CN101563188A - 用于化学机械平坦化的修整工具和技术 - Google Patents

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Abstract

用于修整化学机械平坦化(CMP)垫的工具，其包含基材，所述基材的至少一个表面上连接有研磨粒子。该工具可结合多种粒子，且可采用多种结合方式。例如，研磨粒子可结合(例如钎焊接或其他金属结合技术)到一侧，或者结合到前后两侧。或者，研磨粒子结合到前侧，而填料粒子连接到后侧。研磨粒子可形成一定图案(例如六方图案)，其具有的粒径小到在修整过程中足以穿过CMP垫的孔，使得利用修整过的CMP垫抛光的晶片上形成较少的缺陷。颗粒结合到基材上可利用钎焊膜实现，但也可采用其他金属结合剂。此外，对结合材料进行平衡处理(例如在两侧均有钎焊料)可得到低不平整度值。

Description

用于化学机械平坦化的修整工具和技术
相关申请
本申请要求2006年9月22日提交的美国临时申请第60/846416号的权益。此外，本申请与2005年9月16日提交的美国申请第11/229440号有关。这些申请的整体内容均通过参考并入本文。
技术领域
本发明涉及研磨技术，更具体地，涉及在微电子工业领域用于修整诸如CMP垫之类的抛光垫的工具和技术。
背景技术
抛光垫修整器通常用于修整或整修抛光垫，以便抛光各种材料，包括半导体晶片、玻璃、硬盘基片、蓝宝石晶片和窗口以及塑料。这些抛光工艺通常要用到聚合物抛光垫和浆料，所述浆料包含多种松散研磨粒子和其他化学添加剂，用以改进在化学和机械作用下的清除过程。
例如，集成电路(IC)制造工艺需要许多制造步骤，主要包括沉积、蚀刻、成图、清洁和清除过程。IC制造中的一种清除过程是指化学机械抛光或平坦化(CMP)过程。此CMP过程用于在晶片上产生平整(平坦)的表面。一般地，抛光采用聚合物垫，但在此过程中，抛光残余物将抛光垫磨光。因此，为了得到稳定的抛光性能，需要对被磨光的抛光垫表面进行修整。否则，工艺不稳定，晶片表面质量变差，这些通常会导致成本上升。
因此，需要抛光垫修整工具和方法。
发明内容
本发明的一个实施方式是用于修整化学机械平坦化(CMP)垫的工具。该工具包括具有至少两侧(例如前侧和后侧)的支持件和多个研磨粒子，其中所述研磨粒子通过金属结合剂结合到支持件的至少一侧，且至少95％(基于重量)的研磨粒子的粒径小于约85微米。该工具上研磨粒子的浓度大于约4000个研磨粒子/英寸2(620个研磨粒子/厘米2)，粒子间的间距使得基本上没有研磨粒子接触其他研磨粒子(例如，少于5体积％的研磨粒子接触其他研磨粒子)。在一些这样的情况下，研磨粒子浓度大于约10000个研磨粒子/英寸2(1550个研磨粒子/厘米2)。该工具可具有例如小于约0.01英寸，在一些情况下小于约0.002英寸的不平整度。在一种特定情况下，该支持件是不锈钢盘，研磨粒子是金刚石。在一种这样的情况下，金属结合剂是钎焊合金，金刚石通过钎焊合金焊接到支持件的第一侧。在另一种这样的情况下，通过钎焊合金将金刚石焊接到支持件的第一侧和第二侧。在另一种这样的情况下，通过钎焊合金将金刚石仅焊接到支持件的第一侧，而支持件的第二侧有钎焊料(无金刚石)。在一种这样的情况下，将惰性(相对于工具制造工艺)填料粒子焊接到第二侧。根据本说明书，这样的金属结合剂和研磨粒子的许多配置方式都是显而易见的。钎焊合金可以是例如钎焊膜(例如钎焊带或箔)。在一种特定情况下，钎焊合金包括铬含量至少约为2重量％的镍合金。研磨颗粒可以例如按照一种或多种图案形式定位。研磨颗粒的示例性图案和子图案包括SARDTM图案、六方图案、面心立方图案、立方图案、斜方图案、螺旋图案和无规图案。粒子间的间距可以是对所有研磨粒子基本上都相同，但根据本说明书，显然也可以有变化。具体的粒子间距可以通过一定方式实现，例如通过采用具有开孔的研磨剂排位导具(placementguide)，所述开孔具有相应的间距。一个示例性排位导具是钎焊膜(例如箔)，其具有按所需图案排位的多个开孔或穿孔。这种穿孔也可在钎焊过程中用于排出挥发的气态粘合剂，从而减少钎焊膜拱起的现象。在一个示例性情形下，金属结合剂可以是钎焊带或钎焊箔(前体态)，其中钎焊带或钎焊箔具有按一定图案排位的开孔，每个开孔可容纳一个研磨粒子，这样，焙烧之后，研磨颗粒就形成一个颗粒排位图案，其基本上类似于开孔图案。
本发明的另一个实施方式提供了CMP垫修整工具的制造方法。该方法包括提供具有第一侧和第二侧(例如基本上彼此平行的前侧和后侧，但它们不是必须平行)的支持件。该方法还包括用金属结合剂将研磨粒子结合到支持件的第一侧和第二侧中的至少一侧，其中至少95％(基于重量)的研磨粒子独立地具有小于约85微米的粒径。在所制造的工具上，研磨粒子的浓度大于约4000个研磨粒子/英寸2(620个研磨粒子/厘米2)，粒子间的间距使得基本上没有研磨粒子接触其他研磨粒子。在一种这样的情况下，所制造的工具可具有小于约0.002英寸(50.8微米)的不平整度。用金属结合剂将研磨粒子连接到支持件的至少一侧上的步骤，包括例如将研磨粒子电镀、烧结、焊接(solder)或钎焊接(braze)到支持件的至少一侧上。在一种这样的情况中，连接研磨粒子包括用钎焊合金将研磨粒子钎焊接到支持件的至少一侧上。此处，钎焊接包括将钎焊膜连接到支持件的至少一侧上，将研磨粒子定位在钎焊膜的至少一部分上形成生坯部件，然后焙烧该生坯部件(以及随后冷却该部件)，从而利用钎焊合金通过化学作用将研磨粒子连接到支持件上。钎焊膜可以例如选自钎焊带、钎焊箔、带孔钎焊带和带孔钎焊箔。钎焊膜可具有一定厚度，例如在研磨粒子的最小粒径的约1％与约60％之间。定位研磨粒子的步骤可包括例如将研磨粒子施加到至少一部分钎焊膜之中或之上的多个开孔中，其中每个开孔适合接收一个研磨粒子。在一种这样的情况下，开孔形成一定图案或子图案(例如SARDTM图案、六方图案等)。此处，将研磨粒子施加到至少一部分钎焊膜之中或之上的多个开孔中的步骤，可包括例如将一层粘合剂施加到至少一部分钎焊膜上，将包含多个开孔中的至少一部分开孔的排位导具放置在粘合剂层上，然后使研磨粒子与粘合剂经由开孔接触。或者，定位研磨粒子的步骤可包括例如将粘合剂施加到至少一部分钎焊膜上，然后在粘合剂上随机分布研磨粒子。根据本说明书显然可以看到，将研磨粒子连接到支持件的至少一侧上的步骤，可包括用钎焊合金在支持件的第一侧和第二侧都钎焊接研磨粒子。或者，将研磨粒子连接到支持件的至少一侧上的步骤，可包括在支持件的第一侧和第二侧都施加钎焊合金，然后仅在支持件的第一侧借助钎焊合金钎焊接研磨粒子。在一种这样的情况下，该方法还包括用钎焊合金将一种或多种惰性填料粒子钎焊接到支持件的第二侧。
这里所述的特征和优点不是面面俱到的，具体说来，根据附图、说明书和权利要求书，其他许多特征和优点对本领域的技术人员来说将是显而易见的。此外，应当指出，本说明书中所用语言主要是为阅读和指导的目的而选择的，不对本发明的主题范围构成限制。
附图说明
图1是本发明一个实施方式中CMP垫修整工具的截面示意图，所述工具前侧具有单层研磨粒子。
图2是本发明另一个实施方式中CMP垫修整工具的截面示意图，所述工具前侧钎焊接有单层研磨粒子，后侧钎焊接有单层研磨粒子。
图3是本发明另一个实施方式中CMP垫修整工具的截面示意图，所述工具前侧钎焊接有单层研磨粒子，后侧有钎焊合金层。
图4是图1、2或3所示CMP垫修整工具的工作表面中任何一个工作表面的俯视图，根据本发明的一个实施方式，支持件上钎焊接有研磨粒子，所述粒子形成SARDTM图案。
图5是图1、2或3所示CMP垫修整工具的工作表面中任何一个工作表面的俯视图，根据本发明的一个实施方式，支持件上钎焊接有研磨粒子，所述粒子形成六方图案。
图6是本发明一个实施方式中生坯部件的侧面示意图，所述生坯部件由氧化锆支持件支持，在炉子中焙烧，产生双侧钎焊接的抛光垫修整工具。
具体实施方式
本发明披露了抛光垫修整工具和技术，所述工具和技术可用于许多应用，如修整CMP抛光垫。在修整过程中，仅通过修整磨光的垫表面维持工艺稳定性是不够的。修整器决定着垫纹理或形貌的产生，而垫纹理或形貌极大地影响着晶片表面质量。要形成最佳垫纹理，需要对制造修整器的各种参数进行优化，如研磨剂的尺寸、分布、形状、浓度和高度分布。若垫修整工具选择不当，则所得垫纹理可能在抛光工件表面上产生微擦痕，还有可能增加工件上形成的图案上的碟陷或侵蚀。
在描述本发明的各种实施方式并要求其权利时，采用以下术语：
本说明书所用术语“不平整度”是可用来表征抛光垫(如CMP垫)修整工具一侧的量度，一般指在径向上偏离真实平面的程度。在一个示例性情形下，不平整度是指在工具一侧所测最低点与在该侧所测最高点之间的高度差(各点采用相同测量技术)。根据本发明的实施方式制造的CMP垫修整工具的不平整度可以例如在约0.01英寸与低至约0英寸之间的范围内变化。所需不平整度可随应用的不同而变化很大，具体取决于所需性能标准。
本说明书所用术语“工作表面”是指垫整修器的表面，相应地也指支持件在操作过程中朝向或接触CMP垫或其他此类抛光垫的一侧。工作表面上定位研磨粒子。图1和3显示了具有一个工作表面的垫修整器，图2显示了具有两个工作表面的垫修整器(但两个表面不一定都用)。或者，两侧可以均与研磨粒子连接，以改善工作表面的不平整度。
本说明书所用术语研磨粒子的“粒子间距”是指研磨粒子与其最邻近的研磨粒子之间的最小距离，其中“最小距离”是任意两点之间的最小长度，一点位于研磨粒子的表面上，而另一点位于相邻研磨粒子的表面上。
本说明书所用术语“生坯部件”是指在炉子中焙烧之前的部件。
整修工具
图1提供了钎焊接到支持件一侧的金刚石颗粒的示意图，图2提供了钎焊接到支持件全部两侧的金刚石颗粒的示意图。支持件(本文也称作预制件或基材)是抛光垫(例如CMP垫)修整工具的基础部分。工具本身也可称作例如“垫整修器”或“垫修整器”或“修整工具”。在图1和2中，支持件具有两个基本上彼此平行的平整侧面，其中两侧之一可称作前侧，另一侧可称作后侧。本发明的其他实施方式可具有非平行的平整侧面。
支持件可由例如任何材料制成，只要该材料在修整CMP垫的过程中基本上能经受化学和机械条件。制造支持件的示例性材料包括金属、陶瓷和热塑性材料以及它们的混合物。本说明书所用“金属”包括任何类型的金属、金属合金或它们的混合物。适用于形成支持件的示例性金属材料包括钢、铁和不锈钢。在具体实施方式中，支持件由304不锈钢或430不锈钢制造。此外，支持件可包括一个或多个狭槽，所述狭缝沿该支持件一侧或多侧的整个表面延伸。这些狭缝可以例如使浆料更容易进入工具与垫之间(以便除去碎屑)，减小焙烧后的内应力(因形成非邻接的钎焊区域)，以及在钎焊接(或其他热处理)过程中帮助排出挥发的气态粘合剂。这些狭槽可以通过例如用薄砂轮或碳化钨盘开槽来形成。
可以看出，这些示例性实施方式中的研磨粒子是金刚石，但其他合适的研磨粒子同样可以采用。其他示例性研磨粒子包括立方型氮化硼、引晶凝胶(seeded gel)、石英和氧化铝。所用研磨剂类型一般取决于所需用途，可包括任何硬的结晶物质，如根据本说明书所显而易见的那样。多个研磨粒子是指两个或更多个研磨粒子。一般地，研磨粒子可连接到支持件上的最大数目取决于研磨粒子的粒径。粒径越小，可连接到支持件上且彼此不接触的研磨粒子越多。例如，研磨粒子的最大数目可以万计(例如24万)。
研磨粒子的尺寸(“粒径”)可通过例如筛网分析或筛选来确定。例如，粒径为65-75微米的研磨粒子可通过75目筛(美国筛制(U.S.Sieve Series))，但不能通过65目筛(美国筛制)。任何粒径，只要它允许多个研磨粒子钎焊接到支持件一侧而任意两个研磨粒子不会彼此接触，就是合适的，例如粒径在约15微米至约350微米的范围内。在一个实施方式中，所述粒径使单个研磨粒子能穿过待修整的聚合物CMP垫的孔。这样就减少了可聚集在垫孔中的浆料团聚体的量，使抛光晶片(或其他工件)上的严重缺陷减少。
粒径范围一般取决于诸如所用筛选/选择技术和研磨粒子形状(例如圆形颗粒比长形颗粒更易于准确筛选)之类的因素。研磨粒子处于一定粒径范围的百分数(基于重量)也是可以指定的。例如，根据一个实施方式，至少50％(基于重量)的研磨粒子独立地具有小于约85微米的粒径。根据分离所需粒径范围的研磨粒子所用的筛分技术和控制手段，具有特定粒径的研磨粒子的百分数(基于重量)可高达100％。例如，根据另一个特定实施方式，约60％至100％(基于重量)的研磨粒子独立地具有约65微米至约75微米之间的粒径。在另一个特定情况下，约50％至100％的研磨粒子独立地具有约45微米至约85微米之间的粒径。在另一个特定情况下，约50％至100％的研磨粒子独立地具有约15微米至约50微米之间的粒径。根据本发明，利用经适当筛选或以其他方式选择的细粒研磨剂(例如金刚石)的多种研磨剂粒径方案是显而易见的，本发明不受限于任何特定方案。
举例而言，研磨颗粒可以一种或多种图案定位。一种图案可包括一种或多种子图案。每种图案都由实物限定边界，从而限定图案形状。在本发明的各种实施方式中，任何图案形状都是可接受的。在一些实施方式中，调整图案形状，使之类似于支持件侧面形状(例如，若支持件具有圆形侧面，则该图案的形状为圆形)。示例性研磨颗粒图案和子图案包括SARDTM图案、六方图案、面心立方图案、立方图案、斜方图案和螺旋图案。SARDTM图案是指自避研磨颗粒阵列(self-avoiding abrasive grain array)，这种图案的一个例子示于图4。如何实现这种图案的其他细节见述于前面引用的美国专利申请第11/229440号，其题目为“用自避研磨颗粒阵列制造的磨具(Abrasive Tools Made with a Self-AvoidingAbrasive Grain Array)”。六方图案是指物体的这样一种排列，其中没有限定图案边界的每个物体在其周围等距离存在6个物体。六方图案的一个例子示于图5。无规研磨颗粒图案(例如其中颗粒无规则地分布在基材上)也可采用。这种图案包括假无规(pseudo-random)图案和无序或不规则碎片形图案。一个或多个上述子图案和一个或多个无规图案可组合形成混合图案。根据本说明书，许多研磨颗粒图案和子图案的方案都是显而易见的。
对所有研磨粒子，粒子间距可基本上相同(例如，如图5所示示例性六方图案的情况)。作为替代或另增形式，研磨粒子可具有不同的粒子间距(例如，如无规图案的情况)。只要研磨粒子彼此不接触且能得到所需浓度，任何粒子间距都是可接受的。具体的粒子间距可通过例如采用排位箔(或其他合适的导具)来实现，所述排位箔包含具有相应开孔间距的开孔。粒子间距可以例如在约10至480微米之间。在一个这样的具体实施方式中，粒子间距在约10至180微米之间。排位导具实质上起工具的作用，帮助研磨粒子定位到支持件的一个或多个侧面上。它包含多个开孔，每个开孔(在大小和形状上)适合一个研磨粒子恰好穿过或居于其中。在一个示例性实施方式中，所述开孔是圆形的，但也可采用其他合适的形状。排位导具中的开孔如前所述形成一定的图案，使得研磨粒子定位后具有基本上相同的图案和浓度。尽管粒子在焙烧过程中可能有一些移动，但所得颗粒图案还是接近排位导具中的开孔图案。排位导具可以是例如钎焊膜，如钎焊带或钎焊箔。或者，排位导具可以是在钎焊带或箔之外另行增加的，其中导具附着到下面的一层钎焊带或箔上。根据本说明书，多种钎焊膜和导具方案都是显而易见的。
可以利用诸如钎焊接、焊接、烧结和电镀之类的方法将研磨粒子连接(结合或固定)到支持件上。在一个示例性实施方式中，利用电镀将研磨粒子连接到支持件上。可在电镀方法中用来将研磨粒子连接到支持件上的示例性金属包括镍、铬、金、钯、银等。在另一个实施方式中，研磨粒子是钎焊接到支持件上的。在一种这样的情况下，钎焊料包含铬含量至少为约2重量％的镍合金。可用于本发明的一些实施方式的市售镍铬钎焊料的具体例子包括沃尔克默诺伊公司(Wall Colmonoy)的LM、Vitta 1777和鲁科斯公司(Lucas Milhaupt)的HiTemp 820。注意，这种钎焊料也可用来形成钎焊膜。根据本说明书，其他合适的钎焊料(无论是市售的还是定制的)是显而易见的。
在一些这样的实施方式中，钎焊料的形式是钎焊膜，它是钎焊合金膜、片或层，可具有穿孔，可在其一侧或两侧上具有粘合剂。钎焊膜包括钎焊带或钎焊箔。钎焊带可包括例如固定金属合金粉末的有机粘接剂，在其一侧或两侧具有粘合剂背衬，市售产品具有较小的厚度(例如约25微米或以下)。另一方面，钎焊箔可以是无定形的，具有延展性，不含有机粘接剂。钎焊箔的市售产品也具有较小而均匀的厚度(例如，变化幅度约为±2.5微米)。与钎焊糊相比，钎焊带和钎焊箔的优点在于它们可产生稳定的钎焊料容差(钎焊料厚度)。与钎焊糊和钎焊带相比，钎焊箔熔化得更均匀、更快，因而制造CMP整修器时的生产率更高。根据本说明书，多种结合方案都是显而易见的。前面提到的穿孔是指钎焊膜中的多个开孔或空隙。在钎焊接过程中，穿孔可用来排出挥发的气态粘合剂，从而防止钎焊膜拱起，还可用于形成所需的颗粒图案。可回想一下，这种穿孔也可用来帮助形成所需颗粒图案和浓度。穿孔可具有任意形式，包括但不限于圆形、矩形、椭圆形和三角形。穿孔可通过例如激光或光化学机械加工或者其他任意合适的方法制成。
图3提供了钎焊接到支持件一侧的金刚石颗粒的示意图，支持件另一侧仅有一层钎焊料(没有研磨粒子)。前面就图1和图2，以及有关支持件、研磨粒子和结合类型的细节所作的讨论，在此同样适用。分别独立地将相同的结合材料连接到支持件两侧中的每一侧，不管带不带粒子，工具都能获得较小的不平整度值，特别是那些具有薄支持件的工具。在图3所示例子中，钎焊料是结合剂。在另一个实施方式中，研磨粒子连接到支持件一侧，而惰性(相对于工具制造工艺)填料粒子连接到另一侧。惰性填料的例子包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。具体的示例性填料粒子包括氧化锆、氧化铝和氧化硅。这种惰性填料粒子可用来例如使钎焊料-填料组合的热膨胀系数与钎焊料-研磨剂组合的热膨胀系数相匹配，以抑制不平整度。类似地，在热处理过程中，这种惰性填料也可用来防止钎焊料粘接到搁放生坯工具的板或耐火材料上，从而抑制不平整度。此外，如果需要，这种惰性填料也可用来增加耐磨损性，可以起研磨剂的作用。本发明的一个具体实施方式是不平整度小于约0.002英寸的整修工具。其他实施方式甚至可具有更低的不平整度规格(例如小于约0.001英寸)。
在结合或连接到支持件上的研磨粒子中，每个粒子有例如约1％至约60％的表面暴露出来(自钎焊合金或其他结合材料中突起)，而没有暴露的表面基本上全都与结合材料接触。在一个特定的实施方式中，每个研磨粒子有约40％至60％的表面暴露出来，从而形成单层结合颗粒，其具有相对均匀的突起高度分布。突起高度分布的变化取决于这样的因素，如单个颗粒的尺寸和形状，每个颗粒如何设置于结合剂中，以及结合剂的厚度。根据一般经验，钎焊膜在焙烧后的厚度约为其焙烧前厚度(前体状态厚度)的一半。类似的规律也适用于其他金属结合类型。因此，只要知道每个研磨粒子需要暴露多少表面以及研磨粒子的平均尺寸是多少，就能选择合适的钎焊膜厚度。例如，若知道较圆的研磨粒子的平均粒径约为100微米，且所需暴露率约为60％，则可采用焙烧前厚度约为80微米的钎焊膜。焙烧后，该钎焊膜的厚度将变为约40微米，因而每个粒子留有约60微米暴露出来(在此例子中约占60％的颗粒表面)。对粒径处于一定范围的情况，此种计算可通过例如考虑该给定范围内粒径最小的颗粒来完成。
因此，本发明的一个详细示例性实施方式是这样一种CMP垫修整工具，其包括具有前侧和后侧的不锈钢盘；钎焊合金；以及多粒金刚石。通过钎焊合金将金刚石钎焊接到不锈钢盘的前后两侧，至少约95％(基于重量)的金刚石具有小于约85微米的粒径。或者，不锈钢盘后侧只有钎焊合金(即没有金刚石)。或者，不锈钢盘后侧具有钎焊合金和惰性填料粒子(但同样没有金刚石)。该工具的另一个特征是其不平整度约为0.002英寸或以下。在一个具体的这种实施方式中，至少约95％(基于重量)的金刚石独立地具有约65微米至约85微米之间的粒径。这些研磨粒子多数(超过50重量％)约为75微米或以下。研磨粒子形成图案(例如六方或SARDTM图案，或者它们的组合)。根据本说明书显而易见，细研磨粒子的图案决定了每个粒子的排位情况以及研磨粒子的总浓度。结果得到垫修整器，它能产生有利于提高晶片表面质量的垫形貌。
制造技术
本发明的另一个实施方式包括制造CMP垫修整工具的方法。
在一个这样的实施方式中，该方法包括以下步骤：提供包含前侧和后侧的支持件，其中前侧和后侧基本上彼此平行；以及将研磨粒子连接到支持件的至少一侧，其中至少约50％(基于重量)的研磨粒子独立地具有小于约85微米的粒径。在一种具体情况下，如前面所讨论的，该工具制成后的不平整度小于约0.002英寸，甚至小于约0.001英寸。支持件可以是例如不锈钢盘，研磨粒子可以是金刚石(或其他合适的研磨粒子，或这种粒子的组合)。文中就工具的各种实施方式的细节所作的讨论，包括研磨剂的类型、尺寸，以及研磨剂基于粒径的重量百分数，在此同样适用。
在一种特定情况下，将研磨粒子连接到支持件上的步骤包括用钎焊合金将研磨粒子钎焊接到支持件的至少一侧上。在此，钎焊接研磨粒子的步骤可包括例如：将钎焊膜结合到支持件的至少一侧上，在施加有钎焊材料的每一侧上形成钎焊料层；将研磨粒子定位在每个钎焊料层上，形成生坯部件；以及焙烧生坯部件，熔化所有钎焊料层，然后冷却生坯部件，由此借助钎焊合金，通过化学作用将研磨粒子结合到支持件上。钎焊膜可以是例如钎焊带、钎焊箔、带孔钎焊带或带孔钎焊箔，如前面所讨论的。在一种这样的具体情况下，钎焊膜是钎焊箔，支持件是不锈钢盘，研磨粒子是金刚石，至少约50％(基于重量)的金刚石独立地具有约65微米至约75微米之间的粒径。将研磨粒子定位在每个钎焊料层上的步骤包括例如：将粘合剂施加到所有的钎焊料层上；将具有多个开孔的排位箔定位在每个粘合剂层上；以及使研磨粒子通过开孔接触粘合剂。在一种这样的情况下，开孔形成图案(例如SARDTM图案、面心立方图案、立方图案、六方图案、斜方图案、螺旋图案、无规图案和这些图案的组合)。如前面所解释的，一个图案可包含多个子图案。可进一步回想，如前面所讨论的，开孔图案可整合到钎焊膜中。
可进一步回想，研磨粒子和钎焊料可各自被施加到支持件的一侧或两侧。在一种示例性情况下，结合钎焊膜的步骤包括将钎焊膜结合到支持件两侧，而定位步骤包括将研磨粒子定位在两侧(例如前侧和后侧)，由此形成生坯部件。或者，结合钎焊膜的步骤包括将钎焊膜结合到支持件两侧，而定位步骤包括将研磨粒子仅定位在一侧(例如前侧)，由此形成生坯部件。此处，定位步骤还可包括将惰性填料粒子定位在另一侧(例如后侧)，由此形成生坯部件。如前面所讨论的，将钎焊膜(或其他合适的钎焊料形式)结合到支持件两侧(不管两侧是否有研磨剂)是一种得到低不平整度值(例如小于0.001英寸)的技术，特别是对于较薄的支持件。利用惰性填料粒子也可获得类似的好处。即便如此，结合钎焊膜的步骤也可以包括将钎焊膜仅结合到支持件一侧(例如前侧)，而定位步骤包括将研磨粒子定位在该侧，由此形成生坯部件。在这种一侧型实施方式中，相比于对结合材料和粒子采取平衡方案的实施方式，不平整度值可能较高。
现在结合下面的实施例描述本发明的各种具体实施方式：
实施例1
将FEPA D76200/230目金刚石(来源：第六元素有限公司(Element Six Ltd))亚筛到-85微米+65微米。利用下面所示筛网(美国筛制)筛分3.6183克金刚石。根据是否穿过给定目数的筛网，得到以下金刚石分布：
筛网        克          ％
未穿过116   0           0
未穿过85    0.1042      2.88
未穿过75    1.2697      35.09
未穿过65    2.1359      59.03
穿过65      0.1085      3.00
穿过49      0           0
            3.6183      100.00
因此，占总重量35.09％的经过筛分的金刚石穿过85目筛网，而占总重量59.03％的经过筛分的金刚石留在65目筛网上。将其他金刚石全部抛弃。因此，在留下的金刚石中，37.97重量％具有小于85微米而大于75微米的粒径，62.03重量％具有小于75微米而大于65微米的粒径。根据本发明的各种实施方式，将这些金刚石用于制造CMP垫修整工具。
实施例2
根据以下步骤制备CMP垫修整工具，其一侧含有金刚石作为研磨粒子：
1)通过超声脱脂、干喷沙和溶剂擦拭对直径为4”、厚0.250”的304不锈钢预制件进行清洁，使其能够接受钎焊接；
2)用手将0.003”厚的Vitta 4777钎焊带(美国康涅狄格州贝塞尔市维塔公司(Vitta Corporation，Bethel，CT))施加到准备好的表面上，利用丙烯酸辊进行流平处理；
3)将K4-2-4粘合剂(美国康涅狄格州贝塞尔市维塔公司)刷涂到钎焊带的暴露表面上，使其具有粘性(然后将该部件静置限定的时间(例如约15分钟)，使其具有合适的粘度)；
4)设计厚0.002”、具有六方阵列开孔(直径为0.004”至0.005”)的箔(来源：美国马萨诸塞州普利茅斯市特克埃驰公司(TechEtch，Plymouth，MA))，以便对一粒粒的研磨剂精确排位，然后将箔安置在合适的刚性框架内，形成箔网；
5)利用丝网印刷设备使加框箔网与粘性表面接触；
6)将研磨粒子置于加框箔顶部，将研磨剂推入设计的孔中(每个孔只有一个研磨剂)，用软毛尖油漆刷清除未进入孔中的多余研磨粒子(研磨粒子是FEPAD76金刚石研磨粒子，如实施例1所述，它们已被亚筛到-85微米+65微米)；
7)将加框箔提起来，在粘性钎焊料表面上留下按受控图案排布的研磨粒子；
8)在1020℃的真空炉(＜1毫米汞柱)中焙烧生坯部件20分钟；以及
9)熔化钎焊料，冷却之后，它通过化学作用将金刚石结合到不锈钢预制件上。
最终得到的是研磨产品，其中一个单层的精确定位的非邻接研磨粒子借助预定厚度的钎焊料结合到钢预制件上。此实施方式的变化形式包括研磨粒子钎焊接到预制件两侧的实施方式，研磨粒子钎焊接到一侧而另一侧仅钎焊接有钎焊料的另一实施方式，以及研磨粒子钎焊接到一侧而另一侧钎焊接有惰性填料粒子(例如氧化锆)的又一实施方式。
实施例3
将BNi2(美国焊接联合会(American Welders Association)命名)钎焊带(美国康涅狄格州贝塞尔市维塔公司)施加到直径为4英寸的CMP整修器预制件上(304不锈钢)，利用辊清除任何气泡。带厚为0.007±0.0001英寸。将Vitta粘合剂(美国康涅狄格州贝塞尔市维塔公司)施涂到带表面上，使其具有粘性，然后利用六方镂花模板将金刚石(FEPA 100/120目，亚筛到-155微米+139微米)放置到粘性钎焊料表面。经涂覆的预制件在75℃烘箱中干燥过夜，然后在1020℃的真空炉(＜1毫米汞柱)中焙烧20分钟。在炉中焙烧后，得到不平整度小于约0.002英寸的CMP整修器。应当理解，该实施例产品也可用实施例1中的金刚石制得。
实施例4
在不锈钢容器中拌混2181克Nicrobraze LM钎焊料粉末(美国迈阿密州麦迪逊海兹市沃尔克默诺伊公司(Wall Colmonoy Corporation，Madison Heights，MI))(＜44微米)、510克短效液体粘接剂Vitta钎焊胶(美国康涅狄格州贝塞尔市维塔公司)和90克三丙二醇，直到形成均匀糊料，由此制备钎焊糊。用刮刀将糊料施涂到直径为4英寸的CMP整修器预制件上(304不锈钢)，钎焊料容差为0.008英寸。经涂覆的预制件在空气中干燥，然后在1020℃的真空炉(＜1毫米汞柱)中焙烧20分钟。在炉中焙烧得到的部件冷却后，由包含致密的无孔固化钎焊料涂层的预制件组成。将Vitta粘合剂(美国康涅狄格州贝塞尔市维塔公司)施涂到致密化钎焊料表面，使其具有粘性，然后利用六方镂花模板将金刚石(100/120目)放置到粘性表面。然后在开始所用的相同条件下再次焙烧部件。钎焊料再次熔化，冷却后，将金刚石结合到预制件上。在炉中第二次焙烧后，与通过利用六方镂花模板将金刚石施加到生坯钎焊料粘性表面上制得的对应整修器相比，该整修器没有区别。应当理解，该实施例产品也可用实施例1中的金刚石制得。
实施例5
找到一种不受镍-铬钎焊料浸润的陶瓷材料如氧化锆之后，就有可能将钎焊料与金刚石(FEPA 100/120目，亚筛到-155微米+139微米)一起施加到不锈钢背底(back)两侧，并在炉中焙烧。特别地，可以得到两个厚0.0625”的430不锈钢预制件。将钎焊料施加到第一预制件的一侧和第二预制件的两侧。按所需图案放置金刚石。在1020℃的炉子中焙烧两块生坯部件。所得仅一侧有钎焊料的工具严重扭曲。特别地，该工具凹陷，其中心比边缘低0.068英寸。相反，双侧有钎焊料的工具的不平整度约为0.008英寸，与单侧有钎焊料的部件相比有很大下降。
实施例6
对多种SARDTM整修器进行现场评价。受评价的整修器示于表1。可以看到，SARDTM整修器与基准整修器作了比较。该基准整修器是电镀镍的产品。金刚石和填料均结合到镀镍基材上。众所周知，电镀工艺可以利用填料有效控制金刚石浓度，使其不会占满表面(也就是说，由于填料占据空间，所以金刚石不会附着到整个预制件表面)。虽然基准整修器包含约70微米的金刚石，但粒度范围很宽，有些金刚石的尺寸超过100微米。此外，金刚石是以非受控方式放置到基材上的，因而得到的结果不理想，如粒子堆积(例如一粒金刚石镀在另一粒金刚石顶部，或者一个填料粒子镀在一粒金刚石顶部)和/或粒子接触过多(例如，超过5体积％的研磨粒子接触其他研磨粒子)。这种不受控的粒子间距对垫修整应用来说是有问题的，因为两个尺寸虽小但相互接触的粒子加在一起的作用效果相当于一个大粒子，其性质与其周围的粒子很不一样(例如切割更深、更宽)，导致垫纹理不适宜。
表1
  整修器   说明   相对金刚石浓度(％)
  基准   标准   100(共约86000粒金刚石和填料，以非受控方式放置)(约28963粒金刚石/英寸2)
  SGA-05-067   单侧钎焊接金刚石，SARDTM图案(FEPA 100/120目，亚筛到-155微米+139微米，4粒金刚石/毫米2)   10(共约8600粒金刚石)(约2896粒金刚石/英寸2)
  SGA-05-184   单侧钎焊接金刚石，无规图案(FEPA D76200/230目，亚筛到-85微米+65微米)   77(共约66220粒金刚石)(约22301粒金刚石/英寸2)
  SGA-05-187   单侧钎焊接金刚石，SARDTM图案(FEPA 120/140目，亚筛到-139微米+107微米)   16(共约13760粒金刚石)(约4634粒金刚石/英寸2)
SARDTM整修器SGA-05-067的研磨颗粒浓度约比基准低约90％。SARDTM整修器SGA-05-184和187用于确定金刚石浓度对晶片缺陷率的影响，其中SGA-05-184采用实施例1中的金刚石。SGA-05-184的浓度最接近于基准的粒子浓度，但没有产生基准那样的粒子接触粒子和堆积的问题。根据本说明书，其他粒子浓度将是显而易见的，如整修器具有4000至25000个研磨粒子/英寸2(例如13000粒金刚石/英寸2)或更高。表2所示测试结果表明，当有选择地放置金刚石时(如根据本发明的一个实施方式，按照SARDTM或六方图案放置)，金刚石浓度增大，则缺陷率可显著降低，尤其是对于0.3微米及更大的粒子。可以通过例如小尺寸金刚石获得高金刚石浓度。注意，MRR代表材料清除速率，WIWNU代表晶片内非均匀性(Within-Wafer-Nonuniformity)，对于所测整修器，它们都分别相对近似。
表2
  整修器   相对MRR   相对WIWNU   相对粒子计数(@0.3微米)
  基准   1.0   1.0   1.0
  SGA-05-067   1.1   1.0   1.6
  SGA-05-184   1.1   0.8   0.9
  SGA-05-187   1.1   1.2   0.9
基于这些测试结果，根据本发明实施方式设计了各种整修器。特别地，由于填充效率更高，六方阵列(如前面参照图5所讨论的一个六方阵列)比SARDTM阵列产生更多的切割点/单位面积。因此，为了使金刚石浓度最大，设计了具有两种金刚石排列方式的整修器。第一种是正六方阵列，用70微米金刚石(来自实施例1)可产生约47000个切割点。第二种是基于六方阵列的SARDTM排列，其颗粒中心点随机排布。
实施例7
对用于CMOS(互补金属氧化物半导体)氧化物/钨CMP工艺的CMP修整器进行了测试。测试结果示于下表3和4。SGA-05-68SARDTM修整器(SGA旧)的颗粒浓度约为3005粒金刚石/英寸2，它具有更多的缺陷，即便其性能因清除速率更高和均匀性更好而优于基准整修器(具有约28963粒金刚石/英寸2)。
从表3和4可以看出，氧化物和钨整修器上的金刚石尺寸更小，因而每平方英寸上的金刚石浓度更高，它比基准整修器具有更高的清除速率、更好的均匀性和差不多的缺陷，因而性能更优。表4中所示基准II整修器是通过CVD涂覆了金刚石的整修器，其具有低浓度的约50微米的金刚石(低于2000粒金刚石/英寸2)。
表3
Figure A20078003994100211
表4
Figure A20078003994100212
因此，根据本发明的一个实施方式，一个含有较高浓度(例如高于4000个研磨粒子/英寸2)的精细研磨粒子且研磨粒子具有最小粒子间距(例如没有研磨粒子接触其他研磨粒子)的CMP整修器在修整CMP垫时具有所需性能。在一种具体情况下，所具有的粒子间距使得少于2体积％的研磨粒子接触其他研磨粒子；在另一种具体情况下，少于1％的研磨粒子接触其他研磨粒子。根据特定应用的要求，可允许接触颗粒的体积百分数较高(例如5体积％至10体积％)。
实施例8
根据以下程序制备整修器SG-05-265(部件的几何参数：2”直径x 0.150”厚度；基材：430不锈钢；金刚石如实施例1所述)：
1)充分清洁部件，保证电镀表面不含污染物或氧化物，以免抑制电镀镍的良好附着性；
2)然后用胶带、阻液件或非导电固体屏蔽件对部件有选择地进行掩蔽，以便仅在所需区域进行镀覆；
3)对整修器进行适当的电接触；
4)将部件水平地浸入镍镀液，有时辅以专门制成的篮子；
5)放入充足的金刚石，使之与待镀金刚石的表面直接接触(金刚石通过重力正常定位)；
6)镍金属在跟表面接触的第一层金刚石周围聚集，稍微将它们卡到基材上；
7)将没有充分卡紧的金刚石从工具上清除，将所有余下的金刚石从镀槽中取出；
8)将部件放回镀液，使金属进一步包覆金刚石。
让金属结合剂聚集到超过金刚石中纬线或中点的所需高度，通过机械力将金刚石充分锁定在钢体上。
前面对本发明的实施方式的描述是出于说明和介绍的目的，它不是面面俱到的，也不是为了将本发明精确限定在所披露的形式上。根据本说明书，可以作出许多改进和变化。本发明的范围不受该详细描述的限制，而是只受所附权利要求的限制。

Claims (45)

1.一种用于修整化学机械平坦化(CMP)垫的工具，其包括：
具有第一侧和第二侧的支持件；以及
多个研磨粒子，其通过金属结合剂连接到支持件第一侧和第二侧中的至少一侧上，且至少95重量％的研磨粒子独立地具有小于约85微米的粒径；
其中，该工具上研磨粒子的浓度大于约4000个研磨粒子/英寸2(620个研磨粒子/厘米2)，粒子间的间距使得基本上没有研磨粒子接触其他研磨粒子。
2.如权利要求1所述的工具，其特征在于，至少50重量％的研磨粒子独立地具有约45微米至85微米之间的粒径。
3.如权利要求1所述的工具，其特征在于，至少50重量％的研磨粒子独立地具有约15微米至约50微米之间的粒径。
4.如权利要求1所述的工具，其特征在于，至少约60重量％的研磨粒子独立地具有约65微米至约75微米之间的粒径。
5.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述第一侧和第二侧基本上彼此平行。
6.如权利要求1所述的工具，其特征在于，粒子间的间距使得少于5体积％的研磨粒子接触其他研磨粒子。
7.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子是采取电镀、烧结、焊接或钎焊接中的一种方式连接到支持件上的。
8.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子通过钎焊合金钎焊接到支持件上，所述钎焊合金包含铬含量至少约为2重量％的镍合金。
9.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子通过钎焊合金钎焊接到支持件上，且任意一个研磨粒子暴露出约1％至约60％的表面，而所有未暴露的表面基本上都与钎焊合金接触。
10.如权利要求1所述的工具，其特征在于，基本上所有的研磨粒子独立地具有约10微米至约480微米之间的粒子间距。
11.如权利要求10所述的工具，其特征在于，粒子间的间距在约10微米至约180微米之间。
12.如权利要求1所述的工具，其进一步的特征在于，所述工具具有小于约0.002英寸(50.8微米)的不平整度。
13.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子的浓度大于约10000个研磨粒子/英寸2(1550个研磨粒子/厘米2)。
14.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子包含选自金刚石、立方氮化硼、引晶凝胶和氧化铝中的至少一种，且支持件的形状选自圆盘形、立方形、类立方形、条形和椭圆盘形。
15.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子形成图案，所述图案包括SARDTM图案、面心立方图案、立方图案、六方图案、斜方图案、螺旋图案和无规图案中的至少一种子图案。
16.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子连接到支持件的第一侧和第二侧。
17.如权利要求1所述的工具，其特征在于，研磨粒子通过金属结合剂连接到支持件第一侧，而支持件第二侧具有金属结合剂但没有研磨粒子。
18.如权利要求17所述的工具，其特征在于，多个惰性填料粒子通过金属结合剂连接到支持件第二侧。
19.如权利要求17所述的工具，其特征在于，所述金属结合剂是钎焊合金。
20.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述金属结合剂具有钎焊带或钎焊箔的前体状态。
21.如权利要求20所述的工具，其特征在于，钎焊带或钎焊箔具有按一定图案排布的开孔，每个开孔中容纳一个研磨粒子，因而在焙烧之后，研磨粒子形成基本上类似于开孔图案的颗粒图案。
22.如权利要求21所述的工具，其特征在于，颗粒图案包括SARDTM图案、面心立方图案、立方图案、六方图案、斜方图案、螺旋图案和无规图案中的至少一种子图案。
23.一种用于修整化学机械平坦化(CMP)垫的工具，其包括：
具有第一侧和第二侧的金属基材；
钎焊合金；以及
通过钎焊合金钎焊接到金属基材第一侧和第二侧中的至少一侧上的多粒金刚石，且至少95重量％的金刚石具有小于约85微米的粒径；
其中，该工具上研磨粒子的浓度大于约4000个研磨粒子/英寸2(620个研磨粒子/厘米2)，粒子间的间距使得少于5体积％的研磨粒子接触其他研磨粒子。
24.如权利要求23所述的工具，其特征在于，所述钎焊合金包含铬含量至少约为2重量％的镍合金。
25.如权利要求23所述的工具，其特征在于，金刚石钎焊接到金属盘第一侧和第二侧。
26.如权利要求23所述的工具，其特征在于，金刚石通过钎焊合金钎焊接到金属盘第一侧，而金属盘第二侧具有钎焊合金但没有金刚石。
27.如权利要求26所述的工具，其特征在于，多个惰性填料粒子通过钎焊合金钎焊接到金属盘第二侧。
28.如权利要求23所述的工具，其特征在于，所述钎焊合金具有钎焊带或钎焊箔的前体状态。
29.如权利要求28所述的工具，其特征在于，所述钎焊带或钎焊箔具有按一定图案排布的开孔，每个开孔中容纳一个研磨粒子，因而在焙烧之后，研磨粒子形成基本上类似于开孔图案的颗粒图案，其中颗粒图案包括SARDTM图案、面心立方图案、立方图案、六方图案、斜方图案、螺旋图案和无规图案中的至少一种子图案。
30.如权利要求23所述的工具，其特征在于，粒子间的间距使得少于2体积％的研磨粒子接触其他研磨粒子。
31.如权利要求23所述的工具，其特征在于，支持件包含金属材料、陶瓷材料和热塑性材料中的至少一种。
32.如权利要求23所述的工具，其特征在于，支持件包含不锈钢。
33.如权利要求23所述的工具，其特征在于，该工具具有小于约0.001英寸(25.4微米)的不平整度。
34.一种制造化学机械平坦化(CMP)垫修整工具的方法，其包括以下步骤：
提供具有第一侧和第二侧的支持件；以及
用金属结合剂将研磨粒子连接到支持件第一侧和第二侧中的至少一侧，且至少95重量％的研磨粒子独立地具有小于约85微米的粒径；
其中在所制造的工具上，研磨粒子的浓度大于约4000个研磨粒子/英寸2(620个研磨粒子/厘米2)，粒子间的间距使得基本上没有研磨粒子接触其他研磨粒子。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，用金属结合剂将研磨粒子连接到支持件的至少一侧的步骤包括采用电镀、烧结或钎焊接中的一种方式将研磨粒子连接到支持件的至少一侧。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，用金属结合剂将研磨粒子连接到支持件的至少一侧的步骤包括用钎焊合金将研磨粒子钎焊接到支持件的至少一侧，所述钎焊接包括：
将钎焊膜结合到支持件的至少一侧；
将研磨粒子定位到钎焊膜的至少一部分上，形成生坯部件；
焙烧生坯部件，然后将其冷却，从而利用钎焊合金通过化学作用将研磨粒子结合到支持件上；
其中钎焊膜选自钎焊带、钎焊箔、带孔钎焊带和带孔钎焊箔中的至少一种。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，定位研磨粒子的步骤包括：
将研磨粒子施加到至少一部分钎焊膜当中或之上的多个开孔中，其中每个开孔适合接收一个研磨粒子；
其中开孔形成所需颗粒图案，在钎焊接过程中可用于排气。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，将研磨粒子施加到至少一部分钎焊膜当中或之上的多个开孔中的步骤包括：
在至少一部分钎焊膜上施涂一层粘合剂；
将包含多个开孔中的至少一部分的排位导具定位在粘合剂层上；以及
使研磨粒子通过开孔与粘合剂接触。
39.如权利要求36所述的方法，其特征在于，定位研磨粒子的步骤包括：
在至少一部分钎焊膜上施涂粘合剂；以及
将研磨粒子无规则地分布到粘合剂上。
40.如权利要求34所述的方法，其特征在于，将研磨粒子连接到支持件至少一侧的步骤包括用钎焊合金在支持件的第一侧和第二侧都钎焊接研磨粒子。
41.如权利要求34所述的方法，其特征在于，将研磨粒子连接到支持件至少一侧的步骤包括：
在支持件的第一侧和第二侧都施加钎焊合金；以及
仅在支持件第一侧用钎焊合金钎焊接研磨粒子。
42.如权利要求41所述的方法，其还包括：
用钎焊合金在支持件的第一侧钎焊接一个或多个惰性填料粒子。
43.如权利要求34所述的方法，其特征在于，用金属结合剂将研磨粒子连接到支持件至少一侧的步骤包括：
将研磨粒子施加到支持件至少一侧上的多个开孔中，其中每个开孔适合接收一个研磨粒子；
其中开孔形成所需颗粒图案。
44.如权利要求34所述的方法，其特征在于，粒子间的间距使得少于2体积％的研磨粒子接触其他研磨粒子。
45.如权利要求34所述的方法，其特征在于，该工具具有小于约0.001英寸(25.4微米)的不平整度。
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