JP5422262B2 - 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、大粒径のダイヤモンド砥粒と小粒径のダイヤモンド砥粒とが所定の割合で分布した研削面を有す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、小粒径のダイヤモンド砥粒で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し、大粒径のダイヤモンド砥粒で研磨剤を保持するための深い溝を研磨パッド表面に形成するようにしたものである。

特開２００１−２５２８７１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、研磨パッドの表面を研削加工するとき、小粒径のダイヤモンド砥粒は、研磨パッドの表面に充分に接触しない。そのため、特許文献１に開示されるコンディショナーは、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。

さらに、特許文献１に開示されるコンディショナーでは、大粒径のダイヤモンド砥粒が研磨パッドの表面に集中的に押圧されることになるので、大粒径のダイヤモンド砥粒が脱落しやすく、そのため、コンディショナー自体の寿命が短くなってしまう。

したがって本発明の目的は、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、長寿命化が図れ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、複数の領域に分割されたコンディショニング部と、前記複数の領域に分割されたコンディショニング部をそれぞれ個別に支持する支持部とを有し、
前記支持部は、
弾性を有するクッション層が設けられて、前記複数の領域に分割されたコンディショニング部の一部の領域部分を支持する第１支持部と、
前記第１支持部が支持するコンディショニング部の領域部分以外の領域部分を支持する第２支持部とを含んで構成され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。

また本発明は、前記第１支持部によって支持される前記コンディショニング部の領域部分は、コンディショニング部の全表面における中心に対して点対称となる位置に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、コンディショナーは、複数の領域に分割されたコンディショニング部と、前記複数の領域に分割されたコンディショニング部をそれぞれ区別した状態で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が設けられて、コンディショニング部の一部の領域部分を支持する第１支持部と、第１支持部が支持するコンディショニング部の領域部分以外の領域部分を支持する第２支持部と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、クッション層が設けられる第１支持部によって支持される領域のコンディショニング部が、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力が低減された状態で研磨パッド表面に接触し、第２支持部によって支持される領域のコンディショニング部が、高い押圧力で研磨パッド表面に接触する。すなわち、コンディショナーでは、クッション層により押圧力が低減された状態で研磨パッド表面に接触する領域のコンディショニング部が、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し、高い押圧力で研磨パッド表面に接触する領域のコンディショニング部が、研磨剤を保持するための深い溝を研磨パッド表面に形成し、コンディショニング部全体として、研磨パッド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、コンディショナーでは、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力が異なる複数の領域に分割されたコンディショニング部の全領域が、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、コンディショナー自体の長寿命化が図れる。

また本発明によれば、クッション層が設けられる第１支持部によって支持されるコンディショニング部の領域部分は、コンディショニング部の全表面における中心に対して点対称となる位置に配置される。これによって、研磨パッド表面の特定箇所に注目した場合、押圧力が異なるコンディショニング部の領域部分が交互に接触するように、研削加工することができる。そのため、研磨パッド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、効率よく研削加工することができる。

本発明の実施の一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、本発明の実施の一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。そして、コンディショニング部１１は、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おり、第１コンディショニング部１１ａと第２コンディショニング部１１ｂとで構成される。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おり、第１コンディショニング部１１ａと第２コンディショニング部１１ｂとは、厚み、材質などが同じであり、それぞれを支持する支持部の構成が異なっている。

支持部１２は、複数の領域に分割されるコンディショニング部１１の第１コンディショニング部１１ａと第２コンディショニング部１１ｂとを、それぞれ個別に支持する部分であり、第１コンディショニング部１１ａを支持する第１支持部１２ａと、第２コンディショニング部１１ｂを支持する第２支持部１２ｂとを含んで構成される。なお、第１支持部１２ａおよび第２支持部１２ｂは、接着や電着などの固定方法によって各コンディショニング部を支持している。

第１支持部１２ａ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第１コンディショニング部１１ａ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、第１支持部１２ａの厚みが、第２支持部１２ｂの厚みと同じになるよう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。

次に、第２支持部１２ｂは、厚み方向一表面において第２コンディショニング部１１ｂと接触して設けられ、第１支持部１２ａのクッション支持層１２１および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ている。

なお、第１支持部１２ａは、クッション層１２２とコンディショニング部当接層１２３とからなる２層構造で構成してもよい。このように、２層構造で第１支持部１２ａを構成する場合であっても、第１支持部１２ａの厚みが、第２支持部１２ｂの厚みと同じになるように、クッション層１２２またはコンディショニング部当接層１２３の層厚を調整する。

そして、第１コンディショニング部１１ａの研磨パッドに接触する面と、第２コンディショニング部１１ｂの研磨パッドに接触する面とは、同一平面上に含まれる。

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が設けられる第１支持部１２ａによって支持される領域の第１コンディショニング部１１ａが、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力が低減された状態で研磨パッドに接触し、クッション層１２２が設けられていない第２支持部１２ｂによって支持される領域の第２コンディショニング部１１ｂが、高い押圧力で研磨パッド表面に接触する。

すなわち、コンディショナー１０では、クッション層１２２により垂直方向への押圧力が低減された状態で研磨パッド表面に接触する領域の第１コンディショニング部１１ａが、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や研磨パッド表面の磨耗などによる研磨性能の低下を回避し、高い押圧力で研磨パッド表面に接触する領域の第２コンディショニング部１１ｂが、研磨剤を保持するための深い溝を研磨パッド表面に形成し、コンディショニング部１１全体として、研磨パッド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。具体的には、コンディショナー１０では、高い押圧力で研磨パッド表面に接触する領域の第２コンディショニング部１１ｂが、研磨パッドの表面を大きく荒らす。次いで、押圧力が低減された状態で研磨パッド表面に接触する領域の第１コンディショニング部１１ａが、第２コンディショニング部１１ｂによって大きく荒らされた研磨パッド表面に形成される突出部の一部を除去する。このようにして、コンディショナー１０では、コンディショニング部１１全体として、研磨パッド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、コンディショナー１０では、研磨パッド表面に対する垂直方向への押圧力が異なる複数の領域に分割された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、コンディショナー１０では、クッション層１２２が設けられる第１支持部１２ａによって支持される領域の第１コンディショニング部１１ａにおける、研磨パッド表面の研削量を少なくすることができるので、支持部１２の全領域にわたってクッション層１２２が設けられていない場合に比べて、研磨パッドの長寿命化が図れる。

次に、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平面図である。コンディショナー１０では、全体として円板状に形成されるコンディショニング部１１の全領域における、クッション層１２２が設けられる第１支持部１２ａに支持される第１コンディショニング部１１ａの配置位置は、特に限定されるものではない。

たとえば、図２（ａ）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に、中心角９０°で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、クッション層１２２が設けられる第１支持部１２ａに支持される第１コンディショニング部１１ａが、コンディショニング部１１の全表面における中心に対して点対称となる位置に配置されるのが好ましい。具体的には、中心軸線に関して周方向に、同じコンディショニング部が隣接しない、すなわち、第１コンディショニング部１１ａと第２コンディショニング部１１ｂとが、周方向に交互に並ぶように配置されるのが好ましい。これによって、研磨パッド表面の特定箇所に注目した場合、押圧力が異なるコンディショニング部１１の領域部分が交互に接触するように、研削加工することができる。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、効率よく研削加工することができる。

また、図２（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、中心軸線に関して周方向に等間隔に、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、合計８分割されるように構成されてもよい。このとき、クッション層１２２が設けられる第１支持部１２ａに支持される第１コンディショニング部１１ａが、コンディショニング部１１の全表面における中心に対して点対称となる位置に配置されるのが好ましい。具体的には、中心軸線に関して周方向および径方向に、同じコンディショニング部が隣接しない、すなわち、第１コンディショニング部１１ａと第２コンディショニング部１１ｂとが、周方向および径方向に交互に並ぶように配置されるのが好ましい。

また、図２（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、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２分割されるように構成されてもよい。そして、２分割される領域のうち、半径の小さい方の領域として第１コンディショニング部１１ａが配置され、第１コンディショニング部１１ａに対して径方向外方側に第２コンディショニング部１１ｂが配置されている。

たとえば、図３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３（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３（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４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
１１ａ 第１コンディショニング部
１１ｂ 第２コンディショニング部
１２ 支持部
１２ａ 第１支持部
１２ｂ 第２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 (2)

1. 研磨パッドの表面に接触して研削加工する、複数の領域に分割されたコンディショニング部と、前記複数の領域に分割されたコンディショニング部をそれぞれ個別に支持する支持部とを有し、
   前記支持部は、
   弾性を有するクッション層が設けられて、前記複数の領域に分割されたコンディショニング部の一部の領域部分を支持する第１支持部と、
   前記第１支持部が支持するコンディショニング部の領域部分以外の領域部分を支持する第２支持部とを含んで構成されることを特徴とする研磨パッドのコンディショナー。
2. 前記第１支持部によって支持される前記コンディショニング部の領域部分は、コンディショニング部の全表面における中心に対して点対称となる位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の研磨パッドのコンディショナー。

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