JP5478945B2 - 研磨パッドのコンディショナー - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造プロセスにおいて半導体基板の平坦化研磨に使用される研磨パッドのコンディショナーに関する。

半導体基板の平坦化研磨に使用される研磨パッドとしては、発泡ポリウレタンからなる研磨パッドが挙げられる。この研磨パッドには独立した細孔が多数存在し、表面に露出した細孔中に研磨剤を保持して、半導体基板表面の研磨を行う構成になっている。

このような研磨パッドを用いて半導体基板表面の研磨を行う場合、研磨回数の増加に伴って、研磨パッドの表面に存在する細孔に、研磨中に生じた反応生成物や研磨剤自体が圧縮して閉じ込められて固着し、細孔の閉塞が進行する。さらに、研磨パッドは、研磨中に、研磨面に垂直な方向からの圧縮力と研磨面に平行な方向からの摩擦によるせん断力とを同時に受け続けることになり、研磨パッドの表面が劣化した状態となって、研磨レートの低下、研磨均一性の悪化を招く。

研磨パッドのコンディショナーは、研磨パッドの表面細孔に固着した異物に由来する目詰まりを除去するとともに、半導体基板を高精密研磨する研磨パッドの表面性能を維持・向上させるために、研磨パッドの表面を一定量だけ研削加工するものである。

研磨パッドの表面を研削加工するコンディショナーとして、たとえば特許文献１には、研磨パッドの表面に接触して研削加工するコンディショニング部と、加圧流体が供給される空間部を有し、コンディショニング部を支持する支持部とを含んで構成されるコンディショナーが開示されている。

特許文献１に開示されるコンディショナーは、空間部に加圧流体が供給された状態の支持部が、研磨パッド表面に対して垂直方向に移動可能となるようにコンディショニング部を支持し、研磨パッド表面の形状に関わらず、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力が一定となるように制御できるようにしたものである。

特開２０００−７５３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるコンディショナーでは、研磨液が供給された研磨パッドの表面を研削加工するとき、研磨液中に含まれる砥粒が支持部の空間部に侵入して空間部の内壁面に付着してしまう場合がある。このような場合、コンディショニング部は、研磨パッド表面に対する垂直方向への移動が阻害され、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力の制御ができなくなる。そのため、研磨パッドの表面細孔の目詰まりを充分に除去することができないばかりでなく、研磨パッドの表面が半導体基板を高精密研磨するための所望の表面粗さを有するように、研削加工することができない。

また、コンディショニング部は、研磨パッドの表面に対して垂直方向への押圧力を付与した状態で接触し、回転しながら揺動して、研磨パッドの表面を研削加工する。そのため、コンディショニング部は、研磨パッド表面から、垂直方向のみならず平行方向など複数方向から力が加わることになるが、特許文献１に開示されるコンディショナーでは、空間部を有する支持部によってコンディショニング部が支持されているので、コンディショニング部が研削加工中に振動してしまう。そのため、研磨パッドの表面が半導体基板を高精密研磨するための所望の表面粗さを有するように、研削加工することができない。

また、特許文献１に開示されるコンディショナーでは、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力を制御するために、空間部に加圧流体を供給する機構を必要とするため、複雑な構造となってしまう。

したがって本発明の目的は、簡単な構造で、研磨パッドの表面細孔の目詰まりや研磨パッド表面の摩耗などによる研磨性能の低下を回避するとともに、研磨パッドの表面が半導体基板を高精密研磨するための所望の表面粗さを有するように研削加工することができるコンディショナーを提供することである。

本発明は、研磨パッドの表面に接触して研削加工するコンディショニング部と、
前記コンディショニング部を支持する支持部であって、クッション支持層、弾性を有するクッション層およびコンディショニング部当接層からなる３層構造の支持部と、を有するコンディショナーであって、
前記コンディショナーは、円板状であり、
前記コンディショニング部および前記支持部には、前記コンディショニング部から厚み方向に前記支持部の一部にまでわたる溝部が形成され、該溝部によって、前記コンディショニング部および前記支持部は、径方向に同心円状に分割されているか、中心軸線に関して周方向に等間隔で分割されているか、または周方向に等間隔、かつ径方向に同心円状に分割されていることを特徴とする研磨パッドのコンディショナーである。

本発明によれば、コンディショナーは、研磨パッドの表面に接触して研削加工するコンディショニング部と、コンディショニング部を支持する支持部とを有する。そして、支持部は、弾性を有するクッション層を含んで構成される。

このように構成されたコンディショナーでは、クッション層を含んで構成される支持部が、研磨パッド表面に対して垂直方向に移動可能となるようにコンディショニング部を支持しているので、研磨パッド表面の形状に関わらず、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力が一定となるように制御することができる。そして、コンディショニング部を支持する支持部は、空間部を有することなくクッション層が設けられて研磨パッドに対する押圧力を制御するように構成されているので、研磨液中に含まれる砥粒が支持部側に侵入するのを防止することができる。そのため、クッション層を含んで構成される支持部によって支持されたコンディショニング部は、研磨パッドの表面細孔の目詰まりや研磨パッド表面の摩耗などによる研磨性能の低下を回避することができるとともに、研磨パッドの表面が半導体基板を高精密研磨するための所望の表面粗さを有するように、研削加工することができる。

また、コンディショニング部が、研磨パッドの表面に対して垂直方向への押圧力を付与した状態で接触し、回転しながら揺動して、研磨パッドの表面を研削加工するとき、コンディショニング部には、研磨パッド表面から垂直方向のみならず平行方向など複数方向から力が加わることになる。これに対して、コンディショニング部は、クッション層を含んで構成される支持部によって支持されているので、研削加工中におけるコンディショニング部の振動をクッション層が吸収する。そのため、研磨パッドの表面が半導体基板を高精密研磨するための所望の表面粗さを有するように、研削加工することができる。また、支持部にクッション層を設けるという簡単な構成で、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力を制御することができる。

また、コンディショニング部は、複数の領域に分割されている。これによって、コンディショニング部の分割された領域ごとに研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力を制御することができるので、研磨パッド表面の形状に対する追従性が向上し、より精密な研削加工を行うことができる。

参考の形態に係るコンディショナー１０の構成を示す断面図である。 コンディショニング部１１の分割状態の例を示す断面図である。 コンディショニング部１１の分割パターンの例を示す平面図である。 コンディショニング部１１の分割パターンの例を示す平面図である。 コンディショナー１０の研削加工動作を説明する図である。 複数のコンディショナー１０を備えるコンディショナーユニット２０の構成を示す図である。

図１は、参考の形態に係るコンディショナー１０の構成を示す断面図である。コンディショナー１０は、コンディショニング部１１と、支持部１２とを含んで構成され、半導体基板の平坦化研磨に使用される研磨パッドの表面性能を維持・向上させるために、研磨パッドの表面を一定量だけ研削加工するものである。なお、コンディショナー１０による研削対象となる研磨パッドは、特に限定されるものではなく、半導体基板の平坦化研磨に使用される公知のものである。

コンディショニング部１１は、研磨パッドの表面に接触して研削加工する部分であり、コンディショナー用として常用される砥粒（ダイヤモンド砥粒など）を含む部材である。また、本実施の形態では、コンディショニング部１１は、全体として円板状に形成されている。

支持部１２は、コンディショニング部１１を支持する部分であり、接着や電着などの固定方法にてコンディショニング部１１を支持している。そして、支持部１２は、クッション支持層１２１、クッション層１２２およびコンディショニング部当接層１２３からなる３層構造を有する。コンディショニング部当接層１２３は、厚み方向一表面においてコンディショニング部１１と接触し、厚み方向他表面においてクッション層１２２と接触するように設けられる層であり、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属材料やグラファイトなどの材料によって形成されている。

クッション層１２２は、厚み方向一表面においてコンディショニング部当接層１２３と接触し、厚み方向他表面においてクッション支持層１２１と接触するように設けられる層であり、弾性を有する材料（たとえば、発泡ポリウレタンなど）によって形成されている。

クッション支持層１２１は、クッション層１２２と接触し、支持部１２の全体としての厚みを調整するために設けられる層であり、コンディショニング部当接層１２３と同様の材料によって形成される。

以上のように構成されたコンディショナー１０は、研磨パッドの表面を研削加工する場合には、コンディショニング部１１が所定の押圧力で研磨パッドの表面に接触するようにされる。このとき、コンディショナー１０では、クッション層１２２を含んで構成される支持部１２が、研磨パッド表面に対して垂直方向に移動可能となるようにコンディショニング部１１を支持しているので、研磨パッド表面の形状に関わらず、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力が一定となるように制御することができる。そして、コンディショニング部１１を支持する支持部１２は、空間部を有することなくクッション層１２２が設けられて研磨パッドに対する押圧力を制御するように構成されているので、研磨液中に含まれる砥粒が支持部１２側に侵入するのを防止することができる。そのため、クッション層１２２を含んで構成される支持部１２によって支持されたコンディショニング部１１は、研磨パッドの表面細孔の目詰まりや研磨パッド表面の摩耗などによる研磨性能の低下を回避することができるとともに、研磨パッドの表面が半導体基板を高精密研磨するための所望の表面粗さを有するように、研削加工することができる。

また、コンディショニング部１１が、研磨パッドの表面に対して垂直方向への押圧力を付与した状態で接触し、回転しながら揺動して、研磨パッドの表面を研削加工するとき、コンディショニング部１１には、研磨パッド表面から垂直方向のみならず平行方向など複数方向から力が加わることになる。これに対して、コンディショニング部１１は、クッション層１２２を含んで構成される支持部１２によって支持されているので、研削加工中におけるコンディショニング部１１の振動をクッション層１２２が吸収する。そのため、研磨パッドの表面が半導体基板を高精密研磨するための所望の表面粗さを有するように、研削加工することができる。

また、支持部１２にクッション層１２２を設けるという簡単な構成で、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力を制御することができ、交換作業の簡略化および低コスト化が図れる。また、コンディショナー１０では、コンディショニング部１１の全領域が、研磨パッド表面に接触して研削加工を行うので、コンディショニング部１１の特定領域のみが研磨パッド表面に過度に押圧されるのが抑制され、コンディショナー１０自体の長寿命化が図れる。

また、複数の領域に分割されて構成されるコンディショニング部１１の分割状態について、図２を用いて説明する。図２は、コンディショニング部１１の分割状態の例を示す断面図である。

図２（ａ）に示すコンディショニング部１１の分割状態の例では、コンディショニング部１１のみが、複数の領域部分である、第１領域部分１１ｙと、第２領域部分１１ｚとに分割されて構成されている。このように、コンディショニング部１１が複数の領域に分割される場合、第１領域部分１１ｙと第２領域部分１１ｚとの間には、溝部３０が形成される。

また、図２（ｂ）に示すコンディショニング部１１の分割状態の例では、第１領域部分１１ｙと第２領域部分１１ｚとに分割されるコンディショニング部１１の各領域部分に対応して、支持部１２のコンディショニング部当接層１２３が、第１当接層１２３ｙと、第２当接層１２３ｚとに分割されて構成される。このように、コンディショニング部１１およびコンディショニング部当接層１２３が複数の領域に分割される場合、第１領域部分１１ｙおよび第１当接層１２３ｙと、第２領域部分１１ｚおよび第２当接層１２３ｚとの間には、溝部３０が形成される。

また、図２（ｃ）に示すコンディショニング部１１の分割状態の例では、第１領域部分１１ｙと第２領域部分１１ｚとに分割されるコンディショニング部１１の各領域部分に対応して、支持部１２のコンディショニング部当接層１２３が、第１当接層１２３ｙと、第２当接層１２３ｚとに分割され、かつ、クッション層１２２が、第１クッション層１２２ｙと、第２クッション層１２２ｚとに分割されて構成される。このように、コンディショニング部１１、コンディショニング部当接層１２３およびクッション層１２２が複数の領域に分割される場合、第１領域部分１１ｙ、第１当接層１２３ｙおよび第１クッション層１２２ｙと、第２領域部分１１ｚ、第２当接層１２３ｚおよび第２クッション層１２２ｚとの間には、溝部３０が形成される。

以上のように、コンディショニング部１１が複数の領域に分割されて構成されることによって、コンディショニング部１１の分割された各領域部分１１ｙ，１１ｚごとに研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力を制御することができるので、研磨パッド表面の形状に対する追従性が向上し、より精密な研削加工を行うことができる。また、第１領域部分１１ｙと第２領域部分１１ｚとの間に形成される溝部３０が、コンディショナー１０による研削加工時に使用する研磨液（砥粒などを含むスラリーまたは純水）が流通する流路としての役割を果たし、これによって、コンディショナー１０のコンディショニング作用が向上する。

次に、複数の領域に分割されて構成されるコンディショニング部１１における分割パターンについて説明する。図３Ａおよび図３Ｂはコンディショニング部１１の分割パターンの例を示す平面図である。コンディショナー１０では、コンディショニング部１１は、図３Ａ（ａ）に示すように、分割されていなくてもよいが、前述したように、中心軸線に関して垂直な平面において複数の領域に分割されて構成されるようにすることもできる。

コンディショニング部１１の分割パターンの例としては、たとえば、図３Ａ（ｂ）に示すように、全体として円板状のコンディショニング部１１は、径方向に同心円状、すなわち、同軸の半径の異なる仮想円によって、第１領域部分１１ａと第２領域部分１１ｂとに、２分割されるように構成されてもよい。このとき、第１領域部分１１ａと第２領域部分１１ｂとの間には、円環状の溝部３０ａが形成される。また、図３Ｂ（ｃ）に示すように、全体として円板状のコンディショニング部１１は、中心軸線に関して周方向に等間隔（中心角９０°）で、第１領域部分１１ａ、第２領域部分１１ｂ、第３領域部分１１ｃおよび第４領域部分１１ｄに４分割され、それぞれの分割領域が同一形状（扇形）となるように構成されてもよい。このとき、各領域部分１１ａ〜１１ｄの間には、径方向に延びる２つの溝部３０ｂが形成される。また、図３Ｂ（ｄ）に示すように、全体として円板状のコンディショニング部１１は、中心軸線に関して周方向に等間隔（中心角９０°）で４分割され、かつ径方向に同心円状に２分割されて、第１〜第８領域部分（１１ａ〜１１ｈ）に、合計８分割されるように構成されてもよい。このとき、各領域部分１１ａ〜１１ｈの間には、同心円状に分割されることによって円環状の溝部３０ａが形成され、かつ、周方向に分割されることによって径方向に延びる２つの溝部３０ｂが形成される。

たとえば、図４は、コンディショナー１０の研削加工動作を説明する図である。図４（ａ）は、研削加工時におけるコンディショナー１０と研磨パッド４３との位置関係を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、研削加工時におけるコンディショナー１０と研磨パッド４３との位置関係を示す平面図である。

まず、研磨装置の研磨定盤４４に貼付された研磨パッド４３に対してコンディショニング部１１が対向するように、研磨装置のアーム４０にコンディショナー１０を取り付ける。そして、コンディショナー１０の動作は、研磨装置の制御部によって制御される。

研磨装置の制御部には、研削対象となる研磨パッド４３と、研削加工時に使用する研磨液（砥粒などを含むスラリーまたは純水）４２とに応じた複数のプログラム（研削レシピ）が予め記憶されている。そして、研磨装置の制御部は、予め記憶される複数の研削レシピのうち、１つの研削レシピが選択されると、該研削レシピに基づいて、コンディショナー１０の動作を制御する。

研磨装置の制御部は、研磨液供給手段（不図示）を制御して、研磨液チューブ４１内に研磨液４２を流過させて、矢符Ｂ方向に回転駆動する研磨定盤４４に貼付された研磨パッド４３の表面に供給させる。そして、研磨装置の制御部は、アーム４０に支持されるコンディショナー１０が、所定の押圧力で研磨パッド４３の表面に接触し、かつ、矢符Ａ方向に自転しながら矢符Ｃ方向に揺動するように、アーム４０を駆動させる。なお、研磨定盤４４が回転駆動する回転方向、すなわち、研磨パッド４３が回転される回転方向Ｂと、コンディショナー１０が自転する回転方向Ａとは、同一方向である。

すなわち、コンディショナー１０は、矢符Ａ方向に自転しながら矢符Ｃ方向に揺動し、コンディショニング部１１が所定の押圧力で研磨液４２の介在下で、矢符Ｂ方向に回転される研磨パッド４３の表面に接触して、研磨パッド４３の表面を研削加工する。

また、複数のコンディショナー１０を組み合わせて１つのユニットとして構成し、該ユニットを用いて研磨パッドの表面を研削加工することもできる。図５は、複数のコンディショナー１０を備えるコンディショナーユニット２０の構成を示す図である。

コンディショナーユニット２０は、複数のコンディショナー１０がコンディショナー冶具２１に取り付けられて構成されている。また、コンディショナーユニット２０では、各コンディショナー１０の各コンディショニング部１１が、同一平面上となるようにされている。

コンディショナーユニット２０は、本実施の形態のコンディショナー１０を複数備えて構成されているので、研磨パッドの表面を、所望の表面粗さ・形状に、効率よく研削加工することができる。

１０ コンディショナー
１１ コンディショニング部
１２ 支持部
１２１ クッション支持層
１２２ クッション層
１２３ コンディショニング部当接層

Claims (1)

1. 研磨パッドの表面に接触して研削加工するコンディショニング部と、
   前記コンディショニング部を支持する支持部であって、クッション支持層、弾性を有するクッション層およびコンディショニング部当接層からなる３層構造の支持部と、を有するコンディショナーであって、
   前記コンディショナーは、円板状であり、
   前記コンディショニング部および前記支持部には、前記コンディショニング部から厚み方向に前記支持部の一部にまでわたる溝部が形成され、該溝部によって、前記コンディショニング部および前記支持部は、径方向に同心円状に分割されているか、中心軸線に関して周方向に等間隔で分割されているか、または周方向に等間隔、かつ径方向に同心円状に分割されていることを特徴とする研磨パッドのコンディショナー。

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