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パッドコンディショニングとは

THEME 02 パターン形成 · CMP・平坦化Pad Conditioning
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パッドコンディショニングとは、CMPの研磨パッドの表面を、ダイヤモンド粒子を植えたディスクで削り直す操作です。 使い込んだパッドの表面を作り直し、除去速度と面内の均一性を保ちます。得るものはレートの再現性で、払うものはパッドの厚み、ダイヤモンド砥粒の摩耗と脱落、パッドくずに由来するスクラッチです。どれだけ削れるかは、ディスク上のダイヤの大きさ・形・密度で決まります。

目詰まりした表面を、ダイヤモンドで薄く削り直す

Section titled “目詰まりした表面を、ダイヤモンドで薄く削り直す”

研磨パッドの表面は、平らな板とは作りが異なります。表面には微細な孔と凹凸があり、そこがスラリーを保持して研磨点まで運びます。CMPは、研磨パッドで覆われた回転テーブルへウェーハを押し当て、その間へスラリーを供給する方式です1。スラリーが研磨点へ届くかどうかは、パッド表面の状態に依存します。

研磨を続けると、この表面が変質します。削りかすとスラリー成分が孔に詰まり、表面の凹凸も潰れます。スラリーを保持して運ぶ働きが落ちるため、除去速度が下がり、面内のばらつきが増えます。速度低下を研磨時間で補うと、ディッシングやエロージョンが進みます。

そこで、ダイヤモンド粒子を植えたディスクでパッド表面を削り直します。AVSのCMPユーザーグループで発表された資料は、パッドコンディショニングを研磨パッドを「ドレッシング」する工程とし、パッドを研磨材、典型的にはダイヤモンド砥粒に接触させて、パッドの薄い層を取り除く2と説明しています。詰まりを取り除き、凹凸を作り直すことで、パッドを使い始めに近い状態へ引き上げます。ウェーハ1枚ごと、一定枚数ごと、あるいは研磨と同時に行う方式があります。したがってCMPの消耗品管理は、スラリー、パッド、コンディショナの3つを一体で運用します。

パッド表面の3つの状態
使い始め孔と凹凸がスラリーを運ぶ目詰まり孔が詰まり凹凸が潰れる削り直し削った分だけ薄くなる研磨パッド詰まった削りかすディスクダイヤモンド元の表面
使い込むと孔が削りかすで詰まり、凹凸が潰れます。ダイヤモンドディスクで表層を薄く削ると孔と凹凸が戻り、その分だけパッドは薄くなります。

パッドの表層を削るたびに、厚みも減る

Section titled “パッドの表層を削るたびに、厚みも減る”

ニッタ・デュポンのIC1000™は3、50mil Type A6 の規格で厚み 1.17〜1.37mm、圧縮率 0.5〜4.0%、硬度 Shore-D 52〜62、密度 0.77〜0.83g/cm³ です。特殊ポリウレタン材料をベースにした均一な微小発泡がスラリーの保持性を上げ、表面の溝加工でスラリーがウェーハ全面へ配られます。溝の形はパーフォレーション、XY溝、同心円溝、放射溝、複合溝の5種類で、下層パッドの SUBA™ シリーズと組み合わせて加工の均一性を得る積層構成もあります。

コンディショニングが削っているのは、この厚み 1.17〜1.37mm のうちの表層です。圧縮率 0.5〜4.0% は、押し当てたときにパッドがどれだけ沈むかの数字で、ディッシングの出方と直結します。CMPパッドの物性値とコンディショナの削り量は、同じ1本の消耗品バジェットを共有します。AVSの資料は、パッドの摩耗速度はプロセス条件と消耗品の組み合わせで決まるとしています。そのうえで、パッド本来の表面構造がいったん戻れば、摩耗分を除いて、それ以上コンディショニングしても表面構造は変わらないと述べています。

ニッタ・デュポンの研磨パッド製品一覧4の絞り込みを数えると、工程で 12 区分（Buff、Cuバリア、Cuバルク、STI、STI／セリア、エッジ研磨工程、タングステン、ポリシリコン、一次研磨、二次研磨、仕上げ研磨、酸化膜）、機能（課題）で 8 項目（ウェーハ欠陥低減、ウェーハ端部平坦性、ウェーハ端部形状追従性、コスト低減、バッチ間安定性、低エロージョン、段差解消性、高研磨レート）です。Ikonic™ シリーズは、パッド硬度と孔隙率の組み合わせを替えて調整しやすい表面を作る設計で、コンディショニングの入りやすさもパッド選定の一部です。

削る力はダイヤの大きさ・形・密度で決まり、パッドに触れる割合も変わる

Section titled “削る力はダイヤの大きさ・形・密度で決まり、パッドに触れる割合も変わる”

AVSの資料は、コンディショナの切削速度はコンディショナの設計とプロセスで決まり、コンディショナ表面のダイヤモンドの大きさ、形、密度2が切削の特性とパッド本来の表面構造を左右するとしています。同じ資料は、パッドとの接触面積を、切削性の低い、中程度、高いコンディショナでそれぞれ11.3%、7.7%、2.2%と見積もっています。

コンディショナとパッドの接触面積
パッドとの接触面積0%4%8%12%切削性 低切削性 中切削性 高11.3%7.7%2.2%
接触面積の見積もりは、切削性の低いコンディショナで11.3%、高いもので2.2%です。切削の特性は、ダイヤの大きさ・形・密度で決まります。

3Mは、銅CMPでの評価として、ブレークイン試験と長時間の連続試験で銅の除去速度と面内不均一性を取り、研磨を通じたパッドとコンディショナの摩耗を3次元のパッド形状測定で追いました。標準のIC1010™パッドでは、最も切削性の高いディスクが最大で最も安定した除去速度を示したとしています5。

実際にパッドへ触れるダイヤの割合を、Diamonexは「ワーキンググリット」と定義しています。同社は、ダイヤの露出をそろえ、基材を平らに保つことでワーキンググリットが最大になるとしています。他社品ではダイヤの高さがばらつくためにパッドへ触れるダイヤの面積が小さくなり、時間とともに切削速度が落ちてディスクの寿命が短くなる6というのが同社の主張です。

ダイヤ砥粒は電着、溶着、化学結合で付け、配置を設計する

Section titled “ダイヤ砥粒は電着、溶着、化学結合で付け、配置を設計する”

旭ダイヤモンド工業のCMPコンディショナは7、ボンドの種類が電着で、用途は研磨パッドのコンディショニングです。同社は、配線の微細化と多層化で平坦化への要求が年々高まるなか、25年以上にわたってコンディショナを供給し、多様化するニーズへ様々な形状・仕様で応じてきたとしています。

ニッタ・デュポンは台湾の KINIK 社と総販売代理店契約を結び、同社製の CMP パッド用ダイヤモンドコンディショナー DiaGrid® と Pyradia® を日本国内で供給しています8。溶着技術とダイヤ配置技術でコンディショニング性能を実現するとし、DiaGrid® シリーズは硬質の発泡ポリウレタンパッドを削り直す用途で優れた性能を示すとしています。同ページは、工程を研磨パッドコンディショナー（ダイヤモンド）、機能を研磨パッドの立ち上げと表面特性の維持の2つとしています。立ち上げと維持は別の作業で、新品パッドのブレークインと定常運転のドレッシングはレシピが別になります。

Diamonexは、コンディショナの設計がパッドのテクスチャを左右し、それがチップ製造の歩留まりと生産性に影響するとしています。同社のコンディショナは、刃先をらせん状や同心円状に並べ、寸法を設計して用途ごとに要るパッドのテクスチャを作るとしています。ダイヤ砥粒を基材へ化学結合させた全面ダイヤモンドの表面は、ダイヤの保持に優れ、すべてのCMPスラリーに対して化学的に不活性なので、腐食や摩耗による砥粒の脱落がないとしています。

パッドの状態は、研磨レートと均一性の2つの数字に出る

Section titled “パッドの状態は、研磨レートと均一性の2つの数字に出る”

ドレッシングは、CMPプロセスでパッド表面を最良の状態へ初期化し、それを保ち続けることです9。研磨レートは研磨量を研磨時間で割った値、均一性は研磨レートの最大と最小の差、あるいは平均自乗誤差を研磨レートで割った値で、パッドの状態はこの2つの数字へ出ます。

圧力の均一化は、平坦な定盤と平滑なパッドによって実現されます。パッドは目詰まりと摩耗で平滑さを失うため、精密研磨ではダイヤモンドドレッサでの平滑化と、周期を決めたパッド洗浄が要ります10。研磨副生物や砥粒が凝集または乾燥して、粗大粒化やパッドの目詰まりを起こす場合もあります。パッドの溝構造はスラリーの排出を促し、温度の均一化にも寄与します。摩擦の側では、定盤の駆動電流値が摩擦エネルギーの目安になるため、プラテントルクの推移がパッド表面の代理指標になります。

荷重、頻度、粒度のどれを動かしても、何かを差し出す

Section titled “荷重、頻度、粒度のどれを動かしても、何かを差し出す”

ドレッシング荷重を上げるとパッド表面の切削量が増え、孔と凹凸の復帰が速くなってレートが安定します。差し出すのはパッドの厚みとスクラッチです。フジミインコーポレーテッドの森永均氏は、粗大な砥粒や異物の混入が局所的な圧力集中を引き起こしてスクラッチや凹凸状欠陥の原因になると述べており、削り取ったパッドくず自体がその異物になります。荷重を下げるとパッド寿命が伸びる代わりに、目詰まりが残ってレートの低下と面内のばらつきを差し出します。

削り直す頻度と方式も1本のつまみです。研磨と同時に行う in-situ では、パッド表面の状態が枚ごとにそろい、SPCで追うレートの揺れが小さくなります。差し出すのはパッドとコンディショナの消耗速度です。一定枚数ごとに行う ex-situ では消耗を抑えられますが、枚数の間でレートが下がる分をレシピで吸収する必要があり、ロット内のばらつきを差し出します。

削り直す方式とレートの推移
除去レート一定枚数ごと（ex-situ）削り直し研磨と同時（in-situ）研磨枚数
一定枚数ごとに削り直すと、レートは枚ごとに下がって削り直しで戻る鋸歯になります。研磨と同時に削り直すと揺れは小さくなり、その代わりパッドとコンディショナを速く消耗します。

ダイヤ砥粒の粒度と配置を粗い側へ替えると、切削力が上がって短時間で表面が復帰します。差し出すのは表面の荒れとスクラッチです。細かくすると欠陥は減りますが、目詰まりの除去に時間がかかり、レートの復帰量を差し出します。旭ダイヤモンド工業とニッタ・デュポンがどちらも形状と配置の設計を強調しているのは、この選択が量産のレシピと直結するためです。

パッドを削って、レートの再現性を買う

Section titled “パッドを削って、レートの再現性を買う”

砥粒の摩耗と脱落が進むとパッドを削る力が落ちるため、コンディショナ自体も寿命管理の対象になります。パッド、スラリー、コンディショナの3つは、どれかを長く使う選択が他の2つの負荷へ移る関係です。

パッドの側にも課題が残っています。ITRS 2013 配線章のJEITA和訳は、今日のウレタンパッドでも幅広い硬度や用途ごとの化学移送などで大幅な進歩が要り、将来のパッド設計は故意的な荒れを取り入れる必要があると述べています11。新しい型のパッドではコンディショニング方法の改善がとくに要り、パッドとスラリーについてより多くの基本的なメカニズム研究が要るとも書いています。固定砥粒パッドの用途は主にSTIへ残っており、使用は減っているとしています。

軟質パッドでは、外周へ圧力が集まる

Section titled “軟質パッドでは、外周へ圧力が集まる”

軟質パッドによる研磨では、パッドの復元力によって加工面の外周へ圧力が集中しやすくなります10。対策にはリテーナリングやテンプレートが用いられます。パッド表面を削り直す操作は、この端部の圧力分布にも影響します。ウェーハ端部のレートが上がればウェハ平坦度の外周が落ち、端部のパーティクルも増えます。コンディショニングのレシピを動かしたときは、面内分布を半径方向で切って外周の傾きを実測します。

この用語に対応する装置と製造メーカー

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関連するデータ・ツール

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よくある質問（FAQ）

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パッドコンディショニングとは何ですか？

CMPの研磨パッドの表面を、ダイヤモンド粒子を植えたディスクで削り直す操作です。パッドの薄い層を取り除いて表面を作り直し、除去速度と面内の均一性を保ちます。

なぜパッドを削り直すのですか？

研磨を続けるとパッド表面が変質するためです。CMPはパッドで覆われた回転テーブルへウェーハを押し当て、その間へスラリーを供給します。この過程でパッドの微細な孔に削りかすとスラリー成分が詰まり、スラリーを保持して運ぶ働きが落ちます。

目詰まりすると何が起きますか？

除去速度が下がり、面内のばらつきが増えます。速度が下がった分だけ研磨時間を延ばすと、ディッシングやエロージョンが進みます。パッドの状態が工程の再現性を左右します。

コンディショニングはいつ行いますか？

ウェーハ1枚ごと、または一定枚数ごとに行う方式と、研磨と同時に行う方式があります。どの方式でも、パッド表面の状態を一定に保つことが目的です。

コンディショナは消耗品ですか？

消耗品です。ダイヤモンド粒子の摩耗と脱落が進むとパッドを削る力が落ちるため、寿命管理の対象になります。パッド、スラリー、コンディショナの3つが、CMPの消耗品として一体で管理されます。

CMP装置のメーカーはどこですか？

当サイトの装置カタログDBでは、CMPに一致する製品familyを持つメーカーを公式製品ページ単位で引けます。Applied Materials、荏原製作所、ACCRETECH（東京精密）、Hwatsingなどが該当します。

ドレッシングという語との違いは何ですか？

ドレッシングは、CMPプロセスでパッド表面を最良の状態へ初期化し、それを保ち続けることです。パッドコンディショニングは、この初期化と維持を担う操作とその装置側の仕組みを指す呼び方で、研磨パッドを「ドレッシング」する工程とも説明されます。

削り直す相手のパッドはどんな物性ですか？

ニッタ・デュポンのIC1000™は、50mil Type A6の代表値で厚み1.17〜1.37mm、圧縮率0.5〜4.0%、硬度Shore-D 52〜62、密度0.77〜0.83g/cm³です。均一な微小発泡がスラリーの保持性を上げ、表面の溝加工でスラリーがウェーハ全面へ配られます。

コンディショナのダイヤモンドはどう付いていますか？

旭ダイヤモンド工業のCMPコンディショナはボンドの種類が電着で、同社は25年以上にわたりコンディショナを供給してきたとしています。ニッタ・デュポンは台湾KINIK社製のDiaGrid®とPyradia®を国内で供給し、溶着技術とダイヤ配置技術で性能を出すとしています。Diamonexは、ダイヤ砥粒を基材へ化学結合させた全面ダイヤモンドの表面を掲げています。

コンディショニングを増やすと何が悪化しますか？

パッドの摩耗が速く進み、ダイヤモンド粒子の摩耗と脱落も進みます。パッドは目詰まりと摩耗で平滑さを失うためダイヤモンドドレッサでの平滑化と周期を決めたパッド洗浄が要り、軟質パッドではパッドの復元力で加工面の外周へ圧力が集中しやすくなります。

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