JP2009291854A - 研磨パッド - Google Patents

Abstract

【課題】研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができる研磨パッドを提供する。
【解決手段】アミノ基（ＮＨ_２基）を有する芳香族アミンと、イソシアネート基（ＮＣＯ基）を有するイソシアネート末端プレポリマーとを反応硬化させた発泡ポリウレタンからなる研磨パッドであって、見かけ密度を、０．６０ｇ／ｃｍ^３〜０．９０ｇ／ｃｍ^３としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨パッドに関し、更に詳しくは、シリコンウェハなどの半導体ウェハの研磨に好適なポリウレタン系の研磨パッドに関する。

半導体ウェハなどの平坦化処理には、化学機械研磨（ＣＭＰ）技術が用いられており、従来からＣＭＰ技術を用いた種々のＣＭＰ装置が提案されている。図２は、従来のＣＭＰ装置の概略構成図である。定盤１の表面に取付けられた研磨パッド２には、研磨用のスラリー３がスラリー供給装置４から供給される。被研磨物としての、例えば、半導体ウェハ５は、研磨ヘッド６に、バッキングフィルム７を介して保持される。研磨ヘッド６に荷重が加えられることによって、半導体ウェハ５は、研磨パッド２に押し付けられる。

研磨パッド２上に供給されるスラリー３は、研磨パッド２上を広がって半導体ウェハ５に到達する。定盤１と研磨ヘッド６とは、矢符Ａで示すように同方向に回転して相対的に移動し、研磨パッド２と半導体ウェハ５との間にスラリー３が侵入して研磨が行われる。なお、８は研磨パッド２の表面を目立てするためのドレッサーである。

研磨パッド２としては、耐摩耗性等に優れた発泡ポリウレタンを使用したものが知られている。

近年、シリコンウェハ等の被研磨物の平坦度の要求が益々厳しくなっており、かかる平坦度を向上させるには、研磨パッドを、高硬度、高弾性率にすることが有効であり、熱可塑性ポリウレタンからなる高硬度、高弾性率の研磨パッドも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−９１８９８号公報

しかしながら、上記特許文献１の研磨パッドは、熱可塑性のポリウレタンで構成されているために、熱硬化性のポリウレタンに比べて、例えば、１００℃以上の高温時の耐熱性が悪く、軟化点が低いために、研磨時に高温状態になるような場合や形状加工時、例えば溝加工時などで研磨パッドが局所的に高温状態になった場合、研磨パッドが軟化溶融してうまく加工できないなどの課題がある。

一般に、発泡ポリウレタンからなる研磨パッドを、高硬度、高弾性率にするには、密度を上げればよいが、密度を上げると、発泡倍率が下がることになり、ポア（気泡）のサイズが小さくなる結果、スラリーの保持能力が低下して研磨レートが低下するといった課題がある。

また、研磨パッドの硬度が高くなると、被研磨物の被研磨面に傷（スクラッチ）を生じさせるという課題もある。

本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができる研磨パッドを提供することを目的とする。

本発明の研磨パッドは、熱硬化性の発泡ポリウレタンからなる研磨パッドであって、見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３〜０．９０ｇ／ｃｍ^３である。

ここで、見かけ密度とは、発泡ウレタンからなる研磨パッドのポア（気泡）を含めた密度をいい、寸法から求められる体積で、質量を割った密度をいう。

見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３未満ではポアの容積が大きいために、スラリー保持容量が大きく、そのため十分な研磨レートを維持できるが、弾性率が低下して被研磨物の平坦度が悪化する。一方、見かけ密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３を超えると弾性率が高くなり、被研磨物の平坦度は向上するが、スラリー保持容量が小さくなるために研磨レートが極端に低下してしまう。

本発明の研磨パッドによると、見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３〜０．９０ｇ／ｃｍ^３であるので、ポア容積を確保できるとともに、弾性率を高めることが可能となり、これによって、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることが可能となる。

本発明の好ましい実施形態では、３０℃における貯蔵弾性率Ｅ’が、２．０×１０^８Ｐａ〜６．５×１０^８Ｐａである。

３０℃における貯蔵弾性率Ｅ’が、２．０×１０^８Ｐａ未満では被研磨物の平坦度が悪く、６．５×１０^８Ｐａを超えると被研磨物の平坦度は良いが、一般的に同じポリウレタンの場合、弾性率が高い程、密度が高くなるため、スラリー保持容量が小さくなり研磨レートが低下する。

本発明の一つの実施形態では、ショアＤ硬度が、３５〜６０である。

ショアＤ硬度が、３５未満では被研磨物の平坦度が悪く、６０を超えると被研磨物の平坦度は良いが、一般的に同じポリウレタンの場合、硬度が高い程、密度が高くなるため、スラリー保持容量が小さくなり研磨レートが低下する。

本発明の他の実施形態では、圧縮率が、０．５％〜２．３％である。

圧縮率が、２．３％を超えると、被研磨物の平坦度が悪く、０．５％未満では被研磨物の平坦度は良いが、一般的に同じポリウレタンの場合、圧縮率が低い程、密度が高くなるため、スラリー保持容量が小さくなり研磨レートが低下する。

本発明の更に他の実施形態では、最大ポア径が、１．３ｍｍ〜２．０ｍｍである。

最大ポア径が、１．３ｍｍ未満ではポア容積が小さくなりスラリー保持容量低下し研磨レートが低下する。また、２．０ｍｍを超えると、スラリー保持容量は十分であるがポアサイズが大きいため被研磨物の表面粗さが悪化する。

本発明の他の実施形態では、平均ポア径が、０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍである。

平均ポア径が、０．３５ｍｍ未満ではポア容積が小さくなりスラリー保持容量低下し研磨レートが低下する。また、０．４５ｍｍを超えるとスラリー保持容量は十分であるがポアサイズが大きいため被研磨物の表面粗さが悪化する。

本発明によれば、見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３〜０．９０ｇ／ｃｍ^３であるので、ポア容積を確保できるとともに、弾性率を高めることが可能となり、これによって、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることが可能となる。

以下、図面によって本発明の実施形態について詳細に説明する。

この実施形態の研磨パッドは、図１に示すようにして製造される。すなわち、イソシアネート基（ＮＣＯ基）を有するイソシアネート末端プレポリマーと、アミノ基（ＮＨ_２基）を有する芳香族アミンとを、発泡剤（水）と共に混合攪拌し(Ｓ１)、所定の型に注型し(Ｓ２)、反応硬化させて発泡ポリウレタンの成型体を得る(Ｓ３)。得られた発泡ポリウレタンの成型体を、所定の厚さのシート状に裁断し(Ｓ４)、それを打ち抜いて研磨パッドを得る。

イソシアネート基（ＮＣＯ基）を有するイソシアネート末端プレポリマーは、アルコール系活性水素含有化合物とイソシアネート化合物とよりなるのが好ましく、アルコール系活性水素含有化合物は、ポリオールおよび鎖伸張剤からなるのが好ましい。

このイソシアネート末端プレポリマーは、２価以上のアルコール系活性水素を有するポリオールおよび／または鎖伸張剤と、２価以上のイソシアネート基を有するイソシアネート化合物とにより作成されるのが好ましい。

また、研磨用であるので、加水分解を起こさないエーテル系のポリオールが好ましく、エーテル系のポリオールとして、ＰＰＧ（ポリプロピレングリコール）、ＰＴＭＧ（ポリテトラメチレンエーテルグリコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）等の−Ｏ−結合を有するものが好ましく、その中でも一般的には、物性（引張り特性）の良好なＰＴＭＧ系が好ましい。

鎖伸張剤としては、分子量ＭＷが５００以下のＥＧ（エチレングリコール）、ＰＧ（プロピレングリコール）、ＢＧ（ブタンジオール）、ＤＥＧ（ジエチレングリコール）、トリメチロールポロパン等を用いることができる。

イソシアネート化合物としては、ＴＤＩ（トリレンジイソシアネート）、ＭＤＩ（ジフェニルメタンジイソシアネート）、ＨＤＩ（ヘキサメチレンジイソシアネート）、水添ＭＤＩ（ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート）、ポリメリックＭＤＩ（ポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネート）等および、これらのイソシアネートから作成されるプレポリマーが使用される。

芳香族アミンとしては、少なくともＭＯＣＡ（４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン））およびＭＯＣＡ類似物の少なくとも一方を使用するのが好ましい。

ＭＯＣＡ類似物としては、メチレン-ビス(２，３ジクロロアニリン)、４’,４メチレン-ビス(２-メチルエステルアニリン)などを使用することができる。

この実施形態の研磨パッドは、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができるように、次のようにしている。

すなわち、この実施形態の研磨パッドは、見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３〜０．９０ｇ／ｃｍ^３であり、好ましくは、３０℃における貯蔵弾性率Ｅ’が、２．０×１０^８Ｐａ〜６．５×１０^８Ｐａ、ショアＤ硬度が、３５〜６０、圧縮率が、０．５％〜２．３％、最大ポア径が、１．３ｍｍ〜２．０ｍｍ、平均ポア径が、０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍである。

この実施形態の研磨パッドは、上述の製造方法において、例えば、発泡剤の量を少なくするなどして発泡倍率を調整することにより、見かけ密度、貯蔵弾性率Ｅ’、ショアＤ硬度、圧縮率、最大ポア径および平均ポア径が、前記範囲内に収まるようにしている。

特に、見かけ密度、貯蔵弾性率Ｅ’、最大ポア径および平均ポア径を前記範囲内に収まるように最適化することにより、研磨レートの低下を抑制しつつ、被研磨物の平坦度を高めることができるとともに、被研磨面に生じる研磨傷を改善することができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

各種特性を評価するために、上述の製造方法によって、試験用パッドとして、実施例１〜３および比較例の研磨パッドを製造した。また、従来の２種類（従来例１，２）の研磨パッドも試験用パッドとした。

各試験用パッドの物性値を表１に示す。

表１における見かけ密度は、次のようにして算出した。直径３００ｍｍにカットした試料の重量（ｇ）を電子天秤で測定し、小数点以下２桁までを読みとる。ダイヤルゲージで厚みを３点測定して平均値をcm換算して計算する。次の計算式により見かけ密度を算出する。数値は小数点以下3桁目を四捨五入する。

密度（g/cm³）＝重量／（３．１４×１５^２×厚み） （半径：cm単位）
表１における貯蔵弾性率Ｅ’は、ＳＩＩナノテクノロジー製の動的粘弾性測定装置ＤＭＳ６１００を用いて、下記表２の条件で計測した。

表１における圧縮率は、次式に従って算出した。

圧縮率 （％）＝｛（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１｝×１００
ここで、
Ｔ１：研磨パッドに無負荷状態から６４１ｇ／ｃｍ^２の応力を６０秒間加えて保持した際の研磨パッドの厚み
Ｔ２：Ｔ１の状態からさらに５１６１ｇ／ｃｍ^２の応力を６０秒間加えて保持した際の研磨パッドの厚みである。

表１におけるポア径の測定は、三谷商事製の画像処理ソフトウェアＷｉｎＲｏｏｆ Ｖｅｒ５．６．２を用いて、４×４ｍｍの測定範囲の３箇所について、しきい値決定法としてＰタイル法を用いて測定した。

表１に示すように、実施例１〜３は、見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３〜０．９０ｇ／ｃｍ^３の範囲にあるのに対して、従来例１，２は、見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３よりも小さく、比較例は、見かけ密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３よりも大きい。

実施例１〜３は、ショアＤ硬度が、３５〜６０の範囲にあるのに対して、従来例１，２は、ショアＤ硬度が、３５よりも低く、比較例は、ショアＤ硬度が、６０よりも高い。

実施例１〜３は、３０℃における貯蔵弾性率Ｅ’が、２．０×１０^８Ｐａ〜６．５×１０^８Ｐａの範囲にあるのに対して、従来例１，２は、貯蔵弾性率Ｅ’が、２．０×１０^８Ｐａよりも小さく、比較例は、貯蔵弾性率Ｅ’が、６．５×１０^８Ｐａよりも大きい。

実施例１〜３は、圧縮率が、０．５％〜２．３％の範囲にあるのに対して、従来例１，２は、圧縮率が、２．３％よりも大きく、比較例は、圧縮率が、０．４％よりも小さい。

実施例１〜３は、最大ポア径が、１．３ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲にあるのに対して、従来例１，２は、最大ポア径が、２．０ｍｍよりも大きく、比較例は、最大ポア径が、１．３ｍｍよりも小さい。

実施例１〜３は、平均ポア径が、０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍの範囲にあるのに対して、従来例１，２は、平均ポア径が、０．４５ｍｍ以上であり、比較例は、平均ポア径が、０．３５ｍｍよりも小さい。

以上の従来例１，２、実施例１〜３および比較例の各試験用パッドを用いて、表３の研磨条件でウェハの両面研磨試験を行った。

両面研磨試験は、表３に示すように、ＳｐｅｅｄＦａｍ製の両面研磨装置２０Ｂ−５Ｐ−４Ｄを用いて行った。スラリーは、ニッタ・ハース製のＮＰ６２２０（２０倍希釈）を、流量４．５Ｌ／ｍｉｎ〜５．０Ｌ／ｍｉｎで供給した。下定盤の回転速度は、毎分３１回転、上定盤の回転速度は、逆方向に毎分１１回転とし、インターナルギアおよびサンギアの回転速度は、それぞれ毎分６．３回転および毎分２３．８回転とした。圧力は、１１．２ｋＰａとし、立ち上げ時には、ダイヤモンドドレッサーによって、３０分のコンデイショニングを行った。

試験結果およびその判定結果を表４に示す。判定は、研磨レート、平坦度の評価項目であるＴＴＶ(Ｔotal Ｔhickness Ｖariation)およびＳＴＩＲ(Ｓight Ｔotal Ｉndicator Ｒeading )、研磨傷の評価項目であるｒｍｓ(Ｒoot Ｍean Ｓquare)について、それぞれ◎（優）、○（良）、△（可）、×（不可）の４段階で行うとともに、更に、それらの総合評価を、◎、○、△、×の４段階および点数で行った。

表４における研磨レート（μｍ／ｍｉｎ）、ＴＴＶ（μｍ）、ＳＴＩＲ（μｍ）およびｒｍｓ（ｎｍ）の各判定基準を表５に示す。

表５に示すように、研磨レートについては、０．４５以上を◎、０．４０以上０．４５未満を○、０．３５以上０．４０未満を△、０．３５未満を×と判定した。

ＴＴＶについては、０．４未満を◎、０．４以上０．６未満を○、０．６以上０．８未満を△、０．８以上を×と判定した。

ＳＴＩＲについては、０．１０未満を◎、０．１０以上０．１４未満を○、０．１４以上０．１８未満を△、０．１８以上を×と判定した。

ｒｍｓについては、０．８未満を◎、０．８以上１．０未満を○、１．０以上１．１未満を△、１．１以上を×と判定した。

総合評価では、表４に示される研磨レート、ＴＴＶ、ＳＴＩＲおよびｒｍｓについての◎、○、△、×の４段階の判定結果に対して、◎は３点、○は２点、△は１点、×は０点を割り当て、その合計点が、３点〜４点は×、５点〜６点は△、７点は○、８点は◎と総合判定するとともに、４項目のいずれか一つの項目に×があれば、合計点に拘わらず、総合評価は×とした。

表４に示すように、従来例１は、研磨レートは◎の判定であるが、平坦度の評価項目であるＴＴＶおよびＳＴＩＲはいずれも×の判定であるとともに、研磨傷の評価項目であるｒｍｓも×の判定となっている。また、従来例２は、研磨レートは◎の判定であるが、ＴＴＶおよびＳＴＩＲはいずれも△の判定であり、ｒｍｓは×の判定となっている。したがって、従来例１，２は、総合評価は×の判定となる。

これに対して、実施例１は、研磨レートは◎の判定であり、ＴＴＶおよびＳＴＩＲはいずれも△の判定であり、ｒｍｓは○の判定となっており、総合評価は△となる。

また、実施例２は、研磨レートは○の判定であるが、ＴＴＶおよびＳＴＩＲはいずれも◎の判定であり、ｒｍｓも◎の判定となっており、総合評価も◎の判定となる。

実施例３は、研磨レートは△の判定であるが、ＴＴＶおよびＳＴＩＲはいずれも◎の判定であり、ｒｍｓも◎の判定となっており、総合評価は○の判定となる。

これに対して、比較例は、研磨レートが×の判定であるために、ＴＴＶ、ＳＴＩＲおよびｒｍｓは、いずれも◎の判定となっているが、総合評価は×の判定となる。

このように実施例１〜３は、従来例１，２および比較例に比べて、研磨レート、平坦度の評価項目であるＴＴＶおよびＳＴＩＲ、並びに、研磨傷の評価項目であるｒｍｓのすべての項目のバランスが良く、研磨レートを大きく損なうことなく、被研磨物の平坦度および研磨傷を改善できることが分かる。

上述の実施例１〜３では、従来例１，２に比べて、ＴＴＶでは、２０％〜４０％、ＳＴＩＲでは、１０％〜４０％、ｒｍｓでは、２０％〜３０％の改善効果がそれぞれ確認された。

本発明は、シリコンウェハ等の研磨に用いる研磨パッドとして有用である。

OLE_LINK5本発明の実施形態におけるOLE_LINK5製造工程図 ＣＭＰ装置の概略構成図

符号の説明

２ 研磨パッド

Claims (6)

1. 熱硬化性の発泡ポリウレタンからなる研磨パッドであって、
   見かけ密度が、０．６０ｇ／ｃｍ^３〜０．９０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする研磨パッド。
2. ３０℃における貯蔵弾性率Ｅ’が、２．０×１０^８Ｐａ〜６．５×１０^８Ｐａである請求項１に記載の研磨パッド。
3. ショアＤ硬度が、３５〜６０である請求項１または２に記載の研磨パッド。
4. 圧縮率が、０．５％〜２．３％である請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨パッド。
5. 最大ポア径が、１．３ｍｍ〜２．０ｍｍである請求項１〜４のいずれか一項に記載の研磨パッド。
6. 平均ポア径が、０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍである請求項１〜５のいずれか一項に記載の研磨パッド。

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