JP6968817B2 - ダイヤモンド複合体ｃｍｐパッドコンディショナ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本特許文献は、２０１６年４月６日に出願された共同所有される米国仮特許出願第６２／３１９，２８３号明細書の利益を主張するものである。法律で許可される場合、この親特許出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、半導体ウェハを研磨するために使用される化学機械研磨（ＣＭＰ）パッドをリコンディショニングするのに使用される、非常に高い平坦度に機械加工されたダイヤモンド含有ディスクに関する。

現代の電子機器は、単結晶シリコン（Ｓｉ）基板に製造された微視的なチップに依存する。まず、単結晶Ｓｉのブールを成長させる。次に、このブールをダイヤモンドワイヤソーで薄いＳｉウェハ（現在では直径３００ｍｍ、近い将来では直径４５０ｍｍ）にダイシングする。この段階において、このＳｉウェハは、厚くかつ粗い。次の処理ステップは、これらのウェハを非常に高い平坦度（ｎｍレベルの全体平坦度）および仕上げ、ならびに小さい厚さ（＜１ｍｍ）まで研磨することを伴う。このようにして製造されたＳｉウェハは、リソグラフィー、金属堆積、エッチング、拡散、イオン注入等などのプロセスを使用してマイクロおよびナノサイズの回路を堆積することにより、微視的なチップを構築するために使用される。化学機械研磨（ＣＭＰ）の例示的な適用は、未処理Ｓｉウェハを極めて高い仕上げおよび平坦度まで研磨する際に存在する。

ここで、図１Ａおよび１Ｂを参照する。図１Ａおよび１Ｂは、ＣＭＰパッドをコンディショニングするための機械を含む、ウェハ平坦化のための装置のそれぞれ上面図および側面図である。ＣＭＰプロセスでは、機械的摩擦および化学反応の両方が材料除去のために使用される。これは、異なる研磨剤／反応化合物（アルミナ、セリア等など）のスラリー１０３を用いて研磨パッド１０１（例えば、多孔質独立気泡ポリウレタンから作られる）上で行われる。一度に２つ以上のシリコンウェハ１０５を研磨することができる。従って、研磨パッドは、直径が１メートルを超える場合がある。研磨パッドは、基板に垂直な軸１０９上で回転する剛性基板１０７上に取り付けられる。研磨媒体は、スラリーの形態で回転研磨パッドに提供され得る。シリコンウェハ１０５は、軸１０９に平行な軸１１３上で同じく回転するホルダまたは「チャック」１１１に取り付けられる。

研磨が続くにつれて、研磨パッド中の気泡または細孔は、研磨剤およびウェハからの破砕屑で満たされる。それらは、表面の艶を発達させ、有効性を失う。しかしながら、研磨パッドは、依然として有用な寿命を有する − それらは、良好なウェハ研磨性能を達成するために、ポリウレタンパッド内の閉じられた気泡を開き、スラリーのウェハへの移動を改善し、パッドの寿命を通して一貫した研磨表面を提供するように随時リコンディショニングするのみでよい。ＣＭＰパッドをリコンディショニングするために、突出するダイヤモンドを保持する凹状の金属または有機マトリックスを有する表面において突出するダイヤモンドを有する、ＣＭＰパッドコンディショナと呼ばれるディスクが使用される。これらのディスクでは、典型的には、粗いダイヤモンド（例えば、直径１２５マイクロメートル）の単一層が使用され、ダイヤモンドの間隔（例えば、０．５〜１ｍｍ）および突出が慎重に制御される。これらのダイヤモンド含有コンディショニングディスクは、非常に高い平坦度に機械加工される。優れた性能を発揮する重要な要因として、ダイヤモンドの十分な突出（良好な切削能力）、マトリックスへの強い結合（ダイヤモンドの損失を防止し、切削能力の損失を防止し、かつコンディショニングを損なう破砕屑の形成を防止する）が挙げられる。

パッドリコンディショニングディスク１１５は、典型的には、ディスク１１５の軸１２１がＣＭＰパッドの回転軸１０９と平行になるように機械または固定具のアーム１１９に取り付けられるかまたは装着されることを可能にする構造１１７を特徴とする。次に、機械は、ディスクを回転するＣＭＰパッドと接触させ、ＣＭＰパッドの周辺部から中心または中心付近まで前後に移動させるが、必ずしも半径方向である必要はない。機械は、リコンディショニングディスクに回転を与えることもできる。コンディショニング中にＣＭＰパッドに液体を導入することは、ディスクによって取り除かれた破砕屑を除去するのに役立つはずである。

時間を節約し、それによって効率を高めるために、ＣＭＰパッドのコンディショニングは、ウェハの研磨／平坦化と同時に実行されることが多い。しかしながら、この並行処理の１つのリスクは、ダイヤモンド粒子がそのマトリックスからはがれるかまたは飛び出すリスクである。遊離したダイヤモンド材料は、研磨されているシリコンウェハをうねらせて破損させる可能性がある。

金属に結合されたダイヤモンド粒子を特徴とする少なくともそれらのＣＭＰパッドコンディショニングディスクは、過去にいくつかの問題 − 具体的には、ダイヤモンド粒子の損失（例えば、分離）を経験してきた。いかなる特定の理論または説明にも拘束されることを望むものではないが、ダイヤモンド粒子の損失は、金属の化学的腐食に起因し得、または場合により処理中の熱膨張の不一致および温度変動に起因する機械的応力によるものであり得る。従って、既存の設計よりもダイヤモンド粒子損失が起こりにくいパッドコンディショニングディスクを提供することが望ましい。

この概要は、以下の詳細な説明でさらに記載する概念の選択を簡略化した形式で導入するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図せず、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されることも意図しない。

記載される実施形態は、ダイヤモンド粒子強化材を特徴とする反応結合炭化ケイ素（ＲＢＳＣ）およびそれを製造するプロセスを含む。ＲＢＳＣは、ダイヤモンド粒子が埋め込まれた反応結合炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）のマトリックス相を含む。この複合体は、非常に高い機械的および熱的安定性を有し、４５０ｍｍ以上の１つまたは複数の寸法を有する状態で製造可能であり、時に「スパーク放電加工」と称される放電加工（ＥＤＭ）によって機械加工可能である。

この技術の１つの用途は、ダイヤモンドで強化された反応結合Ｓｉ／ＳｉＣから作製されたＣＭＰパッドコンディショナディスクであり、ダイヤモンド粒子は、表面の残りの部分から突出するかまたは「盛り上がって直立」し、かつ切削表面に均一に分散される。一実施形態では、ダイヤモンド粒子は、複合材全体にほぼ均一に分散されるが、他の実施形態では、それらは、コンディショニング表面にかつその近くに優先的に配置される。ダイヤモンド粒子の頂部は、一定の高さであるように設計され得る（すなわち、コンディショナディスクは、非常に平坦である）。あるいは、ディスクは、トロイダル形状にされ得る。ダイヤモンド粒子は、Ｓｉ／ＳｉＣマトリックスを優先的に浸食することによってコンディショニング表面から突出するように作製され得る。侵食は、ＥＤＭにより、または研磨剤によるラッピング／研磨により達成され得る。

本発明のより詳細な理解は、例として与えられかつ添付の特許請求の範囲および図面と併せて理解される以下の記載から得られ得る。図面中、同様の参照番号は、類似または同一の要素を示す。図面は一定の縮尺ではない。

図１Ａは、ＣＭＰパッドの同時コンディショニングを伴うケイ素ウェハの平坦化作業の上面図である。 図１Ｂは、ＣＭＰパッドの同時コンディショニングを伴うケイ素ウェハの平坦化作業の側面図である。 図２は、例示的なＲＢＳＣ−ダイヤモンド微細構造である。 図３Ａは、ラッピングされたダイヤモンド強化ＲＢＳＣ複合体の例示的なプロフィロメータトレースである。 図３Ｂは、研磨／ラッピング後の凹状にされたマトリックスおよび突出するダイヤモンドを示すＲＢＳＣ−ダイヤモンドである。 図４Ａは、本発明のディスク状ＣＭＰコンディショナ実施形態の接触表面の斜視図である。 図４Ｂは、本発明のディスク状ＣＭＰコンディショナ実施形態の背面の斜視図である。 図４Ｃは、本発明の環状またはリング状ＣＭＰコンディショナ実施形態の接触表面の斜視図である。 図５Ａは、本発明によるパッドコンディショナを作製するためのＥＤＭ法を概略的に示す。 図５Ｂは、本発明によるパッドコンディショナを作製するためのＥＤＭ法を概略的に示す。 図６Ａは、本発明によるパッドコンディショナを作製するための注型法を概略的に示す。 図６Ｂは、本発明によるパッドコンディショナを作製するための注型法を概略的に示す。 図７Ａは、本発明によるパッドコンディショナを作製するための意図的な分離を伴う注型法を概略的に示す。 図７Ｂは、本発明によるパッドコンディショナを作製するための意図的な分離を伴う注型法を概略的に示す。

本明細書における「一実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して記載した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含められ得ることを意味する。本明細書の様々な箇所における「一実施形態では」という句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指すわけではなく、別々のまたは代替の実施形態が他の実施形態と必ずしも相互に排他的であるわけでもない。同じことが「実装形態」という用語にもあてはまる。

本明細書に記載される例示的な方法のステップは、記載された順序で必ずしも実行される必要はなく、そのような方法のステップの順序は、単なる例示であると理解されるべきであることを理解されたい。同様に、追加のステップがこのような方法に含まれ得、特定のステップは、本発明の様々な実施形態と一致する方法において省略され得るかまたは組み合わされ得る。

本出願で使用される場合、「例示的」という語は、実施例、事例または例示としての役割を果たすことを意味するために本明細書で使用される。本明細書において「例示的」と記載されたいずれの態様または設計も、必ずしも他の態様または設計を上回る好ましいまたは有利なものとして解釈されない。むしろ、例示的という用語の使用は、具体的な方法で概念を提示することを意図している。

一実施形態では、炭化ケイ素ベース本体を、反応性浸透技術によってニアネットシェイプに作製することができる。一般に、反応性浸透プロセスは、溶融した元素ケイ素（Ｓｉ）を、炭化ケイ素＋炭素を含有する多孔質塊と真空または不活性雰囲気環境で接触させることを必然的に伴う。濡れ条件が生じ、その結果、溶融したケイ素は、毛管作用により塊に引き込まれ、そこで炭素と反応して追加の炭化ケイ素を形成する。このインサイチュー炭化ケイ素は、典型的には相互接続されている。通常、高密度の本体が望ましいため、このプロセスは、典型的には過剰のケイ素の存在下で行われる。このようにして得られる複合体は、従って、主として炭化ケイ素を含むが、一部の未反応のケイ素（これも相互接続されている）も含み、これはＳｉ／ＳｉＣと略記することがある。このような複合体を製造するために使用されるプロセスは、交換可能に「反応形成」、「反応結合」、「反応性浸透」または「自己結合」と呼ばれる。追加の柔軟性のために、ＳｉＣ以外の１つまたは複数の材料を多孔質塊のＳｉＣの一部または全部の代わりに使うことができる。例えば、このＳｉＣの一部をダイヤモンド粒子で置き換えると、ダイヤモンド／ＳｉＣ複合体を得ることができる。ダイヤモンドを有する反応結合ＳｉＣを作製する例示的な方法は、米国特許第８，４７４，３６２号明細書に開示されており、この特許は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。材料組成は、異なるダイヤモンド含有量で調整することができる。典型的には、これらの組成物は、成分の体積全体にわたって均一に分散したダイヤモンドを有する。図２は、ＲＢＳＣ−ダイヤモンド複合体の微細構造の実施例を示す。この走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像は、破断した表面のものであり、構成要素ダイヤモンド２１、炭化ケイ素２３、および元素ケイ素２５を示す。ダイヤモンドは、非常に高い硬度、熱伝導率、耐摩耗性、高い剛性および低い摩擦係数を有する材料である。これらの高い特性がダイヤモンド含有Ｓｉ／ＳｉＣに付与される。ダイヤモンドが盛り上がって直立（突出）するようにＲＢＳＣダイヤモンド材料を研磨することができ、マトリックスが研磨プロセス中の優先的な材料除去のために凹んでいることも示されている（図３Ｂ）。突出するダイヤモンドのこのような高い平坦性および制御されたダイヤモンド突出の高さは、ＣＭＰパッドのコンディショニングにおいて重要な利点を提供する。

当業者は、ダイヤモンド強化ＲＢＳＣの多くの変形形態が考えられることを理解するであろう。変化させることができるパラメータの中には、ダイヤモンド含有量、ダイヤモンド粒径およびダイヤモンド粒子形状がある。

より具体的には、ダイヤモンド含有量は、約１体積パーセント（体積％）〜約７０体積％の範囲であるように設計され得る。ダイヤモンド強化材は、粒子の形態であり得、複合体は、それぞれ２２、３５および１００ミクロンの公称粒度または平均粒子直径を有するダイヤモンド粒子を使用して問題なく作製される。比較または較正として、５００粒の粒子（５００粒子／インチ）が約１３〜１７ミクロンの平均直径を有し、３２５メッシュのスクリーンまたは篩（３２５開口／インチ）が約４５ミクロンまでの径を有する粒子を通す。マトリックス成分は、上述したようにインサイチューで生成されたＳｉＣおよび典型的には一部の未反応の元素ケイ素を特徴とする。複合材料中に存在する元素Ｓｉの量は、当業者に知られているように高度に設計可能であり、例えば、質量基準で材料の大部分（５０体積％超）を構成することができ、または１体積％未満に減らすことができる。しかしながら、ＥＤＭによる機械加工を可能にするために、Ｓｉ成分は、適切な導電性のために相互接続される必要があり得、それは、少なくとも約５〜１０体積％の量を示唆する。ただし、本出願人は、約６０体積％のダイヤモンド粒子、約３０〜４０体積％のＳｉおよび約１０体積％以下のインサイチューで形成されたＳｉＣを含有する反応結合ＳｉＣ複合材を製造したことを注記しておく。

ダイヤモンド含有ＲＢＳＣのＥＤＭ可能バージョンの開発
放電加工の背後にある基本原理は、ＥＤＭデバイスの電極とワークピース（機械加工される本体）との間にかなりの量の電気エネルギーが流れることである。電気エネルギーは、スパークまたはアークの形態である。ここで、アークは、相互接続されたＳｉマトリックス成分を優先的に溶融または蒸発させる。これは、ダイヤモンド粒子強化材を浮き彫りにするか、または周囲のＳｉ／ＳｉＣマトリックスから「盛り上がって直立させる」効果を有する。少なくとも２種類の放電加工がある。よりよく知られたＥＤＭの種類は、ワイヤから放射するスパークまたはアークを有し、それによってターゲット材料をスライスする。本研究に最も関連するＥＤＭの種類において、アークは、成形電極とワークピースとの間にある。

ラッピング
本出願人は、一実施形態では、ダイヤモンド含有Ｓｉ／ＳｉＣ複合体の表面をラッピングすることによってもこのダイヤモンド粒子の突出効果が得られることを見出した。具体的には、それは、一部のＳｉ／ＳｉＣ材料を優先的に除去し、ダイヤモンド強化粒子を、ラッピングされた表面の残りの部分より上に「盛り上がって直立させ」、（ｉｉ）ダイヤモンド粒子の先端を研削または研磨し、「メサ」またはプラトー、例えば平坦化された粒子を残す。ラッピング研磨材は、ダイヤモンドであり、以下の粒度が順番に使用される：１００、４５、２２、１２および最後に６ミクロンサイズの粒子。後者は、柔らかいポリウレタン布に適用され、他の粒は、セラミック板を用いて適用される。

図３Ａは、ラッピングされたダイヤモンド強化ＲＢＳＣ本体のプロフィロメータトレースを示す。図３Ｂは、同じラッピングされた本体のグレースケールＳＥＭ画像である。両方の図は、Ｓｉ／ＳｉＣマトリックス材料がタイヤモンド強化粒間で「取り出された」こと、ダイヤモンド粒が平坦な頂部を有する（「先端を切り取られた」）こと、およびダイヤモンド粒のエッジが鈍くなっているかまたは丸くなっていることを示す。

ダイヤモンドを有するＲＢＳＣを形成するための例示的な処理ステップは、以下の通りである。炭化ケイ素粉末、ダイヤモンド粉末、水およびバインダを一緒に混合してスラリーを作る。次いで、このスラリーを成形型に流し込み、振動下で「パックダウン」または沈降させて、セラミック粒子を圧縮して高充填物を生成する。通常の処理では、セラミック粒径は、それらを良好に混合し、分離しない状態に維持するように選択される。流し込みプロセスの終わりに、過剰の水性バインダを除去し、部品を脱型し、乾燥させ、炭化して「プリフォーム」と呼ばれる自己支持性多孔質塊を製造する。乾燥は、約７０Ｃ〜２００Ｃの温度範囲の空気中で行うことができる。炭化が有機バインダを熱分解または炭にして炭素に分解する。炭化は、典型的には約６００Ｃの温度において非酸化性雰囲気中で行われるが、３５０Ｃ〜約１０００Ｃの範囲で起こり得る。非酸化性雰囲気は、真空またはアルゴン、ヘリウムもしくは窒素などの不活性雰囲気であり得る。

次に、反応性浸透が行われ、それにより溶融ケイ素が多孔質プリフォーム中に吸い込まれ、少なくとも過度にならない程度まで非ダイヤモンド炭素（例えば、熱分解されたバインダ）と化学的に反応するが、ダイヤモンドとは化学反応せず、高密度複合体を形成する。ここでも、雰囲気は、非酸化性であり、真空またはアルゴンもしくはヘリウムなどの不活性ガスであり得る。窒素ガスは、反応性浸透のための処理温度で溶融ケイ素と反応する可能性があり、形成された複合体においてある程度のインサイチュー窒化ケイ素が望ましい場合、それはおそらく許容される。ケイ素は、特に純粋である必要はない。例えば、不純物としての０．５重量％の鉄は、浸透を妨害しなかった。真空は、高度であるかまたは「完全真空に近い」必要はなく、実際に、反応結合プロセスは、大気圧でアルゴンまたはヘリウムなどの不活性雰囲気中において、特に温度が１４１０℃よりやや高い場合に十分に進行する。しかしながら、処理温度は、約２１００℃または２２００℃を超えるべきでない。なぜなら、構成成分が分解もしくは揮発するかまたは結晶の形態を変える可能性があるからである。

得られた複合体は、ダイヤモンド、ＳｉＣおよび残留Ｓｉを含む。相対組成は、注型用スリップ中の出発成分の割合を選択することによって調整することができる。注型品表面（通常は底面）が不十分に平坦な場合、ダイヤモンド研削砥石を使用してさらに平坦化することができる。

これらの例示的な処理ステップが使用され、典型的には、ダイヤモンドが複合体全体にかなり均一に分散しているダイヤモンド含有複合体が得られる。しかしながら、基本的なプロセスは、機能的な勾配など、ダイヤモンド粒子の不均一な分散を生じるように修正することができる。例えば、沈降注型法では、ストークスの法則を用いて、注型品の天面の密度と比較して注型品の底部に高密度または大きい粒体のより高い密度を作り出すことができ、これについては以下でより詳しく記載する。さらに、ダイヤモンド粒子を含有するまたは含有しない注型用スラリーを、予め配置されたダイヤモンド粒子、粒または凝集体の層の周りに流し込み、浸透後、注型品の底面に対応していた複合体の表面における予め配置されたダイヤモンド本体を主に特徴とする複合体を得ることができる。この実施形態では、ダイヤモンド本体のサイズは、直径が１００ミクロンより大きいことができ、例えば２００、５００または１０００ミクロンであり得る。さらに、この実施形態では、ダイヤモンド本体は、注型用型の基部の位置に関して組織化され得る。例えば、ダイヤモンド本体は、クラスターとして不均一に配置され得、またはランダムに配置され得、または行もしくはアレイの形態になどの一様かつ非ランダムに配置され得る。

図４Ａ〜４Ｃを参照すると、その後、ダイヤモンド含有複合体は、台に装着され得、またはＣＭＰパッドをリコンディショニングするために使用される機械のアームに直接装着され得る。複合体または台は、この目的のために装着具または取り付け構造４１、４３を特徴とし得る。

本発明のＣＭＰパッドコンディショナは、既知のパッドコンディショナ、すなわち有効直径が約５〜２０センチメートルのパッドコンディショナのような一般的または近似サイズを有することができる。平面図または上面図において、それらは、円形、楕円形または六角形もしくは八角形などの多角形として成形され得る。いずれの場合にも、ＣＭＰパッドに接触するように構成された表面４５、４７は、実質的に平坦であるように設計される。接触表面が接触表面の残部と異なる高さの処理ゾーンまたは領域を同じく特徴とする場合、ＣＭＰパッド上にリコンディショニング作業の大部分を提供するのは、この処理ゾーンまたは領域である。いずれの場合にも、ＣＭＰパッドのリコンディショニングの大部分またはほとんどを提供する表面は、高精度で平坦化されるように設計され、その際、研磨ダイヤモンド粒子の極端（より低い高さのマトリックスから最も遠位の位置）は、平面から１００ミクロン以内、場合により５０ミクロン以内、場合により２０ミクロン以内、場合により５ミクロン以内にある。すなわち、突出するダイヤモンド粒子上の最も遠位の地点または表面は、互いに１００、５０、２０または５ミクロン以内の高さを有する。

本発明の実施形態を、以下の実施例を参照してさらに記載する。

実施例１：ＥＤＭ法
図５Ａおよび５Ｂを参照して作製されたこの実施例では、ダイヤモンドで強化された反応結合炭化ケイ素複合材料は、まず従来の方法によって製造されるが、その後、放電加工によってさらに処理され、表面からのダイヤモンドの突出をもたらす。

ここで、Ｓｉ／ＳｉＣマトリックス内にダイヤモンド５１の必要な間隔を作り出すために、低ダイヤモンド含有量（１０〜２０％）が選択される。次に、ＥＤＭ電極５５を機械加工される表面５７に隣接して配置する。ＥＤＭを実行すると、ディスクの１つの表面（ＥＤＭ電極に隣接する表面）からＳｉ／ＳｉＣマトリックス相が優先的に除去され、ここで凹状にされた表面５４に突出するダイヤモンド５２を残す。

実施例２：意図的な分離のない注型法
図６Ａおよび６Ｂを参照して記載するこの方法では、ダイヤモンド粒子または本体を注型用型の底面に置き、プリフォームがダイヤモンド本体の上で注型され、ダイヤモンド本体を埋める。

まず、注型用スリップ６５を用意する。スリップは、ＲＢＳＣプリフォームを作製するための通常の成分を含有するが、ダイヤモンドを含有しない。次に、注型用型６１を用意する。ここで、型は、ディスク状のプリフォームを生じるように成形される。次いで、大きいダイヤモンド粒子６３（例えば、直径２００ミクロン）を注型用型の底面に所定のパターン（正方形、六角形等）で置くかまたは配置する。次に、非ダイヤモンド含有スリップ６５を型に流し込む。次いで、表面にダイヤモンドを含有するＲＢＳＣ本体を作製するための残りの処理ステップ（沈降、過剰バインダの除去、離型、乾燥、炭化および反応結合）を実施する。

最後に、ＲＢＳＣディスク状本体のダイヤモンド含有表面を研磨してマトリックス相を優先的に除去し、ダイヤモンドを突出させる。

実施例３：意図的な分離のある注型法
図７Ａおよび７Ｂを参照して記載したこの方法では、ＳｉＣ粒子よりも直径が大きくかつ密度が高いダイヤモンド粒子を沈降プロセス中に分離させて、機能的に勾配のあるプリフォームを生じさせる。注型品の底部のダイヤモンドの密度は、注型品の上部の密度よりも高い。

まず、少量（５〜１０％）の粗いダイヤモンド７５（例えば、２００ミクロン）を含有する注型用スリップ７３を準備する。このスリップは、ＳｉＣ粒子と比較してダイヤモンド粒子のより速い沈降を促すために意図的により希釈されている。次いで、ディスク状プリフォームを準備するために、このスリップを型７１に流し込む。次に、注型用型に振動を与えて、意図的に優先的にダイヤモンド７５を型の底部に沈降させる。注型用スリップ中の粒子の沈降は、ストークスの法則：
Ｖｓ＝［２（ρ_ｐ−ρ_ｆ）ｇＲ^２］／９μ
によって制御される。

式中、Ｖｓは、沈降速度であり、ρは、密度であり、添え字ｐおよびｆは、粒子および流体を示し、ｇは、重力定数であり、Ｒは、粒子半径であり、およびμは、流体粘度である。従って、末端の沈降速度は、直接的に粒子および液体の密度の差に比例する。従って、重い粒子ほどより速く沈降する。ダイヤモンド（３．５４ｇ／ｃｃ）は、ＳｉＣ（３．２１ｇ／ｃｃ）よりも密度が高いため、より速く沈降するであろう。沈降速度も、より大きい粒子が一般により小さい粒子よりもはるかに速く落ちるように粒子半径の二乗に比例する。従って、ダイヤモンド粒子直径（２００ミクロン）は、ＳｉＣの直径（１０〜２５ミクロン）よりも大幅に大きくなるように選択される。沈降速度は、流体（バインダ）の粘度に反比例する。従って、スリップはまた、より速い沈降を促すように意図的により希釈される（より低い粘度にされる）。

このようにして製造されたプリフォームは、ダイヤモンドの大部分がプリフォームの底側に分離されているはずである。このプリフォームは、その後、機能的に勾配のあるダイヤモンド含有ＲＢＳＣ複合体を形成するために、先に記載した残りのプロセスステップにかけられる。すなわち、複合体の一方の側はダイヤモンドが豊富であり、反対側はダイヤモンドが乏しい。

最後に、ダイヤモンドが豊富な表面を研磨して、優先的にマトリックス相を除去し、ダイヤモンドを突出させる。

「処理ゾーン」および環状／トロイダル形状の概念
本時点まで、接触表面は、ほぼディスク状であることと、このほぼディスク状の表面は、ＣＭＰパッド研磨表面と平面接触することとがほとんど想定されてきた。本発明の実施形態は、これを排除するものではないが、これに限定されることもない。具体的には、接触表面は、表面上の他の領域に対して上昇した１つまたは複数のゾーンまたは領域を有することができる。従って、これらの上昇した領域は、他の領域が依然としてＣＭＰパッドと名目上接触していることがあり得る場合でさえ、リコンディショニング中に他の領域よりもＣＭＰパッドに高い圧力を適用し得る。例えば、本出願人は、近年、本発明の用途と異なる用途において、リング形状または環状表面がラッピング工具にとって非常に望ましい形状であることを発見した。最小限に制約されたラッピング工具（例えば、ボールアンドソケットジョイントによって支持される）を不均一な表面上で移動させることができる。ラッピング工具は、不均一な表面に適合するが、凹凸または他の高い箇所を本質的に研磨し、それにより平坦性を回復する。本発明のＣＭＰパッドコンディショナの実施形態を示す図４Ｃを参照すると、環状本体の内縁部および外縁部は、丸くされ得るかまたは半径が付与され得、これは、接触表面がＣＭＰパッドに食い込むか、ＣＭＰパッドを引き裂くか、またはそれをえぐることを防止するのに役立つ。このように、環状のコンディショニング本体は、トロイダル形状をとることができる。

さらに、環状またはトロイダル処理ゾーンをディスク状の本体と一体化して、全体的に平坦であるが、ディスクの外周近くにわずかに上昇した環状の処理ゾーンを設けた接触表面を提供することができる。この実施形態では、環状隆起処理ゾーンを有する接触表面は、選択的ラッピング、放電加工、または複合材料のプリフォーム前駆体のこのような所望の接触表面を注型するための型を提供することによって作製され得る。

本発明の実施形態は、半導体製造業界において、例えば化学／機械平坦化（ＣＭＰ）パッドをリコンディショニングするために即時の有用性を見出すはずである。ＣＭＰパッド表面と接触する複合材料は、ＣＭＰに使用される化学物質に対して非常に耐性がある。また、ダイヤモンド粒子研磨材は、熱膨張係数の点でよく適合するマトリックス中に埋め込まれ、それにより、従来技術のリコンディショニングツールにおいてダイヤモンド研磨材が基板から剥離することの少なくとも部分的な原因であり得る内部歪みを低減する。さらに、本発明の処理表面は、突出するダイヤモンド粒子が周囲のまたは埋め込みマトリックスから約半分を超えて突出しないように設計される。

処理ゾーンまたは領域は、ＣＭＰパッドのリコンディショニングを最も担う接触表面のゾーンまたは領域である。この処理ゾーンまたは領域は、ディスク状であり得、または環状（よりリング状）であり得る。環状の形状は、自然に平坦な状態に戻るようにパッド表面をコンディショニングする傾向があるという点で特定の利点を有し、すなわち、この形状は、自然にＣＭＰパッド上の高い箇所を除去する傾向がある。環状本体または環状処理ゾーンの内縁部および外縁部は、半径が適用または付与され得、すなわち、リングにわずかなトロイダル形状が与えられ得る。縁部への半径の適用は、コンディショニング中にＣＭＰパッドをえぐる可能性を低減することができる。

上記の考察の多くは、化学／機械平坦化（ＣＭＰ）パッドの研磨表面をコンディショニングするという特定の問題に焦点を当ててきたが、当業者は、以前に平坦であった表面、特に表面に破砕屑が堆積し、リコンディショニングのために使用される研磨剤がその基板から分離しないことが重要である、以前に平坦であった表面のリコンディショニングを必要とする他の用途を認識するであろう。当業者は、リコンディショニングツールが耐腐食性であるべき他の用途を認識するであろう。

当業者であれば、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本明細書に記載された本発明に対する様々な修正形態がなされ得ることを理解するであろう。

Claims (25)

1. 化学機械平坦化（ＣＭＰ）パッドコンディショナであって、
   前記（ＣＭＰ）パッドコンディショナは、ＣＭＰパッドと接触しかつそれをコンディショニングするように構成された表面と、炭化ケイ素を含むマトリックスの体積全体に分布された複数のダイヤモンド粒子を有する複合本体とを含み、
   前記接触表面における前記マトリックスは、いくつかのダイヤモンド粒子が凹んだマトリックスから部分的に突出するように前記ダイヤモンド粒子に対して凹状にされる
   ことを特徴とする化学機械平坦化（ＣＭＰ）パッドコンディショナ。
2. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記複合本体は、前記接触表面において、前記接触表面とは反対側の前記複合本体の表面におけるよりも高い前記ダイヤモンド粒子の密度を有することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
3. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記ダイヤモンド粒子は、前記マトリックスの体積全体に均一に分布されることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
4. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記ダイヤモンド粒子は、前記複合本体中に少なくとも５体積％の量で存在することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
5. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記ダイヤモンド粒子は、前記複合本体中に１０体積％以下の量で存在することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
6. 化学機械平坦化（ＣＭＰ）パッドコンディショナを作製する方法であって、前記方法は、
   （ａ）ＣＭＰパッドをコンディショニングするように構成された本体を提供するステップであって、前記本体は、ＣＭＰパッドの研磨表面のコンディショニング中にＣＭＰパッドの研磨表面に接触するように構成された表面を有し、前記本体の接触表面は、マトリックスの体積全体に埋め込まれたダイヤモンド粒子を有する複合材料を有し、前記マトリックスは炭化ケイ素を含むステップと、
   （ｂ）前記マトリックスを優先的に浸食して、前記ダイヤモンド粒子に対して前記マトリックスを除去することにより、前記複合材料の表面を処理し、それによって凹んだマトリックスから突出するダイヤモンド粒子を前記表面に残すステップと
   を備えることを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記処理は、機械的摩耗を用いることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記機械的摩耗は、ダイヤモンドを含むグリット研磨材によって行われることを特徴とする方法。
9. 請求項６に記載の方法において、前記ダイヤモンド粒子を、前記複合本体の一方の側に向かって優先的に偏析させることを特徴とする方法。
10. 請求項６に記載の方法において、前記複合材料は、相互接続された形態のケイ素を更に含み、前記処理は、
    （ｃ）放電加工電極を前記本体の接触表面に隣接して配置するステップと、
    （ｄ）放電加工を実行するステップと
    を備えることを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記電極は、成形電極を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１０に記載の方法において、前記複合本体中に存在する相互接続されたケイ素は、前記複合材料の少なくとも５体積％であることを特徴とする方法。
13. 請求項６に記載の方法において、前記複合材料は、
    （ｃ）機能的に勾配のあるプリフォームを形成するステップと、
    （ｄ）前記機能的に勾配のあるプリフォームに溶融ケイ素を浸透させるステップと
    によって製造され、
    前記機能的に勾配のあるプリフォームは、（ｉ）液体と、バインダと、炭化ケイ素およびダイヤモンドの粒子とを含むスラリーを提供するステップと、（ｉｉ）前記スラリーを型に流し込むステップであって、前記型の底面が前記接触表面を規定する、ステップと、（ｉｉｉ）前記ダイヤモンド粒子が沈降することを可能にし、それによって成形部品を形成するステップであって、ストークスの法則により、前記ダイヤモンド粒子が前記炭化ケイ素粒子よりも速く沈降する、ステップと、（ｉｖ）前記成形部品を乾燥、脱型、および炭化するステップと
    によって製造されることを特徴とする方法。
14. 請求項６に記載の方法において、前記複合材料は、
    （ｃ）プリフォームを形成するステップと、
    （ｄ）前記プリフォームに溶融ケイ素を浸透させるステップと
    によって製造され、
    前記プリフォームは、（ｉ）液体と、バインダと、炭化ケイ素粒子とを含むスラリーを提供するステップと、（ｉｉ）底部内面が前記複合本体の接触表面を規定する型を提供するステップと、（ｉｉｉ）ダイヤモンド本体を前記型の底部内面に予め配置するステップと、（ｉｖ）前記スラリーを、前記型内に前記予め配置されたダイヤモンド本体上へと流し込み、それによって成形部品を形成するステップと、（ｖ）前記成形部品を乾燥、脱型、および炭化するステップと
    によって製造されることを特徴とする方法。
15. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、突出する前記ダイヤモンド粒子の実質的に全てについて、前記マトリックスから最も遠位にある点は、平面から約５０ミクロン以内にあることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
16. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記凹んだマトリックスから部分的に突出する前記ダイヤモンド粒子は、それらの粒径の約５０％以下で前記マトリックスから突出することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
17. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、突出する前記ダイヤモンド粒子は、２０ミクロン乃至１０００ミクロンの範囲の粒径を示すことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
18. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記接触表面における突出する前記ダイヤモンド粒子の少なくとも一部は、少なくとも１０ミクロンだけ前記マトリックスから突出することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
19. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記複合本体中の突出する前記ダイヤモンド粒子は、約１体積％乃至約７０体積％の体積百分率密度を有することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
20. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記マトリックスは、約５体積％乃至約４０体積％の元素ケイ素を含むことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
21. 請求項１９に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、体積百分率密度勾配は、ストークスの法則に従って変化することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
22. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記ダイヤモンド粒子は、実質的に前記複合本体の体積全体に分布されることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
23. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、いくつかの他のダイヤモンド粒子は、前記表面から下に完全に凹んでいることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
24. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記マトリックスは、約１０体積％以下のインサイチュー形成された炭化ケイ素を含むことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
25. 請求項１に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、前記マトリックスは、相互接続されたケイ素を含むことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

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