JP2006055943A - Ｃｍｐパッドコンディショナー - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板加工に用いるＣＭＰ装置のパッドコンディショナーにおいて、パッドの平坦度を維持しつつ、パッド除去量が安定したものを提供する。
【解決手段】台金の表面に、平均粒径５μm 〜１０００μm のダイヤモンド砥粒がニッケルめっき、又はロウ材を主成分とする結合材により単層固着されたＣＭＰ用パッドコンディショナーで、複数の同心円環状領域に区分けされた各砥粒固着領域に対して、必要とするパッド除去能力の比率に応じて砥粒固着面積の調整をする。
【選択図】図１

Description

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。

ＣＭＰは、シリコンウェーハ及びウェー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。シリコンウェーハなどを研磨するに従い、研磨パッドの目詰りが生じたり、平面度の低下が起るため、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。

従来のパッドコンディショナーは、超砥粒が固着された領域が１つの円環状領域のみの場合が通常であり、場合によっては全面に超砥粒が固着されているドレッサが使用されることもある。しかし、これらのドレッサを用いて研磨パッドをドレッシングした際、ドレッサの超砥粒が固着された領域がパッド上を通過する頻度がパッド面内で中心軸対象の分布をもつため、ドレッシング後のパッド平坦度が前記分布に依存する問題があった。パッドの平坦度と研磨されるウェーハの平坦度とは密接な関係があり、パッドの平坦度がウェーハに転写されると考えても極端ではない。

又、従来のＣＭＰパッドドレッサーにおいては、外周部の円環状領域に超砥粒が固着され、円環状領域の内周より中心側領域に設けられた島状の突起部にも超砥粒が固着されている。さらに、島状の突起部に設けられた超砥粒が固着された領域における砥粒密度は、前記円環状領域における砥粒密度よりも低い。（例えば、特許文献１参照）

前記公報の発明では、前記円環状領域と島状領域との砥粒密度差を適切に設計すればパッドの平坦化が可能であり、しかも島状の突起がパッドへの食いつきを良くするため除去速度向上を可能としているが、島状の突起部からなる超砥粒固着領域のパッドへの作用面積は自ずと制限されるため、パッドに作用する砥粒数を多くすることに限度が有る。そのため、砥粒摩滅の進展が速くなり除去速度が安定せず寿命が短い。
特開２００１−７１２７１号公報

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、しかもその間パッドの平坦度を高く維持できるものを提供することにある。

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、前記円盤状台金に複数の同心円環状領域を設け、前記領域の全面あるいは複数等配の各々等しい面部に超砥粒層が形成され、前記超砥粒層の面積は各々内周側の円環状領域の面積が外周側円環状領域の面積以下であり、隣り合う円環状領域間の面積比率が内に対すると外の比率にして１以上１０以下であり、円環状領域の半径方向の幅が前記円盤状台金の外半径の１／１０以上９／１０以下であることを特徴とするパッドコンディショナー。

ここで、超砥粒層を複数の円環状領域に区分けし、前記領域それぞれにおける超砥粒層の面積を変えた理由について説明する。回転する研磨パッド上でドレッサを回転させた場合、ドレッサ上の超砥粒がパッド上を通過する距離は、パッド面内で軸対象の分布をもつ。前記分布はパッドを除去する速度に相関が有ると考えて良いので、パッドの平坦度は前記分布と相関が有るといえる。ここで、ドレッサの回転軸は、研磨パッドの回転中心位置とは異なり、かつ、研磨パッド上に存在する。前記分布は、ドレッサ全面に一様な砥粒層が形成されている場合は、ドレッサ回転軸の設置されたパッド半径位置近傍で前記通過距離が最大となる分布となる。また、単一の円環状の超砥粒層が形成されている場合は、逆に、ドレッサ回転軸の設置されたパッド半径位置近傍で前記通過距離が最小となる分布となる。両者パッドドレッサーを使用した場合のパッド形状は、単一の円環状超砥粒層が形成されている場合には、パッド形状はパッドの外径と内径との中間で凸となり、全面に超砥粒層が形成されている場合には、パッドの外径と内径との中間で凹となることが知られている。（例えば、特許文献２参照）
特開２００４−１７２０７公報

これらのことから、実際には、パッド形状は前記通過距離の分布を転写した形状になる。したがって、これら通過距離を均一にするためには、同心円環状領域を複数設け、それぞれの円環状領域に形成された超砥粒層の面積を外周側領域から内周側領域にむけて単調に減少させるか等しくするようにしながら、適切に設計しなければならない。本発明は、パッド半径上の砥粒通過距離の分布が均一になるように、ドレッサの砥粒層が形成される面を、複数の同心円環状領域に区分けして、外周側から順に内周側に向けて超砥粒層の面積が単調に減少するか等しくするようにした。超砥粒層の面積が減少するとは、パッド上を通過する砥粒数が減少することを意味している。本発明で得られたパッドコンディショナーは、パッドの平坦度を高く維持しながら、パッドを除去する速度が高く、しかも除去速度が安定し長寿命である。

以下、図面を用いて本発明をさらに詳細に説明する。図１は、パッドコンディショナーの回転軸に直交する基盤の超砥粒を固着する面上における超砥粒層の配置図であり、高密度砥粒層と低密度砥粒層からなることを示している。また、高密度砥粒層が外周側円環状領域、低密度砥粒層が内周側円環状領域であることを示している。

また、Ｄは円盤状台金の外径、ＷＨは高密度層の超砥粒層幅、ＷＬは低密度層の超砥粒層幅を示す。又円盤状台金の中心部には砥粒層がなく、これは中心部の砥粒がパッドの特定の半径上を切削することを防ぐためである。中心部の径は、超砥粒層の最外周の径に応じて設計できる。

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４の上に置いて双方を所定の回転数で回転させると、パッドコンディショナーＰに固着された超砥粒は双方の回転数と回転軸の位置関係に依存した軌跡を描く。このとき、パッド４の任意の点においてパッドコンディショナーに固着された超砥粒が通過する通過距離をドレッシング時間内で累積するとパッド４上の通過距離は軸対象の分布を形成する。単一の円環状の砥粒層を有する場合は、前記分布はパッドの内周端と外周端の中間で最小となる分布を形成する。一方、パッドコンディショナーの全面に超砥粒層を有する場合は、パッドの内周端と外周端の中間で最大となる分布を形成する。したがって、単一の円環状の超砥粒層を有するパッドコンディショナーと、全面に超砥粒層を有するパッドコンディショナーの両方でドレッシングを行えば、各々のパッドコンディショナーで形成されるパッド上の通過距離の分布は相殺される。この場合、単一の円環状の砥粒層を有するパッドコンディショナーを用いたときのドレッシング時間と全面に超砥粒層を有するパッドコンディショナーを用いたときのドレッシング時間を最適に調整すれば、パッド上に形成される通過距離の分布は、よりいっそう均一化される。

そこで、前記両方のパッドコンディショナーを用いたのと同等の効果を一枚のパッドコンディショナーを用いて得るために、パッドコンディショナーに固着された超砥粒の数を調整するようにした。この場合、超砥粒が多く固着された領域は、パッド上を通過する超砥粒の数が増大し、逆にパッド上の任意の点から見ると通過距離が増大する効果をもたらす。すなわち、超砥粒が多く固着された領域は、超砥粒が少ない領域よりもパッドを除去する量が多くなる。これらの考えに基づき、パッドコンディショナーを設計すると、パッドコンディショナーの内周側より外周側に向けて、複数の同心円環上領域を設けて、各々の領域における超砥粒層の面積を調整して超砥粒の数を調整できるので、パッドを均一に除去することが可能となる。具体的には、隣り合う同心円環状領域間の超砥粒層の面積比率を内側に対する外側の比として設定する。この面性比率は、各円環状領域における超砥粒が固着される領域の角度の比率として表現した。

パッドの内周端と外周端との幅がパッドコンディショナーの外径よりも小さい場合は、特に上述の傾向が顕著である。前記の面積比率と各々の円環状領域の内径と外径については、事前にコンピュータシミュレーションを実施し、実際に研磨パッドをドレッシングして設定した。面積比率は、１以上１０以下が好ましく、２以上６以下がより好ましい。なお、最も好ましくは、３以上５以下である。この場合、従来品である、単一の円環状の超砥粒層を有するコンディショナーや全面に超砥粒層を有するコンディショナーより、パッドの平坦度が向上し、前記平坦度を維持しながらも、パッドを除去する量が高く安定した。面積比率が１０を超えると、外周側の砥粒数が多くなり製作上困難となった。また、１未満になると、従来品と同様に、パッドの均一性は低下し、パッドを除去する性能も低下し不安定となった。

この発明において、超砥粒の平均粒径は、５μｍ以上１０００μｍ以下が望ましい。平均粒径が５μｍ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１０００μｍ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、ウェーハ表面の加工品位が低下し、品質上実用的でない。なお、前記超砥粒の平均粒径は、１０μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、最も好ましくは、３０μｍ以上３００μ以下である。

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７０％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。

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、１００個程度の砥粒の平均値を採用するのが実用的である。

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、７０％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４０％以下であることが最も好ましい。

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、研磨パッドでウェーハ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。

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。

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。

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、その上に超砥粒をランダムにかつ密に配列させる。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。

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。

以上のように、この発明によれば、パッドに作用する砥粒の通過距離の分布を均一化することができるので、ドレッシング後のパッドの平坦度が良好で、パッドに対するドレッシングレートが高くかつ安定したパッドコンディショナーが得られる。

最良の形態については以下の実施例の項で詳細に説明する。

まず、図３（１）に示すように、外径Ｄが１００ｍｍ、高さＴが２０ｍｍの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、超砥粒層を固着する領域は、外周側と内周側に２つの同心円環状領域を設けて、外側の円環状領域の外径を１００ｍｍ、内径を８０ｍｍ、内側の円環状領域の外径を８０ｍｍ、内径を１０ｍｍとした。外周側と内周側それぞれに超砥粒層を固着する面積比率は、内周側に対して外周側の面積が４倍になるようにした。この面性比率は、各円環状領域における超砥粒が固着される領域の角度の比率として表現した。すなわち、図１において、θＨ＝４θＬであり、ここでは、θＨ＝３０°、６０°、９０°、１２０°とした。高密度砥粒層に超砥粒が固着されている部分の断面図を図３（２）に、低密度砥粒層に超砥粒が固着されている部分の断面図を図３（３）に示した。ただし、θＨ＝１２０°の場合には、図３（４）のように低密度砥粒層に砥粒が固着されている部分には、高密度砥粒層にも砥粒が固着されている。超砥粒を固着しない部分には、絶縁テープ及び絶縁塗料によってマスキングした。

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／ｄｍ２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／ｄｍ２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／ｄｍ２で１５分間の下地メッキを行った。

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／ｄｍ２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、本発明の実施例のパッドコンディショナーを完成させた。

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４の上にドレッシング圧力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、パッドの平坦度を測定し表２に記載した。尚、比較例は、図１における高密度砥粒層のみとした場合であり、比較例の結果も表２に併記した。

図４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、測定器を取り付けた状態を図４に示す。コンディショナーの回転軸８にコンディショナーＰを取り付けるための治具９からダイヤルゲージの触子１０を介して、ダイヤルゲージの変化を読み取り、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。本発明品の実施例は、１０時間後のドレスレートの低下率が５％〜１６％であった。ところが、比較例は、１０時間後のドレスレートの低下率が１９％であった。また、パッドの平坦度は、１０時間のドレッシング後にパッドの半径に沿って等間隔でパッド厚さをマイクロメータで測定し、それらの最大値と最小値との差を平坦度とした。実施例の場合１．４μｍ〜１．８μｍであったが、比較例の場合は、３．２μｍとなった。

図１（１）は、本発明のパッドコンディショナーの超砥粒層配置図であり、図１（２）は、図１（１）のＡ部拡大図である。 研磨パッドをパッドコンディショナーでドレッシングする概念図である。 図３（１）は、台金の断面図である。図３（２）、（３）、（４）は、台金に砥粒を固着したときの断面図である。 ドレッシングレートを測定するシステムの概念図である。

符号の説明

１ 台金
２ 超砥粒層（高密度側）
３ 超砥粒層（低密度側）
４ 研磨パッド
５ 点Ａの軌跡
６ 点Ｂの軌跡
７ 超砥粒
８ 回転軸
９ 治具
１０ ダイヤルゲージの触子
Ｄ パッドコンディショナーの外径
ＷＨ 超砥粒層（高密度側）の幅
ＷＬ 超砥粒層（低密度側）の幅
θＨ 超砥粒層（高密度側）の扇形の開き角度
θＬ 超砥粒層（低密度側）の扇形の開き角度

Claims (7)

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、前記円盤状台金に複数の同心円環状領域を設け、前記領域の全面あるいは複数等配の各々等しい面部に超砥粒層が形成され、前記超砥粒層の面積は各々内周側の円環状領域の面積が外周側円環状領域の面積以下であり、隣り合う円環状領域間の面積比率が内に対すると外の比率にして１以上１０以下であり、円環状領域の半径方向の幅が前記円盤状台金の外半径の１／１０以上９／１０以下であることを特徴とするパッドコンディショナー。
2. 前記超砥粒層は、前記円環状領域内に扇形に設けられ、前記隣り合う円環状領域間の超砥粒層の面積比率は、前記扇形の開き角度の比率（θＨ／θＬ）であることを特徴とする請求項１に記載のパッドコンディショナー。
3. 前記扇形の超砥粒層は、前記円環状領域内に３等配に設けられた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。
4. 前記超砥粒の平均粒径は、５μｍ以上１０００μｍ以下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。
5. 前記超砥粒の平均突き出し量は、平均粒径の３％以上７０％以下であ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。
6. 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５のいずれかに記載のパッドコンディショナー。
7. 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６のいずれかに記載のパッドコンディショナー。

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