CN106493639A - 一种抛光垫修整器的制造方法和制造设备 - Google Patents

一种抛光垫修整器的制造方法和制造设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开本发明涉及一种抛光垫修整器的制造方法和制造设备，该制造方法包括以下步骤：(1)将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭；(2)将陶瓷锭顶部研磨形成具有等高尖角的正四棱锥阵列；(3)将磨好的陶瓷锭尖端表面涂覆金刚石膜，即得到抛光垫修整器。该制造设备包括等静压烧结装置、数控平面磨床和涂膜装置，所述数控平面磨床采用V型砂轮，所述数控平面磨床设置有用于修整V型砂轮的在线自动修整机构。本发明通过研磨组织均匀致密的陶瓷锭，形成稳定的具有等高尖角的三维结构化表面，可有效解决因模具直接压制的三维结构化表面尖部组织松散的问题，避免在使用中导致尖部容易破裂而使晶圆刮伤。

Description

一种抛光垫修整器的制造方法和制造设备
技术领域
本发明涉及一种抛光垫修整器的制造方法和制造设备。
背景技术
晶圆制造过程中，化学机械抛光(CMP)是关键制程之一，CMP越平坦，能制造的线宽越细。随晶圆线宽的需求越来越细，对CMP的要求也越高。晶圆CMP工艺是利用多孔抛光垫及抛光液(内含研磨粒子)来抛光晶圆，抛光垫的孔洞有助于抛光液的流动，使晶圆抛光得更平坦，但抛光过程中的异物(抛光液中的研磨粒子、晶圆粒子)会逐步填满抛光垫孔洞，使抛光效能降低，因此抛光过程中需同时使用修整器对抛光垫修整以去除孔洞内的异物。
过去修整器是由矩阵排列的金刚石通过电镀法(electroplating)或钎焊法(brazing)方式固定于一圆平板上，利用金刚石凸出的尖角来修整抛光垫，但此类工艺有许多缺陷，比如(1)电镀法对金刚石把持力较弱，金刚石容易脱落造成晶圆刮伤；(2)钎焊法虽对金刚石把持力明显较高，但因制作过程中产生的高温会破坏金刚石强度，使用时金刚石容易破裂，掉落的金刚石碎片亦会造成晶圆刮伤；(3)金刚石颗粒大小及形状有别，造成每颗金刚石凸出量不一致(高低差可达40μm)，使得只有约20％的金刚石能有效参与修整抛光垫，且个别修整器也存在一定程度的不稳定。
近期有种以陶瓷材料制成的修整器，将陶瓷粉末通过模具压制烧结成具三维结构化表面的圆锭，此结构化表面具有大量等凸出高的尖角，大幅改善过去尖角高度不一致的问题，但仍存在一些缺陷，如因尖角部分属于高深宽比的结构特征，在模具压制烧结工艺中因粉末与模具间存在磨擦力，压力无法传递至尖部，进而使尖部组织松散，在使用中导致尖部容易破裂，使晶圆刮伤。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种抛光垫修整器的制造方法和制造设备，该制造方法以研磨工艺为主，以制造出等高尖角的三维结构化表面，同时提升尖部组织强度，解决现有修整器的陶瓷尖部组织松散的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案一是：一种抛光垫修整器的制造方法，包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭；
(2)将陶瓷锭顶部研磨形成具有等高尖角的正四棱锥阵列；
(3)将磨好的陶瓷锭尖端表面涂覆金刚石膜，即得到抛光垫修整器。
在进一步优选的技术方案中，步骤(2)中的研磨的方法包括以下步骤：
(2.1)使用V型砂轮对陶瓷锭顶部的表面进行第一方向研磨，形成多条第一方向V型沟槽；其中，任意相邻的两条第一方向V型沟槽的相邻斜面相交于陶瓷锭顶部的表面之下，形成等高的尖顶；
(2.2)使用V型砂轮对陶瓷锭顶部的表面进行垂直于第一方向的第二方向研磨，形成多条第二方向V型沟槽；其中，任意相邻的两条第二方向V型沟槽的相邻斜面相交于尖顶，形成等高的尖角；垂直交错的第一方向V型沟槽和第二方向V型沟槽将陶瓷锭顶部分隔形成具有等高尖角的正四棱锥阵列。
在进一步优选的技术方案中，步骤(2.1)和步骤(2.2)中的V型砂轮研磨时的槽宽大于槽距，设槽宽为W、研磨深度为D、槽距为P、砂轮夹角为θ，因且W＞P，则
在进一步优选的技术方案中，步骤(2.1)和步骤(2.2)中的V型砂轮在研磨时自动加深加工量，以补偿V型砂轮在研磨中磨损导致的尺寸变化，保证尖角等高。
在进一步优选的技术方案中，步骤(1)中的陶瓷粉为氮化硅粉、碳化硅粉或碳化钨粉。
在进一步优选的技术方案中，步骤(3)中的金刚石膜的厚度为3-20微米。
在进一步优选的技术方案中，步骤(3)用化学气相沉积法涂覆金刚石膜。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案二是：一种抛光垫修整器的制造设备，包括：
一等静压烧结装置，用于将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭；
一数控平面磨床，用于将陶瓷锭顶部研磨形成具有等高尖角的正四棱锥阵列；以及
一涂膜装置，用于将磨好的陶瓷锭尖端表面涂覆金刚石膜；
其中，所述数控平面磨床采用V型砂轮对陶瓷锭进行研磨，所述数控平面磨床设置有用于修整V型砂轮的在线自动修整机构。
在进一步优选的技术方案中，所述在线自动修整机构包括一修整座和两个金刚石磨块，两个金刚石磨块对称固定在修整座的上部，两个金刚石磨块的工作面分别设置有一金刚石磨料层，两个金刚石磨料层之间形成V型夹角。
在进一步优选的技术方案中，所述数控平面磨床的工作台上设置有电磁吸盘，所述修整座安装在电磁吸盘的后部，所述电磁吸盘的上方吸附有用于固定放置陶瓷锭的磁性平板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该制造方法通过研磨组织均匀致密的陶瓷锭，形成稳定的具有等高尖角的三维结构化表面，可有效解决因模具直接压制的三维结构化表面尖部组织松散的问题，避免在使用中导致尖部容易破裂而使晶圆刮伤。通过该制造设备可以得到具有等高尖角的正四棱锥阵列表面的抛光垫修整器，该抛光垫修整器提升了尖部组织强度，解决了现有修整器的陶瓷尖部组织松散的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的抛光垫修整器的制造方法的原理框图。
图2为V型砂轮对陶瓷锭不同研磨深度的对比示意图一。
图3为V型砂轮对陶瓷锭不同研磨深度的对比示意图二。
图4为V型砂轮对陶瓷锭不同研磨深度的对比示意图三。
图5为抛光垫修整器的表面结构图。
图6为本发明实施例的抛光垫修整器的制造设备的结构示意图。
图7为电磁吸盘的俯视图。
图8为在线自动修整机构的俯视图。
图9为V型砂轮修整时的示意图。
附图标记：100-数控平面磨床，101-工作台，110-V型砂轮，120-电磁吸盘，130-平板/磁性平板，140-在线自动修整机构，141-修整座，142-金刚石磨块，143-金刚石磨料层，200-陶瓷锭，210-第一方向V型沟槽，211-尖顶，220-抛光垫修整器，221-正四棱锥，222-尖角，A-平面。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1～5所示并参考图6～9，一种抛光垫修整器的制造方法，包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭200；
(2)将陶瓷锭200顶部研磨形成具有等高尖角222的正四棱锥221阵列；
(3)将磨好的陶瓷锭200尖端表面涂覆金刚石膜，即得到抛光垫修整器220。
在本实施例中，步骤(2)中的研磨的方法具体包括以下步骤：
(2.1)使用V型砂轮110对陶瓷锭200顶部的表面进行第一方向(如纵向)研磨，形成多条第一方向V型沟槽210；其中，任意相邻的两条第一方向V型沟槽210的相邻斜面相交于陶瓷锭200顶部的表面之下，形成等高的尖顶211；
(2.2)使用V型砂轮110对陶瓷锭200顶部的表面进行垂直于第一方向的第二方向(如横向)研磨，形成多条第二方向V型沟槽；其中，任意相邻的两条第二方向V型沟槽的相邻斜面相交于尖顶211，形成等高的尖角222；垂直交错的第一方向V型沟槽210和第二方向V型沟槽将陶瓷锭200顶部分隔形成具有等高尖角222的正四棱锥221阵列。
在本实施例中，步骤(2.2)可直接先将陶瓷锭200旋转90°，然后重复步骤(2.1)磨V型沟槽工艺(尖顶211及等高)，即可实现第二方向研磨，相互垂直的V型沟槽构成了正四棱锥221型结构化表面。
在本实施例中，由于尖顶211的达成仰赖两条相邻V型沟槽的两个相邻斜面互相交错，若两个斜面的交错线位于陶瓷锭200顶部表面以上(即陶瓷锭200之外)，则无法形成尖顶211而形成平面A，要形成尖顶211必须将两个斜面的交错线落于陶瓷锭200顶部表面以下(即陶瓷锭200内部)。设步骤(2.1)和步骤(2.2)中的V型砂轮110研磨的槽宽为W、研磨深度为D、槽距为P、砂轮夹角为θ，则槽宽大于槽距(即W＞P)，又槽宽与研磨深度成比例关系(即根据此原则可推导出以控制研磨深度来达成尖顶211。例如：目标槽距0.32mm的90°V型沟槽，则砂轮进刀量可设定为0.17mm(D>0.32/(2*tan45°)mm＝0.16mm)，使两个斜面的交错线落于陶瓷锭200顶部表面下方0.01mm。
在本实施例中，为了使槽顶形成等高的尖顶211，除了达成尖顶211这一关键工艺，还要达成等高这一关键工艺，而研磨中因砂轮磨损，V型沟槽会越磨越高，因此步骤(2.1)和步骤(2.2)中的V型砂轮110在研磨时应自动加深加工量，以补偿V型砂轮110在研磨中磨损导致的尺寸变化，保证尖角222等高；当然，也可以直接通过及时更换V型砂轮110的方式来保证尖角222等高。在实际制造过程中，可以采用具备自动补偿进刀功能的数控平面磨床进行研磨加工，该自动补偿进刀功能在研磨下一条V型沟槽时自动加深研磨深度，具体方式为设定一补偿参数，此参数于研磨下一条V型沟槽时自动累加至研磨深度上，具体的补偿参数值需根据砂轮种类、陶瓷锭200材料与陶瓷锭200数量的不同进行设定。
在本实施例中，步骤(1)中的陶瓷粉优先选用但并不局限于氮化硅粉、碳化硅粉或碳化钨粉。步骤(1)中的陶瓷锭200优选圆锭，其尺寸优选直径14mm、厚度4mm，但并不局限于此，具体可根据抛光垫的尺寸进行确定。
在本实施例中，步骤(3)中的金刚石膜的厚度优选但并不限于3-20微米。步骤(3)可以采用化学气相沉积(CVD)法涂覆金刚石膜，但并不局限于CVD法。
在本实施例中，步骤(2)在研磨之前，先利用黏结腊将陶瓷锭200固定于平板130上，再将带陶瓷锭200的平板130固定于数控平面磨床100的工作台101上，所述数控平面磨床100可以采用但并不局限于附图所示的结构。其中，所述平板130的尺寸优选长120mm×宽120mm×厚15mm；为了方便固定，所述平板130可以含磁性，平板130带陶瓷锭200以磁力方式固定于工作台101上的电磁吸盘120上。
在本实施例中，由于陶瓷锭200固定在平板130上，因此上述的步骤(2.2)在第二方向研磨之前可直接将平板130旋转90°，角度靠平板130的两相邻面垂直度确保。
如图6～9所示，一种抛光垫修整器的制造设备，包括：
一等静压烧结装置，用于将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭200；和
一数控平面磨床100，用于将陶瓷锭200顶部研磨形成具有等高尖角222的正四棱锥221阵列；
其中，所述数控平面磨床100采用V型砂轮110对陶瓷锭200进行研磨，所述数控平面磨床100设置有用于修整V型砂轮110的在线自动修整机构140。
在本实施例中，所述在线自动修整机构140包括一修整座141和两个金刚石磨块142，两个金刚石磨块142可以分别通过螺栓对称固定在修整座141的上部，两个金刚石磨块142的工作面分别设置有一金刚石磨料层143，两个金刚石磨料层143之间形成V型夹角θ。
在本实施例中，所述数控平面磨床100的工作台101上设置有电磁吸盘120，所述修整座141安装在电磁吸盘120的后部，所述电磁吸盘120的上方吸附有用于固定放置陶瓷锭200的磁性平板130。其中，所述磁性平板130的六面平面度和平行度达5μm，六面相互间垂直度达0.02mm，但并不局限于此，当然平面度、平行度和垂直度的值越小越好。
在本实施例中，所述数控平面磨床100还设置有用于驱动工作台101左右移动的液压驱动机构、用于驱动工作台101前后移动的前后电机驱动机构以及用于驱动V型砂轮上下移动的上下电机驱动机构，所述液压驱动机构、前后电机驱动机构和上下电机驱动机构等均可采用现有结构。其中，所述前后电机驱动机构和上下电机驱动机构均采用伺服电机，其进给精度优选0.1μm，但并不局限于此，当然进给精度的值越小越好。
在本实施例中，所述等静压烧结装置包括等静压成型机和烧结炉，所述等静压成型机具体可以是冷等静压成型机，也可以是热等静压成型机，用于将陶瓷粉等静压成型，即将陶瓷粉加入模具中在高压下经过一定时间成型，形成陶瓷锭200坯料；所述烧结炉用于将成型后的陶瓷锭200坯料再加热固化得到陶瓷锭200。
在研磨中，根据V型砂轮110的磨损情况适当修整V型砂轮110。修整时，修整座141先随工作台101向前移动至V型砂轮110的正下方，再随工作台101左右往复移动，同时V型砂轮110由高精度伺服电机和数控系统控制沿金刚石磨料层143的平面上下移动，首先V型砂轮110抵靠后方金刚石磨料层143以前低后高的移动方式修整V型砂轮110的后方斜面，接着V型砂轮110抵靠前方金刚石磨料层143以前高后低的移动方式修整V型砂轮110的前方斜面，通过分别修整V型砂轮110的前方与后方两斜面，形成夹角为θ的V型砂轮110。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种抛光垫修整器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭；
(2)将陶瓷锭顶部研磨形成具有等高尖角的正四棱锥阵列；
(3)将磨好的陶瓷锭尖端表面涂覆金刚石膜，即得到抛光垫修整器。
2.根据权利要求1所述的抛光垫修整器的制造方法，其特征在于：步骤(2)中的研磨的方法包括以下步骤：
(2.1)使用V型砂轮对陶瓷锭顶部的表面进行第一方向研磨，形成多条第一方向V型沟槽；其中，任意相邻的两条第一方向V型沟槽的相邻斜面相交于陶瓷锭顶部的表面之下，形成等高的尖顶；
(2.2)使用V型砂轮对陶瓷锭顶部的表面进行垂直于第一方向的第二方向研磨，形成多条第二方向V型沟槽；其中，任意相邻的两条第二方向V型沟槽的相邻斜面相交于尖顶，形成等高的尖角；垂直交错的第一方向V型沟槽和第二方向V型沟槽将陶瓷锭顶部分隔形成具有等高尖角的正四棱锥阵列。
3.根据权利要求2所述的抛光垫修整器的制造方法，其特征在于：步骤(2.1)和步骤(2.2)中的V型砂轮研磨时的槽宽大于槽距，设槽宽为W、研磨深度为D、槽距为P、砂轮夹角为θ，因且W＞P，则
4.根据权利要求2所述的抛光垫修整器的制造方法，其特征在于：步骤(2.1)和步骤(2.2)中的V型砂轮在研磨时自动加深加工量，以补偿V型砂轮在研磨中磨损导致的尺寸变化，保证尖角等高。
5.根据权利要求1所述的抛光垫修整器的制造方法，其特征在于：步骤(1)中的陶瓷粉为氮化硅粉、碳化硅粉或碳化钨粉。
6.根据权利要求1所述的抛光垫修整器的制造方法，其特征在于：步骤(3)中的金刚石膜的厚度为3-20微米。
7.根据权利要求1所述的抛光垫修整器的制造方法，其特征在于：步骤(3)用化学气相沉积法涂覆金刚石膜。
8.一种抛光垫修整器的制造设备，其特征在于，包括：
一等静压烧结装置，用于将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭；
一数控平面磨床，用于将陶瓷锭顶部研磨形成具有等高尖角的正四棱锥阵列；以及一涂膜装置，用于将磨好的陶瓷锭尖端表面涂覆金刚石膜；
其中，所述数控平面磨床采用V型砂轮对陶瓷锭进行研磨，所述数控平面磨床设置有用于修整V型砂轮的在线自动修整机构。
9.根据权利要求8所述的抛光垫修整器的制造设备，其特征在于：所述在线自动修整机构包括一修整座和两个金刚石磨块，两个金刚石磨块对称固定在修整座的上部，两个金刚石磨块的工作面分别设置有一金刚石磨料层，两个金刚石磨料层之间形成V型夹角。
10.根据权利要求9所述的抛光垫修整器的制造设备，其特征在于：所述数控平面磨床的工作台上设置有电磁吸盘，所述修整座安装在电磁吸盘的后部，所述电磁吸盘的上方吸附有用于固定放置陶瓷锭的磁性平板。
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