JP6283940B2 - 研磨パッド - Google Patents

Description

本発明は、研磨パッドに関し、特に、研磨面に溝が形成された研磨パッドに関する。

従来から、ベアシリコン、半導体デバイス、磁気ディスクの製造工程において、被製造物の表面を研磨するために化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）が用いられている。ＣＭＰプロセスでは、研磨パッドの表面を被研磨物の表面に押し当てて回転させる機械的研磨作用と、アルカリ溶液又は酸溶液に砥粒を分散させた研磨スラリーを被研磨物と研磨パッドとの間に供給し、研磨スラリーによる化学的研磨作用とを同時に実現することで、被研磨物の平坦化を行っている。

また、半導体（ＬＳＩ）の製造工程において、ＣＭＰプロセスは層間絶縁膜、メタル配線、素子分離にも応用され必要不可欠な技術となっている。半導体製造に要求される項目は年々増しており、その品質要求も厳しいものとなってきている。ＣＭＰで用いられる研磨パッドは、スラリーとともに消耗剤として必要不可欠な材料であり、ＣＭＰプロセスに大きな影響を及ぼす。そして、研磨対象の膜、構造等それぞれのプロセスに応じて使い分けられ、生産性を向上させるため高い研磨レートが要求される。

さらに、ＣＭＰで用いられる研磨パッドには、生産性、及びコスト面から、１枚当たりのワーク処理枚数を増加させることが望まれている。１枚当たりのワーク処理枚数を増加させるためには、研磨パッドの摩耗を抑制したり、研磨パッドの目詰まりによる研磨レートの低下を抑制したりする必要がある。そして研磨パッドの摩耗及び研磨レートを向上させるために、研磨パッドの研磨面に研磨スラリーを流すための溝を形成することが知られている（例えば、特許文献１〜３）。

特開２００４−１４０１３０号公報 特開２０１１−１７７８８４号公報 特開２０１３−３５１０８号公報

特許文献１〜３には、格子パターン、ハニカムパターン、放射状パターンのような様々な溝パターンを形成することが記載されている。

しかしながら、格子パターン又はハニカムパターンの溝を用いた場合、研磨パッドの中心部近傍に供給された研磨スラリーが、中心から径方向外側に流れるときに、溝同士の交差点を繰り返し通過して研磨パッドの径方向に排出される。そして、溝同士の交差点は、複数の方向から研磨スラリーが流れ込むようになっているため、交差点において研磨スラリーの流動性が低下し易く研磨レート低下の原因となってしまう。また、研磨スラリーの流動性が面内でばらつくため、研磨抵抗の違いによりパッドの摩耗量が面内で不均一なものとなり、パッドの使用寿命を早める原因となってしまう。

また、研磨面の中心から放射状に延びる複数の溝を形成した放射状パターンを用いた場合、研磨スラリーの流動性が高いため、研磨レートが低下しにくい。しかしながら、放射状パターンの溝を用いた場合、研磨スラリーがすぐに排出されてしまうため、研磨スラリーの分散性及び保持性が低く、高価な研磨スラリーを大量に消費してしまう、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、溝内のスラリー流動性を良化して研磨レートを高めることができ、かつ研磨スラリーの分散性及び保持性を高めパッドの使用寿命を向上させた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、研磨面に研磨スラリーを流すための溝が形成された研磨パッドであって、前記溝は、径方向に延びる径方向溝、及び該径方向溝とＴ字をなすように径方向溝の径方向外側端部と交差する周方向溝の組み合わせで形成されるＴ字状部分を備えている。

このように構成された本発明によれば、径方向溝と、周方向溝とは、Ｔ字をなすように交差し、径方向溝から周方向溝への一方通行の研磨スラリー流を作り出すことができる。これにより、径方向溝と周方向溝との交差点において、複数方向からの研磨スラリー流が衝突して研磨スラリーの流動性が低下するの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、前記溝は、前記Ｔ字状部分を複数備え、複数のＴ字状部分の周方向溝同士は、互いに連結されて円形溝を形成しており、該第１の円形溝の径方向外側には、更に、複数のＴ字状部分の周方向溝同士を互いに連結した円形溝が複数個形成されている。

このように構成された本発明によれば、簡単な構造の溝によって、流動性を高めることができ、かつ研磨スラリーの分散性・保持性を高めることができる。

この場合において、研磨パッドの径方向内側にある円形溝に連結されている径方向溝の数は、研磨パッドの径方向外側にある円形溝に連結されている径方向溝の数よりも少ないことが好ましい。

このように構成された本発明によれば、研磨パッドの回転時に遠心力が弱くなる研磨パッドの径方向内側において径方向溝の数を少なくし、遠心力が強くなる研磨パッドの径方向外側において径方向溝の数を多くすることができる。これにより、径方向外側における径方向溝の密度を高めることができ、研磨スラリーの量を、研磨パッドの全面にわたってより均一にすることができる。

また、本発明において、好ましくは、径方向外側に向かうにつれて、溝の間に形成されているランド部分の頂面の面積が大きくなっている。

このように構成された本発明によれば、遠心力が加わり易い、径方向外側にあるランド部分の頂面の面積を大きくすることにより、径方向外側にあるランド部分の剛性を高めることができる。これにより、遠心力が加わり易い、径方向外側にあるランド部分が研磨時に破損するの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、前記溝は、エンボス加工によって形成されている。

このように構成された本発明によれば、エンボス加工を用いて溝を形成することにより、溝の側面、即ち溝の底部からランド部分の頂面との間に延びる面を、なだらかな傾斜面とすることができる。このような傾斜面を形成することにより、溝内の研磨スラリーがランド部分の頂面に向けて流れやすくなる。そして、これにより、ランド部分の頂面、即ち被研磨物と直接接触する面に十分な量の研磨スラリーを供給することができる。

以上のように、本発明によれば、溝内のスラリー流動性を良化して研磨レートを高めることができ、かつ研磨スラリーの分散性及び保持性を高めパッドの使用寿命を向上させることができる。

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の上面図である。 図２の領域IIIの拡大図である。 図３のIV-IV面の断面図である。

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研磨装置を示す断面図である。

先ず、図１に示すように、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。研磨装置１は、回転軸周りに回転する研磨定盤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定盤９とを備えている。研磨装置１では、研磨定盤５の面に研磨パッド７をセットし、研磨パッド７と保持定盤９の間に、被研磨物３が配置される。また、研磨装置１は、研磨パッド７の研磨面の改質を行うためのドレス処理装置１１を備えている。

このような研磨装置１は、研磨スラリー供給装置１３から研磨パッド７の研磨面１５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１７周りに回転させながら、保持定盤９を中心周りに回転させることによって、保持定盤９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、金属製又はセラミック製であり、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。研磨定盤５は、その中心を通る一本のシャフト１７に固定されており、このシャフト１７を回転させることによってシャフト１７周りに回転する。

保持定盤９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。保持定盤９は、その中心を通る一本のシャフト１９に固定されており、このシャフト１９を回転させることによって、研磨面１５上で、シャフト１７周りに回転する。

研磨パッド７は、湿式凝固法により製造されたものである。湿式凝固法では、先ず、ポリウレタン樹脂とＤＭＦを混合し、これを所定の基材上に塗布する。そして基材を凝固浴に沈めることによって樹脂を水中で凝固再生させる。基材を凝固浴に沈めると、樹脂が水と接触している面から徐々に凝固が始まり、水と接触している面付近の樹脂が所謂スキン層を構成する。また、樹脂の凝固中、凝固浴内の水が樹脂との接触面から樹脂内に入り込むため、樹脂内には空間が形成される。凝固浴内の水によって形成される樹脂内の空間は、スキン層から厚さ方向に向けて垂れるような涙形となる。成膜後の樹脂シートから形成した研磨パッド７は、研磨定盤５とほぼ同一の外径を有する円形状とされる。そして円形状の研磨パッド７の一方の面が研磨面１５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。

図２は、研磨パッド７の上面図である。図２に示すように、研磨パッド７の研磨面１５には、溝２１が形成されており、溝２１の間には、その頂面が研磨時に被研磨物３と接触するランド部分２３が形成されている。溝２１は、例えばエンボス加工、又は切削加工によって研磨面１５に形成されている。溝２１は、研磨パッド７の中心と同心に配置された、複数の周方向溝２１ａと、隣接する周方向溝２１ａ同士を連結し、研磨面１５の径方向に延びる径方向溝２１ｂとを備えている。図２に示す例では、研磨パッド７は、１６本の周方向溝２１ａを備えている。そして、径方向溝２１ｂは、隣接する周方向溝２１ａの間で延びる線分として形成されており、一端（内側端）が、隣接する周方向溝２１ａのうち、径方向内側にある周方向溝２１ａと交差し、他端（外側端）が、径方向外側にある周方向溝２１ａと交差している。そして、径方向溝２１ｂ同士は、直接連結されておらず、全ての径方向溝２１ｂの両端は、周方向溝２１ａと連結されている。また、径方向溝２１ｂの配置を一様にするために、径方向溝２１ｂは、径方向外側に向かうにしたがって、研磨面１５の中心に対して等角度間隔でずれて配置されていることが好ましい。このように径方向溝２１ｂを配置することにより、径方向溝２１ｂは、周方向溝２１ｂの間のランド部２３を挟んで、実質的に直線上に配置され、これにより、研磨パッド７の特定の半径上では、径方向溝２１ｂと、ランド部２３とが交互に配置されることになる。

また、隣接する周方向溝２１ａの間に延びる径方向溝２１ｂの本数は、全ての周方向溝２１ａの間において同一であってもよく、また、図２に示す例のように、径方向内側にある周方向溝２１ａの間の径方向溝２１ｂの本数を少なくし、径方向外側にある周方向溝２１ａの間の径方向溝２１ｂの本数を多くしてもよい。具体的には、図２に示す例では、径方向内側から数えて１〜５個目の５本の周方向溝２１ａの間で延びる径方向溝２１ｂの本数は、１２本であり、５個目と６個目の周方向溝２１の間、及びそれよりも径方向外側にある周方向溝２１ａの間にある径方向溝２１ｂの本数は、３６本である。

そして、周方向溝２１ａと、径方向溝２１ｂとを上述した方法で連結することによって、１本の径方向溝２１ｂの外側端は、ランド部分２３の径方向内側の側面によって遮られるようになる。そして、１本の径方向溝２１ｂと、そこに連結された周方向溝２１ａの一部によって、実質的にＴ字状の部分が形成される。

なお、図２に示す例では、径方向溝２１ｂが、研磨面１５の径方向に延びる線分によって構成されているものとしているが、径方向溝２１ｂは、隣接する周方向溝２１ａ同士の間で研磨スラリーを流すことができればどのような形状であってもよく、例えば、周方向に一定の曲率で湾曲した形状であってもよい。

図３は、図２の領域IIIの拡大図である。

図３に示すように、径方向溝２１ｂと、周方向溝２１ａとの交差部に形成されるＴ字状部分では、径方向溝２１ｂが、ランド部分２３の側面によって遮られている。これにより、径方向溝２１ｂ内を、研磨面１５の中心から流れてきた研磨スラリーの流れは、ランド部分２３の側面によって遮られ、周方向溝２１ａに流れ込む。従って、径方向溝２１ｂ内の研磨スラリーは、滴下されてから直ちに研磨面１５の径方向外側に排出されることはない。

図４は、図３のIV-IV面の断面図である。

溝２１をエンボス加工によって形成した場合、図４に示すように、溝２１の低面と、ランド部分２３の頂面との間にあるランド部分２３の側面が、なだらかな斜面を形成する。そしてこのように、エンボス加工を用いてランド部分２３の側面をなだらかな斜面とすることにより、溝２１内を流れている研磨スラリーが、ランド部分２３の頂面に流れやすくなる。これにより、実質的に研磨を行うランド部分２３の頂面に、十分な量の研磨スラリーを供給することができる。

以上のように本発明の実施形態による研磨パッドによれば、径方向溝２１ｂと、周方向溝２１ａとを、Ｔ字をなすように交差させ、径方向溝２１ｂから周方向溝２１ａへの一方通行の研磨スラリー流を作り出すことができる。これにより、径方向溝２１ｂと周方向溝２１ａとの交差点において、複数方向からの研磨スラリー流が衝突して研磨スラリーの流動性が低下するのを抑制することができる。また、径方向溝２１ｂ内を流れる研磨スラリーをそのまま径方向に流さず、周方向溝２１ａによって周方向に流すことにより、研磨スラリーの分散性を高めることができ、かつ、径方向にそのまま排出されないようにすることによって研磨スラリーの保持性を高めることができる。さらにまた、放射状の直線溝では周方向に移動する被研磨物３に対して、直線溝が直交する方向に、研磨面を横切って延びることとなる。この場合、被研磨物３が、径方向に延びる溝を挟んで回転方向下流側のランド部から回転方向上流側のランド部に移行する際に、被研磨物３の角が、回転方向上流側のランド部のエッジに衝突し、被研磨物３の外周部形状を悪化させたり、直線溝エッジ部の摩耗量を大きくさせたりしてしまう。これは、回転方向下流側のランド部の沈み込みが、回転方向上流側のランド部の沈み込みよりも大きく、被研磨物３が低い位置で、回転方向上流側のランド部に接触することに起因する。これに対して、本実施形態による研磨パッドでは、径方向溝２１が周方向溝２１ｂの間のランド部２３を挟んで配置されるため、回転方向下流側のランド部２３の過度な沈みこみを抑えることができる。これにより、被研磨物３の外周部形状の悪化や、パッドの過度な摩耗を防止することができる。

また、同心状に配置された複数の周方向溝２１ａを、径方向溝２１ｂによって連結することによって、簡単な構造の溝２１を形成し、これにより流動性を高めることができ、かつ研磨スラリーの分散性・保持性を高めることができる。

また、径方向溝２１ｂの数を、径方向内側において少なくし、径方向外側において多くすることにより、径方向外側における径方向溝２１ｂの密度を高めることができ、研磨スラリーの量を、研磨パッド７の全面にわたってより均一にすることができる。

また、図２に示す例のように、径方向内側から５個目と６個目の周方向溝２１の間、及びそれよりも径方向外側にある周方向溝２１ａの間にある径方向溝２１ｂの本数を同一にすることにより、径方向内側から５個目の周方向溝２１ａよりも外側に向かうにつれて、溝２１の間に形成されているランド部分２３の頂面の周方向の幅、ひいては面積が大きくなる。これにより、遠心力が加わり易い、径方向外側にあるランド部分２３の頂面の面積を大きくすることができ、径方向外側にあるランド部分２３の剛性を高めることができる。そして、ランド部分２３の剛性を高めることにより、遠心力が加わり易い、径方向外側にあるランド部分２３が研磨時に破損するのを抑制することができる。

また、溝２１をエンボス加工によって形成することにより、溝２１の底部からランド部分２３の頂面との間に延びる面を、なだらかな傾斜面とすることができる。このような傾斜面を形成することにより、溝２１内の研磨スラリーがランド部分２３の頂面に向けて流れやすくなる。そして、これにより、ランド部分２３の頂面、即ち被研磨物と直接接触する面に十分な量の研磨スラリーを供給することができる。

以下、本発明の実施例について詳述する。

（実施例１）
３０質量％のポリエステルＭＤＩ（ジフェニルメタンジイソシアネート）ポリウレタン樹脂（ＤＩＣ（株）社製、商品名「クリスボン」、１００％モジュラス：６ＭＰａ、流動開始温度：１９５℃）のＤＭＦ溶液１００質量部に対して、顔料であるカーボンブラックを２０質量％含むＤＭＦ分散液を２０質量部、疎水性活性剤を２質量部、親水性活性剤を２質量部を混合して、樹脂溶液を調製した。樹脂溶液の２５℃での粘度をＢ型回転粘度計（東機産業株式会社製、商品名「ＴＶＢ−１０型」）を用いて測定したところ、７０ｄＰａ・ｓであった。次に、成膜用基材として、ＰＥＴフィルムを用意し、そこに、上記樹脂溶液を、ナイフコータを用いて塗布し、厚さ１．5ｍｍの塗膜を得た。

次いで、得られた塗膜を成膜用基材と共に、凝固液である水からなる室温の凝固浴に浸漬し、樹脂を凝固再生して樹脂シートを得た。樹脂シートを凝固浴から取り出し、ＰＥＴフィルムを樹脂シートから剥離した後、樹脂シートを水からなる７５℃の洗浄液（脱溶剤浴）に浸漬し、溶媒であるＤＭＦを除去した。その後、樹脂シートを乾燥しつつ巻き取った。次に、樹脂シートの表面（成膜用基材に接触してない面）に対してバフ処理を施した。基材である不織布（厚さ：１ｍｍ）と樹脂シートを接着剤で貼り合わせ積層体を作製後、積層体の樹脂シートの主面にエンボス加工を施した。その時の加工条件は、加工圧力４．５ＭＰａ、加工（金型）温度１４５℃、加工時間１２０秒であった。エンボス加工後の積層体の非研磨面側に研磨定盤に貼り付けるための離型紙を有する両面テープを貼り合わせた。

こうして、表面に幅１ｍｍ溝ピッチ６ｍｍの周方向溝と、径方向内側から数えて１番目から４番目の周方向溝の間に各々配置された幅１ｍｍの１２本の径方向溝と、それよりも外側の周方向溝の間に各々配置された幅１ｍｍの３６本の径方向溝を備えた研磨パッドを得た。

得られた研磨パッドを、研磨機（（株）荏原製作所製“Ｆ−ＲＥＸ３００”）の定盤に貼り付けた。酸化膜付きのウェハーを加工圧力１７６ｇ／ｃｍ^２、定盤回転数および研磨ヘッド回転数＝７０／７１ｒｐｍ、スラリー（キャボット社製、ＳＳ−２５（ＫＯＨ、ｐＨ１１、Ｓｉｌｉｃａ １２．５ｗｔ％））と純水を１：２の比率で希釈して２００ｍＬ／分の流量で流し、３Ｍ社製ドレッサーで研磨時間の条件で６００枚を研磨した。そして以下の条件により、研磨レート、及び研磨パッド寿命を測定した。

（研磨レート）
研磨レートは、研磨処理前後の膜厚の差である研磨量を、研磨時間で除して表したものであり、研磨加工前後の基板について各々１２１箇所の厚み測定結果の平均値として求めた。なお、厚み測定は、光学式膜厚膜質測定器（ＫＬＡテンコール社製、商品名「ＡＳＥＴ−Ｆ５ｘ」）のＤＢＳモードにて測定した。

（研磨パッド寿命）
研磨パッド寿命は、６００枚研磨後の摩耗量から評価した。６００枚研磨後の摩耗損失量が低いほど寿命の長いパッドである。

また、実施例と同様の方法で研磨パッドを作成し、実施例とは溝パターンを変えた研磨パッドを作成した（比較例１〜３）。

（比較例１）
エンボス加工による溝を形成せず、溝を有していない研磨パッドを作成した。

（比較例２）
エンボス加工により幅１ｍｍ、溝ピッチ４ｍｍの格子パターンの溝を有する研磨パッドを作成した。

（比較例３）
エンボス加工により幅１ｍｍ、溝ピッチ６ｍｍの同心円状の周方向溝と、研磨パッドの中心から外周まで延びる３６本の直線溝とを備えた研磨パッドを作成した。

実施例、及び比較例１〜３にかかる研磨パッドの研磨レート、研磨均一性、及び研磨パッド寿命の測定結果を表１に示す。

（評価結果）
溝を形成していない比較例１の研磨パッドでは、スラリーの循環性が良好ではなく、研磨レートが低いものだった。また格子溝形状の比較例２の研磨パッドは、研磨レートが実施例より劣り、研磨後の研磨パッドには、外周部の４か所に偏摩耗が発生しており、その影響を受けて、ウェハーの研磨均一性が悪化しパッドの摩耗量も実施例に比べ大きかった。さらに、周方向溝と直線溝を有する比較例３の研磨パッドでは、外周側で顕著に放射溝近傍のみにスラリーが供給されてしまい、スラリーの分散性が良好ではないうえ、直線溝付近の摩耗量が大きく実施例の研磨レートに及ばず、パッドの摩耗量も実施例に比べ大きかった。

１ 研磨装置
３ 被研磨物
７ 研磨パッド
２１ 溝
２１ａ 周方向溝
２１ｂ 径方向溝
２３ ランド部

Claims (4)

1. 研磨面に研磨スラリーを流すための溝が形成された研磨パッドであって、
   前記溝は、径方向に延びる径方向溝、及び該径方向溝とＴ字をなすように径方向溝の径方向外側端部と交差する周方向溝の組み合わせで形成されるＴ字状部分を備え、
   前記研磨パッドの径方向内側にある円形溝に連結されている径方向溝の数は、研磨パッドの径方向外側にある円形溝に連結されている径方向溝の数よりも少ない、
   ことを特徴とする研磨パッド。
2. 前記溝は、前記Ｔ字状部分を複数備え、複数のＴ字状部分の周方向溝同士は、互いに連結されて円形溝を形成しており、該第１の円形溝の径方向外側には、更に、複数のＴ字状部分の周方向溝同士を互いに連結した円形溝が複数個形成されている、
   請求項１に記載の研磨パッド。
3. 径方向外側に向かうにつれて、溝の間に形成されているランド部分の頂面の面積が大きくなっている、
   請求項１又は２に記載の研磨パッド。
4. 前記溝は、エンボス加工によって形成されている、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の研磨パッド。

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