JP2004203024A - 研磨用独立発泡体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 層間絶縁膜や金属配線等の、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工に好適に用いられる平均気泡径が１〜１００μｍの研磨用独立発泡体を、効率良く安定に製造する方法を提供する。
【解決手段】 押出機中において１０ＭＰａを超える圧力雰囲気下で発泡剤を樹脂に溶解混合する工程（Ａ）と、その後、発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝す工程（Ｂ）とを含む、平均気泡径が１〜１００μｍの研磨用独立発泡体の製造方法。

Description

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好適に用いることのできる独立発泡体の製造方法に関するものである。

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とウエハ面内における平坦性ばらつき、およびそれらの経時変動の指標となる、ウエハ面間における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）さらには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。

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。）。
従来の独立発泡体の代表的な製造方法としては、一般的に注型法と呼ばれる、高分子マトリックスの原料中に中空高分子微小エレメントを混合、分散させた後に、金型に注ぎ込み硬化させ、得られたコンパウンドをスライスする方法等が挙げられる。
注型法で得られた独立発泡体は、中空高分子微小エレメント自体のサイズのばらつきに加え、硬化過程においてコンパウンド内で分布に偏りが生じ安く、その結果、得られた独立発泡体の発泡状態が、ロット内およびロット間においてばらつき、最終的に研磨パッドになった際に、研磨性能がばらつき安いといった問題を有するものであった。
また、一般的な物理発泡剤に比べて高価な中空高分子微小エレメントを用いる上に、例えば長時間を有する、コンパウンドをスライスする工程等が、生産性の低下を招き、結果的に製品コストが上昇するという問題を有していた。

注型法以外には、超臨界状態の非反応性ガスを含浸させた後、常圧に戻し、その後さらに加熱することにより独立発泡体を製造する方法（バッチ式超臨界発泡法と呼ぶ）等がある（例えば、特許文献２参照。）。そのような製造方法の具体的としては、押出機で成形した無発泡シートを高圧容器中に密閉し、発泡剤である二酸化炭素を長時間にわたりシートに含浸させた後に圧力を開放、取り出したシートを加熱して発泡させる方法である。
バッチ式超臨界発泡法は、注型法に比べて発泡ばらつきの小さい独立発泡体を得ることができるが、その反面、発泡剤の含浸に長時間を要するために生産性が低くなる。さらには大型の高圧設備が必要となるために、設備投資額が非常に大きくなる等の問題点もあり、その製造コストはやはり高いものであった。

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。それに伴い、ＣＭＰに求められる研磨精度も高くなる、つまりは研磨パッドに要求される研
磨性能レベルも著しく高まっており、従来のパッドに比べて性能ばらつきの小さい研磨用独立発泡体の出現が大望されているが、併せて該独立発泡体の実用に耐えうる製造方法が求められている。

特許第３０１３１０５号 公開特許公報２００１−２６１８７４、Ｐ６−Ｐ７

本発明は、従来、製造に長時間を要する上に、得られた研磨パッドの性能がばらつくといった問題を解決するためのもので、その目的とするところは、研磨に好適な、性能ばらつきの小さい研磨用独立発泡体を、効率良く製造する方法を提供することにある。

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） 押出機中において１０ＭＰａを超える圧力雰囲気下で発泡剤を樹脂に溶解混合する工程（Ａ）と、その後、発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝す工程（Ｂ）とを含む、平均気泡径が１〜１００μｍの研磨用独立発泡体の製造方法、
（２） 押出機に注入する発泡剤の供給速度が、吐出速度の０．５〜１０重量％である第（１）項記載の研磨用独立発泡体の製造方法、
（３） 発泡剤が常温・常圧で気体状態のガスである第（１）又は（２）項のいずれか１項に記載の研磨用独立発泡体の製造方法、
（４） 発泡剤が二酸化炭素である第（１）〜（３）項のいずれか１項に記載の研磨用独立発泡体の製造方法
である。

本発明の方法で製造した平均気泡径が１〜１００μｍの研磨用独立発泡体は良好な研磨性能を発現した。本発明の安価な発泡剤を用いた、効率良い製造方法によれば、該研磨用独立発泡体を安定に、低コストで生産することが期待できる。

本発明者らは、平均気泡径が１〜１００μｍである独立発泡体が、高精度な研磨、特に半導体デバイス表面のＣＭＰに好適であることを見出した。
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および研磨の進行に伴い発生する研磨屑等が、開口した気泡内から排出されにくく、空孔が目詰まりし易い。その結果、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきを引き起こしやすく、さらには研磨速度の経時変動が大きくなるので好ましくない。逆に１００μｍを超えると、ウエハ面内においてスラリーの保持性能がばらつき安く、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきが大きくなるため、高精度な研磨の実現が困難となる。

本発明においては、該研磨用独立発泡体を、押出機を用いて製造するが、押出工程が、押出機中にて１０ＭＰａ以上の圧力雰囲気下、発泡剤を樹脂に溶解混合する工程（Ａ）と、その後、発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝す工程（Ｂ）とを含む。研磨に好適に用いられる、平均気泡径が１〜１００μｍの独立発泡体を得るための条件は、発泡剤を樹脂に溶解混合する圧力雰囲気が１０ＭＰａ以上であることである。１０ＭＰａ未満では、発泡剤の溶解混合が安定に進行せず、得られたシートの発泡状態がばらつき
安くなるので好ましくない。また、発泡剤を１０ＭＰａ未満で溶解混合した場合は、得られた独立発泡体に含まれる気泡は粗大で、平均気泡径が１００μｍ未満の気泡を得ることは非常に困難となることからも、発泡剤を樹脂に溶解混合する圧力雰囲気は１０ＭＰａ以上であることが好ましい。

本発明の製造方法の具体例としては、例えば固体ペレット樹脂を押出機中に投入し十分に混練した後に、同押出機中において発泡剤を１０ＭＰａ以上の圧力雰囲気下で溶解混合した溶融樹脂を、押出機先端部に取り付けた金型を通して大気中に押し出すことにより、発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝す方法が挙げられる。発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝すことで、研磨用独立発泡体として好適な所望の発泡状態をほとんど瞬時に得られることが本発明の特徴であり、発泡させるために押し出したシートを改めて加熱する必要はない。本発明の発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気とは、大気圧より高くても、又逆に低くても良い。
押出機としては、単軸押出機、二軸押出機、又はこれらの押出機を連結管で接続した、いわゆるタンデム型押出機等を適宜選択し、使用することができる。

本発明の製造方法において、押出機に注入する発泡剤の供給速度は特に限定しないが、吐出速度の０．５〜１０重量％が好ましく、より好ましくは０．７〜８重量％、最も好ましくは１．０〜５重量％である。なお、吐出速度は、単位時間当たりに回収される独立発泡体の重量より算出し、本発明の工程（Ｂ）において離散した発泡剤量は加味しない。
本発明のような発泡と成形を同時併行させる方法において、発泡剤が多い場合は注入した発泡剤の数％が成形時に離散する、あるいは発泡せずに樹脂中に溶解したままである。このため吐出量に対し発泡剤が０．５重量％未満では、ほとんど発泡しない、あるいは所望の発泡状態を得ることが困難となるため好ましくない。
逆に注入濃度が１０重量％より多い場合は、発泡剤が樹脂に対して過剰となり、発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝す工程が不安定になりやすい。具体的には、シート表面が荒れやすくなる、発泡が不均一になり安い等の問題が発生するので好ましくない。

本発明の製造方法においては、常温・常圧で気体状態のガスを発泡剤とすることが好ましい。このようなガスとしては、特に制限はなく、無機ガス、フロンガス、低分子量の炭化水素などの有機ガス等が挙げられるが、原料樹脂に不活性であり、ガスの回収が不要という点で無機ガスが好ましい。無機ガスとしては、常温・常圧で気体である無機物質であって、原料樹脂に溶解混合できるものであれば特に制限はなく、例えば二酸化炭素、窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウム、酸素等が好ましいが、原料樹脂に溶解混合し易く、取り扱いが容易であり、さらには他の発泡剤と比べて安価であるという点等から二酸化炭素がより好ましい。

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。
＜独立発泡体製造設備＞
本発明の実施例で使用した発泡体製造設備の概略図を図２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のコートハンガータイプの金型（１３）を取り付けた。
金型（１３）から押し出された独立発泡体は、引取機（２０）により引き取られ、次工程に送られる。
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、単軸押出機（１１）の中央前寄りに取
り付けた注入口（１４）を通して押出機中に注入した。
なお第一押出機において、溶融混練が進行する発泡剤注入口より上流側をゾーン（Ｉ）、発泡剤の溶解混合が進行する発泡剤注入口より下流側をゾーン（ＩＩ）と呼び、図２中に（Ｉ）、（ＩＩ）で示す。
本実施例では、押出機中において１０ＭＰａを超える圧力雰囲気下で発泡剤を樹脂に溶解混合する工程（Ａ）は図２中のゾーン（ＩＩ）に該当し、その後、発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝す工程（Ｂ）は、金型内部から大気圧雰囲気下へ、溶解混合された発泡剤を含む溶融樹脂が押し出され、発泡する、図２中に示したゾーン（ＩＩＩ）に該当する。

（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）を１００℃で４時間、乾燥させた後、同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）を混合したものを使用した。製造条件を表１に示す。
なお、ゾーン（ＩＩ）の圧力は２１．５ＭＰａであった。
得られた独立発泡体の発泡層断面をＨＩＴＡＣＨＩ製走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）Ｓ−２４００で観察し、各気泡の直径を計測した。気泡断面が円形でないものについては、円相当直径を算出した。得られた気泡径の平均値を算出し、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、表面近傍の無発泡層を除去することにより気泡を開口させた。
該独立発泡体３枚を両面テープと貼り合わせた後に、直径６００ｍｍφの円盤状に切り取った。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、溝深さ０．６ｍｍの格子溝を施し、研磨パッドを作製した。

（実施例２）
実施例１と同じ原料を使用し、製造条件を変更して作製した独立発泡体を用いて研磨パッドを作製した。発泡押出条件および得られた独立発泡体の平均気泡径を表１に示す。
なお、ゾーン（ＩＩ）の圧力は１８．３ＭＰａであった。
（実施例３）
原料として大日精化工業（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−４０７０ＥＸ）を１００℃で４時間、乾燥させたものを使用した。（実施例１）、（実施例２）で用いた、同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）は使用していない。製造条件および得られた独立発泡体の平均気泡径を表１に示す。なお、ゾーン（ＩＩ）の圧力は１８．９ＭＰａであった。
（比較例１）
実施例１と同じ原料を使用し、製造条件を変更して作製した独立発泡体を用いて研磨パッドを作製した。製造条件および得られた独立発泡体の平均気泡径を表１に示す。
なお、ゾーン（ＩＩ）の圧力は８．３ＭＰａであった。
（比較例２）
溝幅２ｍｍ、溝深さ０．６ｍｍの格子溝が表面に施された、従来の研磨用独立発泡体であるロデール製ＩＣ１０００を使用した。なお実施例１と同様に断面をＳＥＭで観察し、平均気泡径を算出したところ３５μｍであった。

＜研磨性能評価＞
被研磨物として、直径２００ｍｍのＣｕブランケットウエハを用いた。
（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ッシングを掛けた後に、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２に示す。

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、ウエハ面内における研磨速度の平均値と、研磨速度のばらつきを算出した。
研磨速度のウエハ面内ばらつきの算出方法としては、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。その値が大きいほどばらつきが大きいと判断できる。平均研磨速度と研磨速度の面内ばらつきを表３に示す。
なお本評価はブランケットウエハを用いたため、研磨後のデバイス表面の平坦性は、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきにより判定することができる。ばらつきが小さいほど平坦性は良好であると判断できる。

さらに適宜ドレスをかけながら、ウエハ５０枚を連続的に研磨し、各ウエハの平均研磨速度の面間ばらつきを、面内ばらつきの算出機を用いて同様に算出し、研磨性能の経時変動の判断指標とした。面間ばらつきを表３に示す。

本発明の製造方法で作製した研磨用独立発泡体は、従来品に比べて研磨速度の面内および面間のばらつきが小さくなった上に、研磨速度が著しく向上した。
発泡剤を樹脂に溶解混合する工程の圧力雰囲気が１０ＭＰａ以上である（実施例）の独立発泡体は、１０ＭＰａより低い（比較例１）に比べて気泡が微細で、かつ気泡のばらつきも小さかった。その結果、研磨速度の面内および面間ばらつきが小さくなり、研磨性能が良好であった。

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応用される研磨用独立発泡体の製造方法であり、本発明によって製造された研磨用独立発泡体は特に層間絶縁膜や金属配線等の、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工に好適に用いられる。

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。 実施例で使用した独立発泡体製造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
２０ 引取機
２１ 独立発泡体

Claims (4)

1. 押出機中において１０ＭＰａを超える圧力雰囲気下で発泡剤を樹脂に溶解混合する工程（Ａ）と、その後、発泡剤を溶解混合した圧力より低い圧力雰囲気下に曝す工程（Ｂ）とを含む、平均気泡径が１〜１００μｍの研磨用独立発泡体の製造方法。
2. 押出機に注入する発泡剤の供給速度が、吐出速度の０．５〜１０重量％である請求項１記載の研磨用独立発泡体の製造方法。
3. 発泡剤が常温・常圧で気体状態である請求項１又は２のいずれか１項に記載の研磨用独立発泡体の製造方法。
4. 発泡剤が二酸化炭素である請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨用独立発泡体の製造方法。

Images