JP2008238310A - Ｃｍｐパッドコンディショナー - Google Patents

Abstract

【課題】表面に凹凸を有するＣＭＰ用研磨パッドであっても、パッド全面を均一にコンディショニング可能で、しかも高負荷条件においてもコンディショニング中にビビリを生じずに、安定したコンディショニングが可能なものを提供することである。
【解決手段】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、円盤状台金に同心円環状領域と同心円形状の領域の全面に超砥粒層が形成され、円環状領域は、その半径方向の幅の中間近傍が凸であり、円形状領域は、円盤状台金の中心軸上において最も高くなる凸形状とする。頂上間の高低差は、円環状領域の凸部の頂上よりも、円形状領域の凸部の頂上のほうが５μｍから１００μｍ高くすることが好ましい。
【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、ウェーハの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コンディショニングして、平面度の精度保持と目詰りの解消をする必要が生じる。ここに使われるコンディショニング工具は、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コンディショナーが使用されることもある。しかし、パッドは三次元的な曲面をなすことが多いため、これらのコンディショナーを用いて研磨パッドをコンディショニングした際、パッドの凸部が優先的にコンディショニングされ、凹部にはコンディショニングを施されない場合があるため、パッド前面を均一にコンディショニングするためには、極力パッドの凹凸がなくなるまでコンディショニングにてパッドを除去しなければならない。そのため、パッドのコンディショニングに長時間を要するばかりではなく、パッドの寿命を低下させる要因にもなる。

従来のＣＭＰパッドコンディショナーにおいては、曲面をなすパッド表面にコンディショナーの砥面が追従するように、台金の材料として低弾性のものを使用したコンディショナーが提案されている。
（例えば、特許文献１参照）

前記公報の発明では、低負荷のコンディショニング条件のもとでは、凹凸を有するパッドの表面にコンディショナーの砥面が良好に追従し、パッドを均一にコンディショニングできるが、台金や台金を保持する治具等に低弾性の材料を使用すると、コンディショナーを固定する系の固有振動数が低下し、コンディショニング中にビビリが発生しやすくなる問題がある。

さらに別のコンディショナーとしては、コンディショナーの外周部を中央部に比べて高くして凹形状の砥面としたものや、逆に中央部を外周部よりも高くして凸形状としたものが考案されている。
（例えば、特許文献２参照）

特開２００３−１４５４２４号公報 特開２００３−１７０３４６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、パッドの全面を均一にコンディショニング可能で、しかも高負荷条件においてもコンディショニング中にビビリを生じずに、安定したコンディショニングが可能なものを提供することにある。

本発明のＣＭＰパッドコンディショナーの第１の特徴は、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、前記円盤状台金に同心円環状領域と同心円形状の領域の全面に超砥粒層が形成され、前記円環状領域は、その半径方向の幅の中間近傍が凸であり、前記円形状領域は、前記円盤状台金の中心軸上において最も高くなる凸形状としたことである。このようにしたことにより、コンディショナーの切れ味を格段に向上させることができる。なお、前記同心円環状領域は、複数あってもよい。また、前記円環状領域と円形状領域とも、各々の領域内に半径方向および円周方向の溝が設けられても良い。

第２の特徴は、前記円環状領域と円形状領域は、前記円盤状台金の中心軸を含む断面において、楕円の円弧形状としたことである。このようにしたことにより、砥面が凸部の頂上から滑らかな曲面で構成され、パッドと接触した際の面圧分布が局所的に集中することなく接触面に分配される。

このように前記円環状領域と円形状領域に楕円の円弧断面を形成することにより、コンディショニングの切削能力を制御できる。楕円の短軸を台金の中心軸と平行としたとき、前記楕円の円弧における長軸と短軸の比率は、１以上１０以下とすることが好ましい。コンディショニングの切削能力を高めるためには、前記比率を小さくし、砥面を鋭い凸形状とすればよい。しかし、砥面の凸形状が鋭くなればなるほど、パッドと接触する砥面面積が小さくなり作用砥粒数も少なくなる。そのため、コンディショナーの寿命が短くなることがある。逆に、前記比率を大きくして砥面を緩やかな凸形状とすれば、コンディショナーの長い寿命は確保できるが、切削能力が劣ることがある。したがって、コンディショナーの寿命と切削能力の双方を満足できる砥面の形状は、前記比率で1以上１０以下とするのが好ましい。より好ましくは、３以上７以下とすればよい。

第３の特徴は、前記円環状領域の凸部の頂上と、前記円形状領域の凸部の頂上間に、０〜１００μｍの高さの差を設けたことである。このようにコンディショナーの砥面内に高低差を設けると、パッドが三次元的な曲面の表面を有していたとしても、前記砥面の高低差によりパッドの表面に追従させることが可能となる。

このように、コンディショナーの砥面を凹あるいは凸形状とすれば、パッドの表面に追従して、均一なコンディショニングが可能となるが、砥面が滑らかな凹あるいは凸形状であると、コンディショナーの砥面側表面のほぼ全面に砥面を形成する必要があり、そうした場合には、パッドとコンディショナーとの接触面積が大きくなり、切削能力が低下するうえ、ビビリが生じて安定なコンディショニングができなくなる。そのため、本発明のように、外周側の円環状砥面と中心部の円形状砥面の両方を凸形状として、それらの頂上間に高低差を設けることで、切削能力を高めながら、安定なコンディションニングが可能な形態とするのが好ましい。頂上間の高低差は、前記円環状領域の凸部の頂上よりも、前記円形状領域の凸部の頂上のほうが５μｍから１００μｍ高くすることがより好ましい。５μｍより小さくなると、同一高さとした場合と切削性能が殆んど変わらなくなる。一方、１００μｍより大きくなると、コンディショニング中のコンディショナーの安定が悪くなり、ビビリが生じたりして不安定なコンディショニング状態となる。

第４の特徴は、超砥粒の平均粒径を、５μｍ以上１０００μｍ以下としたことである。平均粒径が５μｍ未満になると、パッドに対するコンディショニ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、コンディショニ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。

第５の特徴は、超砥粒の平均突き出し量を、平均粒径の３％以上７０％以下としたことである。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剤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。

第６の特徴は、本発明のパッドコンディショナーに用いる結合剤として、メッキされた金属またはロウ材を使用したことである。超砥粒を円盤状台金に強固に固着できる結合剤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、結合剤は、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。

結合剤をメッキとする場合の材料として使用する金属には、ニッケルが最も好ましい。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）他の結合剤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。

もうひとつの結合剤として、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。

第７の特徴は、この発明におけるパッドコンディショナーは、ＣＭＰ用の研磨パッドのコンディショニングに用いられることである。

第８の特徴は、前記各々の超砥粒層に頂部平坦部を有することである。頂部に平坦部を形成することにより、切削性能を安定させることができ、コンディショナーのコンディショニング中における姿勢を安定させることもできる。円環状領域における平坦部については、前記円環状領域の外径部から内径部までの半径方向の幅の中央部から、外径側および内径側へそれぞれ０．５ｍｍ以上とし、面積は前記円環状領域の半分以内とするのが好ましい。また、円形状領域については、半径１ｍｍ以上とし、面積を半分以内とするのが好ましい。

以上のように、この発明によれば、パッドを均一にコンディショニングすることができ、ＣＭＰ工程における研磨レートを安定化させることができるパッドコンディショナーが得られる。

発明を実施するための最良の形態については、実施例の項で説明する。

まず、図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、外周側に同心円環状領域を設けて、外径を１００ｍｍ、内径を９０ｍｍとし、表面には半径２５ｍｍの円弧断面を有する凸形状を設けた。一方、中央部に円形状領域を設けて、その外径を５０ｍｍとし、半径１００ｍｍの円弧形状とした。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の上にコンディショニング圧力をかけたパッドコンディショナーを載せ、夫々を矢印の方向に回転させながら研磨し、パッドコンディショナーの性能の指標であるコンディションニングの均一性を比較した。尚、比較例は、図１における円環状領域にのみ砥粒層を形成した場合である。

コンディショニングの均一性は、１分間のコンディショニングを行い、パッド表面内において、コンディショナーが作用した領域を全体の面積で除した値を作用面積率として評価した。実施例の場合は、作用面積率が８０％であったのに対して、比較例の場合は３０％となった。

本発明のパッドコンディショナーの斜視図である。 図１の砥面配置を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 研磨パッドをパッドコンディショナーでコンディショニングする概念図である。

符号の説明

１ 台金
２ 超砥粒層
３ 超砥粒
４ 研磨パッド
５ コンディショナー
６ 回転軸
７ 純水
Ｏ 中心

Claims (8)

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、
   前記円盤状台金に同心円環状領域と同心円形状の領域の全面に超砥粒層が形成され、前記円環状領域は、中心軸を含む断面において、その半径方向の幅の中間近傍が凸であり、前記円形状領域は、中心軸を含む断面において前記円盤状台金の中心軸上において最も高くなる凸形状であることを特徴とする、パッドコンディショナー。
2. 前記円環状領域と円形状領域は、前記円盤状台金の中心軸を含む断面において、楕円の円弧形状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. 前記円環状領域の凸部の頂上と、前記円形状領域の凸部の頂上が、５〜１００μｍの高さの差を有することを特徴とする、請求項１または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１項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１項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剤は、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１項に記載のパッドコンディショナー。
7. ＣＭＰ用の研磨パッドのコンディショニ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１項に記載のパッドコンディショナー。
8. 前記超砥粒層に頂部平坦部を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のパッドコンディショナー。

Images