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JP2011507716A - 疎水性切削工具及びその製造方法 - Google Patents

疎水性切削工具及びその製造方法 Download PDF

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JP2011507716A JP2010540542A JP2010540542A JP2011507716A JP 2011507716 A JP2011507716 A JP 2011507716A JP 2010540542 A JP2010540542 A JP 2010540542A JP 2010540542 A JP2010540542 A JP 2010540542A JP 2011507716 A JP2011507716 A JP 2011507716A
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Abstract

本発明は、切削工具の製造方法に関する。本発明の目的は、砥流層表面の汚染、特にスラリーによる凝集汚染を、砥流層の疎水性の維持性能改善により、著しく低減できる切削工具の製造方法を提供することにある。本発明による切削工具は、基材上に、砥粒が固着した表面を有する砥粒層を形成するステップと、砥粒層の表面に疎水性物質膜をコートするステップとを含む。

Description

本発明は、切削工具分野に関し、より詳しくは、表面の疎水性の維持性能のよい疎水性切削工具及びその製造方法に関する。特に、本発明は、CMPパッドのコンディショニング工程に供され、スラリーの累積による汚染度の大きなCMPコンディショナーに適合した構造の切削工具に関する。
背景技術
切削工具は、砥粒、すなわち、切削粒子を用いて素材を切削加工する工具である。本明細書における「切削加工」は、円筒研削、内面研削、平面研削のように、被削材の一部を磨く加工である研削を含むものであり、例えば、ダイヤモンド粒子のような砥粒を用いて行われる全ての種類の加工を含む。
一般に、切削工具は、基材と、その基材の表面に形成された砥粒層を有し、前記砥粒層の表面には、多数の砥粒が固着した構造をなす。砥粒を固着する方式としては、電着、焼結、ロウ付け等が挙げられる。砥粒としては、ダイヤモンド、CBN(Cubic Boron Nitride)、アルミナ粒子、炭化ケイ素粒子等が用いられている。
切削工具を用いた加工において、加工時間の増加により、砥粒層の表面、すなわち、砥粒を保持する層の表面と砥粒が汚染する現象が生じる。このような現象は、水分を含めた切削液(またはスラリー)を用いる加工において特に頻繁に発生する。その中でも、CMPコンディショナーを用いたCMPパッドのコンディショニング加工中、スラリー粒子及び残留物がCMPコンディショナーに累積して発生する表面汚染は深刻である。
周知のように、CMPパッドは、半導体ウエハの広域の平坦化処理に用いられる工具であり、CMPコンディショナーは、CMPパッドの表面の微孔詰まりを取り除き、CMPパッドの性能及び寿命を向上させる切削工具の一種である。
図1は、過酷実験においてCMPコンディショナーを用いたCMPコンディショニング加工時間の増加による表面汚染程度の変化を示した光学顕微鏡写真を示す。例示の写真は、加工前、30分経過後、60分経過後、90分経過後、120分経過後、150分経過後をそれぞれ示す。図1を参照すると、30分後から相当量のスラリーの汚染物質が認められ、そのような汚染物質は、加工時間が増加するにつれて、凝集し続けながら増加することが確認される。
スラリーによるCMPコンディショナーの砥粒層の表面汚染は、CMPコンディショニング工程の効率を落とす。CMPコンディショニング工程の効率低下は、その工程を経たCMPパッドを用いてウエハを研磨加工するとき、ウエハ上にスクラッチを引き起こし、研磨後は、ウエハ上にパーティクル数を増加させ、生産効率を落とす。
発明の概要
技術的課題
本発明者等は、CMPコンディショナーの汚染の最も大きな原因が、コンディショニング加工時間の増加による砥粒層の表面の親水性化の進行によるものであることを見出した。すなわち、CMPパッドのCMPコンディショニング工程前は、CMPコンディショナーの砥粒層の表面は、疎水性が大きいという特性を有するものの、CMPパッドのコンディショニング加工が進行するにつれて、CMPコンディショナーの砥粒層の表面が親水性と変わり、親水性の表面は、スラリーを含んだ水を排斥せず、汚染しやすいということがわかった。このような問題点は、単にCMPコンディショナーに限られず、狭義の切削加工、研削加工、または研磨加工を含む切削加工に用いられる、砥粒を含む広義の切削工具に該当する。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、砥粒層の疎水性の維持性能が向上し、砥粒層の表面の凝集、及びその汚染による切削性能の低下を十分に抑制した切削工具及びその製造方法を提供することにある。
技術的解決手段
上記目的を達成するために、本発明の一側面によると、基材上に、砥粒が固着した表面を有する砥粒層を形成するステップと、前記砥粒層の表面上に疎水性物質膜をコートするステップと、を含む切削工具の製造方法が提供される。
前記疎水性物質膜をコートするステップにおいて、前記コートされた疎水性物質膜は、分子のテールグループが疎水性である自己組織化単分子膜(SAM;Self‐Assembled molecular monolayer)であることが好ましい。好ましくは、前記疎水性物質膜をコートするステップは、蒸着工程を用いることが好ましい。この際、前記蒸着工程に用いられる前駆体は、分子のテールグループが疎水性、好ましくは、CF(Fluoro Carbon)基であり、CHF(Fluorohydrocarbon)基が用いられてもよい。
前記前駆体としては、FOTS(トリクロロシラン)、DDMS(ジクロロジメチルシラン)、FDA(パーフルオロデカン酸)、FDTS(パーフルオロデシルトリクロロシラン)、OTS(オクタデシルトリクロロシラン)等が用いられてもよい。
また、前記前駆体を用いた蒸着工程としては、V‐SAM Process(ベイパー‐SAM工程)、L‐SAM Process(リキッド‐SAM工程)、またはプラズマを用いるバルク重合工程等が用いられてもよい。
前記砥粒層を形成する工程は、Ni電着工程またはロウ付けを用いてもよい。前記切削工具は、CMPコンディショナーであることが好ましいが、これに限定されるものではなく、砥粒が固着した構造の多様な切削工具であってもよい。
本発明の他の側面によって、基材と、前記基材上に形成され、砥粒が固着した表面を有する砥粒層と、前記砥粒層の表面に形成された疎水性物質膜と、を備える切削工具が提供される。
前記疎水性物質膜は、分子のテールグループが疎水性である自己組織化単分子膜であることが好ましい。より好ましくは、前記自己組織化単分子膜は、CFやCHF基であるものを前駆体として形成される。
発明の効果
本発明によると、切削工具の砥粒層の表面に形成された疎水性物質膜によって、砥粒層に生じる汚染物質の累積、及びそれによる切削工具の加工性能の低下を抑制する。特に、本発明は、スラリーと一緒に、CMPパッドのコンディショニング加工に用いられる切削工具であるCMPコンディショナーの汚染物質の抑制に極めて有用に用いられる。これは、CMPコンディショニング工程を経たCMPパッドを用いたウエハの研磨加工において、ウエハの加工表面に生じるスクラッチやパーティクルのような欠陥を低減させることができる。
従来の切削工具の切削時間による汚染度変化過程を説明するための写真である。 本発明による切削工具の一例を示す断面図である。 疎水性物質膜がコートされた切削工具の表面を30分切削加工後に撮影した顕微鏡写真である。 疎水性物質膜がコートされた切削工具の表面を60分切削加工後に撮影した顕微鏡写真である。 疎水性物資膜がコートされていない切削工具の表面を30分研削加工後に撮影した顕微鏡写真である。 切削加工前に疎水性物質膜がコートされた切削工具の疎水性(または親水性)をテストした結果を示す写真である。 切削加工前に疎水性物質膜がコートされていない切削工具の疎水性(または親水性)をテストした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされた切削工具の切削加工後、疎水性テスト結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされていない切削工具の切削加工後、疎水性テスト結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。 疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーを用いて、実際の現場と同一の条件で20時間CMPコンディショニングした結果を示す写真である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明による切削工具について、CMPコンディショナーを一例として説明する。以下に紹介される実施例は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。従って、本発明は、後述する実施例に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、説明の便宜のために誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
図2は、本発明による切削工具の一例として示したCMPコンディショナーである。図2を参照すると、本発明によるCMPコンディショナー1は、基材10と砥粒層20を有する。前記基材10は、金属材質からなり、略円板状の構造からなっている。前記砥粒層20は、前記基材10上に形成されるものであり、多数の砥粒21を有している。本実施例において、前記砥粒層20は、砥粒21を保持するように、Niめっきされて形成されたNi電着層であり、前記砥粒21は、砥粒層20の表面から突出している。
図2の拡大図からわかるように、前記砥粒層20の表面には、疎水性物質膜30が形成される。前記疎水性物質膜30は、水に対する表面接触角の大きな疎水性表面を有する膜であり、CMPコンディショナー1の使用時間の増加につれて砥粒層20の表面が親水化する傾向を防ぐ役割をする。
前記疎水性物質膜30は、蒸着またはその他の工程によって形成されるコート膜であり、砥粒層20の電着物質と砥粒21を全て覆う。この際、疎水性物質膜30は、砥粒21の突出高さよりも小さな厚さに形成される薄膜であるので、それが砥粒21上に形成されたとしても、CMPコンディショナー1の性能を阻害することはない。
前記CMPコンディショナー1をCMPパッドのコンディショニング加工に用いると、砥粒21上に位置した疎水性物質膜30のごく一部が除去されるが、砥粒層20の他の表面の大部分、すなわち、砥粒21を保持している電着物質の表面は、砥粒21が除去されか磨り減らない限り、いつもその位置にそのまま維持される。
前記疎水性物質膜30は、分子のテールグループが疎水性である自己組織化単分子膜で形成されることが好ましい。以下、疎水性である自己組織化単分子膜を砥粒層の表面に形成する本発明の一実施例について説明する。
自己組織化単分子膜(「自己組織化単層膜」ともいう)を形成する技術は、ナノ技術に含まれるものであり、ナノ単位の微細薄膜によって任意の材料の表面性質を改質する技術の頂点にある技術である。自己組織化単分子膜は、任意の材料の表面と反応するヘッドグループと、長さを決定する胴体と、表面の性質を決定するテールグループとで構成され、テールグループが疎水性である場合、自己組織化単分子膜の表面の性質は疎水性となる。
本実施例において、真空下で物質を気化させ、気化した物質をCMPコンディショナー1の砥粒層20の表面に蒸着する工程が用いられ、その工程の一例が以下の実施例1において説明される。
実施例
[実施例1:疎水性物質膜の形成工程]
疎水性物質膜が形成されていないCMPコンディショナーをプロセスチェンバに装入し、構造式CCl13Siのトリクロロシランを前駆体とし、自己組織化単分子膜からなる疎水性物質膜をCMPコンディショナーの砥粒層の表面に蒸着した。この際、蒸着条件は、真空度10‐2torr、処理温度150℃、反応時間10分であった。用いられたCMPコンディショナーは、シンハンダイヤモンド社製のNi4コンディショナーである。
疎水性物質膜の形成の有無は、肉眼または光学顕微鏡観察を通じて把握し難いので、CMPコンディショナーの加工中、汚染度変化実験と疎水性(親水性)実験を通じて、その疎水性物質膜の形成の有無を確認した。
[実施例2:汚染度変化実験(スラリー凝集変化実験)]
上記実施例1の工程を経たCMPコンディショナーを用いて、実際のCMPパッドをコンディショニングする工程を行い、その工程遂行中、CMPコンディショナーの汚染度を時間別(30分単位)で検査した。
CMPコンディショニング工程の条件は、スラリー流量200ml/min、蒸留水の使用、CMPパッド及びCMPコンディショナーの回転速度50rpm、加圧力8.5Psiである。スラリーは、第一毛織社製のStar4000を使用し、CMPパッドは、Rohm & Hass社のIC1010が用いられた。上記条件は、短時間でCMPパッドの汚染度変化を確認できるように、加圧力とスラリー流量を実際のCMPコンディショニング工程よりも大きくした条件である。参考までに、後述する実施例4では、実際の現場でのCMPコンディショニング条件と同一の条件下で行われた汚染度変化実験についても説明される。
図3及び図4は、CMPコンディショニングを30分間行ったCMPコンディショナーの砥粒層の表面と、CMPコンディショニングを60分間行ったCMPコンディショナーの表面を、×100、×200、×500、×1000の倍率で撮影した光学顕微鏡写真である。
図3及び図4からわかるように、上記実施例1において疎水性物質膜が砥粒層の表面に形成されたCMPコンディショナーは、スラリーによる汚染が殆どないことが確認された。ただ5%内外の汚染領域が発見されたが、これは、実験における何らかの外部要因による影響であるものと認められる。
[比較例1:汚染度変化実験(スラリー凝集変化実験)]
上記実施例1の工程を経ていない、すなわち、疎水性物質膜を形成しなかったCMPコンディショナーを用いてCMPパッドをコンディショニングする工程を行い、その工程遂行中、CMPコンディショナーの汚染度を時間別(30分単位)で検査した。実験に用いられたCMPコンディショナーを除いた実験条件は、実施例2と同様である。
すなわち、CMPコンディショニング工程の条件は、実施例2と同様に、スラリー流量200ml/min、蒸留水の使用、CMPパッド及びCMPコンディショナーの回転速度50rpm、加圧力8.5Psiである。図5は、CMPコンディショニングの30分経過後の光学顕微鏡写真(倍率:×100、×200、×500、×1000)である。
図5からわかるように、砥粒層の表面には、スラリーによる汚染が確認される。また、前記スラリーによる汚染の蓄積は、経時的に、増加していくことが確認された。結果から、疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーには、スラリーによる多くの汚染物の蓄積があったことがわかる。
[実施例3:疎水性実験(親水性実験)]
図6は、疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーの疎水性実験の結果を示す写真であり、この際の接触角は110°以上をなす。図7は、疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーの疎水性実験の結果を示す。この際の接触角は70°をなす。なお、図6及び図7のCMPコンディショナーは、全てCMPコンディショニング工程を行う前である。
図6と図7を比較すると、疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーが、そうでないCMPコンディショナーに比べて接触角が大きく、疎水性がより大きいことがわかる。
図8は、疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーでCMPコンディショニング加工を行った後の疎水性実験の結果を示す写真であり、これは、図6、すなわち、CMPコンディショニング加工前の写真と大きな差がないことが認められる。これから、CMPコンディショニング加工後でも、疎水性物質膜の表面の疎水性がそのまま維持されることがわかる。
これに対して、疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーの場合、図9に示したように、水滴の形態が発見されないが、これにより、CMPコンディショナーがCMPコンディショニングを進行しながら疎水性を殆ど失い、親水性となったことがわかる。この際、測定された接触角は5°未満の値を示した。
[実施例4:汚染度変化実験(スラリー凝集変化実験)]
上記実施例1の工程を経て作製されたCMPコンディショナーを用いて、CMPパッドを、実際の現場と同一の条件下で20時間コンディショニングする工程を行い、その工程遂行中、CMPコンディショナーの汚染度を検査した。上記実施例2と比べて大幅に減少したスラリー流量とパッドの加圧力でCMPコンディショニング工程が実行できた。
CMPコンディショニング工程の条件は、スラリー流量60ml/min、蒸留水の使用、CMPパッド及びCMPコンディショナーの回転速度65rpm及び50rpm、加圧力0.63Psiである。スラリーは、韓化石油化学社から入手したHS‐1100Hを使用し、CMPパッドは、Rohm & Hass社のIC1010が用いられた。上記条件は、短時間でCMPパッドの汚染度変化を確認できるように、加圧力を実際のCMPコンディショニング工程よりも大きくした条件である。
図10乃至図13は、上記条件により20時間CMPコンディショニング工程を行った後、CMPコンディショナーの表面を、それぞれ×100、×200、×500、×1000の倍率で撮影した光学顕微鏡写真である。
図10及び図13の写真では、スラリーによる汚染があまり認められず、これから、疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーが実際の工程でも汚染されにくく、このような効果が長時間持続するという結果を得た。
[比較例2:汚染度変化実験(スラリー凝集変化実験)]
上記実施例1の工程を経ていない、すなわち、疎水性物質膜を形成しなかったCMPコンディショナーを用いて、実際のCMPパッドをコンディショニングする工程を20時間行った。CMPコンディショナーを除いた実験条件は、実施例4と同様である。
図14乃至図17は、疎水性物質膜のないCMPコンディショナーを用いて、上記条件により20時間CMPコンディショニング工程を行った後、CMPコンディショナーの表面を、それぞれ×100、×200、×500、×1000の倍率で撮影した光学顕微鏡写真である。
図14及び図17の写真からわかるように、砥粒層の表面の全面積にわたってスラリーによる多くの汚染が確認された。これから、疎水性物質膜がコートされていないCMPコンディショナーが、疎水性物質膜がコートされたCMPコンディショナーに比べて、スラリーによる汚染物の蓄積があったことが再度確認された。
上記においては、前駆体としてFOTS(トリクロロシラン)を用いた疎水性物質膜のコーティング方法についてのみ説明されたが、その他、DDMS(ジクロロジメチルシラン)、FDA(パーフルオロデカン酸)、FDTS(パーフルオロデシルトリクロロシラン)、OTS(オクタデシルトリクロロシラン)等が前駆体として用いられてもよい。また、前記前駆体を用いた蒸着工程は、上記実施例で説明されたような、V‐SAM Process(ベイパー‐SAM工程)、L‐SAM Process(リキッド‐SAM工程)、またはプラズマを用いるバルク重合工程等が用いられてもよい。

Claims (11)

  1. 基材上に、
    砥粒が固着した表面を有する砥粒層を形成するステップと、
    前記砥粒層の表面上に疎水性物質膜をコートするステップと、
    を含むことを特徴とする切削工具の製造方法。
  2. 前記疎水性物質膜をコートするステップにおいて、前記コートされた疎水性物質膜は、分子のテールグループが疎水性である自己組織化単分子膜(SAM;Self Assembled molecular monolayer)であることを特徴とする請求項1に記載の切削工具の製造方法。
  3. 前記疎水性物質膜をコートするステップは、蒸着工程を用いることを特徴とする請求項1に記載の切削工具の製造方法。
  4. 前記疎水性物質膜をコートするステップは、蒸着工程を用いて、分子のテールグループが疎水性である自己組織化単分子膜を前記砥粒層の表面に形成して行われることを特徴とする請求項1に記載の切削工具の製造方法。
  5. 前記蒸着工程に用いられる前駆体は、分子のテールグループがCF(Fluoro Carbon)基またはCHF(Fluorohydrocarbon)基であることを特徴とする請求項4に記載の切削工具の製造方法。
  6. 前記砥粒層を形成する工程は、Ni電着工程を用いることを特徴とする請求項1に記載の切削工具の製造方法。
  7. 基材と、
    前記基材上に形成され、砥粒が固着した表面を有する砥粒層と、
    前記砥粒層の表面に形成された疎水性物質膜と、
    を備えることを特徴とする切削工具。
  8. 前記疎水性物質膜は、分子のテールグループが疎水性である自己組織化単分子膜であることを特徴とする請求項7に記載の切削工具。
  9. 前記自己組織化単分子膜は、トリクロロシランを前駆体として形成されることを特徴とする請求項8に記載の切削工具。
  10. 前記砥粒層は、前記砥粒が固着したNi電着めっき層であることを特徴とする請求項7に記載の切削工具。
  11. 前記切削工具は、CMPコンディショナーであることを特徴する請求項7に記載の切削工具。
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