JP2009136926A - Conditioner and conditioning method - Google Patents

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Shuhei Kurokawa
周平 黒河
Toshiro Doi
俊郎 土肥
Kazunori Kadomura
和徳 門村
Toshio Fukunishi
利夫 福西
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Kyushu University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide conditioner for CMP (Chemical Mechanical Polishing) pad exerting a stable polishing performance in a Cu wiring process of a semiconductor device. <P>SOLUTION: The CMP pad conditioner formed by fixing a single layer of diamond abrasive grains with mean grain size of 30-1,000 μm on the surface of a base metal by a binding material consisting primarily of nickel plating or brazing material, superabrasive grain contains 40 wt.% or more of hexoctahedron whose crystal faces consist of both of (100) surfaces and (111) surfaces so as to reduce the abrasion amount of the pad, and the pad surface is smoothly finished so as to exert the stable polishing performance by the CMP process of a Cu film. When the length of the ridge line formed by the (111) surface and the (111) surface is defined as A and the length of the ridge line formed by the (100) surface and the (111) surface is defined as B, preferably the shape of the superabrasive grain forming the hexoctahedron satisfies a relationship of 0≤A≤2B. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、コンディショナに関し、特に、半導体製造工程のひとつであるCMP(Chemical Mechanical Polishing)用、特にCu膜のCMP用研磨パッドのコンディショナに関するものである。   The present invention relates to a conditioner, and more particularly to a conditioner of a polishing pad for CMP (Chemical Mechanical Polishing), which is one of semiconductor manufacturing processes, particularly for CMP of a Cu film.

CMPは、シリコンウェーハ上に半導体素子を形成するデバイス工程において、多層配線部を遊離砥粒による研磨にて平坦化する工程である。平坦化する層の材質には配線間の絶縁用の酸化膜として二酸化珪素、配線材料としてタングステンおよび銅などが挙げられる。それらの各種材料はデバイスウェーハ上に成膜した後にCMPによって平坦化される。CMPには、酸性又は塩基性水溶液にシリカやアルミナなど微粒子を混濁させたスラリーと、発泡ポリウレタンや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。各種成膜した層を研磨すると研磨パッドの表面に目詰りが生じることにより、研磨速度の低下やウェーハ上の微小な欠陥の発生が問題となってくるため、常時又は定期的に研磨パッド表面を研削して、目詰りを解消する必要が生じる。ここに使われるのがCMPコンディショナであり、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などの超砥粒が単層固着されたものを用いる。   CMP is a process in which a multilayer wiring portion is planarized by polishing with loose abrasive grains in a device process for forming a semiconductor element on a silicon wafer. Examples of the material of the layer to be planarized include silicon dioxide as an insulating film for insulation between wirings, and tungsten and copper as wiring materials. These various materials are flattened by CMP after being deposited on the device wafer. For CMP, a slurry in which fine particles such as silica or alumina are turbid in an acidic or basic aqueous solution and a polishing pad made of foamed polyurethane, polyester nonwoven fabric or the like is used. When polishing various deposited layers, clogging occurs on the surface of the polishing pad, which causes problems such as a decrease in polishing speed and generation of minute defects on the wafer. It is necessary to grind and eliminate clogging. A CMP conditioner is used here, in which a single layer of superabrasive grains such as diamond is fixed to the surface of a disk-shaped or ring-shaped metal base metal.

従来の酸化膜のCMPにおけるコンディショニングでは、コンディショナの切れ味が重視され、鋭利な切れ刃を備えるコンディショナが用いられてきた。その理由として、鋭利な切れ刃を備えるコンディショナの方が短時間で効率良く研磨パッド上の目詰まりを除去し、かつ研磨パッド表面をより粗く仕上げられる事により、高い研磨速度が得られる点にある。研磨パッド表面の凹凸が大きいとウェーハに接触する面積が小さくなり、ウェーハとの接点にかかる圧力が大きくなる事により研磨レートが高くなると考えられる。   In conventional conditioning of an oxide film in CMP, the conditioner is emphasized in sharpness, and a conditioner having a sharp cutting edge has been used. The reason is that a conditioner with a sharp cutting edge can efficiently remove clogging on the polishing pad in a shorter time and can finish the surface of the polishing pad more roughly, resulting in a higher polishing rate. is there. If the unevenness of the polishing pad surface is large, the area in contact with the wafer is reduced, and it is considered that the polishing rate is increased by increasing the pressure applied to the contact with the wafer.

四面体又は八面体形状をもつ超砥粒を用いたCMPコンディショナに関するものでは、それらの形状の鋭利性を生かして研磨パッドに対する研削能力を高め、酸化膜の高い研磨レートを得られることが知られている(例えば、特許文献1参照)。   In the case of a CMP conditioner using superabrasive grains having a tetrahedral or octahedral shape, it is known that the sharpness of these shapes can be utilized to improve the grinding ability for the polishing pad and to obtain a high polishing rate of the oxide film. (For example, refer to Patent Document 1).

別の、六八面体のダイヤモンド砥粒を用いたCMPコンディショナでは、研磨パッドに対する研削能力を高める目的でなされたCMPコンディショナが知られている(例えば、特許文献2参照)。   As another CMP conditioner using hexahedron diamond abrasive grains, a CMP conditioner made for the purpose of increasing the grinding ability with respect to a polishing pad is known (for example, see Patent Document 2).

また別の、研削能力を高める目的でなされたCMPコンディショナとしては、台金を凸形状にすることにより、研磨パッドへの加工圧力を集中させ、研磨パッドに対する研削能力を高めたCMPコンディショナが知られている(例えば、特許文献3参照)。   Another CMP conditioner made for the purpose of increasing the grinding ability is a CMP conditioner having a base metal having a convex shape, thereby concentrating the processing pressure on the polishing pad and increasing the grinding ability for the polishing pad. It is known (see, for example, Patent Document 3).

さらに別の、研削能力を高める目的でなされたCMPコンディショナとしては、台金表面に円柱状の突起部を複数配置することにより研磨パッドへの加工圧力を高めて研磨パッドに対する研削能力を高めたCMPコンディショナが知られている(例えば、特許文献4参照)。   As another CMP conditioner for the purpose of increasing the grinding ability, a plurality of cylindrical protrusions are arranged on the surface of the base metal, thereby increasing the processing pressure on the polishing pad and enhancing the grinding ability for the polishing pad. A CMP conditioner is known (see, for example, Patent Document 4).

特開2002−127011号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-127011 特開2001−71267号公報JP 2001-71267 A 特許第3295888号公報Japanese Patent No. 3295888 特許第3656475号公報Japanese Patent No. 3656475

近年、半導体デバイスの高集積化、高性能化に伴ってデバイスの多層化が進み、配線材料である金属膜、特にCu膜の平坦化工程が増大する傾向にある。ところが、この工程のコンディショナは、従来の酸化膜のCMP用コンディショナをそのまま流用しているため、金属膜の平坦化工程における研磨特性を十分に引き出せずに量産を行っているのが現状である。
すなわち、本発明は、Cu膜のCMP用研磨パッドのコンディショナにおいて、高い研磨レートを安定して維持でき、しかも長寿命のコンディショナを提供することにある。
In recent years, with the increase in integration and performance of semiconductor devices, the number of layers of devices has increased, and the planarization process of metal films, particularly Cu films, as wiring materials tends to increase. However, since the conditioner for this process uses the conventional conditioner for CMP of oxide film as it is, it is currently mass-produced without fully taking out the polishing characteristics in the planarization process of the metal film. is there.
That is, the present invention provides a conditioner for a Cu film CMP polishing pad that can stably maintain a high polishing rate and has a long life.

上記の課題を解決すべく、本発明のコンディショナは、台金の表面に超砥粒を単層固着した超砥粒層を有するCMPコンディショナであって、結晶面が(100)面および(111)面の両方にて構成される六八面体の超砥粒を40重量%以上含有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a conditioner of the present invention is a CMP conditioner having a superabrasive layer in which a superabrasive grain is fixed to the surface of a base metal, the crystal plane being (100) plane and ( It is characterized by containing at least 40% by weight of hexahedron superabrasive grains composed of both (111) faces.

六八面体の超砥粒の結晶面がなす角度は鈍角のため、研磨パッドに対して食い込む力が弱く、結果的に研磨パッド表面は平滑に加工される。この際、六八面体の超砥粒が含まれる比率は、40重量%以上となることが望ましい。
40重量%以上と数値限定した理由は、40重量%を下回るとCu膜のCMP工程において十分な研磨レートが得られないためである。より好ましくは60重量%以上の六八面体の超砥粒を含むことが望ましい。なお、超砥粒はダイヤモンド砥粒、CBN砥粒などを用いることができるが、耐摩耗性を考慮するとダイヤモンド砥粒がより好ましい。
Since the angle formed by the crystal planes of the hexahedron superabrasive grains is an obtuse angle, the force to bite into the polishing pad is weak, and as a result, the surface of the polishing pad is processed smoothly. At this time, the ratio of the hexahedron superabrasive grains is preferably 40% by weight or more.
The reason why the numerical value is limited to 40% by weight or more is that if it is less than 40% by weight, a sufficient polishing rate cannot be obtained in the CMP process of the Cu film. More preferably, it contains 60% by weight or more of hexahedron superabrasive grains. In addition, although a diamond abrasive grain, a CBN abrasive grain, etc. can be used for a superabrasive grain, a diamond abrasive grain is more preferable when abrasion resistance is considered.

その中でもダイヤモンドの結晶面の中でも最も耐摩耗性の高い(111)面を、台金上の、コンディショナの回転軸に直行する面にほぼ平行となるように固着することにより、(111)面を主に作用させることが可能となりコンディショナをより長時間使用することが可能となる。   Among them, the (111) plane having the highest wear resistance among the crystal planes of diamond is fixed so as to be substantially parallel to the plane perpendicular to the rotation axis of the conditioner on the base metal. The conditioner can be used for a longer time.

図1に六八面体のダイヤモンド砥粒の模式図を示す。六八面体のダイヤモンド砥粒は結晶面として、(100)面1および(111)面2の両方にて構成される事を特徴とする。(111)面と(111)面にてなす稜線の長さをA、(100)面と(111)面にてなす稜線の長さをBとしたとき、本発明においては、Aの長さが0≦A≦2Bの関係を満たす範囲のものが好ましい。図2は六八面体のダイヤモンド砥粒において(a)がA=0、および(b)がA=2Bの関係を満たす場合の模式図である。
ここで、Aの長さが0.5B≦A≦1.5Bであることがより好ましく、Aの長さがA≒Bであることが最も好ましい。
FIG. 1 shows a schematic diagram of hexahedral hexagonal diamond grains. The hexahedron diamond abrasive grains are characterized by being composed of both the (100) plane 1 and the (111) plane 2 as crystal planes. When the length of the ridge line formed between the (111) plane and the (111) plane is A and the length of the ridge line formed between the (100) plane and the (111) plane is B, in the present invention, the length of A In a range satisfying the relationship of 0 ≦ A ≦ 2B is preferable. FIG. 2 is a schematic diagram in the case where (a) satisfies A = 0 and (b) satisfies A = 2B in a hexahedron diamond abrasive.
Here, the length of A is more preferably 0.5B ≦ A ≦ 1.5B, and the length of A is most preferably A≈B.

この発明において、超砥粒の平均粒径は、30μm以上300μm以下が好ましい。
平均粒径が30μm未満になると、研磨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300μmを越えると、コンディショニング能力は高くなるが、研磨パッド表面が粗くなり過ぎる事により、ウェーハ表面の加工品位が低下し、品質上実用的でない。
In this invention, the average grain size of the superabrasive grains is preferably 30 μm or more and 300 μm or less.
When the average particle size is less than 30 μm, the conditioning ability with respect to the polishing pad is extremely lowered, which is not practical. On the other hand, if the average particle size exceeds 300 μm, the conditioning ability is increased, but the surface of the polishing pad becomes too rough, so that the processing quality of the wafer surface is lowered, which is not practical in terms of quality.

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%以下であることが好ましい。
平均突き出し量が、3%未満ではコンディショナ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40%以下であることが最も好ましい。
Moreover, in this invention, it is preferable that the average protrusion amount of superabrasive grains is 3% or more and 50% or less of the average particle diameter.
If the average protrusion amount is less than 3%, the conditioner will not be sharp enough to cause a reduction in processing efficiency. If it exceeds 50%, the holding power of the diamond abrasive grains will decrease and cause dropout. is there. In order to increase the holding power of the diamond abrasive grains to prevent dropping and to obtain sufficient processing efficiency, the average protrusion amount is more preferably 10% or more and 45% or less, and more preferably 10% or more and 40% or less. Most preferred.

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。   In order to measure the protruding amount of superabrasive grains, a method using a dial gauge or the like has been proposed, but zygo (three-dimensional) is most accurately used to measure the level difference from the protruding end of superabrasive grains to the binder. It is appropriate to use a surface structure analysis microscope.

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。   For example, the average protrusion amount is determined by measuring the protrusion amount of 100 superabrasive grains arbitrarily selected, and multiplying the average value by the average grain diameter of the superabrasive grain by multiplying by 100. Defined. Since several tens of thousands to several hundreds of thousands of superabrasive grains are fixed to the superabrasive grain layer, it takes a lot of labor to measure the protruding amount of all superabrasive grains. For this purpose, it is practical to employ an average value of about 100 abrasive grains.

本発明のコンディショナに用いる結合材は、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、めっきされた金属またはロウ材が適している。   The binder used for the conditioner of the present invention is not particularly limited as long as it is a binder that can firmly fix the superabrasive grains to the disc-shaped base metal. The demagnetized superabrasive grains adhere to the polishing pad and remain even when the wafer is polished with the polishing pad, causing scratches on the workpiece. Therefore, since a stronger abrasive grain holding force is required as the bonding material, a plated metal or brazing material is suitable.

ニッケルめっきが、結合材として最も好ましい。
ニッケルめっきにより超砥粒を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徴がある。
Nickel plating is most preferred as the binder.
The method of fixing the superabrasive grains to the base metal by nickel plating is as follows: (1) Superabrasive retention is superior to other binders; (2) Superabrasive protrusion is large, Smooth discharge, excellent sharpness, (3) High abrasive grain density, low tool wear and excellent machining accuracy, (4) Even if super abrasive grains are worn and used, damage to the base metal If there is no distortion, the base metal can be reused.

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。
As another binder, a brazing material can be used.
The brazing material used in the present invention has a low brazing temperature and high fluidity. Not only a Ti alloy used as a base metal but also an Ag—Cu—Ti activated brazing material that is particularly excellent in wettability with diamond and that provides a high adhesive strength is optimal. In addition, a Ni—Cr brazing material or a Co—Ni—Cr brazing material is also applicable.

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、その上に超砥粒とロウ材のパウダーを混合したものをふりかけ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。
In order to fix the superabrasive grains with the brazing material, it is appropriate to use a pasty brazing material.
Here, the paste-like brazing material is generally a brazing material powder kneaded with a binder, and has an appropriate viscosity, so that the operation is easy. In actual work, first, a paste-like brazing material is applied to the fixed surface of the superabrasive grains of the base metal, and a mixture of superabrasive grains and brazing powder is sprinkled on the brazing material to arrange them randomly and densely. When the brazing material is dried and no longer flows, it is placed in a furnace and heated to melt the brazing material. Thereafter, the superabrasive grains are fixed by cooling in a furnace.

また、この発明のコンディショナは、金属膜のCMP用研磨パッドのコンディショニングに用いられることが好ましい。   The conditioner of the present invention is preferably used for conditioning a CMP polishing pad for a metal film.

さらに、この発明のパッドコンディショナは、Cu膜、アルミ膜およびアルミ合金膜のCMP用研磨パッドのコンディショニングに用いられることがより好ましい。アルミ合金としてはアルミ−銅合金膜がある。   Furthermore, the pad conditioner of the present invention is more preferably used for conditioning a CMP polishing pad made of a Cu film, an aluminum film and an aluminum alloy film. An aluminum alloy includes an aluminum-copper alloy film.

上記コンディショニング方法において、コンディショナによるコンディショニング後、ダミーウェーハを研磨することにより不揃いであったパッド表面の凹凸の高さが一定の範囲内に揃うことでより安定した研磨性能が得られる。   In the conditioning method described above, after the conditioning by the conditioner, the unevenness on the pad surface, which has been uneven by polishing the dummy wafer, is aligned within a certain range, so that more stable polishing performance can be obtained.

この発明によれば、半導体デバイスのCu配線工程において、研磨パッドの消耗量を抑え、かつ安定した研磨性能を発揮するCMP用研磨パッドのコンディショナが得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a CMP polishing pad conditioner that suppresses the consumption of the polishing pad and exhibits stable polishing performance in the Cu wiring process of the semiconductor device.

発明を実施するための最良の形態については、以下の実施例の項で詳しく説明する。   The best mode for carrying out the invention will be described in detail in the section of the following embodiments.

まず、図3に示すように、外径Dが100mm、高さTが10mm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、外周部Wの8mmの領域のみである。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。   First, as shown in FIG. 3, a disk-shaped base metal having an outer diameter D of 100 mm and a height T of 10 mm was prepared. The material of the disk-shaped base metal is stainless steel SUS304. In addition, the area | region which adheres a superabrasive grain layer is only an area | region of 8 mm of the outer peripheral part W. FIG. The portions where the superabrasive grains were not fixed were masked with an insulating tape and an insulating paint.

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めっき浴中で、ニッケルストライクめっきを、電流密度5A/dm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めっき浴中で電流密度1A/dmで15分間の下地めっきを行った。 Next, the disk-shaped base metal 3 was immersed in a degreasing solution having a liquid temperature of 45 ° C. with 50 g / liter of sodium hydroxide, and cathodic electrolytic degreasing and anodic electrolytic degreasing were performed at a current density of 5 A / dm 2 . Then, after washing with pure water, immersed in hydrochloric acid for 3 minutes, washed again with pure water, and then subjected to nickel strike plating in a nickel plating bath of nickel chloride 150 g / liter and hydrochloric acid 100 g / liter, with a current density of 5 A / dm 2. For 5 minutes. Next, the substrate was plated for 15 minutes at a current density of 1 A / dm 2 in a nickel plating bath of 250 g / liter of nickel sulfate, 45 g / liter of nickel chloride and 30 g / liter of boric acid.

その後、平均粒径が150μmであり、六八面体のダイヤモンド砥粒を70重量%以上含むダイヤモンド砥粒を台金の上へ乗せ、電流密度0.3A/dmで3時間めっきした。次に、円盤状台金をめっき浴から引き上げ余剰のダイヤモンド砥粒を除去した。続けて、ダイヤモンド砥粒の平均突き出し量が30%となるまでめっきし、本発明の実施例1のパッドコンディショナを完成させた。 Thereafter, diamond abrasive grains having an average grain diameter of 150 μm and containing 70% by weight or more of hexahedron diamond abrasive grains were placed on the base metal and plated at a current density of 0.3 A / dm 2 for 3 hours. Next, the disk-shaped base metal was pulled up from the plating bath to remove excess diamond abrasive grains. Subsequently, plating was performed until the average protrusion amount of diamond abrasive grains was 30%, and the pad conditioner of Example 1 of the present invention was completed.

六八面体のダイヤモンド砥粒を50重量%含むダイヤモンド砥粒を用いて、上記実施例1と同様の製造方法にて実施例2のコンディショナを完成させた。尚、比較例として、酸化膜のCMPに通常用いられる鋭利な切れ刃を備えるダイヤモンド砥粒を用いたコンディショナを準備した(比較例1)。このダイヤモンド砥粒には六八面体のダイヤモンド砥粒は含まない。   The conditioner of Example 2 was completed by the same manufacturing method as in Example 1 above, using diamond abrasive grains containing 50% by weight of hexahedron diamond abrasive grains. In addition, as a comparative example, a conditioner using diamond abrasive grains having a sharp cutting edge that is usually used for CMP of an oxide film was prepared (Comparative Example 1). The diamond abrasive grains do not include hexahedron diamond grains.

即ち、研磨パッド3の上に圧力をかけたコンディショナPを載せ、夫々を矢印の方向に回転させながらコンディショニングした。コンディショナPの性能指標であるカットレート(研磨パッドを加工する速度)を測定し表3に記載した。なお表中の数字は比較例1を100としたときの相対値である。   That is, the conditioner P to which pressure was applied was placed on the polishing pad 3 and conditioned while rotating each in the direction of the arrow. The cut rate (speed at which the polishing pad is processed), which is a performance index of the conditioner P, was measured and listed in Table 3. The numbers in the table are relative values when Comparative Example 1 is 100.

次にコンディショニングを施したパッド5上に、スラリー供給用ノズル6よりスラリー7を研磨パッド上に供給し、圧力をかけたウェーハ8を載せ、夫々を矢印の方向に回転させながら研磨した。   Next, the slurry 7 was supplied onto the polishing pad from the slurry supply nozzle 6 on the conditioned pad 5, and the wafer 8 under pressure was placed on the pad 5 and polished while rotating each in the direction of the arrow.

図6は初期、コンディショニングを行った後はコンディショニングを行わずに酸化膜のCMP加工を行ったときの研磨レートの推移を示す。縦軸の研磨レートは一枚目の研磨レート値を100とした時の相対値である。ここで酸化膜には二酸化珪素を用いた。ウェーハ2枚目の研磨レートは1枚目と比較して約30%の低下を示している。これは1枚目の研磨によって研磨パッド表面が部分的に平坦化されることにより、ウェーハと研磨パッドの接点にかかる圧力が低下したため2枚目以降の研磨レートは低下したと考えられる。以上の結果より研磨パッド表面の粗さは酸化膜のCMP加工にとって非常に重要な要素であると言える。また、研磨の圧力低下の要因となるこれらの微小平坦部分を効率よく取り除くためにも切れ味のよいコンディショナが用いられる理由の一つである。図7(a)はコンディショニング直後の研磨パッド表面状態を、(b)は研磨した後の研磨パッド表面状態の模式図である。コンディショニング直後の研磨パッド9aには毛羽立ち10が存在するが、研磨後の研磨パッド9bには平坦化された部分11が現れる。   FIG. 6 shows the transition of the polishing rate when the CMP process of the oxide film is performed without performing the conditioning after the initial conditioning. The polishing rate on the vertical axis is a relative value when the polishing rate value of the first sheet is 100. Here, silicon dioxide was used for the oxide film. The polishing rate for the second wafer is about 30% lower than that for the first wafer. This is thought to be because the polishing rate on the second and subsequent sheets decreased because the pressure applied to the contact between the wafer and the polishing pad decreased because the surface of the polishing pad was partially planarized by the first polishing. From the above results, it can be said that the roughness of the polishing pad surface is a very important factor for the CMP processing of the oxide film. This is also one of the reasons why a sharp conditioner is used in order to efficiently remove these minute flat portions that cause a decrease in polishing pressure. FIG. 7A is a schematic diagram of the polishing pad surface state immediately after conditioning, and FIG. 7B is a schematic diagram of the polishing pad surface state after polishing. The polishing pad 9a immediately after conditioning has fluff 10 but the flattened portion 11 appears on the polished polishing pad 9b.

次に、Cu膜のCMP加工の研磨特性とコンディショニングの関係を調べるため、上述した実験をCu膜のCMP加工においても行った。初期コンディショニングを行った後はコンディショニングを行わずにCu膜のCMP加工を行ったときの研磨レートの推移を図8に示す。図6と同様に縦軸の研磨レートは一枚目の研磨レート値を100とした時の相対値である。Cu膜のCMP加工の場合、酸化膜とは逆に、初期の3枚まで上昇する傾向を示した。以上の事実から、Cu膜の場合、酸化膜とは異なったメカニズムにて加工されており、研磨パッドが平坦化された研磨パッドにて研磨レートが上昇する要因が存在していると考えられる。   Next, in order to examine the relationship between the polishing characteristics of the Cu film CMP process and the conditioning, the above-described experiment was also performed in the Cu film CMP process. FIG. 8 shows the transition of the polishing rate when the Cu film is subjected to the CMP process without performing the conditioning after the initial conditioning. As in FIG. 6, the polishing rate on the vertical axis is a relative value when the polishing rate value of the first sheet is 100. In the case of CMP processing of the Cu film, it showed a tendency to rise to the initial three, contrary to the oxide film. From the above facts, the Cu film is processed by a mechanism different from that of the oxide film, and it is considered that there is a factor that increases the polishing rate in the polishing pad with the polishing pad flattened.

Cu膜のCMP加工の加工メカニズムと上記の実験結果からCu膜のCMP加工に適する研磨パッド表面状態に関して以下のような考察を行った。Cu膜のCMP加工において、Cu膜はスラリー溶液中の酸化剤や有機酸などの化学的作用により表面に酸化物や錯体等の化合物層を形成する。それらの化合物層は脆弱なため、スラリー中の砥粒にて容易に除去することが可能となる。CMP加工は一般的に化学的な作用と機械的な作用の複合的な加工と言われているが、Cu膜のCMP加工の場合、化学的な作用がより大きいく、Cu膜の研磨レートはCu膜表面の化学反応速度に大きく依存する。研磨パッド表面に微小な平坦部が現れたにも関わらずCu膜の研磨レートが向上したのは、Cu膜表面での化学反応がより促進されたためと考えられる。研磨パッド表面に平坦部が現れると、研磨パッドとウェーハの接点の温度が研磨による摩擦により上昇し、Cu膜表面の化学反応が進んで研磨レートが上昇したと推測できる。つまりCu膜のCMP加工にはウェーハとの摩擦を大きくさせるため、より平滑な研磨パッド表面状態の方が適する。   From the processing mechanism of the Cu film CMP processing and the above experimental results, the following considerations were made on the polishing pad surface state suitable for the Cu film CMP processing. In CMP processing of a Cu film, the Cu film forms a compound layer such as an oxide or a complex on the surface by a chemical action such as an oxidizing agent or an organic acid in a slurry solution. Since these compound layers are fragile, they can be easily removed with abrasive grains in the slurry. CMP processing is generally said to be a combination of chemical action and mechanical action, but in the case of Cu film CMP processing, the chemical action is not large, and the polishing rate of the Cu film is This greatly depends on the chemical reaction rate on the surface of the Cu film. The reason why the polishing rate of the Cu film was improved despite the appearance of a minute flat portion on the surface of the polishing pad is thought to be because the chemical reaction on the surface of the Cu film was further promoted. When a flat portion appears on the surface of the polishing pad, it can be assumed that the temperature of the contact point between the polishing pad and the wafer increases due to friction due to polishing, and the chemical reaction on the surface of the Cu film progresses to increase the polishing rate. In other words, a smoother polishing pad surface state is more suitable for the CMP processing of the Cu film in order to increase the friction with the wafer.

上記の実験結果より、Cu膜のCMPには初期のコンディショニングを行った後ダミーウェーハの研磨を行ってパッド表面を図7(b)の状態にすることにより、安定したCu膜の研磨レートが得られる。   From the above experimental results, a stable Cu film polishing rate can be obtained by performing initial conditioning for Cu film CMP and polishing the dummy wafer to bring the pad surface into the state shown in FIG. 7B. It is done.

次に本発明の効果を、表1のコンディショニング条件のもと図4に示す方法にて研磨パッドをコンディショニングした後、表2の研磨条件のもと図5に示す方法にて酸化膜およびCu膜をCMP加工し、酸化膜およびCu膜夫々の研磨レートを測定して確認した。そのとき得られた各種膜の研磨レートに関して実施例1、実施例2および比較例1の値を表4に併記した。なお表中の数字は比較例1を100としたときの相対値である。   Next, the effects of the present invention were obtained by conditioning the polishing pad by the method shown in FIG. 4 under the conditioning conditions shown in Table 1, and then by the method shown in FIG. 5 under the polishing conditions shown in Table 2. This was confirmed by measuring the polishing rate of each of the oxide film and the Cu film. The values of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 regarding the polishing rates of the various films obtained at that time are also shown in Table 4. The numbers in the table are relative values when Comparative Example 1 is 100.

酸化膜のCMP加工においては研磨パッドに対するカットレートと研磨レートは同様の傾向を見せた。すなわちカットレートの高いコンディショナを用いた場合は高い研磨レートを示した。一方Cu膜のCMP加工では酸化膜とは逆にカットレートの低いコンディショナを用いた方が高い研磨レートが得られる傾向を示した。   In the CMP processing of the oxide film, the cut rate and the polishing rate with respect to the polishing pad showed the same tendency. That is, when a conditioner having a high cut rate was used, a high polishing rate was exhibited. On the other hand, in the CMP processing of the Cu film, a higher polishing rate tended to be obtained by using a conditioner having a lower cut rate as opposed to the oxide film.

Figure 2009136926
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本発明に用いる六八面体の超砥粒の模式図である。It is a schematic diagram of the hexahedron superabrasive grains used in the present invention. (a)は六八面体の超砥粒において、(111)面と(111)面にてなす稜線の長さが0の六八面体、(b)は(111)面と(111)面にてなす稜線の長さが(100)面と(111)面にてなす稜線の長さの2倍となる時の形状の模式図である。(A) is a hexahedron superabrasive grain in which the length of the ridge line formed by the (111) plane and the (111) plane is 0, and (b) is the (111) plane and the (111) plane. It is a schematic diagram of a shape when the length of the ridgeline formed by the operator is twice the length of the ridgeline formed by the (100) plane and the (111) plane. 本発明のパッドコンディショナの断面概略図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the pad conditioner of the present invention. 研磨パッドをパッドコンディショナにて研削する概念図である。It is a conceptual diagram which grinds a polishing pad with a pad conditioner. コンディショニングされた研磨パッドにてウェハを研磨する概念図である。It is a conceptual diagram which grind | polishes a wafer with the conditioned polishing pad. 初期コンディショニングを施した後、コンディショニングを施さずに20枚の酸化膜ウェーハを研磨した時に得られた研磨レートの推移に関する図である。縦軸が研磨レートおよび横軸がウェーハの加工枚数を示す。It is a figure regarding transition of the polishing rate obtained when 20 oxide film wafers were ground without performing conditioning after performing initial conditioning. The vertical axis represents the polishing rate and the horizontal axis represents the number of processed wafers. (a)はコンディショニング直後のパッド表面状態の断面を表す概略図である。(b)は研磨を行った後のパッド表面状態の断面を表す概略図である。(A) is the schematic showing the cross section of the pad surface state immediately after conditioning. (B) is the schematic showing the cross section of the pad surface state after grinding | polishing. 初期コンディショニングを施した後、コンディショニングを施さずに20枚のCu膜ウェーハを研磨した時に得られた研磨レートの推移に関する図である。縦軸が研磨レートおよび横軸がウェーハの加工枚数を示す。It is a figure regarding transition of the polishing rate obtained when 20 Cu film | membrane wafers were grind | polished without performing a conditioning after giving an initial conditioning. The vertical axis represents the polishing rate and the horizontal axis represents the number of processed wafers.

符号の説明Explanation of symbols

1 (100)面
2 (111)面
3 コンディショニング時の研磨パッド
4a コンディショニング時の主軸
4b 研磨時の主軸
5 研磨時の研磨パッド
6 スラリーの供給ノズル
7 スラリー
8 ウェーハ
9a コンディショニング後の研磨パッド
9b 研磨後の研磨パッド
10 コンディショニング後のパッド表面に存在する毛羽立ち
11 研磨後のパッド表面に現れる平坦部
D コンディショナの外径
T コンディショナの高さ
W コンディショナ上に超砥粒が固着される部分の幅
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 (100) surface 2 (111) surface 3 Polishing pad at the time of conditioning 4a Main axis at the time of conditioning 4b Main axis at the time of polishing 5 Polishing pad at the time of polishing 6 Slurry supply nozzle 7 Slurry 8 Wafer 9a Polishing pad 9b after conditioning 9b After polishing Polishing pad 10 Fluff present on the pad surface after conditioning 11 Flat portion appearing on the pad surface after polishing D Outer diameter of the conditioner T Height of the conditioner W Width of the portion where superabrasive grains are fixed on the conditioner

Claims (12)

台金の表面に超砥粒が結合材により単層固着された、金属膜のCMP研磨パッド用のコンディショナであって、
前記超砥粒には、結晶面が(100)面および(111)面の両方から構成される六八面体をなす超砥粒が40重量%以上含有されることを特徴とする、コンディショナ。
A conditioner for a CMP polishing pad of a metal film, in which superabrasive grains are fixed to a surface of a base metal by a single layer using a binder,
The conditioner characterized in that the superabrasive grains contain 40% by weight or more of superabrasive grains that form a hexahedron composed of both (100) planes and (111) planes.
前記金属膜は、アルミ膜、Cu膜、またはアルミ合金膜のいずれかひとつであることを特徴とする請求項1記載のコンディショナ。   The conditioner according to claim 1, wherein the metal film is any one of an aluminum film, a Cu film, and an aluminum alloy film. 前記超砥粒の(111)面は、コンディショナの回転軸に直行する平面にほぼ平行であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のコンディショナ。   The conditioner according to claim 1 or 2, wherein the (111) plane of the superabrasive grains is substantially parallel to a plane perpendicular to the rotation axis of the conditioner. 前記六八面体をなす超砥粒の形状は、(111)面と(111)面にてなす稜線の長さをA、(100)面と(111)面にてなす稜線の長さをBとしたとき、0≦A≦2Bの関係を満たすことを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のコンディショナ。   The shape of the superabrasive grains forming the hexahedron is such that the length of the ridge line formed by the (111) plane and the (111) plane is A, and the length of the ridge line formed by the (100) plane and the (111) plane is B. 4. The conditioner according to claim 1, wherein the condition satisfies 0 ≦ A ≦ 2B. 5. 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から請求項4のいずれか1項に記載のコンディショナ。   5. The conditioner according to claim 1, wherein an average particle size of the superabrasive grains is 30 μm or more and 300 μm or less. 前記超砥粒の結合材から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から請求項5のいずれか1項に記載のコンディショナ。   The conditioner according to any one of claims 1 to 5, wherein an average protrusion amount of the superabrasive grains from the binder is 3% or more and 50% or less of the average grain diameter. 前記結合材は、金属めっき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6のいずれか1項に記載のコンディショナ。   The conditioner according to any one of claims 1 to 6, wherein the binding material is metal plating or brazing material. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のコンディショナを用いて、金属膜のCMP用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。   A conditioning method comprising conditioning a polishing pad for CMP of a metal film using the conditioner according to any one of claims 1 to 7. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のコンディショナを用いて、Cu膜のCMP用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。 A conditioning method comprising conditioning a polishing pad for CMP of a Cu film using the conditioner according to claim 1. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のコンディショナを用いて、アルミ膜のCMP用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。 A conditioning method comprising: conditioning a polishing pad for CMP of an aluminum film using the conditioner according to any one of claims 1 to 7. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のコンディショナを用いて、アルミ合金膜のCMP用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。   A conditioning method comprising: conditioning a polishing pad for CMP of an aluminum alloy film using the conditioner according to any one of claims 1 to 7. 請求項8から請求項11に記載のコンディショニング方法において、コンディショナによるコンディショニング後にダミー研磨による仕上げのコンディショニングを行う事を特徴とする、コンディショニング方法。   12. The conditioning method according to claim 8, wherein finishing conditioning by dummy polishing is performed after conditioning by a conditioner.
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