JP2004066409A

JP2004066409A - Ｃｍｐコンディショナ

Info

Publication number: JP2004066409A
Application number: JP2002230487A
Authority: JP
Inventors: Naoki Shitamae; 下前　直樹; Hiroshi Iiyoshi; 飯吉　寛; Hiroaki Iizuka; 飯塚　弘明; Hanako Hata; 畑　花子
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】スラリによる腐食を生じにくくする。
【解決手段】台金２１（砥石基体）の略円形をなす一面２１ａ上に、ＮｉもしくはＮｉ基合金等からなる金属結合相２２によって例えばダイヤモンド砥粒等の多数の超砥粒２３…が固着された砥粒層２４を形成する。少なくとも砥粒層２４の表面に、酸化クロムからなる第一の保護層２５を形成する。この第一の保護層２５は、電気めっきによって形成する。この第一の保護層２５の上に、耐食性を有する樹脂からなる第二の保護層２６を設ける。第二の保護層２６を構成する樹脂としては、二ふっ化樹脂または三ふっ化樹脂を用いる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウェーハ等の被研磨材の表面をＣＭＰ装置によって研磨する際に用いられる研磨用のパッドをコンディショニングするため等に用いられる電着砥石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンインゴットから切り出した半導体ウェーハ（以下、単にウェーハという）の表面を化学的且つ機械的に研磨するＣＭＰ装置（ケミカルメカニカルポリッシングマシン）の一例として、図３に示すような装置がある。このＣＭＰ装置１は、図３に示すように中心軸２に取り付けられた円板状の回転テーブル３上に例えば硬質ウレタンからなるポリッシング用のパッド４が設けられ、このパッド４に対向して且つパッド４の中心軸２から偏心した位置に自転可能なウェーハキャリア５が配設されている。このウェーハキャリア５はパッド４よりも小径の円板形状とされてウェーハ６を保持するものであり、このウェーハ６がウェーハキャリア５とパッド４間に配置されてパッド４側の表面の研磨に供され高精度に平坦化される。
【０００３】
ＣＭＰによる研磨のメカニズムは、微粒子シリカ等によるメカニカルな要素（遊離砥粒）とアルカリ液や酸性液等によるエッチング要素とを複合したメカノ・ケミカル研磨法に基づいている。研磨に際して、例えば上述した微粒子シリカ等からなる遊離砥粒が研磨剤として用いられ、さらにエッチング用のアルカリ液等が混合されたものが液状のスラリＳとしてパッド４上に供給されているため、このスラリＳがウェーハキャリア５に保持されたウェーハ６とパッド４との間に流動して、パッド４でウェーハ６の一面が研磨される。
ウェーハ６の研磨を行う硬質ウレタン製などのパッド４上にはスラリＳを保持する微細な発泡層が多数設けられており、これらの発泡層内に保持されたスラリＳでウェーハ６の研磨が行われる。ところが、ウェーハ６の研磨を繰り返すことでパッド４の研磨面の平坦度が低下したり目詰まりを起こしたりするためにウェーハ６の研磨精度と研磨効率が低下するという問題が生じる。
【０００４】
そのため、従来からＣＭＰ装置１には図３に示すようにパッドコンディショナ８が設けられ、パッド４の表面を定期的に再研磨または再研削（コンディショニング）するようになっている。このパッドコンディショナ８は、回転テーブル３の外部に設けられた回転軸９にアーム１０を介してＣＭＰコンディショナ１１が取り付けられたものである。
そしてウェーハキャリア５でウェーハ６を研磨しながら或いはウェーハ６の研磨を停止した状態で、ＣＭＰコンディショナ１１でパッド４を研削してパッド４の平坦度を回復または維持し、パッド４の発泡層の目詰まりを解消するようになっている。このＣＭＰコンディショナ１１は、通常、ダイヤモンド等の超砥粒をＮｉ（ニッケル）またはＮｉ基合金等で電気めっきによって固着した砥粒層を台金（砥石基体）に形成した構成になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ウェーハ６に設けられたタングステン材その他の金属材料の研磨に用いられるスラリ（例えばキャボット社製Ｗ−２０００等）には、硝酸に加えて、金属材料のエッチングのために過酸化水素が２％から６％程度含まれている。過酸化水素は酸化力が強いために、パッド４のコンディショニングを繰り返すうちに、ＣＭＰコンディショナ１１の台金や、砥粒層において超砥粒を台金に固着させている金属結合相を酸化させ、スラリに含まれる硝酸で腐食させてしまう。
このため、ＣＭＰコンディショナ１１には、より高い耐食性を持たせるために、表面に耐食性を有するコーティングが施される。このようなコーティングとしては、耐食性を有する樹脂によるコーティングのほか、ＰＶＤによるセラミックスのコーティングや、貴金属めっきによるコーティング等がある。
【０００６】
しかし、耐食性を有する樹脂、例えばふっ素系樹脂によるコーティングは、ＣＭＰコンディショナ１１に対する付着強度が低く、その寿命が短かった。
また、ＰＶＤ処理等によるセラミックスコーティングは、ＣＭＰコンディショナ１１に対する付着強度は高いものの、ＰＶＤ処理によって形成されるセラミックス層は、砥粒層の表面だけでなく、超砥粒の先端の上にも形成されてしまう。
セラミックスは高硬度であるので、このように超砥粒の先端にセラミックスが乗ってしまうと、ＣＭＰコンディショナ１１の研削性能が変化してしまい、好ましくない。また、ＰＶＤ処理によって形成されるセラミックス層は、ＰＶＤに用いた電極に対して影となる領域には形成されないので、超砥粒の付け根部分などにはセラミックス層が形成されにくく、耐食性を十分に確保することができない場合がある。
【０００７】
また、ＣＭＰコンディショナ１１の表面に貴金属めっきを施した場合には、パッドのコンディショニングの際に貴金属成分がパッドに移ってしまうと、この貴金属成分がこのパッドを用いて研磨したウェーハに付着してしまう可能性がある。貴金属は化学的に安定していて、耐食性を有しているが、この性質のために、一旦ウェーハに付着してしまうと、酸洗い等では洗い落とすことは困難である。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、高い耐食性を有しスラリによる腐食が生じにくいＣＭＰコンディショナを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるＣＭＰコンディショナは、砥石基体の一面に、超砥粒が金属結合相中に固着されてなる砥粒層が形成されており、少なくとも前記砥粒層の表面には、酸化クロムからなる第一の保護層が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
第一の保護層を構成する酸化クロムは高い耐食性と耐磨耗性を有しており、この酸化クロムからなる第一の保護層によって、砥粒層を構成する金属結合相がスラリから保護される。ここで、砥石基体自体が耐食性を有していない場合には、砥石基体において砥粒層が形成されていない部分の表面にも第一の保護層を形成してスラリから保護する。
この第一の保護層は電気めっきによって形成されるものである。このため、第一の保護層は、砥粒層において導体である金属結合相の表面や砥石基体の表面にのみ形成され、絶縁体である超砥粒上には形成されず、超砥粒の先端は露出された状態となる。
さらに、酸化クロムは絶縁体であるため、数μｍ程度のごく薄い膜が形成された後はめっきの成長が生じないので、第一の保護層の厚みは数μｍ程度となり、第一の保護層からの超砥粒の突出量が確保される。
また、第一の保護層を構成する酸化クロムの粒子は、一部が砥粒層の表面に拡散されることとなるので、第一の保護層は、砥粒層または砥石基体に対する付着強度が非常に高い。
【００１１】
ここで、前記第一の保護層の上に、耐食性を有する樹脂からなる第二の保護層を設けてもよい。
この場合には、第一の保護層に加えて第二の保護層によっても、砥粒層を構成する金属結合相が保護されることとなる。
第一の保護層は、酸化物の層であるため、通常のめっき層とは異なり、表面に微細な凹凸が形成されている。このため、第二の保護層を構成する耐食性を有する樹脂は第一の保護層に含浸されることとなり、第二の保護層の第一の保護層に対する付着強度が通常よりも高められる。
【００１２】
また、この耐食性を有する樹脂は、二ふっ化樹脂または三ふっ化樹脂としてもよい。
テフロン（登録商標）等の四ふっ化樹脂は、高い耐食性と撥水性とを有しているが、通常は溶媒に対して溶かすことができないので、薄く塗布することができず、膜厚を２０μｍ以下とすることが困難である。このため、通常、第二の保護層を四ふっ化樹脂によって形成した場合には、超砥粒が第二の保護層に埋まってしまい、パッドの研削に作用しなくなってしまう。
これに対して、二ふっ化樹脂または三ふっ化樹脂は、溶媒に溶かすことが可能であって薄く塗布することが可能であるから、第二の保護層として用いた場合にも、第二の保護層からの超砥粒の突出量を確保することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態にかかるＣＭＰコンディショナの部分縦断面図であって、図２は図１の拡大図である。
図１に示す本実施の形態にかかるＣＭＰコンディショナ２０は、電着砥石（電着ホイール）で構成されており、例えばステンレス鋼からなる円板形状の台金２１（砥石基体）の略円形をなす一面２１ａ上に、ＮｉもしくはＮｉ基合金等からなる金属結合相２２によって例えばダイヤモンド砥粒等の多数の超砥粒２３…が固着されて砥粒層２４を形成している。
ＣＭＰコンディショナ２０は、超砥粒２３が一層のみ形成されて金属結合相２２によって固着された単層砥石であって、本実施の形態では、超砥粒２３の平均粒径を１６０μｍとしており、砥粒層２４表面からの突出量は約６０μｍとしている。
【００１４】
図２に示すように、このＣＭＰコンディショナ２０において、少なくとも砥粒層２４の表面には、酸化クロムからなる第一の保護層２５が形成されている。この第一の保護層２５は、電気めっきによって台金２１の一面２１ａ上に形成されるものであって、超砥粒２３自体は覆っていない。
本実施の形態では、台金２１の一面２１ａにおいて砥粒層２４上も含む全領域に、第一の保護層２５を形成している。また、第一の保護層２５の厚みＤ１は、２μｍとしている。
【００１５】
さらに、この第一の保護層２５の上には、耐食性を有する樹脂からなる第二の保護層２６が設けられている。第二の保護層２６を構成する樹脂としては、例えば二ふっ化樹脂または三ふっ化樹脂を用いることが好ましい。また、第二の保護層２６の厚みＤ２は、３μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。
本実施の形態では、第二の保護層２６を構成する樹脂は、二ふっ化樹脂としており、第二の保護層２６の厚みＤ２は５μｍとしている。
【００１６】
本実施の形態にかかるＣＭＰコンディショナ２０は上述のように構成されており、次にこのＣＭＰコンディショナ２０の製造方法について説明する。
例えばＳＵＳ３０４等からなる円板形状の台金２１の一面２１ａのうち、砥粒層２４が形成される領域以外の部分にマスクを施し、露出状態にある領域に、ＮｉめっきまたはＮｉ基合金めっきによって金属結合相２２を形成し、この金属結合相２２によって超砥粒２３を台金２１の一面２１ａ上に固着して砥粒層２４を形成する。
【００１７】
続いて、砥粒層２４の表面も含む台金２１の一面２１ａ上に、電気めっきによって酸化クロムからなる第一の保護層２５を形成する。
このめっき処理は、めっき浴として通常のクロムめっきと同じくサージェント浴（無水クロム酸１００ｇ／Ｌ〜４００ｇ／Ｌ、硫酸１ｇ／Ｌ〜４ｇ／Ｌ）を用いるものであって、めっき浴温度は−５°Ｃ〜−１０°Ｃ、電流密度は１０Ａ／ｄｍ^２〜６０Ａ／ｄｍ^２とされる。本実施の形態では、めっき浴は、無水クロム酸２５０ｇ／Ｌ、硫酸２．５ｇ／Ｌ、めっき浴温度は−７°Ｃ、電流密度を３０Ａ／ｄｍ^２としている。
【００１８】
このような条件でめっきを行うことにより、砥粒層２４上及び台金２１上には、酸化した状態でクロムが析出して酸化クロムの被膜が形成される。
この第一の保護層２５は電気めっきによって形成されるものであるから、台金２１の表面と、砥粒層２４において導体である金属結合相２２の表面にのみ形成され、絶縁体である超砥粒２３上には形成されず、超砥粒２３の先端は露出された状態となる。
さらに、酸化クロムは絶縁体であるので、数μｍ程度のごく薄い膜が形成された後はめっきの成長が生じない。このため、このめっき処理によって形成される第一の保護層２５の厚みＤ１は数μｍ程度となり、第一の保護層２５からの超砥粒２３の突出量が確保される。
ここで、第一の保護層２５を構成する酸化クロムの粒子は、一部が砥粒層２４及び台金２１の表面に拡散されることとなるので、第一の保護層２５は、砥粒層２４及び台金２１に対する付着強度が非常に高い。
【００１９】
このように第一の保護層２５を形成したのち、第一の保護層２５の上に、耐食性を有する樹脂からなる第二の保護層２６を形成する。
第二の保護層２６を構成する樹脂は、例えば静電塗装によって第一の保護層２５上に塗装される。この耐食性を有する樹脂は、溶媒に溶かすことが可能な二ふっ化樹脂または三ふっ化樹脂であるので、薄く塗布することが可能である。耐食性を有する樹脂としては、薄く塗布することが可能な材質であれば、他の任意の樹脂を用いることができる。
ここで、第一の保護層２５は、酸化物の層であるため、通常のめっき層とは異なり、その表面には微細な凹凸が形成されている。このため、第二の保護層２６を構成する樹脂は第一の保護層２５に含浸されることとなり、第二の保護層２６が、第一の保護層２５に対して強固に結合する。
【００２０】
このように構成されるＣＭＰコンディショナ２０は、従来のＣＭＰコンディショナ１１と同様にしてＣＭＰ装置においてパッドのコンディショニングに用いられる。
【００２１】
このＣＭＰコンディショナ２０は、台金２１の一面２１ａが、砥粒層２４の表面及びその他の部分も含めて、耐食性の高い酸化クロムからなる第一の保護層２５によって覆われているので、金属結合相２２及び台金２１がスラリから保護される。この第一の保護層２５は、金属結合相２２及び台金２１に対する付着強度が非常に高く、また磨耗にも強いので、耐食性を長期にわたって継続させることができる。
さらに、本実施の形態では、第一の保護層２５の上に、耐食性を有する樹脂からなる第二の保護層２６を形成しており、金属結合相２２及び台金２１は二重に保護されている。第一の保護層２５と第二の保護層２６とは強固に結合しており、第二の保護層２６の剥離が生じにくいので、寿命をさらに向上させることができる。
【００２２】
このように、本実施形態にかかるＣＭＰコンディショナ２０は、スラリによる腐食を長期にわたって防止することができ、長寿命である。
【００２３】
また、この第一の保護層２５は黒色であるので、ＣＭＰコンディショナ２０の表面は黒色となる。これに対して、ＣＭＰ装置に用いられるパッドやスラリは白色もしくはそれに近い明るい色をしているので、目視によって、または光学的な検査装置によって、コンディショナ２０へのパッドの切屑やスラリの付着の様子（コンディショナ２０の目詰まりの様子）を知ることができ、コンディショナ２０の交換時期を容易に知ることができる。
【００２４】
ここで、第一の保護層２５の厚みＤ１が１μｍよりも薄いと、第一の保護層２５が薄すぎて、第一の保護層２５による台金２１や金属結合相２２の保護が不十分となり、コンディショナ２０の耐食性が不十分となってしまう。このことから、第一の保護層２５の厚みＤ１は、１μｍ以上とすることが好ましい。なお、酸化クロムの層は、その性質上、２μｍよりも厚く形成することは困難である。
【００２５】
なお、本実施の形態では、ＣＭＰコンディショナ２０を、第一の保護層２５の上に第二の保護層２６を形成した例を示したが、これに限られることなく、第一の保護層２５のみを設けた構成としてもよい。
【００２６】
【実施例】
次に、本発明にかかるＣＭＰコンディショナの性能を調べるため、耐食性試験と研削性能試験を行った。以下、これらの試験について説明する。
これらの試験では、本発明にかかるＣＭＰコンディショナとして、第１の保護層２５の厚みＤ１＝１μｍ、第二の保護層２６の厚みＤ２＝５μｍとしたＣＭＰコンディショナ（以下、実施例１とする）と、第二の保護層２６が形成されていない以外は実施例１と同一の構成とされるＣＭＰコンディショナ（以下、実施例２とする）とを用意し、比較のために、実施例２において第一の保護層２５の厚みを０．５μｍとしたＣＭＰコンディショナ（以下、比較例とする）と、実施例１において第一、第二の保護層２５、２６を形成する代わりにエポキシ樹脂からなる保護層を形成したＣＭＰコンディショナ（以下、従来例とする）とを用意した。
ここで、実施例１、２、比較例、及び従来例は、それぞれ、砥粒層２４からの超砥粒２３の突出量が６０μｍとされたＣＭＰコンディショナに対して保護層を形成したものである。
【００２７】
まず、耐食性能試験について説明する。
この試験では、これらのＣＭＰコンディショナを用いて、図３に示すように、ウェーハ６の研磨と平行して、回転テーブル３上に貼り付けられたパッド４の研削を５０時間連続して行った。そして、ウェーハ６の研磨には、スラリＳとして、キャボット社製Ｗ−２０００（過酸化水素含有量３％）を用いた。
【００２８】
そして、５時間連続研磨した時点で、各砥石の状態を確認した。すると、従来例では、保護層の表面には金属結合相を構成するＮｉが大量に存在しており、砥粒層表面に保護層を形成しているにもかかわらず、金属結合相がスラリと接触して溶け出していることがわかる。これは、保護層の耐磨耗性不足のためと思われる。
また、比較例においても、第一の保護層２５の表面にはＮｉが存在していた。これは、第一の保護層の厚みが十分でなかったためと思われる。
このことから、従来例及び比較例では、それぞれの保護層は十分な耐食性、耐久性を有していないことがわかる。
【００２９】
これに対し、実施例２では、最表層である第一の保護層２５の表面には、酸化クロムのみが存在し、金属結合相を構成するＮｉの溶出は生じていない。実施例１では、最表層である第二の保護層２６の表面には、ふっ素樹脂のみが存在し、金属結合相を構成するＮｉの溶出は生じていない。
そして、さらに試験を継続すると、３０時間経過した時点で実施例２でもＮｉの溶出が認められたが、実施例１ではＮｉの溶出は認められなかった。
また、５０時間経過後においても同様に実施例１ではＮｉの溶出は認められなかった。
このことから、実施例１、２では、第一、第二の保護層２５、２６によって砥粒層２４の金属結合相２２が確実に保護されていることがわかる。特に、第一の保護層２５の上に第二の保護層２６を設けた実施例１では、金属結合相の保護がより確実に行われていることがわかる。
また、以上の試験結果からわかるように、十分な耐食性を得るためには、第一の保護層２５の厚みＤ１は、１μｍ以上とすることが望ましい。
【００３０】
次に、研削性能試験について説明する。
この研削性能試験では、上記耐食性試験における研削速度に基づいて研削性能を評価した。
これらＣＭＰコンディショナの研削速度は、従来例では１０μｍ／ｍｉｎ、比較例では３０μｍ／ｍｉｎ、実施例１では３０μｍ／ｍｉｎ、実施例２では３０μｍ／ｍｉｎであった。
このように、実施例１、２、及び比較例においては、研削速度は従来例よりも速い。このことから、実施例１、２、及び比較例では、超砥粒２３の突出量が十分に確保されていてパッドの研削に十分に作用しており、従来例よりも研削性能が高いことがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるＣＭＰコンディショナは、第一、第二の保護層によって金属結合相とスラリとの接触が防止されて、スラリによる腐食から保護することができ、さらにスラリによる腐食を長期にわたって防止することができ、長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるＣＭＰコンディショナの構成を示す縦断面図である。
【図２】図１の拡大図である。
【図３】従来のＣＭＰ装置の要部斜視図である。
【符号の説明】
２０　ＣＭＰコンディショナ　　　２１　台金（砥石基体）
２１ａ一面　　　　　　　　　　　２２　金属結合相
２３　超砥粒　　　　　　　　　　２４　砥粒層
２５　第一の保護層　　　　　　　２６　第二の保護層

Claims

砥石基体の一面に、超砥粒が金属結合相中に固着されてなる砥粒層が形成されており、
少なくとも前記砥粒層の表面には、酸化クロムからなる第一の保護層が形成されていることを特徴とするＣＭＰコンディショナ。
前記第一の保護層の上に、耐食性を有する樹脂からなる第二の保護層が設けられていることを特徴とする請求項１記載のＣＭＰコンディショナ。
前記耐食性を有する樹脂が、二ふっ化樹脂または三ふっ化樹脂とされていることを特徴とする請求項２記載のＣＭＰコンディショナ。