JP2010209371A - 炭素膜被覆部材、炭素膜の形成方法及びｃｍｐパッドコンディショナー - Google Patents

Abstract

【課題】炭素膜の基材に対する剥離強度が高められ、剥離を防止できる炭素膜被覆部材、炭素膜の形成方法及びＣＭＰパッドコンディショナーを提供する。
【解決手段】基材と、前記基材の表面１Ａを被覆する炭素膜とを有する炭素膜被覆部材であって、前記表面１Ａには、連続する曲線状の溝１１が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、ダイヤモンド粒子等からなる炭素膜に被覆された工具や部材などの炭素膜被覆部材、炭素膜の形成方法及び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、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。

このような炭素膜を用いる際には、該炭素膜と、成膜される基材との間の結合力が要求される。詳しくは、炭素膜と基材との間の結合は、部分的には化学結合であるものの、殆どは比較的結合力の弱い分子間力のようなものであることから、使用に際し、炭素膜が基材から容易に剥離しないように剥離強度を確保する必要がある。

この剥離強度を確保する手法として、例えば、特許文献１においては、強酸処理によって基材の表面にピンホールを形成した後、該表面にダイヤモンド膜（炭素膜）を成膜して、炭素膜の基材に対する剥離強度を確保するようにしている。また、特許文献２においては、ブラスト加工によって基材の表面に凹凸を形成した後、ＤＬＣ膜（炭素膜）等を成膜して、前述の剥離強度を確保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、ダイヤモンド粒子等からなる炭素膜で被覆して、鋭い切れ味や耐摩耗性を確保するようにしている。

特開平７−１５６００２号公報 特開２００８−２２９８０９号公報

しかしながら、前述のような炭素膜においては、その基材に対する結合力が未だ充分であるとは言えず、さらなる剥離強度の向上が要求されている。

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、炭素膜の基材に対する剥離強度が高められ、剥離を防止できる炭素膜被覆部材、炭素膜の形成方法及び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、基材と、前記基材の表面を被覆する炭素膜とを有する炭素膜被覆部材であって、前記表面には、連続する曲線状の溝が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る炭素膜被覆部材によれば、基材の表面には、連続する曲線状の溝が形成されているので、炭素膜の基材に対する剥離強度が充分に確保される。詳しくは、基材にこのように溝が形成されることによって、基材と炭素膜との接触面積が増大され、また、溝内に形成された炭素膜の部分がアンカー効果を奏することとなり、炭素膜と基材との付着強度（結合力）が飛躍的に高められる。

また、溝が連続する曲線状に形成されているので、炭素膜に作用する面方向（前記表面に沿った方向）の外力に対して、前述の剥離強度が略均一に設定されることとなり、炭素膜と基材との間の結合力がより向上する。すなわち、例えば、前記溝が直線状や格子状等に形成された場合には、前記外力に対する剥離強度に指向性が生じることとなり、前記結合力が安定しなくなることがあるのに対比して、本発明の構成によれば、前記外力の作用する向きに係わらず、炭素膜の基材に対する剥離強度が安定して確保される。従って、炭素膜が基材から剥離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被覆部材において、前記溝の幅が１０〜５０μｍの範囲内に設定され、深さが０．３〜１μｍの範囲内に設定されることとしてもよい。

本発明に係る炭素膜被覆部材によれば、溝の幅が１０〜５０μｍの範囲内に設定され、深さが０．３〜１μｍの範囲内に設定されているので、基材の剛性を損なうことなく該基材と炭素膜との接触面積を充分に確保でき、この溝内に成膜された炭素膜がより確実にアンカー効果を奏することとなり、炭素膜の基材に対する剥離強度が高められる。

また、本発明に係る炭素膜被覆部材において、前記溝が、渦巻状に形成されていることとしてもよい。

本発明に係る炭素膜被覆部材によれば、溝が、渦巻状に形成されているので、炭素膜に作用する面方向の外力に対して、炭素膜と基材との間の剥離強度がより均一に設定される。従って、炭素膜が基材から剥離するようなことが確実に防止される。

また、本発明は、前述の炭素膜被覆部材の炭素膜の形成方法であって、前記基材の表面に、レーザー加工により連続的に前記溝を形成した後、ＣＶＤ法により、前記表面に前記炭素膜を成膜することを特徴とする。

本発明に係る炭素膜の形成方法によれば、前述のように、溝が連続する曲線状をなすので、レーザー加工を用い、該溝を連続的に形成することができる。従って、基材の表面に、溝を比較的簡便に短時間で形成できる。また、ＣＶＤ法によって、前記表面を炭素膜で成膜するので、炭素膜を均一に精度よく形成できる。

また、本発明は、基材と、この基材の表面に突出して形成された切刃と、前記表面を被覆する炭素膜とを備え、前記表面に対向配置されたＣＭＰパッドに、前記切刃を用い研削加工を施すＣＭＰパッドコンディショナーであって、前記基材及び前記炭素膜に、前述の炭素膜被覆部材の基材及び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、前述の炭素膜被覆部材の基材及び炭素膜を用いているので、炭素膜の基材に対する剥離強度が高められるとともに、切刃の剛性が充分に確保される。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、工具寿命が延長する。また、炭素膜の剥離が確実に防止されることから、半導体ウェーハ等のスクラッチが防止される。

本発明に係る炭素膜被覆部材によれば、炭素膜の基材に対する剥離強度が高められるとともに、炭素膜の剥離が防止され、性能が安定して確保される。
また、本発明に係る炭素膜の形成方法によれば、このような炭素膜を比較的容易かつ高精度に形成することができる。
また、本発明に係るＣＭＰパッドコンディショナーによれば、ＣＭＰパッドを精度よく安定して研削加工でき、工具寿命が延長する。

本発明の一実施形態に係るＣＭＰパッドコンディショナーの部分側断面図である。 本発明の一実施形態に係るＣＭＰパッドコンディショナーの溝の形状を説明する平面図である。 本発明の一実施形態に係るＣＭＰパッドコンディショナーの溝の変形例を示す平面図である。

本実施形態のＣＭＰパッドコンディショナー（炭素膜被覆部材）１０は、円板状又は円環板状をなし、図１に示すように、その中心軸周りに回転する基板（基材）１と、この基板１の表面１Ａに突出して形成された複数の切刃（不図示）と、表面１Ａを被覆する炭素膜２とを有している。また、ＣＭＰパッドコンディショナー１０は、これらの切刃を用いて、該表面１Ａに対向配置されたＣＭＰパッドに研削加工を施す。また、前記切刃は、例えば、多角錐状、多角柱状、円錐状又は切頭円錐状等に形成されている。尚、これらの切刃も炭素膜２で被覆されている。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、その表面１Ａには、連続する曲線状の溝１１が形成されている。
図２の平面視に示すように、この溝１１は、中心部から周方向に沿って周回するように、かつ、周回するに連れ漸次径方向に拡径するように延びて、渦巻状に形成されている。図示の例では、溝１１は、中心部から反時計回りに向けて周回するように延びて形成されている。尚、溝１１は、中心部から時計回りに向けて周回するように延びて形成されていても構わない。

また、図１において、溝１１の幅Ｗは、１０〜５０μｍの範囲内に設定されている。また、溝１１の深さＤは、０．３〜１μｍの範囲内に設定されている。また、径方向に隣り合う溝１１同士の中心間距離（ピッチ）Ｐは、５０〜２５０μｍの範囲内に設定されている。

また、炭素膜２は、平均粒径が２００ｎｍを超える比較的粒径の大きいＳＰ^３結合のダイヤモンド粒子や、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や、ＳＰ^３結合及びＳＰ^２結合の混在するアモルファスのＤＬＣ等からなる。

次に、基板１の表面１Ａに炭素膜２を形成する手順について説明する。
まず、基板１の表面１Ａに、予め前記切刃に対応する形状を付与しておく。

次いで、この表面１Ａに、レーザー加工により連続的に溝１１を形成する。
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、基板１の表面１Ａに炭素膜２を成膜する。
このようにして、基板１の表面１Ａに炭素膜２が形成され、ＣＭＰパッドコンディショナー１０が製造される。

尚、前述のように、基板１の表面１Ａにレーザー加工により溝１１を形成した後、この表面１Ａに、種結晶のダイヤモンド粉末を付着させることとしても構わない。すなわち、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た後、炭素膜２を成膜してもよい。
また、前述した切刃の形状の付与及び溝１１の形成は、同時に行っても構わない。また、溝１１を形成した後で、切刃の形状を付与することとしてもよい。

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には、連続する曲線状の溝１１が形成されているので、炭素膜２の基板１に対する剥離強度が充分に確保される。詳しくは、基板１にこのように溝１１が形成されることによって、基板１と炭素膜２との接触面積が増大され、また、溝１１内に形成された炭素膜２の部分がアンカー効果を奏することとなり、炭素膜２と基板１との付着強度（結合力）が飛躍的に高められる。

また、溝１１が連続する曲線状に形成されているので、炭素膜２に作用する面方向（表面１Ａに沿った方向）の外力に対して、前述の剥離強度が略均一に設定されることとなり、炭素膜２と基板１との間の結合力がより向上する。すなわち、例えば、溝１１が直線状や格子状等に形成された場合には、前記外力に対する剥離強度に指向性が生じることとなり、前記結合力が安定しなくなることがあるのに対比して、このＣＭＰパッドコンディショナー１０の構成によれば、前記外力の作用する向きに係わらず、炭素膜２の基板１に対する剥離強度が安定して確保される。従って、炭素膜２が基板１から剥離するようなことが確実に防止される。

また、溝１１の幅Ｗが１０〜５０μｍの範囲内に設定され、深さＤが０．３〜１μｍの範囲内に設定されているので、基板１の剛性を損なうことなく該基板１と炭素膜２との接触面積を充分に確保でき、この溝１１内に成膜された炭素膜２がより確実にアンカー効果を奏することとなり、炭素膜２の基板１に対する剥離強度が高められる。また、隣り合う溝１１同士の中心間距離Ｐが５０〜２５０μｍの範囲内に設定されているので、前記溝１１同士の間における基板１の部分の剛性が充分に確保されつつ、前述の剥離強度が確実に高められている。

また、溝１１が、渦巻状に形成されているので、炭素膜２に作用する面方向の外力に対して、炭素膜２と基板１との間の剥離強度がより均一に設定される。従って、炭素膜２が基板１から剥離するようなことが確実に防止される。

また、本実施形態の炭素膜２の形成方法によれば、前述のように、溝１１が連続する曲線状をなすので、レーザー加工を用い、該溝１１を連続的に形成することができる。詳しくは、例えば、溝１１が角部を有する形状や断続的な形状とされた場合は、レーザー加工の際、レーザーが加工部位からオーバーランしやすくなり、位置合わせのために加工を都度中断する必要が生じて、加工時間が増大する。一方、本実施形態においては、溝１１のレーザー加工が、前述のように中断されることなく連続的に行えることから、溝１１を比較的簡便に短時間で形成できる。
また、ＣＶＤ法によって、表面１Ａを炭素膜２で成膜するので、炭素膜２を均一に精度よく形成できる。

また、このＣＭＰパッドコンディショナー１０は、前述の基板１及び炭素膜２を用いているので、炭素膜２の基板１に対する剥離強度が高められるとともに、前記切刃の剛性が充分に確保される。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して確保され、工具寿命が延長する。また、炭素膜２の剥離が確実に防止されることから、半導体ウェーハのスクラッチが防止される。

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、炭素膜被覆部材として、ＣＭＰパッドコンディショナー１０を用いて説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、炭素膜被覆部材として、基材と、この基材の表面１Ａを被覆する炭素膜２とを有し、表面１Ａに、連続する曲線状の溝１１が形成された、例えば、ドリル、エンドミル、バイト等の切削工具や電子デバイス等の部材を用いても構わない。

また、溝１１は、連続する曲線状に形成されていればよく、本実施形態において説明した渦巻状に限定されるものではない。図３は、溝１１の変形例を示しており、図３（ａ）においては、溝１１は、径方向に隣り合う溝１１同士の中心間距離Ｐが径方向内側から外側へ向かうに連れ漸次増大するように、対数螺旋状又はインボリュート曲線状に形成されている。また、図３（ｂ）では、溝１１は、滑らかに連続するトロコイド曲線状、又は、螺旋形状を斜視するようにして平面に投影した形状に形成されている。また、図３（ｃ）では、溝１１は、波状、又は、正弦（或いは余弦）曲線状に形成されている。また、溝１１は、前述した曲線を適宜組み合わせて形成されていてもよく、或いは、それ以外の連続する曲線状に形成されていても構わない。

また、本実施形態では、溝１１をレーザー加工により形成することとしたが、溝１１をレーザー加工以外のブラスト加工や成型等により形成することとしても構わない。
また、溝１１の幅Ｗ、深さＤ、中心間距離Ｐは、前述した数値範囲に限定されるものではない。

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を、算術平均粗さＲａ＝０．０１に形成した。次いで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー第３高調波を用い、これらの基板１の表面１Ａに、図２に示す渦巻状の溝１１を形成した。詳しくは、溝１１は、幅Ｗ＝２０μｍ、深さＤ＝０．３〜１μｍの範囲内、中心間距離Ｐ＝２５０μｍとなるように形成した。

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、炭素膜２を形成した。詳しくは、炭素膜２は、平均粒径が２００ｎｍを超える比較的粒径の大きいＳＰ^３結合のダイヤモンド粒子からなり、メタン（ＣＨ_４）濃度：１％の設定で、膜厚１０μｍとなるように成膜した。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。

次いで、スクラッチ試験法により、これらのＣＭＰパッドコンディショナー１０における炭素膜２の基板１に対する剥離強度を測定した。結果を表１に示す。

[比較例１]
また、比較例１として、基板１の表面１Ａに溝１１を形成せずに、ＣＭＰパッドコンディショナーを作製した。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、炭素膜２の基板１に対する剥離強度が２０Ｎに達し、炭素膜２の剥離強度が充分に確保されることが確認された。尚、この実施例１のＣＭＰパッドコンディショナー１０をＣＭＰ装置に取り付け、ＣＭＰパッドの研削加工に用いたところ、処理時間が２０００時間を超えても、炭素膜２の剥離は生じなかった。
一方、比較例１においては、前述の剥離強度が１０Ｎにとどまり、剥離強度が充分には確保されなかった。

１ 基板（基材）
１Ａ 基板の表面
２ 炭素膜
１０ ＣＭＰパッドコンディショナー（炭素膜被覆部材）
１１ 溝
Ｄ 溝の深さ
Ｗ 溝の幅

Claims (5)

1. 基材と、前記基材の表面を被覆する炭素膜とを有する炭素膜被覆部材であって、
   前記表面には、連続する曲線状の溝が形成されていることを特徴とする炭素膜被覆部材。
2. 請求項１に記載の炭素膜被覆部材であって、
   前記溝の幅が１０〜５０μｍの範囲内に設定され、深さが０．３〜１μｍの範囲内に設定されることを特徴とする炭素膜被覆部材。
3. 請求項１又は２に記載の炭素膜被覆部材であって、
   前記溝が、渦巻状に形成されていることを特徴とする炭素膜被覆部材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素膜被覆部材の炭素膜の形成方法であって、
   前記基材の表面に、レーザー加工により連続的に前記溝を形成した後、
   ＣＶＤ法により、前記表面に前記炭素膜を成膜することを特徴とする炭素膜の形成方法。
5. 基材と、この基材の表面に突出して形成された切刃と、前記表面を被覆する炭素膜とを備え、
   前記表面に対向配置されたＣＭＰパッドに、前記切刃を用い研削加工を施すＣＭＰパッドコンディショナーであって、
   前記基材及び前記炭素膜に、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素膜被覆部材の基材及び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。

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