JP2004200222A

JP2004200222A - 研磨用独立発泡体

Info

Publication number: JP2004200222A
Application number: JP2002363711A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Masaki; 義則政木
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】層間絶縁膜や金属配線等の、半導体のデバイスウエハの表面平坦化加工に用いられる研磨パッドの研磨層として、従来パッドに比べてライフが長い上に、研磨後のデバイス表面の平坦性とそのウエハ面内均一性のバランスの良い、高精度な研磨を実現する研磨用独立発泡体を提供する。
【解決手段】ＪＩＳＫ７３１１に準じたＡ硬度が８０以上であり、かつ２５℃における見掛けの圧縮率が３〜１５％である研磨用独立発泡体。シートに含まれる気泡の平均径は、１〜５０μｍが望ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、各種メモリーハードディスク用基板等の研磨に使用される研磨パッドに用いられる研磨用独立発泡体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体のデバイスウエハの表面平坦化加工に用いられる、代表的なプロセスである化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）の一例を図１に示す。定盤（２）、試料ホルダー（５）を回転させ、砥粒を含有する研磨スラリー（４）をスラリー供給用配管（１０）を通して滴下しながら、半導体ウエハ（１）を研磨パッド（６）表面に押しあてることにより、デバイス表面を高精度に平坦化するというものである。なお研磨中、ドレッシングディスク（３）を回転させながら研磨パッド（６）表面に押しあてることにより、研磨パッド（６）の表面状態を整えている。研磨条件はもとより、研磨パッド（６）、ドレッシングディスク（３）、研磨スラリー（４）、ウエハ固定用治具（８）およびバッキング材（９）等、各構成部材の特性が、研磨速度、研磨後のデバイス表面の平坦性および均一性の指標となる、ウエハ面内における平坦性のばらつき等に代表される研磨性能に影響を及ぼすが、その中でも研磨パッド（６）と研磨スラリー（４）および研磨スラリー中に含まれる砥粒の及ぼす影響は極めて大きい。
【０００３】
従来から、層間絶縁膜や金属配線等の研磨に用いられる研磨パッドの研磨層として、高分子マトリックス中に、空隙スペースを有する中空高分子微小エレメントを含浸した独立発泡体が標準的に使用されてきた（例えば、特許文献１参照。）。使用前、使用中におけるドレッシング、および研磨の進行に伴う研磨パッド表面の摩耗により、中空高分子微小エレメントのシェルが破れて内部の空孔が開口し、研磨スラリーの保持能力を発現するというものであった。
エレクトロニクス業界の最近の著しい発展により、トランジスター、ＩＣ、ＬＳＩ、超ＬＳＩと進化してきている。これら半導体素子における回路の集積度が急激に増大するにつれて、半導体デバイスのデザインルールは、年々微細化が進み、デバイス製造プロセスでの焦点深度は浅くなり、パターン形成面の平坦性はますます厳しくなってきている。同時にウエハの大口径化も進行し、加工するデバイスウエハ面内の平坦性のばらつきをいかに抑えるか、つまりはウエハ面内での均一性をいかに向上させるかが大きな課題となっている。Ａ硬度で８０以上の、硬質系に分類される高硬度の、かつ圧縮率の小さい研磨層を用いることにより、平坦性向上は期待できるが、ウエハ全体の大きなうねりに沿うことは困難となり、均一性は低下する。逆に圧縮率の大きい研磨層を用いると、均一性は保たれるが平坦性の低下は免れない。近年になり、平坦性と均一性をいかに両立させるかということが、従来にも増して重要な課題となってきている。
【０００４】
平坦性と均一性を両立するために、従来は、独立発泡体をクッション性を有する基材と貼り合わせ、研磨パッドを二層構造にするという手法がこれまでの主流であった。具体的には、表面硬度が大きく、圧縮率の小さい独立発泡体で平坦性を、圧縮率のクッション性を有する基材で均一性を保持するというコンセプトであった。
しかしながら、従来の二層構造研磨パッドにおいては、クッション層の効果を研磨に反映させる必要があるために、研磨層である独立発泡体の厚みが制限され、その結果としてパッドライフが制限されてしまうという点が大きな問題であった。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０１３１０５号
【特許文献２】
公開特許公報２００１−２７７１０１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来研磨パッドの、均一性を保持するために研磨層の厚みが制限されるという問題を解決することにより、研磨層を厚くすることができ、研磨パッド１枚当たりのスループットを向上させるというもので、その目的とするところは、平坦性と均一性を兼ね備えた、ライフの長い研磨用独立発泡体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記従来の問題点を鑑み、鋭意検討を重ねた結果、以下の手段により、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、
（１）ＪＩＳＫ７３１１に準じたＡ硬度が８０以上であり、かつ２５℃における見掛けの圧縮率が５〜１５％である研磨用独立発泡体、
（２）シートに含まれる気泡の平均径が１〜５０μｍである第（１）項に記載の研磨用独立発泡体、
（３）シートの主原料が熱可塑性エラストマーである第（１）又は（２）項のいずれか１項に記載の研磨用独立発泡体、
（４）熱可塑性エラストマーがポリウレタンである第（３）項記載の研磨用独立発泡体、
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、硬質系に分類される研磨パッドを対象とする。具体的には、本発明の研磨用独立発泡体は、ＪＩＳＫ７３１１（ポリウレタン系熱可塑性エラストマーの試験方法）の硬さ試験に準じた測定において、Ａ硬度８０以上の表面硬度を有する。
本発明における研磨用独立発泡体の見掛けの圧縮率は、２５℃において好ましくは３〜１５％、より好ましくは５〜１２％である。例えば半導体デバイスウエハの表面研磨を行う場合、圧縮率が３％未満では、研磨層がウエハ全体のうねりに追従しきれず、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきが大きくなる、つまりは均一性が低下するので好ましくない。逆に１５％より大きくなると、研磨速度が遅くなるだけでなく、研磨後のデバイス表面の平坦性低下を引き起こす原因となるため好ましくない。
【０００９】
なお見掛けの圧縮率は、熱応力歪測定装置（ＴＭＡ）により測定したシート厚みの変化量より算出した値である。測定サンプルシートの厚みは１ｍｍとする。シートにかける面圧の経時変化（プロファイル）を図２に示す。
本発明で用いる見掛けの圧縮率は、３００ｇ／ｃｍ^２の面圧を６０秒間掛けたときの厚み（Ｔ１）から、引き続き１８００ｇ／ｃｍ^２の面圧を同じく６０秒間掛けた時の厚み（Ｔ２）を引いた値をＴ１で除し、さらにその値を１００倍することにより求める。
【００１０】
本発明において、シートに含まれる気泡の平均径は特に制限しないが、１〜５０μｍが、高精度な研磨、特に平坦性と均一性の両立が求められる半導体デバイス表面のＣＭＰに好適である。
気泡の平均径が１μｍ未満であると、研磨スラリー中に含まれる砥粒の凝集物や研磨の進行に伴い発生する研磨屑等が、気泡が開口した結果生じた空孔内から排出されにくく、空孔が目詰まりし易い。その結果、スラリーの保持性能がウエハ面内においてばらつきやすくなり、均一性が低下するので好ましくない。逆に気泡が粗大になり、その平均径が５０μｍを超えた場合も同様に、スラリーの保持性能がウエハ面内においてばらつきやすくなり、均一性が低下するので好ましくない。
なお、シートに含まれる気泡の直径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のシート断面像から計測した。倍率３００倍の断面像に含まれる気泡一つ一つの直径を計測し、全気泡の直径の平均値を算出した。なおシート断面における気泡の形状が、真円でなく、例えば楕円形、もしくはいびつな多角形形状の場合は、円相当直径をその気泡の直径とする。
【００１１】
本発明の研磨用独立発泡体の原料に関し、その主成分は特に限定しない。ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリブテン、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリレート、芳香族系ポリサルホン、ポリアミド、ポリイミド、フッ素樹脂、エチレン−プロピレン樹脂、エチレン−エチルアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ノルボルネン系樹脂、例えば、ビニルポリイソプレン−スチレン共重合体、ブタジエン−スチレン共重合体、アクリロニトリル−スチレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体等に代表されるスチレン共重合体、あるいは天然ゴム、合成ゴム等を用いることができる。これらは単独で用いても良いし、混合あるいは共重合させてもよいが、研磨特性に大きな影響を及ぼす硬度や圧縮率等の物性を比較的容易に制御できるという点から、例えばウレタン系やオレフィン系の熱可塑性エラストマーが好適である。その中でもさらに研磨に重要な耐摩耗性を、比較的広い範囲でコントロールすることが可能であるという点で、熱可塑性ポリウレタンエラストマーが最も好ましい。
【００１２】
本発明の研磨用独立発泡体を研磨パッドとして用いる場合、必要に応じてシート表面に溝加工を施すことができる。溝の形状は特に限定しないが、例えば平行、格子状、同心円状、さらには渦巻き状等、随時選定することができる。シート表面に溝を施すことにより、研磨面全域に研磨スラリーがより行き渡り安くなり、本発明の研磨用独立発泡体の性能がさらに引き出される。
【００１３】
【実施例】
以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、実施例の内容になんら限定されるものではない。
【００１４】
＜発泡シート化設備＞
本発明の実施例で使用した発泡シート化設備の概略図を図３に示す。バレル径５０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３２の第一押出機（１１）とバレル径６５ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３６の第二押出機（１２）を中空の単管（１６）で連結したタンデム型押出機の先端に、リップ幅３００ｍｍの金型（１３）を取り付けた。
発泡剤としては二酸化炭素を用い、ボンベ（１７）から取り出した後に、ガスブースターポンプ（１８）により昇圧した二酸化炭素を、第一押出機（１１）の中央前寄りに取り付けた注入口（１４）を通して注入した。
＜研磨用独立発泡体作製＞
【００１５】
（実施例１）
主原料である大日精化工業（株）製熱可塑性ポリウレタンエラストマー（商品名：レザミンＰ−４２５０）に、同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）をあらかじめ混合した原料を使用し、厚み１．６ｍｍの独立発泡体を作製した。発泡シート化条件を表１に示す。
得られた独立発泡体表面を、丸源鐵工所製ベルトサンダー（商品名：ＭＮＷ−６１０−Ｃ２）で研磨し、シート表面近傍の無発泡層を除去し、厚み１．４ｍｍの研磨用独立発泡体を得た。
該シート３枚を両面テープと貼り合わせた後に、直径６００ｍｍφの円盤状に切り取り、その後、ショーダテクトロン社製クロスワイズソーを用いて、表面に溝幅２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔１３ｍｍ、溝深さ０．８ｍｍの格子溝を施し、研磨パッドを作製した。
【００１６】
（実施例２）
大日精化工業（株）製熱可塑性ポリウレタンエラストマー（商品名：レザミンＰ−４０７０）を原料として、厚み１．５ｍｍの独立発泡体を作製した。発泡シート化条件を表１に示す。
実施例１と同様に無発泡層を除去し、厚み１．４ｍｍの研磨用独立発泡体を得た。引き続き、実施例１と同様の溝加工を施し、研磨パッドを作製した。
（比較例１）
発泡シート化条件を変更した以外は、実施例１と同じ原料を使用し、厚み１．４ｍｍの独立発泡体を作製した。発泡シート化条件を表１に示す。
実施例１と同様に無発泡層を除去し、厚み１．１ｍｍの研磨用独立発泡体を得た。引き続き、実施例１と同様の溝加工を施し、研磨パッドを作製した。
（比較例２）
研磨パッドとして、溝幅２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔１３ｍｍ、溝深さ０．６ｍｍの格子溝が施されたロデール社製ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４００の２層パッドを使用した。研磨層であるＩＣ１０００の厚みは１．２ｍｍであった。
【００１７】
【表１】

【００１８】
＜研磨パッドの物性評価＞
（実施例）および（比較例）の研磨パッドの硬度、２５℃における圧縮率および気泡の平均径を測定した結果を表２に示す。なお各項目の測定方法は次の通りである。
○硬度
高分子計器（株）製Ａｓｋｅｒ硬度計を用いて測定した。
○圧縮率
セイコーインスツルメンツ（株）製ＴＭＡを使用して表面を研磨し、厚み１ｍｍに調整したシートの、２５℃における厚み変化を測定した。
面圧のプロファイルは図２の通りである。負荷無しの状態から、３００ｇ／ｃｍ^２の面圧を掛け、引き続き１８００ｇ／ｃｍ^２の面圧を掛けた後に荷重を取り除くという一連の操作を１サイクルとして、連続的に５サイクル測定した。厚み変化から算出した各サイクルにおける圧縮率の５回の平均値を、見掛けの圧縮率として用いた。
○気泡の平均径
ＨＩＴＡＣＨＩ製走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）Ｓ−２４００で独立発泡体断面を観察し、倍率３００倍の画像に含まれる気泡一つ一つの直径を計測し、全気泡の直径の平均値を算出した。なお気泡の断面形状が真円でなく、例えば楕円形、もしくはいびつな多角形形状の場合は、円相当直径をその気泡の直径とした。
【００１９】
【表２】

【００２０】
＜研磨性能評価＞
研磨速度とそのウエハ面内ばらつきの評価には、直径２００ｍｍのＣｕブランケットウエハを使用した。また研磨後のデバイス表面の平坦性評価には、直径２００ｍｍのパターン付きウエハを使用した。
（実施例）および（比較例）で得られた研磨パッドをＭＡＴ製片面研磨機ＡＲＷ−６８１ＭＳの定盤に貼り付け、ダイヤモンドドレッサーを用いてドレスをかけた後に、キャボット社製研磨スラリー（商品名：ｉＣｕｅ５００３）を供給しながら研磨を実施した。ドレス条件および研磨条件を表３に示す。
【００２１】
【表３】

【００２２】
研磨後のウエハを洗浄、乾燥後、シート抵抗測定機を用いてウエハ面内４９点のＣｕ膜厚を測定し、研磨速度の平均値および研磨速度のウエハ面内におけるばらつきを算出した。
またパターン付きウエハについては、ライン／スペースが４．５μｍ／０．５μｍと１０μｍ／１０μｍの配線部の、研磨後の表面粗さをそれぞれ測定し、平坦性を評価した。表４において、従来パッドの代表例である比較例２に対して、平坦性が同等以上のものは○、低下したものは×で示した。
なお、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきとして、４９点の研磨速度の最大値から最小値を引いた値を平均値の２倍で除した値を１００倍した値を用いた。その値が大きいほど均一性が低いことを意味する。
実施例および比較例の研磨パッドの性能評価結果および研磨層厚みを併せて表４に示す。
【００２３】
【表４】

【００２４】
実施例は、圧縮率の大きい比較例１に対し、面内ばらつきが小さく均一性が、併せて均一性がともに良好であった。
また従来パッドの代表例である比較例２に対しては、均一性と平坦性のいずれも同等以上であった。但し研磨層の厚みが厚いため、比較例２よりも溝を深くすることができた。つまりはパッドライフの延長とともに、研磨工程でのスループットの向上が期待できる。
なお本発明の研磨用独立発泡体が、従来パッドに比べて、圧縮率が大きいにも関わらず研磨速度が向上している点は、特筆すべき好ましい特性である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の研磨用独立発泡体を用いて、例えば半導体デバイスウエハを研磨すれば、従来パッドに比べて、研磨速度が速くなるだけでなく、研磨後のデバイス表面の平坦性とそのウエハ面内における均一性とのバランス良い、高精度な研磨の実現が期待できる。さらには、研磨層の厚みを厚くすることにより、スループットの向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）の標準的なプロセスの一例である。
【図２】圧縮率測定における面圧の経時変化（プロファイル）である。
【図３】実施例で用いた発泡シート化設備の概略図である。
【符号の説明】
１半導体ウエハ
２定盤
３ドレッサー
４研磨スラリー
５試料ホルダー
６研磨パッド
７回転軸
８ウエハ固定用治具
９バッキング材
１０スラリー供給用配管
１１第一押出機
１２第二押出機
１３金型
１４発泡剤の注入用部品
１５原料ホッパ
１６中空単管
１７ボンベ
１８ガスブースターポンプ
１９圧力調整弁

Claims

ＪＩＳＫ７３１１に準じたＡ硬度が８０以上であり、かつ２５℃における見掛けの圧縮率が３〜１５％である研磨用独立発泡体。
シートに含まれる気泡の平均径が１〜５０μｍである請求項１に記載の研磨用独立発泡体。
シートの主原料が熱可塑性エラストマーである請求項１又は２のいずれか１項に記載の研磨用独立発泡体。
熱可塑性エラストマーがポリウレタンである請求項３記載の研磨用独立発泡体。