JP2014507813A - 軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子製作工程の一部である化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程で用いられるＣＭＰパッド用コンディショナーを提供すること。
【解決手段】本発明は、研磨粒子の含量が少ないスラリー、および／またはパッドの硬度が比較的低くかつ気孔率が非常に高い多孔質パッドを用いるＣＭＰ環境で使用することが可能な軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子製作工程の一部である化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程で用いられるＣＭＰパッド用コンディショナーに係り、より具体的には、研磨粒子の含量が少ないスラリー、および／またはパッドの硬度が比較的低くかつ気孔率が非常に高い多孔質パッドを用いるＣＭＰ環境で使用することが可能な軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法に関する。

半導体装置に用いられるＣＭＰ技術は、半導体ウェハー上に形成された絶縁膜や金属膜などの薄膜を平坦化するときに採用される。

通常、ＣＭＰ工程に用いられるスラリーの種類はオキサイド用、タングステン用、Ｃｕ用に区分され、このスラリーの内部にはウェハーを機械的に研磨することができるように研磨粒子が含まれている。機械的な研磨の他に化学的な研磨を達成するためには酸性溶液を添加することもある。この中でも、コンディショナーのダイヤモンド粒子の機械的磨耗を促進させる役割を果たすものが研磨粒子であるが、研磨粒子としては主にシリカやセリアが用いられており、スラリーの種類および使用環境によって研磨粒子の含量が大きく異なる。

スラリーには研磨粒子が通常１〜１０ｗｔ％程度含有されており、スラリーの種類によって酸性或いは中性を示す。このようなスラリーを用いるときにコンディショナーにかかる荷重は５〜１４ポンドであるため、ダイヤモンド粒子を使用しても、切削チップとして用いられるダイヤモンド粒子の先端部分の磨耗によりコンディショナーの使用寿命は５〜３０時間程度である。

これとは区別される工程として、ウェハーの精削ＣＭＰ工程の最終段階に行われるＣｕ ＣＭＰ工程があるが、Ｃｕ ＣＭＰ工程は、パッドの物性が非常に脆く、使用ポンドが３ポンド以下と非常に低い荷重を加える工程である。

このようなＣｕ ＣＭＰ工程で用いられるパッドの代表的な例としてはＦｕｊｉｂｏパッドが挙げられる。Ｆｕｊｉｂｏパッドに用いられるスラリーは、ｐｌａｎａｒスラリーであって、研磨粒子の含量が１％以下であるので、コンディショナーの側面では非常に低い工程負荷を持つことになる。このような工程では、コンディショナーの切削チップに耐磨耗性を大きく要求することなくＣＭＰ工程を行う。

これに対し、このような理由により、既存のＣＭＰパッドコンディショナーの中でも電着型コンディショナーは、ダイヤモンドの個数を少なく設計しても、ダイヤモンド粒子の角と切削チップの鋭いエッジによってソフトなパッドを容易に破ったりパッド表面の気孔形状を壊したりして使用できなくなり、これによりパッドの使用寿命が非常に短く、使用中にもパッドの状態を一定に維持することができないため、ウェハーの材料除去率(Removal Rate)の均一な制御が不可能となる。

かかる問題点を解決するために、基板の表面を一定の形状に突出させて形成された複数の突出部にＣＶＤによってダイヤモンド薄膜をコートすることにより製造されたＣＭＰパッドコンディショナーが開発された。代表的に、韓国特許第１０−０３８７９５４号には、基板の表面に上方へ均一な高さで突出する複数の多角錐台が形成され、その表面にダイヤモンド層がＣＶＤによって蒸着された構造を持つＣＭＰパッドコンディショナーが開示されている。

ところが、前記特許文献に開示されているように、基板上に切削チップの形態を加工した後、気相合成方式でダイヤモンドをコートしたコンディショナーを製造するためには、幾つかの制約がある。すなわち、ダイヤモンドを生成するために高価の装備が必要であり、生産性を高めるためにはチャンバーのサイズを大きくしなければならないが、これは技術的にも難しく、費用も高くかかる。また、ダイヤモンド薄膜コンディショナーの製造コストにおけるダイヤモンドコーディング費用の占有比率が非常に高く、コーテイングにかかる時間も２０ｈｒ〜４０ｈｒであって工程速度が遅いという欠点がある。

したがって、電着型コンディショナー、および前記特許文献に開示されたダイヤモンドコーティングコンディショナーが持つ問題点を解決すると同時に、Ｃｕ ＣＭＰ工程と同様に非常に脆いパッドとコンディショナーに３ポンド以下と非常に低い荷重を加える工程、またはスラリー研磨粒子の含量が１％以下であってコンディショナーの側面では非常に低い工程の条件で適用可能な新規コンディショナーが求められている。

本発明者は、上述したような従来の技術の諸般欠点及び問題点を解決するために研究努力した結果、電着型コンディショナー、および前記特許文献に開示されたダイヤモンドコーティングコンディショナーが持つ問題点を解決すると同時に、Ｃｕ ＣＭＰ工程などに使用できる軟弱パッド用コンディショナーを開発することにより、本発明の完成に至った。
そこで、本発明の目的は、ウェハーの材料除去率を安定に維持することができるように所定のパターンに応じて制御された構造を持つうえ、コストを画期的に低めることが可能な構造の軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、ダイヤモンドコーティング工程を行う必要がないので、コンディショナーの製造のために使用できる基板の材質が耐摩耗性だけ充足すれば制限されない軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、コンディショナーに形成された切削チップがダイヤモンド層を含まないため、ＣＶＤダイヤモンドコーティング工程を省略することができるので、製造工程が短縮されるうえ、製造コストの低減が可能であって生産性が向上した軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、ダイヤモンドコーティング工程を行う必要がないので、既存のダイヤモンドがコートされたＣＭＰパッドコンディショナーとは異なり、ダイヤモンドコーティング後のサイズ制御に必要な附随工程が省略できて不良率が減少できる軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の目的は上述した目的に制限されず、上述していない別の目的は以降の記載から当業者に明確に理解できるであろう。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも一表面が平坦な表面を有する基板と、前記表面の一部または全体に互いに離隔して突設された多数の切削チップとを含む、軟弱パッド用コンディショナーを提供する。

好適な実施例において、前記基板および多数の切削チップは同一材質であって、超硬材料、ＳｉＣまたはＳｉ_３Ｎ_４を含むセラミック材料、並びにＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも一つを含む複合セラミック材料のいずれか一つである。

好適な実施例において、前記多数の切削チップは、その上端部が面、線または点からなる。
好適な実施例において、前記多数の切削チップの上端部が基板の表面に平行な平面からなる場合、その全体的な形状が円柱、多角柱、円錐台および角錐台の少なくとも一つである。
好適な実施例において、前記多数の切削チップは、全体的な形状、突出高さおよび離隔間隔の少なくとも一つが同一である。
好適な実施例において、前記軟弱パッド用コンディショナーは、Ｃｕ ＣＭＰ工程を含んで、ＣＭＰ工程で加わる荷重が３ポンド以下の工程、およびスラリー研磨粒子の含量が１％以下の工程の少なくとも一つに用いられる。
また、本発明は、請求項１〜６のいずれか１項の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法であって、切削チップの突出高さを超過する厚さを持つ基板を準備する段階と、前記基板の一表面に所定のパターンに応じて多数の突出部を互いに離隔した間隔で陽刻によって突設する切削チップ形成段階とを含む、軟弱パッド用コンディショナーの製造方法を提供する。

好適な実施例において、前記切削チップ形成段階で突設される多数の突出部は、その上端部が面、線または点からなる。
好適な実施例において、前記切削チップ形成段階は、エッチング法と併行する切削ホイール、エンドミル、フライス（ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ）、ドリル、タップおよびレーザー加工のいずれか一つの微細機械加工法、前記エッチング法、及び前記微細機械加工方法のうちいずれか一方法によって行われる。

好適な実施例において、前記エッチング法は、前記多数の突出部が設けられる基板表面部分をフォトリソグラフィー（ｐｈｏｔｏ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）した後、エッチングによって、離隔した間隔をおいて突出部をなす突出高さの一部または全部を突出させる段階を含むが、突出高さの一部が突出する場合、前記一部が突出した突出部の残りの高さを前記いずれか一つの微細機械加工方法で形成する残り高さ形成段階をさらに含む。

好適な実施例において、前記突出高さの一部が突出する場合、前記エッチングによって突出する突出部の突出高さは総突出高さの１〜５０％である。

好適な実施例において、前記切削チップ形成段階の前に、前記基板の一表面が精密研削加工およびラッピング加工される段階をさらに含む。

本発明は、次の優れた効果を有する。

まず、本発明の軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法によれば、ウェハーの材料除去率を安定に維持することができるように所定のパターンに応じて制御された構造を持つうえ、コストを画期的に低減することができる。

また、本発明の軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法によれば、ダイヤモンドコーティング工程を行う必要がないので、コンディショナーの製造のために使用できる基板の材質が耐磨耗性だけ充足すれば制限されない。

また、本発明の軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法によれば、コンディショナーに形成された切削チップがダイヤモンド層を含まないため、ＣＶＤダイヤモンドコーティング工程を省略することができるので、製造工程が短縮されるうえ、製造コストの低減が可能であって生産性が向上する。
また、本発明の軟弱パッド用コンディショナーおよびその製造方法によれば、ダイヤモンドコーティング工程を行う必要がないので、既存のダイヤモンドがコートされたＣＭＰパッドコンディショナーとは異なり、ダイヤモンドコーティング後のサイズ制御に必要な附随工程が省略できて不良率が減少できる。

本発明の一実施例に係る軟弱パッド用コンディショナー、公知のＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナー（比較例）および電着コンディショナーを用いてＣｕ ＣＭＰ工程を行うときの各コンディショナー別ＰＷＲを測定した結果を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る軟弱パッド用コンディショナー、公知のＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナー（比較例）および電着コンディショナーを用いてＣｕ ＣＭＰ工程を行った後、各コンディショナーがコンディショニングしたＦｕｊｉｂｏパッドの表面写真である。

本発明で使用される用語はできる限り現在広く用いられる一般な用語を選択したが、特定の場合は出願人が任意に選定した用語もある。この場合には、単純な用語の名称ではなく発明の詳細な説明部分に記載または使用された意味を考慮してその意味が把握されるべきである。

特に、本発明で使用されている「切削チップ」という用語は、切削単位であって、基板の表面に突設された１つの突出部を意味し、場合によっては「突出部」と同一の意味で使用できる。

また、本発明で使用されている「軟弱パッド」は、ＣＭＰ工程で加わる荷重が３パウンド以下および／または研磨粒子の含量が１％以下のスラリーが使用される工程に用いられるパッドを意味する。

以下、添付図面に示された好適な実施例を参照して本発明の技術的構成を詳細に説明する。
ところが、本発明は、ここで説明される実施例に限定されるものではなく、別の形態にも具体化できる。明細書全体にわたり、本発明を説明するために使用される同一の参照番号は同一の構成要素を示す。
まず、本発明の第１技術的特徴は、ウェハーの材料除去率を安定に維持することができるように所定のパターンに応じて制御された構造を持つうえ、ダイヤモンドコーティング工程を行う必要がないので、コンディショナーの製造のために使用できる基板の材質が耐磨耗性だけ充足すれば制限されず、コストを画期的に低減することが可能な構造の軟弱パッド用コンディショナーにある。
したがって、本発明の軟弱パッド用コンディショナーは、少なくとも一表面が平坦な表面を有する基板と、前記表面の一部または全体に互いに離隔して突設された多数の切削チップとを含む。
ここで、軟弱パッド用コンディショナーを構成する基板および多数の切削チップは、同一の材質を持つように一体に形成されることが好ましい。その素材は、耐磨耗性だけ充足すれば制限されないが、超硬材料、ＳｉＣまたはＳｉ_３Ｎ_４を含むセラミック材料、並びにＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも一つを含む複合セラミック材料のいずれか一つであることが好ましい。
前記多数の切削チップは、所定のパターンに応じて基板の表面に突設されれば、その上端部が面、線及び点のいずれからなっても構わない。但し、多数の切削チップの上端部が基板の表面に平行な平面からなる場合、その全体的な形状が円柱、多角柱、円錐台および角錐台の少なくとも一つである
また、多数の切削チップは、作業者の制御意図によって全体的な形状、突出高さおよび離隔間隔が全てあるいはグループ別に異なるように形成されるが、全体的な形状、突出高さおよび離隔間隔の少なくとも一つが同一である方がウェハーの材料除去率の安定的な維持に好ましい。
このように構成された軟弱パッド用コンディショナーは、後述する実験例から分かるように、精密なｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙを要求するＣｕ ＣＭＰ工程を含んで、ＣＭＰ工程で加わる荷重が３パウンド以下の工程および／またはスラリー研磨粒子の含量が１％以下の工程に用いられる場合、既存のダイヤモンド層がコートされたＣＭＰパッドコンディショナーと同等以上の性能を有する。

次に、本発明の第２技術的特徴は、コンディショナーに形成された切削チップがダイヤモンド層を含まないため、ＣＶＤダイヤモンドコーティング工程を省略することができるので、製造工程が短縮されるうえ、製造コストの低減が可能であり、既存のダイヤモンドがコートされたＣＭＰパッドコンディショナーとは異なり、ダイヤモンドコーティング後のサイズ制御に必要な附随工程が省略できて不良率が減少されるなど、生産性が極めて向上した軟弱パッド用コンディショナーの製造方法にある。
したがって、本発明の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法は、切削チップの突出高さを超過する厚さを持つ基板を準備する段階と、前記基板の一表面に所定のパターンに応じて多数の突出部を互いに離隔した間隔で陽刻によって突設する切削チップ形成段階とを含む。

前記切削チップ形成段階で突設される多数の突出部は、その上端部が面、線または点から構成できるので、所定のパターンに応じて制御さえできれば、突出高さ、突出部の全体形状、および多数の突出部間の離隔間隔は制限されない。
前記切削チップ形成段階は、エッチング法と併行する切削ホイール、エンドミル、フライス（ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ）、ドリル、タップおよびレーザー加工のいずれか一つの微細機械加工法、前記エッチング法、及び前記微細機械加工方法のうちいずれか一方法によって行われる。

ここで、エッチング法は、前記多数の突出部が突設される基板表面部分をフォトリソグラフィー（ｐｈｏｔｏ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）した後、エッチングによって、離隔した間隔をおいて突出部をなす突出高さの一部または全部を突出させる段階を含むが、周知の構成のドライエッチング法およびウェットエッチング法がいずれも使用できる。
したがって、エッチング法によって突出高さの一部が突出する場合には、前記一部が突出した突出部の残りの高さをいずれか一つの微細機械加工方法で形成する残り高さ形成段階をさらに含む。このようにエッチング法と微細機械加工方法を併行して切削チップ形成段階を行う場合には、エッチング法をまず使用した後、微細機械加工方法を使用することが好ましい。

一方、切削チップ形成段階でエッチング法によって切削チップの突出高さの一部が突出する場合、エッチング法によって突出する突出部の突出高さは切削チップの総突出高さの１〜５０％であることが好ましい。

場合によっては、より精密に切削チップの全体形状、突出高さなどを制御するために、切削チップ形成段階の前に、前記基板の一表面が精密研削加工およびラッピング加工される段階をさらに含むことが好ましい。

実施例
表面の平坦度を確保するために、ラッピング工程を介して平坦度の公差を３ｍｍ±０．００２ｍｍ以下に合わせられたＳｉ_３Ｎ_４素材の基板を準備した。所定のパターンに応じて切削チップを形成させるために、研磨加工機を用いて微細加工を施した。この際、突出部のサイズを横縦長さ５０μｍ、高さ５０μｍとし、突出部の個数を１００００ｅａとして加工を施し、軟弱パッド用コンディショナーを製造した。

比較例
実施例１と同様の過程を行って突出部加工を施した基板のダイヤモンドコーティングのために突出部が突設された基板を、まず、ダイヤモンドの核生成および薄膜接着力の向上のために、前処理として超音波機器を用いて粒径１〜２μｍのダイヤモンド粉末を入れて核生成が容易であるように処理した。その後、ダイヤモンド薄膜に対して気相合成方式としての熱フィラメント方法を用いて１０時間ダイヤモンドを成長させ、ＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナー（ＣＶＤ Ｄｉｓｋ）を製造した。

実験例１
実施例および比較例で得られた軟弱パッド用コンディショナー、ＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナーおよび商用の電着コンディショナーに対して、Ｆｕｊｉｂｏパッドおよび研磨粒子の含量が１％以下のｐｌａｎａｒスラリーを用いるＣｕ ＣＭＰ工程を３１時間行い、各コンディショナー別にＰＷＲを測定した。その結果を図１に示す。
図１より、電着コンディショナーは１５時間後にＰＷＲ５０％に減少したが、ＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナーと本発明の軟弱パッド用コンディショナーは３０時間が超えるまでＰＷＲが維持されていることが分かる。

実験例２
実験例１を行った後、各コンディショナーがコンディショニングしたＦｕｊｉｂｏパッドの表面写真をＣＭＰ工程の前（初期）と比較して順次拡大して観察した写真を図２に示した。
図２より、電着コンディショナーはソフトなＦｕｊｉｂｏパッドの表面を剥がすことが分かり、ＰＷＲが顕著に低下することを確認することができ、ＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナーと本発明の軟弱パッド用コンディショナーが使用されたパッドの表面状態はほぼ類似することが分かる。

実験例３
各コンディショナーの一定の部分でサンプルとしてダイヤモンド粒子および切削チップ１００個を選定し、実験例１を行う前と後のサンプルの露出高さを測定した。その比較結果を表１に示す。

表１より、全てのコンディショナーにおいて露出高さの大きな変化は見られなかったが、電着コンディショナーはＭａｘ−Ｍｉｎ値の変化が大きく、これに対し、ＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナーおよび本発明の軟弱パッド用コンディショナーはＭａｘ−Ｍｉｎ値の変化が大きくなかった。これは電着コンディショナーが一部少ない個数のワーキングダイヤによってパッドが激しく摩擦されたことを示すものと思われる。

このような実験例１〜実験例３の実験結果は、本発明の軟弱パッド用コンディショナーがＣｕ ＣＭＰ工程に使用される場合、ＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナーと同等またはそれ以上の性能を有することを示す。
よって、本発明の軟弱パッド用コンディショナーが、Ｃｕ ＣＭＰ工程を含んで、ＣＭＰ工程で加わる荷重が３ポンド以下の工程および／またはスラリー研磨粒子の含量が１％以下の工程に使用される場合、既存のダイヤモンド層がコートされたＣＭＰパッドコンディショナーと同等以上の性能を有することが分かる。

参考実験例
実施例および比較例で得られた軟弱パッド用コンディショナーとＣＶＤダイヤモンドコーティングコンディショナーに対して、ＩＣ１０１０を用いたＷ２０００ ＣＭＰ工程を５時間１０ｌｂｆ荷重の下で行った後、ＣＭＰ工程の前と後の各コンディショナーに形成された切削チップの高さを測定した。その結果を表２に示す。

表２より、Ｗ２０００スラリーのように研磨粒子の含量が６％程度と高くかつコンディショナーの荷重が高い工程では、本発明のようにダイヤモンドコーティングを施していない軟弱パッド用コンディショナーは切削チップの磨耗速度が速くて適用させ難いことが分かる。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて図示および説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、 本発明の精神から逸脱することなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって様々な変形および修正が可能であろう。

Claims (12)

1. 少なくとも一表面が平坦な表面を有する基板と、
   前記表面の一部または全体に互いに離隔して突設された多数の切削チップとを含む、軟弱パッド用コンディショナー。
2. 前記基板および多数の切削チップは、同一の材質であって、超硬材料、ＳｉＣまたはＳｉ_３Ｎ_４を含むセラミック材料、並びにＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも一つを含む複合セラミック材料のいずれか一つであることを特徴とする、請求項１に記載の軟弱パッド用コンディショナー。
3. 前記多数の切削チップは、その上端部が面、線または点からなることを特徴とする、請求項１に記載の軟弱パッド用コンディショナー。
4. 前記多数の切削チップの上端部が基板の表面に平行な平面からなる場合、その全体的な形状が円柱、多角柱、円錐台および角錐台の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項３に記載の軟弱パッド用コンディショナー。
5. 前記多数の切削チップは、全体的な形状、突出高さおよび離隔間隔の少なくとも一つが同一であることを特徴とする、請求項１に記載の軟弱パッド用コンディショナー。
6. 前記軟弱パッド用コンディショナーは、Ｃｕ ＣＭＰ工程を含んで、ＣＭＰ工程で加わる荷重が３ポンド以下の工程およびスラリー研磨粒子の含量が１％以下の工程の少なくとも一つに用いられることを特徴とする、請求項１に記載の軟弱パッド用コンディショナー。
7. 請求項１〜６のいずれか１項の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法であって、
   切削チップの突出高さを超える厚さを持つ基板を準備する段階と、
   前記基板の一表面に所定のパターンに応じて多数の突出部を互いに離隔した間隔で陽刻によって突設する切削チップ形成段階とを含む、軟弱パッド用コンディショナーの製造方法。
8. 前記切削チップ形成段階で突設される多数の突出部は、その上端部が面、線または点からなることを特徴とする、請求項７に記載の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法。
9. 前記切削チップ形成段階は、エッチング法と併行する切削ホイール、エンドミル、フライス（ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ）、ドリル、タップおよびレーザー加工のいずれか一つの微細機械加工法、前記エッチング法、及び前記微細機械加工方法のうちいずれか一方法によって行われることを特徴とする、請求項７に記載の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法。
10. 前記エッチング法は、前記多数の突出部が突設される基板表面部分をフォトリソグラフィー（ｐｈｏｔｏ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）した後、エッチングによって、離隔した間隔をおいて突出部をなす突出高さの一部または全部を突出させる段階を含むが、突出高さの一部が突出する場合、前記一部が突出した突出部の残りの高さを前記いずれか一つの微細機械加工方法によって形成する残り高さ形成段階をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法。
11. 前記突出高さの一部が突出する場合、前記エッチングによって突出する突出部の突出高さは総突出高さの１〜５０％であることを特徴とする、請求項１０に記載の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法。
12. 前記切削チップ形成段階の前に、前記基板の一表面が精密研削加工およびラッピング加工される段階をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の軟弱パッド用コンディショナーの製造方法。