JP5484145B2 - 研磨パッド - Google Patents

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、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可能な研磨パッドに関するものである。本発明の研磨パッドは、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される。

高度の表面平坦性を要求される材料の代表的なものとしては、半導体集積回路（ＩＣ、ＬＳＩ）を製造するシリコンウエハと呼ばれる単結晶シリコンの円盤があげられる。シリコンウエハは、ＩＣ、ＬＳＩ等の製造工程において、回路形成に使用する各種薄膜の信頼できる半導体接合を形成するために、酸化物層や金属層を積層・形成する各工程において、表面を高精度に平坦に仕上げることが要求される。このような研磨仕上げ工程においては、一般的に研磨パッドはプラテンと呼ばれる回転可能な支持円盤に固着され、半導体ウエハ等の加工物は研磨ヘッドに固着される。そして双方の運動により、プラテンと研磨ヘッドとの間に相対速度を発生させ、さらに砥粒を含む研磨スラリーを研磨パッド上に連続供給することにより、研磨操作が実行される。

研磨パッドの研磨特性としては、研磨対象物の平坦性（プラナリティー）及び面内均一性に優れ、研磨速度が大きいことが要求される。研磨対象物の平坦性、面内均一性については研磨層を高弾性率化することによりある程度は改善できる。また、研磨速度については、気泡を含有する発泡体にしてスラリーの保持量を多くすることにより向上できる。

次世代素子への展開を考慮すると、平坦性をさらに向上できるような高硬度の研磨パッドが必要となる。平坦性を向上させるためには、硬い研磨パッドを用いることも可能である。しかし、硬い研磨パッドを用いた場合、研磨対象物の被研磨面にスクラッチ（傷）が生じやすくなるという問題がある。

特許文献１では、ライフ又は研磨性能のバラツキを解決するために、シートの面方向に配列した長気泡を有する研磨用プラスチック発泡シートが提案されている。

また、特許文献２では、厚みばらつきを低減し、研磨特性を向上させるために、気泡材料からなり、被研磨物と接触する表面部分に複数の微細孔を有する研磨パッドであって、厚みのばらつきが±１５μｍであり、前記微細孔が表面部分に一様に分布し、前記微細孔の最短径に対する最長径の比が１．０以上１．２以下であることを特徴とする研磨パッドが提案されている。

また、特許文献３では、平坦化特性及び面内均一性を向上させるために、独立気泡を有する研磨層を含む研磨パッドであって、前記独立気泡は楕円気泡を含み、前記研磨層の切断面における楕円気泡の平均長径Ｌと平均短径Ｓの比（Ｌ／Ｓ）が１．１〜５であることを特徴とする研磨パッドが提案されている。

また、特許文献４では、基材シートとポリウレタン発泡層とを含む積層シートであって、前記ポリウレタン発泡層は、長軸がポリウレタン発泡層の厚さ方向に対して平行である楕円気泡を有しており、前記ポリウレタン発泡層の切断面における楕円気泡の平均長径Ｌと平均短径Ｓの比（Ｌ／Ｓ）が１．５〜３であることを特徴とする積層シートが提案されている。当該積層シートは、保持シート、バッキングシート、又は粘着シートであることが記載されている。

また、特許文献５では、平坦化特性及び面内均一性を向上させ、目詰まり及びスクラッチを抑制するために、ポリエステル樹脂と非相溶性熱可塑性樹脂とを含有する独立空洞含有ポリエステルシートからなり、ショアＤ硬度が５０以上、圧縮率が１．３〜５．５％、圧縮回復率が５０％以上であり、かつ独立空洞の形状が長径５〜３０μｍ、短径１〜４μｍ、及び深さ１〜５μｍの偏平形状である研磨パッドが提案されている。

しかしながら、上記のように次世代素子への展開を考慮すると、平坦性をさらに向上でき、かつスクラッチを抑制できる研磨パッドが必要となるが、上記研磨パッドであっても要求される平坦化特性とスクラッチの低減を両立することは困難であった。

特開２００３−２０９０７８号公報 特開２００６−１４２４７４号公報 特開２００７−２４５２９８号公報 特開２００７−２４５５７５号公報 特開２００９−２９１９４２号公報

本発明は、平坦化特性に優れ、かつスクラッチの発生を抑制できる研磨パッドを提供することを目的とする。また、該研磨パッドを用いた半導体デバイスの製造方法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、楕円気泡を有する研磨層を含む研磨パッドにおいて、前記楕円気泡の長軸は研磨層の厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜していることを特徴とする研磨パッド、に関する。

研磨層中の気泡を楕円気泡（楕円球状の気泡であるが、厳密に均整のとれた楕円球状でなくてもよい）にすることにより、従来の球状気泡を有する研磨層と比べて、比重を高くすることなく高弾性率化することができる。それにより研磨パッドの平坦化特性を向上させることができる。しかし、研磨層中の気泡を楕円気泡にしただけではスクラッチの発生を抑制することは困難である。

本発明者らは、研磨層中の楕円気泡の長軸を研磨層の厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜させることにより、平坦化特性を向上させ、かつスクラッチの発生を抑制できることを見出した。その理由は明らかではないが、楕円気泡の長軸を傾斜させることにより、研磨層の圧縮特性（Ｓ−Ｓ曲線）において、低歪領域ではミクロ的に軟らかいためスクラッチの発生が抑制され、高歪領域ではマクロ的に高弾性率化することにより平坦化特性が向上したと考えられる。

前記楕円気泡は、平均長径Ｌと平均短径Ｓの比（Ｌ／Ｓ）が１．１〜３であることが好ましい。Ｌ／Ｓが１．１未満の場合には、比重を高くすることなく高弾性率化することが困難になるため平坦化特性が向上しにくくなり、一方、Ｌ／Ｓが３を超える場合には、気泡ポケットが深くなるため、スラリーの更新性が低下して研磨速度が低下したり、研磨砥粒や研磨屑が詰まりやすくなるため、研磨対象物にスクラッチが発生しやすくなる傾向にある。

研磨層中の気泡は、球状気泡又は長軸が研磨層の厚さ方向に対して平行な楕円気泡などを含んでいてもよいが、目的とする効果を十分に発現させるためには、長軸が研磨層の厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜している楕円気泡の数割合が、全気泡の５０％以上であることが好ましい。また、研磨層中の気泡は、独立気泡であってもよく連続気泡であってもよい。

また本発明においては、研磨層がポリウレタン樹脂発泡体からなることが好ましい。

さらに本発明は、前記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。

本発明の研磨パッドは、研磨層中に、長軸が研磨層の厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜している楕円気泡を多数含んでおり、平坦化特性に優れ、かつスクラッチの発生を効果的に抑制することができる。

ＣＭＰ研磨で使用する研磨装置の一例を示す概略図である。 ポリウレタン樹脂発泡体ブロックの断面を示す概略図である。 ポリウレタン樹脂発泡体ブロックを切断して得られるポリウレタン樹脂発泡体シートの断面を示す概略図である。

本発明の研磨パッドは、研磨層のみであってもよく、研磨層と他の層（例えばクッション層など）との積層体であってもよい。研磨層の形成材料は特に限定されるものではない。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やのようなハロゲン系樹脂（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、感光性樹脂などの１種または２種以上の混合物が挙げられる。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を有するポリマーを容易に得ることができるため、研磨層の形成材料として特に好ましい材料である。以下、研磨層の形成材料の代表としてポリウレタン樹脂について説明する。

前記ポリウレタン樹脂は、イソシアネート成分、ポリオール成分（高分子量ポリオール、低分子量ポリオール等）、及び鎖延長剤からなるものである。

イソシアネート成分としては、ポリウレタンの分野において公知の化合物を特に限定なく使用できる。イソシアネート成分としては、２，４−トルエンジイソシアネート、２，６−トルエンジイソシアネート、２，２’−ジフェニルメタンジイソシアネート、２，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、１，５−ナフタレンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、ｍ−フェニレンジイソシアネート、ｐ−キシリレンジイソシアネート、ｍ−キシリレンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネート、エチレンジイソシアネート、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、１，６−ヘキサメチレンジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート、１，４−シクロヘキサンジイソシアネート、４，４’−ジシクロへキシルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート等の脂環式ジイソシアネートが挙げられる。これらは１種で用いても、２種以上を混合しても差し支えない。

イソシアネート成分としては、上記ジイソシアネート化合物の他に、３官能以上の多官能ポリイソシアネート化合物も使用可能である。多官能のイソシアネート化合物としては、デスモジュール−Ｎ（バイエル社製）や商品名デュラネート（旭化成工業社製）として一連のジイソシアネートアダクト体化合物が市販されている。

上記のイソシアネート成分のうち、芳香族ジイソシアネートと脂環式ジイソシアネートを併用することが好ましく、特にトルエンジイソシアネートとジシクロへキシルメタンジイソシアネートを併用することが好ましい。

高分子量ポリオールとしては、ポリテトラメチレンエーテルグリコールに代表されるポリエーテルポリオール、ポリブチレンアジペートに代表されるポリエステルポリオール、ポリカプロラクトンポリオール、ポリカプロラクトンのようなポリエステルグリコールとアルキレンカーボネートとの反応物などで例示されるポリエステルポリカーボネートポリオール、エチレンカーボネートを多価アルコールと反応させ、次いで得られた反応混合物を有機ジカルボン酸と反応させたポリエステルポリカーボネートポリオール、及びポリヒドキシル化合物とアリールカーボネートとのエステル交換反応により得られるポリカーボネートポリオールなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

高分子量ポリオールの数平均分子量は特に限定されるものではないが、得られるポリウレタン樹脂の弾性特性等の観点から５００〜２０００であることが好ましい。数平均分子量が５００未満であると、これを用いたポリウレタン樹脂は十分な弾性特性を有さず、脆いポリマーとなる。そのためこのポリウレタン樹脂から製造される研磨パッドは硬くなりすぎ、ウエハ表面のスクラッチの原因となる。また、摩耗しやすくなるため、パッド寿命の観点からも好ましくない。一方、数平均分子量が２０００を超えると、これを用いたポリウレタン樹脂は軟らかくなりすぎるため、このポリウレタン樹脂から製造される研磨パッドは平坦化特性に劣る傾向にある。

ポリオール成分として上述した高分子量ポリオールの他に、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、２，３−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、１，４−ビス（２−ヒドロキシエトキシ）ベンゼン、トリメチロールプロパン、グリセリン、１，２，６−ヘキサントリオール、ペンタエリスリトール、テトラメチロールシクロヘキサン、メチルグルコシド、ソルビトール、マンニトール、ズルシトール、スクロース、２，２，６，６−テトラキス（ヒドロキシメチル）シクロヘキサノール、ジエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、及びトリエタノールアミン等の低分子量ポリオールを併用することができる。また、エチレンジアミン、トリレンジアミン、ジフェニルメタンジアミン、及びジエチレントリアミン等の低分子量ポリアミンを併用することもできる。また、モノエタノールアミン、２−（２−アミノエチルアミノ）エタノール、及びモノプロパノールアミン等のアルコールアミンを併用することもできる。これら低分子量ポリオール、低分子量ポリアミン等は１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。低分子量ポリオールや低分子量ポリアミン等の配合量は特に限定されず、製造される研磨パッド（研磨層）に要求される特性により適宜決定されるが、全ポリオール成分の２０〜７０モル％であることが好ましい。

ポリオール成分中の高分子量ポリオールと低分子量ポリオールの比は、これらから製造される研磨層に要求される特性により決められる。

ポリウレタン樹脂をプレポリマー法により製造する場合において、プレポリマーの硬化には鎖延長剤を使用する。鎖延長剤は、少なくとも２個以上の活性水素基を有する有機化合物であり、活性水素基としては、水酸基、第１級もしくは第２級アミノ基、チオール基（ＳＨ）等が例示できる。具体的には、４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）（ＭＯＣＡ）、２，６−ジクロロ−ｐ−フェニレンジアミン、４，４’−メチレンビス（２，３−ジクロロアニリン）、３，５−ビス（メチルチオ）−２，４−トルエンジアミン、３，５−ビス（メチルチオ）−２，６−トルエンジアミン、３，５−ジエチルトルエン−２，４−ジアミン、３，５−ジエチルトルエン−２，６−ジアミン、トリメチレングリコール−ジ−ｐ−アミノベンゾエート、ポリテトラメチレンオキシド−ジ−ｐ−アミノベンゾエート、４，４’−ジアミノ−３，３’，５，５’−テトラエチルジフェニルメタン、４，４’−ジアミノ−３，３’−ジイソプロピル−５，５’−ジメチルジフェニルメタン、４，４’−ジアミノ−３，３’，５，５’−テトライソプロピルジフェニルメタン、１，２−ビス（２−アミノフェニルチオ）エタン、４，４’−ジアミノ−３，３’−ジエチル−５，５’−ジメチルジフェニルメタン、Ｎ，Ｎ’−ジ−ｓｅｃ−ブチル−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジエチル−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、ｍ−キシリレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−ジ−ｓｅｃ−ブチル−ｐ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、及びｐ−キシリレンジアミン等に例示されるポリアミン類、あるいは、上述した低分子量ポリオールや低分子量ポリアミンを挙げることができる。これらは１種で用いても、２種以上を混合しても差し支えない。

本発明におけるイソシアネート成分、ポリオール成分、及び鎖延長剤の比は、各々の分子量や研磨パッドの所望物性などにより種々変え得る。所望する研磨特性を有する研磨パッドを得るためには、ポリオール成分と鎖延長剤の合計活性水素基（水酸基＋アミノ基）数に対するイソシアネート成分のイソシアネート基数は、０．８０〜１．２０であることが好ましく、さらに好ましくは０．９９〜１．１５である。イソシアネート基数が前記範囲外の場合には、硬化不良が生じて要求される比重及び硬度が得られず、研磨特性が低下する傾向にある。

ポリウレタン樹脂は、溶融法、溶液法など公知のウレタン化技術を応用して製造することができるが、コスト、作業環境などを考慮した場合、溶融法で製造することが好ましい。

ポリウレタン樹脂の製造は、プレポリマー法、ワンショット法のどちらでも可能であるが、事前にイソシアネート成分とポリオール成分からイソシアネート末端プレポリマーを合成しておき、これに鎖延長剤を反応させるプレポリマー法が、得られるポリウレタン樹脂の物理的特性が優れており好適である。

なお、イソシアネート末端プレポリマーは、分子量が８００〜５０００程度のものが加工性、物理的特性等が優れており好適である。

前記ポリウレタン樹脂の製造は、イソシアネート基含有化合物を含む第１成分、及び活性水素基含有化合物を含む第２成分を混合して硬化させるものである。プレポリマー法では、イソシアネート末端プレポリマーがイソシアネート基含有化合物となり、鎖延長剤が活性水素基含有化合物となる。ワンショット法では、イソシアネート成分がイソシアネート基含有化合物となり、鎖延長剤及びポリオール成分が活性水素基含有化合物となる。

本発明の研磨層の形成材料であるポリウレタン樹脂発泡体は、機械的発泡法、化学的発泡法等により製造することができる。なお、必要により中空ビーズを添加する方法を併用してもよい。

特に、ポリアルキルシロキサンとポリエーテルの共重合体であるシリコン系界面活性剤を使用した機械的発泡法が好ましい。かかるシリコン系界面活性剤としては、ＳＨ−１９２、ＳＨ−１９３、Ｌ５３４０（東レ・ダウコーニング・シリコーン社製）等が好適な化合物として例示される。

なお、必要に応じて、酸化防止剤等の安定剤、滑剤、顔料、充填剤、帯電防止剤、その他の添加剤を加えてもよい。

本発明の研磨層を構成する、長軸が研磨層の厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜している楕円気泡を含むポリウレタン樹脂発泡体を製造する方法の例について以下に説明する。かかるポリウレタン樹脂発泡体の製造方法は、以下の工程を有する。
１）イソシアネート末端プレポリマーの気泡分散液を作製する発泡工程
イソシアネート末端プレポリマー（第１成分）にシリコン系界面活性剤を添加し、非反応性気体の存在下で撹拌し、非反応性気体を微細気泡として分散させて気泡分散液とする。前記プレポリマーが常温で固体の場合には適宜の温度に予熱し、溶融して使用する。
２）硬化剤（鎖延長剤）混合工程
上記の気泡分散液に鎖延長剤（第２成分）を添加、混合、撹拌して発泡反応液とする。
３）注型工程
上記の発泡反応液を金型に流し込んだ後、金型の型締めを行う。
４）硬化工程
金型に流し込まれた発泡反応液を加熱して反応硬化させつつ金型内部を圧縮又は減圧し、流動しなくなるまでその状態を保持する。

前記微細気泡を形成するために使用される非反応性気体としては、可燃性でないものが好ましく、具体的には窒素、酸素、炭酸ガス、ヘリウムやアルゴン等の希ガスやこれらの混合気体が例示され、乾燥して水分を除去した空気の使用がコスト的にも最も好ましい。

非反応性気体を微細気泡状にしてシリコン系界面活性剤を含む第１成分に分散させる撹拌装置としては、公知の撹拌装置は特に限定なく使用可能であり、具体的にはホモジナイザー、ディゾルバー、２軸遊星型ミキサー（プラネタリーミキサー）等が例示される。撹拌装置の撹拌翼の形状も特に限定されないが、ホイッパー型の撹拌翼の使用にて微細気泡が得られ好ましい。

なお、発泡工程において気泡分散液を作成する撹拌と、混合工程における鎖延長剤を添加して混合する撹拌は、異なる撹拌装置を使用することも好ましい態様である。特に混合工程における撹拌は気泡を形成する撹拌でなくてもよく、大きな気泡を巻き込まない撹拌装置の使用が好ましい。このような撹拌装置としては、遊星型ミキサーが好適である。発泡工程と混合工程の撹拌装置を同一の撹拌装置を使用しても支障はなく、必要に応じて撹拌翼の回転速度を調整する等の撹拌条件の調整を行って使用することも好適である。

上記のように、楕円気泡を含むポリウレタン樹脂発泡体を製造するためには、注型工程及び硬化工程において従来の機械的発泡法とは異なる操作を行うことが必要である。詳しくは、以下の操作を行う。

１）ケース１
前記注型工程において、１側面又は対向する側面が可動式の金型に発泡反応液を５０体積％以上の量を流し込んだ後、金型上面に上蓋をして型締めを行う。金型の上蓋には、金型を圧縮した時に余分な発泡反応液を排出するためのベントホールが設けられていることが好ましい。その後、硬化工程において、発泡反応液を加熱して反応硬化させつつ、金型の側面を動かして金型を圧縮し、流動しなくなるまでその状態を保持する。圧縮の程度は、元の横幅の５０〜９５％にすることが好ましく、より好ましくは８０〜９０％である。また、ベントホールから余分な発泡反応液が十分に排出される程度圧縮することが好ましい。この場合、楕円気泡の長軸は、金型側面の移動方向に対してほぼ垂直になる。

２）ケース２
前記注型工程において、金型に発泡反応液を５０体積％以上の量を流し込んだ後、金型上面に上蓋をして型締めを行う。金型の少なくとも１側面には、金型を圧縮した時に余分な発泡反応液を排出するためのベントホールが設けられていることが好ましい。その後、硬化工程において、発泡反応液を加熱して反応硬化させつつ、金型の上蓋及び／又は下面を動かして金型を圧縮し、流動しなくなるまでその状態を保持する。圧縮の程度は、元の高さの５０〜９８％にすることが好ましく、より好ましくは８５〜９５％である。また、ベントホールから余分な発泡反応液が十分排出される程度圧縮することが好ましい。この場合、楕円気泡の長軸は、金型の上蓋又は下面の移動方向に対してほぼ垂直になる。

３）ケース３
前記注型工程において、金型に発泡反応液を空間ができる程度の量を流し込んだ後、金型上面に上蓋をして型締めを行う。該上蓋には金型内部を減圧するための孔が設けられている。その後、硬化工程において、発泡反応液を加熱して反応硬化させつつ、金型内部を減圧し、流動しなくなるまで減圧状態を保持する。減圧の程度は、９０〜３０ｋＰａにすることが好ましく、より好ましくは９０〜７０ｋＰａである。この場合、楕円気泡の長軸は、金型の高さ方向に対してほぼ平行になる。

４）ケース４
イソシアネート末端プレポリマーの気泡分散液に、所定量の水と硬化剤を添加、撹拌して発泡反応液とする。加熱した金型に該発泡反応液を５０体積％以上の量を流し込んだ後、金型上面に上蓋をして型締めを行う。上蓋には、余分な発泡反応液を排出するためのベントホールが設けられている。その後、硬化工程において、発泡反応液を加熱して反応硬化させる。このとき反応により発生した炭酸ガスにより金型内の圧力が高くなり、ベントホールから余分な発泡反応液が排出される。この場合、楕円気泡の長軸は、金型の高さ方向に対してほぼ平行になる。

ベントホールの大きさはφ１〜５ｍｍ程度、ベントホールの数は□１０００ｍｍ程度のモールドであれば６〜２０個程度設けられていることが好ましい。前記範囲外の場合、原料のロスが大きくなったり、楕円気泡が得られにくい傾向にある。また、上記ケース１及び２において、圧縮を加え始めるタイミングは、発泡反応液の粘度が１０Ｐａ・ｓを超えた時点であることが好ましい。発泡反応液の粘度は、例えば、ＴＶ−１０Ｈ型粘度計（東機産業）のロータＨ５（回転数４ｒｐｍ）を使用して計測することができる。また、ケース３においても減圧を始めるタイミングは前記と同様である。なお、ケース４においては、前記圧縮又は減圧工程を併用してもよい。

前記ポリウレタン樹脂発泡体の製造方法においては、流動しなくなるまで反応した発泡体ブロックを、加熱、ポストキュアすることは、発泡体の物理的特性を向上させる効果があり、極めて好適である。

ポリウレタン樹脂発泡体において、第３級アミン系等の公知のポリウレタン反応を促進する触媒を使用してもかまわない。触媒の種類、添加量は、混合工程後、所定形状の型に流し込む流動時間等を考慮して選択する。

本発明においては、その後、得られたポリウレタン樹脂発泡体ブロックを鉋状、あるいはバンドソー状のスライサー等を用いて、楕円気泡の長軸が研磨層の厚さ方向に対して５°〜４５°の傾斜角度になるように５°〜４５°の角度をつけて切断することが必要である。傾斜角度は１０°〜４５°であることが好ましく、より好ましくは３０°〜４５°である。図２は、ポリウレタン樹脂発泡体ブロックの断面を示す概略図である。図３は、ポリウレタン樹脂発泡体ブロックを切断して得られるポリウレタン樹脂発泡体シートの断面を示す概略図である。例えば、長軸１０がシートの厚さ方向１１に対して３０°傾斜している楕円気泡１２を有するポリウレタン樹脂発泡体シート９を作製するためには、ブロック８の平面に対して３０°の角度をつけて切断する。このように切断する角度を５°〜４５°に調整することにより、長軸が一定方向に５°〜４５°傾斜配向している楕円気泡を有するポリウレタン樹脂発泡体シートを作製することができる。

楕円気泡の平均長径Ｌと平均短径Ｓの比（Ｌ／Ｓ）は１．１〜３であることが好ましく、より好ましくは１．３〜２．５、特に好ましくは１．５〜２である。

また、楕円気泡の平均長径は３０〜２００μｍであることが好ましく、平均短径は２５〜６５μｍであることが好ましい。この範囲から逸脱する場合は、研磨速度が低下したり、研磨後の研磨対象物（ウエハ）の平坦性が低下する傾向にある。

また、ポリウレタン樹脂発泡体シート中の気泡は、球状気泡又は長軸がシートの厚さ方向に対して平行な楕円気泡などを含んでいてもよいが、目的とする効果を十分に発現させるためには、長軸がシートの厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜している楕円気泡の数割合が、全気泡の５０％以上であることが好ましく、より好ましくは６０％以上、特に好ましくは８０％以上である。前記楕円気泡の数割合は、金型の圧縮又は金型内部の減圧の程度、水の添加量を調整することにより目的の範囲に調整することができる。

前記ポリウレタン樹脂発泡体シートの比重は、０．３〜０．８８であることが好ましい。比重が０．３未満の場合には、研磨パッド（研磨層）の表面強度が低下し、ウエハのプラナリティが低下する傾向にある。また、０．８８より大きい場合は、研磨パッド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。

前記ポリウレタン樹脂発泡体シートの硬度は、アスカーＤ硬度計にて、４５〜６５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、ウエハのプラナリティが低下し、一方、６５度より大きい場合は、プラナリティは良好であるが、ウエハのユニフォーミティ（均一性）が低下する傾向にある。

前記ポリウレタン樹脂発泡体シートからなる研磨層の研磨対象物と接触する研磨表面は、スラリーを保持・更新するための凹凸構造を有していてもよい。発泡体からなる研磨層は、研磨表面に多くの開口を有し、スラリーを保持・更新する働きを持っているが、研磨表面に凹凸構造を形成することにより、スラリーの保持と更新をさらに効率よく行うことができ、また研磨対象物との吸着による研磨対象物の破壊を防ぐことができる。凹凸構造は、スラリーを保持・更新する形状であれば特に限定されるものではなく、例えば、ＸＹ格子溝、同心円状溝、貫通孔、貫通していない穴、多角柱、円柱、螺旋状溝、偏心円状溝、放射状溝、及びこれらの溝を組み合わせたものが挙げられる。また、これらの凹凸構造は規則性のあるものが一般的であるが、スラリーの保持・更新性を望ましいものにするため、ある範囲ごとに溝ピッチ、溝幅、溝深さ等を変化させることも可能である。

前記凹凸構造の作製方法は特に限定されるものではないが、例えば、所定サイズのバイトのような治具を用い機械切削する方法、所定の表面形状を有した金型に樹脂を流しこみ、硬化させることにより作製する方法、所定の表面形状を有したプレス板で樹脂をプレスし作製する方法、フォトリソグラフィを用いて作製する方法、印刷手法を用いて作製する方法、炭酸ガスレーザーなどを用いたレーザー光による作製方法などが挙げられる。

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、１．０〜２．５ｍｍであることが好ましい。

研磨層の厚みバラツキは１００μｍ以下であることが好ましい。厚みバラツキが１００μｍを越えるものは、研磨層に大きなうねりを持ったものとなり、研磨対象物に対する接触状態が異なる部分ができ、研磨特性に悪影響を与える。また、研磨層の厚みバラツキを解消するため、一般的には、研磨初期に研磨層表面をダイヤモンド砥粒を電着、融着させたドレッサーを用いてドレッシングするが、上記範囲を超えたものは、ドレッシング時間が長くなり、生産効率を低下させるものとなる。

研磨層の厚みのバラツキを抑える方法としては、所定厚みにスライスした研磨層表面をバフィングする方法が挙げられる。また、バフィングする際には、粒度などが異なる研磨材で段階的に行うことが好ましい。

本発明の研磨パッドは、前記研磨層とクッションシートとを貼り合わせたものであってもよい。

前記クッションシート（クッション層）は、研磨層の特性を補うものである。クッションシートは、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研磨対象物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、研磨対象物全体の均一性をいう。研磨層の特性によって、プラナリティを改善し、クッションシートの特性によってユニフォーミティを改善する。本発明の研磨パッドにおいては、クッションシートは研磨層より柔らかいものを用いることが好ましい。

前記クッションシートとしては、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。

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

前記両面テープは、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。クッションシート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、研磨層とクッションシート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。該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。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に示すように研磨パッド（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。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。

［測定、評価方法］
（楕円気泡の平均長径及び平均短径の測定）
作製したポリウレタン樹脂発泡体シートをミクロトームカッターで楕円気泡の長軸に対して平行に切断したものを測定用試料とした。測定用試料の切断面を走査型電子顕微鏡（日立サイエンスシステムズ社製、Ｓ−３５００Ｎ）で１００倍にて撮影した。そして、画像解析ソフト（ＭＩＴＡＮＩコーポレーション社製、ＷＩＮ−ＲＯＯＦ）を用いて、任意範囲における全ての楕円気泡の長径及び短径を測定し、その測定値から平均長径Ｌ、平均短径Ｓ、及びＬ／Ｓを算出した。

（長軸がシートの厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜している楕円気泡の数割合の測定）
作製したポリウレタン樹脂発泡体シートをミクロトームカッターで厚さ方向に切断したものを測定用試料とした。測定用試料の切断面（図３参照）を走査型電子顕微鏡（日立サイエンスシステムズ社製、Ｓ−３５００Ｎ）で１００倍にて撮影した。そして、画像解析ソフト（ＭＩＴＡＮＩコーポレーション社製、ＷＩＮ−ＲＯＯＦ）を用いて、任意範囲における長軸がシートの厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜している楕円気泡、及び全気泡の数を数え、全気泡に対する前記楕円気泡の数割合（％）を算出した。

（比重測定）
ＪＩＳ Ｚ８８０７−１９７６に準拠して行った。作製したポリウレタン樹脂発泡体シートを４ｃｍ×８．５ｃｍの短冊状（厚み：任意）に切り出したものを比重測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で１６時間静置した。測定には比重計（ザルトリウス社製）を用い、比重を測定した。

（硬度測定）
ＪＩＳ Ｋ６２５３−１９９７に準拠して行った。作製したポリウレタン樹脂発泡体シートを２ｃｍ×２ｃｍ（厚み：任意）の大きさに切り出したものを硬度測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で１６時間静置した。測定時には、試料を重ね合わせ、厚み６ｍｍ以上とした。硬度計（高分子計器社製、アスカーＤ型硬度計）を用い、硬度を測定した。

（研磨特性の評価）
研磨装置としてＳＰＰ６００Ｓ（岡本工作機械社製）を用い、作製した研磨パッドを用いて、研磨特性の評価を行った。酸化膜の膜厚測定には、干渉式膜厚測定装置（大塚電子社製）を用いた。研磨条件としては、スラリーとして、シリカスラリー（ＳＳ１２、キャボット社製）を研磨中に流量１５０ｍｌ／ｍｉｎ添加した。研磨荷重は１．５ｐｓｉ、研磨定盤回転数１２０ｒｐｍ、ウエハ回転数１２０ｒｐｍとした。また、ドレッサー（旭ダイヤ社製、Ｍ１００タイプ）を用い、ドレス荷重５０ｇ／ｃｍ^２、ドレッサー回転数１５ｒｐｍ、プラテン回転数３０ｒｐｍの条件にて、所定間隔で２０秒間研磨層の表面をドレス処理した。

平坦性の評価は、８インチシリコンウエハに熱酸化膜を０．５μｍ堆積させた後、Ｌ／Ｓ（ライン・アンド・スペース）＝２５μｍ／５μｍ及び、Ｌ／Ｓ＝５μｍ／２５μｍのパターンニングを行い、さらに酸化膜（ＴＥＯＳ）を１μｍ堆積させて、初期段差０．５μｍのパターン付きウエハを製作した。このウエハを前記条件にて研磨を行って、グローバル段差が２０００Å以下になる時の、２５μｍスペースの底部分の削れ量を測定することで評価した。平坦性は削れ量の値が小さいほど優れていると言える。

（スクラッチの評価）
前記条件で８インチのダミーウエハを４枚研磨し、その後、厚み１００００Åの熱酸化膜を堆積させたウエハを１分間研磨した。そして、ＫＬＡ テンコール社製の欠陥評価装置（Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１）を用いて、研磨後のウエハ上に０．２μｍ以上の条痕がいくつあるかを測定した。

実施例１
反応容器にイソシアネート末端プレポリマー（ユニロイヤル社製、アジプレンＬ−３２５）１００重量部及びシリコン系界面活性剤（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）２２重量部、及び水０．３重量部を添加した。該混合液を約１分間撹拌した後、金型（横８００ｍｍ、縦１３００ｍｍ、高さ３５ｍｍ）へ液面高さが３３ｍｍになるまで流し込んだ。その後、該金型上面に、φ３ｍｍのベントホールが１０点設けられた上蓋を被せて型締めを行った。その後、混合液を６０℃で加熱して反応硬化させつつ、混合液の粘度が１０Ｐａ・ｓを超えた時に金型の側面を動かして金型の横幅を８００ｍｍから７００ｍｍまで圧縮し、混合液が流動しなくなるまでその状態を保持した。なお、ベントホールからは余分な混合液が排出されていた。その後、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。

バンドソータイプのスライサー（フェッケン社製）を使用して該ポリウレタン樹脂発泡体ブロックを、図２に示すようにブロックの平面に対して３０°の角度をつけてスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体シート（比重：０．８３、Ｄ硬度：５３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になるまで該シートの表面バフ処理をし、厚み精度を整えたシートとした。なお、バフ処理においては、まず１２０メッシュの砥粒が付着したベルトサンダー（理研コランダム社製）を用い、次に２４０メッシュの砥粒が付着したベルトサンダー（理研コランダム社製）を用い、最後に４００メッシュの砥粒が付着したベルトサンダー（理研コランダム社製）を用いて仕上げた。このバフ処理をしたシートを直径６００ｍｍの大きさで打ち抜き、表面にφ１．６ｍｍのパンチング加工を行って研磨シートを得た。この研磨シートのパンチング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、それをラミ機を使用して前記両面テープに貼り合わせた。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研磨パッドを作製した。

実施例２
ブロックの平面に対して５°の角度をつけてスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体シートを作製した以外は、実施例１と同様の方法で研磨パッドを作製した。

実施例３
ブロックの平面に対して４５°の角度をつけてスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体シートを作製した以外は、実施例１と同様の方法で研磨パッドを作製した。

比較例１
ブロックの平面に対して水平にスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体シートを作製した以外は、実施例１と同様の方法で研磨パッドを作製した。

比較例２
ブロックの平面に対して５０°の角度をつけてスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体シートを作製した以外は、実施例１と同様の方法で研磨パッドを作製した。

比較例３
水を添加しなかった以外は実施例１と同様の方法で気泡分散ウレタン組成物を調製した。前記気泡分散ウレタン組成物を金型（横８００ｍｍ、縦１３００ｍｍ、高さ３５ｍｍ）へ流し込んだ。その後、該組成物を６０℃で加熱して反応硬化させた。その後、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。その後、実施例１と同様の方法で研磨パッドを作製した。なお、作製したポリウレタン樹脂発泡体シートの比重は０．８２、Ｄ硬度は５２度であった。

本発明の研磨パッドは、レンズ、反射ミラー等の光学材料やシリコンウエハ、ハードディスク用のガラス基板、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（研磨層）
２：研磨定盤
３：研磨剤（スラリー）
４：研磨対象物（半導体ウエハ）
５：支持台（ポリシングヘッド）
６、７：回転軸
８：ポリウレタン樹脂発泡体ブロック
９：ポリウレタン樹脂発泡体シート
１０：長軸
１１：シートの厚さ方向
１２：楕円気泡
１３：切断位置

Claims (6)

1. 楕円気泡を有する研磨層を含む研磨パッドにおいて、前記研磨層は気体を内包する楕円気泡を有しており、前記楕円気泡の長軸は研磨層の厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜していることを特徴とする研磨パッド。
2. 前記楕円気泡は、平均長径Ｌと平均短径Ｓの比（Ｌ／Ｓ）が１．１〜３である請求項１記載の研磨パッド。
3. 前記楕円気泡の数割合が、全気泡の５０％以上である請求項１又は２記載の研磨パッド。
4. 研磨層がポリウレタン樹脂発泡体からなる請求項１〜３のいずれかに記載の研磨パッド。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の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。
6. 楕円気泡の長軸が厚さ方向に平行であるポリウレタン樹脂発泡体ブロックを作製する工程、当該ブロックの平面に対して５°〜４５°の角度をつけて当該ブロックを切断することにより、楕円気泡の長軸が厚さ方向に対して５°〜４５°傾斜している研磨層を作製する工程を含む研磨パッドの製造方法。
   

Images