JP2005022041A

JP2005022041A - 二次研磨用パッド

Info

Publication number: JP2005022041A
Application number: JP2003191234A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Okura; 智幸大蔵; Susumu Muramatsu; 享村松
Original assignee: Inoue MTP KK; Inoac Corp
Current assignee: Inoac Corp
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】材質として硬度および永久圧縮歪みを所定の範囲内としたポリウレタン系発泡体を使用することで、半導体ウェハ等の化学機械研磨における一次研磨後の実施される二次研磨に好適に使用し得る二次研磨用パッドを提供する。
【解決手段】ポリオール成分およびイソシアネート成分を主原料とし、これに触媒等の各種副原料および水を混合し、所要形状に加工して得られるポリウレタン系発泡体１２であって、該ポリウレタン系発泡体のアスカーＣ硬度を、２０〜６５、好ましくは２５〜６０の範囲に設定すると共に、永久圧縮歪みを２０％以下に設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次研磨用パッドに関し、更に詳細には、液晶、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、各種光デバイス、ガラスおよびハードディスク用ガラス、殊に半導体ウェハ等の高い精度で、その表面の平担化が要求される部材を研磨し得る化学機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）に供される半導体ウェハ等の一次研磨後の、更なる平坦化を行なうための後研磨（二次研磨）に好適に使用し得る二次研磨用パッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の飛躍的な技術進歩を支える重要なテクノロジーとして、コンピュータ等の情報技術機器の高度化が挙げられる。前記情報技術の高度化は、使用される情報機器のＣＰＵ（中央演算装置）、すなわち該ＣＰＵを構成する超ＬＳＩデバイスの高性能化・高集積化により達成されているといっても過言ではない。この高性能化・高集積化を大きく向上させ得る方法の１つとして、前記超ＬＳＩの水平方向の高集積化、すなわち素子の微細化を追求する一方で、垂直方向の高集積化も、すなわち配線の多重化が実施されつつある。
【０００３】
前記配線の多重化において最も重要なファクターは、後述する層間絶縁膜や配線金属膜等の金属配線の配線パターンを露光する際の光リソグラフィーの焦点深度（ＤＯＦ）を確保する、すなわち表面の凸凹段差が該パターン露光の焦点深度より小さいことであり、そのため高精度な平坦化が必要とされる。これは配線が多重化された多層配線を形成するプロセスにおいては、層間絶縁膜や配線金属膜等に一定以上の凸凹段差が存在すると、焦点合わせが充分に行なえなかったり、または微細配線構造の形成が不可能となってしまうからである。
【０００４】
前述の高精度な平坦化の達成は、従来のＳＯＧ（ＳｐｉｎｏｎＧｌａｓｓ）またはエッチバックでは困難であり、これらに代わる方法としてＣＭＰ（化学機械研磨）等の超精密ポリシングが一般的となりつつある。前記ＣＭＰによる平坦化は、半導体ウェハ等の平坦化される被研磨物の被研磨表面に、シリカやアルミナ等の微粒子をアルカリ性または酸性の化学的浸食性のある水溶液中に混合・分散させた研磨剤（一般的にスラリーと呼称されるので、本発明においても以下、この用語を使用する）と、弾性研磨材とを使用することで実施されるものである。
【０００５】
前記ＣＭＰによる平坦化は、被研磨表面上に所要の回路パターンを形成する毎に実施され、通常は数回〜十数回に亘って得るべき回路パターンが得られるまで、回路パターン形成−平坦化が繰り返される。その平坦化処理では、一次研磨、二次研磨が順次繰り返され、殊にポリッシングのための二次研磨ではスクラッチの除去が行なわれている。この二次研磨は、被研磨物の平滑面の精度や粒度を高めるために実施されている後研磨である。また前記二次研磨は、前記平坦化により発生した、所謂削りカスや、研磨材、その他金属または有機物等の不純物といった研磨カス等の物質の物理的除去の役割も担っている。
【０００６】
前記二次研磨は、既に略完了している被研磨表面を平坦化の度合いを高める処理であるため、一次研磨に必要とされる段差緩和性および高い研磨レート等は要求されない。しかし、その一方で前記二次研磨処理によって、新たな擦り傷（以下、スクラッチと云う）または段差が形成される事態だけは回避する必要がある。一般にこの条件を満たすため、前記二次研磨を好適に実施し得る素材として、高い柔軟性を有する不織布または人工皮革を採用した二次研磨用パッドが好適に使用されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記素材から構成される二次研磨用パッドには以下の欠点が指摘されていた。すなわち、
▲１▼前記不織布または人工皮革は、何れもその原料として合成樹脂等の短繊維が使用されており、その表面に該短繊維が露出した、所謂ナップ層が形成されている。このため、研磨に使用される前記スラリーが、前記ナップ層を構成する短繊維の間や、該ナップ層に保持されることにより、更に奥の短繊維間に入り込んてしまう。そして入り込んだスラリーは使用回数に伴って多くなり、その結果、該スラリーによる前記スクラッチの形成頻度が大きくなってしまう問題が指摘される。
▲２▼また前記ナップ層は、その使用に伴って摩耗するものであるため、使用の度合いが進行するに従って、前記スラリーの保持量が該使用に伴って少なくなってしまう。これにより、研磨レートの経時的安定性が低く、使用の度合いに応じて研磨時間を変更しなければならない、使用頻度が少ないうちに交換しなければならない、といった問題を内在している。
▲３▼更に二次研磨用パッドを構成する素材は、その柔軟性故に、所謂ヘタリを起こし易い。そしてこのヘタリによって、前記被研磨表面の表面粗さが該二次研磨用パッドの使用度合いに応じて変動してしまう。このため前述の研磨レートと同様に、前記二次研磨用パッドの使用の度合いに応じて研磨時間を変更しなければならない、使用頻度が少ないうちに交換しなければならない、といった問題もある。
【０００８】
【発明の目的】
この発明は、従来の技術に係る二次研磨用パッドに内在していた問題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、その材質として硬度および永久圧縮歪みを所定の範囲内としたポリウレタン系発泡体を使用することで、半導体ウェハ等の化学機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）における一次研磨後の実施される二次研磨に好適に使用し得る二次研磨用パッドを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため本発明に係る二次研磨用パッドは、
ポリオール成分およびイソシアネート成分を主原料とし、これに触媒等の各種副原料および水を混合し、所要形状に加工して得られるポリウレタン系発泡体であって、
前記ポリウレタン系発泡体のアスカーＣ硬度は、２０〜６５、好ましくは２５〜６０の範囲に設定されると共に、永久圧縮歪みが２０％以下に設定されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好適な実施例に係る二次研磨用パッドにつき、好適な実施例を挙げて、以下説明する。本願発明者は、これまで半導体ウェハ等の表面にＣＭＰにより平坦化処理を施す一次研磨後に二次研磨を実施するに際して、好適に使用される二次研磨用パッドの材質として、所要形状への成形・加工が可能で、かつその組成を制御する等して、硬度、永久圧縮歪みおよび連泡率等を所定の範囲に設定し得るポリウレタン系発泡体を使用することで、スクラッチを発生させず、かつ使用の度合いにより、研磨を実施する際の重要な指標である研磨レートおよび表面粗さ等の経時的な安定性を高め、これにより被研磨物の所謂曇りを好適に除去する二次研磨性を発現し得る二次研磨用パッドが得られることを知見したものである。
【００１１】
本実施例に係る二次研磨用パッド１０は、通常に使用される一次研磨用パッドと同様に所定のＣＭＰ装置に取り付けられて使用されるものである。本実施例に係る二次研磨用パッド１０は、図１に示す如く、二液性ポリウレタン系原料をワンショット法により円形シート状に成形され、研磨面１０ａを構成するポリウレタン系発泡体１２と、この発泡体１２の片面側略全体に一体的に積層された緩衝パッド１４とから基本的に構成される。また前記研磨面１０ａを拡大してみると多数のセル１６が全体に均一に分散している。
【００１２】
また前記二次研磨用パッド１０の研磨面１０ａには、研磨のためのスラリーおよび研磨時に被研磨物から発生する、所謂研磨くずを効率的に系外に排出するための所定深さの排出溝１８が格子状に形成されている。この排出溝１８の深さは、前記被研磨物の材質や研磨レートによって最適値が変化するものであるが、一般的には０．１〜１．０ｍｍ程度に設定される。また前記排出溝１８が形成される形状パターンとしては、前述の格子状の他に、前記二次研磨用パッド１０と同じ中心の同心円状、渦巻き状または放射線状等或いは所要径の穿孔を多数穿設するような形状が採用されるが、これらの形状に限定されるものではなく、研磨時の該二次研磨用パッド１０の研磨に伴う回転等の運動により、前記研磨くずを効率的に排出し得る形状であれば如何なる形状であっても採用可能である。なお、殊に前記排出溝１８を形成しない平滑面のままでもよい。
【００１３】
前記二次研磨用パッド１０の材質としては、ＣＭＰ研磨に使用される研磨定盤に固定可能な形に容易に成形し得ると共に、その組成により、二次研磨用パッドとして必要とされる硬度および永久圧縮歪みといった物性を制御し得るポリウレタン系樹脂からなるポリウレタン系発泡体が好適である。また前記フォームの場合、研磨に使用されるスラリーの保持量を任意とする連泡率を制御することで、該スラリーによるスクラッチの形成も抑制し得る。
【００１４】
本発明に係る前記二次研磨用パッド１０に要求される物性は、前述の硬度、素材のヘタリの指標となる永久圧縮歪みで表すことができる。前記硬度は、被研磨物であり、一次研磨の終了した半導体ウェハ等に対して、スクラッチに代表される新たな傷を付けず、かつ被研磨面の面内均一性をより高め、所謂曇りを除去し得る程度、すなわち前記一次研磨用パッドより柔らかいことが望まれる。また永久圧縮歪みは、長時間の使用において前述の二次研磨に必要とされる研磨能力、具体的には研磨レートおよび得られる被研磨表面の表面粗さを安定的に発現させる点から、なるべく小さな値であることが望ましい。前記２つの物性は夫々相反するものであり、一般的には硬度が高くなればヘタリは小さくなり、硬度が低くなればヘタリは大きくなると云う関係を有している。このため、この２つの物性のバランスを取り得るように、前記二次研磨用パッド１０を製造する必要がある。また、前記連泡率の制御により、二次研磨に使用するスラリーの種類（粒径）毎にスクラッチを形成しないように好適な二次研磨を実施することも可能である。
【００１５】
本発明において前記硬度は、アスカーＣ硬度で表され、かつその範囲は２０〜６５、好ましくは２５〜６０の範囲に設定される。その硬度が２０未満であると、充分な永久圧縮歪みの確保が困難となる。一方、前記硬度はアスカーＣが、硬度６５を越えると被研磨表面に対して、傷を付けてしまう畏れがある。この硬度は、発泡剤の低減による発泡倍率の低下により達成される。
【００１６】
前記永久圧縮歪みは、ＪＩＳＫ６４００：１９９７に準拠した方法で測定される。そして前記永久圧縮歪みは、少なくとも２０％以下に設定される。この永久圧縮歪みを達成する要因として、ポリオールの種類、イソシアネートの種類およびその使用量、すなわちイソシアネートインデックスが挙げられる。この他、前述した硬度等とも密接に関係しているため留意が必要である。
【００１７】
前述の各物性値を達成することで、本実施例に係る二次研磨用パッド１０は、通常に使用されている二次研磨用パッドに比べて、初回使用時と一定条件下後の使用後とにおける研磨レートおよび表面粗さの変動率が小さくなる。従って、前記研磨レートおよび表面粗さにおける経時的安定性が高くなる。この作用により、再現性の高い二次研磨を効率よく実施し得ると共に、前記二次研磨用パッド１０のヘタリ等の経時変化による交換も抑制され、製品歩留まりの向上およびコスト低減をなし得る。なお、ここで前記研磨レートは、荷重０．０３ＭＰａ、速度３０回転／分（ｒｐｍ）、時間２分×２５回（５０分）の研磨前後の膜厚さを測定することで、また、表面粗さは、通常の光干渉法を利用した方法によって測定される。
【００１８】
前述の二次研磨時の条件は、前述の如く、本発明においては、荷重０．０３ＭＰａ、速度３０回転／分（ｒｐｍ）、時間５０分に設定されている。これは通常の二次研磨で前記二次研磨用パッド１０に掛けられる荷重が０．０３ＭＰａ程度であり、また回転速度３０回転／分で２分間実施される二次研磨に対して、２０回程度、好適には２５回程度は使用されることが要求されている点から設定した。
【００１９】
そして前記研磨レート（単位：ｎｍ／ｍｉｎ）としては、４０〜１５０の範囲であれば、好適な二次研磨が期待できるものであるが、その上限については、前記硬度が所定の範囲内であれば、殊に制限されない。また表面粗さ（ＲＡ値）としては、０．５以下であれば、二次研磨で除去すべき、所謂曇りを充分に除去した状態になっているといえる。
【００２０】
【製造方法および製造装置の一例】
以下に前記二次研磨用パッド１０を構成するポリウレタン系発泡体１２の製造装置および製造方法の一例を挙げる。前記二次研磨用パッド１０は、通常のポリウレタン系発泡体を製造する一般的なスラブ発泡法等により好適に製造されるものであるが、この他、従来技術に係る一般の製造方法が適宜好適に採用可能である。具体的には、図２および図３に示すような製造工および程製造機構２０によって好適に製造される。
【００２１】
前記ポリウレタン系発泡体１２を材質とする二次研磨用パッド１０を製造する工程は、図２に示す如く、基本的に所定のポリオール原料、イソシアネート原料および触媒等の副原料を混合する混合工程Ｓ１と、得られた混合原料を前記スラブ発泡部３８により発泡させる発泡工程Ｓ２と、得られたスラブ発泡体２０を前記加工装置５０により二次研磨用パッド１０の形状とする加工工程Ｓ３と、後加工および所定の検査等を実施する最終工程Ｓ４とからなる。
【００２２】
前述の製造工程を実施する前記製造機構２０は、図３に示す如く、必要とされるポリオール成分を貯蔵する第１原料タンク３２、イソシアネート成分を貯蔵する第２原料タンク３４、触媒等の副原料を貯蔵する第３原料タンク３５、該ポリオール成分、イソシアネート成分および副原料を所定割合とする等の制御下で混合するミキシングヘッド３６およびスラブ発泡部３８から構成され、所定厚さのスラブ発泡体２０を作製する発泡装置３０と、得られたスラブ発泡体２０を加工して所要の二次研磨用パッド１０とする加工装置５０とから基本的になる。そして、前記発泡装置３０において、前記第１原料タンク３２、第２原料タンク３４、第３原料タンク３５と、ミキシングヘッド３６とは夫々供給管路で接続されている。前記各原料タンク３２，３４，３５には、夫々ミキサ３２ａ，３４ａ，３５ａが配設されており、各原料タンク３２，３４，３５内に貯留される各原料を制御下に攪拌するようになっている。
【００２３】
前記加工装置５０は、得られた所定厚さのスラブ発泡体２０を、得るべき二次研磨用パッド１０を構成するポリウレタン系発泡体１２の厚さと略同等な厚さとするスキ加工機５２と、該ポリウレタン系発泡体１２と前記緩衝パッド１４とを、例えば接着剤等の接着手段を用いて積層一体化させると共に、必要に応じて該ポリウレタン系発泡体１２表面に前記排出溝１８を形成する加工機５４とからなる。また前記発泡装置３０により得られたスラブ発泡体２０に対し、所要の破泡処理を施してセル膜を予め除去した後に前記加工装置５０による加工を施すようにしてもよい。
【００２４】
なお本実施例においては、一端、スラブ発泡体２０を作製した後に切り出すような加工を施して前記二次研磨用パッド１０を得ているが、材質となるポリウレタン系発泡体１２は、その発泡条件を制御することで得るべき二次研磨用パッド１０の外部輪郭形状と一致するキャビティを有するモールド成形型または射出成形型等を使用し、モールド成形または射出成形により前述の加工を施すことなく直接的に該二次研磨用パッド１０を作製するようにしてもよい。またこの場合には、得られる二次研磨用パッド１０の表面に、所謂スキン層が形成されるので、該スキン層の除去が必須となる。
【００２５】
前記ポリオール成分としては、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオールまたはポリジエン系ポリオール等が使用され、これらのポリオールは単独でまたは２種類以上を併用した形で使用される。殊にスラリー等に含まれる洗浄液等の存在下での使用を考慮してそのような環境に強い公知のポリエーテルポリオールが好適に使用される。なお使用頻度が高く、短期間で交換してしまう等、使用される環境によっては、加水分解の影響を無視し得るため、前記ポリエーテルポリオールに代えてポリエステルポリオールを使用してもよい。
【００２６】
前記イソシアネート成分としては、トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）、ＴＤＩプレポリマー、メチレンジフェニルジイソシアネート（ＭＤＩ）、クルードＭＤＩ、ポリメリックＭＤＩ、ウレトジオン変性ＭＤＩまたはカルボジイミド変性ＭＤ１等が使用される。またこれらのプレポリマーを用いてもよく、更に本発明に使用し得る物質は、ここに記載の各物質だけに限定されるものではなく、この他公知の物質も使用可能である。具体的には、２，４−または２，６−トルエンジイソシアネートおよびこれらの混合物、モノメリック−ジフェニルメタンジイソシアネ一ト（ＭＤＩ）、ポリメリック−ＭＤＩ、ヘキサメチレンジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、フェニレンジイソシアネート、キシレンジイソシァネート、イソフォロンジイソシアネート或いはナフタレンジイソシアネート等が挙げられる。
【００２７】
またこれらの変性体や誘導体も使用できる。前記変性体としては、ウレタン変性体、アロファネート変性体、ビウレット変性体、イソシアヌレート変性体またはカルボジイミド／ウレトニミン変性体等が挙げられ、該変性体の使用により、耐薬品性および耐摩耗性の向上が期待できる。なお本発明に使用し得る物質は、ここに記載の各物質だけに限定されるものではない。
【００２８】
殊に得るべきポリウレタン系発泡体１２に対して大きな強度を付与し、耐摩耗性、耐久性を付与する点で、芳香族イソシアネートのジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）が好ましい。
【００２９】
また前記イソシアネート成分は、そのイソシアネートインデックスが８０〜１５０の範囲になるようにされる。前記イソシアネートインデックスが８０未満であると永久圧縮歪みが悪化してしまい、一方１５０を越えると硬度が高くなり、二次研磨時にスクラッチを付けてしまう畏れがあるためである。
【００３０】
【実験例】
次に、本発明に係る二次研磨用パッドについての実験例を示す。具体的には、以下に示す物質を、以下の表１に示す混合割合として前述の製造機構２０および製造方法により実施例１〜３に係る二次研磨用パッドを製造し、その密度（ｋｇ／ｍ^３）、アスカーＣ硬度（°）、セル径（μｍ）、引張強さ（ｋＰａ）および永久圧縮歪み（％）と、該パッド使用時の研磨レート（ｎｍ／ｍｉｎ）および表面粗さ（ＲＡ値）とを測定した。また、アスカーＣ硬度の異なるスェード地の不織布を基材として、その表層部に合成皮革用の液状ポリウレタン系樹脂を含浸させた２種類をパッドを比較例として、前述の各物性値等を測定した。なお、各物性値の測定方法は以下の通りである。また本発明に係る二次研磨用パッドは、この実験例に限定されるものではない。
【００３１】
（使用原料）
・ポリオール：商品名ＰＭＬ−７００１Ｋ；旭硝子製（３官能、分子量６０００）
・イソシアネート：商品名ＭＰ−１０２（ＭＤＩ）；ビーエーエスエフイノアックポリウレタン製
・添加剤
架橋剤：汎用の１，４ブタンジオール
触媒１：商品名３３ＬＶ；中京樹脂製（トリメチルジアミンの３３％エチレングリコール溶液）
触媒２：商品名ＮＩＡＸＡ−１；ウイティコ・ＯＳＩスペシャリティーズ製
発泡剤：水
【００３２】
（測定方法）
・密度：ＪＩＳＫ６４００に準拠した方法で測定する。
・硬度：アスカーＣ硬度計による。
・セル径：光学顕微鏡（倍率１００〜５００倍）での目視観察による。
・引張強さ：ＪＩＳＫ６４００に準拠の方法で測定する。
・永久圧縮歪み：ＪＩＳＫ６４００に準拠の方法で測定する。
・研磨レートおよび表面粗さ：前述（［００１７］）の方法参照
【００３３】
【表１】

【００３４】
（実験１の結果）
得られた結果を前記図１に併記する。この結果から、従来使用されていた比較例に係る二次研磨用パッドに比較して、本発明に係る二次研磨用パッドは、その硬度および永久圧縮歪みを所定の範囲に設定することで、良好な二次研磨をなし得る研磨レートおよび表面粗さを達成することが確認された。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明した如く、本発明に係る二次研磨用パッドによれば、該パッドを構成する材質として、硬度および永久圧縮歪み等の物性値を所定の範囲内としたポリウレタン系発泡体を使用することで、半導体ウェハ等の化学機械研磨における一次研磨後の実施される二次研磨に好適に使用し得る研磨レートおよび表面粗さを達成し、これにより高い経時的安定性と、効率のよい二次研磨をと実現し得る。また高い経時的安定性により、二次研磨用パッドの交換頻度が低下し、これにより製品歩留まりの向上およびコスト低減の効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例に係る二次研磨用パッドを示す斜視図である。
【図２】実施例に係る二次研磨用パッドを好適に製造する製造方法の一例を示す工程図である。
【図３】実施例に係る二次研磨用パッドを好適に製造する製造装置の一例を示す概略図である。

Claims

ポリオール成分およびイソシアネート成分を主原料とし、これに触媒等の各種副原料および水を混合し、所要形状に加工して得られるポリウレタン系発泡体であって、
前記ポリウレタン系発泡体のアスカーＣ硬度は、２０〜６５、好ましくは２５〜６０の範囲に設定されると共に、永久圧縮歪みが２０％以下に設定される
ことを特徴とする二次研磨用パッド。