JP2003151936A

JP2003151936A - パッドコンディショナー

Info

Publication number: JP2003151936A
Application number: JP2002246197A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukushima; 健二福島; Hajime Asahino; 肇旭野; Kazunori Kadomura; 和徳門村
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2003-05-23

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンウエハーなどの半導体デバイス基板
の研磨工程に用いるＣＭＰ用の研磨パッドのパッドコン
ディショナーにおいて、寿命が長く、超砥粒の脱落がない
ものを提供する。【解決手段】円錐面部の母線と、円盤状台金の回転軸
に直交しかつ母線に交差する線とのなす角度が、０．５
度以上５度以下であるパッドコンディショナーを提供す
る。超砥粒のサイズは、平均粒径３０〜３００μｍが好
ましい。また、超砥粒は、結合材からの平均突き出し量
が、超砥粒の平均粒径の３％以上５０％以下であること
が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パッドコンディシ
ョナーに関し、特に、半導体基板加工に用いるＣＭＰ
（Chemical Mechanical Polishing）用の研磨パッド
のパッドコンディショナーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＭＰは、シリコンウエハ及びウエハ上
の多層配線部を加工変質層なしで平坦化する方法であ
る。ＣＭＰでは、酸性又はアルカリ性水溶液にシリカ等
微粒子を混濁させたスラリーと、発泡ポリウレタン、ポ
リエステル不織布等からなる研磨パッドが用いられる。
シリコンウエハーなどを研磨するに従い、研磨パッドが
目詰りを生じたり平面度が低下するため、常時又は定期
的に研磨パッドをドレッシングして、平面度の精度保持
と目詰りの解消をする必要が生じる。ここに使われるド
レッシング工具は、円板状あるいはリング状の金属製台
金の表面にダイヤモンド砥粒或いは、ＣＢＮ砥粒などの
超砥粒が単層固着されたもので、パッドコンディショナ
ーと呼ばれている。

【０００３】従来のパッドコンディショナーは、その超
砥粒が固着された砥面、即ち作用面が、回転軸に対し垂
直である為、弾性体である研磨パッドをドレッシングし
た際、コンディショナーの最外周部付近の砥粒しか作用
せず、寿命が短かく、ドレッシング性能が不安定であっ
た。また、ドレッシング時の応力が、最外周部に集中す
るため、超砥粒が超砥粒層から脱石したり、破砕したり
する。脱落した超砥粒および破片が研磨パッドに固着
し、研磨時シリコンウエハ表面にスクラッチ傷を生じる
問題があった。

【０００４】又、特開２００１−３８６３７号公報に記
載された発明は、超砥粒層の縦断面視で超砥粒層の内周
側に平坦部が形成されていると共に側面に鋭角の傾斜角
をなす第一から第四傾斜面が設けられている発明であ
る。そして頂部平坦部の内周側と外周側の両方に超砥粒
層が設けられている。

【０００５】前記公報の発明では、超砥粒層の頂部から
外周側の超砥粒は研磨に大きく寄与するが、超砥粒層の
頂部から内周側の超砥粒は研磨パッドの研磨には寄与し
ない。従って、内周側の超砥粒は、不要な砥粒と言うこ
とが出来る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決するためになされたものである。すなわち、パ
ッドコンディショナーにおいて、寿命が長くドレッシン
グ性能が初期より安定し、しかも超砥粒が、砥粒層より
脱石せず、且つ、ミクロな破砕を起こさないものを提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】円盤状台金の表面に超砥
粒を単層固着した超砥粒層を有するパッドコンディショ
ナーであって、前記円盤状台金は、超砥粒が固着される
円錐面部を有し該円錐面部は内周側が外周側より高く、
円錐面部の母線と、該円盤状台金の回転軸に直交しかつ
該母線と交差する線とのなす角度θが、０．５度以上５
度以下であることを特徴とするパッドコンディショナ
ー。

【０００８】ここで、超砥粒層に角度θを設けた理由に
ついて説明する。研磨パッドは、弾性変形を起こし易い
材料で構成されていて、シリコンウエハーやウエハー状
の多層配線基板の形状になじみ易くなっている。そし
て、パッドコンディショナーと研磨パッドは、後で図２
を用いて説明するように、相互に移動と回転をしながら
研磨パッドをドレッシングしている。従って、従来の回
転軸と直交する超砥粒層を持つパッドコンディショナー
で研磨すれば、ドレッシング時の回転軸方向のドレッシ
ング圧力により研磨パッドが、パッドコンディショナー
の角に最も強く当たる。従って、研磨パッドの回転によ
り、超砥粒層の最外周部付近の砥粒に加工負荷が集中す
る。

【０００９】本発明は、加工負荷が超砥粒層全体に均一
に掛かるように円錐面部に超砥粒層を設けた。円錐面部
は内周側が外周側より高いとは、円錐が円盤状台金の上
に凸に設けられていることを意味している。そして母線
とは、円錐の頂点と底面の点とを結んだ線のことであ
り、本発明の円盤状台金の回転軸を通る面で切断した縦
断面図における円錐面部を示す線と一致する。本発明で
得られたパッドコンディショナーは、最外周部付近の砥
粒が脱石や破砕することを防止でき、また長い寿命を持
ち、ドレッシング性能を安定させる。

【００１０】以下、図面を用いて本発明をさらに詳細に
説明する。図１（１）は、回転軸４を通る垂直な面で切
断したパッドコンディショナーの縦断面図である。図１
（２）は、図１（１）に記載されているＡ部の拡大図で
ある。パッドコンディショナーの断面図は、パッドコン
ディショナーが円盤状台金３と超砥粒層６からなること
を示している。図１（２）は、一層の超砥粒１が結合材
２によって円盤状台金３の上に固着されていることを示
している。そして、Ｌは超砥粒が結合材から突き出して
いる長さを示す。

【００１１】また、Ｄは円盤状台金の外径、Ｗは超砥粒
層幅、Ｔは台金の高さを示す。そして、超砥粒層６は円
錐面部５の外周や内周の角部を覆っていることが示され
ている。又円盤状台金の中心部に穴があり、これはパッ
ドコンディショナーを、研磨装置に取り付けるための穴
である。中心部の構造は、研磨装置の取り付け機構に応
じて設計できる。

【００１２】次に研磨パッドのドレッシングの方法につ
いて説明する。図２は、研磨パッド９をパッドコンディ
ショナーＰでドレッシングする概念図である。パッドコ
ンディショナーＰを研磨パッド９の上に置いてドレッシ
ング圧力１０をかけると、それに従ってパッドコンディ
ショナーＰは次第に研磨パッド９の中へ沈み込んでい
く。それに従って、パッドコンディショナーＰと研磨パ
ッド９の接触境界が円錐面部を上り、接触面積が次第に
増加する。このとき研磨パッド９は超砥粒層に密着して
いるので、密着している超砥粒層全体が研磨に寄与す
る。また、ドレッシング圧力１０を定めると、パッドコ
ンディショナーＰと研磨パッド９の接触面積が定まりか
つ、研磨パッド９の単位面積にかかるドレッシング圧力
が概略定まるので、均一な研磨が出来る。又、研磨パッ
ド９の弾性係数に応じて、ドレッシング圧力１０を変え
ることができるので、一つのパッドコンディショナーＰ
でいろいろの研磨パッド９を研磨できる。又、円錐面部
の内周側には、利用されない超砥粒層がないので経済的
である。

【００１３】弾性体である発砲ポリウレタン等の研磨パ
ッドでは、特に上述の傾向が顕著である。前記の角度θ
については、実際に研磨パッドをドレッシングし角度を
設定した。角度は、０．５度以上５度以下が好ましく、
０．５度以上３度以下がより好ましい。なお、最も好ま
しくは、０．５度以上２度以下である。この場合、従来
品である、回転軸と直交する超砥粒層を持つコンディシ
ョナーより、寿命が長くなり、砥粒の脱石や砥粒の破砕
が減少した。角度が５度を超えると、パッドが作用面に
均一に接触しなくなり効果がなかった。また、０．５度
未満になると、従来品と同様に、最外周部付近の砥粒し
か作用せず効果がなかった。

【００１４】超砥粒層には、切り粉の排出を良好にする
ために、溝を設けることが好ましい。例えば、溝は、超
砥粒層を均等に分割するように、放射線状に設けること
ができる。前記した溝は、脱石した超砥粒の排出を容易
にし、かつ研磨精度を高めるという効果を持つ。

【００１５】この発明において、超砥粒の平均粒径は、
３０μｍ以上３００μｍ以下が望ましい。平均粒径が３
０μｍ未満になると、パッドに対するドレッシング能力
が極めて低下し実用的でない。また、平均粒径が３００
μｍを越えると、ドレッシング能力は高くなるが、パッ
ド表面が粗くなり、ウエハー表面の加工品位が低下し、
品質上実用的でない。

【００１６】また、この発明において、超砥粒の平均突
き出し量は、平均粒径の３％以上５０％以下であること
が望ましい。超砥粒の突き出し量を測定するには、ダイ
ヤルゲージを用いる方法などが提案されているが、最も
正確に、超砥粒の突出端から結合材までの段差を測定す
るにはｚｙｇｏ（３次元表面構造解析顕微鏡）を用いる
のが適当である。

【００１７】平均突き出し量は、例えば任意に選ばれた
１００個の超砥粒の突き出し量を測定し、その平均値を
超砥粒の平均粒径で割った値に１００を掛けた数値に％
を付して定義した。超砥粒層には、数万〜数十万個の超
砥粒が固着されているため、全部の超砥粒の突き出し量
を測定するには大変な手間がかかる。このために、１０
０個程度の砥粒の平均値を採用するのが実用的である。

【００１８】平均突き出し量が、３％未満ではパッドコ
ンディショナーの切れ味が十分でなく加工能率の低下の
原因となり、５０％を超える場合は、ダイヤモンド砥粒
の保持力が低下して、脱落の原因となるからである。ダ
イヤモンド砥粒の保持力を高めて脱落を防止し、十分な
加工能率を得るためには、平均突き出し量が、１０％以
上４５％以下であることがより好ましく、１０％以上４
０％以下であることが最も好ましい。

【００１９】本発明のパッドコンディショナーに用いる
結合材は、超砥粒を円盤状台金に強固に固着できる結合
材であれば特に限定されるものではない。脱石した超砥
粒は、研磨パッドに付着し、研磨パッドでウエハーを研
磨する時にも残存し、被加工物にスクラッチを発生させ
る原因となる。従って、結合材は、より強力な砥粒保持
力が要求されるので、メッキされた金属またはロウ材が
適している。

【００２０】ニッケルメッキが、結合材として最も好ま
しい。ニッケルメッキにより超砥粒を円盤状台金に固着
する方法は、（１）他の結合材に比較して超砥粒の保持
力が優れる、（２）超砥粒の突き出し量が大きく、切り
粉の排出がスムーズで、切れ味に優れる、（３）砥粒密
度が高いために工具の摩耗が少なく加工精度に優れる、
（４）超砥粒が摩耗して使用済みとなっても、台金に損
傷、歪みが無ければ、台金を再利用できる等の特長があ
る。

【００２１】もうひとつの結合材として、ロウ材を用い
ることができる。本発明に用いるロウ材は、ロウ付け温
度が低く、流動性の高いものが良好である。台金として
用いられるＴｉ合金だけでなく、特にダイヤモンドとの
濡れ性に優れ、高い固着力が得られるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ
系活性化ロウ材が最適である。他に、Ｎｉ−Ｃｒ系ロウ
材またはＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系ロウ材も適用可能である。

【００２２】ロウ材により超砥粒を固着するには、ペー
スト状のロウ材を用いるのが適当である。ここで、ペー
スト状ロウ材は、一般にロウ材の粉末をバインダーで練
ったものであり、適度の粘性を有するので作業がしやす
い。実際の作業時には、まず台金の超砥粒の固着面にペ
ースト状のロウ材を塗布し、その上に超砥粒をハンドセ
ット法等により規則的に配列させる。ロウ材が乾燥して
流動しなくなった時点で炉に入れて加熱し、ロウ材を溶
融させる。その後炉中で冷却して超砥粒の固着が完了す
る。

【００２３】また、この発明において、パッドコンディ
ショナーは、ＣＭＰ用の研磨パッドのドレッシングに用
いられることを特徴とするものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】（実施例１）まず、外径Ｄが１０
０ｍｍ、超砥粒層幅の幅Ｗが１０ｍｍ、高さＴが２０ｍ
ｍ、θが１度の角度をなす円盤状台金を準備した。円盤
状台金の材質は、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４である。な
お、図３において円錐面部５の内周側は、頂部平坦部７
である。本実施例の頂部平坦部７は、斜面ではなく回転
軸に直交する面と平行であり、その幅が２ｍｍであっ
た。頂部平坦部は、円錐面部で削り取られた研磨パッド
の削り残しを完全に除去して、研磨パッド平面度をよく
する働きがある。又超砥粒１が、台金の角部を覆ってい
る事がわかる。次に、ダイヤモンド砥粒を固着しない部
分を絶縁テープ及び絶縁塗料によってマスキングした。
円錐状台金の角部の手前までマスキングするので、超砥
粒層は、円錐面部から円錐面部の上下の角部を覆った。
こうすることで、超砥粒層の端部の保持強度を確保でき
た。

【００２５】次に、上記の円盤状台金３を、水酸化ナト
リウム５０ｇ／リットルで液温４５℃の脱脂液の中に浸
漬し、電流密度５Ａ／ｄｍ^２で陰極電解脱脂及び陽極電
解脱脂を行った。その後純水で洗浄後、塩酸に３分間侵
漬し再度、純水で洗浄後、塩化ニッケル１５０ｇ／リッ
トル、塩酸１００ｇ／リットルのニッケルメッキ浴中
で、ニッケルストライクメッキを、電流密度５Ａ／ｄｍ
^２で５分間行った。次に、硫酸ニッケル２５０ｇ／リッ
トル、塩化ニッケル４５ｇ／リットル、硼酸３０ｇ／リ
ットルのニッケルメッキ浴中で電流密度１Ａ／ｄｍ^２で
１５分間の下地メッキを行った。

【００２６】その後、平均粒径１５０μｍのダイヤモン
ド砥粒を台金の上へ乗せ、電流密度０．３Ａ／ｄｍ^２で
３時間メッキした。次に、円盤状台金をメッキ浴から引
き上げ余剰のダイヤモンド砥粒を水洗で除去した。続け
て、ダイヤモンド砥粒の平均突き出し量が２０％となる
までメッキし、本発明の実施例１のパッドコンディショ
ナーを完成させた。即ち、外径Ｄが１００ｍｍ、超砥粒
層の幅Ｗが１０ｍｍ、高さＴが２０ｍｍ、θが１度の角
度をなすパッドコンディショナーを作製した。

【００２７】そして本発明の効果は、表１の条件のも
と、図２に示す方法で確かめられた。即ち、研磨パッド
９の上にドレッシング圧力１０をかけたパッドコンディ
ショナーＰを載せ、夫々を矢印の方向に回転させながら
研磨した。パッドコンディショナーＰの寿命及び性能の
安定性の指標であるドレスレート(パッドを加工する速
度)の低下率と、ダイヤモンド砥粒の脱石個数で性能評
価し表２に記載した。脱石個数は、ウエハーのドレッシ
ング時に発生するウエハー上のスクラッチの発生頻度と
密接な関係にある。尚、従来品１は、図３における角度
θをゼロとしたものである。従来品１の結果も表２に併
記した。

【００２８】図４および図５は、ドレッシングレートの
測定方法の説明図である。研磨パッドを図２に示す方法
で研磨し、研磨後の状態を図４に示す。研磨パッド９の
ドレッシングされていない部分１３とドレッシングされ
た部分１４の間に段差があることを図４は示している。
そして図５は、図４の丸で囲んでＣとした部分の拡大断
面図である。ハイトゲージ１５を用いて、ドレッシング
されている部分とされていない部分の高さの差Ｈを測定
した。ドレスレートの低下率は、段差Ｈをハイトゲージ
で測定し、その測定値をドレッシング時間で除した値と
し表２に示した。本発明品の実施例１は、１０時間後の
ドレスレートの低下率が４．５％であった。また、顕微
鏡により超砥粒層の観察を行ったが、ダイヤモンド砥粒
の脱落はなかった。ところが、従来例１は、１０時間後
のドレスレートの低下率が１５.６％で、ダイヤモンド
砥粒の脱落が３であった。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】（実施例２）外径Ｄが２５０ｍｍ、超砥粒
層幅の幅Ｗが１０ｍｍ、高さＴが１０ｍｍ、θが２度の
ステンレス鋼ＳＵＳ３０４製の円盤状台金を準備した。
以下実施例１と同様にしてパッドコンディショナーを作
製した。

【００３２】まず、ダイヤモンド砥粒を固着しない円盤
状台金の部分を、絶縁テープ及び絶縁塗料によってマス
キングした。次に、円盤状台金を水酸化ナトリウム５０
ｇ／リットルで液温が４５℃の脱脂液に浸漬し、電流密
度５Ａ／ｄｍ^２で陰極電解脱脂及び陽極電解脱脂を行っ
た。その後純水で洗浄後、塩酸に３分間侵漬し再度、純
水で洗浄後、塩化ニッケル１５０ｇ／リットル、塩酸１
００ｇ／リットルのニッケルメッキ浴中で、ニッケルス
トライクメッキを、電流密度５Ａ／ｄｍ^２で５分間行っ
た。次に、硫酸ニッケル２５０ｇ／リットル、塩化ニッ
ケル４５ｇ／リットル、硼酸３０ｇ／リットルのニッケ
ルメッキ浴中で電流密度１Ａ／ｄｍ^２で１５分間の下地
メッキを行った。

【００３３】その後、平均粒径１８０μmのダイヤモン
ド砥粒を台金の上へ乗せ、電流密度０．３Ａ／ｄｍ^２で
４時間メッキした。その後、台金をメッキ浴から引き上
げ余剰のダイヤモンド砥粒を水洗で除去後、続けてメッ
キし、ダイヤモンド砥粒の平均突き出し量を３０％と
し、図６に示す本発明の実施例２のパッドコンディショ
ナーを作製した。図６のパッドコンディショナーは、図
２のものと比較すると外径と角度θとが大きく、厚さは
図２の方が厚く、超砥粒層の幅と頂部平坦部の幅は共に
同じであった。本件も図２と同様に、円錐面部の内周側
の部分は斜面ではなく平坦になっていた。

【００３４】そして本発明の効果を確認するために、研
磨パッドを表３の条件でドレッシングし、実施例１と同
様に、ドレスレート（パッドを加工する速度）の低下率
と、脱石個数を測定した。尚、従来例２は、角度θをゼ
ロとして、それ以外は実施例２と同一とした。研磨パッ
ドのドレッシング試験の結果を表４に示す。

【００３５】

【表３】

【００３６】

【表４】

【００３７】本発明品の実施例２は、１０時間後のドレ
スレートの低下率が８.２％であり、実施例１同様、ダ
イヤモンド砥粒の脱落を観察したが、脱落は認められな
かった。ところが、従来例２は、１０時間後のドレスレ
ートの低下率が２０.３％で、ダイヤモンド砥粒の脱落
は、１０個が認められた。

【００３８】（実施例３）実施例１と同一寸法の円盤状
台金を準備した。結合材は、ロウ付け温度が比較的低温
で、流動性の良好な、ペースト状のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系
活性化ロウ材を用いた。台金の作用面にペースト状のロ
ウ材を塗布し、その上に平均粒径１５０μｍのダイヤモ
ンド砥粒をハンドセットにより配列した。その後、乾燥
炉に入れてダイヤモンド砥粒が振動でずれないようにな
るまでロウ材を乾燥させた。その後、真空焼結炉に入れ
てロウ材を溶融させ、炉中で冷却してダイヤモンド砥粒
を単層固着した。従来例３は従来例１と同一寸法の台金
にロウ材でダイヤモンド砥粒を固着したものである。表
１に示す条件で本発明の効果を確認した結果は、表５の
通りであった。

【００３９】

【表５】

【００４０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ドレ
ッシング時の加工負荷が、作用面の一部分の砥粒に集中
することを防止できるので、寿命が長く、パッドに対す
るドレッシングレートが安定したパッドコンディショナ
ーが得られる。しかも、超砥粒の脱落も防止することが
できるので、砥粒脱落による加工歩留まりの低下を防止
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（１）は、本発明のパッドコンディショナ
ーの縦断面図であり、図１（２）は、図１（１）のＡ部
拡大図であり超砥粒層の拡大断面図である。

【図２】パッドコンディショナーによるパッドのドレッ
シング方法の概念図である。

【図３】本発明の実施例１で得たパッドコンディショナ
ーの縦断面図である。

【図４】本発明の実施例１、２で研磨された研磨済みパ
ッドの概念図である。

【図５】図４のＣ部の拡大断面図である。

【図６】本発明の実施例２で得たパッドコンディショナ
ーの縦断面図である。

【符号の説明】

１超砥粒２結合材３円盤状台金４回転軸５円錐面部６超砥粒層７頂部平坦部８円盤状台金の回転軸に直交しかつ母線と交差す
る線９研磨パッド１０ドレッシング圧力１１コンディショナー回転方向１２研磨パッド回転方向１３ドレッシングされない部分１４ドレッシングされた部分１５ハイトゲージＤ外径Ｌ超砥粒の突き出し量ＰパッドコンディショナーＷ超砥粒層幅Ｔ台金の高さ θ 円錐面部の母線と、該円盤状台金の回転軸に直
交しかつ該母線に交差する線とのなす角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２４Ｄ 7/00 Ｂ２４Ｄ 7/00 Ｚ (72)発明者旭野肇兵庫県加東郡滝野町河高字黒石1816番地 174号株式会社アライドマテリアル播磨製作所内 (72)発明者門村和徳大阪府堺市鳳北町２丁80番地株式会社アライドマテリアル大阪製作所内Ｆターム(参考） 3C047 EE02 EE11 EE18 3C063 AB05 BA21 BA24 BB02 BC02 BG03 CC09 CC13 EE26 FF23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円盤状台金の表面に超砥粒を単層固着し
た超砥粒層を有するパッドコンディショナーであって、前記円盤状台金は、超砥粒が固着される円錐面部を有し
該円錐面部は内周側が外周側より高く、円錐面部の母線
と、該円盤状台金の回転軸に直交しかつ該母線に交差す
る線とのなす角度θが、０．５度以上５度以下であるこ
とを特徴とするパッドコンディショナー。
【請求項２】前記超砥粒の平均粒径は、３０μｍ以上
３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の
パッドコンディショナー。
【請求項３】前記超砥粒の平均突き出し量は、平均粒
径の３％以上５０％以下であることを特徴とする請求項
１または請求項２に記載のパッドコンディショナー。
【請求項４】前記超砥粒を固着するための結合材は、
金属メッキまたはロウ材であることを特徴とする、請求
項１から請求項３のいずれかに記載のパッドコンディシ
ョナー。
【請求項５】ＣＭＰ用の研磨パッドのドレッシングに
用いられることを特徴とする、請求項１から請求項４の
いずれかに記載のパッドコンディショナー。
【請求項６】前記超砥粒層の内周側に頂部平坦部を有
することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載
のパッドコンディショナー。