JP5745504B2 - 研磨パッド窓の処理 - Google Patents

Description

本開示は、化学機械研磨（ＣＭＰ）で使用するための研磨パッドの製作に関する。

最新の半導体集積回路（ＩＣ）を製作するプロセスにおいては、基板の外面を平坦化することがしばしば必要である。例えば、導電性フィラー層を下層の上面が露出されるまで研磨除去して、絶縁層が持ち上がったパターン間に導電性材料を残し、基板上の薄膜回路間に導電性経路を提供するビア、プラグおよびラインを形成するために平坦化が必要になる場合がある。また、酸化物層をフラット且つ薄くして、フォトリソグラフィーに適したフラットな表面を設けるために平坦化が必要になる場合もある。

半導体基板の平坦化またはトポグラフィ除去を達成する１つの方法は、化学機械研磨（ＣＭＰ）である。従来の化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスでは、磨き剤スラリーが存在する状態で回転する研磨パッドに基板を押し付けることが必要である。

一般的には、研磨を停止するかどうかを決定するために、所望の表面平坦度または所望の層の厚さに達したこと、または下層が露出されたことを検出する必要がある。ＣＭＰプロセス中に、終了点をその場で検出するために、さまざまな技術が開発されてきた。例えば、基板上の層の研磨中に層の均一性をその場で測定する光学監視システムが使用されてきた。この光学監視システムは、研磨中に基板に向けて光ビームを照射する光源と、基板から反射する光を測定する検知器と、検知器からの信号を分析し、終了点が検出されたかどうかを判断するコンピュータとを含むことができる。一部のＣＭＰシステムでは、光ビームは研磨パッドの窓を通じて基板に向けて照射される。

１つの態様では、研磨パッドに窓を形成する方法は、研磨パッドに固体の光透過性高分子で窓を形成するステップと、窓の表面の少なくとも一方を処理して、少なくとも一方の表面の平滑度を高めるステップとを含む。

実施例は次のうちの１つまたは複数を含み得る。窓の少なくとも一方の表面の処理は、研磨パッドに窓が形成された後に行うことができる。窓の形成は、型に固体の光透過性高分子体を配置するステップと、型内に液状の研磨パッド前駆体を注入するステップと、液状の前駆体を硬化させて、固体の光透過性高分子体に密着した固体の研磨材料を含む本体を形成するステップと、固体の研磨材料の部分と固体の光透過性高分子体の部分とを有する研磨パッドを切断するステップとを含むことができる。この窓の形成は、窓の上面を研磨層の研磨面に接近させて形成するステップと、底面を研磨層の下面に接近させて形成するステップとを含むことができる。この上面は研磨面と実質的に同一平面上とすることができ、またこの底面は下面と実質的に同一平面上とすることができる。処理は、窓の上面および／または底面を処理するステップを含むことができる。少なくとも一方の表面の処理は、例えば、少なくとも一方の表面に加熱された物体を当てて少なくとも一方の表面を加熱し、任意で同時に、少なくとも一方の表面をアイロン加工するなど、加熱した物体を少なくとも一方の表面に押し付けることを含むことができる。この物体を１５０℃以上の温度に加熱することができ、例えば１５０℃から２５０℃の間に加熱することができ、例えば約２００℃に加熱することができる。固体の光透過性高分子はポリウレタンとすることができる。少なくとも一方の表面を加熱して、少なくとも一方の表面を固体の光透過性高分子のガラス転移温度よりも高い温度に上昇させることができる。少なくとも一方の表面の処理は、少なくとも一方の表面に溶剤を塗布することを含むことができる。研磨パッドは、微小球充填剤を有するポリウレタンで形成された研磨層を含んでもよい。

次のうちの１つまたは複数を潜在的な利点として挙げることができる。窓を通過する光の透過度を高めることができ、これによりノイズを減少させ、終了点検出の信頼性を高めることができる。パッド間における窓透過度の不均一性を低減することができる。本発明の他の特徴および利点は、詳細な説明および図面から、また特許請求の範囲から明らかになるであろう。

終了点検出のための光学監視システムを有する化学機械研磨装置の概略横断側面図である。 窓を有する研磨パッドの簡略化した概略横断面図である。 図２の研磨パッドの簡略化した上面図である。 感圧接着剤およびライナーを有する研磨パッドの簡略化した概略横断面図である。 研磨パッド窓の作製で使用する固体の光透過材料のブロックの概略斜視図である。 固体の光透過材料のブロックを有する型内の液状の研磨層前駆体を示す概略横断面図である。 固体の光透過材料のブロックに密着した、硬化させた研磨材料の本体の概略透視図である。 硬化させた研磨材料の本体からスカイビングされている研磨パッドの概略横断面図である。 熱処理されている研磨パッド窓の概略横断面図である。

研磨パッド製造における１つの潜在的な問題点は、パッド窓の表面のラフネスである。例えば、スカイビングのプロセスで、窓にセレーション、スクラッチ、または他のラフネスが残ることがある。このラフネスによって散乱が生じて、窓の透過度が低下し、その結果、光学監視システムにおけるノイズが増加してしまう。しかし、窓を熱などによって処理することにより、窓の表面を平滑化することができる。窓が平滑であればある程透過度が高くなるので、光学監視システムにおけるノイズが減少し、終了点検出の信頼性が向上する。さらに、パッド間における窓透過度の不均一性を低減することができる。

図１に示すように、ＣＭＰ装置１０は、半導体基板１４をプラテン１６上の研磨パッド１８に対して保持するための研磨ヘッド１２を備える。

基板は、例えば、（複数のメモリまたはプロセッサダイなどを含む）製品基板、テスト基板、ベア基板、およびゲート基板とすることができる。基板は、集積回路製作のさまざまな段階にあるものとすることができ、この基板は例えば、ベアウエハでも、１つまたは複数の堆積層および／またはパターン化された層を含むものでもよい。基板という用語は、円形のディスクおよび長方形のシートを含むことができる。

研磨ヘッド１２は、プラテンがその中心軸の周りを回転するときに、研磨パッド１８に対して基板１４を押し付ける。さらに、研磨ヘッド１２は通常はその中心軸の周りを回転し、ドライブシャフトまたは並進移動アーム３２によってプラテン１６の表面を横切って並進移動する。磨き剤スラリーなどの研磨液３０を研磨パッド上に供給することができる。この研磨液を併用することにより、基板と研磨面との間の圧力および相対運動によって、基板の研磨が生じる。研磨パッド１８の表面を調整装置で研削して、研磨パッドの粗度を維持することができる。

光学監視システムは、白色光源などの光源３６と、研磨パッド１８の窓４０に光学的に連通している分光測光器などの検知器３８とを備える。この光源および検知器は、プラテン１６内に配置されて、プラテン１６と共に回転するので、プラテンが一回転するごとに監視光ビームが基板を一周回することができるようになっている。例えば、分岐した光ファイバー３４は、光が窓４０を通って基板１４に照射されるように、光源３６からプラテン１８を通じて光を送ることができ、基板１４から反射する光は、この光ファイバー３４を通って検知器３８に戻ることができる。あるいは、この光源および検知器をプラテンの下に位置する静止部品とすることもでき、光開口が窓４０の下のプラテンを通じて延在して、基板に監視光ビームを断続的に送ることができる。光源は、例えば赤色光などの、遠赤外から紫外までのどこかの波長を使用することができるが、例えば白色光などの広帯域スペクトルも使用可能である。

図２を参照すると、研磨パッド１８は、基板と接触する研磨面２４を有する研磨層２０と、プラテン１６に接着して固定されるバッキング層２２とを備えることができる。この研磨層２０は、基板上の露出された層をバルク平坦化するのに適した材料とすることができる。このような研磨層は、中空微小球体などの充填剤などを有するポリウレタン材料から形成することができ、例えば、この研磨層をＲｏｈｍ＆Ｈａｓｓから入手可能なＩＣ−１０００材料とすることができる。バッキング層２２は、研磨層２０よりも圧縮性の高いものとすることができる。ある実施例においては、研磨パッドは研磨層のみを有し、および／または研磨層は、垂直方向の大きな気孔を有する多孔質コーティングなど、バフ工程に適した比較的柔軟な材料である。ある実施例においては、研磨面２４に溝を形成することができる。

窓４０は固体の光透過性材料、例えば、充填剤を含まない比較的純粋なポリウレタンなどの透明材料とすることができる。この窓４０は、例えば窓４０と研磨層２０の隣接する縁部を一緒に型成形するなどして、接着剤を使用せずに研磨層２０と接合させることができる。窓４０の上面は研磨面２４と共平面とすることができ、また窓４０の底面は研磨層２０の底部と共平面とすることができる。研磨層１８は窓４０を完全に囲繞することができる。バッキング層２２の開口は研磨層２０の窓４０に位置合わせされる。

図３を参照すると、一実施例では、研磨パッド１８は半径Ｒが１５．０インチ（３８１．００ｍｍ）であり、対応する直径は３０インチである。他の実施例では、研磨パッド１８は半径１５．２５インチ（３８７．３５ｍｍ）または１５．５インチ（３９３．７０ｍｍ）で、対応する直径は３０．５インチまたは３１インチとすることができる。光学監視システムは、研磨パッド１８の中心から７．５インチ（１９０．５ｍｍ）の距離Ｄを中心として、幅約０．５インチ（１２．７０ｍｍ）および長さ約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）の面積を使用することができる。したがって、窓は少なくともこの面積をカバーしなければならない。たとえば、窓は長さ約２．２５インチ（５７．１５ｍｍ）および幅約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）とすることができる。研磨パッドと窓はどちらも厚さ約０．０２インチから約０．２０インチとすることができ、例えば０．０５インチから０．０８インチ（１．２７ｍｍから２．０３ｍｍ）とすることができる。この窓４０の形状は長方形であり、その長手寸法は、窓の中心を通過する研磨パッドの半径に実質的に平行である。しかし、窓４０を円形または楕円形などの他の形状とすることもでき、窓の中心が光学監視システムで使用される面積の中心に配置される必要はない。

図４を参照すると、プラテンを取り付ける前に、研磨パッド１８は感圧接着剤７０および研磨パッドの底面２３を覆うライナー７２を備えることもできる。使用の際は、研磨層２０からこのライナー７２が剥がされ、研磨パッド１８は感圧接着剤７０によってプラテンに接着される。感圧接着剤７０およびライナー７２は窓４０を覆うことができ、または窓４０の範囲内およびそのすぐ周辺でどちらか一方または両方を除去することができる。

次に、図５〜図９では、研磨パッドの製出方法が説明される。まず初めに、固体の光透過性高分子材料のブロック１００が形成される。例えば、透過の妨げとなる充填剤を含まない固体のポリウレタンのブロックを注型成形し、所望の寸法に切断することができる。このブロックのＸＹ平面における断面は、研磨パッドに形成される窓と同じ寸法であるが、Ｚ平面における厚さは窓よりもはるかに大きく、例えば少なくとも１０倍の厚さであり、例えば約２０倍から約５０倍の厚さである。窓のブロックは、例えば、長さＬ、２．２５インチ（５７．１５ｍｍ）の厚さＴ、及び約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）の幅Ｗを有することができる。側面１０２、１０４を粗くして、例えば成形中に研磨層材料への接着性が高まるようにすることができる。

図６を参照すると、ブロック１００が型１４０内に置かれ、次にこの型１４０は研磨層の液状の前駆体１５０で満たされる。この型１４０をブロック１００とほぼ同じ高さまで満たすことができ、例えばブロック１００を液１５０に浸漬させるようにすることも、またはブロック１００が液１５０よりもわずかに上に突出するようにすることもできる。

図７を参照すると、液状の前駆体は焼き固めなどによって硬化され、型１５０から取り外される。例えば液状のポリウレタンを硬化させて、ブロック１００に密着した固体の塑性体１６０を形成することができる。この塑性体１６０は、ＸＹ平面においては、例えば半径が１０インチ（２５４ｍｍ）、１５．０インチ（３８１．００ｍｍ）、１５．２５インチ（３８７．３５ｍｍ）、１５．５インチ（３９３．７０ｍｍ）、２１インチ（５３３．４０ｍｍ）、または２１．２５インチ（５３９．７５ｍｍ）の円形のディスクである最終的な研磨パッドと実質的に同じか、それよりも大きな横寸法を有することができる。しかし、Ｚ軸に沿っては、最終的な研磨パッドよりもはるかに厚く、例えば少なくとも１０倍の厚さである。

図８を参照すると、次に、ＸＹ平面においてブレード１７０を用いてスカイビングすることにより、塑性体１６０から薄い研磨層２０が切り取られる。スカイビングによってブロック１００が切断されるので、ブロック１００のスカイビングされた部分が、研磨層２０に密着した窓４０を形成する。

スカイビングプロセスによって、微少寸法の（例えば５ミクロンから２００ミクロンの深さの）スクラッチ、セレーション、または他のラフネスなどの表面のむらが、窓４０の上面４２および底面４４の両面に残り得る。上面に関しては、研磨中に用いられる水またはスラリーによって、パッド材料に部分的な屈折率整合を与えることができるため、これにより表面のむらが窓の上面を通過する光ビームの散乱を引き起こす傾向を減少させることができる。しかし、窓の底面が空気に触れると、光ビームが窓の底面を通過するときに、表面のむらによって散乱が引き起こされ得るため、前述したように窓の透過度が低下し、光学監視システムにおけるノイズが増加してしまう。

窓がスカイビングされた後は、窓の４０の上面および／または底面を処理して表面のむらを低減し、表面の平滑度を高めることができるため、これにより窓の表面によって光が散乱される傾向が減少する。

一例としては、窓の表面を加熱して窓を僅かに軟化させ、表面をフローさせるか押圧してフラットにすることができる。例えば、窓の材料を、窓は固体のままであるが、より変形しやすくなり、表面が平滑な状態に達するような温度まで上昇させることにより、例えば窓の材料が亀裂なしに塑性変形できるようになる。例えば、窓の材料をそのガラス転移温度以上の温度まで上昇させることができる。また、窓の材料が室温で既にガラス相にある場合は、熱を加えることによって窓の材料をさらに軟化させることができる。しかし、温度を窓の材料が融解する温度より高く上昇させる必要はない。パッド材料がフローしてセルフレベリングする際の重力に応じて、または固体の剛性部品からの圧力に応じて、変形し得る。例えば、製造者は加熱した剛性部品を既に固体化された窓の材料に押し付けて（しかし、任意で研磨層２０の他の部分には押し付けずに)表面のむらを均すことで、窓の表面をスカイビングプロセス後よりも著しく平滑化することができる。加熱された部品は、窓を横方向にわたって移動して、表面のむらを平滑化することができる。例えば、実際には、窓をアイロン加工することでフラットにすることができる。

一般的には、より低温度で表面のむらを均すには、より大きな圧力を剛性部品にかけなければならない。一方、温度は、窓の材料が溶解して燃焼してしまう程に上げてはならない。

ある実施例では、例えばウレタンベースの窓に関しては、窓に接触する加熱された部品の表面を１５０℃より高い温度にまで上昇させることができ、例えば１５０℃から２５０℃の間の温度、例えば約２００℃の温度にまで上昇させることができる。

ある実施例においては、熱処理を併用して窓の材料を研磨にかけることができる。

図９を参照すると、加熱システム１８０は、窓４０の底面４４などの表面に当てられる、例えば金属プレートなどの平滑な表面１８４を有する剛性の熱伝導性体１８２を備えることができる。この熱伝導性体１８２は、例えば電源１８８に接続された抵抗加熱部材１８６によって加熱され得る。この抵抗加熱部材１８６を、図示したように、熱伝導性体１８２に組み込むことができ、または熱伝導性体１８０に付属する別の部品とすることもできる。例えばこの加熱システムを、一般消費者向けアイロン器具、または先端に熱伝導性プレートが装着されたはんだごてとすることができる。

研磨パッド１８がバッキング層２２を含む場合は、窓４０の処理前または処理後に、窓４０が密着した研磨層２０をこのバッキング層２２に感圧接着剤などによって固定することができる。

表面処理の別の例としては、窓の上面および／または底面に化学溶液を塗布して、スクラッチまたは表面のむらを溶解させて取り除くことができる。ウレタン溶液は市販されている。

いくつかの実施形態が述べられてきたが、本開示の精神と範囲から逸脱することなく、さまざまな変更がなされ得ることが理解されるであろう。例えば、研磨層に密着した窓に関して前述したが、この窓はブロックからスカイビングされた後、接着剤などにより研磨層の穴に固定されてもよい。この場合は、窓は研磨パッドに取り付けられる前または後に処理され得る。また、型成形などのスカイビング以外のプロセスによっても、窓の表面に表面のむらが生じ得る。したがって、他の実施形態は以下の請求項の範囲内にある。

Claims (13)

1. 研磨パッドに窓を形成する方法であって、
   固体の光透過性高分子で窓を形成するステップと、
   前記窓を研磨パッドに取り付けるステップと、
   前記窓を研磨パッドに取り付けるステップの前に、前記窓の表面の少なくとも一方を処理して、前記少なくとも一方の表面の平滑度を高めるステップとを含み、前記処理は、加熱された固体の剛性部品で前記少なくとも一方の表面を加熱すること、および前記加熱された固体の剛性部品で前記窓をアイロン加工することにより前記加熱された固体の剛性部品で押圧することを含む方法。
2. 前記固体の剛性部品は１５０℃以上の温度に加熱される請求項１に記載の方法。
3. 前記温度は１５０℃から２５０℃の間である請求項２に記載の方法。
4. 前記固体の光透過性高分子はポリウレタンを含む請求項２に記載の方法。
5. 前記少なくとも一方の表面の加熱は、前記少なくとも一方の表面の温度を前記固体の光透過性高分子のガラス転移温度よりも高い温度に上昇させる請求項１に記載の方法。
6. 前記研磨パッドは、微小球充填剤を有するポリウレタンで形成された研磨層を備える請求項１に記載の方法。
7. 研磨パッドに窓を形成する方法であって、
   研磨パッドに固体の光透過性高分子で窓を形成するステップであって、前記窓の形成は、型に固体の光透過性高分子体を配置するステップと、前記型内に液状の研磨パッド前駆体を注入するステップと、前記液状の前駆体を硬化させて、前記固体の光透過性高分子体に密着した固体の研磨材料を含む本体を形成するステップと、前記固体の研磨材料の部分と前記固体の光透過性高分子体の部分とを有する研磨パッドを切断するステップとを含む、ステップと、
   前記窓の表面の少なくとも一方を処理して、前記少なくとも一方の表面の平滑度を高めるステップであって、前記処理は、加熱された固体の剛性部品で前記少なくとも一方の表面を加熱すること、および前記加熱された固体の剛性部品で前記窓をアイロン加工することにより前記加熱された固体の剛性部品で押圧する、ステップと、を含む、方法。
8. 前記窓の少なくとも一方の表面の処理は、前記研磨パッドに前記窓が形成された後に行われる請求項７に記載の方法。
9. 前記窓の形成は、前記窓の上面を前記研磨層の研磨面に接近させて形成するステップと、底面を前記研磨層の下面に接近させて形成するステップとを含む請求項７に記載の方法。
10. 前記上面は前記研磨面と実質的に同一平面上にあり、前記底面は前記下面と実質的に同一平面上にある請求項９に記載の方法。
11. 前記処理は、前記窓の前記上面を処理することを含む請求項９に記載の方法。
12. 前記処理は、前記窓の前記底面を処理することを含む請求項９に記載の方法。
13. 前記研磨パッドの研磨層を押圧することなく、前記窓は、処理される請求項７に記載の方法。

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