JP4354630B2 - 研磨パッドコンディショニングヘッドのｃｖｄダイヤモンド被覆基材及びその作製方法 - Google Patents
研磨パッドコンディショニングヘッドのｃｖｄダイヤモンド被覆基材及びその作製方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
本願は、１９９７年７月１０日に出願された米国仮特許出願第６０／０５２，１４５号の優先権主張出願である。
【０００２】
〔発明の分野〕
本発明は、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）研磨パッド（ポリシングパッドと呼ばれることもある）のコンディショニングヘッド又はディスクの平らな基材に関する。本発明は、半導体ウェハやコンピュータハードディスクドライブに用いられるウェハ及びディスク上の誘電体及び半導体（酸化物）膜と金属膜の両方を平坦化すると共に（或いは）研磨するのに用いられる研磨パッドをコンディショニングすることができる。本発明は又、他の研磨サンダー仕上げ、研削仕上げ又は研磨ツールに用いられる十分なレベルの表面粗さを備えた連続ＣＶＤダイヤモンド被覆基材に関する。
【０００３】
〔発明の背景〕
ＣＭＰは、半導体ウェハの製造費の大部分を占めている。これらＣＭＰの費用としては、研磨パッド、研磨スラリー、パッド用コンディショニングディスク及び平坦化及び研磨作業中に摩耗する種々のＣＭＰ部品に関する費用がある。研磨パッド、パッドを交換するための操業停止時間、及びパッドを再校正するための試験用ウェハに関する全費用は、一回のウェハ研磨作業で約７ドルである。多くの複雑な集積回路デバイスでは、仕上げられたウェハ毎に最大５回のＣＭＰ作業が必要であり、これによりかかるウェハの総製造費が一段と増大する。
【０００４】
研磨パッドに関する最も多くの摩耗量は、研磨パッドをこれらウェハの平坦化及び研磨作業に適した条件にするのに必要な研磨パッドのコンディショニングの結果として生じるものである。典型的な研磨パッドは、厚さが約１／１６インチ（約１．５９ｍｍ）の独立発泡又は気泡ポリウレタンフォームから成る。パッドのコンディショニング中、パッドに機械的な研磨処理を施してパッド表面の気泡層を物理的に切断する。パッドの露出表面は、使用済み研磨スラリーから成る研磨スラリー及びウェハから除去された物質を取り込む開放気泡又は微細孔を有している。次々に実施される各パッド研磨工程では、理想的なコンディショニングヘッドは、埋まっている物質を有する気泡の外側層だけを除去し、しかも、外側層の下に位置する層を全く除去することがないものである。かかる理想的なコンディショニングヘッドは、研磨パッドの層の除去を可能な限り最も少なくして、即ち、可能な限りパッドの摩耗率を少なくして１００％の除去率を達成するであろう。パッドに関する摩耗の悪影響を考慮しなければ１００％の除去率を達成できることは明らかである。しかしながら、かかるパッドの過剰の表面仕上げの結果として、パッドの寿命が短くなる。他方、表面仕上げが足りないと、ＣＭＰ工程中の材料除去率が不十分となり、摩耗の均一性が失われる。満足の行く除去率を達成する従来型コンディショニングヘッドを用いると、パッドが役に立たなくなって交換しなければならなくなる前に、特定の操業条件に応じるものの、２００〜３００回という少ない回数及び数千回という多い回数のウェハ研磨作業を行うことができる。交換時期は、パッドをその元々の厚さのほぼ１／２に減らした後に生じる。
【０００５】
高いウェハ除去率と低いパッド摩耗率の理想的なバランスに近いレベルを達成し、コンディショニングの品質を損なわないで研磨パッドの有効寿命を大幅に伸ばすことができるようにするコンディショニングヘッドが非常に要望されている。
【０００６】
従来型コンディショニングヘッドは典型的には、ステンレス鋼板と、このステンレス鋼板の表面上にむらがある状態で分布されたダイヤモンドグリットと、ステンレス鋼板及びダイヤモンドグリットを被覆する湿式化学法によりめっきされたニッケルの保護被膜とから成る。かかる従来型コンディショニングヘッドの使用は、酸化物ＣＭＰウェハ加工中、即ち、露出した外側層が金属ではなく酸化物含有材料である場合に用いられた研磨パッドのコンディショニングに制限される。半導体ウェハの加工の際、ほぼ同一回数の酸化物と金属ＣＭＰ加工工程が実施される。しかしながら、従来型コンディショニングヘッドは、金属加工作業に関するコンディショニングには使えない。この理由は、ウェハからの材料の除去に用いられるスラリーがニッケルと反応を起こし、コンディショニングヘッドのニッケル外側層を劣化させたり溶解させ、それによりステンレス鋼板からダイヤモンドグリットを大部分失わせ、ウェハに掻き傷をつける恐れがあるからである。
【０００７】
酸化物含有ウェハ表面と金属含有ウェハ表面の両方をコンディショニングするのに有効なヘッドに対する要望が高い。また、ダイヤモンドグリットをその下に位置する基材に一層しっかりと取り付けられているコンディショニングヘッドが非常に要望されている。また、ＣＭＰ作業中に所与のウェハからのウェハ材料の除去における均等性の度合いを大きくするコンディショニングヘッドが要望されている。最後に、研磨パッドの寿命を伸ばすコンディショニングヘッドが要望されている。
【０００８】
〔発明の概要〕
本発明は、ウェハ除去率を損なわないで研磨パッドの寿命を二倍にすることが判明したＣＭＰ装置及びこれに類似した形式の装置用研磨パッドコンディショニングヘッド及び研磨パッドコンディショニングヘッドの作製方法に関する。加うるに、本発明のコンディショニングヘッドは、（１）酸化物表面だけでなく金属表面を加工するのに用いられる研磨パッドのコンディショニングに有効であり、（２）ダイヤモンドグリットが基材に一層しっかりと取り付けられ、その結果、基材から取れてウェハに潜在的に掻き傷をつけることがないように作製され、（３）所与のウェハ全体からの材料の除去における均等性の度合いを大きくする。
【０００９】
ＣＭＰ装置及びこれと類似した装置において、基材と、基材上に実質的に一様に分布したダイヤモンドグリットの単一層と、その結果得られたグリット被覆基材上に、前記ダイヤモンドグリットを包み込むと共に該ダイヤモンドグリットを前記基材に接合するよう化学気相成長させたダイヤモンドの外側層とから成る研磨パッドコンディショニングヘッドが提供される。
【００１０】
「化学気相成長（ＣＶＤ）」という用語は、真空蒸着法により蒸着される材料を意味し、かかる真空蒸着法としては、反応性ガス状前駆物質からの熱活性蒸着法、プラズマ法、マイクロ波法、及びガス状前駆物質からのＤＣ又はＲＦプラズマアークジェット蒸着法が挙げられる。
【００１１】
〔発明の好ましい実施形態の説明〕
図１に示すＣＭＰ装置１０は、研磨パッド１４がしっかりと取り付けられた定盤１２を有している。研磨パッド１４は、例えば時計回りの方向に回転する状態で示されている。ウェハ１８を備えた半導体ウェハホルダー１６が、ウェハ１８をパッド１４の露出表面に押し付けてこれを保持するよう示された状態で位置している。ホルダー１６は、例えば反時計回りの方向に回転する状態で示されている。ウェハ１８は、真空又は当該技術分野で周知の他の手段によりホルダー１６に固定されている。研磨スラリー２０が、導管２２のノズルを通してパッド１４の中央領域内に計量分配される。スラリー２０は代表的には、適当な液体、例えば水で稀釈した水酸化カリウム中に分散した二酸化珪素から成る。スラリーの正確な組成は、ウェハの露出表面の所望の平坦化を可能にするよう厳密に計算されている。装置１０はウェハホルダーを１つだけ示しているが、ＣＭＰ装置は、複数のホルダーを有するものとして市販されている。
【００１２】
研磨パッドのコンディショニングヘッド又はディスク２４が、基材２６の表面上に一様に分布された天然又は合成ダイヤモンドグリット２８と、グリット２８及び基材２６上に成長させたＣＶＤ多結晶質ダイヤモンド（以下、「ＣＶＤダイヤモンド」という）の連続薄膜３０とを有し、したがってグリット２８は、ＣＶＤダイヤモンド３０で包み込まれた状態で基材２６の表面に接合されている。
【００１３】
ＣＶＤダイヤモンドの一様な層３０が、１９９３年２月１６日に発行されたガーグ氏等の米国特許第５，１８６，９７３号に記載された形式の熱フィラメントＣＶＤ（ＨＦＣＶＤ）反応器を用いて基材２６の露出表面上に成長させる。かかる米国特許明細書のうち基材上へのＣＶＤダイヤモンドの成長に関する記載部分を本明細書の一部を形成するものとして引用する。
【００１４】
好ましくは、ＣＶＤダイヤモンドを、基材の表面上に化学的に気相成長（化学的に蒸着）させ、ＣＶＤダイヤモンド層が、工業等級のダイヤモンドの表面上に（２２０）又は（３１１）方向及び（４００）方向の明確な結晶方位を呈するようになっている。「化学的に気相成長させる」又は「化学的に蒸着させる」という用語は、水素と炭素化合物、好ましくは炭化水素の供給ガス混合物が、実質的に黒鉛状炭素蒸着を避けるような仕方で活性化された気相からのダイヤモンド生成炭素原子に分解することによって起こるＣＶＤダイヤモンドの層の蒸着を意味する。炭化水素の好ましい種類としては、Ｃ1 〜Ｃ4 飽和炭化水素、例えばメタン、エタン、プロパン及びブタン、Ｃ1 〜Ｃ4 不飽和炭化水素、例えばアセチレン、エチレン、プロピレン及びブチレン、Ｃ及びＯを含むガス、例えば一酸化炭素及び二酸化炭素、芳香族化合物、例えばベンゼン、トルエン、キシレン等、及びＣ、Ｈ及び少なくとも１つの炭素及び／又は窒素を含む有機化合物、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、メチルアミン、エチルアミン、アセトン及び類似の化合物が挙げられる。水素ガス中の炭素化合物の濃度は、約０．０１％〜約１０％、好ましくは約０．２％〜約５％、より好ましくは約０．５％〜約２％であるのがよい。ＨＦＣＶＤ蒸着法で結果的に得られるダイヤモンド膜は、接着性の個々の結晶又は実質的に粒間接着結合剤の無い層状の微結晶凝集体の形態をしている。
【００１５】
ＣＶＤダイヤモンドの全厚は、グリットサイズの少なくとも約１０％である。好ましくは、ダイヤモンド膜の全厚は、約１０〜２５０ミクロンである。さらにより好ましくは、これは約２０〜３０ミクロンである。
【００１６】
ＨＦＣＶＤ法は、炭化水素と水素の混合物を含む供給ガス状混合物を加熱された状態のフィラメントで活性化し、活性化されたガス状混合物を加熱された基材上に流して多結晶質ダイヤモンド膜を蒸着させる。水素中に０．１％〜約１０％の炭化水素を含む供給ガス状混合物を減圧下で、即ち１００トル以下において熱の作用で活性化させて炭化水素ラジカル及び水素原子をＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｒｅ又はこれらの混合物で作られた加熱状態のフィラメントを用いて生じさせる。フィラメントは、約１８００℃〜２８００℃の範囲にある。基材を約６００℃〜約１１００℃の蒸着温度まで加熱する。
【００１７】
珪素基材上にＣＶＤダイヤモンドを単純に成長させることに起因する表面粗さは、厚さ２０ミクロンのＣＶＤダイヤモンドを有する基材上に最上部から最下部まで約６〜約１２ミクロンの範囲にある。一般に、典型的な作業のための表面粗さは、基材上に成長させたＣＶＤダイヤモンドの厚さの約１／４〜約１／２の範囲にある。この度合の表面粗さは低すぎるので、ＣＭＰコンディショニング作業に合った所望の研磨効率を得ることができない。本発明では、天然ダイヤモンドのカッティング及び高圧法を用いる工業等級のダイヤモンドから得ることができるダイヤモンドグリットをＣＶＤ薄膜の組織中へ導入する。グリットのサイズは、最上部と最下部の表面間距離がＣＶＤダイヤモンド膜の厚さよりも大きくなるように選択されている。ダイヤモンドグリットを、個々の結晶粒を平均結晶粒直径の１／２以上もの距離だけ離すような密度で基材の表面上に一様に分布させる。ダイヤモンドグリットの平均サイズは、約１５ミクロン〜約１５０ミクロンの範囲にあり、好ましくは約３５ミクロン〜約７０ミクロンの範囲にある。ダイヤモンドグリットのサイズ及び密度を制御することにより、その結果得られる表面の研磨特性を種々のコンディショニング用途に合わせて調節することができる。所与のディスク上の結晶粒度は、約±２０％に等しいであろう。
【００１８】
図２は、ダイヤモンドグリット２８の非均一層を支持板３２、例えばステンレス鋼板の表面上に分布させ、ニッケルめっき３３を湿式化学プロセスによって蒸着させてダイヤモンドグリット２８を支持板３２に不安定な状態で接合する。
【００１９】
図３は、支持板３２の使用が任意であることを除き、上述のコンディショニングヘッド２４と実質的に同一の組成のものであるコンディショニングディスク３４の横断面を示している。基材２６は、ＣＶＤダイヤモンドを成長させるものとして知られた任意の材料から成り、かかる基材２６としては、例えば炭化珪素、焼結カーバイド、炭化タングステン、珪素、サファイヤ及び類似の物質が挙げられる。基材は通常は、直径が約２インチ〜４インチ（約５．０８ｃｍ〜約１０．１６ｃｍ）の範囲にあるディスクの形態をしている。しかしながら、コンディショニングヘッドのための基材として他の形状を用いた。基材２６の厚さは、約０．０２インチ〜約０．２５インチ（約０．５０８ｍｍ〜６．３５ｍｍ）の範囲にあり、好ましくは約０．０４インチ〜約０．２５インチ（約１．０１６ｍｍ〜６．３５ｍｍ）の範囲にあり、好ましくは０．０４インチ〜０．０８インチ（約１．０１６ｍｍ〜２．０３２ｍｍ）の範囲にある。１ｍｍ2当たりの結晶粒の数が約０．１〜約５０個、好ましくは約１〜３０個の密度でダイヤモンドグリット２８の単一層を基材２６の表面上に一様に分布させ、外側ダイヤモンド層３０をグリット２８及び基材２６上に化学気相成長させた後、コンディショニングディスク３４の全厚を約４０〜約１５０ミクロンに増大させる。珪素から成る基材の場合、珪素をコンディショニングディスク３４に一層の安定性を与える周知の接着剤を用いて支持板３２に接合する場合が多い。代表的には、支持板３２は、厚さが約０．０４〜０．０８インチの磁性ステンレス鋼から成る。
【００２０】
図４は、本発明の別の実施形態のコンディショニングディスク４０の横断面を示しており、かかる実施形態では、先ず最初にＣＶＤダイヤモンドの中間層３５を基材２６上に被着し、次にダイヤモンドグリット２８をＣＶＤダイヤモンド中間層３５の露出表面全体上に一様に分布させる。コンディショニングディスク３４の作製の際に上述した残りの工程を繰り返して、その結果ディスク４０内でダイヤモンドグリットの粒子２８が、ＣＶＤダイヤモンドの外側層３０がグリット２８上に成長する前に、ＣＶＤダイヤモンド中間層３５へのダイヤモンド粒子の接着性の向上により互いに近接して配置できる。この実施形態は、サイズが１００ミクロン以上のダイヤモンドグリットを用いる場合に有効である。
【００２１】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の更に別の実施形態のコンディショニングディスク５０の横断面を示しており、かかる実施形態では、先ず最初に結晶粒度が約４０ミクロン〜約１５０ミクロンの大きなダイヤモンドグリット２８の単一層を基材２６の露出表面全体上に一様に分布させ、次に粒度が１ミクロン未満の小さなグリット３６を１ｍｍ2当たりの結晶粒の数が約５０００個以上の密度でダイヤモンドグリット２８及び基材２６の露出表面全体上に一様に分布させる。次に、ＣＶＤダイヤモンドを図５Ａに示すようにダイヤモンドグリット３６及びダイヤモンドグリット２８上に成長させ、外側層３０がエピタキシャル成長したダイヤモンドに代わって多結晶質ダイヤモンドになっている。本発明のディスク５０は、ダイヤモンドグリット２８とＣＶＤダイヤモンド結合層又は外側層３０との間の接合性が向上している。
【００２２】
図６は、本発明の別の実施形態を示しており、かかる実施形態では、ディスク６０は第１の側部６２及び第２の側部６４を備えた基材２６を有し、これら両方の側部はダイヤモンドグリット２８で被覆されると共にＣＶＤダイヤモンド３０で包み込まれている。この実施形態では、両側部６２，６４上にダイヤモンドグリット２８を有する基材２６を、当該技術分野で周知の仕方で両方の側部が供給ガス状混合物にさらされるようにＣＶＤ反応器内へ取り付けるのがよい。変形例として、基材２６をダイヤモンドグリットで被覆した第１の側部６２を露出させた状態でＣＶＤ反応器内に配置し、第１の側部を第１の工程でＣＶＤダイヤモンド３０で包み込む。次いで、ダイヤモンドグリットで被覆された第２の側部６４を露出させた状態で第１の工程を繰り返し、第２の側部を第２の工程で包み込む。ディスク５０を、両側ポリッシャの状態で用いられるコンディショニング研磨パッド、例えばシリコンウェハ及びコンピュータのハードディスクドライブで用いられるディスクを研磨するためのパッド用として用いることができる。
【００２３】
図７、図７Ａ及び図８は、等間隔を置いた形状、例えばドット５２のパターンを有するシールド５０を用いてウェハ２６の露出表面全体上へのダイヤモンドグリット２８の集中領域の非常に一様な分布を得るために用いられる本発明の実施形態を示している。ドット５２はまた、正方形、渦巻き型、棒状及び他の形状をしていてもよい。シールド５０は任意の材料、好ましくは熱可塑性樹脂でできたものであるのがよい。
【００２４】
〔対照例及び実施例〕
対照例及び実施例並びに以下の説明は、従来技術のコンディショニングヘッドと比較した場合の本発明のコンディショニングヘッドの優れた性能を更に示している。対照例及び実施例は、例示の目的のためであって、請求の範囲に記載された本発明の範囲をいかなる意味においても限定するものではない。
【００２５】
〔対照例１〕
図２に示し、サンプル−マーシャル（Ｓａｍｐｌｅ−Ｍａｒｓｈａｌｌ）１００グリットディスクとして市販されている形式の従来型コンディショニングディスクをモデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザ（Ｓｔｒａｓｂａｕｇｈ Ｐｌａｉｚｅｒ）のコンディショニングアームに取付けて、標準の除去率及び研磨パッド摩耗率を測定するための試験を行った。ディスクの直径は４インチ（１０．１６ｃｍ）であり、これには湿式化学プロセスを用いて磁性ステンレス鋼板に平均サイズが１００ミクロンのニッケルめっきされた約１２０，０００個のダイヤモンド粒子を有していた。この標準型コンディショニングディスクに関する結果の示すところによれば、研磨パッドの摩耗率は、最高２０００個のウェハを１分間当たり約１８００オングストロームのウェハ材料除去率で研磨できた。
【００２６】
〔対照例２〕
直径が４インチ（１０．１６ｃｍ）、厚さが０．２５インチ（６．３５ｍｍ）の炭化タングステンディスクを機械加工して、隆起した正方形のグリッドを形成し、正方形相互間にはトレンチが存在した。機械加工したディスクを、全体構成が上述のガーグ氏等の米国特許第５，１８６，９７３号に記載されている形式のものであって、これを１９９５年１２月２０日に出願され、本出願人であるエスピー３・インコーポレイテッドに譲渡されているハーリンガー氏等の米国特許出願第０８／５７５，７６３号の教示に従って設計変更したＨＦＣＶＤ反応器の支持取付け具上に平らに置いた。反応器を閉じ、１５．９５ｋｗ（１４５ボルト及び１１０アンペア）を供給してフィラメントを約２０００℃に加熱した。７２ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））のメタンと３．０ｓｌｐｍ（リットル毎分（標準状態下））で約２．５体積％の水素の混合物を３０トルの圧力で１時間半をかけて反応器内に供給し、約１〜２ミクロンの多結晶質ダイヤモンドを、隆起した正方形を含む機械加工ディスクの露出表面上に蒸着させた。電力を、更に２１時間半をかけて２５トルの圧力状態で２１．２４ｋｗ（１７７ボルト及び１２０アンペア）に増大させた。フィラメントへの電力供給を停止し、被覆状態のウェハを流動中の水素ガス下で室温まで冷却した。全部で１０〜１５ミクロンのコヒーレントな多結晶質ダイヤモンドをウェハ上に蒸着させた。その結果得られたコンディショニングディスクは、各側部上に約０．１２５インチ（約３．１８ｍｍ）の隆起した正方形を有し、隆起した正方形の間には０．１２５インチのトレンチが存在した。ディスクを、モデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザ（Ｓｔｒａｓｂａｕｇｈ Ｐｌａｎｉｚｅｒ）のコンディショニングアームに取り付け、対照例１において記載したステンレス鋼板上に被着されたニッケルメッキダイヤモンドグリットを有する標準型コンディショニングディスクと比較してその有効性を判定するために試験した。このディスクを用いた結果の示すところによれば、材料除去率は標準コンディショニングディスクを用いた場合の代表的な除去率の約６３％であった。研磨パッドに関する摩耗については目立った差はなかった。
【００２７】
〔対照例３〕
フォトレジストの層を、多結晶質珪素基材上に被着させ、露光して現像し、角錐状のパターンを形成し、次に、硬いダイヤモンド膜をアッペル氏等の米国特許第５，５３６，２０２号に教示されている方法を用いてパターン化された基材上に成長させるとコンディショニングディスクを形成することができる。類似のパターン化されたディスクを用いる予備実験から得られた結果に基づいて判断するところによれば、かかるコンディショニングディスクは、標準のコンディショニングディスクの除去率を達成することはできないものと思われる。
【００２８】
〔実施例１〕
直径が４インチ、厚さが０．０４インチ（約１ｍｍ）の珪素基材を、上述のガーグ氏等の米国特許第５，１８６，９７３号に記載されている形式のものであって、これを上述のハーリンガー氏等の米国特許出願第０８／５７５，７６３号の教示に従って設計変更したＨＦＣＶＤ反応器の支持取付け具上に平らに配置した。平均粒径が約５０ミクロンの合成ダイヤモンドグリットの単一層を、珪素基材の第１の側部の露出表面全体上に一様に分布し、１ｍｍ2当たりの結晶粒又はグリット粒子の数が２０個及び１５〜３０個の範囲にわたる平均グリット密度を達成した。容器からのグリットを、空気分散法を用いて一様に分布させた。かかる空気分配法では、グリットを一定の高さ、即ちウェハよりも３インチ（７．６２ｃｍ）上の高さから制御された速度で落下させた。移動中の空気流を用いてグリットを基材全体上に横方向に分散させた。グリットをウェハ上に落下させながらグリット容器を空気流の方向と直交する方向に移動させて、基材の露出表面全体にグリットの一様な分布を得た。基材を、この空気分散法を繰り返しながら９０°の回転を３回行った。グリットの密度を、グリット供給速度と基材の並進速度の両方によって制御する。変形例として、基材を、グリットをウェハ上に落下させながら、直交方向に移動させて基材の露出表面全体上にグリットの一様な分布を得てもよい。
【００２９】
次に基材をＣＶＤダイヤモンド蒸着反応器内に配置する。反応器を閉じ、１５．９５ｋｗ（１４５ボルト及び１１０アンペア）を供給してフィラメントを約２０００℃に加熱した。７２ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））のメタンと３．０ｓｌｐｍ（リットル毎分（標準状態下））の水素の混合物を３０トルの圧力で１時間半をかけて反応器内に供給し、約１〜２ミクロンの多結晶質ダイヤモンドを、隆起した正方形を含む機械加工ディスクの露出表面上に蒸着させた。電力を、更に２１時間半をかけて２５トルの圧力状態で２１．２４ｋｗ（１７７ボルト及び１２０アンペア）に増大させた。フィラメントへの電力供給を停止し、被覆状態のウェハを流動中の水素ガス下で室温まで冷却した。全部で１０〜１５ミクロンのコヒーレントな多結晶質ダイヤモンドをウェハ上に蒸着させた。この工程から得られたディスクの第２の側部を図３に示すように支持層に接合した。その結果得られたコンディショニングヘッド３４を、モデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザのコンディショニングアームに取り付け、ステンレス鋼板上に被着されたニッケルメッキダイヤモンドグリットを有する標準型コンディショニングディスクと比較してその有効性を判定するために試験した。予想外のこととして、かかる結果の示すところによれば、研磨パッドの摩耗率は標準コンディショニングディスクを用いた場合の摩耗率の４２％であった。この実施例１のディスクは、標準型コンディショニングディスクの場合と実質的に等しいウェハ材料除去率を達成した。
【００３０】
〔実施例２〕
多結晶質ダイヤモンドを珪素基材上に成長させて被覆状態のウェハを室温まで冷却させた後、合成ダイヤモンドグリットを珪素基材の第１の側部上に一様に分布させたことを除き、実施例１の手順を繰り返した。平均粒径が約１００ミクロンの合成ダイヤモンドグリットの単一層を、上述の実施例１の空気分散法を用いて、珪素基材の露出表面全体上に一様に分布し、１ｍｍ2当たりの結晶粒又はグリット粒子の数が２．５個及び０〜６個の範囲にわたる平均グリット密度を達成した。反応器を閉じ、１５．９５ｋｗ（１４５ボルト及び１１０アンペア）を供給してフィラメントを約２０００℃に加熱した。６５ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））のメタンと３．０ｓｌｐｍ（リットル毎分（標準状態下））の水素の混合物を３０トルの圧力で１時間半をかけて反応器内に供給し、約１〜２ミクロンの多結晶質ダイヤモンドを、ダイヤモンドグリット及び珪素基材の露出表面上に蒸着させた。電力を、更に２１時間半をかけて２５トルの圧力状態で２１．２４ｋｗ（１７７ボルト及び１２０アンペア）に増大させた。フィラメントへの電力供給を停止し、被覆状態のウェハを流動中の水素ガス下で室温まで冷却した。全部で１０〜１５ミクロンのコヒーレントな多結晶質ダイヤモンドをウェハ上に蒸着させた。この工程から得られたディスクの第２の側部を図４に示すように支持層に接合した。その結果得られたコンディショニングヘッド４０を、モデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザのコンディショニングアームに取り付け、ステンレス鋼板上に被着されたニッケルメッキダイヤモンドグリットを有する標準型コンディショニングディスクと比較してその有効性を判定するために試験した。パッドの摩耗率は標準コンディショニングディスクを用いた場合のパッド摩耗率の半分であった。この実施例２のコンディショニングヘッドは、標準型コンディショニングディスクの場合と実質的に等しいウェハ材料除去率を維持した。また、ウェハ研磨の均一性は、標準方法よりも優れていたことが分かった。
【００３１】
〔実施例３〕
実施例１の手順を基材の第１の側部の露出表面に対して繰り返したが、異なる点として、その結果得られたディスクの第２の側部を図３に示すような支持層に接合しなかった。その代わりに、実施例１の手順をディスクの第２の側部の露出表面に対して繰り返し行って図６に示すような両側コンディショニングディスクを作製した。この基材は、シリコンウェハ又はハードディスクドライブのメディア用ディスクと同一の直径及び厚さに合わせて形作られる。。この場合、基材の直径は１００ｍｍ、厚さは０．０２５インチであった。次に、仕上げられたコンディショニングヘッドを、普通の製品と同様にして両側ポリッシャ内へ装入し、研磨パッドの両方を同時にコンディショニングした。
【００３２】
〔実施例４〕
実施例１の手順を基材の第１の側部の露出表面に対して繰り返したが、異なる点として、この表面の選択された領域を、等間隔に配置されたパターン正方形を有するプラスチックシールド（図７及び図７Ａに示すドットに代えて用いた）によって保護した。シールドは、グリットがウェハの表面上の或る特定の領域に達することがないようにする。また、これにより、グリットの非常に一様なパターンの集中した正方形がウェハの表面上に生じることが可能となる。この実施例の手順は、研磨パッドとその結果得られた本発明のこの実施形態のコンディショニングディスクとの間のスラリー移動具合を向上させるのに有効であることが分かった。
【００３３】
本発明の精神及び範囲から逸脱しないで、当業者であれば、本発明を種々の用途及び条件に合わせるよう本発明の種々の設計変更及び改造を行うことができる。したがって、これら設計変更例及び改造例は、請求の範囲に記載された本発明の均等範囲に適法に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＣＭＰ装置を示す図である。
【図２】 従来技術の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図４】 本発明の別の実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図５Ａ】 本発明の更に別の実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図５Ｂ】 図５Ａに示す研磨パッドコンディショニングヘッドの詳細断面図である。
【図６】 本発明の別の実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図７】 本発明の別の実施形態で用いられるパターン付けされたシールドの平面図である。
【図７Ａ】 ウェハ上の図７のパターン付けされたシールドを示す図である。
【図８】 図７Ａのパターン付けされたシールドの断面図であり、ウェハ上のダイヤモンドグリットの分布状態を示す図である。
本願は、１９９７年７月１０日に出願された米国仮特許出願第６０／０５２，１４５号の優先権主張出願である。
【０００２】
〔発明の分野〕
本発明は、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）研磨パッド（ポリシングパッドと呼ばれることもある）のコンディショニングヘッド又はディスクの平らな基材に関する。本発明は、半導体ウェハやコンピュータハードディスクドライブに用いられるウェハ及びディスク上の誘電体及び半導体（酸化物）膜と金属膜の両方を平坦化すると共に（或いは）研磨するのに用いられる研磨パッドをコンディショニングすることができる。本発明は又、他の研磨サンダー仕上げ、研削仕上げ又は研磨ツールに用いられる十分なレベルの表面粗さを備えた連続ＣＶＤダイヤモンド被覆基材に関する。
【０００３】
〔発明の背景〕
ＣＭＰは、半導体ウェハの製造費の大部分を占めている。これらＣＭＰの費用としては、研磨パッド、研磨スラリー、パッド用コンディショニングディスク及び平坦化及び研磨作業中に摩耗する種々のＣＭＰ部品に関する費用がある。研磨パッド、パッドを交換するための操業停止時間、及びパッドを再校正するための試験用ウェハに関する全費用は、一回のウェハ研磨作業で約７ドルである。多くの複雑な集積回路デバイスでは、仕上げられたウェハ毎に最大５回のＣＭＰ作業が必要であり、これによりかかるウェハの総製造費が一段と増大する。
【０００４】
研磨パッドに関する最も多くの摩耗量は、研磨パッドをこれらウェハの平坦化及び研磨作業に適した条件にするのに必要な研磨パッドのコンディショニングの結果として生じるものである。典型的な研磨パッドは、厚さが約１／１６インチ（約１．５９ｍｍ）の独立発泡又は気泡ポリウレタンフォームから成る。パッドのコンディショニング中、パッドに機械的な研磨処理を施してパッド表面の気泡層を物理的に切断する。パッドの露出表面は、使用済み研磨スラリーから成る研磨スラリー及びウェハから除去された物質を取り込む開放気泡又は微細孔を有している。次々に実施される各パッド研磨工程では、理想的なコンディショニングヘッドは、埋まっている物質を有する気泡の外側層だけを除去し、しかも、外側層の下に位置する層を全く除去することがないものである。かかる理想的なコンディショニングヘッドは、研磨パッドの層の除去を可能な限り最も少なくして、即ち、可能な限りパッドの摩耗率を少なくして１００％の除去率を達成するであろう。パッドに関する摩耗の悪影響を考慮しなければ１００％の除去率を達成できることは明らかである。しかしながら、かかるパッドの過剰の表面仕上げの結果として、パッドの寿命が短くなる。他方、表面仕上げが足りないと、ＣＭＰ工程中の材料除去率が不十分となり、摩耗の均一性が失われる。満足の行く除去率を達成する従来型コンディショニングヘッドを用いると、パッドが役に立たなくなって交換しなければならなくなる前に、特定の操業条件に応じるものの、２００〜３００回という少ない回数及び数千回という多い回数のウェハ研磨作業を行うことができる。交換時期は、パッドをその元々の厚さのほぼ１／２に減らした後に生じる。
【０００５】
高いウェハ除去率と低いパッド摩耗率の理想的なバランスに近いレベルを達成し、コンディショニングの品質を損なわないで研磨パッドの有効寿命を大幅に伸ばすことができるようにするコンディショニングヘッドが非常に要望されている。
【０００６】
従来型コンディショニングヘッドは典型的には、ステンレス鋼板と、このステンレス鋼板の表面上にむらがある状態で分布されたダイヤモンドグリットと、ステンレス鋼板及びダイヤモンドグリットを被覆する湿式化学法によりめっきされたニッケルの保護被膜とから成る。かかる従来型コンディショニングヘッドの使用は、酸化物ＣＭＰウェハ加工中、即ち、露出した外側層が金属ではなく酸化物含有材料である場合に用いられた研磨パッドのコンディショニングに制限される。半導体ウェハの加工の際、ほぼ同一回数の酸化物と金属ＣＭＰ加工工程が実施される。しかしながら、従来型コンディショニングヘッドは、金属加工作業に関するコンディショニングには使えない。この理由は、ウェハからの材料の除去に用いられるスラリーがニッケルと反応を起こし、コンディショニングヘッドのニッケル外側層を劣化させたり溶解させ、それによりステンレス鋼板からダイヤモンドグリットを大部分失わせ、ウェハに掻き傷をつける恐れがあるからである。
【０００７】
酸化物含有ウェハ表面と金属含有ウェハ表面の両方をコンディショニングするのに有効なヘッドに対する要望が高い。また、ダイヤモンドグリットをその下に位置する基材に一層しっかりと取り付けられているコンディショニングヘッドが非常に要望されている。また、ＣＭＰ作業中に所与のウェハからのウェハ材料の除去における均等性の度合いを大きくするコンディショニングヘッドが要望されている。最後に、研磨パッドの寿命を伸ばすコンディショニングヘッドが要望されている。
【０００８】
〔発明の概要〕
本発明は、ウェハ除去率を損なわないで研磨パッドの寿命を二倍にすることが判明したＣＭＰ装置及びこれに類似した形式の装置用研磨パッドコンディショニングヘッド及び研磨パッドコンディショニングヘッドの作製方法に関する。加うるに、本発明のコンディショニングヘッドは、（１）酸化物表面だけでなく金属表面を加工するのに用いられる研磨パッドのコンディショニングに有効であり、（２）ダイヤモンドグリットが基材に一層しっかりと取り付けられ、その結果、基材から取れてウェハに潜在的に掻き傷をつけることがないように作製され、（３）所与のウェハ全体からの材料の除去における均等性の度合いを大きくする。
【０００９】
ＣＭＰ装置及びこれと類似した装置において、基材と、基材上に実質的に一様に分布したダイヤモンドグリットの単一層と、その結果得られたグリット被覆基材上に、前記ダイヤモンドグリットを包み込むと共に該ダイヤモンドグリットを前記基材に接合するよう化学気相成長させたダイヤモンドの外側層とから成る研磨パッドコンディショニングヘッドが提供される。
【００１０】
「化学気相成長（ＣＶＤ）」という用語は、真空蒸着法により蒸着される材料を意味し、かかる真空蒸着法としては、反応性ガス状前駆物質からの熱活性蒸着法、プラズマ法、マイクロ波法、及びガス状前駆物質からのＤＣ又はＲＦプラズマアークジェット蒸着法が挙げられる。
【００１１】
〔発明の好ましい実施形態の説明〕
図１に示すＣＭＰ装置１０は、研磨パッド１４がしっかりと取り付けられた定盤１２を有している。研磨パッド１４は、例えば時計回りの方向に回転する状態で示されている。ウェハ１８を備えた半導体ウェハホルダー１６が、ウェハ１８をパッド１４の露出表面に押し付けてこれを保持するよう示された状態で位置している。ホルダー１６は、例えば反時計回りの方向に回転する状態で示されている。ウェハ１８は、真空又は当該技術分野で周知の他の手段によりホルダー１６に固定されている。研磨スラリー２０が、導管２２のノズルを通してパッド１４の中央領域内に計量分配される。スラリー２０は代表的には、適当な液体、例えば水で稀釈した水酸化カリウム中に分散した二酸化珪素から成る。スラリーの正確な組成は、ウェハの露出表面の所望の平坦化を可能にするよう厳密に計算されている。装置１０はウェハホルダーを１つだけ示しているが、ＣＭＰ装置は、複数のホルダーを有するものとして市販されている。
【００１２】
研磨パッドのコンディショニングヘッド又はディスク２４が、基材２６の表面上に一様に分布された天然又は合成ダイヤモンドグリット２８と、グリット２８及び基材２６上に成長させたＣＶＤ多結晶質ダイヤモンド（以下、「ＣＶＤダイヤモンド」という）の連続薄膜３０とを有し、したがってグリット２８は、ＣＶＤダイヤモンド３０で包み込まれた状態で基材２６の表面に接合されている。
【００１３】
ＣＶＤダイヤモンドの一様な層３０が、１９９３年２月１６日に発行されたガーグ氏等の米国特許第５，１８６，９７３号に記載された形式の熱フィラメントＣＶＤ（ＨＦＣＶＤ）反応器を用いて基材２６の露出表面上に成長させる。かかる米国特許明細書のうち基材上へのＣＶＤダイヤモンドの成長に関する記載部分を本明細書の一部を形成するものとして引用する。
【００１４】
好ましくは、ＣＶＤダイヤモンドを、基材の表面上に化学的に気相成長（化学的に蒸着）させ、ＣＶＤダイヤモンド層が、工業等級のダイヤモンドの表面上に（２２０）又は（３１１）方向及び（４００）方向の明確な結晶方位を呈するようになっている。「化学的に気相成長させる」又は「化学的に蒸着させる」という用語は、水素と炭素化合物、好ましくは炭化水素の供給ガス混合物が、実質的に黒鉛状炭素蒸着を避けるような仕方で活性化された気相からのダイヤモンド生成炭素原子に分解することによって起こるＣＶＤダイヤモンドの層の蒸着を意味する。炭化水素の好ましい種類としては、Ｃ1 〜Ｃ4 飽和炭化水素、例えばメタン、エタン、プロパン及びブタン、Ｃ1 〜Ｃ4 不飽和炭化水素、例えばアセチレン、エチレン、プロピレン及びブチレン、Ｃ及びＯを含むガス、例えば一酸化炭素及び二酸化炭素、芳香族化合物、例えばベンゼン、トルエン、キシレン等、及びＣ、Ｈ及び少なくとも１つの炭素及び／又は窒素を含む有機化合物、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、メチルアミン、エチルアミン、アセトン及び類似の化合物が挙げられる。水素ガス中の炭素化合物の濃度は、約０．０１％〜約１０％、好ましくは約０．２％〜約５％、より好ましくは約０．５％〜約２％であるのがよい。ＨＦＣＶＤ蒸着法で結果的に得られるダイヤモンド膜は、接着性の個々の結晶又は実質的に粒間接着結合剤の無い層状の微結晶凝集体の形態をしている。
【００１５】
ＣＶＤダイヤモンドの全厚は、グリットサイズの少なくとも約１０％である。好ましくは、ダイヤモンド膜の全厚は、約１０〜２５０ミクロンである。さらにより好ましくは、これは約２０〜３０ミクロンである。
【００１６】
ＨＦＣＶＤ法は、炭化水素と水素の混合物を含む供給ガス状混合物を加熱された状態のフィラメントで活性化し、活性化されたガス状混合物を加熱された基材上に流して多結晶質ダイヤモンド膜を蒸着させる。水素中に０．１％〜約１０％の炭化水素を含む供給ガス状混合物を減圧下で、即ち１００トル以下において熱の作用で活性化させて炭化水素ラジカル及び水素原子をＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｒｅ又はこれらの混合物で作られた加熱状態のフィラメントを用いて生じさせる。フィラメントは、約１８００℃〜２８００℃の範囲にある。基材を約６００℃〜約１１００℃の蒸着温度まで加熱する。
【００１７】
珪素基材上にＣＶＤダイヤモンドを単純に成長させることに起因する表面粗さは、厚さ２０ミクロンのＣＶＤダイヤモンドを有する基材上に最上部から最下部まで約６〜約１２ミクロンの範囲にある。一般に、典型的な作業のための表面粗さは、基材上に成長させたＣＶＤダイヤモンドの厚さの約１／４〜約１／２の範囲にある。この度合の表面粗さは低すぎるので、ＣＭＰコンディショニング作業に合った所望の研磨効率を得ることができない。本発明では、天然ダイヤモンドのカッティング及び高圧法を用いる工業等級のダイヤモンドから得ることができるダイヤモンドグリットをＣＶＤ薄膜の組織中へ導入する。グリットのサイズは、最上部と最下部の表面間距離がＣＶＤダイヤモンド膜の厚さよりも大きくなるように選択されている。ダイヤモンドグリットを、個々の結晶粒を平均結晶粒直径の１／２以上もの距離だけ離すような密度で基材の表面上に一様に分布させる。ダイヤモンドグリットの平均サイズは、約１５ミクロン〜約１５０ミクロンの範囲にあり、好ましくは約３５ミクロン〜約７０ミクロンの範囲にある。ダイヤモンドグリットのサイズ及び密度を制御することにより、その結果得られる表面の研磨特性を種々のコンディショニング用途に合わせて調節することができる。所与のディスク上の結晶粒度は、約±２０％に等しいであろう。
【００１８】
図２は、ダイヤモンドグリット２８の非均一層を支持板３２、例えばステンレス鋼板の表面上に分布させ、ニッケルめっき３３を湿式化学プロセスによって蒸着させてダイヤモンドグリット２８を支持板３２に不安定な状態で接合する。
【００１９】
図３は、支持板３２の使用が任意であることを除き、上述のコンディショニングヘッド２４と実質的に同一の組成のものであるコンディショニングディスク３４の横断面を示している。基材２６は、ＣＶＤダイヤモンドを成長させるものとして知られた任意の材料から成り、かかる基材２６としては、例えば炭化珪素、焼結カーバイド、炭化タングステン、珪素、サファイヤ及び類似の物質が挙げられる。基材は通常は、直径が約２インチ〜４インチ（約５．０８ｃｍ〜約１０．１６ｃｍ）の範囲にあるディスクの形態をしている。しかしながら、コンディショニングヘッドのための基材として他の形状を用いた。基材２６の厚さは、約０．０２インチ〜約０．２５インチ（約０．５０８ｍｍ〜６．３５ｍｍ）の範囲にあり、好ましくは約０．０４インチ〜約０．２５インチ（約１．０１６ｍｍ〜６．３５ｍｍ）の範囲にあり、好ましくは０．０４インチ〜０．０８インチ（約１．０１６ｍｍ〜２．０３２ｍｍ）の範囲にある。１ｍｍ2当たりの結晶粒の数が約０．１〜約５０個、好ましくは約１〜３０個の密度でダイヤモンドグリット２８の単一層を基材２６の表面上に一様に分布させ、外側ダイヤモンド層３０をグリット２８及び基材２６上に化学気相成長させた後、コンディショニングディスク３４の全厚を約４０〜約１５０ミクロンに増大させる。珪素から成る基材の場合、珪素をコンディショニングディスク３４に一層の安定性を与える周知の接着剤を用いて支持板３２に接合する場合が多い。代表的には、支持板３２は、厚さが約０．０４〜０．０８インチの磁性ステンレス鋼から成る。
【００２０】
図４は、本発明の別の実施形態のコンディショニングディスク４０の横断面を示しており、かかる実施形態では、先ず最初にＣＶＤダイヤモンドの中間層３５を基材２６上に被着し、次にダイヤモンドグリット２８をＣＶＤダイヤモンド中間層３５の露出表面全体上に一様に分布させる。コンディショニングディスク３４の作製の際に上述した残りの工程を繰り返して、その結果ディスク４０内でダイヤモンドグリットの粒子２８が、ＣＶＤダイヤモンドの外側層３０がグリット２８上に成長する前に、ＣＶＤダイヤモンド中間層３５へのダイヤモンド粒子の接着性の向上により互いに近接して配置できる。この実施形態は、サイズが１００ミクロン以上のダイヤモンドグリットを用いる場合に有効である。
【００２１】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の更に別の実施形態のコンディショニングディスク５０の横断面を示しており、かかる実施形態では、先ず最初に結晶粒度が約４０ミクロン〜約１５０ミクロンの大きなダイヤモンドグリット２８の単一層を基材２６の露出表面全体上に一様に分布させ、次に粒度が１ミクロン未満の小さなグリット３６を１ｍｍ2当たりの結晶粒の数が約５０００個以上の密度でダイヤモンドグリット２８及び基材２６の露出表面全体上に一様に分布させる。次に、ＣＶＤダイヤモンドを図５Ａに示すようにダイヤモンドグリット３６及びダイヤモンドグリット２８上に成長させ、外側層３０がエピタキシャル成長したダイヤモンドに代わって多結晶質ダイヤモンドになっている。本発明のディスク５０は、ダイヤモンドグリット２８とＣＶＤダイヤモンド結合層又は外側層３０との間の接合性が向上している。
【００２２】
図６は、本発明の別の実施形態を示しており、かかる実施形態では、ディスク６０は第１の側部６２及び第２の側部６４を備えた基材２６を有し、これら両方の側部はダイヤモンドグリット２８で被覆されると共にＣＶＤダイヤモンド３０で包み込まれている。この実施形態では、両側部６２，６４上にダイヤモンドグリット２８を有する基材２６を、当該技術分野で周知の仕方で両方の側部が供給ガス状混合物にさらされるようにＣＶＤ反応器内へ取り付けるのがよい。変形例として、基材２６をダイヤモンドグリットで被覆した第１の側部６２を露出させた状態でＣＶＤ反応器内に配置し、第１の側部を第１の工程でＣＶＤダイヤモンド３０で包み込む。次いで、ダイヤモンドグリットで被覆された第２の側部６４を露出させた状態で第１の工程を繰り返し、第２の側部を第２の工程で包み込む。ディスク５０を、両側ポリッシャの状態で用いられるコンディショニング研磨パッド、例えばシリコンウェハ及びコンピュータのハードディスクドライブで用いられるディスクを研磨するためのパッド用として用いることができる。
【００２３】
図７、図７Ａ及び図８は、等間隔を置いた形状、例えばドット５２のパターンを有するシールド５０を用いてウェハ２６の露出表面全体上へのダイヤモンドグリット２８の集中領域の非常に一様な分布を得るために用いられる本発明の実施形態を示している。ドット５２はまた、正方形、渦巻き型、棒状及び他の形状をしていてもよい。シールド５０は任意の材料、好ましくは熱可塑性樹脂でできたものであるのがよい。
【００２４】
〔対照例及び実施例〕
対照例及び実施例並びに以下の説明は、従来技術のコンディショニングヘッドと比較した場合の本発明のコンディショニングヘッドの優れた性能を更に示している。対照例及び実施例は、例示の目的のためであって、請求の範囲に記載された本発明の範囲をいかなる意味においても限定するものではない。
【００２５】
〔対照例１〕
図２に示し、サンプル−マーシャル（Ｓａｍｐｌｅ−Ｍａｒｓｈａｌｌ）１００グリットディスクとして市販されている形式の従来型コンディショニングディスクをモデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザ（Ｓｔｒａｓｂａｕｇｈ Ｐｌａｉｚｅｒ）のコンディショニングアームに取付けて、標準の除去率及び研磨パッド摩耗率を測定するための試験を行った。ディスクの直径は４インチ（１０．１６ｃｍ）であり、これには湿式化学プロセスを用いて磁性ステンレス鋼板に平均サイズが１００ミクロンのニッケルめっきされた約１２０，０００個のダイヤモンド粒子を有していた。この標準型コンディショニングディスクに関する結果の示すところによれば、研磨パッドの摩耗率は、最高２０００個のウェハを１分間当たり約１８００オングストロームのウェハ材料除去率で研磨できた。
【００２６】
〔対照例２〕
直径が４インチ（１０．１６ｃｍ）、厚さが０．２５インチ（６．３５ｍｍ）の炭化タングステンディスクを機械加工して、隆起した正方形のグリッドを形成し、正方形相互間にはトレンチが存在した。機械加工したディスクを、全体構成が上述のガーグ氏等の米国特許第５，１８６，９７３号に記載されている形式のものであって、これを１９９５年１２月２０日に出願され、本出願人であるエスピー３・インコーポレイテッドに譲渡されているハーリンガー氏等の米国特許出願第０８／５７５，７６３号の教示に従って設計変更したＨＦＣＶＤ反応器の支持取付け具上に平らに置いた。反応器を閉じ、１５．９５ｋｗ（１４５ボルト及び１１０アンペア）を供給してフィラメントを約２０００℃に加熱した。７２ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））のメタンと３．０ｓｌｐｍ（リットル毎分（標準状態下））で約２．５体積％の水素の混合物を３０トルの圧力で１時間半をかけて反応器内に供給し、約１〜２ミクロンの多結晶質ダイヤモンドを、隆起した正方形を含む機械加工ディスクの露出表面上に蒸着させた。電力を、更に２１時間半をかけて２５トルの圧力状態で２１．２４ｋｗ（１７７ボルト及び１２０アンペア）に増大させた。フィラメントへの電力供給を停止し、被覆状態のウェハを流動中の水素ガス下で室温まで冷却した。全部で１０〜１５ミクロンのコヒーレントな多結晶質ダイヤモンドをウェハ上に蒸着させた。その結果得られたコンディショニングディスクは、各側部上に約０．１２５インチ（約３．１８ｍｍ）の隆起した正方形を有し、隆起した正方形の間には０．１２５インチのトレンチが存在した。ディスクを、モデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザ（Ｓｔｒａｓｂａｕｇｈ Ｐｌａｎｉｚｅｒ）のコンディショニングアームに取り付け、対照例１において記載したステンレス鋼板上に被着されたニッケルメッキダイヤモンドグリットを有する標準型コンディショニングディスクと比較してその有効性を判定するために試験した。このディスクを用いた結果の示すところによれば、材料除去率は標準コンディショニングディスクを用いた場合の代表的な除去率の約６３％であった。研磨パッドに関する摩耗については目立った差はなかった。
【００２７】
〔対照例３〕
フォトレジストの層を、多結晶質珪素基材上に被着させ、露光して現像し、角錐状のパターンを形成し、次に、硬いダイヤモンド膜をアッペル氏等の米国特許第５，５３６，２０２号に教示されている方法を用いてパターン化された基材上に成長させるとコンディショニングディスクを形成することができる。類似のパターン化されたディスクを用いる予備実験から得られた結果に基づいて判断するところによれば、かかるコンディショニングディスクは、標準のコンディショニングディスクの除去率を達成することはできないものと思われる。
【００２８】
〔実施例１〕
直径が４インチ、厚さが０．０４インチ（約１ｍｍ）の珪素基材を、上述のガーグ氏等の米国特許第５，１８６，９７３号に記載されている形式のものであって、これを上述のハーリンガー氏等の米国特許出願第０８／５７５，７６３号の教示に従って設計変更したＨＦＣＶＤ反応器の支持取付け具上に平らに配置した。平均粒径が約５０ミクロンの合成ダイヤモンドグリットの単一層を、珪素基材の第１の側部の露出表面全体上に一様に分布し、１ｍｍ2当たりの結晶粒又はグリット粒子の数が２０個及び１５〜３０個の範囲にわたる平均グリット密度を達成した。容器からのグリットを、空気分散法を用いて一様に分布させた。かかる空気分配法では、グリットを一定の高さ、即ちウェハよりも３インチ（７．６２ｃｍ）上の高さから制御された速度で落下させた。移動中の空気流を用いてグリットを基材全体上に横方向に分散させた。グリットをウェハ上に落下させながらグリット容器を空気流の方向と直交する方向に移動させて、基材の露出表面全体にグリットの一様な分布を得た。基材を、この空気分散法を繰り返しながら９０°の回転を３回行った。グリットの密度を、グリット供給速度と基材の並進速度の両方によって制御する。変形例として、基材を、グリットをウェハ上に落下させながら、直交方向に移動させて基材の露出表面全体上にグリットの一様な分布を得てもよい。
【００２９】
次に基材をＣＶＤダイヤモンド蒸着反応器内に配置する。反応器を閉じ、１５．９５ｋｗ（１４５ボルト及び１１０アンペア）を供給してフィラメントを約２０００℃に加熱した。７２ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））のメタンと３．０ｓｌｐｍ（リットル毎分（標準状態下））の水素の混合物を３０トルの圧力で１時間半をかけて反応器内に供給し、約１〜２ミクロンの多結晶質ダイヤモンドを、隆起した正方形を含む機械加工ディスクの露出表面上に蒸着させた。電力を、更に２１時間半をかけて２５トルの圧力状態で２１．２４ｋｗ（１７７ボルト及び１２０アンペア）に増大させた。フィラメントへの電力供給を停止し、被覆状態のウェハを流動中の水素ガス下で室温まで冷却した。全部で１０〜１５ミクロンのコヒーレントな多結晶質ダイヤモンドをウェハ上に蒸着させた。この工程から得られたディスクの第２の側部を図３に示すように支持層に接合した。その結果得られたコンディショニングヘッド３４を、モデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザのコンディショニングアームに取り付け、ステンレス鋼板上に被着されたニッケルメッキダイヤモンドグリットを有する標準型コンディショニングディスクと比較してその有効性を判定するために試験した。予想外のこととして、かかる結果の示すところによれば、研磨パッドの摩耗率は標準コンディショニングディスクを用いた場合の摩耗率の４２％であった。この実施例１のディスクは、標準型コンディショニングディスクの場合と実質的に等しいウェハ材料除去率を達成した。
【００３０】
〔実施例２〕
多結晶質ダイヤモンドを珪素基材上に成長させて被覆状態のウェハを室温まで冷却させた後、合成ダイヤモンドグリットを珪素基材の第１の側部上に一様に分布させたことを除き、実施例１の手順を繰り返した。平均粒径が約１００ミクロンの合成ダイヤモンドグリットの単一層を、上述の実施例１の空気分散法を用いて、珪素基材の露出表面全体上に一様に分布し、１ｍｍ2当たりの結晶粒又はグリット粒子の数が２．５個及び０〜６個の範囲にわたる平均グリット密度を達成した。反応器を閉じ、１５．９５ｋｗ（１４５ボルト及び１１０アンペア）を供給してフィラメントを約２０００℃に加熱した。６５ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））のメタンと３．０ｓｌｐｍ（リットル毎分（標準状態下））の水素の混合物を３０トルの圧力で１時間半をかけて反応器内に供給し、約１〜２ミクロンの多結晶質ダイヤモンドを、ダイヤモンドグリット及び珪素基材の露出表面上に蒸着させた。電力を、更に２１時間半をかけて２５トルの圧力状態で２１．２４ｋｗ（１７７ボルト及び１２０アンペア）に増大させた。フィラメントへの電力供給を停止し、被覆状態のウェハを流動中の水素ガス下で室温まで冷却した。全部で１０〜１５ミクロンのコヒーレントな多結晶質ダイヤモンドをウェハ上に蒸着させた。この工程から得られたディスクの第２の側部を図４に示すように支持層に接合した。その結果得られたコンディショニングヘッド４０を、モデル６ＤＳ−ＳＰストラスバーグ・プラナイザのコンディショニングアームに取り付け、ステンレス鋼板上に被着されたニッケルメッキダイヤモンドグリットを有する標準型コンディショニングディスクと比較してその有効性を判定するために試験した。パッドの摩耗率は標準コンディショニングディスクを用いた場合のパッド摩耗率の半分であった。この実施例２のコンディショニングヘッドは、標準型コンディショニングディスクの場合と実質的に等しいウェハ材料除去率を維持した。また、ウェハ研磨の均一性は、標準方法よりも優れていたことが分かった。
【００３１】
〔実施例３〕
実施例１の手順を基材の第１の側部の露出表面に対して繰り返したが、異なる点として、その結果得られたディスクの第２の側部を図３に示すような支持層に接合しなかった。その代わりに、実施例１の手順をディスクの第２の側部の露出表面に対して繰り返し行って図６に示すような両側コンディショニングディスクを作製した。この基材は、シリコンウェハ又はハードディスクドライブのメディア用ディスクと同一の直径及び厚さに合わせて形作られる。。この場合、基材の直径は１００ｍｍ、厚さは０．０２５インチであった。次に、仕上げられたコンディショニングヘッドを、普通の製品と同様にして両側ポリッシャ内へ装入し、研磨パッドの両方を同時にコンディショニングした。
【００３２】
〔実施例４〕
実施例１の手順を基材の第１の側部の露出表面に対して繰り返したが、異なる点として、この表面の選択された領域を、等間隔に配置されたパターン正方形を有するプラスチックシールド（図７及び図７Ａに示すドットに代えて用いた）によって保護した。シールドは、グリットがウェハの表面上の或る特定の領域に達することがないようにする。また、これにより、グリットの非常に一様なパターンの集中した正方形がウェハの表面上に生じることが可能となる。この実施例の手順は、研磨パッドとその結果得られた本発明のこの実施形態のコンディショニングディスクとの間のスラリー移動具合を向上させるのに有効であることが分かった。
【００３３】
本発明の精神及び範囲から逸脱しないで、当業者であれば、本発明を種々の用途及び条件に合わせるよう本発明の種々の設計変更及び改造を行うことができる。したがって、これら設計変更例及び改造例は、請求の範囲に記載された本発明の均等範囲に適法に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＣＭＰ装置を示す図である。
【図２】 従来技術の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図４】 本発明の別の実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図５Ａ】 本発明の更に別の実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図５Ｂ】 図５Ａに示す研磨パッドコンディショニングヘッドの詳細断面図である。
【図６】 本発明の別の実施形態の研磨パッドコンディショニングヘッドの断面図である。
【図７】 本発明の別の実施形態で用いられるパターン付けされたシールドの平面図である。
【図７Ａ】 ウェハ上の図７のパターン付けされたシールドを示す図である。
【図８】 図７Ａのパターン付けされたシールドの断面図であり、ウェハ上のダイヤモンドグリットの分布状態を示す図である。
Claims (14)
- 基材と、基材上に実質的に一様に分布したダイヤモンドグリットの単一層と、グリット上及び基材上に、前記ダイヤモンドグリットを包み込むと共に該ダイヤモンドグリットを前記基材の表面に接合するよう化学気相成長させ、且つグリット及び基材に接合されたダイヤモンドの連続薄膜と、を有することを特徴とする研磨パッドのコンディショニングヘッド。
- 基材と、基材上に化学気相成長させたダイヤモンドの中間層と、前記中間層上に実質的に一様に分布したダイヤモンドグリットの単一層と、グリット上及びダイヤモンド中間層上に、前記ダイヤモンドグリットを包み込むと共に該ダイヤモンドグリットを前記中間層に接合するよう化学気相成長させ、且つグリット及び基材に接合されたダイヤモンドの連続薄膜と、を有することを特徴とする研磨パッドのコンディショニングヘッド。
- 第１の側部及び第２の側部を備えた基材と、前記第１及び第２の側部上に実質的に一様に分布したダイヤモンドグリットの単一層と、グリット上及び第１及び第２の側部上に、前記ダイヤモンドグリットを包み込むと共に該ダイヤモンドグリットを前記基材に接合するよう化学気相成長させ、且つグリット及び基材に接合されたダイヤモンドの連続薄膜と、を有することを特徴とする研磨パッドコンディショニングヘッド。
- 前記基材の表面上の前記ダイヤモンドグリットの個々の結晶粒は、結晶粒の平均直径の１／２以上だけ離れている請求項１乃至３の何れか１項に記載の研磨パッドコンディショニングヘッド。
- ダイヤモンドグリットの平均結晶粒度は、約１５ミクロン〜約１５０ミクロンの範囲にある請求項１乃至３の何れか１項に記載の研磨パッドコンディショニングヘッド。
- 前記ダイヤモンドグリットを、前記基材の表面上に１ｍｍ2当たりの結晶粒の数が約０．１〜約５０個の密度で一様に分布させる請求項５に記載の研磨パッドコンディショニングヘッド。
- 前記ダイヤモンドグリットの分散後であって、前記連続薄膜の化学気相成長前に、平均直径が１ミクロン未満のダイヤモンドグリットを前記基材の露出表面上に一様に分布させる請求項５に記載の研磨パッドコンディショニングヘッド。
- 更に、前記基材に接合された支持層を有する請求項１又は２に記載の研磨パッドコンディショニングヘッド。
- 研磨パッド及び請求項１乃至８の何れか１項に記載された研磨パッドコンディショニングヘッドを備えた研磨装置。
- 研磨パッドのコンディショニングヘッドの作製方法であって、
（ａ）平均粒径が約１５〜約１５０ミクロンの範囲の合成ダイヤモンドグリットの単一層を基材の露出表面全体の上に一様に分布させて１ｍｍ2当たりの結晶粒の数が約０．１〜約５０個の平均グリット密度を達成する工程と、
（ｂ）その結果得られたグリット被覆基材を熱フィラメント形化学気相成長反応器中に配置する工程と、
（ｃ）約１８００℃〜約２８００℃の範囲の温度まで電気的に帯電させたフィラメントによってグリット被覆基材を約６００℃〜約１１００℃の蒸着温度まで加熱する工程と、
（ｄ）約０．１％〜約１０％の炭化水素と残部が水素の混合気を１００トル以下の圧力下で前記反応器内に通すことにより化学気相成長させたダイヤモンドの連続薄膜をグリット被覆基材の露出表面上に化学気相成長させる工程と、
（ｅ）グリットのサイズの少なくとも約１０％の厚さを有する化学気相成長させたダイヤモンドの連続薄膜内に包み込まれたグリット被覆基材を有する研磨パッドコンディショニングヘッドを回収する工程と、
を有することを特徴とする方法。 - 前記基材の表面上の前記ダイヤモンドグリットの個々の結晶粒は、結晶粒の平均直径の１／２以上だけ離れている請求項１０に記載の方法。
- 前記ダイヤモンドグリットの分散後であって、前記連続薄膜の化学気相成長前に、平均直径が１ミクロン未満のダイヤモンドグリットを前記基材の露出表面上に一様に分布させる請求項１０に記載の方法。
- 前記基材の露出表面の選択された領域を先ず最初にパターン付けされたシールドにより保護して前記ダイヤモンドグリットが保護された前記領域に達することがないようにすると共に前記ダイヤモンドグリットを前記基材の露出表面上に非常に一様に分布させる請求項１０記載の方法。
- 請求項１０に記載の方法であって、ステップ（ａ）の前に、
（ｆ）基材を熱フィラメント形化学気相成長反応器中に配置する工程と、
（ｇ）約１８００℃〜２８００℃の範囲の温度まで電気的に帯電させたフィラメントによって基材を約６００℃〜約１１００℃の蒸着温度まで加熱する工程と、
（ｈ）約０．１％〜約１０％の炭化水素と残部が水素の混合気を１００トル以下の圧力下で前記反応器内に通すことによりコヒーレントな多結晶質ダイヤモンドの層を前記基材の露出表面上に化学気相成長させて中間層を形成する工程と、を有し、
これによりステップ（ａ）のために基材を製造する、研磨パッドのコンディショニングヘッドの作製方法。
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