JP2021057368A - 半導体ウェハの研磨方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】研磨加工において、ウェハの研磨面に、スクラッチ傷の発生や不均質研磨の発生を抑制する砥粒生成研磨工具、および研磨方法を提供する。【解決手段】研磨液ＰＦは過マンガン酸イオンを含み、研磨パッド１０は、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子を有する熱可塑性樹脂または炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する熱硬化性樹脂により構成され、研磨パッド１０は、研磨液ＰＦ中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで研磨パッド１０上に過マンガン酸塩を析出させ、その過マンガン酸塩の析出粒子ＣＰを研磨粒子として機能させることで半導体ウェハ２６を研磨する。これにより、研磨液ＰＦ中に砥粒が含まれなくても研磨可能となるので、スクラッチ傷や不均質研磨が半導体ウェハ２６の研磨面において発生することが好適に抑制される。【選択図】図２０
Description
本発明は、半導体ウェハの研磨方法に関するものである。
ＳｉＣウェハ、ＧａＮウェハ、Ｓｉウェハ、Ｓｉ酸化膜ウェハなどの半導体ウェハの研磨に際して、従来は、遊離砥粒を含む研磨スラリー或いは砥粒が固定された研磨パッドを用いて研磨盤上で研磨を行なっていた。たとえば、特許文献１に記載されたＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）法がそれである。このような砥粒を用いた研磨では、通常、研磨スラリーを循環させる過程で異物除去フィルタを透過させることで研磨スラリー内の異物を除去し、異物除去後の研磨スラリーが再度研磨盤に供給されるようになっている。
上記のような従来の研磨方法では、研磨スラリー中の砥粒を除去するために非常に細かい網目のフィルタを用いると詰まりが生じて使用することができず、それに替えてやや大きい網目のフィルタを用いると、フィルタの除去能力が充分でなく、研磨スラリー中において残留した砥粒によって半導体ウェハの研磨面にスクラッチ傷が発生する場合があった。また、研磨スラリー中の砥粒は、分散液よりも比重が大きく、貯留タンクや搬送管路内に沈殿して凝集し易いので、凝集砥粒が研磨パッドの上に流れると、研磨パッドの上で砥粒が不均質分散となり易く、ウェハの研磨面に不均質研磨が発生する場合があった。
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、研磨加工の際に、ウェハの研磨面においてスクラッチ傷や不均質研磨の発生が抑制される研磨方法を提供することにある。
本発明者は、スクラッチ傷や不均質研磨がウェハの研磨面において発生することを抑制すべく鋭意研究を継続した結果、砥粒を含まないが過マンガン酸イオンを含む研磨液を用意し、炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子たとえば繰り返し単位にエーテル基を含む高分子を有する熱可塑性樹脂により研磨パッドを構成すると、砥粒を用いないでも研磨を行なうことができるという意外な事実を見出した。この理由としては、炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子たとえば繰り返し単位にエーテル基を含む高分子を有する熱可塑性樹脂製の研磨パッドはそれ自体に還元抑制作用をもたせることができ、それにより研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで研磨パッド上に過マンガン酸塩を析出させるので、その過マンガン酸塩が砥粒として機能して研磨を行なうことができるということが推定された。このように、研磨液中に砥粒を含まない場合には、スクラッチ傷や不均質研磨がウェハの研磨面において発生することが好適に抑制される。
すなわち、本発明の要旨とするところは、研磨液および研磨パッドを用いて半導体ウェハを研磨する半導体ウェハの研磨方法であって、前記研磨液は過マンガン酸イオンを含み、前記研磨パッドは、炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂により構成され、前記研磨パッドは、前記研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで前記研磨パッド上に過マンガン酸塩を析出させ、前記過マンガン酸塩の析出粒子を研磨粒子として前記半導体ウェハを研磨することにある。
本発明の研磨方法によれば、前記研磨液は過マンガン酸イオンを含み、前記研磨パッドは、炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂により構成され、前記研磨パッドは、前記研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで前記研磨パッド上に過マンガン酸塩を析出させ、前記過マンガン酸塩の析出粒子を研磨粒子として前記半導体ウェハを研磨するので、研磨液中に砥粒が含まれなくても研磨可能となる。これにより、スクラッチ傷や不均質研磨がウェハの研磨面において発生することが好適に抑制される。
ここで、好適には、前記研磨パッドは、熱可塑性樹脂であって、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子を有する樹脂により構成され、前記研磨パッドは、前記研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで前記研磨パッド上に過マンガン酸塩を析出させ、その過マンガン酸塩の析出粒子を研磨粒子として前記半導体ウェハを研磨する。これにより、研磨液中に砥粒が含まれなくても研磨可能となるので、スクラッチ傷や不均質研磨がウェハの研磨面において発生することが好適に抑制される。
また、好適には、前記繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子を有する樹脂は、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）系樹脂、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）樹脂、ＰＥＫ（ポリエーテルケトン）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥｓ（ポリエステル）樹脂のうちのいずれか１の樹脂である。これにより、金属イオンを含む研磨液が研磨パッドに接触することで、研磨パッドの上に金属酸化物粒子が生成される。
また、好適には、前記研磨パッドは、複数の分岐点を有する網目構造を有する熱硬化性樹脂であって、前記分岐点間の炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂により構成され、前記研磨パッドは、前記研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで前記研磨パッド上に過マンガン酸塩を析出させ、その過マンガン酸塩の析出粒子を研磨粒子として前記半導体ウェハを研磨する。これにより、研磨液中に砥粒が含まれなくても研磨可能となるので、スクラッチ傷や不均質研磨がウェハの研磨面において発生することが好適に抑制される。
また、好適には、前記分岐点間の炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂は、エポキシ樹脂である。これにより、過マンガン酸イオンを含む研磨液が研磨パッドに接触することで、研磨パッドの上に過マンガン酸塩の析出粒子が生成される。
また、好適には、前記過マンガン酸塩は、過マンガン酸カリウムである。これにより、研磨パッドにより過マンガン酸イオンの還元が抑制されて析出した過マンガン酸カリウムが研磨パッド上で砥粒として機能することによってウェハが好適に研磨される。
また、好適には、前記研磨パッドは、前記炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂から形成された円板状の母材樹脂と、前記母材樹脂に形成され、研磨砥粒を内包する連通気孔とを備えたものである。これにより、金属酸化物粒子に加えて、円板状の母材樹脂に内包された研磨砥粒によってもウェハが研磨されるので、一層、研磨能率が高められる。
以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
図１は、本発明の一実施例である研磨パッド１０を示す斜視図である。本実施例の研磨パッド１０は、母材樹脂１２が円板状に形成されたものであり、たとえば外径１０００（ｍｍφ）×厚み２（ｍｍ）程度の寸法を備えている。かかる研磨パッド１０は、後述の図１３に示すように、研磨加工装置１９の研磨定盤２０に貼り付けられて、専らＣＭＰ法による半導体ウェハ２６の研磨加工に用いられるものである。
上記母材樹脂１２は、研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制する作用を有する樹脂、具体的には、炭素連鎖の途中に酸素が介在させられている高分子を有する樹脂から構成される。この樹脂は、熱可塑性樹脂では、繰り返し単位毎にエーテル基Ｅ（構造式Ｒ−Ｏ−Ｒ’）を含む高分子を有する樹脂であって、たとえば、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）系樹脂、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）樹脂、ＰＥＫ（ポリエーテルケトン）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥｓ（ポリエステル）樹脂のうちの１つの樹脂、或いはそれらの内の少なくとも１つを含む樹脂である。また、熱硬化性樹脂では、網目状に交差する高分子の分岐点間の炭素連鎖の途中に酸素を介在させた高分子を有するエポキシ樹脂である。それら熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂は、炭素連鎖の途中に酸素が介在させられている高分子を有する樹脂である点で共通し、研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制する作用を有する。
図２はＰＥＧ系樹脂、図３はエポキシ樹脂、図４はＰＥＳ樹脂、図５はＰＥＫ樹脂、図６はＰＥＥＫ樹脂、図７はＰＥｓ樹脂であるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）樹脂の化学構造式をそれぞれ示している。いずれの樹脂も、繰り返し単位毎に少なくとも１つのエーテル基Ｅを含む高分子から成る。なお、図３は、エポキシ樹脂が架橋ネットワーク化（網目構造化）される硬化前のプレポリマーの化学構造式を示しており、このプレポリマーは、繰り返し単位毎に少なくとも１つのエーテル基Ｅを含む高分子である。エポキシ樹脂は、図８に示すように硬化後には網目状に交差する高分子から構成され、その網目の分岐点ＢＰ間の炭素連鎖途中に酸素を介在させた高分子から構成される。また、研磨パッド１０は、気孔および砥粒を内包しない母材樹脂１２から構成されてもよい。また、研磨パッド１０は、図９、図１０、図１１に示されるように、連通気孔１６を有する多孔質の母材樹脂１２と母材樹脂１２の連通気孔１６に内包された多数の研磨砥粒１４とを備えて母材樹脂１２に内包されたものであってもよい。この場合の研磨パッド１０は、ＬＨＡパッドとも称される。
研磨砥粒１４は、好適には、シリカが用いられるが、その他の研磨砥粒たとえばセリア、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マンガン酸化物、炭酸バリウム、酸化クロム、および酸化鉄の内の少なくとも１つを含むものが用いられてもよい。上記シリカとしては、たとえばヒュームドシリカなどが好適に用いられる。ヒュームドシリカは、四塩化ケイ素、クロロシランなどを水素および酸素の存在のもとで高温燃焼させて得られるシリカ微粒子である。研磨砥粒１４の平均粒径は、０．００５（μｍ）以上３．０（μｍ）以下が好ましく、より好ましくは０．００５（μｍ）以上１．０（μｍ）以下、より好ましくは０．０２（μｍ）以上０．６（μｍ）以下、より好ましくは０．０８（μｍ）以上０．５（μｍ）以下、さらに好ましくは０．０８（μｍ）以上０．３（μｍ）以下である。たとえば、研磨砥粒１４の平均粒径が３．０（μｍ）を上回ると、後述する研磨加工において、母材樹脂１２から遊離する研磨砥粒１４によって半導体ウェハ２６に研磨傷が発生し易くなる。さらに、研磨砥粒１４の平均粒径が０．００５（μｍ）を下回ると研磨砥粒１４が凝集し易くなり、後述する研磨加工において、半導体ウェハ２６に研磨傷が発生し易くなる。なお、研磨砥粒１４の粒径はレーザー回折・散乱法で測定されたもの例えば日機装株式会社製の粒径・粒度分布測定装置マイクロトラックＭＴ３３００で測定されたものであり、平均粒径とは粒径の算術平均である。上記レーザー回折・散乱法の測定限度を下回る粒径は、例えば日機装株式会社製の粒径・粒度分布測定装置ナノトラックＵＰＡ−ＥＸ２５０等を使用して動的光散乱法で測定される。
図９は、本実施例の研磨パッド１０の研磨面１０ａと平行な断面の一部であり、図１の一点鎖線で囲まれた領域Ｗ１をＸ線ＣＴ（島津製作所製ＳＭＸ−１６０ＬＴ）によって拡大した様子を示す図である。図１０は、研磨パッド１０の厚さ方向の断面の一部をＸ線ＣＴによって拡大した様子を示す図である。図９および図１０に示すように、研磨パッド１０の表面および内部には縦長気孔１８が分散して形成されている。縦長気孔１８は、厚さ方向の長さが面方向の長さよりも長くなるように形成されている。具体的には、縦長気孔１８は、研磨パッド１０の厚さ方向における孔の長さつまり縦長気孔１８の深さが研磨パッド１０の面方向における孔の長さつまり縦長気孔１８の最大径（開口径）Ｄよりも大きくなるように形成されている。縦長気孔１８には、上記厚さ方向の長さおよび上記面方向の長さにばらつきがある。たとえば、縦長気孔１８は、研磨面１０ａおよび研磨面１０ａの反対側の面の両方に開口されているような研磨パッド１０を貫通するものや、研磨面１０ａまたは研磨面１０ａの反対側の面の一方、或いはその両方の面が開口されていない非貫通のものが形成されている。研磨面積が大きい半導体ウェハ２６を研磨する場合に、縦長気孔１８が形成されていることにより、たとえば研磨パッド１０は半導体ウェハ２６に吸着することが抑制されて、研磨パッド１０と半導体ウェハ２６との間に発生する負圧による研磨加工時の加工抵抗（摺動抵抗）が低減される。
縦長気孔１８の研磨面側１０ａに形成された開口は、研磨パッド１０の研磨面１０ａに表面仕上加工たとえばバフ加工を行うことによって、母材樹脂１２の一部が伸長して開口を覆うような図示しない蓋状構造体が形成される場合がある。蓋状構造体は、研磨面１０ａにおいて縦長気孔１８の開口の全部または一部を覆うように形成され、かつ縦長気孔１８の開口の前記厚さ方向にたとえば３００（μｍ）程度まで覆うように形成され、使用中に脱落する場合もある。ここで、蓋状構造体は多孔質ではなく緻密化されて形成されており、後述する研磨加工に際して、蓋状構造体は半導体ウェハ２６と吸着しないため摺動抵抗とならない。そのため、本実施例では、縦長気孔１８の開口が全部または一部を蓋状構造体によって覆われている状態について、縦長気孔１８は開口しているとみなす。蓋状構造体によって覆われている縦長気孔１８の開口は、蓋状構造体を除去した場合に表出する縦長気孔１８の開口の円相当径を開口径Ｄとする。
図１１は、本実施例の研磨パッド１０の構成を模式的に示す図である。図１１に示すように、母材樹脂１２は、たとえば断面径の平均が０．０５（μｍ）程度の繊維状を成しており、その繊維状の母材樹脂１２の間隙にたとえば平均粒径が０．３（μｍ）の研磨砥粒１４がその一部において母材樹脂１２の外周に固着した状態で、或いはその間隙において母材樹脂１２から分離した状態で存在している。ここで、繊維状の母材樹脂１２の相互の間隙を連通させる連通気孔１６を考えれば、研磨砥粒１４はその連通気孔１６内に設けられたものであると言える。そして、連通気孔１６は、縦長気孔１８に連通し且つ相互に連通するように形成されている。つまり、研磨砥粒１４は、その一部において連通気孔１６の内壁に固着した状態で、或いはその連通気孔１６内において母材樹脂１２から分離した状態で存在しており、それぞれの連通気孔１６は少なくとも１つ以上の研磨砥粒１４を内包して母材樹脂１２中に形成されている。
本実施例の研磨パッド１０においては、後述する研磨加工に際して、研磨砥粒１４が母材樹脂１２から遊離し易い構成とされ、その母材樹脂１２と研磨砥粒１４とが必要十分な結合力により相互に固着されているため、研磨パッド１０は研磨パッド１０と半導体ウェハ２６との間に遊離砥粒すなわち遊離した研磨砥粒１４を好適に自己供給することができる。したがって、従来のＣＭＰ法による研磨加工においては、たとえばコロイダルシリカなどを含有したスラリーの供給が不可欠であったが、本実施例の研磨パッド１０は、そのような研磨砥粒を含むスラリーによることなく、遊離砥粒を含まないが過マンガン酸イオンを含む研磨液ＰＦの供給によってＣＭＰ法による研磨加工を可能とするものである。
図１２および図１３は、本実施例の研磨パッド１０が用いられるＣＭＰ法による研磨加工装置１９の要部の構成を示す略図である。図１２は研磨定盤２０の軸心Ｃ１方向から見た平面図、図１３は正面図である。これらの図に示すように、研磨加工装置１９では、研磨定盤２０がその軸心Ｃ１まわりに回転可能に支持された状態で設けられており、その研磨定盤２０は、図示しない定盤駆動モータにより、図１２に矢印で示す回転方向へ回転駆動されるようになっている。この研磨定盤２０の上面すなわち半導体ウェハ２６が押し当てられる面には、本実施例の研磨パッド１０が貼り付けられている。一方、上記研磨定盤２０の近傍には、半導体ウェハ２６（ワーク）を保持する為のワーク保持部材２２がその軸心Ｃ２まわりに回転可能、その軸心Ｃ２方向に移動可能に支持された状態で配置されており、そのワーク保持部材２２は、図示しないワーク駆動モータにより図１２に矢印で示す回転方向へ回転駆動されるようになっている。かかるワーク保持部材２２の下面すなわち上記研磨パッド１０と対向する面には吸着層２４を介して半導体ウェハ２６が吸着保持される。また、ワーク保持部材２２の近傍には、研磨液供給用ノズル２８が配置され、研磨加工に際しては図示しないタンクから適宜フィルタを通して送出された金属イオン含む水溶液である研磨液ＰＦが上記研磨液供給用ノズル２８から供給される。
上記半導体ウェハ２６は、たとえば、ＳｉＣウェハ、ＧａＮウェハ、Ｓｉウェハ、或いはＳｉ酸化膜ウェハなどである。また、研磨液ＰＦに含まれる金属イオンは、過マンガン酸塩、たとえば過マンガン酸カリウムを水に溶解して得られる過マンガン酸イオン（ＭｎＯ４ −）である。
また、図１２および図１３に示すように、研磨加工装置１９には、研磨定盤２０の軸心Ｃ１に平行な軸心Ｃ３まわりに回転可能、その軸心Ｃ３方向および研磨定盤２０の径方向に移動可能に配置された調整工具保持部材３０と、その調整工具保持部材３０の下面すなわち研磨パッド１０と対向する面に取り付けられた研磨パッド調整工具３２とが設けられており、かかる調整工具保持部材３０およびそれに取り付けられた研磨パッド調整工具３２は、図示しない調整工具駆動モータによって、図１２に矢印で示す回転方向へ回転駆動された状態で研磨パッド１０に押し当てられ、必要に応じて研磨定盤２０の径方向に往復移動させられることにより、研磨パッド１０の調整がおこなわれてその研磨パッド１０の表面状態が研磨加工に適した状態に維持される。
図１４は、研磨プロセスを説明している。たとえばＳｉＣである半導体ウェハ２６の研磨に際して、研磨準備工程Ｐ１では、研磨加工装置１９において、研磨定盤２０の上面に研磨パッド１０が貼り付けられ、半導体ウェハ２６がワーク保持部材２２の下面に吸着層２４を介して吸着され、且つ研磨液供給用ノズル２８から研磨液ＰＦが上記研磨パッド１０の表面上に供給されつつ、ワーク保持部材２２に吸着保持された半導体ウェハ２６がその研磨パッド１０に所定の研磨圧力で押し当てられる。
次いで、研磨工程Ｐ２では、上記研磨定盤２０およびそれに貼り付けられた研磨パッド１０と、ワーク保持部材２２およびそれに吸着保持された半導体ウェハ２６とが、上記定盤駆動モータおよびワーク駆動モータによりそれぞれの軸心Ｃ１およびＣ２まわりに回転駆動された状態で、上記研磨液供給用ノズル２８から、研磨液ＰＦが上記研磨パッド１０の表面上に供給されつつ、ワーク保持部材２２に吸着保持された半導体ウェハ２６がその研磨パッド１０に摺接させられる。そうすることにより、研磨パッド１０の表面には、研磨液ＰＦに含まれる金属イオンである過マンガン酸イオンの還元が抑制されて生じた過マンガン酸塩の析出粒子ＣＰが発生させられ、この過マンガン酸塩の析出粒子ＣＰが研磨粒子として機能することにより、上記研磨パッド１０により自己供給された研磨砥粒１４による機械的研磨作用と協働して、半導体ウェハ２６の一面が平坦に研磨される。
本発明者等は、以下の研磨試験を行なった。この研磨試験では連通気孔を有し砥粒を内包するＬＨＡパッド、連通気孔を有するが砥粒を内包しない砥粒無しＬＨＡパッド、気孔および砥粒を有さないＰＥＳ樹脂から成るＰＥＳ樹脂パッド、気孔および砥粒を有さないＰＰＳ樹脂から成るＰＰＳ樹脂パッド、気孔および砥粒を有さないＰＥＥＫ樹脂から成るＰＥＥＫ樹脂パッド、連通気孔を有するが砥粒を内包しないＰＥＧ系樹脂から成るＰＥＧ系樹脂パッド、連通気孔を有し砥粒を内包するＰＥＧ系樹脂から成るＰＥＧ系樹脂パッド、連通気孔を有するが砥粒を内包しないエポキシ樹脂から成るエポキシ樹脂パッド、連通気孔を有し砥粒を内包するエポキシ樹脂から成るエポキシ樹脂パッド、気孔および砥粒を有さないポリエステル樹脂から成るポリエステル樹脂パッド、気孔および砥粒を有さないポリアミド樹脂から成るポリアミド樹脂パッド、連通気孔を有するが砥粒を内包しない硬質ポリウレタン樹脂から成る硬質ポリウレタンパッドという１２種類の試験パッドが用意された。次いで、それらの試験パッドについて、ＳｉＣウェハおよびＧａＮウェハの２種類の半導体ウェハに対して、研磨加工装置１９と同様の連続創生式の研磨装置を用いた研磨試験が行われた。以下に、表１および表２を用いてＳｉＣウェハの研磨試験条件および研磨試験結果を説明し、表３および表４を用いてＧａＮウェハの研磨試験条件および研磨試験結果を説明する。表１および表３の研磨試験条件における研磨レートの測定は、キーエンス社製レーザー変位計ＳＩ−Ｆ８０Ｒが用いられた。また、表２および表４の研磨面の表面粗さＲａ（ｎｍ）の測定は、ニコン社製の白色干渉顕微鏡（ＢＷ−Ｄ５００）が用いられた。
（表１）
（ＳｉＣウェハの研磨試験条件）
項目 内容
半導体ウェハ 直径３インチφＳｉＣのＳｉ面（傾斜角４°）
ワーク回転数 ６０ｒｐｍ
パッド径 直径３００ｍｍφ
パッド回転数 ６０ｒｐｍ
研磨圧力 ５０ＫＰａ
研磨液 ｐＨ＝７．２のＫＭｎＯ４（２５ｍｏｌ／ｌ）水溶液
研磨液流量 １０ｍｌ／ｍｉｎ
（ＳｉＣウェハの研磨試験条件）
項目 内容
半導体ウェハ 直径３インチφＳｉＣのＳｉ面（傾斜角４°）
ワーク回転数 ６０ｒｐｍ
パッド径 直径３００ｍｍφ
パッド回転数 ６０ｒｐｍ
研磨圧力 ５０ＫＰａ
研磨液 ｐＨ＝７．２のＫＭｎＯ４（２５ｍｏｌ／ｌ）水溶液
研磨液流量 １０ｍｌ／ｍｉｎ
（表２）
（ＳｉＣウェハの研磨試験結果）
研磨レート（ｎｍ／ｈ） 表面粗さＲａ（ｎｍ）
ＬＨＡパッド １３７２ ０．１
（連通気孔および砥粒有り）
ＬＨＡパッド ６６５ ０．０８４
（連通気孔有り）
ＰＥＳ樹脂パッド ７３２ ０．１０８
ＰＰＳ樹脂パッド １９３ ０．１０６
ＰＥＥＫ樹脂パッド ８５４ ０．１
ＰＥＧ系樹脂パッド ８７０ ０．１８３
（連通気孔有り）
ＰＥＧ系樹脂パッド １５３２ ０．１０３
（連通気孔および砥粒有り）
エポキシ樹脂パッド ５６０ ０．１１２
（連通気孔有り）
エポキシ樹脂パッド ７８０ ０．１２１
（連通気孔および砥粒有り）
ポリエステル樹脂パッド ８０１ ０．１１
ポリアミド樹脂パッド １９３ ０．１１４
硬質ポリウレタン
樹脂パッド ２４０ ０．１４３
（連通気孔有り）
（ＳｉＣウェハの研磨試験結果）
研磨レート（ｎｍ／ｈ） 表面粗さＲａ（ｎｍ）
ＬＨＡパッド １３７２ ０．１
（連通気孔および砥粒有り）
ＬＨＡパッド ６６５ ０．０８４
（連通気孔有り）
ＰＥＳ樹脂パッド ７３２ ０．１０８
ＰＰＳ樹脂パッド １９３ ０．１０６
ＰＥＥＫ樹脂パッド ８５４ ０．１
ＰＥＧ系樹脂パッド ８７０ ０．１８３
（連通気孔有り）
ＰＥＧ系樹脂パッド １５３２ ０．１０３
（連通気孔および砥粒有り）
エポキシ樹脂パッド ５６０ ０．１１２
（連通気孔有り）
エポキシ樹脂パッド ７８０ ０．１２１
（連通気孔および砥粒有り）
ポリエステル樹脂パッド ８０１ ０．１１
ポリアミド樹脂パッド １９３ ０．１１４
硬質ポリウレタン
樹脂パッド ２４０ ０．１４３
（連通気孔有り）
図１５は、上記のＳｉＣウェハに対する研磨試験のうちの研磨レート（ｎｍ／ｈ）をパッド毎に示す棒グラフである。図１６は、上記のＳｉＣウェハに対する研磨試験のうちの研磨面の粗さＲａ（ｎｍ）をパッド毎に示す棒グラフである。
上記のＳｉＣウェハに対する研磨試験結果では、研磨面の表面の表面粗さＲａについては試験パッド毎にそれほど大幅な差異が見当たらなかった。しかし、研磨レートについては、試験パッド毎に顕著な差異が存在した。上記のＳｉＣウェハに対する研磨試験結果では、ＰＰＳ樹脂パッド、ポリアミド樹脂パッド、硬質ポリウレタン樹脂パッドを用いた研磨では、他の樹脂パッド、すなわちＬＨＡパッド（連通気孔有り、砥粒有り）、ＬＨＡパッド（連通気孔有り、砥粒無し）、ＰＥＳ樹脂パッド、ＰＥＥＫ樹脂パッド、ＰＥＧ系樹脂パッド（連通気孔有り）、ＰＥＧ系樹脂パッド（連通気孔有り、砥粒有り）、エポキシ樹脂パッド（連通気孔有り）、エポキシ樹脂パッド（連通気孔および砥粒有り）、ポリエステル樹脂パッドに対して、約８分の１から２．３分の１程度の低い研磨レートしか得られなかった。
上記の研磨レートの低い試験パッドをそれぞれ構成する３種類の樹脂は、図１７、図１８、図１９に示すように、繰り返し単位毎にエーテル基を含まない高分子から成る樹脂である点で、共通する。また、上記研磨レートの高い試験パッド群をそれぞれ構成する６種類の樹脂は、図２から図４および図６に示されるように、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子から成る樹脂である点で、共通する。なお、図５に示すＰＥＥＫ樹脂は、ＰＥＥＫ樹脂と同様な化学構造式であるので、ＰＥＥＫ樹脂と同様の研磨レートであると推定される。
上記ＳｉＣウェハの研磨試験において、本発明者等は上記研磨レートの高い試験パッドを構成する、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子から成る樹脂パッドの研磨面に茶色のペースト状物質が付着しているので、その物質を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮像した。図２０は、それにより得られたＳＥＭ写真である。このＳＥＭ写真には、直径１μｍ以下の微細な析出粒子ＣＰが観察される。この微細な粒子は、いずれも繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子から成る樹脂によって研磨液ＰＦ中の金属イオンである過マンガン酸イオンＭｎＯ４ −から二酸化マンガンＭｎＯ２への還元が抑制されて生成された過マンガン酸塩として析出させられた結晶性の析出粒子ＣＰであると推定される。
図２１は、その析出粒子ＣＰの粉末を粉末Ｘ線回折して得た回折パターンと、過マンガン酸カリウムの既知の回折パターンとを対比して示す図である。図２１の回折パターンは、回折角２θを示す横軸と回折強度（ＣＰＳ）を示す縦軸との二次元座標内に示されている。図２１の上段に示された析出粒子ＣＰの粒子の回折パターンは、下段に示された過マンガン酸カリウムの既知の回折パターンとよく一致しており、上記析出粒子ＣＰは過マンガン酸カリウムであると同定される。したがって、過マンガン酸カリウム粒子の析出粒子ＣＰが研磨粒子として機能することにより、半導体ウェハ２６の一面が平坦に研磨されたものと推定される。
（表３）
（ＧａＮウェハの研磨試験条件）
項目 内容
半導体ウェハ 直径２インチφＧａＮのＧａ面
ワーク回転数 ６０ｒｐｍ
パッド径 直径３００ｍｍφ
パッド回転数 ６０ｒｐｍ
研磨圧力 ５０ＫＰａ
研磨液 ｐＨ＝１．０のＫＭｎＯ４（２５ｍｏｌ／ｌ）水溶液
＋シリカ（１２．５ｗｔ％）
研磨液流量 １０ｍｌ／ｍｉｎ
（ＧａＮウェハの研磨試験条件）
項目 内容
半導体ウェハ 直径２インチφＧａＮのＧａ面
ワーク回転数 ６０ｒｐｍ
パッド径 直径３００ｍｍφ
パッド回転数 ６０ｒｐｍ
研磨圧力 ５０ＫＰａ
研磨液 ｐＨ＝１．０のＫＭｎＯ４（２５ｍｏｌ／ｌ）水溶液
＋シリカ（１２．５ｗｔ％）
研磨液流量 １０ｍｌ／ｍｉｎ
（表４）
（ＧａＮウェハの研磨試験結果）
研磨レート（ｎｍ／ｈ） 表面粗さＲａ（ｎｍ）
ＬＨＡパッド ４３２ ０．１２
（連通気孔および砥粒有り）
ＬＨＡパッド ３４ ０．０９７
（連通気孔有り）
ＰＥＳ樹脂パッド ６４ ０．１１
ＰＥＧ系樹脂パッド ３２ ０．０９９
（連通気孔有り）
ＰＥＧ系樹脂パッド ４５３ ０．１０３
（連通気孔および砥粒有り）
エポキシ樹脂パッド ２０５ ０．１２１
（連通気孔および砥粒有り）
硬質ポリウレタン樹脂パッド ８ ０．１４３
（連通気孔有り）
硬質ポリウレタン樹脂パッド ８５ ０．１３２
（連通気孔有り＋遊離スラリー）
（ＧａＮウェハの研磨試験結果）
研磨レート（ｎｍ／ｈ） 表面粗さＲａ（ｎｍ）
ＬＨＡパッド ４３２ ０．１２
（連通気孔および砥粒有り）
ＬＨＡパッド ３４ ０．０９７
（連通気孔有り）
ＰＥＳ樹脂パッド ６４ ０．１１
ＰＥＧ系樹脂パッド ３２ ０．０９９
（連通気孔有り）
ＰＥＧ系樹脂パッド ４５３ ０．１０３
（連通気孔および砥粒有り）
エポキシ樹脂パッド ２０５ ０．１２１
（連通気孔および砥粒有り）
硬質ポリウレタン樹脂パッド ８ ０．１４３
（連通気孔有り）
硬質ポリウレタン樹脂パッド ８５ ０．１３２
（連通気孔有り＋遊離スラリー）
図２２は、上記表３の試験条件を用いたＧａＮウェハに対する研磨試験により得られた表４の結果のうちの研磨レート（ｎｍ／ｈ）をパッド毎に示す棒グラフである。図２３は、上記のＧａＮウェハに対する研磨試験のうちの研磨面の粗さＲａ（ｎｍ）をパッド毎に示す棒グラフである。
上記のＧａＮウェハに対する研磨試験結果では、研磨面の表面の表面粗さＲａについては試験パッド毎にそれほど大幅な差異が見当たらなかった。しかし、研磨レートについては、試験パッド毎に顕著な差異が存在した。上記のＧａＮウェハに対する研磨試験結果では、砥粒を包含しないＬＨＡパッド、ＰＥＳ樹脂パッド、連通気孔を有するＰＥＧ系樹脂パッド、連通気孔を有する硬質ポリウレタン樹脂パッド、連通気孔を有する硬質ポリウレタン樹脂パッド（＋遊離砥粒含有スラリー）を用いた研磨では、他の樹脂パッド、すなわちＬＨＡパッド（砥粒、連通気孔あり）、ＰＥＧ系樹脂パッド（砥粒および連通気孔有り）、エポキシ樹脂パッド（砥粒、連通気孔あり）に対して、約９０分の１から２．４分の１程度の研磨レートしか得られなかった。上記研磨レートの高いＬＨＡパッド、ＰＥＧ系樹脂パッドを用いた研磨は、それぞれの樹脂パッドを構成する２種類の樹脂は、いずれも繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子から成る熱可塑性樹脂である点、および砥粒を内包する研磨である点で、共通する。また、上記研磨レートの高いエポキシ樹脂パッドは、熱硬化性樹脂であり、砥粒を内包する研磨となる。
上述のように、本実施例の研磨方法によれば、研磨液ＰＦおよび研磨パッド１０を用いて半導体ウェハ２６を研磨する半導体ウェハ２６の研磨方法であって、研磨液ＰＦは金属イオンである過マンガン酸イオンを含み、研磨パッド１０は、炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂により構成され、研磨パッド１０は、研磨液ＰＦ中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで研磨パッド１０上に過マンガン酸塩である過マンガン酸カリウムを析出させ、その過マンガン酸カリウムの析出粒子ＣＰを研磨粒子として機能させることで半導体ウェハ２６を研磨するので、研磨液ＰＦ中に砥粒が含まれなくても研磨可能となる。これにより、スクラッチ傷や不均質研磨が半導体ウェハ２６の研磨面において発生することが好適に抑制される。
また、本実施例の研磨方法によれば、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子を有する樹脂は、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）系樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）樹脂、ＰＥＫ（ポリエーテルケトン）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂のうちのいずれか１の樹脂である。これにより、過マンガン酸イオンを含む研磨液が研磨パッド１０に接触することで、研磨パッド１０の上に過マンガン酸イオンの還元が抑制された過マンガン酸塩が析出させられる。
また、本実施例の研磨方法によれば、研磨パッド１０は、複数の分岐点を有する網目構造を有する熱硬化性樹脂であって、前記分岐点間の炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有するエポキシ樹脂により構成されている。これにより、過マンガン酸イオンを含む研磨液が研磨パッドに接触することで、研磨パッドの上に過マンガン酸塩の析出粒子が生成される。
また、本実施例の研磨方法によれば、研磨パッド１０は、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子から成る樹脂から形成された円板状の母材樹脂１２と、母材樹脂１２に形成され、研磨砥粒１４を内包する連通気孔１６とを備えたＬＨＡパッドである。これにより、過マンガン酸塩の析出粒子ＣＰに加えて、ＬＨＡパッドに内包された研磨砥粒１４によってもウェハが研磨されるので、研磨能率が高められる。
以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、更に別の態様においても実施される。
たとえば、前述の実施例では、研磨パッド１０は、ＬＨＡパッドと称されるものであって、その母材樹脂１２は繊維状を成すものであったが、これは本発明の好適な形態に過ぎず、本発明の研磨パッド１０における母材樹脂１２は、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子を有する樹脂であれば、気孔および砥粒を有しない緻密な樹脂から構成されたものであってもよい。
また、前述の実施例においては、研磨パッド１０、特にＧａＮウェハの研磨に有効なＬＨＡパッドは、網目状の連通気孔１６を備えたものであったが、気泡状の連通気孔１６を備えたものであってもよいし、連通気孔１６のない緻密な樹脂から構成さでたものでも構わない。
また、前述の実施例においては、研磨液ＰＦは、過マンガン酸ナトリウムを水に溶解して得られる過マンガン酸イオンを含むものであってもよい。この場合には、研磨液ＰＦが研磨パッド１０に接触すると、研磨パッド１０上には過マンガン酸塩として過マンガン酸ナトリウムが析出する。
なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、その他一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々変更、改良を加えた態様で実施することができる。
１０：研磨パッド
１２：母材樹脂
１４：研磨砥粒
１６：連通気孔
１８：縦長気孔
２６：半導体ウェハ
ＰＦ：研磨液
ＣＰ：過マンガン酸塩の析出粒子（研磨粒子）
１２：母材樹脂
１４：研磨砥粒
１６：連通気孔
１８：縦長気孔
２６：半導体ウェハ
ＰＦ：研磨液
ＣＰ：過マンガン酸塩の析出粒子（研磨粒子）
Claims (7)
- 研磨液および研磨パッドを用いて半導体ウェハを研磨する半導体ウェハの研磨方法であって、
前記研磨液は過マンガン酸イオンを含み、
前記研磨パッドは、炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂により構成され、
前記研磨パッドは、前記研磨液中の過マンガン酸イオンの還元を抑制することで前記研磨パッド上に過マンガン酸塩を析出させ、前記過マンガン酸塩の析出粒子を研磨粒子として前記半導体ウェハを研磨する
ことを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。 - 前記研磨パッドは、熱可塑性樹脂であって、繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子を有する樹脂により構成されている
ことを特徴とする請求項１の半導体ウェハの研磨方法。 - 前記繰り返し単位毎にエーテル基を含む高分子を有する樹脂は、ＰＥＧ系樹脂、ＰＥＳ樹脂、ＰＥＫ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥｓ樹脂のうちのいずれか１の樹脂である
ことを特徴とする請求項２の半導体ウェハの研磨方法。 - 前記研磨パッドは、複数の分岐点を有する網目構造を有する熱硬化性樹脂であって、前記分岐点間の炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂により構成されている
ことを特徴とする請求項１の半導体ウェハの研磨方法。 - 前記分岐点間の炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂は、エポキシ樹脂である
ことを特徴とする請求項４の半導体ウェハの研磨方法。 - 前記過マンガン酸塩は、過マンガン酸カリウムである
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１の半導体ウェハの研磨方法。 - 前記研磨パッドは、前記炭素の連鎖途中に酸素を介在させた高分子を有する樹脂から形成された円板状の母材樹脂と、前記母材樹脂に形成され、研磨砥粒を内包する連通気孔とを備えたものである
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１の半導体ウェハの研磨方法。
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