JP3826729B2 - Polishing pad for semiconductor wafer, polishing multilayer for semiconductor wafer provided with the same, and method for polishing semiconductor wafer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ用研磨パッド及びこれを備える半導体ウエハ用研磨複層体並びに半導体ウエハの研磨方法に関する。更に詳しくは、研磨性能を低下させることなく、光が透過可能である半導体ウエハ用研磨パッド及びこれを備える半導体ウエハ用研磨複層体並びにこれらを用いた半導体ウエハの研磨方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体ウエハの研磨において、研磨の目的が達成され、その研磨を終了する研磨終点の決定は経験的に得られた時間を基準として行うことができる。しかし、被研磨面を構成する材質は様々であり、これらによって研磨時間は全て異なる。また、被研磨面を構成する材質は今後様々に変化することも考えられる。更に、研磨に使用するスラリーや研磨装置においても同様である。このため様々に異なるすべての研磨において、経験的に基準研磨時間を得ることは非常に効率が悪い。これに対して、近年、例えば、特開平9−7985号公報及び特開2000−326220号公報等に開示されているような、被研磨面の状態を直接測定できる光学的な方法を用いた光学式終点検出装置及び方法に関して研究が進められている。
この光学式終点検出装置及び方法では、一般に、例えば、特表平11−512977号公報等に開示されているような終点検出用の光が透過できる硬質で均一な樹脂からなる研磨能力を有さない窓を研磨パッドに形成し、この窓のみを通して被研磨面を測定している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の研磨パッドでは窓が研磨能力を有さなため、窓を設けることで研磨パッドの研磨性能の低下が危惧される。また、そのため窓を大きくしたり、更には、環状に設けることは困難である。
本発明は、上記問題を解決するものであり、光学式終点検出装置を用いた半導体ウエハの研磨において、研磨性能を低下させることなく、終点検出用光を透過させることができる半導体ウエハ用研磨パッド及びこれを備える半導体ウエハ用研磨複層体並びに半導体ウエハの研磨方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、光学式終点検出装置を用いた研磨に使用される半導体ウエハ用研磨パッドについて検討したところ、従来のように、透明度の高い樹脂を小さな窓として備える研磨パッドでなくとも、マトリックス材自体が透光性を有すれば光学式終点検出器を用いた研磨終点の検出が可能であることを見出した。また、同時にマトリックス材中に内包物が含有されるために光の散乱が生じていてもなお十分な透光性を確保できることを見出し本発明を完成させた。
【0005】
本発明の半導体ウエハ用研磨パッド(以下、単に「研磨パッド」ともいう)は、少なくとも一部は架橋重合体である非水溶性マトリックス材と、該非水溶性マトリックス材中に分散された水溶性粒子とを備え、厚さを2mmとした場合に、波長400〜800nmの間のいずれかの波長における透過率が0.1%以上であるか、又は波長400〜800nmの間のいずれかの波長域における積算透過率が0.1%以上である透光性を有し、かつ上記架橋重合体は、架橋された1,2−ポリブタジエンであることを特徴とする。
【0006】
上記「非水溶性マトリックス材」(以下、単に「マトリックス材」ともいう)は研磨パッドの形状を維持し、後述する水溶性粒子を研磨パッド中に保持する役目を有するものである。
このマトリックス材としては、透光性を付与できる熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー及びゴム等を単独又は組み合わせて用いることが好ましい。この透光性を付与する方法は特に限定されないが、例えば、結晶化度等の制御により行うことができる。また、マトリックス材は、透光性(可視光の透過の有無は問わない)が付与できれば、それ自体が透明(半透明を含む)である必要はないが、透光性はより高いことが好ましく、更には透明であることがより好ましい。
【0007】
上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアクリル系樹脂{(メタ)アクリレート系樹脂等}、ビニルエステル樹脂(アクリル樹脂を除く)、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂等を挙げることができる。また、上記熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリウレタン−ウレア樹脂及びウレア樹脂、ケイ素樹脂等を挙げることができる。
【0008】
更に、このようなエラストマーとしては、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体(SBS)、その水素添加ブロック共重合体(SEBS)等のスチレン系エラストマー、ポリオレフィンエラストマー(TPO)、熱可塑性ポリウレタンエラストマー(TPU)、熱可塑性ポリエステルエラストマー(TPEE)、ポリアミドエラストマー(TPAE)、ジエン系エラストマー(1,2−ポリブタジエン等)などの熱可塑性エラストマー、シリコーン樹脂系エラストマー、フッ素樹脂系エラストマー等を挙げることができる。また、ゴムとしては、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、イソブチレン・イソプレンゴム、アクリルゴム、アクロルニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等を挙げることができる。
【0009】
これらのマトリックス材は、酸無水物基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、エポキシ基及びアミノ基等の少なくとも1種により変性されていてもよい。変性により後述する水溶性粒子や、砥粒、水系媒体等との親和性等を調節することができる。また、これらのマトリックス材は2種以上を組み合わせて用いることができる。
【0010】
また、マトリックス材は架橋重合体であるか又は非架橋重合体であるかは特に限定されないが、その少なくとも一部(2種以上の材料の混合物からなり、その少なくとも1種の少なくとも1部が架橋重合体である場合、及び、1種の材料からなり、その少なくとも1部が架橋重合体である場合を含む)は架橋重合体である。
【0011】
マトリックス材の少なくとも一部が架橋構造を有することによりマトリックス材に弾性回復力を付与することができる。従って、研磨時に研磨パッドにかかるずり応力による変位を小さく抑えることができ、研磨時及びドレッシング時にマトリックス材が過度に引き延ばされ塑性変形によりポアが埋まることを防止できる。また、研磨パッド表面が過度に毛羽立つことも防止できる。このため、研磨時のスラリーの保持性が良く、ドレッシングによるスラリーの保持性の回復も容易であり、更には、スクラッチの発生も防止できる。
【0012】
上記のような架橋重合体は、1,2−ポリブタジエンを架橋反応させた重合体である。
【0013】
なお、本発明では、架橋重合体の中でも、十分な透光性を付与でき、多くのスラリーに含有される強酸や強アルカリに対して安定であり、更には、吸水による軟化も少ないことから、架橋された1,2−ポリブタジエンを用いるのである。また、この架橋された1,2−ポリブタジエンをブタジエンゴムやイソプレンゴム等の他のゴムとブレンドして用いることができる。更には、マトリクス材として1,2−ポリブタジエンを単独で使用することもできる。
【0014】
このような少なくとも一部が架橋重合体であるマトリックス材では、JIS K 6251に準じ、マトリックス材からなる試験片を80℃において破断させた場合に、破断後に残留する伸び(以下、単に「破断残留伸び」という)を100%以下にできる。即ち、破断した後の試験片の標線間合計距離が破断前の標線間距離の2倍以下であるマトリックス材である。この破断残留伸びは30%以下(更に好ましくは10%以下、とりわけ好ましくは5%以下、通常0%以上)であることがより好ましい。破断残留伸びが100%を超えて大きくなるにつれ、研磨時及び面更新時に研磨パッド表面から掻き取られた又は引き延ばされた微細片がポアを塞ぎ易くなる傾向にある。
【0015】
尚、破断残留伸びとは、JIS K 6251「加硫ゴムの引張試験方法」に準じて、試験片形状ダンベル状3号形、引張速度500mm/分、試験温度80℃で引張試験において試験片を破断させた場合に、破断して分割された試験片の各々の標線から破断部までの合計距離から、試験前の標線間距離を差し引いた伸びである。尚、試験温度については、実際の研磨において摺動により達する温度が80℃程度であるため、この温度で行っている。
【0016】
上記「水溶性粒子」は、マトリックス材中に分散され、研磨時に外部から供給される水系媒体との接触により、溶解又は膨潤して研磨パッドの表面から脱離(溶解又は膨潤等による)して、この脱離した跡にスラリーを保持できるとともに、研磨屑を一時的に滞留させることができるポアを形成することができる粒子である。
この水溶性粒子の形状は特に限定されないが、通常、より球形に近いことが好ましく、更には球形であることが好ましい。また、各々の水溶性粒子はより形が揃っていることが好ましい。これにより形成されるポアの性状が揃い、良好な研磨を行うことができる。
【0017】
また、この水溶性粒子の大きさも特に限定されないが、通常、0.1〜500μm(より好ましくは0.5〜100μm、更に好ましくは1〜80μm)の粒径であることが好ましい。粒径が0.1μm未満であると、ポアの大きさが砥粒より小さくなることがあり、ポアに十分に砥粒が保持できないことが生じる場合があり好ましくない。一方、500μmを超えると、形成されるポアの大きさが過大となり研磨パッドの機械的強度及び研磨速度が低下する傾向にある。
【0018】
また、研磨パッドに含まれる水溶性粒子は、上記マトリックス材と水溶性粒子との合計を100体積%とした場合に、水溶性粒子は10〜90体積%(より好ましくは15〜60体積%、更に好ましくは20〜40体積%)であることが好ましい。水溶性粒子の含有量が10体積%未満であると十分な量のポアが形成されず、研磨速度が低下する傾向にある。一方、90体積%を超えると、研磨パッド表面に露出している水溶性粒子だけでなく、内部に存在する水溶性粒子までが意図せずに溶解又は膨潤することを防止でき難くなる傾向にある。従って、研磨時に研磨パッドの硬度及び機械的強度を適正な値に保持し難くなる。
【0019】
このような水溶性粒子としては特に限定されず、種々の材料を用いることができるが、例えば、有機系水溶性粒子及び無機系水溶性粒子を用いることができる。有機系水溶性粒子としては、デキストリン、シクロデキストリン、マンニット、糖類(乳糖等)、セルロース類(ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース等)、でんぷん、蛋白質、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキサイド、水溶性の感光性樹脂、スルフォン化ポリイソプレン、スルフォン化ポリイソプレン共重合体等から形成されたものを挙げることができる。更に、無機系水溶性粒子としては、酢酸カリウム、硝酸カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、リン酸カリウム、硝酸マグネシウム等から形成されたものを挙げることができる。これらの水溶性粒子は、上記各材料を単独又は2種以上を組み合わせて含有してもよい。更に、所定の材料からなる1種の水溶性粒子であってもよく、異なる材料からなる2種以上の水溶性粒子であってもよい。
【0020】
また、水溶性粒子は、研磨パッドの表面に露出したもののみが水溶し、表出することなく研磨パッド内部に存在するものは吸湿及び膨潤しないことが好ましい。このため、水溶性粒子には最外部の少なくとも一部に吸湿を抑制するエポキシ樹脂、ポリイミド、ポリアミド及びポリシリケート等から構成される外殻を形成してもよい。
【0021】
この水溶性粒子は、ポアを形成する機能以外にも、研磨パッド中においては、研磨パッドの押し込み硬さを大きくする機能を有する(例えば、ショアーD硬度35〜100)。この押し込み硬さが大きいことにより研磨パッドにおいて被研磨面に負荷する圧力を大きくすることができ、研磨速度を向上させるばかりでなく、同時に高い研磨平坦性を得ることができる。従って、この水溶性粒子は、研磨パッド内において十分な押し込み硬さを確保できる中実体であることが好ましい。
【0022】
また、水溶性粒子をマトリックス材中に分散させる方法は特に限定されないが、通常、マトリックス材、水溶性粒子及びその他の添加剤等を混練して得ることができる。この混練においてマトリックス材は加工し易いように加熱されて混練されるが、この時の温度において水溶性粒子は固体であることが好ましい。固体であることにより、マトリックス材との相溶性の大きさに関わらず水溶性粒子を前記の好ましい平均粒径を呈する状態で分散させ易くなる。従って、使用するマトリックス材の加工温度により、水溶性粒子の種類を選択することが好ましい。
【0023】
本発明の研磨パッドは、前述のポアによりスラリーを保持し、更には、研磨屑を一時的に滞留させることができるものである。この研磨パッドの平面形状は特に限定されず、例えば、円形(円盤状等)や多角形{四角形等(ベルト状、ローラー状)}とすることができる。また、その大きさも特に限定されないが、例えば、円盤状の場合には直径500〜900mmとすることができる。
【0024】
また、本発明の研磨パッドは薄肉部を有さなくてもよいが、一般に透光性の物体に光を透過させた場合、その光の強度は透過する物体の長さの2乗に比例して減衰する。従って、透過する部分を薄肉化することで、飛躍的に透過率を向上させることができる。例えば、光学式に終点検出を行う研磨に用いる研磨パッドにおいて、例えこの薄肉化された部分以外では終点の検出に十分な強度の光が透過され難い場合であっても、薄肉部では終点検出に十分な光の強度を確保することが可能となる。
【0025】
従って、薄肉部を有することが好ましい。この薄肉部とは、研磨パッドの最大厚さよりも薄く成形された部位である(例えば、図1〜図4等)。この薄肉部の平面形状は特に限定されず、例えば、円形、扇形(円形又は環形を所定角度分切り取った形状)、多角形(正方形、長方形及び台形等)及び環形等とすることができる。また、薄肉部の断面形状は、例えば、多角形(四角形、五角形等)、ドーム形もしくはその他の形状とすることができる(図1〜図4参照、尚、各図における上方が研磨面であるものとする)。
【0026】
更に、研磨パッドの備える薄肉部の数も特に限定されず、1ヶ所であっても、2ヶ所以上であってもよい。また、その配置も特に限定されない。例えば、1ヶ所の薄肉部を備える場合には図5及び図6のように配置することができる。更に、2つ以上の薄肉部を備える場合には同心円状(図7)等に形成することもできる。
【0027】
この薄肉部における厚さは特に限定されないが、通常、薄肉部中で最も薄い厚さは0.1mm以上(より好ましくは0.3mm以上、通常3mm以下)であることが好ましい。0.1mm未満ではこの部分における機械的強度を十分に確保することが困難となる傾向にある。また、薄肉部の大きさも特に限定されないが、例えば、円形である場合には直径20mm以上であることが好ましく、環状である場合にはその幅が20mm以上であることが好ましく、長方形である場合には縦30mm以上且つ横10mm以上であることが好ましい。
【0028】
更に、薄肉部は、研磨パッドの表面側が凹欠されることにより形成されていてもよい(図2参照)が、裏面側が凹欠されて形成されることが好ましい(図1参照)。裏面側が凹欠されることにより、研磨性能に影響なく良好な透光性を得ることができる。
【0029】
尚、この薄肉部を得るための凹欠とは別に、本発明の研磨パッドの表面(研磨面)にはスラリーの保持性の向上、使用済みスラリーの排出性を向上させる目的等で必要に応じて所定の幅(例えば、0.1〜2mm)、深さ、間隔で溝を形成することや、ドットパターンを設けることができる。これらの溝及びドットパターンは所定の形状(例えば、同心円形状、格子形状、渦巻き形状、放射線状等)で形成できる。また、この溝及びドットパターンを上記薄肉部を形成するために凹欠された凹部により兼用することもできる。
【0030】
上記「透光性」とは、本発明では以下のように定義される。
【0031】
光学式終点検出器を用いた研磨に用いる本発明の研磨パッドにおいては、終点検出用光としての使用頻度が特に高い領域である400〜800nmにおける透過率が高いことが好ましいことから、厚さを2mmとした場合に、波長400〜800nmの間のいずれかの波長における透過率が0.1%以上(より好ましくは1%以上、更に好ましくは2%以上、特に好ましくは3%以上、通常50%以下)であるか、又は波長400〜800nmの間のいずれかの波長域における積算透過率が0.1%以上(より好ましくは1%以上、更に好ましくは2%以上、特に好ましくは3%以上、通常50%以下)である。
但し、この透過率又は積算透過率は必要以上に高い必要はなく、通常、20%以下であり、更には10%以下であってもよく、特に5%以下であってもよい。
【0032】
尚、この透過率は、厚さ2mmの試験片に所定の波長における吸光度が測定できるUV吸光度計等の装置を用いて、各波長における透過率を測定した時の値である。積算透過率についても、同様に測定した所定の波長域における透過率を積算して求めることができる。
【0033】
また、本発明の研磨パッドには、マトリックス材及び水溶性粒子以外にも、従来よりスラリーに含有されている砥粒、酸化剤、アルカリ金属の水酸化物及び酸、pH調節剤、界面活性剤、スクラッチ防止剤等の少なくとも1種を透光性を維持できる範囲で含有させることができる。これにより研磨時に水のみを供給して研磨を行うことも可能となる。
【0034】
また、マトリックス材と水溶性粒子との親和性、並びにマトリックス材に対する水溶性粒子の分散性を好ましいものとするために相溶化剤を配合することができる。相溶化剤としては、酸無水物基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、エポキシ基、オキサゾリン基及びアミノ基等により変性された重合体、ブロック共重合体、並びにランダム共重合体、更に、種々のノニオン系界面活性剤、カップリング剤等を挙げることができる。
【0035】
更に、本発明の研磨パッドには必要に応じて、充填剤、軟化剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、滑剤、可塑剤等の各種の添加剤を含有させることができる。更に、硫黄や過酸化物等の反応性添加物を添加して反応させ、架橋させることもできる。特に、充填材としては炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、タルク、クレー等の剛性を向上させる材料、及びシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、二酸化マンガン、三酸化二マンガン、炭酸バリウム等の研磨効果を備える材料等を用いてもよい。
【0036】
尚、本明細書でいうスラリーとは、少なくとも砥粒を含有する水系分散体を意味するが、研磨の際に外部から供給されるのはスラリーであってもよく、また、砥粒等を含有しない水系媒体のみであってもよい。水系媒体のみが供給される場合は、例えば、研磨パッド内から放出された砥粒等と水系媒体とが研磨の過程で混合されることによりスラリーが形成される。
【0037】
本発明の半導体ウエハ用研磨複層体(以下、単に「研磨複層体」ともいう)は、本発明の半導体ウエハ用研磨パッドと、該半導体ウエハ用研磨パッドの裏面側に積層される支持層とを備え、積層方向に透光性を有することを特徴とする。
【0038】
上記「支持層」は、研磨パッドの研磨面とは反対面の裏面側に積層される層である。この支持層の平面形状は特に限定されず、例えば、円形、多角形(四角形等)などとすることができるが、通常、研磨パッドと同じ平面形状であり、更には、薄板状である。また、この支持層の積層数は限定されず、1層であっても、2層以上であってもよい。更に、2層以上の支持層を積層する場合には各層は同じものであっても、異なるものであってもよい。
【0039】
この支持層の合計の厚さは特に限定されないが、通常、研磨パッドの厚さの0.1〜2倍とすることができる。また、この支持層の硬度も特に限定されないが、ショアーD硬度において10〜80(より好ましくは20〜50)とすることにより、研磨パッドのショアD硬度が60〜90と高い場合であっても研磨時には研磨複層体全体として、十分な柔軟性を有し、被研磨面の凹凸に対する適切な追随性を備えることができる。
この支持層は、研磨パッドの透光性を損なわないために、支持層自体も透光性を有することが好ましい。従って、この支持層の一部を薄肉化したり、切り欠くいたり、更には、この切り欠きに透光性を有する部材を接合してもよい。
【0040】
本発明の研磨パッド及び研磨複層体は透光性を有するため、光学式終点検出器を備える半導体ウエハ研磨装置に用いることができる。この光学式終点検出器とは、研磨パッドの裏面側から研磨面側へ光を透過させ、被研磨体表面で反射された光から被研磨面の研磨終点を検出することができる装置である。その他の測定原理については、特に限定されない。
【0041】
本発明の半導体ウエハの研磨方法は、本発明の研磨パッド又は研磨複層体を用いる半導体ウエハの研磨方法であって、該半導体ウエハの研磨終点の検出を光学式終点検出器を用いて行うことを特徴とする。
【0042】
上記「光学式終点検出器」については、前述におけると同様である。本発明の半導体ウエハの研磨方法によると、研磨終点を常時観測しながら研磨することができ、最適な研磨終点において確実に研磨を終えることができる。
本発明の半導体ウエハの研磨方法としては、例えば、図8に示すような研磨装置を用いることができる。即ち、回転可能な定盤2と、回転及び縦横への移動が可能な加圧ヘッド3と、スラリーを単位時間に一定量ずつ定盤上に滴下できるスラリー供給部5と、定盤の下方に設置された光学式終点検出器6とを備える装置である。
【0043】
この研磨装置では、定盤上に本発明の研磨パッド(研磨複層体)1を固定し、一方、加圧ヘッドの下端面に半導体ウエハ4を固定して、この半導体ウエハを研磨パッドに所定の圧力で押圧しながら押しつけるように当接させる。そして、スラリー供給部からスラリー又は水を所定量ずつ定盤上に滴下しながら、定盤及び加圧ヘッドを回転させることで半導体ウエハと研磨パッドとを摺動させて研磨を行う。
【0044】
また、この研磨に際しては、光学式終点検出器から所定の波長又は波長域の終点検出用光R1を、定盤(定盤は自身が透光性を有するか、又は一部が切り欠かれることで終点検出用光が透過できる)の下方から半導体ウエハの被研磨面に向けて照射する。そして、この終点検出用光が半導体ウエハの被研磨面で反射された反射光R2を光学式終点検出器で捉え、この反射光から被研磨面の状況を観測しながら研磨を行うことができる。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
[1]研磨パッドの製造
後に架橋されてマトリックス材となる1,2−ポリブタジエン(JSR株式会社製、品名「JSR RB830」)80体積%と、水溶性粒子としてβ−シクロデキストリン(横浜国際バイオ研究所株式会社製、品名「デキシーパールβ−100」)20体積%とを120℃に加熱されたニーダーにて混練した。その後、ジクミルパーオキサイド(日本油脂株式会社製、品名「パークミルD」)を、1,2−ポリブタジエンとβ−シクロデキストリンとの合計を100質量部として換算した0.2質量部を添加してさらに混練した後、プレス金型内にて170℃で20分間架橋反応させ、成形し、直径60cm、厚さ2mmの研磨パッドを得た。
【0046】
[2]透過率の測定
UV吸光度計(日立製作所株式会社製、形式「U−2010」)を用いて波長400〜800nmにおける透過率を研磨パッド上の異なる5地点において測定し、その平均値を算出した。その結果、5回の平均積算透過率は7%であった。また、633nm(一般的なHe−Neレーザーの波長)における透過率は6.5%であった。
【0047】
【発明の効果】
本発明の研磨パッド及び研磨複層体並びに本発明の半導体ウエハの研磨方法によると、研磨性能を低下させることなく、光学式の終点検出を行うことができる。また、本発明の研磨パッド及び研磨複層体によると、その全体において常時研磨終点だけでなく、研磨状況の全てを光学的に観察することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の研磨パッドの薄肉部における断面の一例を表す模式図である。
【図2】本発明の研磨パッドの薄肉部における断面の一例を表す模式図である。
【図3】本発明の研磨パッドの薄肉部における断面の一例を表す模式図である。
【図4】本発明の研磨パッドの薄肉部における断面の一例を表す模式図である。
【図5】本発明の薄肉部の平面形状の一例を表す裏面方向から見た模式図である。
【図6】本発明の薄肉部の平面形状の一例を表す裏面方向から見た模式図である。
【図7】本発明の薄肉部の平面形状の一例を表す裏面方向から見た模式図である。
【図8】本発明の研磨パッド又は研磨複層体を用いる研磨装置を解説する模式図である。
【符号の説明】
1;研磨パッド(研磨複層体)、11;薄肉部、2;定盤、3;加圧ヘッド、4;半導体ウエハ、5;スラリー供給部、6;光学式終点検出器、R1;終点検出用光、R2;反射光。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor wafer polishing pad, a semiconductor wafer polishing multilayer including the same, and a semiconductor wafer polishing method. More specifically, the present invention relates to a polishing pad for semiconductor wafer that can transmit light without degrading polishing performance, a polishing multilayer for semiconductor wafer including the same, and a method for polishing a semiconductor wafer using the same.
[0002]
[Prior art]
In polishing a semiconductor wafer, the purpose of polishing is achieved, and the polishing end point for ending the polishing can be determined on the basis of empirically obtained time. However, there are various materials constituting the surface to be polished, and the polishing time varies depending on these materials. In addition, the material constituting the surface to be polished may change in the future. The same applies to the slurry and polishing apparatus used for polishing. For this reason, it is very inefficient to empirically obtain the reference polishing time in all different polishing operations. On the other hand, in recent years, for example, optical using an optical method capable of directly measuring the state of the surface to be polished, as disclosed in, for example, JP-A-9-7985 and JP-A-2000-326220. Research is ongoing on a system endpoint detection apparatus and method.
In general, this optical end point detection apparatus and method has a polishing ability made of a hard and uniform resin capable of transmitting light for end point detection as disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 11-512977. No window is formed in the polishing pad, and the surface to be polished is measured only through this window.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the window does not have a polishing ability in the above-described polishing pad, there is a concern that the polishing performance of the polishing pad is deteriorated by providing the window. For this reason, it is difficult to increase the size of the window or to provide an annular shape.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problem, and polishing of a semiconductor wafer using an optical end point detection device allows polishing of end point detection light without reducing polishing performance. It is another object of the present invention to provide a polishing multilayer body for a semiconductor wafer and a method for polishing a semiconductor wafer including the same.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have studied a polishing pad for a semiconductor wafer used for polishing using an optical end point detection device. As in the prior art, the matrix can be used even if it is not a polishing pad provided with a highly transparent resin as a small window. wood itself has found that it is possible to detect the polishing end point using an optical and endpoint detector if it has a light-transmitting property. At the same time, the inclusion was included in the matrix material, and it was found that sufficient translucency can be ensured even if light scattering occurs, thereby completing the present invention.
[0005]
The polishing pad for semiconductor wafer of the present invention (hereinafter also simply referred to as “polishing pad”) includes a water-insoluble matrix material , at least part of which is a crosslinked polymer, and water-soluble particles dispersed in the water-insoluble matrix material. When the thickness is 2 mm, the transmittance at any wavelength between 400 and 800 nm is 0.1% or more, or any wavelength region between 400 and 800 nm It has a light-transmitting property with an accumulated transmittance of 0.1% or more, and the crosslinked polymer is a crosslinked 1,2-polybutadiene.
[0006]
The “water-insoluble matrix material” (hereinafter also simply referred to as “matrix material”) maintains the shape of the polishing pad and serves to retain water-soluble particles described later in the polishing pad.
As the matrix material, it is preferable to use a thermoplastic resin, a thermosetting resin, an elastomer, a rubber, or the like that can impart translucency alone or in combination. This translucent how to grant a is not particularly limited, for example, may by Rigyo Ukoto to control such crystallinity. In addition, the matrix material does not need to be transparent (including translucent) itself as long as it can provide translucency (regardless of whether or not visible light is transmitted), but preferably has higher translucency. Furthermore, it is more preferable that it is transparent.
[0007]
Examples of the thermoplastic resin include polyolefin resins, polystyrene resins, polyacrylic resins {(meth) acrylate resins, etc.}, vinyl ester resins (excluding acrylic resins), polyester resins, polyamide resins, fluorine Resins, polycarbonate resins, polyacetal resins and the like can be mentioned. Examples of the thermosetting resin include phenol resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, polyurethane resin, polyurethane-urea resin and urea resin, and silicon resin.
[0008]
Further, such elastomers include styrene-butadiene-styrene block copolymer (SBS), styrene elastomer such as hydrogenated block copolymer (SEBS), polyolefin elastomer (TPO), thermoplastic polyurethane elastomer (TPU). ), Thermoplastic polyester elastomers (TPEE), polyamide elastomers (TPAE), thermoplastic elastomers such as diene elastomers (1,2-polybutadiene, etc.), silicone resin elastomers, fluororesin elastomers, and the like. Rubbers include butadiene rubber, styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, isobutylene / isoprene rubber, acrylic rubber, acrylonitrile / butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene rubber, silicone rubber, fluorine rubber, etc. Can be mentioned.
[0009]
These matrix materials may be modified with at least one of an acid anhydride group, a carboxyl group, a hydroxyl group, an epoxy group and an amino group. Affinity with water-soluble particles, abrasive grains, aqueous media and the like, which will be described later, can be adjusted by modification. These matrix materials can be used in combination of two or more.
[0010]
Further, whether the matrix material is a crosslinked polymer or a non-crosslinked polymer is not particularly limited, but at least a part thereof (a mixture of two or more materials, at least one part of which is a crosslinked polymer) In the case of a polymer and a case where it is made of one kind of material and at least a part thereof is a crosslinked polymer) is a crosslinked polymer.
[0011]
When at least a part of the matrix material has a crosslinked structure, an elastic recovery force can be imparted to the matrix material. Therefore, the displacement due to the shear stress applied to the polishing pad during polishing can be kept small, and the matrix material can be prevented from being excessively stretched during polishing and dressing and the pores being buried due to plastic deformation. In addition, excessive polishing of the polishing pad surface can be prevented. For this reason, the retainability of the slurry at the time of polishing is good, the retainability of the slurry by dressing can be easily recovered, and further, the generation of scratches can be prevented.
[0012]
The crosslinked polymer as described above is a polymer obtained by crosslinking reaction of 1,2-polybutadiene .
[0013]
In the present invention, among cross-linked polymers, sufficient translucency can be imparted, it is stable against strong acids and strong alkalis contained in many slurries, and further, there is little softening due to water absorption, Cross-linked 1,2-polybutadiene is used . Further, it is possible to use this crosslinked 1,2-polybutadiene blended with other rubber such as butadiene rubber or isoprene rubber. Furthermore, 1,2-polybutadiene can be used alone as a matrix material.
[0014]
In such a matrix material in which at least a part is a crosslinked polymer, when a test piece made of the matrix material is broken at 80 ° C. in accordance with JIS K 6251, the elongation remaining after the break (hereinafter simply referred to as “breaking residue”). Elongation ") can be made 100% or less. That is, it is a matrix material in which the total distance between marked lines of the test piece after breaking is not more than twice the distance between marked lines before breaking. The residual elongation at break is more preferably 30% or less (more preferably 10% or less, particularly preferably 5% or less, usually 0% or more). As the residual elongation at break exceeds 100%, fine pieces scraped or stretched from the surface of the polishing pad during polishing and surface renewal tend to block the pores.
[0015]
The residual elongation at break is the test piece shape dumbbell shape No. 3 in accordance with JIS K 6251 “Tensile test method for vulcanized rubber”, the tensile speed is 500 mm / min, and the test piece is subjected to a tensile test at a test temperature of 80 ° C. It is the elongation obtained by subtracting the distance between the marked lines before the test from the total distance from the marked line to the broken part of each of the test pieces that were divided by breaking. The test temperature is about 80 ° C. because the temperature reached by sliding in actual polishing is about 80 ° C.
[0016]
The “water-soluble particles” are dispersed in the matrix material, dissolved or swollen by contact with an aqueous medium supplied from the outside during polishing, and detached from the surface of the polishing pad (by dissolution or swelling). is a particle that can form pores that can the desorbed marks can hold slurry Rutotomoni, to temporarily stay the polishing debris.
The shape of the water-soluble particles is not particularly limited, but usually it is preferably closer to a sphere, and more preferably a sphere. Moreover, it is preferable that each water-soluble particle has a more uniform shape. As a result, the properties of the pores formed are uniform and good polishing can be performed.
[0017]
Further, the size of the water-soluble particles is not particularly limited, but usually it is preferably 0.1 to 500 μm (more preferably 0.5 to 100 μm, still more preferably 1 to 80 μm). If the particle size is less than 0.1 μm, the pore size may be smaller than the abrasive grains, and the abrasive grains may not be sufficiently retained in the pores. On the other hand, if it exceeds 500 μm, the size of the pores formed becomes excessive, and the mechanical strength and polishing rate of the polishing pad tend to decrease.
[0018]
The water-soluble particles contained in the polishing pad are 10 to 90% by volume (more preferably 15 to 60% by volume) when the total of the matrix material and the water-soluble particles is 100% by volume. More preferably, it is preferably 20 to 40% by volume. When the content of the water-soluble particles is less than 10% by volume, a sufficient amount of pores is not formed, and the polishing rate tends to decrease. On the other hand, when it exceeds 90% by volume, it tends to be difficult to prevent unintentional dissolution or swelling of not only water-soluble particles exposed on the polishing pad surface but also water-soluble particles present inside. . Therefore, it becomes difficult to maintain the hardness and mechanical strength of the polishing pad at appropriate values during polishing.
[0019]
Such water-soluble particles are not particularly limited, and various materials can be used. For example, organic water-soluble particles and inorganic water-soluble particles can be used. Organic water-soluble particles include dextrin, cyclodextrin, mannitol, saccharides (lactose, etc.), celluloses (hydroxypropylcellulose, methylcellulose, etc.), starch, protein, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, polyacrylic acid, polyethylene oxide, Examples thereof include those formed from water-soluble photosensitive resins, sulfonated polyisoprene, sulfonated polyisoprene copolymers, and the like. Furthermore, examples of the inorganic water-soluble particles include those formed from potassium acetate, potassium nitrate, potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate, potassium chloride, potassium bromide, potassium phosphate, magnesium nitrate, and the like. These water-soluble particles may contain each of the above materials alone or in combination of two or more. Further, it may be one type of water-soluble particles made of a predetermined material, or two or more types of water-soluble particles made of different materials.
[0020]
Moreover, it is preferable that only the water-soluble particles exposed on the surface of the polishing pad are water-soluble, and those present inside the polishing pad without being exposed do not absorb moisture and swell. For this reason, an outer shell made of epoxy resin, polyimide, polyamide, polysilicate or the like that suppresses moisture absorption may be formed on at least a part of the outermost particles.
[0021]
In addition to the function of forming pores, the water-soluble particles have a function of increasing the indentation hardness of the polishing pad in the polishing pad (for example, Shore D hardness of 35 to 100). Since the indentation hardness is large, the pressure applied to the surface to be polished in the polishing pad can be increased, and not only the polishing rate can be improved, but also high polishing flatness can be obtained at the same time. Therefore, the water-soluble particles are preferably solid bodies that can ensure sufficient indentation hardness in the polishing pad.
[0022]
The method for dispersing the water-soluble particles in the matrix material is not particularly limited, but it can be usually obtained by kneading the matrix material, the water-soluble particles and other additives. In this kneading, the matrix material is heated and kneaded so that it can be easily processed. At this temperature, the water-soluble particles are preferably solid. By being solid, it becomes easy to disperse water-soluble particles in a state exhibiting the preferred average particle size regardless of the compatibility with the matrix material. Therefore, it is preferable to select the type of water-soluble particles according to the processing temperature of the matrix material to be used.
[0023]
The polishing pad of the present invention is capable of holding the slurry by the aforementioned pores and further allowing the polishing debris to stay temporarily. The planar shape of the polishing pad is not particularly limited, and may be, for example, a circle (disk shape or the like) or a polygon {square or the like (belt shape or roller shape)}. Also, the size is not particularly limited. For example, in the case of a disk shape, the diameter may be 500 to 900 mm.
[0024]
In addition, the polishing pad of the present invention may not have a thin-walled portion, but in general, when light is transmitted through a translucent object, the intensity of the light is proportional to the square of the length of the transmitted object. It attenuates. Therefore, the transmittance can be dramatically improved by thinning the transmitting portion. For example, in a polishing pad used for polishing for optically detecting the end point, even if it is difficult to transmit light having a sufficient intensity for detecting the end point except for the thinned portion, the end point is detected in the thin portion. It is possible to ensure sufficient light intensity.
[0025]
Therefore, it is preferable to have a thin portion. The thin portion is a portion formed thinner than the maximum thickness of the polishing pad (for example, FIGS. 1 to 4). The planar shape of the thin portion is not particularly limited, and may be, for example, a circle, a sector (a shape obtained by cutting a circle or a ring by a predetermined angle), a polygon (a square, a rectangle, a trapezoid, or the like), and a ring. Moreover, the cross-sectional shape of a thin part can be made into a polygon (square, pentagon etc.), a dome shape, or other shapes, for example (refer FIGS. 1-4), and the upper direction in each figure is a grinding | polishing surface. Suppose).
[0026]
Further, the number of thin portions provided in the polishing pad is not particularly limited, and may be one or two or more. Further, the arrangement is not particularly limited. For example, when one thin portion is provided, it can be arranged as shown in FIGS. Further, when two or more thin portions are provided, they can be formed concentrically (FIG. 7) or the like.
[0027]
Although the thickness in this thin part is not specifically limited, Usually, it is preferable that the thinnest thickness in a thin part is 0.1 mm or more (more preferably 0.3 mm or more, usually 3 mm or less). If it is less than 0.1 mm, it tends to be difficult to ensure sufficient mechanical strength in this portion. In addition, the size of the thin portion is not particularly limited. For example, in the case of a circular shape, the diameter is preferably 20 mm or more, and in the case of an annular shape, the width is preferably 20 mm or more, and the shape is rectangular. The length is preferably 30 mm or more and 10 mm or more.
[0028]
Further, the thin wall portion may be formed by notching the front surface side of the polishing pad (see FIG. 2), but it is preferable to form the back surface side by notching (see FIG. 1). Since the back surface side is recessed, good translucency can be obtained without affecting the polishing performance.
[0029]
In addition to the recesses for obtaining this thin portion, the surface (polishing surface) of the polishing pad of the present invention may be used as necessary for the purpose of improving the retention of the slurry and improving the discharge of the used slurry. Thus, grooves can be formed with a predetermined width (for example, 0.1 to 2 mm), depth, and interval, or a dot pattern can be provided. These grooves and dot patterns can be formed in a predetermined shape (for example, concentric circle shape, lattice shape, spiral shape, radial shape, etc.). Moreover, this groove | channel and dot pattern can also be shared by the recessed part recessed in order to form the said thin part.
[0030]
In the present invention, the “translucency” is defined as follows.
[0031]
In the polishing pad of the present invention for use in polishing using an optical end-point detector, since it preferably has high transmittance in 400~800nm frequency of use as the endpoint detecting light is particularly high region, the thickness In the case of 2 mm, the transmittance at any wavelength between 400 and 800 nm is 0.1% or more (more preferably 1% or more, further preferably 2% or more, particularly preferably 3% or more, usually 50 % Or less, or the integrated transmittance in any wavelength region between 400 and 800 nm is 0.1% or more (more preferably 1% or more, still more preferably 2% or more, particularly preferably 3%). Above, usually 50% or less).
However, the transmittance or the integrated transmittance does not need to be higher than necessary, and is usually 20% or less, may be 10% or less, and particularly may be 5% or less.
[0032]
This transmittance is a value obtained when the transmittance at each wavelength is measured using an apparatus such as a UV absorptiometer capable of measuring the absorbance at a predetermined wavelength on a test piece having a thickness of 2 mm. The integrated transmittance can also be obtained by integrating the transmittance in a predetermined wavelength range measured in the same manner.
[0033]
In addition to the matrix material and water-soluble particles, the polishing pad of the present invention includes abrasive grains, oxidizers, alkali metal hydroxides and acids, pH regulators, surfactants conventionally contained in the slurry. In addition, at least one kind such as an anti-scratch agent can be contained within a range in which translucency can be maintained. As a result, polishing can be performed by supplying only water during polishing.
[0034]
Moreover, a compatibilizing agent can be blended in order to make the affinity between the matrix material and the water-soluble particles and the dispersibility of the water-soluble particles in the matrix material preferable. Examples of compatibilizers include polymers modified with acid anhydride groups, carboxyl groups, hydroxyl groups, epoxy groups, oxazoline groups, amino groups, block copolymers, random copolymers, and various nonionic types. Surfactants, coupling agents and the like can be mentioned.
[0035]
Furthermore, the polishing pad of the present invention may contain various additives such as a filler, a softener, an antioxidant, an ultraviolet absorber, an antistatic agent, a lubricant, and a plasticizer as necessary. Furthermore, reactive additives such as sulfur and peroxide can be added to react and crosslink. In particular, as fillers, materials that improve rigidity such as calcium carbonate, magnesium carbonate, talc, clay, etc., and polishing effects such as silica, alumina, ceria, zirconia, titania, manganese dioxide, dimanganese trioxide, barium carbonate, etc. A material or the like may be used.
[0036]
The slurry in the present specification means an aqueous dispersion containing at least abrasive grains, but the slurry may be supplied from the outside during polishing, and also contains abrasive grains and the like. It may be only an aqueous medium that does not. In the case where only the aqueous medium is supplied, for example, abrasive grains discharged from the polishing pad and the aqueous medium are mixed in the course of polishing to form a slurry.
[0037]
The polishing multilayer for semiconductor wafer of the present invention (hereinafter also simply referred to as “polishing multilayer”) includes a polishing pad for semiconductor wafer of the present invention and a support layer laminated on the back side of the polishing pad for semiconductor wafer. And having translucency in the stacking direction.
[0038]
The “support layer” is a layer laminated on the back side opposite to the polishing surface of the polishing pad. The planar shape of the support layer is not particularly limited, and may be, for example, a circle or a polygon (such as a quadrangle), but is usually the same planar shape as the polishing pad, and further is a thin plate. Further, the number of layers of the support layer is not limited, and may be one layer or two or more layers. Furthermore, when two or more support layers are laminated, each layer may be the same or different.
[0039]
The total thickness of the support layer is not particularly limited, but can usually be 0.1 to 2 times the thickness of the polishing pad. Also, the hardness of the support layer is not particularly limited, but even if the Shore D hardness is 10 to 80 (more preferably 20 to 50), the Shore D hardness of the polishing pad is as high as 60 to 90. At the time of polishing, the entire polishing multilayer body has sufficient flexibility and can have appropriate followability to the unevenness of the surface to be polished.
In order that this support layer does not impair the translucency of the polishing pad, the support layer itself preferably has translucency. Therefore, a part of the support layer may be thinned or cut out, and a member having translucency may be joined to the cutout.
[0040]
Since the polishing pad and the polishing multilayer body of the present invention have translucency, they can be used in a semiconductor wafer polishing apparatus equipped with an optical end point detector. The optical end point detector is an apparatus that can transmit light from the back surface side of the polishing pad to the polishing surface side and detect the polishing end point of the surface to be polished from the light reflected on the surface of the object to be polished. Other measurement principles are not particularly limited.
[0041]
The method for polishing a semiconductor wafer according to the present invention is a method for polishing a semiconductor wafer using the polishing pad or polishing multilayer according to the present invention, wherein the polishing end point of the semiconductor wafer is detected using an optical end point detector. It is characterized by.
[0042]
The “optical end point detector” is the same as described above. According to the semiconductor wafer polishing method of the present invention, polishing can be performed while constantly observing the polishing end point, and polishing can be reliably completed at the optimum polishing end point.
As a method for polishing a semiconductor wafer of the present invention, for example, a polishing apparatus as shown in FIG. 8 can be used. That is, a
[0043]
In this polishing apparatus, the polishing pad (polishing multilayer body) 1 of the present invention is fixed on a surface plate, while the
[0044]
In this polishing, the end point detection light R 1 having a predetermined wavelength or wavelength range is sent from the optical end point detector to the surface plate (the surface plate itself has translucency or a part thereof is cut off. The end point detection light can pass therethrough) and is irradiated toward the surface to be polished of the semiconductor wafer. Then, the reflected light R 2 reflected by the polishing target surface of the semiconductor wafer is captured by the optical end point detector, and polishing can be performed while observing the state of the polishing target surface from the reflected light. .
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
[1] 1,2-polybutadiene (manufactured by JSR Corporation, product name “JSR RB830”) that is crosslinked after the production of the polishing pad to form a matrix material, and β-cyclodextrin (Yokohama International Bio-Research) as water-soluble particles 20% by volume manufactured by Tokoro Co., Ltd., product name “Dexy Pearl β-100”) was kneaded in a kneader heated to 120 ° C. Then, 0.2 parts by mass of dicumyl peroxide (manufactured by Nippon Oil & Fats Co., Ltd., product name “Park Mill D”) converted to 100 parts by mass of 1,2-polybutadiene and β-cyclodextrin was added. After further kneading, a crosslinking reaction was carried out in a press die at 170 ° C. for 20 minutes, followed by molding to obtain a polishing pad having a diameter of 60 cm and a thickness of 2 mm.
[0046]
[2] Measurement of transmittance Using a UV absorptiometer (manufactured by Hitachi, Ltd., model “U-2010”), the transmittance at a wavelength of 400 to 800 nm was measured at five different points on the polishing pad, and the average value was calculated. Calculated. As a result, the average integrated transmittance of 5 times was 7%. Further, the transmittance at 633 nm (a wavelength of a general He—Ne laser) was 6.5%.
[0047]
【The invention's effect】
According to the polishing pad and polishing multilayer body of the present invention and the semiconductor wafer polishing method of the present invention, optical end point detection can be performed without degrading the polishing performance. In addition, according to the polishing pad and the polishing multilayer body of the present invention, it is possible to optically observe not only the polishing end point but also the entire polishing situation throughout the whole.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a cross section in a thin portion of a polishing pad of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a cross section in a thin portion of the polishing pad of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing an example of a cross section in a thin portion of the polishing pad of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing an example of a cross section in a thin portion of the polishing pad of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing an example of the planar shape of the thin portion of the present invention as viewed from the back side.
FIG. 6 is a schematic view showing an example of the planar shape of the thin portion of the present invention as viewed from the back side.
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the planar shape of the thin portion of the present invention viewed from the back surface direction.
FIG. 8 is a schematic view illustrating a polishing apparatus using the polishing pad or the polishing multilayer body of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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