JP2005040946A - Ｃｍｐパッドコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】 寿命が長くて、効率よく研磨パッドをコンディショニングさせるＣＭＰパッドコンディショナを提供する。
【解決手段】 ＣＭＰパッドコンディショナ５０は、一端が特定固定物に回動自在に設置されている棒５２と、棒５２の一側端部に形成されたコンディショニングディスクホルダ装着部５４と、コンディショニングディスクホルダ装着部５４に装着されるコンディショニングディスクホルダ５６と、コンディショニングディスクホルダ５６に装着される表面上に研磨グレーンの大きさ別に区分される領域が画設されているコンディショニングディスク５８とを備えてなることを特徴とする。
【選択図】 図１０

Description

本発明はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）に係り、さらに詳しくは研磨パッドのコンディショニング効果を向上させるＣＭＰパッドコンディショナに関する。

現在、半導体素子は高集積化、高密度化につれ一層微細なパターン形成技術を必要とし、配線の多層化構造を求める領域も広まりつつある。これは半導体素子の表面構造が複雑であり層間膜の段差の程度が激しいということを意味する。前記段差は半導体素子製造工程において多くの工程不良を発生させる時の原因になっている。

特に、写真工程はウェーハ上にフォトレジストを塗布した後、前記フォトレジスト上に回路が形成されたマスクを整列させ光を用いた露光工程を行なってフォトレジストパターンを形成させる工程であって、過去の線幅が大きくて低層構造を有する素子の製造時には問題がなかったが、微細パターンと多層構造により段差が増えることによって、前記段差の上層と下層の露光フォーカスを合わせ難くてパターン形成が難しくなっている。

従って、前記段差を除去するためにウェーハの平坦化技術の重要性が台頭された。前記平坦化技術としてＳＯＧ膜蒸着、エッチバック（Etch Back）またはリフロー（Reflow）などの部分平坦化方法が開発されて工程に使われてきたが、多くの問題点が発生してウェーハ全面にかける平坦化、即ち広域平坦化（Global Planarization）のためにＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術が開発された。

ＣＭＰ技術とは化学的物理的な反応を通じてウェーハ表面を平坦化する技術である。ＣＭＰ技術の原理は、ウェーハのパターンが形成されている薄膜を研磨パッド表面に接触させた状態で研磨液（Slurry）を供給して、前記薄膜を化学的で反応させながら同時に回転運動させて物理的にウェーハ上の薄膜の凹凸部を平坦化することである。

図１及び図２を参照すれば、ＣＭＰ装置１はポリウレタン材質の研磨パッド１２が付着された研磨テーブル１０、前記研磨パッド１２と上面したパターンが形成されているパターン薄膜１８を有するウェーハ１６を固定させて研磨液１４が飛散される研磨パッド１２上で回転させるウェーハキャリア２０、前記ウェーハキャリア２０によりＣＭＰ工程がなされる反対側に位置し、前記研磨パッド１２をコンディショニングさせるコンディショニングディスク２４が付着されたコンディショナ２２を含めて構成される。

前記ＣＭＰ装置１を使用するＣＭＰ技術は研磨速度（Removal Rate）と平坦度（Uniformity）が重要であり、これらはＣＭＰ装置１の工程条件、研磨液１４の種類及び研磨パッド１２の種類等により決定される。特に、前記研磨速度に影響を与える要素は研磨パッド１２であって、前記研磨パッド１２をコンディショニングさせるコンディショナ２２のコンディショニングディスク２４は取替周期の適切な選択及び表面状態を管理して工程スペック（Spec）内の研磨速度が保たれるようにすべきである。

図３を参照すれば、前記コンディショニングディスク２４は表面に人造ダイアモンド２６が接着膜２５のニッケル薄膜により付着されていて、材質がポリウレタンであり表面が微細な凹凸部２７の研磨パッド１２の表面を研磨してコンディショニングする。ウェーハ１６が研磨パッド１２上で研磨液１４を供給され、繰り返してＣＭＰ工程を行なえば、研磨液１４を含む膜質副産物２８が前記凹凸部２７の間に積層される。

従って、繰り返されるＣＭＰ工程が行なわれれば前記研磨パッド１２の表面が滑らかになるので、連続工程時後続ウェーハの研磨速度は急激に落ちる。従って、前記コンディショナ２２は後続ウェーハの研磨速度に影響を与えない為、研磨パッド１２が最上の状態を維持するように前記膜質副産物２８を除去するためにコンディショニングを施す。即ち、前記コンディショニングは前記人造ダイアモンド２６が付着された前記コンディショニングディスク２４を研磨パッド１２の表面に接触させた後、一定速度で回転させ研磨パッド１２の表面の粗度を増やしてウェーハのＣＭＰ工程時望みの膜質が一定のスペック（Spec）内に平坦化されるようにする。

金属膜ＣＭＰと酸化膜ＣＭＰ工程時、研磨パッド１２の前記コンディショニング方法は相異なる。前記金属膜ＣＭＰ工程時は、ウェーハのＣＭＰ工程の完了後前記コンディショナ２２が連続して研磨パッド１２の表面のコンディショニングを行なう。前記酸化膜ＣＭＰ工程時はウェーハのＣＭＰ工程と同時に前記コンディショナ２２が研磨パッド１２の表面のコンディショニングを行なう。

図４及び図５を参照すれば、前記コンディショニングディスク２４は所定の大きさを有する人造ダイアモンド２６がニッケル薄膜２５を媒介として表面に付着されている。ＣＭＰ工程が繰り返して行なわれるほど研磨パッド１２と同様に研磨液１４を含む膜質副産物２８が前記人造ダイアモンド２６の間に積層される。前記膜質副産物２８の前記人造ダイアモンド２６間の積層と前記人造ダイアモンド２６それ自体の研磨によって表面が滑らかになって、研磨パッド１２のコンディショニング効果を劣下させる。
即ち、前記研磨パッド１２のコンディショニング効果はコンディショニングディスク２４の人造ダイアモンド２６の状態によって変化される。

しかしながら、現在使用されている人造ダイアモンド２６の大きさは約６８μｍであって、ニッケル薄膜２５の上部に突出した人造ダイアモンド２６の大きさは約３０〜４０μｍしかならなくて寿命が短くて、結局は頻繁なコンディショニングディスク２４の取替によって生産性低下、不良率増加により収率を減少させる問題点があった。

本発明の目的は、寿命が長くて、効率よく研磨パッドをコンディショニングさせるＣＭＰパッドコンディショナを提供するところにある。

前述した目的を達成するための本発明によるＣＭＰパッドコンディショナは、一端が特定固定物に回動自在に設置されている棒と、前記棒の一側端部に形成されたディスクホルダ装着部と、前記ディスクホルダ装着部に付着されるディスクホルダと、前記ディスクホルダに装着される表面上に研磨グレーンが大きさ別に区分される領域が画設されているディスクとを具備してなされる。

前記ディスクはディスク胴体の中心部の所定面積が貫通されたリング状またはディスク胴体の中心部の所定面積が貫通され、前記中心部を基準に十字部をなし、前記十字部のすき間は貫通され、前記十字部は所定の幅を有するリングに囲まれる形状をなしても良い。

以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施例を詳述する。
本発明に係るＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を行う際、パッド表面をコンディショニングさせる金属材質の研磨パッドコンディショニングディスクはディスク胴体の表面上に人造ダイアモンド研磨グレーンが大きさ別に区分される領域が画設されてなされる。

前記コンディショニングディスクの直径は９０〜１１０mmとすることができ、前記人造ダイアモンドは大きさが２００μｍより小さなものと大きいものを使用することが望ましく、前記研磨グレーンの区画は前記ディスク胴体の半径方向に同心円をなし、内部と外部に区画されることが望ましい。

前記ディスク胴体の半径方向に同心円をなす内部領域には大きさが２００〜３００μｍの人造ダイアモンドが付着されることが望ましく、前記ディスク胴体の半径方向に同心円をなす外部領域には大きさが１００〜２００μｍの人造ダイアモンドが付着されることが望ましい。

図６及び図７を参照すれば、前記コンディショニングディスク３０はディスク胴体３１の中心部３６の所定面積が貫通されたリング状でなされている。前記ディスク胴体３１の貫通された中心部３６を基準に縁部側に所定の幅だけリングをなし、大きさが２００〜３００μｍの人造ダイアモンド３４が付着され、前記ディスク胴体３１の大きさが２００〜３００μｍの人造ダイアモンド３４が付着される地域以外の縁部分は大きさが１００〜２００μｍの人造ダイアモンド３２が付着される。前記ディスク胴体３１の上の前記人造ダイアモンド３２、３４の配列幅の比は１：１が望ましい。

従って、貫通された中心部３６は研磨パッドのコンディショニング時中心部３６に力が偏重されることを防止して、研磨パッドのコンディショニングの均一度を良好にする。また、従来より大きい人造ダイアモンド３２、３４を使用することによって、ニッケル薄膜３３の上部に突出された部分も大きくなって、前記コンディショニングディスク３０の寿命も延ばせ、上記の通り大きさが相異なる人造ダイアモンド３２、３４を使用することによって、コンディショニング能力を向上させうる。そして、前記ディスク胴体３１の角部は図７のＸに示すように２５〜４５゜で面取りして、コンディショニング工程時ディスク胴体３１の角部により研磨パッドが損傷されることを防止した。

図８及び図９を参照すれば、前記コンディショニングディスク４０はディスク胴体４１の所定の中心部４６が貫通され、前記中心部４６を基準に十字状の十字部４５をなし、前記十字部４５のすき間も貫通部４８を持ち、前記十字部４５は所定の幅を有するリングに囲まれている形態を成す。

前記ディスク胴体４１の十字部４５と、前記十字部４５の端部と面接するリング上には直径が２００〜３００μｍの人造ダイアモンド４４が付着され、前記ディスク胴体４１の直径が２００〜３００μｍの人造ダイアモンド４４が付着される地域以外のリング上には直径が１００〜２００μｍの人造ダイアモンド４２が付着されている。

従って、研磨パッドのコンディショニング時前記コンディショニングディスク４０の回転力分散を試みて研磨パッドのコンディショニングの均一度を良好にする。また、従来より大きい人造ダイアモンド４２、４４を使用することによって、ニッケル薄膜４３の上部に突出された部分も大きくなって、前記コンディショニングディスク４０の寿命も延ばせる、上記の通り大きさが相異なる人造ダイアモンド４２、４４を使用することによってコンディショニング能力を向上させうる。

前記コンディショニングディスク４０の角部は図９のＹに示す支点のように２５〜４５゜で面取りをしてコンディショニング時角部により前記研磨パッドに損傷を負わせることを防止した。

前記実施例に使われた人造ダイアモンド４２、４４が付着されたコンディショニングディスク３０、４０は従来の約６８μｍ大きさの人造ダイアモンドを有するコンディショニングディスクよりその寿命がコンディショニング時間を基準として約１５０％以上延びることを確認することができた。

前記実施例を応用して他の実施例を製造できることは当業者らにとって自明な事実である。
図１０は本発明によるコンディショナを示す概略的な図面である。
図１０を参照すれば、ＣＭＰパッドコンディショナ５０は一端が特定固定物に回動自在に設置されている棒５２、前記棒５２の一側端部に形成されたディスクホルダ装着部５４、前記ディスクホルダ装着部５４に装着されるディスクホルダ５６及び前記ディスクホルダ５６に装着される表面上に研磨グレーンが大きさ別に区別される領域が画設されているコンディショニングディスク５８を備えてなされる。

前記コンディショニングディスク５８の胴体の材質は金属であり、前記ディスクホルダ５６の内部には磁石（図示せず）が付着されている。したがって、前記ディスク５８が磁力により前記ディスクホルダ５６に付着される。

前記棒５２は上下運動と直線運動が可能であり、前記ディスクホルダ５６は回転運動が可能である。従って、前記棒５２は上下運動と直線運動及び前記ディスクホルダ５６の回転運動により研磨パッド表面を効率よくコンディショニングする。

前記コンディショニングディスク５８はディスク胴体の中心部の所定面積が貫通されたリング状のディスクまたはディスク胴体の中心部の所定面積が貫通され、前記中心部を基準に十字状をなし、前記十字間は貫通され、前記十字は所定の幅を有するリングに囲まれる形状をなすディスクである。

図１１を参照すれば、はじめに（１）ＣＭＰパッドコンディショニングディスク胴体の表面上に接着膜を所定の厚さで形成する１次接着膜形成段階であって、前記コンディショニングディスクの胴体を電解研磨装置に装着して接着膜のニッケル薄膜を研磨グレーンの人造ダイアモンド大きさの概略８〜１０％だけ厚さで前記コンディショニングディスクの胴体の表面上に形成する。前記研磨グレーンは前述した人造ダイアモンド以外の物質を使用することも出来る。

（２）前記１次接着膜上に研磨グレーンを付着する段階であって、大きさが均一な人造ダイアモンドを前記１次接着膜のニッケル薄膜上に飛散して安着させる。
（３）前記１次接着膜上にさらに接着膜を所定の厚さで形成する２次接着膜形成段階であって、ニッケル薄膜を人造ダイアモンド大きさの概略１５〜２０％だけ厚さで前記１次で形成したニッケル薄膜上に形成して人造ダイヤモンドを固定させる。

（４）前記接着膜に不完全に付着された研磨グレーンを除去する段階であって、前記人造ダイアモンドの付着は人造ダイヤモンドを一つずつ選んで付着することではなく、均一な大きさを有する人造ダイアモンドをニッケル薄膜に飛散させるので、全ての人造ダイアモンドが均一に固定付着されない。従って、前記不完全に付着された人造ダイアモンドは工程時離脱されてウェーハの表面にスクラッチなどの工程不良を起こす原因になる。前記不完全に付着された人造ダイアモンドの除去は前記人造ダイアモンドをブラシで掃いて弱く付着された人造ダイアモンドを離脱させる。したがって前記段階で予め不完全に付着された人造ダイアモンドを除去して上記の工程不良を未然に防止できる。

（５）前記２次接着膜上にさらに接着膜を所定の厚さで形成する３次接着膜形成段階であって、ニッケル薄膜を人造ダイアモンド大きさの概略１５〜２０％だけ厚さで形成して前記人造ダイアモンドを一層強く固定させる。
（６）前記接着膜に不完全に付着された研磨グレーンを除去する段階であって、反復して不完全に付着された研磨グレーンを除去することにより工程不良を確かに未然に防止する。

（７）前記コンディショニングディスク全体を接着膜で形成する４次接着膜形成段階であって、コンディショニングディスク全体にニッケル薄膜を人造ダイアモンド大きさの略１〜３％だけの厚さで形成して前記コンディショニングディスク背面及び前記不完全に付着され除去された人造ダイアモンドが剥離された箇所など前記コンディショニングディスクの全体にニッケル薄膜をメッキして完成する。

図１２を参照すれば、はじめに（１）前記コンディショニングディスクをニッケル薄膜除去化学薬品に浸漬して人造ダイアモンドを剥離する段階であって、前記コンディショニングディスクを前記人造ダイアモンドの接着膜役割をするニッケル薄膜を溶解させる強酸である硫酸水溶液に浸漬して、前記コンディショニングディスク胴体の表面に付着された既に使用された人造ダイアモンドを剥離する。

（２）前記コンディショニングディスク胴体の表面を洗浄する段階であって、前記コンディショニングディスク胴体の表面の前記人造ダイアモンドの剥離時使われた化学薬品、有機物及び不純物を除去する。次工程以降は、前記コンディショニングディスク製造方法によって新たな人造ダイアモンドを前記コンディショニングディスク胴体に付着して工程に使用する。従来には既に使用した前記コンディショニングディスクを廃棄させたが、上記の通り寿命切れのコンディショニングディスクの人造ダイアモンドを除去した後、新たな人造ダイアモンドを付着して再使用することによって、コストを節減させることができる。

図１３を参照すれば、はじめに（１）ＣＭＰ工程に既に使用したコンディショニングディスクを所定の化学薬品に浸漬して研磨グレーン間に存在する膜質副産物を除去する段階であって、前記コンディショニングディスクを脱イオン水と弗化水素が９０〜１００:１の混合比で混合された弗化水素水溶液またはＢＯＥ溶液に浸漬して、繰り返されるＣＭＰ工程によってコンディショニングディスクの人造ダイアモンドの凹凸状の間に積層された工程種類によって存在する酸化膜質と研磨液の混合物または金属膜質と研磨液の混合物などで構成された膜質副産物を除去する。前記膜質副産物がたくさん形成されていれば、研磨パッドのコンディショニング能力が低下される。ここで、前記弗化水素水溶液またはＢＯＥ溶液に浸漬する工程時間は全て２０分〜６０分が望ましい。

（２）前記コンディショニングディスクを脱イオン水で洗浄する段階であって、前記コンディショニングディスクをバスに浸して連続してオーバーフロー（Overflow）方式で脱イオン水を供給して、前記コンディショニングディスクの表面に残存する前記弗化水素水溶液またはＢＯＥ溶液を洗浄する。

（３）前記コンディショニングディスクを乾燥させる段階であって、初めて窒素ガスで吹いて表面の水分を除去した後、オーブンを通じて前記コンディショニングディスクに残っている微量の水分を除去する。前記オーブン工程時間は２０分〜４０分が望ましい。

前述したように、洗浄工程を通したコンディショニングディスクはモニターリングウェーハでテストを実施した結果、既に使用後、研磨速度が３２００Å／min未満に低下していたものが、３２００〜３６００Å／minに向上され、約５０％の寿命が延びることを確認した。ここで、１００％の寿命延長が不可能なのは、人造ダイアモンドそれ自体の大きさが反復されるＣＭＰ工程により摩耗されたためである。したがって、この洗浄方法を行うことによりコンディショニングディスクの寿命を延ばしてコストを節減できる。

以上述べたように、研磨パッドのコンディショニング能力と寿命の延びによりコストダウンに寄与する。上述の実施例においては、本発明の具体例についてのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能なのは当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然なことである。

従来のＣＭＰ装置を示す概略的な図面である。 図１のＡ部分の拡大断面図である。 従来のコンディショニングディスクが研磨パッドをコンディショニングすることを示す断面図である。 従来のコンディショニングディスクを示す図面である。 図４のＶ−Ｖ線の断面図である。 本発明に係る一実施例のコンディショニングディスクを概略的に示す斜視図である。 図６のVII−VII’線の断面図である。 本発明に係る他の実施例のコンディショニングディスクを概略的に示す斜視図である。 図８のIX−IX’線の断面図である。 本発明実施例に係るコンディショナを示す概略的な図面である。 本発明実施例に係るコンディショニングディスクの製造方法を示す工程順序図である。 本発明の一実施例によるコンディショニングディスクの再生方法を示す工程順序図である。 本発明の一実施例によるコンディショニングディスクの洗浄方法を示す工程順序図である。

符号の説明

１ ＣＭＰ装置
１０ 研磨テーブル
１２ 研磨パッド
１４ 研磨液
１６ ウェーハ
１８ パターン薄膜
２０ ウェーハキャリア
２２、５０ コンディショナ
２４、３０、４０、５８ コンディショニングディスク
２５、３３、４４ ニッケル薄膜
２６、３２、３４、４２、４４ 人造ダイアモンド
２７ 凹凸部
２８ 膜質副産物
３１、４１ 胴体
３６、４６ 中心部
４５ 十字部
４８ 貫通部
５２ 棒
５４ ホルダ装着部
５６ ホルダ
Ｘ、Ｙ 面取り

Claims (6)

1. 一端が特定固定物に回動自在に設置されている棒と、
   前記棒の一側端部に形成されたコンディショニングディスクホルダ装着部と、
   前記コンディショニングディスクホルダ装着部に装着されるコンディショニングディスクホルダと、
   前記コンディショニングディスクホルダに装着される表面上に研磨グレーンの大きさ別に区分される領域が画設されているコンディショニングディスクとを備えてなることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
2. 前記コンディショニングディスクの材質は金属であることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナ。
3. 前記コンディショニングディスクホルダの内部には磁石が付着されていることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナ。
4. 前記棒は上下運動をし、前記コンディショニングディスクホルダは回転運動を行うことを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナ。
5. 前記コンディショニングディスクはディスク胴体の中心部の所定面積が貫通されたリング状であることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナ。
6. 前記コンディショニングディスクはディスク胴体の中心部の所定面積が貫通され、前記中心部を基準に十字部をなし、前記十字部のすき間は貫通され、前記十字部は所定の幅を有するリングに囲まれる形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナ。
   

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