JP2010202957A

JP2010202957A - 炭素膜、炭素膜の製造方法及びｃｍｐパッドコンディショナー

Info

Publication number: JP2010202957A
Application number: JP2009052507A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Takahashi; 正訓高橋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】ノジュールの発生を抑制し、品質が安定して確保される炭素膜、炭素膜の製造方法及びＣＭＰパッドコンディショナーを提供する。
【解決手段】基材１を被覆する炭素膜２であって、平均粒径が２００ｎｍを超えるダイヤモンド粒子からなる第１炭素膜１１と、平均粒径が２００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子又はＤＬＣからなる第２炭素膜１２と、を備え、前記第１、第２炭素膜１１、１２が、前記基材１側からこの順に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具や部材等を被覆する炭素膜、炭素膜の製造方法、及び、この炭素膜を用いたＣＭＰパッドコンディショナーに関する。

近年、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法により、基材に種々の薄膜を形成し利用する技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、このようなＣＶＤ法により、ダイヤモンド粒子やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる炭素膜を、電子デバイスや工具等に利用する研究が活発に行われている。すなわち、前記炭素膜を工具や部材等に成膜することによって、これらの工具や部材等に求められる耐摩耗性、硬さ、剛性等の力学的特性に対応するようにしている。

一方、半導体産業の進展とともに、金属、半導体、セラミックスなどの表面を高精度に仕上げる加工の必要性が高まっており、特に、半導体ウェーハでは、その集積度の向上とともにナノメーターオーダーの表面仕上げが要求されている。このような高精度の表面仕上げに対応するために、半導体ウェーハに対して、多孔性のＣＭＰパッドを用いたＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシュ）研磨が一般に行われている。

半導体ウェーハ等の研磨加工に用いられるＣＭＰパッドは、研磨時間が経過していくにつれ目詰まりや圧縮変形を生じ、その表面状態が次第に変化していく。すると、研磨速度の低下や不均一研磨等の好ましくない現象が生じるので、ＣＭＰパッドコンディショナーを用い、ＣＭＰパッドの表面を研削加工することにより、ＣＭＰパッドの表面状態を一定に保って、良好な研磨状態を維持する工夫が行われている。

このようなＣＭＰパッドコンディショナーは、例えば、円板状の基板（基材）と、この基板のＣＭＰパッド側を向く表面に形成された複数の切刃とを有している。そして、これらの切刃を、ＣＶＤ法を用い、ダイヤモンド粒子からなる前記炭素膜で被覆することによって、鋭い切れ味や耐摩耗性を確保するようにしている。

また、前記炭素膜が、平均粒径２００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子、すなわち、所謂ナノクリスタルダイヤモンドや、前記ＤＬＣで形成される場合、炭素膜の表面が比較的滑らかに形成されるので、切刃を高精度に形成できる。また、前記ナノクリスタルダイヤモンドや前記ＤＬＣからなる炭素膜は、ＣＭＰパッドコンディショナー以外の、摺動特性を必要とする工具や部材等にも用いられる。

特公平４−５６７６５号公報特開平８−６０３５２号公報

ところで、ＣＶＤ法を用いて基材に薄膜を形成した際、該薄膜の表面に、ノジュールと呼ばれる瘤状の隆起部が形成されることがある。すなわち、平滑に形成すべき前記表面に、意図しないノジュールがその周辺部よりも突出して形成され、薄膜の品質を低下させることがあった。前述のＣＭＰパッドコンディショナーにおいては、前記ノジュールが形成されると、ＣＭＰパッドに対する研削性能が安定しなくなるという問題が生じる。また、前記炭素膜として、前記ナノクリスタルダイヤモンドや前記ＤＬＣを用いた場合には、このようなノジュールが数多く発生していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ノジュールの発生を抑制し、品質が安定して確保される炭素膜、炭素膜の製造方法及びＣＭＰパッドコンディショナーを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち、本発明は、基材を被覆する炭素膜であって、平均粒径が２００ｎｍを超えるダイヤモンド粒子からなる第１炭素膜と、平均粒径が２００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子又はＤＬＣからなる第２炭素膜と、を備え、前記第１、第２炭素膜が、前記基材側からこの順に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る炭素膜によれば、平均粒径が２００ｎｍを超えるダイヤモンド粒子からなる第１炭素膜と、平均粒径が２００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子、すなわち、所謂ナノクリスタルダイヤモンド、又は、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）からなる第２炭素膜とが、基材側からこの順に形成されているので、ノジュールの発生が確実に抑制される。尚、前記ＤＬＣとは、主として炭化水素、或いは、炭素の同素体からなる非晶質（アモルファス）の硬質炭素膜を示す。

詳しくは、一般に、前記ノジュールは、基材に炭素膜を成膜する初期の段階で生成され、基材と炭素膜との界面において核を中心に成長するが、本発明の発明者は、このような炭素膜について鋭意研究を重ねた結果、炭素膜のうち、平均粒径が２００ｎｍを超えるダイヤモンド粒子からなる第１炭素膜を基材に直接成膜した場合には、その発生頻度が大幅に低減されるという知見を得るに至った。

すなわち、炭素膜のうち、比較的粒径の小さいダイヤモンド粒子からなる前記ナノクリスタルダイヤモンドや、ＳＰ^３結合及びＳＰ^２結合の混在するアモルファスの前記ＤＬＣにおいては、その結晶構造が比較的無秩序であることから、基材に直接成膜した場合に、ノジュールの成長が助長され、ノジュールが数多く発生する。特に、前記ＤＬＣにおいては、このようなノジュールの発生が顕著に見受けられる。これに対比して、本発明に係る前記第１炭素膜は、ＳＰ^３結合の比較的粒径の大きいダイヤモンド粒子からなり、結晶構造が秩序立っていることから、基材に直接成膜した際、ノジュールの発生や成長が確実に抑制される。従って、炭素膜の品質が安定して確保される。

また、炭素膜の表層をなす第２炭素膜が、前記ナノクリスタルダイヤモンド又は前記ＤＬＣからなるので、該炭素膜の表面が比較的滑らかに形成される。従って、この炭素膜に被覆される工具や部材等の形状が、高精度に形成される。また、この炭素膜は表面が滑りやすくされていることから、例えば、摺動特性を必要とする工具や部材等にも用いることができる。
また、この第２炭素膜は、同種の元素からなる第１炭素膜に成膜されているので、第１炭素膜と第２炭素膜との界面にノジュールが発生するようなことが確実に防止される。

また、本発明に係る炭素膜において、前記第１炭素膜の膜厚が、３〜８μｍの範囲内に設定されていることとしてもよい。

本発明に係る炭素膜によれば、第１炭素膜の膜厚が３〜８μｍの範囲内に設定されているので、第１炭素膜が、均一に精度よく形成される。すなわち、前記膜厚が３μｍ未満に設定された場合には、膜厚が安定しなかったり空隙が形成されたりして、均一に成膜できないことがある。また、前記膜厚が８μｍを超えて設定された場合には、該第１炭素膜内のダイヤモンド粒子の平均粒径が大きくなり過ぎて、所望の表面粗さや機械的強度を有する炭素膜を得られなくなることがある。

また、本発明は、前述した炭素膜の製造方法であって、ＣＶＤ法により、前記第１、第２炭素膜を連続して成膜することを特徴とする。

本発明に係る炭素膜の製造方法によれば、ＣＶＤ法により、第１、第２炭素膜を連続して成膜することから、例えば、これらの第１、第２炭素膜を、同一の反応容器内で成膜できる。従って、炭素膜を比較的容易に、かつ、精度よく形成できる。

また、本発明は、基材に形成された切刃を用いて、前記基材に対向配置されたＣＭＰパッドに研削加工を施すＣＭＰパッドコンディショナーであって、前記切刃が炭素膜で被覆され、この炭素膜として、前述の炭素膜を用いたことを特徴としている。

本発明に係るＣＭＰパッドコンディショナーによれば、前述の炭素膜を用いて基材の切刃を被覆しているので、切刃を精度よく形成できる。従って、ＣＭＰパッドコンディショナーのＣＭＰパッドに対する研削性能が安定して確保される。

本発明に係る炭素膜によれば、ノジュールの発生が抑制され、品質が安定して確保される。
また、本発明に係る炭素膜の製造方法によれば、このような炭素膜を比較的容易かつ高精度に製造することができる。
また、本発明に係るＣＭＰパッドコンディショナーによれば、前述の炭素膜で切刃が被覆されるので、ＣＭＰパッドを精度よく安定して研削加工できる。

本発明の一実施形態に係るＣＭＰパッドコンディショナーを示す部分側断面図である。

本実施形態のＣＭＰパッドコンディショナー１０は、円板状又は円環板状をなし、その中心軸周りに回転する基板（基材）１と、この基板１に形成された複数の切刃（不図示）とを有し、これらの切刃を用いて、基板１に対向配置されたＣＭＰパッドに研削加工を施すものである。また、これらの切刃は、例えば、多角錐状、多角柱状、円錐状又は切頭円錐状等をなし、基板１において前記ＣＭＰパッド側を向く表面から突出して形成されている。また、ＣＭＰパッドは、半導体ウェーハに対して研磨加工を施す。

基板１は、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス材料からなり、図１に示すように、基板１のＣＭＰパッド側を向く表面１Ａは、炭素膜２で被覆されている。また、図示しないが、表面１Ａに形成された前記切刃も炭素膜２で被覆されている。

また、炭素膜２は、基板１の表面１Ａに、第１炭素膜１１及び第２炭素膜１２を順次積層するように形成されている。
第１炭素膜１１は、基板１の表面１Ａに成膜され、ＳＰ^３結合のダイヤモンド粒子からなる。詳しくは、第１炭素膜１１は、平均粒径が２００ｎｍを超える比較的粒径の大きい共有結合のダイヤモンド粒子からなる。また、第１炭素膜１１は、ラマンシフトスペクトルにおいて１３３２ｃｍ^−１付近に特徴的なピークを有する。また、第１炭素膜１１の膜厚は、３〜８μｍの範囲内に設定される。

また、第２炭素膜１２は、第１炭素膜１１においてＣＭＰパッド側を向く表面１１Ａに成膜され、平均粒径が２００ｎｍ以下に設定されたダイヤモンド粒子、すなわち、所謂ナノクリスタルダイヤモンドからなる。また、第２炭素膜１２は、ラマンシフトスペクトルにおいて１１５０ｃｍ^−１付近に特徴的なピークを有する。また、第２炭素膜１２は、炭素膜２の表層をなしている。

次に、このＣＭＰパッドコンディショナー１０を製造する手順について説明する。
まず、基板１を用意する。尚、基板１の表面１Ａには、予め前記切刃に対応する形状を付与しておく。

次いで、この基板１の表面１Ａに、種結晶のダイヤモンド粉末を付着させる。詳しくは、種結晶としてダイヤモンド微粒子からなるダイヤモンド粉末を用い、該ダイヤモンド粉末を、表面１Ａに塗布等によって分散させ均一に付着させる。

次いで、気相合成法熱フィラメント炉からなる反応容器を用い、ＣＶＤ法により、第１、第２炭素膜１１、１２をこの順に連続して成膜する。詳しくは、同一の反応容器内において、まず、メタン（ＣＨ_４）濃度：１％程度の設定で第１炭素膜１１を成膜し、次に、ＣＨ_４濃度：３．５％程度の設定で第２炭素膜１２を成膜し、炭素膜２を形成する。
このようにして、ＣＭＰパッドコンディショナー１０が製造される。

以上説明したように、本実施形態に係るＣＭＰパッドコンディショナー１０によれば、基板１の表面１Ａに、平均粒径が２００ｎｍを超えるダイヤモンド粒子からなる第１炭素膜１１と、前記ナノクリスタルダイヤモンドからなる第２炭素膜１２と、が順次成膜され、炭素膜２が形成されているので、該炭素膜２に前記ノジュールが形成されるようなことが確実に抑制される。

詳しくは、一般に、前記ノジュールは、基板１に炭素膜を成膜する初期の段階で生成され、基板１と炭素膜との界面において核を中心に成長するが、本実施形態では、炭素膜のうち、平均粒径が２００ｎｍを超えるダイヤモンド粒子からなる第１炭素膜１１を、基板１に直接成膜しているので、このようなノジュールの発生や成長が大幅に低減される。

すなわち、炭素膜のうち、比較的粒径の小さいダイヤモンド粒子からなる前記ナノクリスタルダイヤモンドや、ＳＰ^３結合及びＳＰ^２結合の混在するアモルファスのＤＬＣにおいては、その結晶構造が比較的無秩序であることから、基板１に直接成膜した場合に、ノジュールの成長が助長され、ノジュールが数多く発生する。特に、前記ＤＬＣにおいては、ノジュールの発生が顕著に見受けられる。これに対比して、本実施形態における第１炭素膜１１は、ＳＰ^３結合の比較的粒径の大きいダイヤモンド粒子からなり、結晶構造が秩序立っていることから、基板１に直接成膜した際、ノジュールの発生や成長が確実に抑制される。従って、炭素膜２の品質が安定して確保される。

また、炭素膜２の表層をなす第２炭素膜１２が、前記ナノクリスタルダイヤモンドからなるので、該炭素膜２のＣＭＰパッド側を向く表面が比較的滑らかに形成される。従って、この炭素膜２に被覆される前記切刃が、高精度に形成される。
また、この第２炭素膜１２は、同種の元素からなる第１炭素膜１１に成膜されているので、第１炭素膜１１と第２炭素膜１２との界面にノジュールが発生するようなことが確実に防止される。

また、第１炭素膜１１の膜厚が３〜８μｍの範囲内に設定されているので、第１炭素膜１１が、均一に精度よく形成される。すなわち、前記膜厚が３μｍ未満に設定された場合には、膜厚が安定しなかったり空隙が形成されたりして、均一に成膜できないことがある。また、前記膜厚が８μｍを超えて設定された場合には、この第１炭素膜１１内のダイヤモンド粒子の平均粒径が大きくなり過ぎて、所望の表面粗さや機械的強度を有する炭素膜２を得られなくなることがある。

また、本実施形態に係る炭素膜２の製造方法によれば、ＣＶＤ法により、第１、第２炭素膜１１、１２を連続して成膜することから、これらの第１、第２炭素膜１１、１２を、同一の反応容器内で成膜できる。従って、炭素膜２を比較的容易に、かつ、精度よく形成できる。

また、基板１の表面１Ａに、種結晶のダイヤモンド粉末を付着させた後、第１炭素膜１１を成膜するので、表面１Ａに分散されたダイヤモンド粉末が核となり、第１炭素膜１１が比較的早期に成長するとともに、該表面１Ａに精度よく均一に形成される。

また、このＣＭＰパッドコンディショナー１０は、前述の炭素膜２を用いて基板１の切刃を被覆しているので、切刃の切れ味が安定して確保される。従って、ＣＭＰパッドコンディショナー１０のＣＭＰパッドに対する研削性能が安定する。

尚、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本実施形態では、炭素膜２をＣＭＰパッドコンディショナー１０に用いることとしたが、これに限定されるものではない。すなわち、この炭素膜２を、ドリル、エンドミル、バイト等の切削工具に用いたり、電子デバイス等の部材に用いたりしてもよい。また、炭素膜２は表面が滑りやすくされていることから、ＣＭＰパッドコンディショナー１０以外の、摺動特性を必要とする工具や部材等にも用いることができる。

また、第２炭素膜１２が、前記ナノクリスタルダイヤモンドからなることとしたが、これに限定されるものではなく、前記ナノクリスタルダイヤモンドの代わりに、ＳＰ^３結合及びＳＰ^２結合の混在するアモルファスのＤＬＣからなることとしてもよい。このように、第２炭素膜１２がＤＬＣからなる場合にも、炭素膜２の前記表面が比較的滑らかに形成されて、前述の作用効果を奏する。尚、第２炭素膜１２をＤＬＣとする場合は、前記反応容器内において、ＣＨ_４濃度：５％程度の設定で第２炭素膜１２を成膜すればよい。

また、本実施形態では、基板１が、ＳｉＣやＳｉ_３Ｎ_４等からなることとしたが、それ以外のセラミックス材料で形成されていても構わない。
また、第１、第２炭素膜１１、１２の各膜厚は、本実施形態で説明した前述の範囲内に限定されるものではない。

また、本実施形態では、第１、第２炭素膜１１、１２を、同一の反応容器内で成膜することとしたが、これに限定されるものではなく、別々の反応容器内において、夫々成膜することとしても構わない。
また、成膜の前に、予め基板１の表面１Ａに種結晶のダイヤモンド粉末を付着させることとしたが、該表面１Ａに、前記ダイヤモンド粉末を付着させずに第１炭素膜１１を成膜しても構わない。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。ただし本発明はこの実施例に限定されるものではない。

[実施例１]
実施例１として、まず、ＳｉＣからなる基板１、及び、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる基板１を夫々用意し、これらの基板１の表面１Ａに、種結晶のダイヤモンド粉末を均一に夫々付着させ、種付け処理した。次いで、これらの基板１の表面１Ａに、気相合成法熱フィラメント炉を用いたＣＶＤ法により、前記第１炭素膜１１と、前記ナノクリスタルダイヤモンドからなる第２炭素膜１２とを順次成膜して、炭素膜２を形成した。このようにして、ＣＭＰパッドコンディショナー１０を夫々作製した。

詳しくは、第１炭素膜１１は、ＣＨ_４濃度：１％の設定で、膜厚３μｍとなるように成膜した。また、第２炭素膜１２は、ＣＨ_４濃度：３．５％の設定で、膜厚１０μｍとなるように成膜した。

次いで、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、これらのＣＭＰパッドコンディショナー１０におけるノジュール密度（すなわち炭素膜２の前記表面における単位面積あたりのノジュール数）を測定した。
結果を表１に示す。

[実施例２]
また、実施例２として、基板１の表面１Ａに、第１炭素膜１１と、前記ＤＬＣからなる第２炭素膜１２とを順次成膜し、ＣＭＰパッドコンディショナー１０を作製した。詳しくは、第２炭素膜１２は、ＣＨ_４濃度：５％の設定で、膜厚１０μｍとなるように成膜した。それ以外は、実施例１と同様の条件として測定を行った。

[比較例１]
また、比較例１として、基板１の表面１Ａに、前記ナノクリスタルダイヤモンドからなる炭素膜を直接成膜し、ＣＭＰパッドコンディショナーを作製した。詳しくは、前記炭素膜は、ＣＨ_４濃度：３．５％の設定で、膜厚１０μｍとなるように成膜した。それ以外は、実施例１と同様の条件として測定を行った。

[比較例２]
また、比較例２として、基板１の表面１Ａに、前記ＤＬＣからなる炭素膜を直接成膜し、ＣＭＰパッドコンディショナーを作製した。詳しくは、前記炭素膜は、ＣＨ_４濃度：５％の設定で、膜厚１０μｍとなるように成膜した。それ以外は、実施例１と同様の条件として測定を行った。

表１に示す通り、実施例１においては、比較例１に対比して、前記ノジュール密度が１／３程度に低減された。
また、実施例２においては、比較例２に対比して、前記ノジュール密度が１／４程度に低減された。
このように、実施例１、２では、ノジュールの発生が確実に抑制されることが確認された。

１基板（基材）
２炭素膜
１０ＣＭＰパッドコンディショナー
１１第１炭素膜
１２第２炭素膜

Claims

基材を被覆する炭素膜であって、
平均粒径が２００ｎｍを超えるダイヤモンド粒子からなる第１炭素膜と、
平均粒径が２００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子又はＤＬＣからなる第２炭素膜と、を備え、
前記第１、第２炭素膜が、前記基材側からこの順に形成されていることを特徴とする炭素膜。
請求項１に記載の炭素膜であって、
前記第１炭素膜の膜厚が、３〜８μｍの範囲内に設定されていることを特徴とする炭素膜。
請求項１又は２に記載の炭素膜を製造するための炭素膜の製造方法であって、
ＣＶＤ法により、前記第１、第２炭素膜を連続して成膜することを特徴とする炭素膜の製造方法。
基材に形成された切刃を用いて、前記基材に対向配置されたＣＭＰパッドに研削加工を施すＣＭＰパッドコンディショナーであって、
前記切刃が炭素膜で被覆され、前記炭素膜として、請求項１又は２に記載の炭素膜を用いたことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナー。