JP5620465B2

JP5620465B2 - 円形状研磨パッド

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Publication number: JP5620465B2
Application number: JP2012288021A
Authority: JP
Inventors: 木村　毅; 毅木村
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: TWI490084B; KR20150056817A; US20150343596A1; TW201429623A; WO2014103640A1; JP2014128853A; CN104812530A

Description

本発明はレンズ、反射ミラー等の光学材料やシリコンウエハ、ハードディスク用のガラス基板、及びアルミ基板等の表面を研磨する際に用いられる研磨パッド（粗研磨用又は仕上げ研磨用）に関する。

半導体装置を製造する際には、ウエハ表面に導電性膜を形成し、フォトリソグラフィー、エッチング等をすることにより配線層を形成する形成する工程や、配線層の上に層間絶縁膜を形成する工程等が行われ、これらの工程によってウエハ表面に金属等の導電体や絶縁体からなる凹凸が生じる。近年、半導体集積回路の高密度化を目的として配線の微細化や多層配線化が進んでいるが、これに伴い、ウエハ表面の凹凸を平坦化する技術が重要となってきた。

ウエハ表面の凹凸を平坦化する方法としては、一般的にケミカルメカニカルポリシング（以下、ＣＭＰという）が採用されている。ＣＭＰは、ウエハの被研磨面を研磨パッドの研磨面に押し付けた状態で、砥粒が分散されたスラリー状の研磨剤（以下、スラリーという）を用いて研磨する技術である。ＣＭＰで一般的に使用する研磨装置は、例えば、図１に示すように、研磨パッド１を支持する研磨定盤２と、被研磨材（半導体ウエハ）４を支持する支持台（ポリシングヘッド）５とウエハの均一加圧を行うためのバッキング材と、スラリーの供給機構を備えている。研磨パッド１は、例えば、両面テープで貼り付けることにより、研磨定盤２に装着される。研磨定盤２と支持台５とは、それぞれに支持された研磨パッド１と被研磨材４が対向するように配置され、それぞれに回転軸６、７を備えている。また、支持台５側には、被研磨材４を研磨パッド１に押し付けるための加圧機構が設けてある。

通常、研磨パッドの被研磨材と接触する研磨表面は、スラリーを保持・更新するための溝を有している。従来の研磨パッドの溝形状としては、放射状、同心円状、ＸＹ格子状、及び螺旋状などが挙げられる。ＣＭＰプロセスにおいて、研磨パッドの中心部に供給されたスラリーは、研磨パッドの回転によって生じる遠心力によって中心から外側に溝を伝って流れ、最終的には研磨パッドの外に排出される。

通常、研磨表面の溝は、スラリーを研磨表面に均一に供給するために規則正しく配置されている。例えば、ＸＹ格子状の場合、Ｘ溝とＹ溝の交点が研磨パッドの中心点に一致するように配置されている。また、螺旋状の場合、螺旋の始点が研磨パッドの中心点に一致するように配置されている。

しかし、研磨表面の溝を規則正しく配置すると、溝パターンの影響により被研磨材の表面に研磨ムラ（ポリッシングマーク）が生じることがある。従来、この研磨ムラを低減させるために、支持台（ポリシングヘッド）５を研磨定盤２の半径方向に往復移動させながらＣＭＰを行っている。この往復移動は、一般に「揺動」又は「オシレーション」と呼ばれている。

しかし、支持台５を往復移動させると、被研磨材が位置ずれしたり、損傷しやすくなる。また、オシレーション機構を有する高価なＣＭＰ装置を使用しなければならない。また、使用するＣＭＰ装置によってオシレーション機構の違いがあり、オシレーションの調整が煩雑である。また、長時間のＣＭＰの場合には、オシレーションだけでは研磨ムラを抑制することが難しい。

この研磨ムラを抑制するために、特許文献１では、円形の研磨パッドであって、当該円形の研磨パッドが、その表面に螺旋状の溝パターンの溝を有し、前記溝パターンの中心点が、当該円形の研磨パッドの中心点からオフセットされている研磨パッド、が提案されている。

また、特許文献２では、溝パターンの対称軸が、研磨パッド表面の中心点からオフセットされている研磨パッド、が提案されている。

しかし、従来の研磨パッドは、研磨ムラの抑制効果が十分ではなかった。

特開２００８−２９０１９７号公報米国特許出願公開第２００９／００８１９３２号明細書

本発明は、被研磨材表面の研磨ムラを効果的に抑制できる円形状研磨パッドを提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す研磨パッドにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、研磨表面にＸＹ格子溝を有する円形状研磨層を含む円形状研磨パッドにおいて、
円形状研磨層の中心点が、以下の３つの仮想直線Ａ、Ｂ及びＣで囲まれた領域Ｚ内（仮想直線上を含む）にオフセットされていることを特徴とする円形状研磨パッド、に関する。
仮想直線Ａ：Ｘ溝又はＹ溝上の点を当該Ｘ溝又はＹ溝に直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線
仮想直線Ｂ：ＸＹ格子溝の一方の対角線Ｄ上の点を当該対角線Ｄに直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線
仮想直線Ｃ：ＸＹ格子溝の他方の対角線Ｅ上の点を当該対角線Ｅに直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線

本発明のように、円形状研磨層の中心点を領域Ｚ内（仮想直線上を含む）にオフセットすることにより、研磨時において被研磨面と溝との対向状態を不均一にすることができる。それにより、被研磨面の特定部分に常に溝が対向することがなくなり、被研磨面全面が均一に研磨されるため研磨ムラの発生を効果的に抑制することができる。

円形状研磨層の中心点が、オフセット領域Ｚ外に配置されている場合、具体的には、Ｘ溝とＹ溝の交点に一致するように配置されている場合、Ｘ溝又はＹ溝上に配置されている場合、ＸＹ格子溝の対角線上に配置されている場合、又はオフセットの度合いが溝ピッチの５％未満の場合には、研磨時において被研磨面と溝との対向状態を十分に不均一にすることができない。その結果、被研磨面の特定部分に常に溝が対向することになり、被研磨面が不均一に研磨されるため研磨ムラが発生しやすくなる。特に、被研磨面の中心部分が過研磨又は研磨不足となり、被研磨面の中心部分に研磨ムラが発生しやすくなる。

また本発明は、前記円形状研磨パッドの製造方法であって、
研磨シートにＸＹ格子溝を形成する工程、及び領域Ｚ内にオフセットされた中心点を基準に研磨シートを円形状に切断して円形状研磨層を作製する工程を含む円形状研磨パッドの製造方法、に関する。

さらに本発明は、前記円形状研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を含む半導体デバイスの製造方法、に関する。

本発明の円形状研磨パッドは、上記のように、円形状研磨層の中心点が、特定の領域内にオフセットされているため、被研磨材表面の研磨ムラを効果的に抑制できる。

ＣＭＰ研磨で使用する研磨装置の一例を示す概略構成図である。本発明におけるオフセット領域Ｚを示す概略図である。本発明におけるオフセット領域Ｚの好ましい範囲を示す概略図である。実施例１の円形状研磨パッドを用いてウエハを研磨した後の被研磨面の状態を示す写真である。比較例１の円形状研磨パッドを用いてウエハを研磨した後の被研磨面の状態を示す写真である。

本発明における円形状研磨層の材料は特に限定されず、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ハロゲン系樹脂（ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなど）、ポリスチレン、オレフィン系樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、エポキシ樹脂、及び感光性樹脂などが挙げられる。ポリウレタン樹脂は、耐摩耗性に優れ、原料組成を種々変えることにより所望の物性になるように調整できるため、円形状研磨層の材料として好ましい。

円形状研磨層は、発泡体であってもよく、無発泡体であってもよいが、ポリウレタン樹脂発泡体により形成されていることが好ましい。

ポリウレタン樹脂発泡体の製造方法としては、中空ビーズを添加させる方法、機械的発泡法、化学的発泡法などが挙げられる。

ポリウレタン樹脂発泡体の平均気泡径は、３０〜８０μｍであることが好ましく、より好ましくは３０〜６０μｍである。この範囲から逸脱する場合は、研磨速度が低下したり、研磨後の被研磨材（ウエハ）のプラナリティ（平坦性）が低下する傾向にある。

ポリウレタン樹脂発泡体の比重は、０．５〜１．３であることが好ましい。比重が０．５未満の場合、円形状研磨層の表面強度が低下し、被研磨材のプラナリティが低下する傾向にある。また、１．３より大きい場合は、円形状研磨層表面の気泡数が少なくなり、プラナリティは良好であるが、研磨速度が低下する傾向にある。

ポリウレタン樹脂発泡体の硬度は、アスカーＤ硬度計にて、４５〜７０度であることが好ましい。アスカーＤ硬度が４５度未満の場合には、被研磨材のプラナリティが低下し、また、７０度より大きい場合は、プラナリティは良好であるが、被研磨材のユニフォーミティ（均一性）が低下する傾向にある。

円形状研磨層の大きさは特に限定されるものではないが、通常直径３０〜１００ｃｍ程度である。

円形状研磨層には、光学終点検出用の窓（光透過領域）が設けられていてもよい。

円形状研磨層の厚みは特に限定されるものではないが、通常０．８〜４ｍｍ程度であり、１．５〜２．５ｍｍであることが好ましい。前記厚みの円形状研磨層を作製する方法としては、発泡体ブロックをバンドソー方式又はカンナ方式のスライサーを用いて所定厚みにスライスする方法、所定厚みのキャビティーを持った金型に樹脂を流し込み硬化させる方法、及びコーティング技術やシート成形技術を用いた方法などが挙げられる。

以下、円形状研磨層の中心点が、領域Ｚ内（仮想直線上を含む）にオフセットされた円形状研磨パッドについて詳しく説明する。

図２は、本発明におけるオフセット領域Ｚを示す概略図である。

図２に示すように、オフセット領域Ｚ（８）は、下記３つの仮想直線Ａ（９）、Ｂ（１０）及びＣ（１１）で囲まれた領域であり、１つのＸＹ格子溝内に４箇所存在する。
仮想直線Ａ（９）：Ｘ溝１２又はＹ溝１３上の点を当該Ｘ溝１２又はＹ溝１３に直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線
仮想直線Ｂ（１０）：ＸＹ格子溝の一方の対角線Ｄ（１４）上の点を当該対角線（１４）に直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線
仮想直線Ｃ（１１）：ＸＹ格子溝の他方の対角線Ｅ（１５）上の点を当該対角線（１５）に直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線

仮想直線Ｂ（１０）は、ＸＹ格子溝の一方の対角線Ｄ（１４）上の点を当該対角線（１４）に直交する方向に溝ピッチの１０％移動させた点を結んだ直線であることが好ましく、より好ましくは１５％である。

仮想直線Ｃ（１１）は、ＸＹ格子溝の他方の対角線Ｅ（１５）上の点を当該対角線（１５）に直交する方向に溝ピッチの１０％移動させた点を結んだ直線であることが好ましく、より好ましくは１５％である。

図３は、本発明におけるオフセット領域Ｚの好ましい範囲を示す概略図である。

図３に示すように、オフセット領域Ｚ（８）は、３つの仮想直線Ａ（９）、Ｂ（１０）又はＣ（１１）、及びＦ（１６）で囲まれた領域であり、１つのＸＹ格子溝内に８箇所存在する。仮想直線Ｆ（１６）は、隣り合う２つのＸ溝（１２）又は隣り合う２つのＹ溝（１３）の中央を通る中央線Ｇ（１７）を平行に溝ピッチの５％（好ましくは１０％、より好ましくは１５％である）移動させた直線である。円形状研磨層の中心点を上記範囲にオフセットすることにより、被研磨材表面の研磨ムラをさらに効果的に抑制できる。

溝ピッチは特に制限されないが、通常５〜５０ｍｍであり、好ましくは１０〜４５ｍｍであり、より好ましくは１５〜４０ｍｍである。

溝幅も特に制限されないが、通常０．８〜７ｍｍであり、好ましくは１〜４ｍｍであり、より好ましくは１．２〜２ｍｍである。

溝深さは、円形状研磨層の厚みに応じて適宜調整されるが、通常０．２〜１．２ｍｍであり、好ましくは０．４〜１ｍｍであり、より好ましくは０．５〜０．８ｍｍである。

本発明の円形状研磨層は、例えば、所定の厚みに作製した研磨シートにＸＹ格子溝を形成し、その後、領域Ｚ内にオフセットされた中心点を基準にして研磨シートを円形状に切断することにより製造することができる。

本発明の円形状研磨パッドは、前記円形状研磨層のみであってもよく、円形状研磨層と他の層（例えば、クッション層、支持フィルム、接着層、粘着層など）との積層体であってもよい。

クッション層は、円形状研磨層の特性を補うものである。クッション層は、ＣＭＰにおいて、トレードオフの関係にあるプラナリティとユニフォーミティの両者を両立させるために必要なものである。プラナリティとは、パターン形成時に発生する微小凹凸のある被研磨材を研磨した時のパターン部の平坦性をいい、ユニフォーミティとは、被研磨材全体の均一性をいう。円形状研磨層の特性によって、プラナリティを改善し、クッション層の特性によってユニフォーミティを改善する。本発明の円形状研磨パッドにおいては、クッション層は円形状研磨層より柔らかいものを用いることが好ましい。

クッション層としては、例えば、ポリエステル不織布、ナイロン不織布、アクリル不織布などの繊維不織布やポリウレタンを含浸したポリエステル不織布のような樹脂含浸不織布、ポリウレタンフォーム、ポリエチレンフォームなどの高分子樹脂発泡体、ブタジエンゴム、イソプレンゴムなどのゴム性樹脂、感光性樹脂などが挙げられる。

円形状研磨層とクッション層とを貼り合わせる手段としては、例えば、円形状研磨層とクッション層を両面テープで挟みプレスする方法が挙げられる。

両面テープは、不織布やフィルム等の基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有するものである。クッション層へのスラリーの浸透等を防ぐことを考慮すると、基材にフィルムを用いることが好ましい。また、接着層の組成としては、例えば、ゴム系接着剤やアクリル系接着剤等が挙げられる。金属イオンの含有量を考慮すると、アクリル系接着剤は、金属イオン含有量が少ないため好ましい。また、円形状研磨層とクッション層は組成が異なることもあるため、両面テープの各接着層の組成を異なるものとし、各層の接着力を適正化することも可能である。

本発明の円形状研磨パッドは、プラテンと接着する面に両面テープが設けられていてもよい。両面テープとしては、上述と同様に基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有するものを用いることができる。基材としては、例えば不織布やフィルム等が挙げられる。円形状研磨パッドの使用後のプラテンからの剥離を考慮すれば、基材にフィルムを用いることが好ましい。また、接着層の組成としては、例えば、ゴム系接着剤やアクリル系接着剤等が挙げられる。金属イオンの含有量を考慮すると、アクリル系接着剤は、金属イオン含有量が少ないため好ましい。

半導体デバイスは、前記円形状研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を経て製造される。半導体ウエハとは、一般にシリコンウエハ上に配線金属及び酸化膜を積層したものである。半導体ウエハの研磨方法、研磨装置は特に制限されず、例えば、図１に示すように円形状研磨パッド（円形状研磨層）１を支持する研磨定盤２と、半導体ウエハ４を支持する支持台（ポリシングヘッド）５とウエハへの均一加圧を行うためのバッキング材と、研磨剤３の供給機構を備えた研磨装置などを用いて行われる。円形状研磨パッド１は、例えば、両面テープで貼り付けることにより、研磨定盤２に装着される。研磨定盤２と支持台５とは、それぞれに支持された円形状研磨パッド１と半導体ウエハ４が対向するように配置され、それぞれに回転軸６、７を備えている。また、支持台５側には、半導体ウエハ４を円形状研磨パッド１に押し付けるための加圧機構が設けてある。研磨に際しては、研磨定盤２と支持台５とを回転させつつ半導体ウエハ４を円形状研磨パッド１に押し付け、スラリーを供給しながら研磨を行う。スラリーの流量、研磨荷重、研磨定盤回転数、及びウエハ回転数は特に制限されず、適宜調整して行う。

これにより半導体ウエハ４の表面の突出した部分が除去されて平坦状に研磨される。その後、ダイシング、ボンディング、パッケージング等することにより半導体デバイスが製造される。半導体デバイスは、演算処理装置やメモリー等に用いられる。

以下、本発明を実施例を上げて説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例１
ポリエーテル系プレポリマー（ユニロイヤル社製、アジプレンＬ−３２５、ＮＣＯ濃度：２．２２ｍｅｑ／ｇ）１００重量部、及びシリコーン系界面活性剤（東レ・ダウコーニングシリコーン社製、ＳＨ−１９２）３重量部を重合容器内に加えて混合し、８０℃に調整して減圧脱泡した。その後、撹拌翼を用いて、回転数９００ｒｐｍで反応系内に気泡を取り込むように激しく約４分間撹拌を行った。そこへ予め１２０℃で溶融した４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）（イハラケミカル社製、イハラキュアミンＭＴ）２６重量部を添加した。その後、約１分間撹拌を続けてパン型のオープンモールドへ反応溶液を流し込んだ。この反応溶液の流動性がなくなった時点でオーブン内に入れ、１１０℃で６時間ポストキュアを行い、ポリウレタン樹脂発泡体ブロックを得た。
約８０℃に加熱した前記ポリウレタン樹脂発泡体ブロックをスライサー（アミテック社製、ＶＧＷ−１２５）を使用してスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体からなる研磨シート（平均気泡径：５０μｍ、比重：０．８６、硬度：５２度）を得た。次に、バフ機（アミテック社製）を使用して、厚さ１．２７ｍｍになるまで研磨シートの表面バフ処理をし、厚み精度を整えた。そして、溝加工機（テクノ社製）を用いて研磨シートの表面に溝幅２ｍｍ、溝ピッチ２５ｍｍ、溝深さ０．６ｍｍのＸＹ格子状の溝加工を行った。
その後、Ｘ溝とＹ溝との交点（座標（０ｍｍ、０ｍｍ）とする）を基準にして、座標（２．５ｍｍ、１０ｍｍ）の位置をオフセット中心点とした。そして、オフセット中心点を基準に研磨シートを直径６１ｃｍの円形状に切断して円形状研磨層を作製した。円形状研磨層の溝加工面と反対側の面にラミ機を使用して、両面テープ（積水化学工業社製、ダブルタックテープ）を貼りつけた。更に、コロナ処理をしたクッションシート（東レ社製、ポリエチレンフォーム、トーレペフ、厚み０．８ｍｍ）の表面をバフ処理し、それを前記両面テープにラミ機を使用して貼り合わせた。さらに、クッションシートの他面にラミ機を使用して両面テープを貼り合わせて円形状研磨パッドを作製した。

実施例２〜５、比較例１〜４
溝ピッチ、及び円形状研磨層の中心点の座標を表１の値に変更した以外は実施例１と同様の方法で円形状研磨パッドを作製した。

〔評価方法〕
（研磨ムラの評価）
研磨装置としてＳＰＰ６００Ｓ（岡本工作機械社製）を用い、作製した円形状研磨パッドを用いて、８インチのシリコンウエハ上に熱酸化膜を１００００Å製膜したウエハを１枚につき２分研磨した。その後、ウエハの被研磨面の研磨ムラを目視で観察し、下記基準で評価した。
○：同心円状の縞模様のムラがない。
×：同心円状の縞模様のムラがある。
なお、研磨条件としては、ＳＳ−２５（キャボット社製）を超純水で２倍に希釈したスラリーを研磨中に流量１５０ｍｌ／ｍｉｎで添加し、研磨荷重２５４ｇ／ｃｍ^２、研磨定盤回転数９０ｒｐｍ、及びウエハ回転数９１ｒｐｍとした。また、研磨前に、ドレッサー（旭ダイヤ社製、Ｍ１００タイプ）を用いて円形状研磨パッドの表面を２０秒間ドレス処理した。ドレス条件は、ドレス荷重１０ｇ／ｃｍ^２、研磨定盤回転数３０ｒｐｍ、及びドレッサー回転数１５ｒｐｍとした。

図４は、実施例１の円形状研磨パッドを用いてウエハを研磨した後の被研磨面の状態を示す写真である。被研磨面に同心円状の研磨ムラがなく、均一に研磨されていることがわかる。図５は、比較例１の円形状研磨パッドを用いてウエハを研磨した後の被研磨面の状態を示す写真である。被研磨面の中心部分に同心円状の研磨ムラがあることがわかる。

本発明の円形状研磨パッドはレンズ、反射ミラー等の光学材料やシリコンウエハ、アルミ基板、及び一般的な金属研磨加工等の高度の表面平坦性を要求される材料の平坦化加工を安定、かつ高い研磨効率で行うことができる。本発明の円形状研磨パッドは、特にシリコンウエハ並びにその上に酸化物層、金属層等が形成されたデバイスを、さらにこれらの酸化物層や金属層を積層・形成する前に平坦化する工程に好適に使用できる。

１：研磨パッド（円形状研磨パッド）
２：研磨定盤
３：研磨剤（スラリー）
４：被研磨材（半導体ウエハ）
５：支持台（ポリシングヘッド）
６、７：回転軸
８：オフセット領域Ｚ
９：仮想直線Ａ
１０：仮想直線Ｂ
１１：仮想直線Ｃ
１２：Ｘ溝
１３：Ｙ溝
１４：対角線Ｄ
１５：対角線Ｅ
１６：仮想直線Ｆ
１７：中央線Ｇ
１８：Ｘ溝とＹ溝の交点

Claims

研磨表面にＸＹ格子溝を有する円形状研磨層を含む円形状研磨パッドにおいて、
円形状研磨層の中心点が、以下の３つの仮想直線Ａ、Ｂ及びＣで囲まれた領域Ｚ内（仮想直線上を含む）にオフセットされていることを特徴とする円形状研磨パッド。
仮想直線Ａ：Ｘ溝又はＹ溝上の点を当該Ｘ溝又はＹ溝に直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線
仮想直線Ｂ：ＸＹ格子溝の一方の対角線Ｄ上の点を当該対角線Ｄに直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線
仮想直線Ｃ：ＸＹ格子溝の他方の対角線Ｅ上の点を当該対角線Ｅに直交する方向に溝ピッチの５％移動させた点を結んだ直線
請求項１記載の円形状研磨パッドの製造方法であって、
研磨シートにＸＹ格子溝を形成する工程、及び領域Ｚ内にオフセットされた中心点を基準に研磨シートを円形状に切断して円形状研磨層を作製する工程を含む円形状研磨パッドの製造方法。
請求項１記載の円形状研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を含む半導体デバイスの製造方法。