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TWI530361B - 化學機械研磨修整器及其製法 - Google Patents

化學機械研磨修整器及其製法 Download PDF

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Publication number
TWI530361B
TWI530361B TW101141305A TW101141305A TWI530361B TW I530361 B TWI530361 B TW I530361B TW 101141305 A TW101141305 A TW 101141305A TW 101141305 A TW101141305 A TW 101141305A TW I530361 B TWI530361 B TW I530361B
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TW
Taiwan
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chemical mechanical
mechanical polishing
abrasive particles
bonding layer
planar substrate
Prior art date
Application number
TW101141305A
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English (en)
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TW201417949A (zh
Inventor
王嘉群
張凱翔
鄭忠義
廖文仁
Original Assignee
中國砂輪企業股份有限公司
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Publication date
Application filed by 中國砂輪企業股份有限公司 filed Critical 中國砂輪企業股份有限公司
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Priority to US14/063,230 priority patent/US9180572B2/en
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Application granted granted Critical
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B53/00—Devices or means for dressing or conditioning abrasive surfaces
    • B24B53/017—Devices or means for dressing, cleaning or otherwise conditioning lapping tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D18/00—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for
    • B24D18/0009—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for using moulds or presses

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Grinding-Machine Dressing And Accessory Apparatuses (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)

Description

化學機械研磨修整器及其製法
本發明係關於一種化學機械研磨修整器，尤指一種可提供基板變形補償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利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硬化方式使研磨層固定結合於基板表面，惟在研磨層之硬化過程中，由於研磨層及基板間之熱膨脹係數差異，常會伴隨著基板表面發生變形的問題，因此破 壞修整器表面之研磨顆粒平坦度，進而影響修整器之研磨效率及使用壽命。
已知技術中，化學機械研磨修整器常藉由兩種方式控制其表面平坦度，其中一種方式就是將研磨顆粒及結合層設置於基板表面，接著利用剛硬平板對研磨顆粒向下擠壓，使研磨顆粒埋設固定於研磨層內，並使研磨顆粒表面可形成與剛硬平板相同之平坦度；另一種方式就是將研磨顆粒先置入一模具凹槽內，接著將結合層及基板覆蓋於研磨顆粒之非工作面並進行加熱硬化，最後再利用翻轉方式將硬化成型之化學機械研磨修整器自模具凹槽內分離取出；然而，前述兩種化學機械研磨修整器之製備方式，在結合層加熱硬化的過程中，由於結合層之熱膨脹係數及基板之熱膨脹係數間之差異，將會使化學機械研磨修整器之基板在硬化後發生變形，因此，造成化學機械研磨修整器之表面也會隨之變形，並破壞修整器表面之研磨顆粒平坦度。
因此，目前急需發展出一種具有表面平坦化之化學機械研磨修整器，其除了可以解決化學機械研磨修整器之基板(或稱為”台金”)在硬化成型過程中所產生之表面變形問題，更可控制化學機械研磨修整器的表面平坦程度。
本發明之主要目的係在提供一種化學機械研磨修整器，俾能有效的解決化學機械研磨修整器之基板在硬化成型過 程中所產生之表面變形問題，以達到化學機械研磨修整器之表面平坦化。
為達成上述目的，本發明之化學機械研磨修整器，包括：一平面基板，具有一平坦表面；一結合層，設置於該平面基板之表面；以及複數個研磨顆粒，其埋設於該結合層表面，並藉由該結合層使其固定於該平面基板之表面；其中，該些研磨顆粒之尖端具有一平坦化之高度。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該平面基板可藉由一非平面基板在結合層硬化期間之變形補償而形成；其中，該非平面基板之表面具有一中心處表面及一外緣處表面，且在該中心處表面及該外緣處表面形成一工作面。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該工作面可為一非平面外型，其中，該非平面外型可為一球面外型或一非球面外型。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為該非平面基板厚度之1%至5%；在本發明之一較佳態樣中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為該非平面基板厚度之2%。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為5微米至500微米；在本發明之一較佳態樣中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為120微米。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該平面基板之材質可為不銹鋼、模具鋼、金屬合金、或陶瓷材料等；在本 發明之一較佳態樣中，該平面基板之材質可為316型不銹鋼，其熱膨脹係數約為16ppm/℃。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該平面基板之厚度可為3毫米至50毫米，該平面基板之直徑可為10毫米至120毫米；在本發明之一較佳態樣中，該平面基板之厚度可為6毫米，該平面基板之直徑可為100毫米。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該結合層可為一焊料層、一樹脂層、一電鍍層、或一陶瓷層；在本發明之一較佳態樣中，該結合層可為一焊料層，該焊料層可少一選自由鐵、鈷、鎳、鉻、錳、矽、鋁、及其組合所組成之群組，且其熱膨脹係數約為14~15ppm/℃。
在本發明之化學機械研磨修整器中，該些研磨顆粒可為鑽石或立方氮化硼；在本發明之一較佳態樣中，該些研磨顆粒可為鑽石。此外，在本發明之化學機械研磨修整器中，該些研磨顆粒之粒徑可為60微米至450微米；在本發明之一較佳態樣中，該些研磨顆粒之粒徑可為200微米。
本發明之另一目的係在提供一種化學機械研磨修整器之製備方法，以製得上述之化學機械研磨修整器，並有效的解決化學機械研磨修整器之基板在硬化成型過程中所產生之表面變形問題，以達到化學機械研磨修整器之表面平坦化。
為達成上述目的，本發明之化學機械研磨修整器之製備方法，其步驟包括：(A)提供一非平面基板；(B)提供一結合層，其設置於該非平面基板之表面；(C)提供複數 個研磨顆粒，其埋設於該結合層表面；以及(D)加熱硬化該結合層，使該非平面基板在結合層硬化期間進行變形補償而形成一平面基板，且該些研磨顆粒藉由該結合層以固定於該平面基板之表面；其中，於步驟(D)後，該些研磨顆粒之尖端係具有一平坦化之高度。
在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，該非平面基板之表面具有一中心處表面及一外緣處表面，且在該中心處表面及該外緣處表面形成一工作面。
在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，該工作面可為一非平面外型，其中，該非平面外型可為一球面外型或一非球面外型。
在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為該非平面基板厚度之1%至5%；在本發明之一較佳態樣中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為該非平面基板厚度之2%。
在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為5微米至500微米；在本發明之一較佳態樣中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差可為120微米。
在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，該結合層之加熱硬化方式可為硬焊法、加熱硬化法、紫外光照射硬化法、電鍍法、或燒結法；在本發明之一較佳態樣中，該結合層可利用硬焊法進行加熱硬化。
在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，該些研磨顆粒可為鑽石或立方氮化硼；在本發明之一較佳態樣中，該些研磨顆粒可為鑽石。此外，在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，該些研磨顆粒之粒徑可為60微米至450微米；在本發明之一較佳態樣中，該些研磨顆粒之粒徑可為200微米。
在本發明之化學機械研磨修整器之製備方法中，於前述步驟(C)中，該些研磨顆粒可藉由一模板使其埋設於該結合層表面；或該些研磨顆粒可藉由一下壓板使其埋設於該結合層表面；或該些研磨顆可藉由一暫時模具使其埋設於該結合層表面。
綜上所述，根據本發明之化學機械研磨修整器及其製法，可有效改善化學機械研磨修整器之基板在加熱硬化過程中所造成之熱變形問題，並提升化學機械研磨修整器之表面平坦度，進而增加修整器之研磨效率及使用壽命。
以下係藉由特定的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。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
比較例1
請參考圖1A至圖1D，其係為一習知化學機械研磨修整器之製作流程圖。
首先，如圖1A及圖1B所示，於一基板10之工作面上形成一結合層11，該基板10係具有平面外型之表面，並利用研磨顆粒13藉由一模板12控制其間距及排列方式，同時提供一剛硬平板14對研磨顆粒13向下擠壓。
接著，如圖1C所示，研磨顆粒13經由剛硬平板14向下擠壓後，使研磨顆粒13埋設固定於研磨層11內，並使研磨顆粒13表面可形成與剛硬平板14相同之平坦度。
最後，如圖1D所示，藉由一加熱硬化過程，使研磨顆粒13藉由該研磨層11而固定於基板10表面，但由於結合層11之熱膨脹係數及基板10之熱膨脹係數間之差異，將會使化學機械研磨修整器之基板10在硬化後發生變形，因此，造成基板10表面之結合層11及研磨顆粒13也隨之變形，並破壞修整器表面之研磨顆粒13平坦度，其中，中心處研磨顆粒131具有較高之尖端高度，外緣處研磨顆粒132具有較低之尖端高度，在中心處研磨顆粒131及外緣處研磨顆粒132之間形成一高度差H1。
在比較例1中，結合層11係為一般常用之鎳基金屬焊料，而基板10為不銹鋼材質。
比較例2
請參考圖2A至圖2E，其係為另一習知化學機械研磨修整器之製作流程圖。
首先，如圖2A及圖2B所示，提供一模具25，其中，模具25具有凹槽結構，並在模具25內之設置一接合劑27，接著，提供一研磨顆粒23及結合層21，並將該研磨顆粒23及結合層21固定於一軟基材26上，之後，將軟基材26設置於模具25內之接合劑27表面，並使研磨顆粒23藉由接合劑27而貼附於模具25內之凹槽表面，並使研磨顆粒23可形成與模具25內之凹槽表面相同之平坦度。
接著，如圖2C所示，提供一黏著層28及基板20，將該黏著層28及基板20貼附於該軟基材26上方，使該軟基材26表面之研磨顆粒23及結合層21可藉由該黏著層28而結合至基板20，其中，該基板20係具有平面外型之表面。
接著，如圖2D所示，藉由一加熱硬化過程，使研磨顆粒23藉由該結合層21、軟基材26及黏著層28而固定於基板20，但由於結合層21之熱膨脹係數及基板20之熱膨脹係數間之差異，將會使化學機械研磨修整器之基板20在硬化後發生變形，因此，造成基板20表面之結合層21及研磨顆粒23也隨之變形，並破壞修整器表面之研磨顆粒23平坦度，其中，中心處研磨顆粒231及外緣處研磨顆粒232具有不同之尖端高度。
最後，如圖2E所示，將前述硬化後之化學機械研磨修整器自模具25凹槽內取出，基板20表面之結合層21及研磨顆粒23已發生變形，並破壞修整器表面之研磨顆粒23平坦度，其中，中心處研磨顆粒231具有較高之尖端高度，外緣 處研磨顆粒232具有較低之尖端高度，在中心處研磨顆粒231及外緣處研磨顆粒232之間形成一高度差H2。
在比較例2中，結合層21係為一般常用之鎳基金屬焊料，基板20為不銹鋼材質，結合劑27為蠟，軟基材26為金屬薄片。
比較例3
請參考圖3A至圖3C’，其係為另一習知化學機械研磨修整器之製作流程圖。比較例3與前述比較例1所述之製作流程大致相同，除了比較例1或比較例2係選用一平面外型之基板表面之外，而比較例3係選用一非平面外型之基板表面。
首先，如圖3A所示，提供一基板30，該基板具有一非平面外型之表面，其中，在中心處表面301及外緣處表面302之間形成一工作面303，該工作面303係具有一線性表面，且其基板高度由中心處表面301朝向外緣處表面302逐漸增加；此外，中心處表面301具有較低之基板高度，外緣處表面302具有較高之基板高度，在中心處表面301及外緣處表面302之間形成一高度差H3。
接著，如圖3B所示，於基板30之工作面303上設置結合層31及研磨顆粒33，其中，該結合層31及研磨顆粒33之設置方式可視需要而搭配比較例1或比較例2揭露之方式以控制該研磨顆粒33之排列方式或表面平坦化。
接著，如圖3C所示，藉由一加熱硬化過程，使研磨顆粒33藉由該研磨層31而固定於基板30表面，但由於結合層 31之熱膨脹係數及基板30之熱膨脹係數間之差異，將會使化學機械研磨修整器之基板30在硬化後發生變形，因此，造成基板30表面之結合層31及研磨顆粒33也隨之變形，並破壞修整器表面之研磨顆粒33平坦度。
在比較例3中，結合層31係為一般常用之鎳基金屬焊料，基板30為不銹鋼材質。其中，由於在比較例3所選用基板30之熱膨脹係數高於結合層31之熱膨脹係數，因此，基板30之工作面303在加熱硬化後將會呈現一向上突出之曲面，其中，中心處研磨顆粒331及外緣處研磨顆粒332具有較低之尖端高度，中間區域研磨顆粒333具有較高之尖端高度。
另外，如圖3C’所示，在比較例3之另一實施態樣中，若所選用基板30之熱膨脹係數低於結合層31之熱膨脹係數，由於結合層31之熱膨脹係數及基板30之熱膨脹係數間之差異，將會使化學機械研磨修整器之基板30在硬化後發生變形，因此，造成基板30表面之結合層31及研磨顆粒33’也隨之變形，並破壞修整器表面之研磨顆粒33’平坦度，其中，基板30之工作面303’在加熱硬化後將會呈現一向下變形之曲面，其中，中心處研磨顆粒331’及外緣處研磨顆粒332’具有較高之尖端高度，中間區域研磨顆粒333’具有較低之尖端高度。
實施例
請參考圖4A至圖4C，其係為本發明化學機械研磨修整器之製作流程圖。本實施例與前述比較例3所述之製作流程 大致相同，除了比較例3之基板係選用具有一線性表面之工作面之外，本實施例係選用一非平面外型之工作面。
首先，如圖4A所示，提供一基板40，該基板具有一非平面外型之表面，其中，在中心處表面401及外緣處表面402之間形成一工作面403，該工作面403係具有一非平面外型之表面，該非平面外型之表面可包括一球面外型或一非球面外型之表面，在本實施例中，該工作面403為一非球面之曲面外型；此外，中心處表面401具有較低之基板高度，外緣處表面402表面具有較高之基板高度，在中心處表面401及外緣處表面402之間形成一高度差H4。在本實施例中，該基板40為316型不銹鋼，其熱膨脹係數約為16ppm/℃，該基板40之直徑為100毫米，該基板40之厚度為6毫米，在中心處表面401及外緣處表面402表面之間形成之高度差H4為120微米，也就是說，在中心處表面401及外緣處表面402之間形成之高度差H4係為基板40厚度之2%。
接著，如圖4B所示，於基板40之工作面403上設置結合層41及研磨顆粒43，其中，該結合層41及研磨顆粒43之設置方式可視需要而搭配比較例1或比較例2揭露之方式以控制該研磨顆粒43之排列方式或表面平坦化；在本實施例中，研磨顆粒43為鑽石，其粒徑為200微米。
接著，如圖4C所示，藉由一加熱硬化過程，使研磨顆粒43藉由該研磨層41而固定於基板40表面，但由於結合層41之熱膨脹係數及基板40之熱膨脹係數間之差異，將會使化學機械研磨修整器之基板40在硬化後發生變形，並造成 基板40表面之結合層41及研磨顆粒43也隨之變形；然，在此實施例中，結合層41係為由鎳、鉻、矽、硼所組成之焊料，其熱膨脹係數約為14~15ppm/℃，由於實施例中所選用基板40之熱膨脹係數高於結合層41之熱膨脹係數，因此，基板40之工作面403在加熱硬化後將會產生一向上突出之變形曲面；再一併參考圖4A，然而，由於本實施例所選用基板40之工作面403具有一非球面之曲面外型，該工作面403已在加熱硬化前進行向下凹陷之表面外型修整，因此，在基板40在加熱硬化後將會對工作面403之凹陷表面進行變形補償，最後，使加熱硬化後之基板40及研磨顆粒43之表面呈現平坦化，其中，工作面403上所有研磨顆粒43(包括，中心處研磨顆粒431及外緣處研磨顆粒432)均具有相同之尖端高度。
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。
10,20,30,40‧‧‧基板
11,21,31,31',41‧‧‧結合層
12‧‧‧模板
13,23,33,33',43‧‧‧研磨顆粒
131,231,331,331',431‧‧‧中心處研磨顆粒
132,232,332,332',432‧‧‧外緣處研磨顆粒
14‧‧‧剛硬平板
25‧‧‧模具
26‧‧‧軟基材
27‧‧‧接合劑
28‧‧‧黏著層
301,401‧‧‧中心處表面
302,402‧‧‧外緣處表面
303,303',403‧‧‧工作面
333,333'‧‧‧中間區域研磨顆粒
H1,H2,H3,H4‧‧‧高度差
圖1A至圖1D係為習知化學機械研磨修整器之製作流程圖。
圖2A至圖2E係為另一習知化學機械研磨修整器之製作流程圖。
圖3A至圖3C’係為另一習知化學機械研磨修整器之製作流程圖。
圖4A至圖4C係為本發明化學機械研磨修整器之製作流程圖。
40‧‧‧基板
403‧‧‧工作面
41‧‧‧結合層
43‧‧‧研磨顆粒
431‧‧‧中心處研磨顆粒
432‧‧‧外緣處研磨顆粒

Claims (19)

  1. 一種化學機械研磨修整器，包括：一平面基板，係具有一平坦表面；一結合層，係設置於該平面基板之表面；以及複數個研磨顆粒，係埋設於該結合層表面，並藉由該結合層使其固定於該平面基板之表面；其中，該些研磨顆粒之尖端係具有一平坦化之高度；該平面基板係藉由一非平面基板在結合層硬化期間之變形補償而形成；該非平面基板之表面係具有一中心處表面及一外緣處表面，且在該中心處表面及該外緣處表面間形成一工作面；該工作面係為一非平面外型；以及該非平面外型係為一球面外型或一非球面外型。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差係為該非平面基板厚度之1%至5%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差係為5微米至500微米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該平面基板之材質係為不銹鋼。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該平面基板之厚度係為3毫米至50毫米。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該平面基板之直徑係為10毫米至120毫米。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該結合層係為一焊料層、一樹脂層、一電鍍層、或一陶瓷層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之化學機械研磨修整器，其中，該焊料層係至少一選自由鐵、鈷、鎳、鉻、錳、矽、鋁、及其組合所組成之群組。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該些研磨顆粒係為鑽石或立方氮化硼。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該些研磨顆粒之粒徑係為60微米至450微米。
  11. 一種化學機械研磨修整器之製備方法，包括：(A)提供一非平面基板；(B)提供一結合層，係設置於該非平面基板之表面；(C)提供複數個研磨顆粒，係埋設於該結合層表面；以及(D)加熱硬化該結合層，使該非平面基板在結合層硬化期間進行變形補償而形成一平面基板，且該些研磨顆粒藉由該結合層以固定於該平面基板之表面；其中，於步驟(D)後，該些研磨顆粒之尖端係具有一平坦化之高度； 該非平面基板之表面係具有一該中心處表面及一外緣處表面，且在該中心處表面及該外緣處表面間形成一工作面；該工作面係為一非平面外型；以及該非平面外型係為一球面外型或一非球面外型。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差係為該非平面基板厚度之1%至5%。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，該中心處表面及該外緣處表面之高度差係為5微米至500微米。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，該結合層之加熱硬化方式係為硬焊法、加熱硬化法、紫外光照射硬化法、電鍍法、或燒結法。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，該些研磨顆粒係為鑽石或立方氮化硼。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，該些研磨顆粒之粒徑係為60微米至450微米。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，於步驟(C)中，該些研磨顆粒係藉由一模板使其埋設於該結合層表面。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，於步驟(C)中，該些研磨顆粒係藉由一下壓板使其埋設於該結合層表面。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中，於步驟(C)中，該些研磨顆粒係藉由一暫時模具使其埋設於該結合層表面。
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