CN113246037A - 一种金刚石修整碟及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石修整碟及其制造方法，属于化学机械研磨技术领域。所述金刚石修整碟，包括氮化硅陶瓷基底和微米金刚石薄膜，微米金刚石薄膜涂覆在氮化硅陶瓷基底表面；通过拉曼光谱仪进行测定，微米金刚石薄膜仅在1330‑1339cm‑1区间有一个尖锐峰；所述微米金刚石薄膜为SP3结构的金刚石多晶体。本发明的金刚石修整碟通过采用微米金刚石膜薄膜涂层，有效提高了修整碟的耐磨性，从能保证了尖点尖度的保持能力，对维持研磨垫的表面粗糙度有明显的优势，可以确保CMP制程中稳定的晶圆表面材料去除率和品质一致性。
Description
技术领域
本发明属于化学机械研磨技术领域，具体涉及一种金刚石修整碟及其制造方法。
背景技术
在半导体晶片的制造过程中，化学机械研磨(CMP)是一道必不可少的工序，CMP越平坦，能制造的线宽越细。伴随着特征线宽10纳米以下的时代到来，CMP制程要求具备更高的稳定性和良率，这就促使CMP工序除了要求制造设备本身的高品质外，其三大耗材研磨液(slurry)、研磨垫(pad)和金刚石修整碟(diamond disk)也必需不断提升品质稳定性，以适应不断提高的品质需求。
晶圆CMP工艺是利用无孔或多孔抛光垫及抛光液(内含研磨粒子)来抛光晶圆，无孔抛光垫的表面需要有一定程度的粗糙度,从而同多孔抛光垫的孔洞一样有助于抛光液流层的形成和流动，加上表面一定程度的粗糙度所含的突出毛边,使晶圆抛光得到一定程度的表面材料去除率，但抛光过程中的异物(抛光液中的研磨粒子、晶圆表面粒子、断落的抛光垫毛边碎屑)和研磨頭的压力，会逐步填满抛光垫孔洞和压实抛光垫表面，使抛光表面材料去除率效能降低，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，增加表面的突出毛边及活化松散被压实抛光垫表面，藉以恢复表面材料去除率。
过去修整器是由矩阵排列的金刚石通过电镀法(electroplating)，烧结法(sintering)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，由于工艺限制，很难做到每颗金刚石把持都牢固可靠，这就导致一定比例的刮伤不良，同时金刚石的排布并未做到完全规则排列，由于采用人造金刚石单晶作原料，每颗金刚石形状无法做到完全一致，更无法保证每颗金刚石尖点统一朝上，所以品质的稳定性无法切实保证，这对晶圆CMP的高良率要求是巨大的风险。
目前修整器主要是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，然后在陶瓷基底涂覆类金刚石膜后得到，尽管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，但由于表面膜层品质差异仍存在耐磨性差、使用寿命短的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用微米金刚石膜薄膜涂层的修整碟，该类修整碟耐磨性更高，对维持研磨垫的表面粗糙度有明显的优势。
本发明的另一目的是提供所述修整碟的制造方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种金刚石修整碟，包括氮化硅陶瓷基底和微米金刚石薄膜，微米金刚石薄膜涂覆在氮化硅陶瓷基底表面；
通过拉曼光谱仪进行测定，微米金刚石薄膜仅在1330-1339cm-1区间有一个尖锐峰；
所述微米金刚石薄膜为SP3结构的金刚石多晶体。
在本发明中，所述氮化硅陶瓷基底可以是平面基底，也可以是在基底表面有规则排列的具有金刚石外形的四棱锥或六棱锥金字塔阵列。
进一步地，所述微米金刚石薄膜厚度为2～25微米。
上述金刚石修整碟的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭；
步骤2，将陶瓷锭顶部研磨形成具有金刚石外形的四棱锥或六棱锥金字塔阵列或者平面；
步骤3，在陶瓷锭表面涂覆微米金刚石薄膜，再把涂好膜的陶瓷锭组装在和机台连接的基体(通常为不锈钢或工程塑胶)上即得到金刚石修整碟。
有益效果：本发明的金刚石修整碟通过采用微米金刚石膜薄膜涂层，有效提高了修整碟的耐磨性，从能保证了尖点尖度的保持能力，对维持研磨垫的表面粗糙度有明显的优势，可以确保CMP制程中稳定的去除率和品质一致性。为保证微米金刚石膜薄膜和陶瓷锭的结合力，必须对陶瓷锭的材质和制程予以严格筛选。经过大量的对比测试，选定用等静压方式压制的氮化硅陶瓷作为基材能够有效保证膜层和陶瓷基材的结合强度。
附图说明
图1为金刚石薄膜的SEM图，(a)为3M金刚石修整碟的非微米级金刚石薄膜、(b)为本发明金刚石修整碟的微米金刚石薄膜。
图2为金刚石薄膜的拉曼光谱图，(a)为3M金刚石修整碟的非微米级金刚石薄膜、(b)为本发明金刚石修整碟的微米金刚石薄膜。
图3为金刚石修整碟的耐磨测试结果，(a)(c)(e)分别为3M金刚石修整碟的尖点研磨前状态图、尖点研磨30小时后的2D图、尖点研磨30小时后3D图，(b)、(d)、(f)分别为本发明金刚石修整碟的尖点研磨前状态图、尖点研磨60小时后的2D图、尖点研磨60小时后3D图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。
实施例1
本发明提供了一种金刚石修整碟，包括氮化硅陶瓷基底和微米金刚石薄膜，微米金刚石薄膜涂覆在氮化硅陶瓷基底表面。
该金刚石修整碟可以采用专利CN106493639A公开的方法制备，具体地：
步骤1，将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭。
在本发明中，选用氮化硅作为基材。高纯度氮化硅基材是沉积高品质金刚石膜的必要条件。氮化硅相比其他传统陶瓷材料(如氧化铝和碳化硅)，除了保有高硬度、良好的耐热性和高耐酸碱性外，还具备很好的韧性，这对后续在其表面磨出稳定一致的金字塔形状是有力的保证，同时由于氮化硅的热膨胀系数与金刚石膜的热膨胀系数更接近，可以确保两者间结合力的热稳定性。
高品质的氮化硅材料应从制造过程确保其高纯度和高致密性，纯度检测除了确保杂质含量低于限定指标外，还应该检测游离氮的含量不得高于某个限制，以确保氮化硅陶瓷的微观结构准确。材料的致密性即测定材料的密度，密度应接近氮化硅陶瓷的理论密度3.12克/立方厘米(g/cm3)，压制工艺主要通过等静压烧结实现。
步骤2，将陶瓷锭顶部研磨形成具有金刚石外形的四棱锥或六棱锥金字塔阵列。
合格的氮化硅基材表面经过成型研磨，形成一组规则排列的具有金刚石外形的四棱锥或六棱锥金字塔，这样做出的金字塔需要控制每个金字塔的尺寸在微米级的公差范围内，这就需要研磨用机床的精确度和稳定性能满足要求，同时研磨所用的砂轮必须具有持续的形状保持能力。改变金字塔形状的尺寸和尖点宽度等参数，可以调整修整碟在CMP制程中的特性，特别是会影响去除率和研磨垫表面粗糙度。
步骤3，在磨好的陶瓷锭尖端表面涂覆微米金刚石薄膜，即得到金刚石修整碟。
微米金刚石薄膜涂层是在专用的设备上完成的，设备是在高真空度的真空腔体中，通入5N级别甲烷和氢气的高纯混合气体，这样的混合气体在灯丝或等离子体的激发下，扩散到氮化硅表面，经过一系列复杂的物理化学过程，在氮化硅表面成核并生长，形成一层SP3结构的碳原子层，由于为多核共同生长，所形成的晶面为金刚石多晶体，这样的粗糙耐磨的金刚石表面如同铠甲，维持着氮化硅表面研磨出的金字塔形尖点，使表面耐磨耗能力比碳化硅提升百倍以上，化学稳定性也达到最佳状态，这样稳定表面能够最大程度保证CMP制程中保持高的稳定性和寿命，同时彻底避免晶圆遭受因表面磨损带来的化学污染或物理机械损伤。
下面将本发明的金刚石修整碟与3M的金刚石修整碟进行性能检测对比，结果如下：
1.如图1所示，根据SEM图可以看出，本发明金刚石修整碟的微米金刚石薄膜晶型标准完整，而3M金刚石修整碟的非微米级金刚石薄膜则比较趋向于非晶态。
2.如图2所示，根据拉曼光谱结果，本发明金刚石修整碟的微米金刚石薄膜中几乎100％为sp3结构碳原子(金刚石态1330-1339cm-1峰)，而3M金刚石修整碟的非微米级金刚石薄膜则为包含sp3与sp2(石墨态碳原子，峰值1580cm-1)的多种成分的混合物。
3.如图3所示，3M修整碟经过30小时研磨后，尖点明显变形为圆弧形态，本发明的修整碟经30小时研磨后未见明显磨损。这可能是因为本发明的修整碟表面金刚石膜为微米金刚石膜，相较于3M的非微米金刚石薄膜为完全SP3晶态，耐磨性明显提升。
4.在60小时、6lb下压力的修整测试后，采用本发明修整碟进行修整的研磨垫粗糙度从3.29降至3.18，衰减在3％左右。而采用3M修整碟进行修整的研磨垫，在30小时、3lb下压力的测试下，粗糙度从大于3.77降至2.55，衰减高达32％，磨损严重。
从以上结果可以看出，本发明的金刚石修整碟通过采用微米金刚石膜薄膜涂层，有效提高了修整碟的耐磨性，从能保证了尖点尖度的保持能力，对维持研磨垫的表面粗糙度有明显的优势，可以确保CMP制程中稳定的去除率和品质一致性。
Claims (3)
1.一种金刚石修整碟，其特征在于：包括氮化硅陶瓷基底和微米金刚石薄膜，微米金刚石薄膜涂覆在氮化硅陶瓷基底表面；
通过拉曼光谱仪进行测定，微米金刚石薄膜仅在1330-1339cm-1区间有一个尖锐峰；
所述微米金刚石薄膜为SP3结构的金刚石多晶体。
2.根据权利要求1所述的金刚石修整碟，其特征在于：所述微米金刚石薄膜厚度为2～25微米。
3.权利要求1或2任一项所述的金刚石修整碟的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将陶瓷粉等静压烧结制成组织均匀致密的陶瓷锭；
步骤2，将陶瓷锭顶部研磨形成具有金刚石外形的四棱锥或六棱锥金字塔阵列或者平面；
步骤3，在陶瓷锭表面涂覆微米金刚石薄膜，再把涂好膜的陶瓷锭组装在和机台连接的基体即得到金刚石修整碟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210813 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |