CN118219178A - 一种单晶金字塔钻石碟 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种单晶金字塔钻石碟。所述单晶金字塔钻石碟，包括基板以及多个单晶钻石片，这些单晶钻石片固定于该基板上，该单晶钻石片包括多个远离该基板突出的单晶钻石尖锥，至少一半的该单晶钻石尖锥的顶点高度离最高尖点的差小于60μm。
Description
技术领域
本发明是有关于一种抛光垫修整器，尤指一种以单晶金字塔数组作为研磨结构的抛光垫修整器。
背景技术
化学机械平坦化(Chemical mechanical planarization或CMP)为制造集成电路(或称集成电路，通称IC，即Integrated circuit)必须多次使用的制程，随着摩尔定律(Moore's Law)的电路线宽越小，CMP的要求越严苛，而且次数越多。以世界最大的晶圆代工企业，中国台湾集成电路(TSMC)为例，其7nm制程需把直径为300mm(12吋)的IC晶圆进行CMP数十次，每次CMP的抛光速率要快且平，IC晶圆上没有刮痕，这样才能从完整的IC晶圆中切出小指甲尺寸的芯片，内含数十层总长超过十公里的铜导线，连接硅基材表面数十亿个晶体管(Transistors)，使芯片以0或1运算，成为CPU/GPU/NPU等用于手机、计算机、机器人、互联网等的硬件计算器。CMP不仅用于制造IC的逻辑运算体，也用于制造IC的内存(如DRAM、Flash memories等)，甚至硅晶圆本身，乃至于存储器(如硬盘)，总之，CMP为制造大面积(如蓝宝石晶圆)高度平坦化平面必用的工艺。
具体来说，CMP是一种抛光方法，乃将旋转的IC晶圆压在旋转的抛光垫(材质通常为PU)上，抛光垫上涂布研磨浆料(Slurry)，内含纳米磨粒(如SiO2及Al2O3)及化学反应剂(如酸、碱、过氧化氢)；而抛光垫内通常含有微气孔，用以调节压缩率及储存磨浆。抛光晶圆时必须控制晶圆和抛光垫的接触面积及分布，所以必须以钻石碟修整抛光垫才能在抛光垫表面产生大小适中及分布均匀的绒毛(Asperities)。若晶圆与抛光垫的接触面积太大，则抛光率低，CMP效率不足；反之，会局部抛光过多，造成晶圆不平(Within wafer non-uniformity，简称WIWNU)，乃至凹陷(Dishing,Erosion)，甚至刮伤的问题。除此之外，钻石碟也负责切除抛光垫上硬屑(Glaze)，所以钻石碟上钻石的顶点高度的分布控制了钻石刺入抛光垫的深度分布，影响了CMP的各种性能，故为控制CMP性能的关键耗材。
钻石碟通常在不锈钢盘上，以金属材料(如镍或其合金)固定并排列研磨颗粒(Grind grit)，研磨颗粒采用钻石磨粒，举例可为150微米，固定的方法包括电镀、硬焊或烧结。由于钻石磨粒大小不一，顶点高度差异甚大，加上钻石磨粒的形状不规则，常含破裂面，以致切削抛光垫的锐利度难以控制，使得抛光垫上的绒毛大小及分布不均，影响CMP的效率及良率。
另一方面，CMP为界面抛光法，而界面的压力分布由抛光垫的绒毛大小与分布决定，钻石碟的钻石磨粒的顶点高度差异太大，以致实际上不到500颗钻石磨粒能刺入抛光垫而形成绒毛。更有甚者，最高十颗的钻石磨粒会有刺入太深(如大于60微米)的问题，使得比钻石碟更贵的抛光垫加倍消耗。因此，钻石磨粒的顶点高度差异太大，不仅同时缩短钻石碟和抛光垫的寿命，也使得IC晶圆发生不平整，甚至造成刮伤的问题，降低了芯片的良率，除此之外，更换钻石碟及抛光垫的停机时间也更频繁，降低了单机的出货量。
虽然使用更小的钻石磨粒可使顶点高差减少，但会造成钻石磨粒的突出量降低，因而使得固定钻石磨粒的金属和磨浆发生磨擦，以致污染IC晶圆，也会降低芯片良率。使用规则晶形的钻石磨粒可以降低顶点高差，但会有钻石磨粒不够锐利的问题，造成抛光垫表面残留硬屑，因此增加IC晶圆的微刮痕数。所以，以固定钻石磨粒的钻石碟有其难以可克服的困难，包括顶点高度差和锐利度不能兼得，以致CMP的成本(CoO)和效率(Throughput)无法提高。
现有技术中有采用多晶钻石(Polycrystalline diamond，PCD)烧结片搭配放电加工成金字塔形状的尖端的钻石碟；也有采用化学气相沉积法的单晶钻石片搭配放电加工成金字塔形状的尖端的钻石碟，例如美国专利公开第US20150290768A1号、第US20150283671A1号以及第US20150283672A1号、第US20160346901号等。
尽管如此，上述的金字塔数组的钻石碟对于顶点高度的设计，仍有不足之处。如上所述，顶点高度的分布对于CMP的效率及良率具有关键性的影响。
发明内容
本发明的主要目的在于改善已知金字塔数组钻石碟修整抛光垫的效率以及性能。
根据本发明的一方面，提供一种单晶金字塔钻石碟，包括基板以及多个单晶钻石片，该些单晶钻石片固定于该基板上，该单晶钻石片包括多个远离该基板突出的单晶钻石尖锥，至少一半的该单晶钻石尖锥的顶点高度离最高尖点的差小于60微米。
在实施例中，该单晶钻石片的厚度介于1毫米至5毫米之间。
在实施例中，该单晶钻石尖锥为金字塔状。
在实施例中，该单晶钻石尖锥乃以雷射雕刻而成。
在实施例中，该单晶钻石尖锥相对该单晶钻石片的底座的上表面的最高突出高度小于60微米的数量介于300至5000之间。
在实施例中，该单晶钻石尖锥的一侧面和相对侧面之间的角度介于60度至120度之间。
在实施例中，该单晶钻石尖锥之间的间距为该单晶钻石尖锥的底面的边长的1倍至10倍之间。
在实施例中，该些单晶钻石尖锥具有顶部平台。
在实施例中，该顶部平台的边长大于20微米，且该单晶钻石尖锥的底面的边长大于40微米。
在实施例中，在单一该单晶钻石片中的该单晶钻石尖锥的数量介于10至400个。
在实施例中，该单晶钻石片为边长介于4毫米至10毫米之间的方形或矩形。
在实施例中，该单晶钻石片是以高压法或气相法所形成。
在实施例中，至少一半的该单晶钻石尖锥系可刺入待修整的抛光垫之中，至深度大于10微米。
在实施例中，该单晶钻石尖锥之间的顶点高度差小于10微米者大于10个。
在实施例中，该单晶钻石尖锥之间的顶点高度差小于10微米者大于100个。
在实施例中，该单晶钻石尖锥距离该基板的顶点高度介于50微米至500微米之间。
在实施例中，该单晶钻石尖锥包括第一组群、第二组群以及第三组群，该第一组群的顶点高度大于该第二组群，该第二组群的顶点高度大于该第三组群。
在实施例中，该第一组群及该第二组群的顶点高度分别小于20微米。
在实施例中，该第一组群占全部的该单晶钻石尖锥的40％至60％，该第二组群占全部的该单晶钻石尖锥的20％至40％，剩余为该第三组群。
在实施例中，该第三组群分布于该基板的周围区域，该第一组群及该第二群组交替地分布于该基板的中央区域。
在实施例中，乃用于化学机械平坦化制造集成电路、中央处理器、神经网络处理器、绝缘闸极双极性晶体管、高电子移动率晶体管、发光二极管、雷射影碟或其他光电组件。
附图说明
图1为根据本发明实施例的俯视示意图。
图2为图1沿A-A的剖面示意图。
图3为根据本发明实施例的单晶钻石片的俯视示意图。
图4A为图3沿B-B的剖面示意图。
图4B为图4A的部分放大示意图。
图5为根据本发明实施例的单晶钻石尖锥的示意图。
图6为根据本发明实施例的单晶钻石片的俯视示意图。
具体实施方式
在本文中，对各种实施例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，或刻意限定组件的数量，否则本文所用的单数形式“一种”、“一个”及“该”也包含复数形式。
本发明是关于一种钻石碟，特别是一种采用钻石单晶金字塔数组的钻石碟，系用于化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)制程，该钻石碟用于修整研磨垫的表面，例如移除研磨过程中沾附或残留的副产物或是活化研磨垫，让整研磨垫可以继续地使用，并藉此延长研磨垫的使用寿命。本发明公开的钻石碟，特别适合用于制造集成电路、中央处理器(CPU)、神经网络处理器(NPU)、绝缘闸极双极性晶体管(IGBT)、高电子移动率晶体管(HEMT)、发光二极管(LED)、雷射影碟(LD)或其他光电组件的制程之中。在实施例中，本发明的该钻石碟为化学机械研磨修整器。
参阅图1及图2，本实施例的钻石碟1包括有基板10、多个单晶钻石片20以及多个基座30。在以下的实施例中，该些单晶钻石片20利用该些基座30附着且固定于该基板10上，但在其他实施例中，该些单晶钻石片20亦可不需要该些基座30而固定于该基板10，或是透过其他结构或组件固定于该基板10。该单晶钻石片20及该基座30可视为研磨单元，本例中，该研磨单元的数量为12个，且沿着该基板10的圆周方向等距地设置。
参阅图3至图5，每个该单晶钻石片20包括底座21以及多个单晶钻石尖锥22，该些单晶钻石尖锥22从该底座21向上延伸。本实施例中，每个该单晶钻石片20可以是利用气相法或高压法制成，例如化学气相沉积钻石(chemical vapor deposition diamond，CVDD)。可以是利用化学气相沉积法形成一片单晶钻石片后，再利用雷射雕刻法雕刻出每个尖锥。
根据本发明实施例，该单晶钻石片20的厚度可介于1毫米(mm)至5毫米之间，该厚度可以是指该底座21的厚度，也可以是指该底座21加上该单晶钻石尖锥22的厚度。该单晶钻石片20可以是方形或矩形，尺寸(边长)介于4mm至10mm之间。本实施例中，该些单晶钻石尖锥22是以数组图案设置，在其他实施例中，该些单晶钻石尖锥22可以以其他图案设置。该单晶钻石尖锥22呈金字塔状，且该些单晶钻石尖锥22具有顶部平台221、底面222及多个介于该顶部平台221与该底面222之间的侧面223，其中该侧面223和相对侧面223之间的角度A介于60度至120度之间。在例子中，相邻的该单晶钻石尖锥22之间的间距D为该单晶钻石尖锥22的该底面222的边长L1的1倍至10倍之间。
根据本发明实施例，各个该单晶钻石尖锥22的该底面222的边长L1实质相等，而各个该单晶钻石尖锥22的该顶部平台221的边长L2可能随着不同的顶点高度而不同。在例子中，该单晶钻石尖锥22的该顶部平台221的边长L2大于20μm，该单晶钻石尖锥22的该底面222的边长L1大于40μm。
在该钻石碟1中，该单晶钻石尖锥22具有顶点高度H，该顶点高度H定义为该单晶钻石尖锥22的最高点224至该底座21的上表面211之间的垂直距离，本例中，该最高点224的位置即该顶部平台221。本文中，该顶点高度H对于各个的该单晶钻石尖锥22来说并非为定值，而可能根据制造过程而有些许非实质性的差异，也可能按照本发明的设计而有不同的值，且彼此间会有高度差。因此对于整体的该钻石碟1的该单晶钻石尖锥22来说，可理解为该单晶钻石尖锥22的该顶点高度H是落在范围之内。
在该钻石碟1的例子中，可能部分的该单晶钻石尖锥22为第一顶点高度，部分的该单晶钻石尖锥22为第二顶点高度，又部分的该单晶钻石尖锥22为第三顶点高度，该些顶点高度彼此为不同的数值。因此，对于全部的该单晶钻石尖锥22来说，会有一个或多个最高尖点、一个或多个次高尖点、一个或多个第三高尖点等等；类似地，也会有一个或多个最低尖点、一个或多个次低尖点、一个或多个第三低尖点等等。根据本发明实施例，至少一半的该单晶钻石尖锥22的该顶点高度H与该最高尖点的差小于60微米(μm)。
根据本发明实施例，该单晶钻石尖锥22的该顶点高度H介于50μm至500μm之间，进一步地，在全部的该单晶钻石尖锥22之中，该单晶钻石尖锥22的该顶点高度H小于60μm的数量介于300至5000之间；根据本发明又一实施例，在全部的该单晶钻石尖锥22之中，该单晶钻石尖锥22之间的顶点高度差小于10μm的数量大于10个；根据本发明再一实施例，该单晶钻石尖锥22之间的顶点高度差小于10μm的数量大于100个。此外，在单一该单晶钻石片20中，该单晶钻石尖锥22的数量介于10个至400个之间，且各个该单晶钻石片20的该单晶钻石尖锥22的数量可为相同或相异。
参阅图6，本实施例中，该单晶钻石片20的该底座21可定义成包括中央区域21a以及周围区域21b，该些区域用于设置不同该顶点高度的该单晶钻石尖锥22。在例子中，该单晶钻石尖锥22包括第一组群22a、第二组群22b以及第三组群22c，该第一组群22a的顶点高度大于该第二组群22b，该第二组群22b的顶点高度大于该第三组群22c，该第一组群22a及该第二群组22b是分布于该底座21的该中央区域21a，而该第三组群22c分布于该底座21的该周围区域21b。进一步地，该第一组群22a及该第二群组22b的该单晶钻石尖锥22是交错地分布于该中央区域21a。即每一个该第一组群22a是被4个的该第二群组22b所包围；同样地，每一个该第二群组22b是被4个的该第一组群22a所包围。
在例子中，该第一组群22a及该第二组群22b的该单晶钻石尖锥22的该顶点高度分别小于20μm。又在例子中，该第一组群22a的数量占全部的该单晶钻石尖锥22的数量的40％至60％，该第二组群22b的数量占全部的该单晶钻石尖锥22的数量的20％至40％，而剩余的为第三组群22c。
利用本发明的单晶金字塔钻石碟，可以达到至少一半的该单晶钻石尖锥22刺入待修整的抛光垫之中，且刺入的深度大于10μm。
Claims (21)
1.一种单晶金字塔钻石碟，其特征在于，包括：
基板；
多个单晶钻石片，固定于该基板上，该单晶钻石片包括多个远离该基板突出的单晶钻石尖锥，至少一半的该单晶钻石尖锥的顶点高度离最高尖点的差小于60微米。
2.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石片的厚度介于1毫米至5毫米之间。
3.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥为金字塔状。
4.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥是以雷射雕刻而成。
5.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥相对该单晶钻石片的底座的上表面的最高突出高度小于60微米的数量介于300至5000之间。
6.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥的一个侧面和相对侧面之间的角度介于60度至120度之间。
7.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥之间的间距为该单晶钻石尖锥的底面的边长的1倍至10倍之间。
8.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该些单晶钻石尖锥具有顶部平台。
9.根据权利要求8所述的钻石碟，其特征在于，该顶部平台的边长大于20微米，且该单晶钻石尖锥的底面的边长大于40微米。
10.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，在单一该单晶钻石片中的该单晶钻石尖锥的数量介于10至400个。
11.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石片为边长介于4毫米至10毫米之间的方形或矩形。
12.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石片是以高压法或气相法所形成。
13.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，至少一半的该单晶钻石尖锥可刺入待修整的抛光垫之中，至深度大于10微米。
14.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥之间的顶点高度差小于10微米的数量大于10个。
15.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥之间的顶点高度差小于10微米的数量大于100个。
16.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥距离该基板的顶点高度介于50微米至500微米之间。
17.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，该单晶钻石尖锥包括第一组群、第二组群以及第三组群，该第一组群的顶点高度大于该第二组群，该第二组群的顶点高度大于该第三组群。
18.根据权利要求17所述的钻石碟，其特征在于，该第一组群及该第二组群的顶点高度分别小于20微米。
19.根据权利要求17所述的钻石碟，其特征在于，该第一组群占全部的该单晶钻石尖锥的40％至60％，该第二组群占全部的该单晶钻石尖锥的20％至40％，剩余为该第三组群。
20.根据权利要求17所述的钻石碟，其特征在于，该第三组群分布于该基板的周围区域，该第一组群及该第二组群交替地分布于该基板的中央区域。
21.根据权利要求1所述的钻石碟，其特征在于，用于化学机械平坦化制造集成电路、中央处理器、神经网络处理器、绝缘闸极双极性晶体管、高电子移动率晶体管、发光二极管、雷射影碟或其他光电组件。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |