JP6360586B1 - Ｃｍｐ装置のウエハ保持用の弾性膜 - Google Patents

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Abstract

【課題】高摺動性及び低粘着性、高撥水性、高耐摩耗性、低硬度、膜本体への高密着性、並びに塗り分け容易性のいずれをも有するＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜を提供する。
【解決手段】ＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜１０は、弾性材料で形成された膜本体１１と、そのウエハ保持側の表面を被覆するように設けられたコーティング層１２とを有する。コーティング層１２は、高分子バインダと、その高分子バインダに分散した非金属粒子とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜に関する。
半導体チップの微細化が進み、その水平方向の寸法が小さくなると共に垂直方向の構造が複雑となり、そのため加工対象のウエハの表面を平坦化させる必要があることから、ウエハの表面を研磨して平坦化するためのＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置が実用化されている。ＣＭＰ装置では、ウエハ保持部材で保持したウエハを研磨パッドに当接させて表面を研磨するが、ウエハ保持部材には、ウエハを均一な圧力で研磨パッドに当接させるためのウエハ保持用の弾性膜が設けられている。また、この弾性膜には、ウエハが密着して剥離不能となって破損するのを防ぐために、膜本体のウエハ保持面にコーティング層が設けられている。例えば、特許文献１には、ウエハ保持面にパリレンコーティング層が設けられたウエハ保持用の弾性膜が開示されている。特許文献２には、ウエハ保持面にフッ素樹脂コーティング層が設けられたウエハ保持用の弾性膜が開示されている。また、ウエハ保持用の弾性膜ではないが、特許文献３には、表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティング層が設けられたゴム製品が開示されている。特許文献４には、表面にシリコーン樹脂コーティング層が設けられたゴムシールが開示されている。
米国特許公開公報２００５／０２２１７３４号 特許第４０８６７２２号公報 特許第３７９１０６０号公報 特開平２−６４１０９号公報
ＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜のコーティング層に求められる特性として、ウエハの剥離不良抑制のための高摺動性及び低粘着性、防汚のための高撥水性、耐久性のための高耐摩耗性、研磨パッドへの均一な圧力での当接を維持するための低硬度、コーティング層の脱落によるウエハの剥離不良抑制及び防汚のための膜本体への高密着性、並びに膜本体への塗り分け容易性が挙げられる。
しかしながら、特許文献１に開示されたパリレンコーティング層では、粘着性が高く、撥水性が低く、硬度が高く、耐摩耗性が低く、加えて、蒸着によるコーティング層であるためにコストが高い。特許文献２に開示されたフッ素樹脂コーティング層では、耐摩耗性が低く、膜本体との密着性が低い。特許文献３に開示されたダイヤモンドライクカーボンコーティング層では、摺動性が低く、撥水性が低く、硬度が高く、膜本体との密着性が低く、加えて、蒸着によるコーティング層であるためにコストが高い。特許文献４に開示されたシリコーン樹脂コーティング層では、摺動性が低く、耐摩耗性が低い。このように特許文献１〜４に開示されたコーティング層には、ＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜のコーティング層に求められる特性の全てを満足するものはない。
本発明の課題は、高摺動性及び低粘着性、高撥水性、高耐摩耗性、低硬度、膜本体への高密着性、並びに塗り分け容易性のいずれをも有するＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜を提供することである。
本発明は、ＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜であって、弾性材料で形成された膜本体と、前記膜本体のウエハ保持側の表面を被覆するように設けられたコーティング層とを有し、前記コーティング層は、高分子バインダと、前記高分子バインダに分散した非金属粒子とを含む。
本発明によれば、膜本体のウエハを保持する表面を被覆するように設けられたコーティング層が、高分子バインダとそれに分散した非金属粒子とを含むことにより、高摺動性及び低粘着性、高撥水性、高耐摩耗性、低硬度、膜本体への高密着性、並びに塗り分け容易性のいずれをも得ることができる。
実施形態に係る弾性膜の断面図である。
以下、実施形態について詳細に説明する。
図１は実施形態に係るＣＭＰ装置Ａのウエハ保持用の弾性膜１０を示す。この実施形態に係る弾性膜１０は、一方側の面が対向するようにＣＭＰ装置Ａに装着され、外部に露出した他方側の面でウエハＳを吸着保持して研磨パッドＰに当接させるように構成されている。なお、以下では、実施形態に係る弾性膜１０の両面の一方側及び他方側をそれぞれ「装置取付側」及び「ウエハ保持側」という。
実施形態に係る弾性膜１０は、その外形を構成する膜本体１１を有する。膜本体１１は、円形部１１ａと、円盤部１１ａの周縁の装置取付側に縦壁状に一体に設けられた筒状部１１ｂと、筒状部１１ｂの上端に連続して内側に延びるように一体に設けられた環状部１１ｃとを有する浅底の円形皿状に形成されている。また、膜本体１１の内側は環状の複数の圧力室に区画されている。
膜本体１１は、弾性材料で形成されている。膜本体１１を形成する弾性材料としては、例えば、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、天然ゴム、フッ素ゴム等の一般的な架橋したゴム材料が挙げられる。膜本体１１を形成する弾性材料は、これらのうちの１種又は２種以上を用いることが好ましく、ウエハＳを均一な圧力で研磨パッドＰに当接させる観点からは柔軟性の高いシリコーンゴムを用いることがより好ましい。シリコーンゴムとしては、例えば、（メタ）アクリロイルオキシ基含有ポリシロキサン、ビニルポリシロキサン、メルカプトアルキル基含有ポリシロキサン等が挙げられる。
実施形態に係る弾性膜１０は、膜本体１１の表面を被覆するように設けられたコーティング層１２を有する。具体的には、コーティング層１２は、膜本体１１の円形部１１ａのウエハ保持側の表面を被覆するように設けられ、その表面によってウエハ吸着面を構成している。コーティング層１２は、摺動性が高められることによるＣＭＰ装置Ａへの装着容易性の観点から、円形部１１ａのウエハ保持側の表面に連続して筒状部１１ｂの外周面をも被覆するように設けられていることが好ましい。一方、ウエハを平滑に研磨するため、膜本体１１の内側の圧力室の圧力を精密にコントロールする必要があるが、膜本体１１の内側にまでコーティング層１２を設けてしまうと、圧力の逃げが起こり、圧力のコントロールが困難になるため、膜本体１１の装置取付側、つまり、円形部１１ａの装置取付側の表面、筒状部１１ｂの内周面、及び環状部１１ｃの両面にはコーティング層１２が設けられていないことが好ましい。
コーティング層１２は、高分子バインダと、その高分子バインダに分散した非金属粒子とを含む。
高分子バインダは、ＵＶ硬化型を含む光硬化型や熱硬化型の被膜で構成されていることが好ましい。かかる高分子バインダとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、シリコーンレジン、変性シリコーンレジン、エポキシ樹脂、アクリルゴム、アクリル樹脂、ウレタンゴム、ウレタン樹脂等が挙げられる。
高分子バインダは、これらのうちの１種又は２種以上を用いることが好ましい。膜本体１１はシリコーンゴムで形成するのが好ましいため、それとの親和性という観点から、高分子バインダは、シリコーンゴムあるいはシリコーンレジンを用いることが好ましく、コーティングの柔軟性という観点からシリコーンゴムを用いるのがより好ましい。シリコーンゴムは、液状シリコーンゴムと固形シリコーンゴムに大別され、溶剤に溶解させることでどちらも用いることが可能であるが、固形シリコーンゴムを溶解させた場合、糸引きを起こしやすいため、液状シリコーンゴムを用いるのがより好ましい。液状シリコーンゴムは、架橋形態により縮合重合型と付加重合型に分かれるが、付加重合型は触媒毒を受けやすく、膜本体１１や非金属粒子の種類が制限されるため、縮合重合型を用いることがより好ましい。縮合重合型の液状シリコーンゴムは、反応機構により例えば酢酸型、アルコール型、オキシム型、アミン型、アミノキシ型、アセトン型、脱水素型、脱水型などに分けられるが、金属に対する腐食性の観点からアルコール型、アセトン型を使用することが特に好ましい。
非金属粒子は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で構成されている。非金属粒子を形成する樹脂としては、例えば、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアセタール系樹脂、フェノール系樹脂等が挙げられる。
フッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」という。）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）、テトラフロオロエチレン−ヘキサフルオロ共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン−ポリクロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が挙げられる。
ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−プロピレン共重合体（ＥＰＲ）等が挙げられる。ポリアミド系樹脂としては、例えば、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ナイロン４６（ＰＡ４６）などの脂肪族ポリアミド；ナイロン６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ナイロン９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）などの半芳香族ポリアミドが挙げられる。ポリアセタール系樹脂としては、例えば、オキシメチレン構造を単位構造にもつホモポリマーや共重合体が挙げられる。フェノール系樹脂としては、例えば、ノボラック型フェノール樹脂やレゾール型フェノール樹脂等が挙げられる。
非金属粒子は、これらのうちの１種又は２種以上を用いることが好ましく、非粘着性、高摺動性及び高撥水性を得ることができる観点から、フッ素系樹脂を用いることが好ましく、ＰＴＦＥを用いることがより好ましい。
非金属粒子の平均粒子径は、高摺動性を得ることができる観点から、好ましくは０．０１μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下である。非金属粒子の平均粒子径はレーザー回折散乱法により求められる。
コーティング層１２における非金属粒子の含有量は、高摺動性及び高撥水性を得ることができる観点から、高分子バインダ１００質量部に対して、好ましくは２５質量部以上５００質量部以下、より好ましくは６０質量部以上１２０質量部以下である。
コーティング層１２は、帯電防止剤を含有していてもよい。帯電防止剤としては、例えばイオン液体が挙げられる。かかるイオン液体としては、例えば、イオン液体としては、ピリジニウム系イオン液体、脂肪族アミン系イオン液体、脂環式アミン系イオン液体、イミダゾリウム系イオン液体、脂肪族ホスホニウム系イオン液体等が挙げられる。帯電防止剤は、これらのうちの１種又は２種以上のイオン液体を用いることが好ましい。コーティング層１２における帯電防止剤の含有量は、高分子バインダ１００質量部に対して、好ましくは０．２質量部以上２０質量部以下、より好ましくは１質量部以上１０質量部以下である。
コーティング層１２は、その他に触媒、滑剤、離型剤等を含有していてもよい。
コーティング層１２の厚さは、高摺動性及び高撥水性を得ることができると共に、コーティング層１２の剥離を抑制する性能とコストとのバランスの観点から、好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは２μｍ以上１０μｍ以下である。
コーティング層１２の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、非粘着性、高摺動性及び高撥水性を得る観点から、好ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上３μｍ以下である。
次に、実施形態に係る弾性膜１０の製造方法について説明する。
まず、プレス成形等により膜本体１１を作製する。また、高分子バインダーベース材、非金属粒子、触媒、及び溶剤（キシレン、トルエン、ヘキサン等）を混合したコーティング液を調製する。
続いて、膜本体１１のコーティング層１２の成膜予定部分（膜本体１１の円形部１１ａのウエハ保持側の表面及びそれに連続する筒状部１１ｂの外周面）にコーティング液をコーティングする。コーティング方法としては、例えば、スプレーコート法、スピンコート法、ディップコート法等が挙げられる。これらのうちコーティング層１２の塗り分けや膜厚調整の容易さ及びコストの観点からスプレーコート法が好ましい。
そして、膜本体１１にコーティング液をコーティングしたものをオーブンやホットプレートで加熱してコーティング層１２を成膜させることにより実施形態に係る弾性膜１０を得る。このときの加熱温度は例えば８０℃以上１２０℃以下、及び加熱時間は２０分以上４０分以下である。
以上の構成の実施形態に係る弾性膜１０によれば、膜本体１１のウエハ保持側の表面を被覆するように設けられたコーティング層１２が、高分子バインダとそれに分散した非金属粒子とを含むので、非金属粒子によってウエハＳの剥離不良抑制のための高摺動性及び低粘着性、防汚のための高撥水性、並びに耐久性のための高耐摩耗性を有するのに加え、高分子バインダの柔軟性によって研磨パッドＰへの均一な圧力での当接を維持するための低硬度並びにコーティング層１２の脱落によるウエハＳの剥離不良抑制及び防汚のための膜本体１１への高密着性をも有し、しかも、スプレーコート法、スピンコート法、ディップコート法等の一般的なコーティング方法でのコーティング層１２の成膜が可能であることから、成膜加工コストを低く抑えることができ、また、塗り分け及び膜厚調整を容易に行うことができる。従って、実施形態に係る弾性膜１０のコーティング層１２は、それに求められる高摺動性及び低粘着性、高撥水性、高耐摩耗性、低硬度、膜本体１１への高密着性、並びに塗り分け容易性のいずれをも得ることができる。
（コーティング層試験片）
後述の各試験に用いる以下の実施例１〜３及び比較例１〜５の試験片を作製した。
＜実施例１＞
プレス成形によりシリコーンゴム製の基材を作製した。また、高分子バインダーベース材の液状縮合硬化型シリコーンゴム（ＫＥ１２、信越化学工業社製）を１００質量部対し、非金属粒子のＰＴＦＥ粉末（ルブロンＬ-２、ダイキン工業社製、平均粒子径３．５μｍ）を８２．５質量部、触媒のＣＡＴ-ＲＭを０．９質量部混合し、これを有機溶剤に添加して固形分濃度を１０質量％としたコーティング液を調製した。
基材の表面にコーティング液をスプレーコート法でコーティングし、それをオーブンで８０℃及び３０分の加熱処理を施して膜厚２．５μｍのコーティング層を成膜した。得られた試験片を実施例１とした。
＜実施例２＞
コーティング回数を多くしてコーティング層の膜厚を１０μｍとしたことを除いて実施例１と同様の方法で得た試験片を実施例２とした。
＜実施例３＞
実施例２で液状縮合硬化型シリコーンゴム１００質量部に対し、帯電防止剤（ＣＩＬ−３１２、日本カーリット社製）を３．８質量部加えたことを除いて実施例２と同様の方法で得た試験片を実施例３とした。
＜比較例１＞
基材にコーティングを施さない試験片を比較例１とした
＜比較例２＞
基材に膜厚が０．５μｍのパリレンコーティング層を蒸着により成膜した試験片を比較例２とした。
＜比較例３＞
基材に膜厚が０．５μｍのダイヤモンドライクカーボンコーティング層を蒸着により成膜した試験片を比較例３とした。
＜比較例４＞
基材にフッ素系コーティング剤（ＭＫ−２ ＡＧＣセイミケミカル社製）用いて膜厚１０μｍのコーティング層を成膜した試験片を比較例４とした。
＜比較例５＞
基材にシリコーン系コーティング剤（ＨＳ−４ タナック社製）用いて膜厚１０μｍのコーティング層を成膜した試験片を比較例５とした。
＜比較例６＞
基材にフッ素変性シリコーン系コーティング剤（ＳＡＴ−１０００Ｐ シンコー技研社製）用いて膜厚１０μｍのコーティング層を成膜した試験片を比較例６とした。
（試験評価方法）
＜摺動性＞
実施例１〜３及び比較例１〜６の長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ、及び厚さ２ｍｍのシート状の試験片を準備し、表面性測定機（HEIDON TYPE：14 新東科学社製）を用いてそれぞれのコーティング層の静止摩擦係数を求めた。具体的には、コーティング層の表面をメタノールで洗浄した後に温度２０℃及び湿度４０％の雰囲気下で乾燥させた試験片を表面性測定機のステージにセットし、ＳＵＳ３０４製の測定子の直径１０ｍｍの球面に形成された先端をコーティング層に当接させて０．９８Ｎの荷重をかけ、移動速度７５ｍｍ／ｍｉｎで測定子をコーティング層上を摺動させた。そして、このとき測定される摩擦力から静止摩擦係数を算出した。この静止摩擦係数が小さい程、摺動性が高いということになる。
＜粘着性＞
実施例１〜３及び比較例１〜６の内径１４．５ｍｍ及び線径４．０ｍｍのＶ−１５サイズのＯ-リング状の試験片を準備し、それぞれの粘着性として試験治具への固着力を求めた。具体的には、試験片をＳＵＳ３０４製の２枚の板状の試験治具で挟持して２５％圧縮して固定し、その状態で温度１７５℃及び２４時間の加熱処理を施すのに続いて室温で８時間冷却した後、２枚の試験治具を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き離すと共に、そのときの引き離し力をロードセルで測定し、その最大値を固着力とした。この固着力が低い程、粘着性が低いということになる。
＜撥水性＞
実施例１〜３及び比較例１〜６の長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ、及び厚さ２ｍｍのシート状の試験片を準備し、接触角計（DMo-501 協和界面科学社製）を用いてそれぞれのコーティング層の純水との接触角を測定した。試験片は、コーティング層の表面をメタノールで洗浄した後に温度２０℃及び湿度４０％の雰囲気下で乾燥させたものを用いた。この接触角が大きい程、撥水性が高いということになる。
＜耐摩耗性＞
実施例１〜３及び比較例１〜６のシート状の試験片について、スラスト摩耗試験を行った。具体的には、コーティング層の表面に、Ｓ４５Ｃ製のリング状の試験治具の算術平均粗さ（Ｒａ）が１．０±０．５μｍの端面を当接させ、室温下、試験治具を０．５ｍ／ｓｅｃ（４１７ｒｐｍ）の回転速度で回転させ、また、このとき試験治具で試験片を１０Ｎの荷重で５分間圧縮した後、５分当たり１０Ｎで荷重を６０Ｎまで上昇させた。そして、試験前後の摩耗減量を算出した。この摩耗減量が小さい程、耐摩耗性が高いということになる。
＜硬度＞
実施例１〜３及び比較例１〜６のシート状の試験片について、マイクロゴム硬度計（MD-1capa 高分子計器社製）を用いてそれぞれのコーティング層のショアＡに相当する硬度を測定した。
＜密着性＞
実施例１〜３及び比較例２〜６のシート状の試験片について、８０％伸張させたときのコーティング層の表面を顕微鏡で１００倍に拡大して観察し、クラックの有無を確認した。コーティング層にクラックが認められなければ、コーティング層の基材への密着性が高いということになる。
また、実施例１〜３及び比較例１〜６のシート状の試験片について、ＪＩＳＫ５６００−５−６に基づいてクロスカット法による付着性試験を行い、コーティング層の基材からの剥離の有無を確認した。コーティング層の剥離が認められなければ、コーティング層の基材への密着性が高いということになる。
＜帯電防止性＞
実施例１〜３及び比較例１〜６のシート状の試験片について、ＪＩＳＬ１０９４：２０１４に規定されたＡ法（半減期測定法）に準じて耐電圧の初期値を測定した。この耐電圧が低い程、帯電防止性が高いということになる。
（試験評価結果）
表１は試験結果を示す。
Figure 0006360586
表１によれば、高分子バインダに非金属粒子が分散したコーティング層の実施例１〜３では、高摺動性及び低粘着性、高撥水性、高耐摩耗性、低硬度、並びに高密着性のいずれをも有することが分かる。
一方、コーティング層を設けていない比較例１では、摺動性が低く、撥水性が低く、硬度が低く、耐摩耗性が著しく低いことが分かる。パリレンコーティング層の比較例２では、粘着性が高く、撥水性が低く、硬度が高く、耐摩耗性が低いことが分かる。ダイヤモンドライクカーボンコーティング層の比較例３では、摺動性が低く、撥水性が低く、硬度が高く、密着性が低いことが分かる。フッ素系コーティング剤のコーティング層の比較例４では、耐摩耗性が低く、密着性が低いことが分かる。シリコーン系コーティング剤のコーティング層の比較例５では、摺動性が低く、耐摩耗性が低いことが分かる。フッ素変性シリコーン系コーティング剤のコーティング層の比較例６では、撥水性が低く、耐摩耗性が低いことが分かる。
また、帯電防止剤を含む実施例３は、他のものよりも帯電防止性が優れることが確認された。
本発明は、ＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜の技術分野について有用である。
Ａ ＣＭＰ装置
Ｓ ウエハ
Ｐ 研磨パッド
１０ 弾性膜
１１ 膜本体
１１ａ 円形部
１１ｂ 筒状部
１１ｃ 環状部
１２ コーティング層

Claims (7)

  1. ＣＭＰ装置のウエハ保持用の弾性膜であって、
    弾性材料で形成された膜本体と、前記膜本体のウエハ保持側の表面を被覆するように設けられたコーティング層と、を有し、
    前記コーティング層は、高分子バインダと、前記高分子バインダに分散した非金属粒子と、を含む弾性膜。
  2. 請求項１に記載された弾性膜において、
    前記高分子バインダがシリコーンゴムで形成されている弾性膜。
  3. 請求項２に記載された弾性膜において、
    前記高分子バインダを形成する前記シリコーンゴムが液状シリコーンゴムである弾性膜。
  4. 請求項３に記載された弾性膜において、
    前記液状シリコーンゴムが縮合重合型のものであって、その反応機構がアルコール型又はアセトン型のものである弾性膜。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された弾性膜において、
    前記非金属粒子が熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で構成されている弾性膜。
  6. 請求項５に記載された弾性膜において、
    前記非金属粒子がフッ素系樹脂で構成されている弾性膜。
  7. 請求項６に記載された弾性膜において、
    前記非金属粒子を構成する前記フッ素系樹脂がポリテトラフルオロエチレンである弾性膜。
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