TWI580523B - 具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器 - Google Patents

Description

具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器

本發明係關於一種具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，尤指一種具有最佳切削能力之化學機械研磨修整器。

化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing,CMP)係為各種產業中常見之研磨製程。利用化學研磨製程可研磨各種物品的表面，包括陶瓷、矽、玻璃、石英、或金屬的晶片等。此外，隨著積體電路發展迅速，因化學機械研磨可達到大面積平坦化之目的，故為半導體製程中常見的晶圓平坦化技術之一。

在半導體之化學機械研磨過程中，係利用研磨墊(Pad)對晶圓(或其它半導體元件)接觸，並視需要搭配使用研磨液，使研磨墊透過化學反應與物理機械力以移除晶圓表面之雜質或不平坦結構；當研磨墊使用一定時間後，由於研磨過程所產生的研磨屑積滯於研磨墊之表面而造成研磨 效果及效率降低，因此，可利用修整器(conditioner)對研磨墊表面磨修，使研磨墊之表面再度粗糙化，並維持在最佳的研磨狀態。然而，在修整器之製備過程中，需要將研磨顆粒及結合層混合形成之研磨層設置於基板表面，並經由硬焊或燒結等方式使研磨層固定結合於基板表面。惟在上述修整器之製作過程中，化學機械研磨修整器的露出率與其切削能力具有重要的關聯，因此，研磨顆粒的露出率大則結合層對研磨顆粒的包覆效果較差，且研磨顆粒與結合層的結合性差，因而，在研磨過程中容易造成研磨顆粒脫落；相反地，研磨顆粒露出率小則結合層對研磨顆粒的包覆性過大，因此，研磨顆粒對研磨墊的切削能力變差，因而造成研磨效果變差。

已知技術中，如中國大陸申請專利第101320708號，係為製造半導體積體電路裝置時的CMP步驟中所用的研磨墊的價格相對較高，所以需要避免多餘的更換。因此，重點在於準確地測出該墊的磨耗量。但是，在利用光來進行的通常的測量中，漿料的存在會成為障礙，而利用接觸型感測器來測量時，污染物的溶析會造成問題。CMP步驟中，在修整器操作過程中，通過測量修整器的高度位置而可以間接地檢測出研磨墊的磨耗量或厚度，由此，可以實現研磨墊更換時期的合理化。

此外，如中華民國專利公開號第200936316號，係提供一種修整方法，其係修整用於研磨基板之研磨裝置的研磨墊。本方法包括沿著研磨墊的徑向在研磨墊的上表面重複移動修整器，以便實施研磨墊的修整過程；在修整過程中， 於研磨面上之多個區域當中之一的預定點處，測量研磨墊的上表面高度，並且重複實施修整器的重複移動以及對於研磨墊之上表面高度的量測，以測量所有區域內之研磨墊之上表面的高度。

然而，上述檢測裝置皆是利用量測修整器的高度位置，以間接地檢測出研磨墊的磨耗量或厚度，或者，在研磨墊的上表面重複移動修整器以量測研磨墊的上表面高度，但仍無法有效穩定化學機械研磨修整器之研磨顆粒的露出率，因此無法提供一平坦的表面及穩定的研磨品質。因此，目前急需發展出一種具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，由於研磨顆粒的露出率與化學機械研磨修整器的切削能力具有重要關係，因此，本發明可控制研磨顆粒之露出率以形成平坦表面之化學機械研磨修整器，進而提高研磨顆粒對拋光墊的切削能力。

本發明之主要目的係在提供一種具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，該化學機械研磨修整器具有研磨顆粒之露出率一致的平坦表面，因而提高化學機械研磨修整器的切削能力，以提供穩定的研磨品質。

為達成上述目的，本發明提供一種具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，包括：一基板；一結合層，該結合層設置於該基板上；以及複數個研磨顆粒，該些研磨顆粒埋設於該結合層，且該些研磨顆粒藉由該結合層以固定 於該基板上；其中，每一研磨顆粒可具有一磨料露出率，該磨料露出率可為該些研磨顆粒之粒徑的1/4至3/4，且該磨料露出率可經由一高度量測裝置而測得；例如，研磨顆粒的粒徑為300微米時，最佳磨料露出率為75~225微米。此外，若該磨料露出率大於該些研磨顆粒之粒徑的3/4時，將造成結合層對於該些研磨顆粒的包覆較差，進而使修整器在研磨過程中容易產生掉鑽的問題；另一方面，若該磨料露出率小於該些研磨顆粒之粒徑的1/4時，將造成結合層對於該些研磨顆粒的包覆過多，進而使該些研磨顆粒對工件(例如，拋光墊)的切削能力變差，造成研磨性能變差。

於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該磨料露出率可指該些研磨顆粒尖端及該結合層表面之距離。由於化學機械研磨修整器上的每一研磨顆粒之間的間距極小，因此，於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該高度量測裝置可含有一高度規及一光學顯微鏡，其中，該高度規更包含一高度規測針(例如，碳化鎢尖頭)，且該高度規可用以量測一特定位置之高度，該特定位置為該些研磨顆粒尖端或該結合層表面。再者，於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該光學顯微鏡可用以判斷該高度規所量測之相對位置，即，該光學顯微鏡可用以判斷該高度規所量測的位置為該些研磨顆粒尖端或該結合層表面，並由每一研磨顆粒尖端之高度及研磨層表面之高度計算出該些研磨顆粒尖端及該結合層表面之距離，進而計算出該磨料露出率。

於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該高度量測裝置的取樣數量可依據使用者需求或所需修整器之品質而任意變化，其中，該高度量測裝置可量測5個至500個該些研磨顆粒，以取得被量測的該些研磨顆粒之該磨料露出率；在本發明之一態樣中，該高度量測裝置可量測20個該些研磨顆粒。此外，於前述本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，被量測的該些研磨顆粒之該磨料露出率差異可小於該些研磨顆粒之粒徑的1/10，使該些研磨顆粒具有一致的尖端高度及平坦化表面，進而提升化學機械研磨修整器的研磨性能及減少研磨刮痕的產生；於本發明的一態樣中，被量測的該些研磨顆粒之該磨料露出率差異可小於該些研磨顆粒之粒徑的1/20。於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，較佳為每一研磨顆粒具有固定相同的露出率，以提供穩定的研磨品質。例如，於本發明之一態樣中，該高度量測裝置量測20個粒徑為300微米之研磨顆粒，以取得20個研磨顆粒之磨料露出率，該些研磨顆粒的磨料露出率差異在30微米之內，即該磨料露出率(即，200微米)為該些研磨顆粒率(即，300微米)之粒徑的2/3，且該些研磨顆粒之該磨料露出率差異小於該些研磨顆粒(即，300微米)之粒徑的1/10，也就是說該些研磨顆粒的磨料露出率為185微米至215微米之範圍；於本發明之另一態樣中，使用與前述相同的量測數目及相同粒徑之研磨顆粒，該些研磨顆粒的磨料露出率差異在15微米之內，即該磨料露出率(即，200微米)為該些研磨顆粒(即，300微米)之粒徑的2/3， 且該些研磨顆粒之該磨料露出率差異小於該些研磨顆粒(即，300微米)之粒徑的1/20，也就是說該些研磨顆粒的磨料露出率為192.5微米至207.5微米之範圍。

於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該些研磨顆粒可為人造鑽石、天然鑽石、多晶鑽石、或立方氮化硼；在本發明之一較佳態樣中，該些研磨顆粒為人造鑽石。另一方面，於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該些研磨顆粒之粒徑可為30微米至600微米；於本發明之一態樣中，該些研磨顆粒之粒徑為300微米。

於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該結合層之組成分可依據研磨加工的條件及使用者需求而任意變化，該結合層之組成可為陶瓷材料、硬焊材料、電鍍材料、金屬材料、或高分子材料，本發明並未侷限於此。在本發明之一態樣中，該結合層之組成可為一焊料材料，該焊料材料可至少一選自由鐵、鈷、鎳、鉻、錳、矽、鋁、及其組合所組成之群組。於本發明之另一態樣中，該結合層之組成可為一高分子材料，該高分子材料可為環氧樹脂、聚酯樹脂、聚丙烯酸樹脂、或酚醛樹脂。此外，於本發明之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器中，該基板之材質及尺寸可依據研磨加工的條件及使用者需求而任意變化，其中，該基板之材質可為不鏽鋼、模具鋼、金屬合金、或陶瓷材料、高分子材料或其組合，本發明並未侷限於此。在本發明之一較佳態樣中，該基板之材質可為不鏽鋼基板。

1,2,3,4‧‧‧化學機械研磨修整器

10,30,40‧‧‧基板

11,21,31,41‧‧‧結合層

12,121,122,22,32,42‧‧‧研磨顆粒

23‧‧‧高度規

24‧‧‧光學顯微鏡

25‧‧‧顯示裝置

圖1係本發明實施例1之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器之示意圖。

圖2係本發明之高度量測裝置之立體圖。

圖3係本發明實施例2之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器之示意圖。

圖4係本發明實施例3之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器之示意圖。

以下係藉由具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。此外，本發明亦可藉由其他不同具體實施例加以施行或應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

實施例1

請參照圖1，係本發明具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器之示意圖。如圖1所示，首先提供一不鏽鋼材質之基板10；一鎳基金屬焊料之結合層11，及複數個研磨顆粒12，接著，藉由加熱硬焊的方式，使該些研磨顆粒12埋設固定於該結合層11，且該些研磨顆粒12藉由該結合層11以固定於該基板10上以形成化學機械研磨修整器1；其中， 該些研磨顆粒12為粒徑300微米之人造鑽石顆粒，且該些研磨顆粒12的設置方式可以為一般習知的佈鑽技術(例如，模板佈鑽)，並可藉由模板(圖未顯示)控制該些研磨顆粒12的間距及排列方式，以及該些研磨顆粒12均為尖端向上以形成一尖端研磨面之方向性，或者依據使用者需求或加工條件而任意變化，該些研磨顆粒12具有相同或不同的尖端方向性；其中，每一研磨顆粒12係具有一磨料露出率，該磨料露出率定義為該些研磨顆粒12尖端及該結合層11表面之距離，適用於本發明具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器之該磨料露出率為該些研磨顆粒12之粒徑的1/4至3/4，使該些研磨顆粒同時兼具較佳包覆性及較佳研磨性能，於實施例1中，該些研磨顆粒12為粒徑300微米之人造鑽石顆粒，因此，該磨料露出率係為75微米至225微米之範圍之間；而後，請參照圖2，係本發明之高度量測裝置之立體圖，經由一高度規23及一光學顯微鏡24量測20個研磨顆粒22尖端及結合層21表面，量測時先量測研磨顆粒22尖端再量測結合層21表面(藉由該光學顯微鏡24以判斷該高度規23所量測之相對位置)，兩者的高度差為該磨料露出率，以取得被量測的該些研磨顆粒22之該磨料露出率，請參照圖1及圖2，該些研磨顆粒12之該磨料露出率係為D1、D2、D3、D4、D5、D6至D20(圖未顯示)，其中，D1係藉由光學顯微鏡24並搭配高度規23而獲得，首先，使用該高度規23量測化學機械研磨修整器2表面之高度，並搭配使用該光學顯微鏡24以判斷該量測位置為該些研磨顆粒22尖端或該結合層21表面，或者，使用該 光學顯微鏡24定位D1所對應的該研磨顆粒12之尖端，接著使用該高度規23量測該研磨顆粒12之尖端高度，接著，再使用該光學顯微鏡24定位結合層21表面，隨之使用該高度規23量測該結合層21表面之高度，再將所獲得的兩個高度相減以獲得D1值，以此類推可獲得D2、D3、D4、D5、D6至D20值；最後，再將該些研磨顆粒22所量測的該磨料露出率結果顯示於顯示裝置25上，以判定該些研磨顆粒22可提供作為具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器2。

請參照圖1及圖2，本發明實施例1中，該些研磨顆粒12的粒徑為300微米，該磨料露出率為該些研磨顆粒之粒徑的1/4至3/4，因此，最佳磨料露出率為75至225微米，請參照圖1，若該研磨顆粒121的磨料露出率大於225微米時，結合層11對該研磨顆粒121的包覆性較差，使該研磨顆粒121結合性變差，造成研磨顆粒121在研磨過程中容易掉落；若研磨顆粒122的磨料露出率小於75微米時，該結合層11對研磨顆粒122的包覆過多，使研磨顆粒122對拋光墊的切削能力變差，因而造成研磨性能變差。

實施例2

實施例2與前述實施例1所述之最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器大致相同，其不同之處在於，實施例1為該磨料露出率為該些研磨顆粒之粒徑的1/4至3/4，而實施例2為該磨料露出率為該些研磨顆粒之粒徑的2/3，且該些研磨顆粒之該磨料露出率差異小於該些研磨顆粒之粒徑的 1/10。如圖3所示，在本發明實施例2之該些研磨顆粒為粒徑300微米之人造鑽石顆粒，該磨料露出率差異係小於30微米，且該些研磨顆粒的最佳磨料露出率為185微米至215微米之範圍，例如，請參照圖3，D1、D2、D3、D4、D5、D6至D20(圖未顯示)值較佳為185微米至215微米，此外，D1至D20值彼此間之該磨料露出率差異係小於30微米。當該磨料露出率差異小於30微米時，化學機械研磨修整器3的表面越趨近於一平坦表面，以提供研磨顆粒32對拋光墊(圖未顯示)的切削能力，使得該些研磨顆粒32對拋光墊的研磨效果更穩定。相反地，若該磨料露出率差異大於30微米時，在研磨加工時，研磨都集中在少數該磨料露出率較大的研磨顆粒上，使得修整器的研磨性能變差且減短修整器的使用壽命。

實施例3

實施例3與前述實施例2所述之最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器大致相同，其不同之處在於，實施例2為該些研磨顆粒之該磨料露出率差異小於該些研磨顆粒之粒徑的1/10，而實施例3為該些研磨顆粒之該磨料露出率差異小於該些研磨顆粒之粒徑的1/20。如圖4所示，該些研磨顆粒42所量測的露出率差異小於該些研磨顆粒42之粒徑的1/20，因此，該磨料露出率差異係小於15微米，且該些研磨顆粒42的最佳磨料露出率為192.5微米至207.5微米之範圍，因而可獲得更趨於平坦的化學機械研磨修整器4，更能 提高研磨顆粒42對拋光墊的切削能力，以穩定化學機械研磨修整器4的研磨性能及品質。

由上述的結果可知，當該磨料露出率為該些研磨顆粒之粒徑的1/4至3/4時，結合層對研磨顆粒包覆性較佳，避免研磨顆粒產生脫落及切削能力變差的問題；此外，該磨料露出率差異越小時，可獲得研磨顆粒露出率一致的平坦表面，因此，該些研磨顆粒對拋光墊具有良好的切削能力，以穩定化學機械研磨修整器在研磨過程中的研磨性能及品質。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧化學機械研磨修整器

10‧‧‧基板

11‧‧‧結合層

12,121,122‧‧‧研磨顆粒

Claims (12)

1. 一種具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，包括：一基板；一結合層，該結合層係設置於該基板上；以及複數個研磨顆粒，該些研磨顆粒係埋設於該結合層，且該些研磨顆粒藉由該結合層以固定於該基板上；其中，每一研磨顆粒係具有一磨料露出率，該磨料露出率係為該些研磨顆粒之粒徑的1/4至3/4，且該磨料露出率係經由一高度量測裝置而測得；該高度量測裝置係含有一高度規及一光學顯微鏡；該高度規係用以量測一特定位置之高度，該特定位置為該些研磨顆粒尖端或該結合層表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該磨料露出率係指該些研磨顆粒尖端及該結合層表面之距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該光學顯微鏡係用以判斷該高度規所量測之相對位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該高度量測裝置係量測5個至500個該些研磨顆粒，以取得被量測的該些研磨顆粒之該磨料露出率。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，被量測的該些研磨顆粒之該磨料露出率差異係小於該些研磨顆粒之粒徑的1/10。
6. 如申請專利範圍第4項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，被量測的該些研磨顆粒之該磨料露出率差異係小於該些研磨顆粒之粒徑的1/20。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該些研磨顆粒係為人造鑽石、天然鑽石、多晶鑽石、或立方氮化硼。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該些研磨顆粒之粒徑係為30微米至600微米。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該結合層之組成係為陶瓷材料、硬焊材料、電鍍材料、金屬材料、或高分子材料。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該硬焊材料係至少一選自由鐵、鈷、鎳、鉻、錳、矽、鋁、及其組合所組成之群組。
11. 如申請專利範圍第9項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該高分子材料係為環氧樹脂、聚酯樹脂、聚丙烯酸樹脂、或酚醛樹脂。
12. 如申請專利範圍第1項所述之具有最佳磨料露出率之化學機械研磨修整器，其中，該基板係為不鏽鋼基板、模具鋼基板、金屬合金基板、陶瓷基板、高分子基板或其組合。