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CN110520971B - Cmp装置的晶圆保持用的弹性膜 - Google Patents

Cmp装置的晶圆保持用的弹性膜 Download PDF

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CN110520971B CN201880024397.4A CN201880024397A CN110520971B CN 110520971 B CN110520971 B CN 110520971B CN 201880024397 A CN201880024397 A CN 201880024397A CN 110520971 B CN110520971 B CN 110520971B
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Abstract

CMP装置的晶圆保持用的弹性膜(10)具有由弹性材料形成的膜主体(11)、以及以覆盖其晶圆保持侧的表面的方式而设置的涂布层(12)。涂布层(12)包含高分子粘合剂、以及分散于该高分子粘合剂中的非金属颗粒。

Description

CMP装置的晶圆保持用的弹性膜
技术领域
本发明涉及CMP装置的晶圆保持用的弹性膜。
背景技术
随着半导体芯片的微细化推进，在其水平方向的尺寸变小的同时，垂直方向的结构变复杂，因而必需将加工对象的晶圆的表面进行平整化，因此用于将晶圆的表面研磨进行平整化的CMP(化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing))装置正在进行实用化。CMP装置将由晶圆保持构件保持的晶圆抵接于研磨垫而将表面进行研磨，在晶圆保持构件中，设置了用于以均匀的压力将晶圆抵接于研磨垫的晶圆保持用弹性膜。另外，对于该弹性膜而言，为了防止晶圆密接而变得不能剥离从而发生破损这一情况，而在膜主体的晶圆保持面设置了涂布层。例如，在专利文献1中公开了一种晶圆保持用弹性膜，其在晶圆保持面设有聚对二甲苯涂布层(Parylene Coating)。在专利文献2中公开了一种晶圆保持用弹性膜，其在晶圆保持面设有氟树脂涂布层。另外，虽然不是晶圆保持用弹性膜，但是在专利文献3中公开了一种橡胶制品，其在表面设有类金刚石碳(diamond-like carbon、DLC)涂布层。在专利文献4中公开了一种橡胶密封件，其在表面设有有机硅树脂(silicone resin)涂布层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利公开公报2005/0221734号
专利文献2：日本特许第4086722号公报
专利文献3：日本特许第3791060号公报
专利文献4：日本特开平2-64109号公报
发明内容
发明想要解决的课题
作为CMP装置的晶圆保持用弹性膜的涂布层所要求的特性，可以列举：用于抑制晶圆的剥离不良的高滑动性以及低粘合性、用于防污的高防水性、利于耐久性的高耐磨性、用于维持以均匀压力朝向研磨垫抵接的低硬度、用于抑制因涂布层脱落而导致的晶圆剥离不良以及用于防污的对膜主体的高密合性、以及对膜主体的分别涂布容易性。
但是，对于专利文献1公开的聚对二甲苯涂布层而言，粘合性高，防水性低，硬度高，耐磨性低，此外，由于是基于蒸镀而得到的涂布层，因而成本高。对于专利文献2公开的氟树脂涂布层而言，耐磨性低，与膜主体的密合性低。对于专利文献3公开的类金刚石碳涂布层而言，滑动性低，防水性低，硬度高，与膜主体的密合性低，此外，由于是基于蒸镀而得到的涂布层，因而成本高。对于专利文献4中公开的有机硅树脂涂布层而言，滑动性低，耐磨性低。如上所述专利文献1～4公开的涂布层没有满足CMP装置的晶圆保持用弹性膜的涂布层所要求的全部特性。
本发明的课题在于提供一种CMP装置的晶圆保持用的弹性膜，其具有高滑动性以及低粘合性、高防水性、高耐磨性、低硬度、对膜主体的高密合性、以及分别涂布容易性的全部性质。
用于解决课题的方案
本发明是CMP装置的晶圆保持用的弹性膜，其具有由弹性材料形成的膜主体、以及以覆盖上述膜主体的晶圆保持侧的表面的方式设置的涂布层，上述涂布层包含高分子粘合剂、以及分散于上述高分子粘合剂中的非金属颗粒。
发明的效果
根据本发明，通过使涂布层包含高分子粘合剂和分散于该高分子粘合剂中的非金属颗粒、且使该涂布层以覆盖膜主体的保持晶圆的表面的方式设置，从而可获得高滑动性以及低粘合性、高防水性、高耐磨性、低硬度、对膜主体的高密合性以及分别涂布容易性中的全部性质。
附图说明
图1是实施方式的弹性膜的截面图。
具体实施方式
以下，对实施方式进行详细说明。
图1示出实施方式中的CMP装置A的晶圆保持用的弹性膜10。此实施方式中的弹性膜10按照如下的方式构成：一侧的面以对置的方式装载在CMP装置A，在露出于外部的另一侧的面上吸附保持晶圆S使其抵接于研磨垫P。予以说明的是，以下，将实施方式中的弹性膜10的两面中的一侧以及另一侧分别称为“装置安装侧”以及“晶圆保持侧”。
实施方式中的弹性膜10具有构成其外形的膜主体11。膜主体11形成为浅底的圆形盘状，该圆形盘具有圆形部11a、筒状部11b(纵壁状地一体地设置于圆形部11a的周边的装置安装侧)以及环状部11c(按照与筒状部11b的上端连续且向内侧延伸的方式一体地设置)。另外，膜主体11的内侧被划分为环状的多个压力室。
膜主体11由弹性材料形成。作为形成膜主体11的弹性材料，例如，可以列举有机硅橡胶(silicone rubber)、氯丁橡胶、EPDM、NBR、天然橡胶、氟橡胶等一般的交联橡胶材料。形成膜主体11的弹性材料优选使用它们之中的1种或2种以上，从以均匀的压力将晶圆S抵接于研磨垫P的观点考虑，更优选使用柔软性高的有机硅橡胶。作为有机硅橡胶，例如可以列举含有(甲基)丙烯酰氧基的聚硅氧烷、乙烯基聚硅氧烷、含巯基烷基的聚硅氧烷等。
实施方式中的弹性膜10具有以覆盖膜主体11的表面的方式设置的涂布层12。具体而言，涂布层12按照将膜主体11的圆形部11a的晶圆保持侧的表面进行覆盖的方式设置，通过其表面而构成了晶圆吸附面。关于涂布层12，从通过提高滑动性而实现对CMP装置A的装载容易性的观点考虑，优选按照如下的方式设置：与圆形部11a的晶圆保持侧的表面连续、也覆盖筒状部11b的外周面。另一方面，为了平滑地研磨晶圆，需要精密地控制膜主体11的内侧的压力室的压力，但是如果设置涂布层12直至膜主体11的内侧时，则引起压力的泄露，使得压力的控制变难，因而优选在膜主体11的装置安装侧、即、圆形部11a的装置安装侧的表面、筒状部11b的内周面以及环状部11c的两面不设置涂布层12。
涂布层12包含高分子粘合剂以及分散于该高分子粘合剂中的非金属颗粒。
高分子粘合剂优选以包含UV固化型在内的光固化型和/或热固化型的覆膜的形式构成。作为该高分子粘合剂，例如可以列举有机硅橡胶(silicone rubber)、改性有机硅橡胶、有机硅树脂(silicone resin)、改性有机硅树脂、环氧树脂、丙烯酸类橡胶、丙烯酸类树脂、聚氨酯橡胶、聚氨酯树脂等。
高分子粘合剂优选使用它们之中的1种或2种以上。由于膜主体11优选由有机硅橡胶形成，因而从与膜主体11的亲和性这样的观点考虑，高分子粘合剂优选使用有机硅橡胶或者有机硅树脂，从涂布的柔软性这样的观点考虑，更优选使用有机硅橡胶。有机硅橡胶大致划分为液状有机硅橡胶与固形有机硅橡胶，两者都可以通过溶解于溶剂而使用，但是在使固形有机硅橡胶溶解的情况下，容易引起拉丝，因而更优选使用液状有机硅橡胶。液状有机硅橡胶根据交联形态而分为缩聚型与加聚型，但加聚型容易遭受催化剂毒物，使得膜主体11和/或非金属颗粒的种类受限制，因而更优选使用缩聚型。关于缩聚型的液状有机硅橡胶，根据反应机理而分为例如乙酸型、醇型、肟型(oxime type)、胺型、氨氧型(aminoxyltype)、丙酮型、脱氢型、脱水型等，但是从对于金属的腐蚀性的观点考虑，特别优选使用醇型、丙酮型。
非金属颗粒由热塑性树脂或热固性树脂构成。作为形成非金属颗粒的树脂，例如可以列举氟系树脂、聚烯烃系树脂、聚酰胺系树脂、聚缩醛系树脂、酚醛系树脂等。
作为氟系树脂，例如可以列举聚四氟乙烯(以下称为“PTFE”。)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯三氟乙烯(CTFE)、四氟乙烯-六氟共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-聚氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)等。
作为聚烯烃系树脂，例如可以列举聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯-丙烯共聚物(EPR)等。作为聚酰胺系树脂，例如可以列举尼龙66(PA66)、尼龙46(PA46)等脂肪族聚酰胺；尼龙6T(PA6T)、尼龙9T(PA9T)等半芳香族聚酰胺。作为聚缩醛系树脂，例如可以列举在单元结构中具有氧代亚甲基结构的均聚物和/或共聚物。作为酚醛系树脂，例如可以列举酚醛清漆型酚醛树脂(novolak type phenolic resin)和/或甲阶型酚醛树脂(resol typephenolic resin)等。
关于非金属颗粒，优选使用它们之中的1种或2种以上，从可获得非粘合性、高滑动性以及高防水性的观点考虑，优选使用氟系树脂，更优选使用PTFE。
关于非金属颗粒的平均粒径，从可获得高滑动性的观点考虑，优选为0.01μm以上且20μm以下，更优选为0.1μm以上且10μm以下。非金属颗粒的平均粒径根据激光衍射散射法而求出。
关于涂布层12中的非金属颗粒的含量，从可获得高滑动性以及高防水性的观点考虑，相对于高分子粘合剂100质量份，优选为25质量份以上且500质量份以下，更优选为60质量份以上且120质量份以下。
涂布层12也可含有抗静电剂。作为抗静电剂，例如列举离子液体。关于该离子液体，例如，作为离子液体，列举吡啶鎓(pyridinium)系离子液体、脂肪族胺系离子液体、脂环式胺系离子液体、咪唑鎓(imidazolium)系离子液体、脂肪族鏻系离子液体等。抗静电剂优选使用它们之中的1种或2种以上的离子液体。关于涂布层12中的抗静电剂的含量，相对于高分子粘合剂100质量份，优选为0.2质量份以上且20质量份以下，更优选为1质量份以上且10质量份以下。
对于涂布层12，在此外也可含有催化剂、润滑剂、脱模剂等。
关于涂布层12的厚度，从可获得高滑动性以及高防水性的观点、并且从抑制涂布层12剥离的性能与成本的均衡性的观点考虑，优选为1μm以上且20μm以下，更优选为2μm以上且10μm以下。
关于涂布层12的表面的算术平均粗糙度(Ra)，从获得非粘合性、高滑动性以及高防水性的观点考虑，优选为0.1μm以上且5μm以下，更优选为0.3μm以上且3μm以下。
接着，对实施方式中的弹性膜10的制造方法进行说明。
首先，利用加压成型等制作膜主体11。另外，将高分子粘合剂原料(basematerial)、非金属颗粒、催化剂以及溶剂(二甲苯、甲苯、己烷等)进行混合制备涂布液。
接着，在膜主体11的涂布层12的成膜预定部分(膜主体11的圆形部11a的晶圆保持侧的表面以及与其连续的筒状部11b的外周面)涂布涂布液。作为涂布方法，例如可以列举喷涂法、旋涂法、浸渍涂布法(dip coating method)等。其中，从涂布层12的分别涂布和/或膜厚调整的容易程度以及成本的观点考虑，优选为喷涂法。
而后，在膜主体11涂布了涂布液后，用烘箱和/或热板进行加热而制成涂布层12，由此获得实施方式中的弹性膜10。此时的加热温度例如为80℃以上且120℃以下，以及加热时间为20分钟以上且40分钟以下。
根据以上构成的实施方式中的弹性膜10，由于涂布层12(以覆盖膜主体11的晶圆保持侧的表面的方式设置)包含高分子粘合剂和分散于该高分子粘合剂中的非金属颗粒，因而通过非金属颗粒而具有用于抑制晶圆S剥离不良的高滑动性以及低粘合性、用于防污的高防水性、以及利于耐久性的高耐磨性，此外，基于高分子粘合剂的柔软性而也具有用于维持以均匀压力向研磨垫P抵接的低硬度、以及用于抑制因涂布层12脱落而导致的晶圆S剥离不良以及用于防污的对膜主体11的高密合性，而且，由于可以利用喷涂法、旋涂法、浸渍涂布法等一般涂布方法进行涂布层12的成膜，因而可将成膜加工成本抑制在低水平，另外，可容易地进行分别涂布以及膜厚调整。因此，实施方式中的弹性膜10的涂布层12能获得其所要求的高滑动性以及低粘合性、高防水性、高耐磨性、低硬度、对膜主体11的高密合性、以及分别涂布容易性中的全部性质。
实施例
(涂布层试验片)
制作在下述各试验中使用的以下实施例1～3以及比较例1～5的试验片。
＜实施例1＞
通过加压成型制作出有机硅橡胶制的基材。另外，相对于高分子粘合剂原料的液状缩合固化型有机硅橡胶(KE12，信越化学工业公司制造)100质量份，混合非金属颗粒的PTFE粉末(Ruburon L-2，Daikin Industries,Ltd.制造，平均粒径3.5μm)82.5质量份、催化剂CAT-RM 0.9质量份，将其添加至有机溶剂中使固态成分浓度为10质量％，从而制成涂布液。
利用喷涂法将涂布液涂布于基材的表面，利用烘箱以80℃对其实施30分钟的加热处理，制成膜厚2.5μm的涂布层。将所获得的试验片作为实施例1。
＜实施例2＞
增加涂布次数，使涂布层的膜厚为10μm，除此以外，通过与实施例1同样的方法获得试验片，将该试验片作为实施例2。
＜实施例3＞
在实施例2中，相对于液状缩合固化型有机硅橡胶100质量份，添加抗静电剂(CIL-312，Japan Carlit Co.,Ltd.制造)3.8质量份，除此以外，通过与实施例2同样的方法获得试验片，将该试验片作为实施例3。
＜比较例1＞
将不对基材实施涂布的试验片作为比较例1。
＜比较例2＞
通过蒸镀在基材上形成膜厚为0.5μm的聚对二甲苯涂布层，将由此所得的试验片作为比较例2。
＜比较例3＞
通过蒸镀在基材上形成膜厚为0.5μm的类金刚石碳涂布层，将由此得到的试验片作为比较例3。
＜比较例4＞
使用氟系涂布剂(MK-2，AGC Seimi Chemical Co.,Ltd.制造)在基材上形成膜厚10μm的涂布层，将由此得到的试验片作为比较例4。
＜比较例5＞
使用有机硅(Silicone)系涂布剂(HS-4，TANAC Co.,Ltd.制造)在基材上形成膜厚10μm的涂布层，将由此得到的试验片作为比较例5。
＜比较例6＞
使用氟改性有机硅系涂布剂(SAT-1000P，Shinko Technical Research Co.,Ltd.制造)在基材上形成膜厚10μm的涂布层，将由此得到的试验片作为比较例6。
(试验评价方法)
＜滑动性＞
准备实施例1～3以及比较例1～6的长度100mm、宽度50mm以及厚度2mm的片状试验片，使用表面性测定仪(HEIDON TYPE：14，新东科学公司制造)求出各个涂布层的静止摩擦系数。具体而言，对于试验片，利用甲醇将涂布层的表面进行清洗之后，在温度20℃以及湿度40％的气氛下使其干燥，然后将该试验片置于表面性测定仪的载物台，使SUS304制测头的直径10mm的球面上形成的前端抵接于涂布层，施加0.98N的负荷，使测头以移动速度75mm/min在涂布层上滑动。而后，根据此时测定的摩擦力而算出静止摩擦系数。此静止摩擦系数越小，则滑动性越高。
＜粘合性＞
准备实施例1～3以及比较例1～6的内径14.5mm以及线径4.0mm的V-15尺寸的O-环状的试验片，求出对试验夹具的固着力作为各自的粘合性。具体而言，用SUS304制的2片的板状试验夹具夹持试验片，压缩25％从而固定，在该状态下在温度175℃下实施24小时加热处理，接着在室温下冷却8小时，然后将2片试验夹具以1mm/min的速度进行分离，同时用负荷传感器(load cell)测定此时的分离力，将其最大值作为固着力。此固着力越低，则粘合性越低。
＜防水性＞
准备实施例1～3以及比较例1～6的长度100mm、宽度50mm以及厚度2mm的片状试验片，使用接触角测量计(DMo-501，协和界面科学公司制造)测定出各个涂布层与纯水的接触角。关于试验片，使用在用甲醇清洗涂布层的表面之后在温度20℃以及湿度40％的气氛下进行了干燥的试验片。此接触角越大，则防水性越高。
＜耐磨性＞
对实施例1～3以及比较例1～6的片状试验片进行推力磨耗试验。具体而言，使S45C制的环状的试验夹具的算术平均粗糙度(Ra)为1.0±0.5μm的端面抵接于涂布层的表面，在室温下，以0.5m/sec(417rpm)的转速使试验夹具进行旋转，另外，此时用试验夹具将试验片以10N的负荷压缩了5分钟，然后以每5分钟10N将负荷升高至60N。而后，算出试验前后的磨耗减量。此磨耗减量越小，则耐磨性越高。
＜硬度＞
针对实施例1～3以及比较例1～6的片状试验片，使用微橡胶硬度计(MD-1capa，高分子计器公司制造)测定出各个涂布层的与肖氏(shore)A相当的硬度。
＜密合性＞
针对实施例1～3以及比较例2～6的片状试验片，将使其拉伸了80％时的涂布层的表面用显微镜放大至100倍进行观察，确认出有无裂纹。只要在涂布层中未发现裂纹，则涂布层对基材的密合性高。
另外，对于实施例1～3以及比较例1～6的片状试验片，基于JIS K 5600-5-6利用横切法进行附着性试验，确认了涂布层有无从基材剥离。只要未发现涂布层的剥离，则涂布层对基材的密合性高。
＜抗静电性＞
对于实施例1～3以及比较例1～6的片状试验片，依照JIS L1094：2014中规定的A法(半衰期测定法)测定出静电压的初始值。此静电压越低，则抗静电性越高。
(试验评价结果)
表1示出试验结果。
[表1]
根据表1可知，在高分子粘合剂中分散有非金属颗粒的涂布层的实施例1～3中，具有高滑动性以及低粘合性、高防水性、高耐磨性、低硬度、以及高密合性中的全部性质。
另一方面，在没有设置涂布层的比较例1中，滑动性低，防水性低，硬度低，耐磨性显著低。在聚对二甲苯涂布层的比较例2中，粘合性高，防水性低，硬度高，耐磨性低。在类金刚石碳涂布层的比较例3中，滑动性低，防水性低，硬度高，密合性低。在氟系涂布剂的涂布层的比较例4中，耐磨性低，密合性低。在有机硅系涂布剂的涂布层的比较例5中，滑动性低，耐磨性低。在氟改性有机硅系涂布剂的涂布层的比较例6中，防水性低，耐磨性低。
另外确认了，含有抗静电剂的实施例3与其它例相比抗静电性优异。
产业上的可利用性
本发明对CMP装置的晶圆保持用的弹性膜的技术领域是有用的。
标号说明
A CMP装置，S 晶圆，P 研磨垫，10 弹性膜，11 膜主体，11a 圆形部，11b 筒状部，11c 环状部，12 涂布层

Claims (15)

1.一种弹性膜，其为CMP装置的晶圆保持用的弹性膜，
所述弹性膜具有：
由弹性材料形成的膜主体、以及
以覆盖所述膜主体的晶圆保持侧的表面的方式而设置的涂布层，
所述涂布层包含高分子粘合剂以及分散在所述高分子粘合剂中的非金属颗粒，所述高分子粘合剂由有机硅橡胶形成，所述非金属颗粒由聚四氟乙烯构成。
2.根据权利要求1所述的弹性膜，其中，形成所述高分子粘合剂的所述有机硅橡胶为液状有机硅橡胶。
3.根据权利要求2所述的弹性膜，其中，所述液状有机硅橡胶是缩聚型的液状有机硅橡胶，其反应机理是醇型或丙酮型的反应机理。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，所述非金属颗粒由热塑性树脂或热固性树脂构成。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，所述非金属颗粒的平均粒径为0.01μm以上且20μm以下。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，所述涂布层中的所述非金属颗粒的含量相对于所述高分子粘合剂100质量份而言为25质量份以上且500质量份以下。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，所述涂布层含有抗静电剂。
8.根据权利要求7所述的弹性膜，其中，所述抗静电剂为离子液体。
9.根据权利要求7所述的弹性膜，其中，所述涂布层中的所述抗静电剂的含量相对于所述高分子粘合剂100质量份而言为0.2质量份以上且20质量份以下。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，所述涂布层的厚度为1μm以上且20μm以下。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，所述涂布层的表面的算术平均粗糙度(Ra)为0.1μm以上且5μm以下。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，
所述膜主体具有：
晶圆保持侧的表面被所述涂布层覆盖的圆形部、以及
筒状部，其纵壁状地一体地设置于所述圆形部的周边的装置安装侧。
13.根据权利要求12所述的弹性膜，其中，所述涂布层按照如下的方式设置：与所述圆形部的晶圆保持侧的表面连续，也覆盖所述筒状部的外周面。
14.根据权利要求12所述的弹性膜，其中，在所述圆形部的装置安装侧的表面以及所述筒状部的内周面，没有设置所述涂布层。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的弹性膜，其中，所述膜主体由有机硅橡胶形成。
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