化学的機械研磨(CMP)プロセスにおける微粒子ダイナミクスの解明

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11450288
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 宝沢 光紀 東北大学, 反応化学研究所, 教授 (70005338)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 久保 正樹 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50323069) ; 塚田 隆夫 東北大学, 反応化学研究所, 助教授 (10171969)
• Keywords: CMP / 微粒子ダイナミクス / ポリスチレン粒子 / 数値シミュレーション / 修正離散要素法 / その場観察 / レーザ顕微鏡

Research Abstract

化学的機械研摩(Chemical Mechanical Polishing,以下CMP)は、デバイスウエハをナノスケール精度で平坦化する新規研摩技術として注目を集めている。しかし、大半の研究は機械的要因に着目しており、化学的要因、中でもスラリー中の微粒子のダイナミクスが研摩に及ぼす影響に関しては、研究例は僅少である。本研究では、CMPにおける微粒子のダイナミクスと研摩機構との関連を解明することを目指し、その基礎研究として、狭壁面間に形成されたせん断流中の微粒子の凝集過程に関し、流体力学的及びコロイド化学的相互作用を考慮した微粒子凝集状態に関する数値シミュレーションを行うとともに、レーザ顕微鏡によるその場観察を試みた。
解析では、コロイド相互作用を導入した修正離散要素法に基づく数理モデルを構築し、水中の直径2μmのポリスチレン粒子を想定し、粒子の凝集挙動に及ぼす壁面間隔d_w/a(=5〜30,d_w:壁面間隔、a:粒子半径)、粒子表面電位ψ_p(-20〜20mV)及び壁面電位ψ_w(-100〜100mV)の影響について検討した。結果として、凝集体サイズは、1)壁面間隔d_w/aの増大とともに増加するが、d_w/aが15以上ではほぼ一定となる、2)粒子間引力が最も大きい壁面電位ψ_p=0で最大となるのではなく、ψ_p=10mVで最大を示す、3)粒子間引力が粒子壁面間引力よりも大きくなる壁面電位の領域で上昇する、ことがわかった。
実験においては、シリコンウェハとガラス平板の間の狭壁面間に形成されたせん断水流中のポリスチレン粒子の凝集挙動に及ぼす壁面間隔(30〜100μm)及びせん断速度(20〜80s^<-1>)の影響を、レーザー顕微鏡によるその場観察を通して検討した。結果として、壁面間隔の減少に伴い、凝集体サイズが小さくなることなどを確認することができた。