JP6917058B2 - 吸着層を備える研磨パッドを使用する研磨方法 - Google Patents

吸着層を備える研磨パッドを使用する研磨方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体部品、電子部品等で使用される半導体ウエハ等の被研磨部材を所定構成の研磨パッドを用いて研磨するための研磨方法に関する。詳しくは、多数の被研磨部材の研磨する工程において、作業効率を向上させると共に、研磨品質を高いレベルで維持できる研磨方法に関する。
半導体デバイス、半導体ウエハ、ディスプレイ用ガラス基板、ハードディスク用基板といった半導体素子、半導体部品、電子部品の製造プロセスにおいては、その表面の平坦化、鏡面化のための研磨工程が含まれる。研磨工程においては、一般に、被研磨部材を研磨装置の一方の定盤に保持し、研磨パッドを他方の定盤に固定した後、研磨スラリーを供給しながら、被研磨部材と研磨パッドを加圧した状態で相対的に摺動させることによって行われる。
この研磨パッドによる研磨方法において、研磨パッドを定盤へ固定する方法としては、粘着テープ等の粘着剤を介した粘着固定が一般的であった。この固定方法は、研磨パッドを強固に固定できる一方で、研磨パッドの交換が必要になったときの作業に手間がかかる。半導体ウエハ等の研磨工程では、多数の被研磨材を研磨するので、研磨パッドの消耗と交換を避けることはできない。そのため、粘着による固定は、研磨工程の作業効率の面で劣る方法であった。
本願出願人は、研磨パッドの固定方式について、上記粘着によるものから、所定の吸着層を使用した研磨パッドを開発している（特許文献１）。この研磨パッドは、図３のように、研磨層の裏面（定盤側の面）に所定構成の吸着層を設けたものである。ここでの吸着層は、文字通り、その吸着作用により研磨パッドを定盤に固定させるものである。この固定方法は、従来用いられていた粘着剤のような粘り気による方法と相違し、定盤から剥がす際に残留物が残ることがない。また、剥がした後の再貼り付けも容易であることから、研磨パッドの剥離・固定をスムーズに行うことができ、交換作業を効率的に行うことができる。
特許第５７６５８５８号明細書
上記した吸着層を備える研磨パッドは、研磨作業の効率化に寄与すると共に、研磨面の高精度化の一助となることができる。そして、近年の半導体部品の高密度化、高繊細化、大面積化を背景とした研磨製品に対する高平坦度への要求にも対応可能となっている。
しかしながら、本発明者等によれば、上記吸着層を備える研磨パッドを適用した研磨方法においても、被研磨物表面について不測の傷や荒れが生じることが確認されている。この研磨精度の低下は、研磨パッド及び使用中の研磨剤が要因となっているとは考えられない場合もあって、その対策が求められるところであった。そこで、本発明は、上記吸着層を備える研磨パッドを適用する研磨方法であって、安定的な研磨作業を継続的に行うことができるものを提供する。
本発明者等は上記目的のため、鋭意検討した結果、研磨パッドと定盤との固定状態の改善に着目した。具体的には、定盤の表面状態、特に、表面粗さについて厳密な規定を行うことで、研磨パッドの固定状態を改善し上記課題を解決できるとし本発明に想到した。
即ち、本発明は、定盤に研磨パッドを固定した後、前記研磨パッドに被研磨物を加圧しながら摺動させて研磨する研磨方法において、 前記研磨パッドは、前記定盤に吸着して固定するための吸着層と、前記被研磨物を研磨するための研磨層とからなり、前記吸着層は、両末端にのみビニル基を有する直鎖状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、両末端及び側鎖にビニル基を有する直鎖状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、末端にのみビニル基を有する分岐状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、及び末端及び側鎖にビニル基を有する分岐状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーンから選ばれる少なくとも１種のシリコーンを架橋させてなる組成物からなるものであり、前記定盤の表面粗さ（Ｒａ）を、０．０１〜０．７μｍにした後に、前記研磨パッドの吸着層を前記定盤に吸着固定することを特徴とする研磨方法である。
以下、本発明について詳細に説明する。上記の通り、本発明は、研磨作業に際して、定盤の表面状態を改良し、その上で研磨パッドを吸着・固定することで好適な研磨品質を得るものである。このように、本発明で定盤の表面状態である表面粗さに着目したのは、本発明で適用する研磨パッドの吸着層の特性に関連する。
即ち、この研磨パッドの吸着層は、定盤に対して物理的に吸着して固定されるものである。この固定状態の特色は、剪断力（定盤表面に対して水平方向の固定強度）が高い一方で、剥離力（定盤表面に対して垂直方向の固定強度）が低い点にある。
ここで、上述した本願出願人による研磨パッドにおいては、吸着層と定盤との固定強度の関係を考慮して、吸着層表面の表面粗さが特定範囲に設定されている（特許文献１の請求項１参照）。この研磨パッドの吸着層表面に対する適正化は有効であるが、本発明者等によると、この研磨パッドの改良は、定盤の表面粗さを適正に整えることで、より有効に発揮できる。
つまり、定盤の表面粗さが粗いとき、研磨パッド側（吸着層）の表面粗さを適正にしていても、研磨力の均一な伝播がなされないことがある。この場合には、研磨パッド固定状態に不具合が発生し、研磨パッドの微妙なズレが生じ、場合によっては、研磨パッドの定盤からの剥離が生じる。また、このような研磨精度に影響を及ぼし得る定盤の表面状態は、必ずしも研磨作業の初期段階から発生しているとは限らない。つまり、製造当初から定盤の表面粗さが粗い場合もあれば、初めは平滑で表面粗さの小さい定盤が使用過程で変化する場合もある。後者においては、例えば、研磨パッドの交換作業等での接触により表面粗さが増大することがあると考えられる。本発明は、これらの事情を考慮しつつ、その履歴を問わずに定盤の表面状態を好適に整えることを特徴としている。
本発明に係る研磨方法について、より詳細に説明する。以下の説明では、本発明で適用される研磨パッドの構成、定盤の表面粗さ及びその調整方法について説明する。
Ａ．研磨パッド
本発明で使用される研磨パッドは、定盤側の吸着層と被研磨物側の研磨層を必須構成とする。
吸着層の材質については、基本的に、上記した本発明者等による従来の研磨パッドで適用されるものと同様である。即ち、両末端にのみビニル基を有する直鎖状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、両末端及び側鎖にビニル基を有する直鎖状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、末端にのみビニル基を有する分岐状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、及び末端及び側鎖にビニル基を有する分岐状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーンから選ばれる少なくとも１種のシリコーンを架橋させてなる組成物を積層して形成している。
上記のシリコーンの具体例としては、直鎖状ポリオルガノシロキサンの例として化１の化合物が挙げられる。また、分枝状ポリオルガノシロキサンの例として化２の化合物が挙げられる
Figure 0006917058
 （式中Ｒは下記有機基、ｎは整数を表す）
Figure 0006917058
 （式中Ｒは下記有機基、ｍ、ｎは整数を表す）
化１、化２において置換基（Ｒ）の具体例としてはメチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基、等のアリール基、又はこれらの基の炭素原子に結合した水素原子の一部又は全部をハロゲン原子、シアノ基等で置換した同種又は異種の非置換又は置換の脂肪族不飽和基を除く１価炭化水素基が挙げられる。好ましくはその少なくとも５０モル％がメチル基であるものである。置換基は異種でも同種でもよい。また、このポリシロキサンは単独でも２種以上の混合物であってもよい。
また、吸着層を構成するシリコーンは、数平均分子量が３００００〜１０００００のものが好適な吸着作用を有する。但し、表面粗さの調整にあっては、適用するシリコーンの数平均分子量と製造段階における焼成温度が影響を及ぼす。好適な表面粗さを容易に発揮させるためシリコーンの数平均分子量は、３００００〜６００００のものが好ましい。
本発明で使用される研磨パッドは、吸着層に加えて研磨層が必須の構成要素となる。この研磨層は、一般的な研磨パッドで適用される研磨布が適用する。例えば、ナイロン、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート等で形成された不織布、発泡成形体等が適用できる。また、その表面（研磨面）の形状は、平坦であるものに限られず、研磨剤を保持するための溝等を適宜形成しても良い。
また、この研磨パッドは、吸着層と研磨層との間に、両者を支持するための基材を有するものが好ましい。吸着層は薄い有機物からなり可撓性に富み、直接研磨層を接合すると取扱い性に劣る。そこで、適度に剛性を有する基材を両者の間に設定することで、研磨パッドの取扱い性を確保することができる。また、研磨パッドに適度に剛性を付与することで、研磨作業中の変形も抑制できる。
基材としては、シート状の樹脂材料が適用される。具体的には、ポリエステル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ウレタン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル等の樹脂である。好ましくは、ポリエステル系樹脂材料であり、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）であり、特に好ましいのはＰＥＴである。基材は、単層でも良いが複数の樹脂で多層構造としても良い。
以上の、吸着層及び研磨層で構成される研磨パッドにおいて、吸着層の厚さは２０〜３０μｍとするのが好ましい。また、研磨層となる研磨布の厚さは、０．５〜３ｍｍのものが用いられる。そして、必要に応じて設定される基材の厚さは、５０〜２００μｍとするのが好ましい。
更に、本発明に使用される研磨パッドは、吸着層の定盤側の表面の表面粗さ（Ｓａ）が０．０６μｍ以下であるものが好ましい。０．０６μｍを超えると研磨力の面内均一性に影響が生じ得るからである。この下限値については、本来制限されるべきではないが、吸着層の製造可能な最小値として０．０２μｍである。尚、ここでの表面粗さとは、算術平均粗さ（Ｒａ）である。
尚、吸着層の表面粗さとは、吸着層面内の平均の意義であり、吸着層の中心部、端部（外周部）等の複数部分の表面粗さについての測定値の平均である。好ましくは、吸着層の中心部と両端部の３点についての表面粗さの平均値を採用する。そして、より好適な研磨性能を発揮させるためには、吸着層の表面粗さに均一性があることが好ましい。具体的には、吸着層の中心部の表面粗さ（Ｓｃ）及び吸着層の端部の表面粗さ（Ｓｏ）について、ＳｃとＳａとの差、及び、ＳｏとＳａとの差がいずれも０．０２μｍ以下であることが好ましい。尚、吸着層の端部の表面粗さについては、研磨パッド直径の双方の両端で前記関係を具備することが好ましい。
Ｂ．定盤の表面状態
本発明では、上記で説明した研磨パッドを定盤に吸着固定し、被研磨物を研磨する。そして、研磨パッドの固定前に、定盤の表面粗さを０．０１〜０．７μｍに調整する。
定盤の表面粗さが０．７μｍを超えると、研磨パッドの固定状態に微小ながら不安定性が生じ、研磨精度の低下が生じることがある。また、定盤の表面が過度に粗くなると研磨パッドの剥離のおそれもある。この表面粗さは、できるだけ低減することが好ましいが、現実的な観点から０．０１μｍを下限値とする。このように、本発明では、研磨パッドや研磨剤等の研磨作業における中心的な部材以外の方向から被研磨物の研磨精度の向上を図る手法として、定盤の表面状態を規定している。尚、この表面粗さも、算術平均粗さ（Ｒａ）である。また、この定盤の表面粗さも、面内の平均値を採用することが好ましく、その中心部、端部（外周部）等の複数部分の表面粗さについての測定値の平均を定盤の表面粗さとすることが好ましい。
また、この定盤の表面粗さについては、好ましくは０．０１〜０．２５μｍに制御することが好ましい。各種材料の研磨作業においては、図１のように、定盤及び研磨パッドを下に配置し、その上に被研磨物を配してその片面を研磨することが多いが、図２のように、被研磨物の両面を研磨すべく、その上下面から同時に研磨パッドを押圧して研磨作業を行うことがある。これらにおいて、図１の片面研磨や図２の両面研磨のうち下側の研磨面（下部定盤）においては、定盤の表面粗さを０．７μｍ以下に制御することで有効な効果を得ることができる。一方、図２の上側の研磨面（上部定盤）においては、重力の関係から定盤と研磨パッドとの吸着力が低下することになるので、それを考慮して定盤の表面粗さをより低くすることが好ましい。よって、図２のような上下面からの研磨作業を考慮したとき、定盤の表面粗さは０．０１〜０．２５μｍに制御することが好ましい。尚、図１のような片面研磨において、定盤の表面粗さを０．２５μｍ以下にすることも効果的である。
ここで、定盤の表面粗さの調整の具体的方法としては、研磨パッドを設置する前に、定盤の表面を研磨して上記範囲にすることが挙げられる。但し、大面積の定盤に対して、均一に表面粗さを調整することは困難である。そこで、定盤の表面粗さの調整法として好適なのは、表面粗さが０．０１〜０．７μｍであるフィルム材を、定盤の表面に接着することである。定盤表面をフィルム材で覆うことで、速やかに所望の表面粗さにすることができる。また、大面積の定盤に対しても均一な表面粗さを付与することができる。尚、このフィルム材のより好ましい表面粗さは０．０１〜０．２５μｍである。
フィルム材は、材質として、ＰＥＴ樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂等の有機材料やプラスチック材料からなるものが好ましい。取扱い性や研磨剤等の液体に対する耐食性を確保するためである。その厚さについては、特に制限されるところではないが、５０μｍ〜３．０ｍｍであるものが好ましい。また、フィルム材は、少なくとも研磨パッドと同一の形状・面積であれば良く、定盤全面を覆うことは必ずしも必要ではない。もっとも、研磨作業中にフィルム材と定盤との間に研磨剤が侵入すると、フィルム剥がれを引き起こす可能性があるので、フィルム材で定盤表面を覆うことが好ましい。
フィルム材と定盤との接着は、接着テープや接着剤で接着することが好ましい。フィルム材と定盤とを強固に接合することで、研磨パッドの固定を安定的にする必要があるからである。この点、研磨パッドは研磨工程での交換が前提であるので、吸着層による適度な接合力が必要となるが、フィルム材は原則交換する必要ないので強固に定盤に接着しても問題はない。接着剤としては、例えば、ゴム系接着剤、アクリル系接着剤、ホットメルト接着剤等が使用される。
尚、本発明では、定盤の表面状態を制御することに特徴があり、定盤の材質については限定されることはない。研磨装置用の定盤としては、アルミナ等のセラミック製、ステンレス製、ＳｉＣ製、鋼製等の定盤があるが、本発明はいずれに対しても有用である。
Ｃ．研磨パッドの固定、本発明の研磨方法
以上のようにして定盤の表面粗さを調整した後、研磨パッド（吸着層）を定盤に吸着して固定する。この研磨パッドの固定は、定盤に研磨パッドを位置あわせしつつ載置し、軽く押圧すれば良い。
研磨パッドを定盤に固定した後、研磨剤を供給しながら被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨作業を行う。この研磨作業の条件は、通常の研磨方法と同じで良い。被研磨物の材質、研磨剤の種類・粒度、被研磨物について要求される表面状態を考慮して設定すれば良い。
また、多数の被研磨物を研磨することで、研磨パッドの消耗、劣化が生じることから、研磨パッドの交換が必要となる。このとき、本発明で使用する研磨パッドは、定盤表面に対して垂直方向に引張ることで比較的容易に剥がすことができる。また、新規の研磨パッドの固定作業も簡易である。そして、所定粗さのフィルム材を定盤に接着していれば、研磨パッドの交換後も安定した研磨作業を継続できる。
以上のとおり、本発明に係る研磨方法では、使用する研磨パッドの適正化と共に、定盤の表面状態を好適に調整して研磨作業を行う。これにより、作業性の向上と共に研磨面の高精度化を図ることができる。
一般的な研磨作業（片面研磨）を説明するための概略図。 両面研磨のための装置構成（上下定盤）を説明する図。 吸着層を備える研磨パッドの構成を説明する図。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、図２と同様の構成の研磨パッドを使用した。この研磨パッドは、ＰＥＴ製の円形の基材（厚さ５０μｍ、寸法φ８１０ｍｍ）の一方の面に、両末端にのみビニル基を有する直鎖状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン（分子量３００００）からなる吸着層（厚さ２５μｍ）を結合したものである。そして、基材の他方の面には、スエード調の研磨布（型番７３５５−０００Ｆ：ナップ長４５０μｍ、厚さ１．３７ｍｍ）が接着されている。尚、この研磨パッドについて、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４に基づき、表面粗さ測定器にての吸着層表面の表面粗さ（Ｒａ)を測定した結果、平均値が０．０４μｍであった。
この研磨パッドを用いて、図１で示した態様でシリコンウエハ（φ８インチ）の研磨試験を行った。この研磨装置の定盤は、材質がセラミックであり、表面粗さＲａが１．０μｍであった。本実施形態の研磨試験では、研磨装置の定盤に、平均表面粗さの異なる複数のＰＥＴ製フィルム（厚さ２００μｍ）を接着して研磨試験を行った。ＰＥＴ製フィルムの固定は、定盤にゴム系接着テープを貼ってフィルムを押圧して接着した。その後、研磨パッドを定盤のフィルム面に貼付けした。シリコンウエハの研磨作業は、研磨剤スラリー（Ｇｌａｎｚｏｘ（株式会社フジミインコーポレーテッド製）を純水で３０倍に希釈したもの）を研磨層に滴下した（流量１５０ｍｌ／ｍｉｎ）。その他の研磨条件は、下記の通りとした。
・研磨圧力：０．１６３ｋｇｆ／ｃｍ2
・研磨パッドの回転速度：４５ｒｐｍ
・被研磨部材の回転速度：４７ｒｐｍ
・ヘッドの揺動速度：２５０ｍｍ／ｍｉｎ
・研磨時間：３ｍｉｎ
・研磨枚数：１枚、１０枚
本実施形態の研磨試験では、比較例として、定盤にフィルムを接着せずに研磨パッドを固定したときの研磨も行って評価を行った。尚、表面粗さ０．８μｍフィルムを接着した研磨試験については、参考例と称することとした。
そして、研磨試験後、ウエハの被研磨面を純水で洗浄し、無塵状態で乾燥させた後、研磨面を観察し、傷の大きさと数を数え、１００点満点からの減点法にて評価した。このとき、大きい傷は減点を大きくした。評価結果に関しては、９５点以上１００点以下を「◎」とし、９０点以上９５点未満を「○」とし、８５点以上９０点未満を「△」とし、更に、８５点未満を「×」とした。この評価結果を表１に示す。
Figure 0006917058
表１から、実施例１〜４及び比較例と参考例では、いずれも、研磨初期段階（研磨枚数：１枚）において、研磨精度に特に問題は生じなかった。しかし、研磨枚数が増大（１０枚）することで参考例と比較例の研磨精度に低下が見られた。これは、枚数が増えて研磨パッドの消耗が増加するに従い、研磨層と被研磨材表面との摩擦条件の変動、及び、それによる研磨パッドと定盤との固定状態の変化が相互に作用し、被研磨材表面に影響を及ぼしたと考えられる。この結果から、定盤の表面粗さの改善の必要性、及び、その基準として０．７μｍ以下の表面粗さの必要性が確認できる。
尚、通常のシリコンウエハの研磨工程においては、１０枚のウエハを１枚の研磨パッドで対処するとは限らず、交換を適宜に行うのが通例であるので、本実施形態は加速試験の意味合いがある。もっとも、研磨パッドの消耗は容易に予測できるものではない。よって、本実施形態の評価結果は、期せずしてパッドの消耗が生じても、定盤の表面状態を整えることで研磨品質を維持できることを示している。本実施形態で使用したフィルム材の接着は比較的簡易な作業である。このような対応により研磨品質を維持できることを示しているので、本実施形態は有用な検討といえる。
以上説明したように、本発明に係る研磨方法は、吸着層を有する研磨パッドの使用による利便性を備えつつ、高品質の研磨面を継続的に形成することができる。本発明によれば、大径化、大面積化が進むウエハやディスプレイパネルに対しても、高精度な研磨面を提供することができる。

Claims (4)

  1. 定盤に研磨パッドを固定した後、前記研磨パッドに被研磨物を加圧しながら摺動させて研磨する研磨方法において、
    前記研磨パッドは、前記定盤に吸着して固定するための吸着層と、前記被研磨物を研磨するための研磨層とからなり、
    前記吸着層は、両末端にのみビニル基を有する直鎖状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、両末端及び側鎖にビニル基を有する直鎖状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、末端にのみビニル基を有する分岐状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーン、及び末端及び側鎖にビニル基を有する分岐状ポリオルガノシロキサンからなるシリコーンから選ばれる少なくとも１種のシリコーンを架橋させてなる組成物からなるものであり、
    表面粗さ（Ｒａ）が、０．０１〜０．２５μｍであるフィルムを、前記定盤の表面に接着することで、定盤の表面粗さを、０．０１〜０．２５μｍにした後に、前記研磨パッドの吸着層を前記定盤に吸着固定することを特徴とする研磨方法。
  2. 研磨パッドの吸着層は、その表面粗さの平均値（Ｓａ）が０．０２〜０．０６μｍである請求項１記載の研磨方法。
  3. 吸着層の厚さは、２０〜３０μｍである請求項１又は請求項２記載の研磨方法。
  4. 研磨パッドは、吸着層と研磨層との間に基材を備え、前記基材は、破断強度２１０〜２９０ＭＰａ、破断伸度８０〜１３０％の樹脂からなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の研磨方法。
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