の周上に位置決めされている。これにより、全ての環状溝１９の中心から、円をなす研磨面９の中心までの距離が同一になり、環状溝１９を規則的に配置することができる。また、環状溝１９の半径は、隣接する環状溝１９同士が接するか、又は２点で交差するように設定することが好ましい。隣接する環状溝１９同士を接するようにし、又は２点で交差するようにすることで、環状溝１９同士が接続され、研磨スラリーの流動性を高めることができる。ここで、隣接する環状溝１９同士が接する、とは、隣接する環状溝１９の中心線同士が接しており、又はほぼ接していることにより、環状溝１９同士が連通していることをいう。

図３は、図２の領域IIIの拡大図である。図３に示すように環状溝１９は、円をなす研磨面９の周と接するように配置されている。ここで、環状溝１９が円をなす研磨面９の周と接する、とは、環状溝１９の中心線が研磨面９の周と接しており、又はほぼ接していることにより、環状溝１９が研磨パッド７の側面において研磨パッド７の径方向外方に向けて開口していることをいう。

また、図２に示すように、環状溝１９を真円とすることにより、環状溝１９を、実質的に中心角がπの半環状溝１９ａ及び半環状溝１９ｂによって構成されたものとみなすことができる。半環状溝１９ａと半環状溝１９ｂは、環状溝１９を通過する研磨面９の半径を基準に線対称に配置されている。各々の半環状溝１９ａ及び１９ｂは、研磨面９の中心近傍から外周まで延び、研磨パッド７の周壁に開口している。また、研磨パッド７を矢印Ａ方向に回転させたときに、半環状溝１９ａは、回転方向下流側に位置し回転方向下流側に向けてその弧を描くため、研磨スラリーを分散させる役割を果たし、反対に矢印Ｂ方向に回転させたときに、半環状溝１９ａは、回転方向上流側に位置し回転方向上流側に向けてその弧を描くため、研磨スラリーを中心方向に戻す役割を果たす。一方で、研磨パッド７を矢印Ａ方向に回転させたときに、半環状溝１９ｂは、回転方向上流側に位置し回転方向上流側に向けてその弧を描くため、研磨スラリーを中心方向に戻す役割を果たし、反対に矢印Ａ方向に回転させたときに、半環状溝１９ｂは、回転方向下流側に位置し回転方向下流側に向けてその弧を描くため、研磨スラリーを分散させる役割を果たす。

次に、本実施形態による研磨パッド７の作用について詳述する。図４は、本実施形態による研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。

被研磨物３を研磨する場合、先ず、図１に示すように、一対の研磨定盤５の各々に研磨パッド７を装着する。そしてドレッサを用いて研磨パッド７の表面をコンディショニングし、その後、一対の研磨定盤５及び研磨パッド７の間に、間に保持具１３が介在している被研磨物３の対をセットする。次いで、研磨パッド７の研磨面９に研磨スラリーを供給しながら、研磨定盤５を回転させる。

図４に示すように研磨パッド７を矢印Ａ方向に回転させながら被研磨物３を研磨すると、研磨スラリー供給装置から研磨面９の中心付近に滴下された研磨スラリーは、遠心力によって研磨面９の径方向に拡散する。そして大部分の研磨スラリーは、環状溝１９内に流入して被研磨物３と研磨面９との間を流れる。環状溝１９内に流入した研磨スラリーは、回転方向下流側に向けてその弧を描く半環状溝１９ａ内に流れ込み遠心力によって、半環状溝１９ａに沿って研磨面９の外径方向に流れる。そして研磨スラリーが半環状溝１９ａの終端部、即ち研磨パッド７の周壁に対して開口している部分に到達すると、一部の研磨スラリーは研磨面９の径方向に排出され、残りの研磨スラリーは、回転方向上流側にある半環状溝１９ｂ内に入る。そして半環状溝１９ｂ内に入った研磨スラリーは、遠心力によって、半環状溝１９ｂに沿って研磨面９の中心方向に戻る。このように、研磨面９に環状溝１９を形成することにより、研磨スラリーを適度に保持し、且つ適度に排出することができる。

また、矢印Ａ方向に研磨パッド７を回転させて研磨し続けると、研磨面９と被研磨物３との摩擦によって研磨面９のポリウレタンの毛羽２１が回転方向上流側に向けて倒れてしまい、研磨パッド７の研磨面の発泡開孔部が塞がって目詰まりが発生し易くなる。

そこで、或る程度研磨を行った後、目詰まりを起こす前に、図５に示すように研磨パッド７の回転方向を矢印Ｂ方向への回転に切り替える。

研磨パッド７を矢印Ｂ方向に回転させると、環状溝１９内に流入した研磨スラリーは、回転方向下流側に向けてその弧を描く半環状溝１９ｂ内に流れ込み、半環状溝１９ｂに沿って研磨面９の外径方向に流れる。そして研磨スラリーが半環状溝１９ｂの終端部に到達すると、一部の研磨スラリーは研磨面９の径方向に排出され、残りの研磨スラリーは回転方向上流側にある半環状溝１９ａ内に入る。そして半環状溝１９ａ内に入った研磨スラリーは、半環状溝１９ａに沿って研磨面９の中心方向に戻る。

また、矢印Ｂ方向に研磨パッド７を回転させて研磨を行い続けると、研磨面９と被研磨物３との摩擦によって倒れていた毛羽２１が立ち上がる。従って、研磨パッド７の回転方向を切り替える際に、コンディショニングを行って毛羽２１を立ち上がらせる必要がないか、またはコンディショニングを行ったとしても短時間のコンディショニングを行えば足りる。そして矢印Ｂ方向に研磨パッド７を回転させ続けると、研磨面９のポリウレタンの毛羽２１が回転方向上流側に向けて倒れる。この場合には、目詰まりを起こす前に、再び研磨パッド７の回転方向を切り替えて研磨パッド７を矢印Ａ方向に回転させる。

以上のように研磨パッド７は、矢印Ａ方向または矢印Ｂ方向の何れの方向に回転させても目詰まりを起こすことなく研磨を行うことができる。そして研磨パッド７の研磨面９には、研磨面９の半径に対して線対象な半環状溝１９ａ及び１９ｂが形成されているため、目詰まりを起こし難くなり、その結果、研磨レートの低下を抑制することができる。また、研磨パッド７は、真円を描く環状溝１９を有しているので、回転方向を切り替えたとしても研磨スラリーの保持性能及び分散性能が低下しない。従って本実施形態にかかる研磨パッド７によれば、何れの方向に回転させたとしても研磨スラリーの流動性を保つことができるためスクラッチの発生を抑制することができる。

また本実施形態にかかる研磨パッドは、何れの方向に回転させたとしても研磨スラリーの排出量を適度に抑制することができるため、高価な研磨スラリーの消費を抑制することができる。

次に、上述の実施形態の変形例について説明する。

図６及び図７は、変形例による研磨パッドを研磨面側から見た平面図である。なお、説明の便宜上、研磨パッド、研磨面、及び環状溝には、上述した実施形態の参照符号と同一の参照符号が付してある。

図６（ａ）に示すように、３個の環状溝１９の直径を、研磨面９の直径と同一にし、環状溝１９が研磨面９の中心Ｃで交差するように環状溝１９を配置してもよい。また、環状溝１９の数は３個に限られるものではなく、図６（ｂ）に示すように、環状溝１９を４個設けても良いし、それ以上設けても良い。これらの場合、環状溝１９の直径Ｘと、研磨面９をなす円の半径Ｒとの間でＸ≦Ｒの関係が成り立つ。

また、図７（ａ）に示すように、複数の環状溝１９を、研磨面９の内周と外周に接するように位置決めすることができる。この場合、全ての環状溝１９は、１箇所で研磨面９の中心Ｃ方向に開口し、１箇所で研磨面９の径方向に開口している。また、図７（ｂ）に示すように、一端、全ての環状溝１９が研磨面９の中心Ｃで重複するように位置決めし、その後中心近傍をくり抜いて研磨パッド７を形成してもよい。この場合、全ての環状溝１９は、２箇所で研磨面９の中心Ｃ方向に開口し、１箇所で研磨面９の径方向に開口している。これらの場合も、研磨面９をなす円の半径Ｒと、環状溝１９の直径Ｘと、くり抜かれた中心部の円の半径ｒとの間で、Ｒ−ｒ≦Ｘ≦Ｒの関係が成り立つ。

なお、本発明は、上述の実施形態及びその変形例に限られるものではなく、上述の実施形態及びその変形例の各構成は適宜変更することができる。

特に、環状溝の数は、適宜選択することができ、例えば図７に示したドーナツ状の研磨パッド７に３個の溝を設けても良いし、図２、図６等に示した円板の研磨パッドに対して８個の溝を設けても良い。

また、上述の実施形態では、両面研磨装置に研磨パッドを適用した例を挙げて詳細な説明を行ったが、本発明にかかる研磨パッドは、片面研磨装置にも適用可能である。

以下、本発明の実施例及び比較例について詳述する。

実施例及び比較例では、表１に示す研磨パッドを用意し、用意した研磨パッドを用いてシリコンウェーハの表面を研磨した。

研磨装置としては、不二越機械工業社製の両面研磨装置を用い、研磨スラリーとしては、株式会社フジミインコーポレーテッドのコロイダルシリカタイプを用いた。

研磨時には、研磨圧を１５０ｇ／ｃｍ²に設定して保持定盤によって直径３００ｍｍのシリコンウェーハを研磨パッドに押し当て、シリコンウェーハを一方向に自転させながら、研磨パッドを中心回りで自転させた。研磨時には、ドレッサによって研磨パッドの表面をコンディショニングした後に、研磨パッドを、シリコンウェーハの回転方向と逆方向（以下、「逆回転方向」）に回転させて１バッチ（５枚のシリコンウェーハ）を順次研磨し、コンディショニングを行わずに、研磨パッドの回転方向を切り替えてシリコンウェーハの回転方向と同一方向（以下、「正回転方向」という）に回転させながら次の１バッチを研磨した。そして各研磨パッドについて合計１０バッチのシリコンウェーハの研磨を行った。

次いで、実施例及び比較例１から３の全ての研磨パッドについて、同一の条件でシリコンウェーハを研磨し、シリコンウェーハの厚みを、黒田精工社製のNanometoro300TT-Aを用いて測定し、研磨レートを算出した。

実施例及び比較例１から３の研磨パッドによる研磨レートの推移を図８に示し、研磨レートの平均値とその標準偏差を図９に示す。

図８に示すように実施例にかかる研磨パッドの研磨レートは、逆回転方向及び正回転方向の二方向に交互に回転させたとしても研磨レートの推移は殆ど生じなかった。これに対して比較例１から３にかかる研磨パッドは、回転方向を切り替える度に研磨レートが激しく変化した。

また、実施例にかかる研磨パッドの研磨レートの標準偏差は、比較例１から３にかかる研磨レートの標準偏差よりも低い。従って、実施例にかかる研磨パッドの研磨レートの推移は、比較例１から３にかかる研磨パッドの研磨レートの推移よりも小さいことが分かる。

７ 研磨パッド
９ 研磨面
１９ 環状溝

Claims (6)

1. 円形の研磨面を備え、中心部が円形にくり抜かれたドーナツ状の研磨パッドであって、 当該研磨面に形成された複数の環状溝を備え、
   各々の環状溝は、真円を描き、且つ円形の研磨面の周と接するように配置され、
   前記研磨面をなす円の半径をＲ、前記くり抜かれた中心部の円の半径をｒ、および前記環状溝の直径をＸとした場合、Ｒ−ｒ≦Ｘ≦Ｒの関係が成り立つことを特徴とする研磨パッド。
2. 円形の研磨面を備える研磨パッドであって、
   当該研磨面に形成された複数の環状溝を備え、
   各々の環状溝は、真円を描き、且つ円形の研磨面の周と接するように配置され、
   前記研磨面をなす円の半径をＲ、および前記環状溝の直径をＸとした場合、Ｘ≦Ｒの関係が成り立ち、
   前記環状溝が、隣接する環状溝と接するか又は交差していることを特徴とする研磨パッド。
3. 前記複数の環状溝は、同一の直径を有しており、
   前記複数の環状溝の中心は、それぞれ、研磨面をなす円と同心の円の円周上に配置され、且つ研磨面をなす円よりも直径が短い円の周上に配置されている、請求項１又は２に記載の研磨パッド。
4. 前記複数の環状溝のうちの一つの環状溝は、前記複数の環状溝のうちの他の環状溝と、前記研磨面をなす円の直径に対して線対称になるように配置されている、請求項１乃至３の何れか１項に記載の研磨パッド。
5. 前記複数の環状溝は、３個乃至１６個の環状溝を有する、請求項１乃至４の何れか１項に記載の研磨パッド。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の研磨パッドを用いた被研磨物の研磨方法であって、
   前記研磨パッドを研磨装置に装着する工程と、
   前記研磨パッドの表面をドレッサによってコンディショニングする工程と、
   研磨スラリーを研磨装置から前記研磨パッドの研磨面に供給する工程と、
   前記研磨パッドを被研磨物に押し当て、所定方向に回転させる工程と、
   および、前記回転工程に引き続いて前記研磨パッドを前記回転方向とは逆方向に回転させる逆回転工程とを備えることを特徴とする研磨方法。

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