JP7770849B2 - 研磨パッド、研磨装置、および研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨パッド、研磨装置、および研磨方法に関するものである。

光学材料、半導体デバイス、ハードディスク、ガラス基板などの材料の表面には平坦性が求められるため、研磨パッドを用いた遊離砥粒方式の研磨が行われている。遊離砥粒方式とは、研磨パッドとワークの間に砥粒を含むスラリー（研磨液）を供給しながらワークの加工面を研磨加工する方法である。中でも半導体ウェーハ等の研磨では、ワークの無欠陥化、平坦化特性が高度に要求されるようになり、平坦性を確保するために研磨パッドを使用した遊離砥粒方式の研磨加工が行われ、その用いられる研磨パッドには、仕上げ研磨工程を中心に軟質研磨パッドを利用するケースが増えている。

研磨パッドを用いた半導体ウェーハ等の研磨では、使用される研磨ヘッド構造によって、研磨パッドの研磨面に適宜加工が行われることがある。例えば、水張り式の研磨ヘッドの場合、研磨面に溝がない研磨パッドを用いることが好ましいが、メンブレン方式の研磨ヘッドの場合、研磨面に溝を形成した研磨パッドを用いることが好ましい。水張り式の研磨ヘッドの場合、ワークの回収が困難であるものの、研磨面に溝がない研磨パッドの方が平坦化特性には優位に働く。一方、メンブレン方式の研磨ヘッドの場合、研磨パッドの溝模様に由来する表面平坦度の指標であるナノトポグラフィが悪化するものの、研磨面に溝を形成しなければワークの回収が困難である。

研磨パッドの研磨面における加工には、溝加工、エンボス加工及び穴加工（パンチング加工）等がある。ＣＭＰ技術では、生産性の効率化や歩留まり向上の観点から研磨レートを安定化させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。さらに、ＣＭＰで用いられる研磨パッドには、生産性、及びコスト面から、１枚当たりのワーク処理枚数を増加させることが望まれている。１枚当たりのワーク処理枚数を増加させるためには、研磨パッドの摩耗を抑制したり、研磨パッドの目詰まりによる研磨レートの低下を抑制したりする必要がある。そして研磨パッドの摩耗及び研磨レートを向上させるために、研磨パッドの研磨面に研磨スラリーを流すための溝を形成することが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１８－５１７２６号公報 特開２０１５－１８８９８７号公報

上記のように、研磨面に溝を形成した研磨パッドでは、研磨時に供給スラリーが効果的に研磨面に寄与され難く、ワークとの間で接触と非接触の不均等が生じ、ワークの表面平坦度の指標であるナノトポグラフィが悪化してしまう。一方、研磨面に溝を形成しない研磨パッドでは、研磨パッドがワークに吸着し、メンブレン方式の研磨ヘッドの場合にはワークを回収することができなくなるという問題点がある。

すなわち、研磨パッドの研磨面に溝を形成するか否かの選択は、どちらの選択肢においてもメリットとデメリットがあり、両方のメリットを享受することが難しいという課題があった。

本発明の目的は、上述した課題を鑑み、研磨面に溝を形成することと形成しないことの両方のメリットを享受できる研磨パッド、研磨装置、および研磨方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様の研磨パッドは、メンブレン式の研磨ヘッドを用いてワークを定盤に押圧して研磨するために前記定盤に貼付する研磨パッドであって、下地ナップ層と前記下地ナップ層よりも厚い突起ナップ層とを有し、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であることを特徴とする。

上記のように下地ナップ層と前突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲である研磨パッドは、研磨時には研磨面に溝を形成していないかのように機能し、ワークを回収する際には研磨面に溝を形成しているように機能する。

具体的には、研磨ヘッドが前記ワークを押圧する圧力が１０ＭＰａ以上である場合、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２０μｍから４０μｍの範囲になり、言い換えれば、研磨ヘッドが前記ワークを押圧する圧力が１０ＭＰａ以上である場合、前記下地ナップ層および前記突起ナップ層が前記ワークに接触する。

なお、前記下地ナップ層および前記突起ナップ層は、ポリウレタン樹脂で形成されていることが好ましい。また、前記突起ナップ層の厚さは３５０μｍ以上であることが好ましい。

また、本発明の一態様の研磨装置は、ワークを定盤に押圧して研磨するためのメンブレン式の研磨ヘッドと、前記定盤に貼付する研磨パッドとを備え、前記研磨パッドは、下地ナップ層と前記下地ナップ層よりも厚い突起ナップ層とを有し、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であることを特徴とする。

同様に、本発明の一態様の研磨装置においても、研磨パッドが下地ナップ層と前突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であるので、研磨時には研磨面に溝を形成していないかのように機能し、ワークを回収する際には研磨面に溝を形成しているように機能する。

前記研磨ヘッドは、中心部を押圧する中心部制御圧力と外周部を押圧する外周部制御圧力とを独立に制御可能であることが好ましい。研磨量を調整し、平坦度を高めるためである。

また、前記研磨ヘッドは、前記ワークの外周を保持するためのリテーナリングを前記研磨ヘッドの外周に備えていることが好ましい。ワークを摺動させる際にワークが研磨ヘッドから外れないようにするためである。

また、本発明の一態様の研磨方法は、下地ナップ層と前記下地ナップ層よりも厚い突起ナップ層とを有し、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲である研磨パッドを定盤に貼付し、メンブレン式の研磨ヘッドを用いてワークを前記研磨パッドに押圧して研磨することを特徴とする。

同様に、本発明の一態様の研磨方法においても、研磨パッドが下地ナップ層と前突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であるので、研磨時には研磨面に溝を形成していないかのように機能し、ワークを回収する際には研磨面に溝を形成しているように機能する。

具体的には、研磨時に前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２０μｍから４０μｍの範囲になるように、前記ワークを前記研磨パッドに押圧することを特徴とすることが好ましい。言い換えれば、研磨時に前記下地ナップ層および前記突起ナップ層が前記ワークに接触するように、前記ワークを前記研磨パッドに押圧することが好ましい。例えば、研磨時に前記研磨ヘッドが１０ＭＰａ以上の圧力で前記ワークを前記研磨パッドに押圧することでこの状態を実現することができる。

本発明の各視点によれば、研磨面に溝を形成することと形成しないことの両方のメリットを享受できる研磨パッド、研磨装置、および研磨方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る研磨装置の概略図である。 図２は、研磨ヘッドの構成を示す概略断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る研磨パッドの概略断面図である。 図４は、研磨時における研磨パッドにおける状態を示す概略断面図である。 図５は、ワークの回収時における研磨パッドにおける状態を示す概略断面図である。 図６は、研磨後の平坦性を示すグラフである。 図７は、片面研磨後のＬＰＤ数の比較を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る研磨装置の概略図である。図１に示すように、研磨装置１００は、研磨パッド１０を貼付した定盤１１と、ワークを定盤１１に押圧して研磨するためのメンブレン式の研磨ヘッド２０とを備えている。ワークは、例えば、半導体ウェーハであり、後に図２を参照しながら説明するように、研磨ヘッド２０に保持された状態で、研磨パッド１０の上を摺動される。研磨パッド１０を貼付した定盤１１と研磨ヘッド２０との間の摺動は、例えば、研磨パッド１０を貼付した定盤１１を回転させながら、研磨ヘッド２０を定盤１１の回転軸と平行にずらした回転軸で回転させることで実施することができる。さらに、研磨ヘッド２０の回転軸を水平方向に移動させながら研磨を行ってもよい。

図２は、研磨ヘッドの構成を示す概略断面図である。図２に示すように、研磨ヘッド２０は、研磨パッド１０を貼付した定盤１１にメンブレン２１を用いてワークＷを押圧するメンブレン式の研磨ヘッドである。メンブレン２１は、外リング２２を介してメンブレン２１の外周部を研磨ヘッド２０の支持体２３に固定され、研磨ヘッド２０の内部に空気室２４を形成している。そして、メンブレン２１は、空気室２４の気圧を調整することで研磨パッド１０を貼付した定盤１１にワークＷを押圧する圧力を調整する。なお、研磨ヘッド２０の空気室２４を分割し、中心部を押圧する中心部制御圧力と外周部を押圧する外周部制御圧力とを独立に制御可能とすることが好ましい。

また、研磨ヘッド２０は、ワークＷの外周を保持するためのリテーナリング２５を研磨ヘッド２０の外周に備えている。前述したように、研磨ヘッド２０は、例えば、研磨パッド１０を貼付した定盤１１を回転させながら、研磨ヘッド２０を定盤１１の回転軸と平行にずらした回転軸で回転させることで、定盤１１に貼付した研磨パッド１０上でワークＷを摺動させる。このとき、ワークＷが研磨パッド１０から外れないように、研磨ヘッド２０の外周に取り付けられたリテーナリング２５はワークＷの外周を保持する。

図３は、本発明の実施形態に係る研磨パッドの概略断面図である。図３に示すように、研磨パッド１０は、基材１２の上にナップ層１３を形成して構成されている。基材１２は、例えば、不織布であり、ナップ層１３は、例えば、ポリウレタン樹脂で形成されている。また、ナップ層１３は、図３に示すように、下地ナップ層１４とそれよりも厚い突起ナップ層１５とに分かれている。下地ナップ層１４は、ポリウレタン樹脂のナップ層１３に溝を彫ることで形成することができる。つまり、突起ナップ層１５は、ナップ層１３において溝を彫らなかった領域である。

基材１２の上に形成するナップ層１３の厚さ、すなわち突起ナップ層１５の厚さＷは、例えば、３５０μｍ以上である。また、下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差Ｄは、２５０μｍから２８０μｍの範囲である。下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差Ｄが２８０μｍより大きい場合、研磨時に下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差Ｄが十分に小さくならず、研磨むらが生じてしまう。一方、下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差Ｄが２８０μｍより小さい場合、研磨終了後の回収時にワークが研磨パッド１０に張り付き、ワークの回収が困難になる。

図４は、研磨時における研磨パッドにおける状態を示す概略断面図であり、図５は、ワークの回収時における研磨パッドにおける状態を示す概略断面図である。

図４に示すように、研磨パッド１０のナップ層１３は、研磨時にワークＷを研磨パッド１０に押圧することによって、突起ナップ層１５が圧縮される。結果、研磨時には研磨パッド１０では、下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差が２０μｍから４０μｍの範囲になる。これにより、下地ナップ層１４および突起ナップ層１５がワークＷに接触するようになり、研磨面に溝を形成していない研磨パッドと同等に平坦な研磨を行うことができる。具体的には、研磨時に研磨ヘッド２０が１０ＭＰａ以上の圧力でワークＷを研磨パッド１０に押圧することで、下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差が２０μｍから４０μｍの範囲になる。

一方、図５に示すように、研磨パッド１０のナップ層１３は、ワークＷの回収時にワークＷに負荷する圧力を開放することことによって、突起ナップ層１５の圧縮も開放される。これにより、下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差が少なくとも４０μｍよりも大きくなる。すると、研磨面に溝を形成してある研磨パッドと同様にワークＷの回収が容易になる。なお、回収時には研磨ヘッド２０がワークＷを研磨パッド１０に押圧する圧力を１０ＭＰａよりも低い圧力にすることで、下地ナップ層１４と突起ナップ層１５との高低差が４０μｍよりも大きくなる。

図６は、研磨後の平坦性を示すグラフである。図６に示すグラフには、本発明の実施による研磨を施したウェーハの平坦度と、比較例として通常の溝を形成してある研磨パッドを用いて研磨を施したウェーハの平坦度とが示されている。図６に示されたグラフから分かるように、本発明の実施による研磨では、研磨パッドに溝が形成されているにも拘らず、研磨時には下地ナップ層および突起ナップ層がウェーハに接触するようになり、研磨面に溝を形成していない研磨パッドと同等に平坦な研磨を行うことができる。一方、図６に示されたグラフから分かるように、溝を形成してある研磨パッドを用いて研磨を施した場合、溝に起因する平坦度の不均一性が発生している。

図７は、片面研磨後のＬＰＤ数の比較を示すグラフである。図７に示すグラフには、本発明の実施による片面研磨を施したウェーハにおけるＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ）数と、比較例として通常の溝を形成してある研磨パッドを用いて研磨を施したウェーハにおけるＬＰＤ数とが示されている。図７に示されたグラフから分かるように、発明の実施による研磨では、比較例と比べてＬＰＤ数が２７％に減少した。

以上示したように、本発明の実施形態に係る研磨パッド、研磨装置、および研磨方法では、研磨時には、研磨時には研磨面に溝を形成していないかのように機能し、ワークを回収する際には研磨面に溝を形成しているように機能するので、研磨面に溝を形成することと形成しないことの両方のメリットを享受できる。

１００ 研磨装置
１０ 研磨パッド
１１ 定盤
１２ 基材
１３ ナップ層
１４ 下地ナップ層
１５ 突起ナップ層
２０ 研磨ヘッド
２１ メンブレン
２２ 外リング
２３ 支持体
２４ 空気室
２５ リテーナリング
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. メンブレン式の研磨ヘッドを用いてワークを定盤に押圧して研磨するために前記定盤に貼付する研磨パッドであって、
   複数の下地ナップ層と前記複数の下地ナップ層よりも厚く、前記定盤に貼付け時に表面に突起する複数の突起ナップ層とから構成されるナップ層を有し、
   前記複数の下地ナップ層は前記複数の突起ナップ層と交互に隣り合いながら前記複数の突起ナップ層と共に前記ナップ層の表面を形成し、
   前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であり、かつ、前記研磨ヘッドが前記ワークを前記研磨パッドに押圧する圧力が１０ＭＰａ以上である場合、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２０μｍから４０μｍの範囲になることを特徴とする研磨パッド。
2. メンブレン式の研磨ヘッドを用いてワークを定盤に押圧して研磨するために前記定盤に貼付する研磨パッドであって、
   複数の下地ナップ層と前記複数の下地ナップ層よりも厚く、前記定盤に貼付け時に表面に突起する複数の突起ナップ層とから構成されるナップ層を有し、
   前記複数の下地ナップ層は前記複数の突起ナップ層と交互に隣り合いながら前記複数の突起ナップ層と共に前記ナップ層の表面を形成し、
   前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であり、かつ、前記研磨ヘッドが前記ワークを押圧する圧力が１０ＭＰａ以上である場合、前記下地ナップ層および前記突起ナップ層が前記ワークに接触することを特徴とする研磨パッド。
3. 前記下地ナップ層および前記突起ナップ層は、ポリウレタン樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の研磨パッド。
4. 前記突起ナップ層の厚さは３５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の研磨パッド。
5. ワークを定盤に押圧して研磨するためのメンブレン式の研磨ヘッドと、
   前記定盤に貼付する研磨パッドと、を備え、
   前記研磨パッドは、複数の下地ナップ層と前記複数の下地ナップ層よりも厚く、前記定盤に貼付け時に表面に突起する複数の突起ナップ層とから構成されるナップ層を有し、
   前記複数の下地ナップ層は前記複数の突起ナップ層と交互に隣り合いながら前記複数の突起ナップ層と共に前記ナップ層の表面を形成し、
   前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であり、かつ、前記研磨ヘッドが前記ワークを前記研磨パッドに押圧する圧力が１０ＭＰａ以上である場合、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２０μｍから４０μｍの範囲になることを特徴とする研磨装置。
6. ワークを定盤に押圧して研磨するためのメンブレン式の研磨ヘッドと、
   前記定盤に貼付する研磨パッドと、を備え、
   前記研磨パッドは、複数の下地ナップ層と前記複数の下地ナップ層よりも厚く、前記定盤に貼付け時に表面に突起する複数の突起ナップ層とから構成されるナップ層を有し、
   前記複数の下地ナップ層は前記複数の突起ナップ層と交互に隣り合いながら前記複数の突起ナップ層と共に前記ナップ層の表面を形成し、
   前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲であり、かつ、前記研磨ヘッドが前記ワークを前記研磨パッドに押圧する圧力が１０ＭＰａ以上である場合、前記下地ナップ層および前記突起ナップ層が前記ワークに接触することを特徴とする研磨装置。
7. 前記研磨ヘッドは、中心部を押圧する中心部制御圧力と外周部を押圧する外周部制御圧力とを独立に制御可能であることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
8. 複数の下地ナップ層と前記複数の下地ナップ層よりも厚く、定盤貼付け時に表面に突起する複数の突起ナップ層とから構成されるナップ層を有し、前記複数の下地ナップ層は前記複数の突起ナップ層と交互に隣り合いながら前記複数の突起ナップ層と共に前記ナップ層の表面を形成し、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲である研磨パッドを定盤に貼付し、
   研磨時に前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２０μｍから４０μｍの範囲になるように、メンブレン式の研磨ヘッドを用いてワークを前記研磨パッドに押圧して研磨することを特徴とする研磨方法。
9. 複数の下地ナップ層と前記複数の下地ナップ層よりも厚く、定盤貼付け時に表面に突起する複数の突起ナップ層とから構成されるナップ層を有し、前記複数の下地ナップ層は前記複数の突起ナップ層と交互に隣り合いながら前記複数の突起ナップ層と共に前記ナップ層の表面を形成し、前記下地ナップ層と前記突起ナップ層との高低差が２５０μｍから２８０μｍの範囲である研磨パッドを定盤に貼付し、
   研磨時に前記下地ナップ層および前記突起ナップ層がワークに接触するように、メンブレン式の研磨ヘッドを用いて前記ワークを前記研磨パッドに押圧することを特徴とする研磨方法。
10. 研磨時に前記研磨ヘッドが１０ＭＰａ以上の圧力で前記ワークを前記研磨パッドに押圧することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の研磨方法。