(57)【要約】      （修正有）【課題】磁性、光学および半導体基材のメミカルメカニカルポリッシングに有用な研磨構造を有するパッドを導出する。【解決手段】研磨パッドは相互結合した単位格子２２５の三次元ネットワークを含む。相互結合した単位格子２２５は、流体の移動および研磨くずの除去を可能とするために網目状になっている。複数の研磨要素２０８が、相互結合した単位格子２２５の三次元ネットワークを形成する。研磨要素２０８は、第一結合部２０９で第一の隣接する研磨要素に結合する第一端および第二結合部２０９で第二の隣接する研磨要素に結合する第二端を有するとともに、断面積２２２が第一結合部と第二結合部２０９との間において３０%以内に維持される。複数の研磨要素２０８から形成される研磨面２００は、複数回の研磨運転にわたって一貫した状態を維持する。【選択図】図２Ａ
2007260893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨媒体の存在下で磁性、光学および半導体基材の少なくとも一つを研磨するのに有用な研磨パッドであって、：
ａ）相互結合した単位格子が流体流動および研磨くずの除去を可能にするために網目状である、相互結合した単位格子の三次元ネットワークと；
ｂ）相互結合した単位格子が少なくとも三個の単位格子の高さを有し、研磨要素が第一結合部で第一の隣接する研磨要素と結合する第一端および第二結合部で第二の隣接する研磨要素と結合する第二端を有し、ならびに第一結合部と第二結合部との間において断面積が３０%以内に維持される、相互結合した単位格子の三次元ネットワークを形成する複数の研磨要素と；
ｃ）研磨面と平行な平面上で測定した表面積が、複数回の研磨運転にわたって一貫している、複数の研磨要素から形成される研磨面と
を含む研磨パッド。
【請求項２】
複数の研磨要素が、研磨パッド容積の５〜７５パーセントを構成する、請求項１記載の研磨パッド。
【請求項３】
研磨面の総断面積が、相互結合した単位格子の、初期の総断面積と中間高さとの間において２５パーセント未満変化する、請求項１記載の研磨パッド。
【請求項４】
研磨面の総断面積が、相互結合した単位格子の、初期の総断面積と中間高さとの間において１０パーセント未満変化する、請求項１記載の研磨パッド。
【請求項５】
複数の研磨要素の断面が、矩形である、請求項１記載の研磨パッド。
【請求項６】
複数の研磨要素の断面が、複数の研磨要素の断面の平面における流体流動に関して流線化された、請求項１記載の研磨パッド。
【請求項７】
研磨媒体の存在下で磁性、光学および半導体基材の少なくとも一つを研磨するのに有用な研磨パッドであって、：
ａ）相互結合した単位格子が少なくとも十個の単位格子の高さを有し、相互結合した単位格子が直線的な研磨要素で形成され、ならびに相互結合した単位格子が流体流動および研磨くずの除去を可能にするために網目状である、相互結合した単位格子の三次元ネットワークと；
ｂ）複数の直線的な研磨要素が、第一結合部で第一の隣接する研磨要素と結合する第一端および第二結合部で第二の隣接する研磨要素と結合する第二端を有し、ならびに第一結合部と第二結合部との間において断面積が３０%以内に維持される、相互結合した単位格子の三次元ネットワークを形成する複数の直線的な研磨要素と；
ｃ）研磨面と平行な平面上で測定した表面積が、複数回の研磨運転にわたって一貫している、複数の研磨要素から形成される研磨面と
を含む研磨パッド。
【請求項８】
三次元ネットワークの直線的な要素が、研磨中、三次元ネットワークの研磨層において湾曲する、請求項７記載の研磨パッド。
【請求項９】
研磨媒体の存在下で、磁性、光学および半導体基材の少なくとも一つを研磨パッドで研磨する方法であって：
基材を研磨するために、研磨パッドと基材との間に動的接触を形成する工程であって、研磨パッドが、相互結合した単位格子が流体流動および研磨くずの除去を可能にするために網目状である、相互結合した単位格子の三次元ネットワークと；相互結合した単位格子が少なくとも十個の単位格子の高さを有し、研磨要素が第一結合部で第一の隣接する研磨要素と結合する第一端および第二結合部で第二の隣接する研磨要素と結合する第二端を有し、ならびに第一結合部と第二結合部との間において断面積が３０%以内に維持される、相互結合した単位格子の三次元ネットワークを形成する複数の研磨要素と；研磨面と平行な平面上で測定した表面積が、複数回の研磨運転にわたって一貫している、複数の研磨要素から形成される研磨面と；を含む工程；および
三次元ネットワークの研磨要素において研磨くずを捕捉する工程；
を含む方法。
【請求項１０】
動的接触が、パターン形成済みの一連の半導体ウェーハを研磨する、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にケミカルメカニカルポリッシングの研磨パッドの分野に関する。特に、本発明は、磁性、光学および半導体基材のケミカルメカニカルポリッシングに有用な研磨構造を有するケミカルメカニカルポリッシングパッドを導出することに関する。
【０００２】
集積回路および他の電子機器の製造においては、導体、半導体および絶縁体材料の複数の層を半導体ウェーハの表面上に蒸着し、除去する。導体、半導体および絶縁体材料の薄い層は、多数の堆積技術を使用して堆積させることができる。最新のウェーハ加工で一般的な堆積技術としては、とりわけ、スパッタリングとしても知られる物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、および電気化学的めっき法がある。一般的な除去技術としては、とりわけ、湿式および乾式の等方性および異方性エッチングがある。
【０００３】
材料層が逐次堆積され、除去されるにつれ、ウェーハの一番上の表面が非平坦になる。後続の半導体加工（たとえばメタライゼーション）は、ウェーハが平坦面を有することを要するため、ウェーハを平坦化する必要がある。望ましくない表面トポグラフィーならびに表面欠陥、たとえば粗面、凝集した材料、結晶格子の損傷、スクラッチおよび汚染された層または材料を除去するためには平坦化が有用である。
【０００４】
ケミカルメカニカルプラナリゼーションまたはケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）は、半導体ウェーハのような加工物を平坦化または研磨するために使用される一般的な技術である。従来のＣＭＰでは、ウェーハキャリヤまたは研磨ヘッドがキャリヤアセンブリに取り付けられる。研磨ヘッドがウェーハを保持し、ＣＭＰ装置内でテーブルまたはプラテンに取り付けられた研磨パッドの研磨層と接する状態に配置する。キャリヤアセンブリがウェーハと研磨パッドとの間に制御可能な圧力を供給する。それと同時に、スラリーまたは他の研磨媒体が研磨パッド上に流され、ウェーハと研磨層との間の隙間に流し込まれる。研磨を起こさせるためには、通常、研磨パッドおよびウェーハを互いに対して相対的に回転させる。研磨パッドがウェーハの下で回転すると、ウェーハは、ウェーハ面が研磨層と直接対面し、通常は環状の研磨トラックまたは研磨領域を描き出す。ウェーハ面は、研磨層および表面上の研磨媒体の化学的かつ機械的作用によって研磨され、平坦化される。
【０００５】
ＣＭＰの際の研磨層、研磨媒体、およびウェーハ面の相互作用は、研磨パッド設計の最適化に向けた取り組みのなか、過去１０年間で一層の研究、分析、および高度な数値モデリングの対象とされてきた。半導体製造工程の一つとしてＣＭＰの開始以来、研磨パッド開発の大部分は実証的に行われてきており、多くのさまざまな多孔性および非多孔性の高分子材料が試験されてきた。研磨面または層の設計の多くにおいては、研磨速度の向上、研磨の均一性の改善、または研磨欠陥（スクラッチ、ピット、剥離した領域、および他の表面または表面下損傷）の低減を実現するうえで要求されるミクロ構造、または中空部および中実部のパターン、ならびにマクロ構造、または表面孔もしくは溝の配置を研磨層に与えることに焦点が当てられてきた。長年にわたり、ＣＭＰ性能の強化に向けて相当種類のミクロ構造およびマクロ構造が提唱されてきた。
【０００６】
従来の研磨パッドの場合、安定した研磨性能のために一貫した研磨面を維持するうえで、パッド表面の「コンディショニング」または「ドレッシング」が重要である。時間の経過に伴い、研磨パッドの研磨面は摩耗し、研磨面のマイクロテクスチャーが平滑化される。いわゆる、「グレージング」と呼ばれる現象である。グレージングの原因は、研磨パッドと加工物の接触点における摩擦熱およびせん断による高分子材料の塑性流動である。また、ＣＭＰ工程から発生する研磨くずにより、表面孔のみならず、スラリーが研磨面を流れるためのマイクロ流路が目詰まりを起こすことがある。このような場合、ＣＭＰ工程の研磨速度が低下し、結果的にウェーハ間またはウェーハ内で研磨が不均一になることがある。コンディショニングにより、ＣＭＰ工程で所望の研磨速度および均一性を維持するうえで有用なテクスチャーを新たに研磨面上に生成する。
【０００７】
従来の研磨パッドのコンディショニングは、研磨面をコンディショニングディスクで機械的に研削することで行われる。コンディショニングディスクは、通常は埋め込みのダイヤモンドポイントを含む粗いコンディショニング面を有する。コンディショニングディスクは、研磨を停止する場合にはＣＭＰ工程の一時中断時に（「エクスシチュ」）、またはＣＭＰ工程の進行中に（「インサイチュ」）研磨面に接触させる。通常、コンディショニングディスクは研磨パッドの回転軸に対して固定された位置で回転させ、研磨パッドの回転に応じて環状のコンディショニング領域を描き出す。このようなコンディショニング工程ではパッド表面に微細な溝を刻み、パッド材料の研削およびプラウイングを行うとともに、研磨テクスチャーを再生させる。
【０００８】
パッド設計にあたっては、パッド材料の準備および表面コンディショニングの両方を通じて表面テクスチャーの多様なミクロ構造および構成が実現されてきたが、既存のＣＭＰパッドの研磨テクスチャーは二つの重要な局面で最適ではない。第一に、ＣＭＰで実践される印加圧力では、従来のＣＭＰパッドと典型的な加工物との実際の接触面積が小さく、通常は総対面面積の数パーセントに過ぎない。これは、従来の表面コンディショニングの不正確性によって構造中の中実領域が不規則に断裂し、各種の形状および高さの特長または凹凸の集団のうち、もっとも高いもののみが実際に加工物に接触することによる直接的な結果である。第二に、スラリー流動で研磨くずおよび熱を除去するための空間が薄い層としてパッド表面に存在するため、研磨廃棄物が加工物の下方から完全に排出されるまで加工物に接近した状態となる。研磨パッドと加工物との間のスラリー流動は、極めて不規則な表面上において、研磨パッドから加工物までの垂直距離全体にわたる凹凸の周囲を通過することになる。この結果、事前に除去された使用済みの化学物質および材料の両方に対して加工物が再び暴露される可能性が高い。このように、従来の研磨パッドのミクロ構造は、表面テクスチャー内の接触の力学および流体力学が連動するため、最適ではない。すなわち、凹凸の高さ分布にばらつきがあることは、良好な接触または効果的な流体流動および輸送のいずれにとっても有利に働かない。
【０００９】
ＣＭＰにおける欠陥生成は、従来の研磨パッドのミクロ構造に関する両欠点に起因する。たとえば、Reinhardtらは米国特許第５，５７８，３６２号で、ポリウレタン研磨パッドに導入するテクスチャーとして高分子球の使用を開示している。正確な欠陥生成機構は十分に解明されていないが、欠陥生成を低減することは、加工物に対する一番端の点応力を最小限にすることであることは一般的に明らかである。所定の荷重または研磨圧力を加えた状態では、実際の点接触圧力は実際の接触面積に反比例する。研磨圧力が３ｐｓｉ（２０．７ｋＰａ）であり、実際の接触面積が凹凸の先端部全体の２%であるＣＭＰ工程の場合、加工物が実際に受ける垂直の応力は平均で１５０ｐｓｉ（１ＭＰａ）である。この大きさの応力であれば、十分に表面および表面下損傷の原因となる。また、形状が鈍く、かつ不規則であるため、従来のＣＭＰパッド上の凹凸は好ましくない流動パターンも引き起こす。すなわち、凹凸に対する流体の局部圧力が著しくなり、流動が停滞または分離する領域では研磨くずおよび熱が蓄積したり、もしくは粒子が凝集する環境が形成されたりすることがある。
【００１０】
潜在的な欠陥生成の原因となるばかりでなく、通常、パッド表面のコンディショニングが正確に再現可能でないということからも、従来の研磨パッドのマイクロテクスチャーは最適ではない。コンディショニングディスクのダイヤモンドは使用に伴って鈍磨するため、ある期間をおいてコンディショナーを交換する必要が生じる。寿命期間中も、コンディショナーの有効性は連続的に変化する。また、コンディショニングはＣＭＰパッドの摩耗速度にも大きく寄与する。一般に、研磨パッドの摩耗のおよそ９５%はダイヤモンドコンディショナーによる研削に起因し、加工物との接触に起因する割合はおよそ５%に過ぎない。このため、欠陥の低減に加え、研磨パッドのミクロ構造を改善することでコンディショニングの必要性がなくなり、パッド寿命を延長することができるだろう。
【００１１】
パッドコンディショニングを排除するうえで重要な点は、自己再生する研磨面、すなわち摩耗時も同一の基本形状および構成を保持する研磨面を考案することである。自己再生を実現するには、摩耗によって中実領域の形状が大きく変化することのない研磨面が求められる。換言すれば、中実領域が実質的な程度の塑性流動を引き起こすほどの連続せん断および熱を受けない、または中実領域が他の中実領域にせん断および熱を分散することでせん断または熱に対応するような構成とすることが必要である。
【００１２】
低欠陥に加え、ＣＭＰパッドの研磨構造では良好な平坦化効率を実現しなければならない。従来のパッド材料では、材料の柔軟性および弾性を向上させることで欠陥の低減が実現される一方、そのような特性変化によって平坦化効率が損なわれるため、この二つの性能測定基準はトレードオフの関係にある。最終的に、平坦化では硬くかつ平坦な材料が必要になるものの、低欠陥という面ではより柔軟で適合的な材料が必要になる。このように、単一の材料についてこれらの測定基準のトレードオフ関係を克服するのは困難である。従来のパッド構造では、硬い層と軟らかい層を相互に結合させた複合材料を使用するなど、さまざまな方法でこの問題に取り組んでいる。複合材料によって単層構造は改良されるが、理想的な平坦化効率および欠陥生成ゼロを同時に実現する材料はこれまで開発されていない。
【００１３】
結果的に、最新のＣＭＰアプリケーションに対しては研磨パッドのミクロ構造およびコンディショニング手段が存在するが、リテクスチャリングの必要性を低減または解消すると同時に、加工物との実際の接触面積の拡大および研磨くずを除去するためのスラリー流動パターンの効率向上を実現するＣＭＰパッド設計が求められる。さらに、良好な平坦化効率に必要な剛直な剛性構造と、低欠陥に必要なより低い剛性の適合的な構造を統合したＣＭＰパッド構造が必要である。
【００１４】
発明の記載
本発明の一つの態様は、研磨媒体の存在下で磁性、光学、および半導体基材の少なくとも一つの研磨を行うのに有用な研磨パッドであって、ａ）相互結合した単位格子が流体流動および研磨くずの除去を可能にするために網目状である、相互結合した単位格子の三次元ネットワークと、ｂ）相互結合した単位格子が少なくとも三個の単位格子の高さを有し、研磨要素が第一結合部で第一の隣接する研磨要素と結合する第一端および第二結合部で第二の隣接する研磨要素と結合する第二端を有し、ならびに第一結合部と第二結合部との間において断面積が３０%以内に維持される、相互結合した単位格子の三次元ネットワークを形成する複数の研磨要素と、ｃ）研磨面と平行な平面上で測定した表面積が、複数回の研磨運転にわたって一貫している、複数の研磨要素から形成される研磨面と、を含む研磨パッドを提供する。
【００１５】
本発明のもう一つの態様は、研磨媒体の存在下で磁性、光学および半導体基材の少なくとも一つを研磨するのに有用な研磨パッドであって、ａ）相互結合した単位格子が少なくとも十個の単位格子の高さを有し、相互結合した単位格子が直線的な研磨要素で形成され、ならびに相互結合した単位格子が流体流動および研磨くずの除去を可能にするために網目状である、相互結合した単位格子の三次元ネットワークと、ｂ）第一結合部で第一の隣接する研磨要素と結合する第一端および第二結合部で第二の隣接する研磨要素と結合する第二端を有し、ならびに第一結合部と第二結合部との間において断面積が３０%以内に維持される、相互結合した単位格子の三次元ネットワークを形成する複数の直線的な研磨要素と、ｃ）研磨面と平行な平面上で測定した表面積が、複数回の研磨運転にわたって一貫している、複数の研磨要素から形成される研磨面と、を含む研磨パッドを提供する。
【００１６】
本発明のさらにもう一つの態様は、研磨媒体の存在下で、磁性、光学および半導体基材の少なくとも一つを研磨パッドで研磨する方法であって、基材を研磨するために、研磨パッドと基材との間に動的接触を形成する工程であって、研磨パッドが、相互結合した単位格子が流体流動および研磨くずの除去を可能にするために網目状である、相互結合した単位格子の三次元ネットワークと；相互結合した単位格子が少なくとも十個の単位格子の高さを有し、研磨要素が第一結合部で第一の隣接する研磨要素と結合する第一端および第二結合部で第二の隣接する研磨要素と結合する第二端を有し、ならびに第一結合部と第二結合部との間において断面積が３０%以内に維持される、相互結合した単位格子の三次元ネットワークを形成する複数の研磨要素と；研磨面と平行な平面上で測定した表面積が、複数回の研磨運転にわたって一貫している、複数の研磨要素から形成される研磨面と、を含む工程、および三次元ネットワークの研磨要素において研磨くずを捕捉する工程、を含む方法を提供する。
【００１７】
発明の詳細な説明
図面を参照すると、図１は、本発明の研磨パッド１０４の使用に適した二軸ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）研磨装置１００の基本構成を概略的に示す。一般に、研磨パッド１０４は、研磨媒体１２０の存在下で加工物の被研磨面１１６の研磨を行うため、半導体ウェーハ１１２（加工済みまたは未加工）または他の加工物、たとえば、とりわけガラス、フラットパネルディスプレイ、もしくは磁気情報記憶ディスクなどの物品と対面する研磨面１１０を有する研磨層１０８を含む。研磨媒体１２０は、深さ１２８を有する任意のらせん溝１２４を移動する。便宜上、以後の記載では一般性を喪失することなく用語「ウェーハ」を用いる。さらに、特許請求の範囲を含めた本明細書で用いる用語「研磨媒体」は、粒子を含有する研磨溶液および粒子を含有しない研磨溶液、たとえば無砥粒かつ反応性液体の研磨溶液を含む。
【００１８】
本発明は一般に、それぞれが一つ以上の端部で固定されている一連の類似した、または同一の巨視的もしくは微視的な細長い要素で研磨層１０８を形成し、その要素が占める総空間を利用可能な総空間に対して小さなものとし、各要素の間隔をウェーハのサイズに対して小さなものとし、およびその要素を三次元的に相互結合させることでせん断および湾曲に対してそのネットワークを強化することにより、空隙率または実容積に対する空隙容積の割合が高い研磨テクスチャー２００（図２）を研磨層１０８に提供することを含む。好ましくは、その要素がマイクロテクスチャーを生成する微視的寸法を有する。これらの構成は、従来の研磨パッドを用いて実現するよりも研磨パッドとウェーハとの間の実際の接触面積が拡大するとともに、研磨パッドとウェーハとの間のスラリー流動パターンを一層好ましいものとし、さらにパッドコンディショニングの必要性をなくす自己再生構造を提供することが示される。また、これらの構成は、良好な平坦化効率に必要な長さスケールでパッドに剛性を与えるように機能し、同時に低欠陥に必要なより短い長さスケールで適合性を与えることが示されるであろう。
【００１９】
研磨装置１００は、プラテン１３０に取り付けられた研磨パッド１０４を含むことができる。プラテン１３０はプラテンドライバ（図示せず）により、回転軸１３４を中心に回転可能である。ウェーハ１１２は、プラテン１３０の回転軸１３４に対して平行かつ離間した回転軸１４２を中心に回転可能であるウェーハキャリヤ１３８によって支持することができる。ウェーハ１３８は、ウェーハ１１２を研磨層１０８に対してごくわずかに非平行な姿勢とすることができるジンバル機構（図示せず）を備えることができ、その場合には、回転軸１３４および１４２をごくわずかに傾けることができる。ウェーハ１１２は、研磨層１０８に面する被研磨面１１６を含み、研磨中に平坦化される。ウェーハキャリヤ１３８は、ウェーハ１１２を回転させ、研磨層１０８に被研磨面１１６を押し付けるための下向きの力Ｆを提供するように適合されたキャリヤ支持アセンブリ（図示せず）によって支持することができ、研磨中に被研磨面と研磨層との間に所望の圧力を存在させるようなる。研磨装置１００は、研磨層１０８に研磨媒体１２０を供給するための研磨媒体入口１４６を含むことができる。
【００２０】
当業者に理解されるように、研磨装置１００はシステム制御装置、研磨媒体貯蔵部および供給システム、加熱システム、リンスシステム、ならびに研磨工程の各局面を制御する各種制御機器、たとえば、とりわけ（１）ウェーハ１１２および研磨パッド１０４の一方または両方の回転速度の速度制御装置および切り替え装置；（２）研磨パッドに対して研磨媒体１２０を供給する速度および位置を変化させる制御装置および切り替え装置；（３）ウェーハと研磨パッドとの間に印加される力Ｆの大きさを制御する制御装置および切り替え装置；および（４）研磨パッドの回転軸１３４に対するウェーハの回転軸１４２の位置を制御する制御装置、作動装置、および切り替え装置など、他の構成要素（図示せず）を含むことができる。当業者は、これらの構成要素がどのように構成されるかおよび実装されるかを理解するため、当業者が本発明を理解し、実施するために、その詳細な説明は必要ない。
【００２１】
研磨時には、研磨パッド１０４およびウェーハ１１２をそれぞれの回転軸１３４および１４２を中心に回転させ、研磨媒体１２０を研磨媒体入口１４６から回転する研磨パッド上に供給される。研磨媒体１２０は、ウェーハ１１２の下方の隙間および研磨パッド１０４を含む研磨層１０８上に拡散する。研磨パッド１０４およびウェーハ１１２は、通常、ただし必ずしもではないが、０．１ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍの範囲で速度を選択して回転させる。力Ｆは、通常、ただし必ずしもではないが、ウェーハ１１２と研磨パッド１０４との間に０．１ｐｓｉ〜１５ｐｓｉ（６．９〜１０３ｋＰａ）の範囲で所望の圧力を誘発させるように選択した大きさとする。当業者が認めるように、研磨パッドを蜘蛛の巣状に構成する、または研磨対象となる基材の直径よりも小さな直径を有する研磨パッドとすることができる。
【００２２】
図２Ａおよび図２Ｂを参照し、図１の研磨パッド１０４の態様について、特に表面研磨テクスチャー２００に関してより詳細に説明する。表面テクスチャーまたは凹凸が材料除去または再整形（すなわちコンディショニング）工程の残留物である先行技術のＣＭＰパッドとは対照的に、研磨テクスチャー２００は精密な形状を有する一連の同一または類似した研磨要素２０４および２０８として構成される。図示のため、研磨テクスチャー２００は、実質的に垂直である要素２０８および実質的に水平である要素２０４からなるものとして示すが、必ずしもこの必要はない。研磨テクスチャー２００は、それぞれ平均幅２１０および平均断面積２２２を有する多くの研磨要素２０４および２０８に等しく、各要素間は平均ピッチ２１８の間隔が空けられている。本明細書中で使用される用語「平均」は、要素または構造の体積全体における算術平均を示す。さらに、要素２０４および２０８の相互結合したネットワークは平均高さ２１４および平均中間高さ２１５を有する。研磨テクスチャー２００は実質的に６面体の単位格子、すなわち各面（全部で六面）が正方形または矩形であり、中実部材が空間単位の端部に沿ってのみ配置され、各面および空間単位の中心が全体として中空となる空間単位の集合である。
【００２３】
要素２０８の平均幅２１０に対する平均高さ２１４の比率は少なくとも０．５である。平均幅２１０に対する平均高さ２１４の比率は、好ましくは少なくとも０．７５であり、もっとも好ましくは少なくとも１である。場合により、平均幅２１０に対する平均高さ２１４の比率は少なくとも５または少なくとも１０であってもよい。平均高さの増加に伴い、研磨中に研磨要素２０８のネットワークを強化するために必要な相互結合した要素２０４の数が増加する。一般に、最上部の相互結合した要素２０４を越えて突出する要素２０８の非固定端のみが、研磨中のせん断力下で自由に湾曲する。基層２４０から最上部の相互結合した要素２０４にわたる要素２０８の高さは高度に制限され、橋梁トラスまたは外部からの控え柱と同様に、いずれか一つの要素２０８に加えられた力は多くの隣接する要素２０４および２０８に効果的に伝達される。このように、研磨テクスチャー２００は良好な平坦化に必要な長さスケールでは剛直であるが、要素２０８の非支持端が局部的な変形性および柔軟性を有するため、より短い長さスケールでは局部的に弾性的である。
【００２４】
相互結合した要素２０４および研磨要素２０８が組み合わさって単位格子２２５を形成し、その単位格子は平均幅２２７および平均長さ２２９を有する。これらの単位格子の網目またはオープン格子構造が組み合わさり、三次元ネットワークを形成する。相互結合した単位格子は少なくとも三個の単位格子の高さを有し、好ましくは少なくとも十個の単位格子の高さを有する。一般に、研磨パッドの高さが増すと、研磨パッドの寿命が延長するとともにそのバルク剛性が高まり、後者は平坦化の改善に寄与する。場合により、単位格子の平均幅２２７はその平均長さ２２９と同一ではない。たとえば、平均長さに対する平均幅の比率は、一部の研磨アプリケーションにおいて研磨性能をさらに改善するため、少なくとも２または少なくとも４であることができる。たとえば、水平長さを延ばした単位格子はより硬い研磨要素を提供する傾向を有し、平坦化を改善するであろう。一方、垂直長さを延ばした単位格子はより柔軟な研磨部材をもたらす傾向を有し、欠陥性能を向上させるであろう。
【００２５】
要素２０８の平均幅に対する平均高さの比率が高いことによる効果として、断面積２２２の総研磨面積が長期間にわたって一定に維持される。図２Ａに示すように、研磨層２０２の寿命のいかなる時点にあっても、研磨テクスチャー２００の接触面積の大部分は最上部の要素２０８の断面積２２２からなるが、一部の相互結合した要素２０４の全部または一部も摩耗していくことになり、これを特に接触要素２０６とする。好ましくは、相互結合した要素２０４の垂直位置をジグザグ配置にし、任意の時点において、基層２４０に平行に発生する磨耗を受ける相互結合した要素２０４をごく一部とし、これらの接触要素２０６が総接触面積に占める割合を小さなものとする。これは、複数の基材を同様の研磨特性をもって研磨することを可能にし、研磨パッドのドレッシングまたはコンディショニングを定期的に行う必要性が低減または解消されることを可能にする。コンディショニングが低減されることで研磨パッドの寿命が延び、その運転費用が減少する。さらに、研磨パッドに対するせん孔、導電性ライニングを施した溝の導入、または導電繊維、導電性ネットワーク、金属グリッド、もしくは金属線などの導体の組み込みにより、研磨パッドをｅＣＭＰ（「エレクトロケミカルメカニカルプラナリゼーション」）研磨パッドに変換することができる。これらの研磨パッドの三次元ネットワーク構造は、ｅＣＭＰアプリケーションへの応用への要求のために、流体流動を促進し、一貫した表面構造を維持することができる。流体流動の増大により、ｅＣＭＰ工程からの使用済み電解液の除去が改善され、ｅＣＭＰ工程の均一性を向上させることができる。
【００２６】
好ましくは、研磨要素２０４および２０８を除き、研磨テクスチャー２００の内部には中実材料が存在しない。場合により、研磨粒子または繊維を研磨要素２０４および２０８に固定してもよい。その場合、各要素２０４または２０８の内部には空隙容積が存在せず、好ましくは、研磨テクスチャー２００の空隙容積はすべて研磨要素２０４および２０８の中間で明らかにその外部に存在する。しかし、場合により、研磨要素２０４および２０８は中空または多孔構造を有することができる。研磨要素２０８はその一方の端部において、ピッチ２１８を維持し、実質的に直立方向に研磨要素２０８を維持する基層２４０に堅固に付着される。要素２０８の方向はさらに、隣接する研磨要素２０４および２０８を接続する結合部２０９において、相互結合する要素２０４によって維持される。結合部２０９は、要素２０４および２０９を固定するために粘着または化学接着を含むことができる。結合部２０９は、好ましくは同一材料の相互結合であり、もっとも好ましくは同一材料のシームレスな相互結合である。
【００２７】
研磨要素２０８の幅２１０およびピッチ２１８は、全体にわたるすべての研磨要素２０８において、結合部２０９の間が均一もしくはほぼ均一であるか、または研磨要素２０８のサブグループにわたって均一であることが好ましい。たとえば、研磨要素２０８は、好ましくは、接触部材２０６から中間高さ２１５までの間において研磨層２０２の平均幅またはピッチのそれぞれ５０%以内に維持される幅２１０およびピッチ２１８を有する。より好ましくは、研磨要素２０８は、接触部材２０６から中間高さ２１５までの間において研磨層２０２の平均幅またはピッチのそれぞれ２０%以内に維持される幅２１０およびピッチ２１８を有する。もっとも好ましくは、研磨要素２０８は、接触要素２０６から中間高さ２１５までの間において研磨層２０２の平均幅またはピッチのそれぞれ１０%以内に維持される幅２１０およびピッチ２１８を有する。特に、隣接する結合部２０９の間における研磨要素２０４および２０８の断面積を３０%以内に維持することで、一貫した研磨性能を促進する。研磨パッドの断面積は、好ましくは隣接する結合部２０９の間において２０%以内に維持され、もっとも好ましくは１０%以内に維持される。さらに、研磨要素２０４および２０８は好ましくは直線形状を有し、さらに一貫した研磨を促進する。これらの構成の直接的な結果として、研磨要素２０８の断面積２２２が垂直方向に向かって大幅に変化することはない。このため、研磨要素２０８が研磨中に摩耗し、高さ２１４が減少した場合も、ウェーハに面する面積２２２はほとんど変化しない。このように表面積２２２に一貫性がもたらされることで、均一な研磨テクスチャー２００が得られ、研磨運転を繰り返した際にも一貫した研磨が可能となる。たとえば、均一の構造は、機械の設定を調整することなく、パターンを形成した複数のウェーハを研磨することを可能にする。本明細書の目的のため、研磨面またはテクスチャー２００は、研磨面と平行な平面上で測定した研磨要素２０４および２０８の表面積を表す。好ましくは、研磨要素２０８の総断面積２２２は、初期の研磨面または接触要素２０６から単位格子２２５の縦列の中間高さ２１５までの間において２５パーセント以内に維持される。もっとも好ましくは、研磨要素２０８の総断面積２２２は、初期の研磨面から単位格子２２５の縦列の中間高さ２１５までの間において１０パーセント以内に維持される。前述のように、相互結合した要素２０４の垂直位置をジグザグ配置にし、要素の摩耗に伴う総断面積の変化を最小限にすることがさらに好ましい。
【００２８】
場合により、研磨要素２０８の配置については、複数の研磨要素２０８をグループ化し、離間して配置してもよい。たとえば、研磨要素を円形にグループ化し、研磨要素が存在しない領域でその周囲を取り囲むことができる。各グループの内部では、相互結合した要素２０４が存在することにより、要素２０８のグループ間の間隔およびその有効剛性が維持されることが好ましい。加えて、各領域の研磨要素２０４または２０８の密度を調整し、除去速度および研磨またはウェーハの均一性を微調整することができる。さらに、円形流路、ＸＹ流路、放射状流路、曲線的な放射状流路、またはらせん流路などの開放流路を形成するように研磨要素を配置することができる。任意の流路を導入することにより、大きな研磨くずの除去が促進され、研磨またはウェーハの均一性を向上させることができる。
【００２９】
研磨要素２０８の高さ２１４はすべての要素にわたって均一であることが好ましい。高さ２１４は、好ましくは研磨テクスチャー２００の平均高さの２０%以内に維持され、より好ましくは研磨テクスチャーの平均高さの１０%以内に維持され、さらにより好ましくは研磨テクスチャーの平均高さの１%以内に維持される。場合により、ナイフ、高速回転刃、またはレーザーなどの切削機器で定期的に研磨要素を均一な高さに切削してもよい。さらに、切刃の径および速度により、場合により研磨要素をある角度で切削し、研磨面を変更してもよい。たとえば、円形の断面を有する研磨要素をある角度で切削することにより、基材と相互に作用する研磨先端部のテクスチャーを得る。高さを均一にすることで、摩耗面上のすべての相互結合した接触要素２０６と同様に、研磨テクスチャー２００のすべての研磨要素２０８が加工物に接触する可能性が保証される。実際には、産業用のＣＭＰ機械はウェーハ上の各位置で異なる研磨圧力を印加する機構を有しており、またウェーハの下方で発生する流体圧力は、研磨パッドの平均平面に対して正確に水平かつ平行な位置からウェーハを逸脱させるほどであるため、一部の研磨要素２０８がウェーハに接触しない可能性もある。しかし、研磨パッド１０４のいずれの非接触部分でも、可能な限り多くの研磨要素２０８が接触するのに十分な高さを有していることが望ましい。さらに、研磨要素２０８の非支持端は、研磨の動的接触の力学によって湾曲するのが通常であるため、初期の研磨面積は概して曲げ角に応じて摩耗するであろう。たとえば、初期には円形であった上面が摩耗して角のある上面となるが、研磨中の方向の変化によって複数の摩耗パターンが生じるであろう。
【００３０】
研磨要素２０４および２０８の寸法および間隔は、研磨パッドとウェーハとの間の大きい接触面積２２２と、スラリーが研磨くずを除去するための十分な開放流路面積とを得るように選択する。通常、研磨要素２０４および２０８は、基層２４０の上部について測定した研磨パッド容積の８０パーセント未満を構成する。好ましくは、研磨要素２０４および２０８は、基層２４０の上部について測定した研磨パッド容積の７５パーセント未満を構成する。たとえば、通常、要素２０４および２０８は、基層２４０の上部について測定した研磨パッド容積の５〜７５パーセントを占める。接触面積を大きくするために設計された研磨パッドは、通常、基層２４０の上部について測定した研磨パッド容積の４０〜８０パーセントを占める。これらの目標にはもともとトレードオフの関係がある。すなわち、研磨テクスチャー２００の利用可能な空間に研磨要素２０４および２０８を追加すると総接触面積２２２は増加するが、スラリー流動２３０に対する障害物が増加することで流路面積２２６が減少し、研磨くずの除去が低下する。本発明の本質的な構成として、研磨要素２０４および２０８を十分に細長くし、かつ大きく離間させることで、接触面積と流路面積との間で有利なバランスを実現することができる。矩形または正方形の断面を有する研磨要素２０８は、接触面積を増加させるうえで有益である。このバランスに従い、研磨要素２０８の幅２１０に対するピッチ２１８の比率は、場合により少なくとも２とすることができる。これらの制限のため、研磨テクスチャー２２０の接触面積２２２を利用可能な面積の７５%（すなわち、１から幅／ピッチ比を引き算した値の自乗）以上とすることができ、流路面積２２６は利用可能な面積の５０%（すなわち、１から幅／ピッチ比を引き算した値）以上である。通常、研磨要素２０８は、研磨くずは研磨パッド表面の下方で収集または捕捉するよう作動する。この構成により、研磨中に物品の表面と接触しない、またはそれにスクラッチを与えない位置で有害な研磨くずが捕捉され、欠陥の低減が促進される。さらに、研磨要素２０８の幅２１０に対する高さ２１４の比率を場合により少なくとも４としてもよく、これによって流路面積２２６を最大化し、研磨要素２０４および２０８中で研磨くずを水平に搬送することができると同時に、さらに、搬送された研磨くずとウェーハを垂直方向に離間する。
【００３１】
主に水平方向に発生するスラリー流動２３０に対して流線型になるように研磨要素２０４および２０８の断面形状を選択することにより、研磨テクスチャー２００はさらに最適化される。流体抗力を最小化するために物体を流線型にすることは、十分に確立された工学上の一分野であり、航空機、船舶、自動車、発射体、および気体もしくは液体中またはそれに対して相対的に移動する他の物体の設計において慣行的に応用される科学の一部である。こうした近年のヒューマンスケールの物体に関する流体流動の方程式は、ＣＭＰパッドのマクロ構造またはミクロ構造のスケールでも同様に適用される。本質的に、流線化とは、外部からの液体移動が表面から分離することなく、かつ流体エネルギーを消費する循環渦を形成することなく断面を通過することができるよう、急激に形状が遷移することなく徐々に湾曲する断面を選択することからなる。この考慮事項に従い、研磨要素２０４および２０８は、断面２２２を正方形または矩形の断面とするよりも円形の断面とすることが好ましい。研磨要素２０８の形状をさらに流線化するには、スラリー流動２３０の局部的な方向を把握する必要がある。研磨パッドおよびウェーハはいずれも回転するため、スラリー流動２３０はさまざまな角度から研磨要素２０４および２０８に接近することができ、一つの接近角度に関する適切な流線化も、別の接近角度については次善となるであろう。あらゆる方向の流体接近にとって等しく流線化された唯一の形状は円形の断面であり、このために一般的には円形の断面が好ましい。キャリヤ速度に対するプラテン速度の比率が極めて高いＣＭＰ工程のように、主な流動方向を確認することができる場合には、その方向について研磨要素２０４および２０８の断面を流線化することが一層好ましい。
【００３２】
図２Ａに示すように、研磨パッド１０４は研磨層２０２を含み、さらにサブパッド２５０を含むことができる。ただし、サブパッド２５０は必ずしも必要ではなく、基層２４０を通じて研磨層２０２を、たとえば図１のプラテン１３０などの研磨装置のプラテンに直接固定することができる。たとえば、感圧粘着層２４５またはホットメルト接着剤を用いた粘着接着、熱接着、化学接着、超音波接着などの適切な方法により、基層２４０を通じて研磨層２０２をサブパッド２５０に固定することができる。基層２４０またはサブパッド２５０は、研磨要素２０８を付着させるための研磨底部とすることができる。好ましくは、研磨要素２０８の基底部は基層２４０の内部におよぶ。
【００３３】
研磨テクスチャー２００についてはさまざまな製造方法が可能である。大規模なネットワークの場合、これらにはマイクロマシニング、レーザーまたは流体ジェットエッチング、および初期の固体から材料を除去する他の方法が含まれ、また、集光レーザー重合、選択的な光硬化、生体成長、および初期の中空内で材料を構築する他の方法も含まれる。小規模なネットワークの場合、電気泳動、核生成、またはその後の材料の自己組織化のためのテンプレートを確立する他の方法と同様に、結晶化、シード重合、リソグラフィ、または選択的に材料を堆積する他の技術を用いることができる。
【００３４】
ミクロ構造２００の研磨要素２０４および２０８ならびに基層２４０は、ポリカーボネート、ポリサルフォン、ナイロン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリスチレン、アクリルポリマー、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ポリエチレンイミン、ポリウレタン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリケトン、エポキシ、シリコーン、それらのコポリマー（ポリエーテル−ポリエステルコポリマーなど）、およびそれら混合物など、適切な材料から構成することができる。研磨材料２０４および２０８ならびに基層２４０は、セラミック、ガラス、金属、石材、木材、または氷などの固相の単純な材料のような非高分子材料で作られることもできる。また、研磨材料２０４および２０８ならびに基層２４０は、一つ以上の非高分子材料を有するポリマー材料の組成から作ることもできる。
【００３５】
一般に、研磨要素２０４および２０８ならびに基層２４０の材料の選択は、特定の材料から構成される物品を望ましい方法で研磨することに対する適性という点で制限される。同様に、サブパッド２５０は研磨要素２０４および２０８ならびに基層２４０について上記した材料など、適切な材料から構成することができる。研磨パッド１０４は場合により、たとえば図１のプラテン１３０などの研磨装置のプラテンに研磨パッドを固定するための固定手段を含んでいてもよい。固定手段は、たとえば、感圧粘着層２４５もしくはホットメルト粘着剤などの粘着層、またはフックおよびループファスナーのフック部もしくはループ部などの機械的な固定手段とすることができる。また、研磨テクスチャー２００の一つ以上の空隙空間を占める一つ以上の光ファイバーエンドポイント検出装置２７０または類似の伝送装置を実装することも本発明の範囲に包含される。
【００３６】
図３を参照し、代替的な表面研磨テクスチャー３００について、本発明に従った図１の研磨パッド１０４の第二の態様を説明する。図３の側断面図は、研磨層３０２において相互に結合して網目状になった単位格子の類似した非対称パターンといえる。図２Ａの研磨パッドと同様に、粘着層３４５は基層３４０を任意のサブパッド３５０に固定し、場合によりエンドポイント検出装置３７０を含む。研磨テクスチャー３００は三つの局面で図２Ａの研磨テクスチャー２００と異なる。第一に、研磨テクスチャー３００の要素３０８は厳密に垂直ではなく、基層３４０および水平面に対して４５〜９０度までのさまざまな角度をもって配置され、かつ一部の要素３０８は直線ではなく、湾曲している。また、相互結合した要素３０４はすべてが水平ではなく、その一部は基層３４０および水平面に対して０〜４５度までの角度をもって配置される。それゆえ、研磨テクスチャー３００は単位格子からなるが、その単位格子の形状および面数は一様ではない。このような構成にもかかわらず、研磨テクスチャー３００において、要素３０８の高さ３１４が研磨層または研磨要素３０６から研磨テクスチャー３００の中間高さ３１５までの間で大幅に変化することはない。第二に、要素３０４および３０８は研磨要素２０８と比較して、幅３１０、ピッチ３１８、および断面積３２２のばらつきが大きい。第三に、要素３０４および３０８ならびにその間を通過するスラリー流動３３０は、研磨要素２０８を通過するスラリー流動２３０と比較して流路がより不規則である。にもかかわらず、研磨テクスチャー３００は、要素３０６が研磨面を形成しており、本発明の本質的な特性を具現化している。特に、要素３０４および３０８が結合部３０９で相互結合し、研磨テクスチャー全体として剛性を与えるのに十分な程度に三次元的に相互結合したネットワークを形成すると同時に、要素３０８の非支持端が加工物に応じた局部的な柔軟性を提供する。さらに、要素３０４および３０８は依然として十分に細長く、大きく離間しているため、接触面積と流路面積との間で有利なバランスを実現することができる。要素３０８の平均幅３１０に対する要素３０８の平均ピッチ３１８の比率は少なくとも２であり、要素３０８の平均幅３１０に対する高さ３１４の比率は少なくとも４である。それゆえ、研磨テクスチャー３００の接触面積３２２を２５%以上とすることができ、流路面積３２６は、研磨テクスチャー３００の流路面積３２６よりも不規則ではあるが十分に大きいため、研磨要素３０４および３０８の間で研磨くずを水平に搬送することができると同時に、輸送された研磨くずとウェーハを垂直方向に離間する。
【００３７】
図３の研磨テクスチャー３００に示すように、本発明は、各要素が完全水平から完全垂直まであらゆる角度で配置される開放型の相互結合ネットワークを包含する。ひいては、本発明は、空隙空間に対して明確に繰り返しているサイズもしくは形状が存在しない、または多くの要素が高度に湾曲、分岐、もしくは絡み合っている、相互結合した細長い要素の完全に不規則な配列を包含する。研磨パッドのミクロ構造として本発明の範囲に包含されるであろうことが一般的に想像されるのは、橋梁トラス、高分子のスティックモデル、および人間の相互結合した神経細胞である。それぞれの場合において、構造上、同一の重要な構成を必ず有しており、すなわち三次元の十分な相互結合が存在することで全体的なネットワークが強化され、上面から水平にネットワークが摩耗することにより、細長い要素の局部的に支持されていない端部が短い長さスケールで加工物に適合し、ならびにその要素の幅に対する開放された空隙空間および長さの比率が事前に与えられた形状上の制限に従う。
【００３８】
図４に示す本発明のもう一つの態様は、等間隔に相互結合した四面体格子を有する研磨層４０２からなる。すべての要素４０４および４０８は、結合部４０９で結合し、長さおよび幅が同一であるように示されているが、必ずしもその必要はない。図示した態様では、単位格子は、各面（全部で四面）が正三角形であり、その辺がネットワークのピッチ４１８であり、幅４１０を有する中実部材が空間単位の四つの端部に沿ってのみ配置され、各正三角形面および空間単位の中心が全体として中空となる正四面体である。四面体格子の対称性により、図４の側断面図および平面図は同一の網状パターンを形成するであろう。三角形の面を有する多面体は変形しないため、この研磨テクスチャーはもっとも高い剛性を提供する可能性がある。構造が摩耗するにつれて、要素４０８に自由端が形成され、局部的な変形性および加工物に対して適合する。図４に示した態様では、ネットワークのいずれの平面もウェーハとの接触面と完全に平行に配置されることがないよう、四面体ネットワークはわずかに楔状になった基層４４０上に構築されている。一定の時点で部材４０６の一部のみがその最長寸法に沿って磨耗する一方、要素の断面積４２２がより短い寸法に沿って磨耗することで接触面積の大部分が提供される。これは、研磨層または研磨要素４０６から研磨テクスチャー４００の中間高さ４１５までの間の高さ４１４において、接触面積が本質的に不変に維持される構成を提供する。楔状の基層４４０にわたり、スラリー流動４３０の平均面積４２６はわずかに変化する。この変化を最小化するため、実際には基層４４０を段状にし、連続する楔状の断面でネットワークを支持する。図４に示した構造は、連続する段のほぼ一単位である。図２Ａの研磨パッドと同様に、粘着層４４５によって基層４４０を任意のサブパッド４５０に固定し、場合によりエンドポイント検出装置４７０を含む。
【００３９】
本発明は、流体力学から接触の力学を分離するという効果を与える。特に、研磨パッド内の効果的な流体流動により、研磨くずを容易に除去することができる。加えて、研磨要素の剛性、高さ、およびピッチを調整し、基材の接触の力学を制御することができる。さらに、研磨要素の形状により、コンディショニングを低減または解消し、研磨パッドの寿命を延長することができる。最後に、断面積を均一とすることで、類似した研磨特性を有するパターン形成済みのウェーハなど、複数の基材を研磨することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明に対する使用に適した二軸研磨装置の一部の斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明による研磨構造を有する図１の研磨パッドの拡大概略断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明による研磨構造を有する図１の研磨パッドの拡大概略平面図である。
【図３】図３は、本発明の代替的な研磨パッドの研磨構造の拡大概略断面図である。
【図４】図４は、本発明のもう一つの代替的な研磨パッドの研磨構造の拡大概略断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
1. Title of Invention
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2. Detailed Description of Invention
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3. Brief Description of Drawings
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1.Claims
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1. Abstract
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2. Representative Drawing
None
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