DE112017001938T5

DE112017001938T5 - Diamantverbundwerkstoff-Konditionierer für ein CMP-Tuch

Info

Publication number: DE112017001938T5
Application number: DE112017001938.9T
Authority: DE
Inventors: Prashant G. Karandikar; Michael K. Aghajanian; Edward Gratrix; Brian J. Monti
Original assignee: M Cubed Technologies Inc
Current assignee: Ii Iv Delaware Inc Wilmington Us
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2019-01-17
Also published as: CN114714245A; KR102365066B1; CN109153106B; US11370082B2; KR20190015204A; US20220297260A1; WO2017177072A1; JP6968817B2; CN109153106A; US20170291279A1; JP2019513564A

Abstract

Ein Körper zum Konditionieren eines Tuchs für das chemisch-mechanische Polieren/Planarisieren aus einem diamantverstärkten reaktionsgebundenen Siliciumcarbid, wobei Diamantteilchen aus dem Rest der Oberfläche herausragen und auf der Schneideoberfläche einheitlich verteilt sind. In einer Ausführungsform sind die Diamantteilchen annähernd einheitlich über den gesamten Verbund verteilt, aber in anderen Ausführungsformen befinden sie sich vorzugsweise an oder in der Nähe der Konditionierungsoberfläche. Die Spitzen der Diamantteilchen können so ausgeführt sein, dass sie sich in einer konstanten Höhe befinden (d. h. der Konditioniererkörper kann so ausgeführt sein, dass er sehr flach ist). Der Körper kann beispielsweise scheibenförmig oder toroidal sein. Durch bevorzugtes Erodieren der Si/SiC-Matrix kann erreicht werden, dass die Diamantteilchen aus der Konditionierungsoberfläche herausragen. Das Erodieren kann durch Elektroerodieren oder durch Läppen/Polieren mit Schleifmittel bewerkstelligt werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG(EN)
Die vorliegende Patentschrift beansprucht die Priorität der eigenen, am 6. April 2016 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/319,283 . Soweit gesetzlich gestattet, wird hiermit auf den gesamten Inhalt dieser Stammpatentanmeldung ausdrücklich Bezug genommen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft bis zu einer sehr hohen Flachheit maschinell bearbeitete diamanthaltige Scheiben, die zur Rekonditionierung von Tüchern für das chemisch-mechanische Polieren (CMP) verwendet werden, die wiederum zum Polieren von Halbleiterwafern verwendet werden.
STAND DER TECHNIK
Die moderne Elektronik beruht auf mikroskopischen Chips, die in Substraten aus einkristallinem Silicium (Si) hergestellt werden. Zunächst wird ein Stab aus einkristallinem Si gezogen. Dieser Stab wird dann mit Diamantdrahtsägen in dünne Si-Wafer (jetzt 300 mm Durchmesser, in naher Zukunft 450 mm Durchmesser) geschnitten. In dieser Stufe sind diese Si-Wafer dick und rau. Im nächsten Verarbeitungsschritt werden diese Wafer auf einen sehr hohen Flachheitsgrad (Gesamtflachheit im nm-Bereich) und ein sehr hohes Finish sowie eine geringe Dicke (< 1 mm) poliert. Die so hergestellten Si-Wafer werden für den Bau der mikroskopischen Chips durch Abscheidung von mikro- und nanoskaligen Schaltungen mittels Verfahren wie Lithographie, Metallabscheidung, Ätzen, Diffusion, Ionenimplantation usw. verwendet. Das chemisch-mechanische Polieren (CMP) kommt beispielsweise beim Polieren von unverarbeiteten Si-Wafern auf ein extrem hohes Finish und eine extrem hohe Flachheit zur Anwendung.
Nun wird auf die 1A und 1B Bezug genommen, bei denen es sich um eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer Apparatur für die Waferplanarisierung mit einer Maschine zur Konditionierung des CMP-Tuchs handelt. Beim CMP-Prozess werden für den Materialabtrag sowohl mechanisches Reiben als auch chemische Reaktionen verwendet. Dies geschieht auf Poliertüchern 101 (z. B. aus porösem geschlossenzelligem Polyurethan) mit Aufschlämmungen 103 verschiedener abrasiver/reaktiver Verbindungen (wie Aluminiumoxid, Ceroxid usw.). Da mehr als ein Siliciumwafer 105 zugleich poliert werden kann, können die Poliertücher einen Durchmesser von mehr als einem Meter aufweisen. Das Poliertuch ist auf einem starren Substrat 107 befestigt, das auf einer zum Substrat senkrechten Achse 109 rotiert. Das Schleifmedium kann dem sich drehenden Poliertuch in Form einer Aufschlämmung zugeführt werden. Der Siliciumwafer 105 ist auf einem Halter oder „Chuck“ 111 befestigt, der ebenfalls auf einer zur Achse 109 parallelen Achse 113 rotiert.
Mit fortgesetztem Polieren füllen sich die Zellen oder Poren in den Poliertüchern mit Schleifmittel und Trümmerteilen aus den Wafern; sie entwickeln eine Glasur und verlieren an Wirksamkeit. Die Poliertücher sind jedoch noch weiter verwendbar - sie müssen lediglich von Zeit zu Zeit rekonditioniert werden, um geschlossene Zellen im Polyurethantuch zu öffnen, den Transport von Aufschlämmung zum Wafer zu verbessern und eine gleichbleibende Polieroberfläche über die gesamte Lebensdauer des Tuchs hinweg zu Erzielung einer guten Waferpolierleistung bereitzustellen. Zur Rekonditionierung der CMP-Tücher werden als CMP-Tuch-Konditionierer bezeichnete Scheiben verwendet, die auf der Oberfläche herausragenden Diamant mit einer zurückstehenden metallischen oder organischen Matrix zum Zurückhalten der herausragenden Diamanten aufweisen. In diesen Scheiben wird typischerweise nur eine einzige Schicht von grobem Diamant (z. B. mit einem Durchmesser von 125 Mikrometer) verwendet, und die Beabstandung (z. B. 0,5 bis 1 mm) und das Herausragen der Diamanten sind präzise eingestellt. Diese diamanthaltigen Konditionierungsscheiben sind maschinell auf eine sehr hohe Flachheit bearbeitet. Zu den Schlüsselfaktoren, die für eine gute Leistung sorgen, gehören ausreichendes Herausragen des Diamanten (gutes Schneidvermögen), starke Bindung an die Matrix (verhindert Verlust von Diamant, Verlust von Schneidvermögen und verhindert die Bildung von Trümmerteilen, die die Konditionierung beeinträchtigen).
Die Tuchrekonditionierungsscheiben 115 weisen typischerweise eine Konstruktion 117 auf, mit der sie so an dem Arm 119 einer Maschine oder Montagevorrichtung befestigt oder angebracht werden können, dass die Achse 121 der Scheibe 115 parallel zur Drehachse 109 des CMP-Tuchs ist. Die Maschine bringt dann die Scheibe mit dem rotierenden CMP-Tuch in Kontakt und bewegt sie von der Peripherie des CMP-Tuchs zur Mitte oder in die Nähe der Mitte, aber nicht unbedingt radial, vor und zurück. Die Maschine kann auch die Rekonditionierungsscheibe in Rotation versetzen. Das Zuführen einer Flüssigkeit zum CMP-Tuch während der Konditionierung sollte dabei helfen, durch die Scheibe losgelöste Trümmerteile zu entfernen.
Zur Einsparung von Zeit und somit zur Erhöhung der Effizienz wird die Rekonditionierung des CMP-Tuchs häufig gleichzeitig mit dem Polieren/Planarisieren des Wafers durchgeführt. Ein Risiko bei dieser gleichzeitigen Verarbeitung besteht jedoch darin, dass ein Diamantteilchen von der Matrix abplatzen oder abspringen kann. Das lose Diamantmaterial kann zu Furchen in den polierten Siliciumwafern führen und sie dadurch ruinieren.
Zumindest bei denjenigen Scheiben zur Konditionierung von CMP-Tüchern, die an Metall gebundenes teilchenförmiges Diamantmaterial aufweisen, ist man in der Vergangenheit auf Probleme gestoßen - speziell Verlust von Diamantteilchen (z. B. Ablösung). Ohne Festlegung auf irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung könnte es sein, dass der Verlust von teilchenförmigem Diamantmaterial auf die chemische Korrosion des Metalls oder möglicherweise auf mechanische Belastung infolge von Wärmeausdehnungsdiskrepanzen und Temperaturexkursionen während der Verarbeitung zurückzuführen ist. Somit ist es wünschenswert, eine Tuchkonditionierungsscheibe bereitzustellen, die gegenüber Verlust von teilchenförmigem Diamantmaterial weniger anfällig ist als bestehende Ausgestaltungen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Kurzdarstellung wird zum Einführen einer Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form bereitgestellt, die nachstehend in der Ausführlichen Beschreibung näher beschrieben sind. Diese Kurzdarstellung soll weder Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren noch zur Einschränkung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
Beschriebene Ausführungsformen schließen ein reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (RBSC) mit einer Diamantteilchenverstärkung und ein Verfahren zu seiner Herstellung ein. Das RBSC umfasst eine Matrixphase aus reaktionsgebundenem Siliciumcarbid (Si/SiC), in die Diamantteilchen eingebettet sind. Dieser Verbund hat eine sehr hohe mechanische und thermische Stabilität, kann mit einer oder mehreren Abmessungen von 450 mm und darüber hergestellt werden und ist durch Elektroerosion (Electrical Discharge Machining, EMD), das zuweilen auch als „Spark Dicharge Machining“ bezeichnet wird, maschinell bearbeitbar.
Eine Anwendung dieser Technologie ist eine Konditionierungsscheibe für CMP-Tücher aus dem diamantverstärkten reaktionsgebundenen Si/SiC, wobei Diamantteilchen aus dem Rest der Oberfläche herausragen und auf der Schneidoberfläche einheitlich verteilt sind. In einer Ausführungsform sind die Diamantteilchen annähernd einheitlich über den gesamten Verbund verteilt, aber in anderen Ausführungsformen befinden sie sich vorzugsweise an oder in der Nähe der Konditionierungsoberfläche. Die Spitzen der Diamantteilchen können so ausgeführt sein, dass sie sich in einer konstanten Höhe befinden (d. h. die Konditioniererscheibe ist sehr flach). Alternativ dazu kann der Scheibe eine toroidale Form verliehen werden. Durch bevorzugtes Erodieren der Si/SiC-Matrix kann erreicht werden, dass die Diamantteilchen aus der Konditionierungsoberfläche herausragen. Das Erodieren kann durch EDM oder durch Läppen/Polieren mit Schleifmittel bewerkstelligt werden.
Figurenliste
Ein detaillierteres Verständnis der Erfindung ist aus der folgenden Beschreibung erhältlich, die beispielhaft angegeben ist und in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen zu verstehen ist, wobei gleiche Bezugszahlen ähnliche oder identische Elemente bezeichnen. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht.

Bei den 1A und 1B handelt es sich um eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Arbeitsgangs für die Planarisierung eines Siliciumwafers mit gleichzeitiger Konditionierung des CMP-Tuchs.
2 ist eine beispielhafte RBSC-Diamant-Mikrostruktur.
3A ist eine beispielhafte Profilometer-Spur eines geläppten diamantverstärkten RBSC-Verbundkörpers.
3B ist ein RBSC-Diamant mit zurückgesetzter Matrix und herausragendem Diamant nach Polieren/Läppen.
Die 4A und 4B sind perspektivische Ansichten der Kontaktoberfläche und der hinteren Oberfläche einer scheibenförmigen CMP-Konditionierer-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4C ist eine perspektivische Ansicht der Kontaktoberfläche einer ringförmigen CMP-Konditionierer-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 5A und 5B veranschaulichen schematisch ein EDM-Verfahren zur Herstellung eines Tuchkonditionierers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 6A und 6B veranschaulichen schematisch ein Gießverfahren zur Herstellung eines Tuchkonditionierers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 7A und 7B veranschaulichen schematisch ein Gießverfahren mit absichtlicher Segregation zur Herstellung eines Tuchkonditionierers gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Bezugnahme hierin auf „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein spezielles Merkmal, eine spezielle Konstruktion oder eine spezielle Eigenschaft, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten sein kann. Die Vorkommnisse des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in der Beschreibung beziehen sich nicht unbedingt alle auf dieseelbe Ausführungsform, und separate oder alternative Ausführungsformen schließen nicht unbedingt andere Ausführungsformen gegenseitig aus. Das gleiche gilt für den Begriff „Ausgestaltung“.
Es versteht sich, dass die Schritte der hier angegebenen beispielhaften Verfahren nicht unbedingt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen und die Reihenfolge der Schritte derartiger Verfahren lediglich beispielhaft ist. Ebenso können zusätzliche Schritte in derartige Verfahren aufgenommen werden und bei Verfahren in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmte Schritte weggelassen oder kombiniert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird das Wort „beispielhaft“ hier so verwendet, dass es als Beispiel, Fall oder Veranschaulichung dienend bedeutet. Jeglicher Aspekt bzw. jegliche Ausführung, der bzw. die hier als „beispielhaft“ beschrieben wird, ist nicht unbedingt als gegenüber anderen Aspekten oder Ausführungen bevorzugt oder vorteilhaft auszulegen. Vielmehr soll die Verwendung des Wortes beispielhaft Konzepte auf konkrete Weise darlegen.
In einer Ausführungsform können auf Siliciumcarbid basierende Körper durch Techniken zur reaktiven Infiltration endkonturnah hergestellt werden. Bei einem Verfahren zur reaktiven Infiltration wird im Allgemeinen geschmolzenes elementares Silicium (Si) mit einer Siliciumcarbid plus Kohlenstoff enthaltenden porösen Masse in einer Vakuum- oder Inertatmosphären-Umgebung in Kontakt gebracht. Es wird eine Benutzungsbedingung erzeugt, was zur Folge hat, dass das geschmolzene Silicium durch Kapillarwirkung in die Masse gezogen wird und dort mit dem Kohlenstoff unter Bildung von zusätzlichem Siliciumcarbid reagiert. Dieses in situ gebildete Siliciumcarbid ist typischerweise miteinander verbunden. Da gewöhnlich ein dichter Körper gewünscht ist, findet das Verfahren typischerweise in Gegenwart von überschüssigem Silicium statt. Der resultierende Verbundkörper enthält somit hauptsächlich Siliciumcarbid, aber auch etwas nicht umgesetztes Silicium (das ebenfalls miteinander verbunden ist), und kann in Kurzschreibweise als Si/SiC bezeichnet werden. Das zur Herstellung derartiger Verbundkörper verwendete Verfahren wird synonym als „Reaktionsformen“, „Reaktionsbinden“, „reaktive Infiltration“ oder „Selbstbinden“ bezeichnet. Zwecks zusätzlicher Flexibilität kann das SiC in der porösen Masse ganz oder teilweise durch ein oder mehrere Materialien, die von SiC verschieden sind, ersetzt werden. Beispielsweise kann durch Ersatz eines Teils dieses SiC durch teilchenförmiges Diamantmaterial ein Diamant/SiC-Verbund erhalten werden. Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung von reaktionsgebundenem SiC mit Diamant ist in der US-PS 8,474,362 , auf die hiermit in vollem Umfang ausdrücklich Bezug genommen wird, offenbart. Die Materialzusammensetzung kann mit verschiedenen Mengen von Diamantgehalten maßgeschneidert werden. Typischerweise weisen diese Zusammensetzungen über das gesamte Volumen des Bauteils einheitlich verteilten Diamant auf. 2 zeigt ein Beispiel für eine Mikrostruktur eines RBSC-Diamant-Verbunds. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM-Aufnahme) wurde von einer Bruchoberfläche angefertigt und zeigt die Aufbauelemente Diamant 21, Siliciumcarbid 23 und elementares Silicium 25. Diamant ist ein Material mit sehr hoher Härte, Wärmeleitfähigkeit, Verschleißfestigkeit, hoher Steifigkeit und niedrigem Reibungskoeffizienten. Diese hohen Eigenschaften werden dem diamanthaltigen Si/SiC verliehen. Es ist auch gezeigt worden, dass das RBSC-Diamant-Material infolge von bevorzugten Materialabtrag während des Polierprozesses so poliert werden kann, dass die Diamanten herausragen und die Matrix zurücksteht (3B). Eine derartige hohe Flachheit des herausragenden Diamanten und eine derartige kontrollierte Höhe von Diamant-Herausragungen bieten signifikante Vorteile bei der Konditionierung der CMP-Tücher.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass zahlreiche Varianten von diamantverstärktem RSBC plausibel sind. Zu den Parametern, die variiert werden können, gehören Diamantgehalt, Größe des teilchenförmigen Diamantmaterials und Form des teilchenförmigen Diamantmaterials.
Genauer gesagt kann der Diamantgehalt auf einen Bereich von etwa 1 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 70 Vol.-% eingestellt werden. Die Diamantverstärkung kann in Form eines teilchenförmigen Materials vorliegen, wobei unter Verwendung von teilchenförmigem Diamantmaterial erfolgreich hergestellte Verbunde nominelle Korngrößen oder mittlere Teilchendurchmesser von 22, 35 bzw. 100 Mikron aufweisen. Zum Vergleich oder zur Kalibrierung hat teilchenförmiges 500-Grit-Material (500 Teilchen pro Zoll) einen mittleren Durchmesser von etwa 13-17 Mikron und durch ein 325-Mesh-Sieb (325 Öffnungen pro Zoll) gehen Teilchen mit einer Größe bis zu etwa 45 Mikron hindurch. Die Matrixkomponente weist in situ hergestelltes SiC und typischerweise etwas nicht umgesetztes elementares Silicium auf, wie oben beschrieben. Die in dem Verbundwerkstoff vorliegende Menge an elementarem Si ist sehr gut einstellbar, wie dem Fachmann bekannt ist; beispielsweise kann sie, bezogen auf das Volumen, einen Hauptteil des Materials (mehr als 50 Vol.-%) ausmachen oder auf weniger als 1 Vol.-% verringert werden. Um eine maschinelle Bearbeitung durch EDM zu ermöglichen, muss die Si-Komponente jedoch möglicherweise für eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit miteinander verbunden sein, was Mengen von mindestens etwa 5-10 Vol.-% nahelegt. Man beachte jedoch, dass im Rahmen eigener Arbeiten ein reaktionsgebundener SiC-Verbund mit etwa 60 Vol.-% teilchenförmigem Diamantmaterial, etwa 30-40 Vol.-% Si und nicht mehr als etwa 10 Vol.-% in situ gebildetem SiC hergestellt wurde.
Entwicklung einer EDM-fähigen Version von diamanthaltigem RBSC
Das Grundprinzip der Elektroerosion ist der Fluss wesentlicher Mengen von elektrischer Energie zwischen einer Elektrode der EDM-Vorrichtung und dem Werkstück (maschinell zu bearbeitenden Körper). Die elektrische Energie liegt in Form eines Funkens oder Lichtbogens vor. Hierbei wird durch den Lichtbogen die miteinander verbundene Si-Matrixkomponente bevorzugt geschmolzen oder verdampft. Dadurch verbleibt die teilchenförmige Diamantmaterialverstärkung im Relief oder ragt aus der umgebenden Si/SiC-Matrix hervor. Es gibt mindestens zwei Arten von Elektroerosion. Bei der üblicheren Variante von EDM geht der Funke oder Lichtbogen von einem Draht aus, was zu einem Schnitt durch das Zielmaterial führt. Bei der Variante von EDM, die für die vorliegende Arbeit am relevantesten ist, befindet sich der Lichtbogen zwischen einer geformten Elektrode und dem Werkstück.
Läppen
Im Zuge eigener Arbeiten wurde entdeckt, dass in einer Ausführungsform auch das Läppen der Oberfläche eines diamanthaltigen Si/SiC-Verbundkörpers diesen Effekt des Herausragens von Diamantteilchen ergibt. Im Einzelnen wird dabei etwas Si/SiC-Material bevorzugt entfernt, wobei die Diamant-Verstärkungsteilchen über den Rest der geläppten Oberfläche herausragen und (ii) die Spitzen der Diamantteilchen abgeschliffen oder abpoliert werden, wobei „Hochebenen“ oder Plateaus, z. B. planarisierte Teilchen, zurückbleiben. Als Läppschleifmittel dient Diamant, wobei die folgenden Grit-Größen in der angegebenen Reihenfolge verwendet werden: teilchenförmiges Material mit einer Größe von 100, 45, 22, 12 und schließlich 6 Mikron. Letzteres wird auf einem weichen Polyurethantuch angewendet, während die anderen Grit-Größen unter Verwendung einer Keramikplatte angewendet werden.
3A zeigt eine Profilometer-Spur des geläppten diamantverstärkten RBSC-Körpers. 3B ist eine Grauskalen-REM-Abbildung desselben geläppten Körpers. Beide Figuren zeigen, dass Si/SiC-Matrixmaterial zwischen Diamant-Verstärkungskörnern „herausgeschöpft“ wurde, dass die Diamantkörner flache Spitzen aufweisen („gekappt“ worden sind) und dass die Kanten der Diamantkörner abgestumpft oder abgerundet sind.
Beispielhafte Verarbeitungsschritte für die Bildung von RBSC mit Diamant sind wie folgt. Siliciumcarbidpulver, Diamantpulver, Wasser und ein Bindemittel werden zu einer Aufschlämmung zusammengemischt. Diese Aufschlämmung wird dann in eine geformte Form gegossen und unter Schwingung zur Kompaktierung der Keramikteilchen zur Bildung einer hohen Packung „zusammenpacken“ oder sedimentieren gelassen. Bei der normalen Verarbeitung werden die Keramik-Teilchengrößen so gewählt, dass sie gut gemischt gehalten werden und nicht segregieren. Am Ende des Gießprozesses wird das überschüssige wässrige Bindemittel entfernt, wonach die Teile aus der Form genommen, getrocknet und karbonisiert werden, was eine selbsttragende poröse Masse ergibt, die als „Vorform“ bezeichnet wird. Das Trocknen kann in Luft in einem Temperaturbereich zwischen etwa 70 °C und 200 °C durchgeführt werden. Durch die Carbonisierung wird das organische Bindemittel pyrolysiert oder verkohlt und in Kohlenstoff umgewandelt. Die Carbonisierung wird in einer nicht oxidierenden Atmosphäre typischerweise eine Temperatur von etwa 600 °C durchgeführt, könnte aber im Bereich von 350 °C bis etwa 1000 °C erfolgen. Bei der nicht oxidierenden Atmosphäre kann es sich um Vakuum oder eine Inertatmosphäre wie Argon, Helium oder Stickstoff handeln.
Als Nächstes wird eine reaktive Infiltration durchgeführt, wodurch geschmolzenes Silicium in die poröse Vorform eingesogen wird, chemisch mit dem nicht als Diamant vorliegenden Kohlenstoff (z. B. dem pyrolysierten Bindemittel) reagiert, aber nicht mit dem Diamant, zumindest nicht in zu hohem Maße, was einen dichten Verbundkörper ergibt. Wiederum ist die Atmosphäre nicht oxidierend, wobei es sich um Vakuum oder Inertgas wie Argon oder Helium handeln könnte. Stickstoffgas könnte bei den Verarbeitungstemperaturen für die reaktive Infiltration gegenüber dem geschmolzenen Silicium reaktiv sein, was vielleicht annehmbar ist, wenn etwas in situ gebildetes Siliciumnitrid in dem gebildeten Verbundkörper gewünscht ist. Das Silicium muss nicht besonders rein sein. Beispielsweise wurde die Infiltration durch 0,5 Gew.-% Eisen als Verunreinigung nicht gestört. Das Vakuum muss nicht besonders hoch sein, und der Reaktionsbindeprozess wird sogar bei Normaldruck in Inertatmosphären wie Argon oder Helium zufriedenstellend ablaufen, insbesondere wenn die Temperatur etwas höher als 1410 °C ist. Die Verarbeitungstemperatur sollte jedoch etwa 2100 °C oder 2200 °C nicht überschreiten, da Bestandteile sich zersetzen oder verflüchtigen oder ihre kristallographische Form ändern können.
Der resultierende Verbundkörper enthält Diamant, SiC und Si-Reste. Die relativen Zusammensetzungen können durch Wahl der Anteile der Ausgangsbestandteile in der Gießmasse maßgeschneidert werden. Wenn die Gießoberfläche (typischerweise die untere Oberfläche) unzureichend flach ist, kann sie mit Diamantschleifscheiben weiter abgeflacht werden.
Diese beispielhaften Verarbeitungsschritte werden verwendet und ergeben typischerweise diamanthaltige Verbundkörper, in denen der Diamant über den gesamten Verbundkörper hinweg einheitlich verteilt ist. Das grundlegende Verfahren kann jedoch auch so modifiziert werden, dass sich eine nicht einheitliche Verteilung von teilchenförmigem Diamantmaterial wie ein funktioneller Gradient ergibt. Beispielsweise kann man beim Sedimentationsgießprozess das Gesetz von Stokes ausnutzen, um eine höhere Konzentration von dichten oder großen teilchenförmigen Körpern an der Unterseite des Gießkörpers relativ zur Konzentration an der Oberseite des Gießkörpers, der nachstehend näher zu beschreiben ist, zu erzeugen. Außerdem kann eine Gießaufschlämmung, die teilchenförmiges Diamantmaterial enthält oder nicht, um eine Schicht von teilchenförmigem Diamantmaterial, Diamantkörnern oder Diamantaggregat, das bzw. die vorher in Position gebracht wurde bzw. wurden, herumgießen, was nach Infiltration einen Verbundkörper ergibt, der die vorher in Position gebrachten Diamantkörper überwiegend an der Oberfläche des Verbundkörpers aufweist, die der unteren Oberfläche des Gießkörpers entsprach. In dieser Ausführungsform kann die Größe der Diamantkörper >100 Mikron sein - beispielsweise 200, 500 oder sogar 1000 Mikron im Durchmesser. Ferner können die Diamantkörper in dieser Ausführungsform im Hinblick auf ihre Position an der Basis der Gießform organisiert seien. Beispielsweise könnten die Diamantkörper nicht einheitlich als Cluster positioniert werden oder wahllos positioniert werden oder einheitlich und nicht wahllos wie in Reihen oder Arrays positioniert werden.
Unter Bezugnahme auf die 4A-4C kann der diamanthaltige Verbundkörper dann an einem Chassis oder vielleicht direkt an dem Arm der zur Konditionierung des CMP-Tuchs verwendeten Maschine angebracht werden. Der Verbundkörper oder das Chassis kann zu diesem Zweck eine Anbringungs- oder Befestigungskonstruktion 41, 43 aufweisen.
Die in Rede stehenden Konditionierer für CMP-Tücher können die allgemeine oder ungefähre Größe wie bekannte Tuchkonditionierer aufweisen, nämlich einen effektiven Durchmesser von etwa 5 bis 20 Zentimeter. In der Draufsicht können sie kreisrund, oval oder wie ein Polygon wie ein Hexagon oder Octagon geformt sein. In jedem Fall ist die für den Kontakt mit dem CMP-Tuch ausgelegte Oberfläche 45, 47 so ausgeführt, dass sie weitgehend flach ist. Wenn die Kontaktoberfläche auch eine Behandlungszone oder -region in einer anderen Höhe als der Rest der Kontaktoberfläche aufweist, ist es die Behandlungszone oder -region, die den größten Teil der Rekonditionierungsarbeit auf dem CMP-Tuch leistet. In jedem Fall ist die Oberfläche, die den Hauptteil der Rekonditionierung des CMP-Tuchs bereitstellt, so ausgeführt, dass sie mit einem hohen Grad an Präzision flach ist, wobei die Extremwerte der abrasiven Diamantteilchen (am weitesten von der Matrix geringerer Höhe entfernte Stellen) innerhalb von 100 Mikron und möglicherweise innerhalb von 50 Mikron und möglicherweise innerhalb von 20 Mikron und möglicherweise innerhalb von 5 Mikron der Planarität liegen. Das heißt, die am weitesten entfernten Punkte oder Oberflächen der herausragenden Diamantteilchen haben eine Höhe, die innerhalb von 100, 50, 20 oder vielleicht 5 Mikron voneinander liegt.
BEISPIELE
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele weiter beschrieben.
BEISPIEL 1: EDM-Verfahren
In diesem Beispiel, das unter Bezugnahme auf die 5A und 5B durchgeführt wurde, wird zunächst ein diamantverstärkter reaktionsgebundener Siliciumcarbidverbund nach herkömmlichen Verfahren hergestellt, aber dann durch Elektroerosion weiterverarbeitet, um die aus der Oberfläche herausragenden Diamanten zu erhalten.
Hier wird der niedrige Diamantgehalt (10-20 %) zur Erzeugung der geforderten Beabstandung des Diamanten 51 in der Si/SiC-Matrix gewählt. Als Nächstes wird die EDM-Elektrode 55 neben der maschinell zu bearbeitenden Oberfläche 57 angeordnet. Durch die EDM werden die Si/SiC-Matrixphasen bevorzugt aus einer Oberfläche der Scheibe (der Oberfläche, die der EDM-Elektrode benachbart ist) entfernt, wobei herausragender Diamant 52 auf der nun zurückstehenden Oberfläche 54 zurückbleibt.
BEISPIEL 2: Gießverfahren ohne absichtliche Segregation
Bei diesem Verfahren, das unter Bezugnahme auf die 6A und 6B beschrieben wird, werden Diamantteilchen oder -körper auf dem Boden einer Gießform angeordnet, wonach eine Vorform auf die Diamantkörper gegossen wird und diese einbettet.
Zunächst wird eine Gießmasse 65 hergestellt. Die Gießmasse enthält die üblichen Bestandteile für die Herstellung einer RBSC-Vorform, aber keine Diamanten. Als Nächstes wird eine Gießform 61 hergestellt. Hier ist die Form so geformt, dass sich eine scheibenförmige Vorform ergibt. Dann werden große Diamantteilchen 63 (z. B. mit einem Durchmesser von 200 Mikron) in einem definierten Muster (quadratisch, hexagonal usw.) am Boden der Gießform angeordnet oder positioniert. Dann wird die keinen Diamant enthaltende Gießmasse 65 in die Form gegossen. Dann werden die übrigen Verfahrensschritte zur Herstellung eines RBSC-Körpers mit Diamant an der Oberfläche (Sedimentation, Entfernung von überschüssigem Bindemittel, Entformen, Trocknen, Carbonisieren und Reaktionsbinden) durchgeführt.
Schließlich wird die diamanthaltige Oberfläche des scheibenförmigen RBSC-Körpers poliert, um die Matrixphase bevorzugt zu entfernen, was herausragenden Diamanten ergibt.
BEISPIEL 3: Gießverfahren mit absichtlicher Segregation
Bei diesem Verfahren, das unter Bezugnahme auf die 7A und 7B beschrieben wird, werden die Diamantteilchen, die einen größeren Durchmesser haben und dichter sind als SiC-Teilchen, während des Sedimentationsprozesses segregieren gelassen, um eine Vorform mit funktionellem Gradienten zu erhalten: die Diamantkonzentration an der Unterseite des Gießkörpers wird größer sein als an der Oberseite des Gießkörpers.
Zunächst wird eine Gießmasse 73 hergestellt, die eine kleine Menge (5-10 %) an grobem Diamanten 75 (z. B. 200 Mikron) enthält. Diese Gießmasse wird dann absichtlich verdünnter gemacht, um ein schnelleres Absetzen von Diamantteilchen im Vergleich zu SiC-Teilchen zu fördern. Die Gießmasse wird dann zur Herstellung einer scheibenförmigen Vorform in eine Form 71 gegossen. Als Nächstes werden Schwingungen an die Gießform angelegt, um den Diamanten 75 absichtlich bevorzugt zur Unterseite der Form hin absetzen zu lassen. Das Absetzen der Teilchen in der Gießmasse wird durch das Gesetz von Stokes bestimmt: $V_{s} = [2 (ρ_{p} - ρ_{f}) {g R}^{2}] / 9 µ$
Hier ist Vs die Absetzgeschwindigkeit, p die Dichte, die tiefgestellten Indices p und f bezeichnen Teilchen und das Fluid, g ist die Gravitationskonstante, R ist der Teilchenradius und µ ist die Fluidviskosität. Somit ist die Endabsetzgeschwindigkeit direkt proportional zur Differenz der Dichten des Teilchens und der Flüssigkeit. Daher werden sich schwerere Teilchen schneller absetzen. Da Diamant (3,54 g/cm³) eine höhere Dichte aufweist als SiC (3,21 g/cm³), setzt er sich schneller ab. Die Absetzgeschwindigkeit ist auch proportional zum Quadrat des Teilchenradius, so dass größere Teilchen im Allgemeinen viel schneller fallen als kleinere Teilchen. Daher wird der Diamantteilchendurchmesser (200 Mikron) so gewählt, dass er bedeutend größer ist als der Teilchendurchmesser des SiC (10-25 Mikron). Die Absetzgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Viskosität des Fluids (Bindemittels). Daher wird die Gießmasse auch absichtlich verdünnter gemacht (geringere Viskosität), um ein schnelleres Absetzen zu fördern.
In der so hergestellten Vorform sollte der größte Teil des Diamanten zur Unterseite der Form segregiert sein. Diese Vorform wird dann den zuvor beschriebenen verbliebenen Verfahrensschritten unterworfen, um einen diamanthaltigen RBSC-Verbundkörper mit einem funktionellen Gradienten zu bilden. Das heißt, eine Seite des Verbundkörpers ist diamantenreich, und die entgegengesetzte Seite ist diamantenarm.
Schließlich wird die diamantenreiche Oberfläche poliert, um die Matrixphase bevorzugt zu entfernen, was herausragenden Diamanten ergibt.
Konzept von „Behandlungszonen“ und ringförmigen/toroidalen Formen
Bis zu diesem Punkt wurde es fast angenommen, dass die Kontaktoberfläche im Allgemeinen scheibenförmig ist und dass diese im Allgemeinen scheibenförmige Oberfläche mit der Polieroberfläche des CMP-Tuchs in planaren Kontakt kommt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen dies zwar nicht aus, sind aber auch nicht darauf beschränkt. Im Einzelnen kann die Kontaktierungsoberfläche eine oder mehrere Zonen oder Regionen aufweisen, die im Hinblick auf andere Regionen auf der Oberfläche erhöht sind. Somit würden diese erhöhten Regionen während der Rekonditionierung einen größeren Druck auf das CMP-Tuch ausüben als andere Regionen, selbst wenn die anderen Regionen immer noch mit dem CMP-Tuch in nominellen Kontakt kommen. Beispielsweise wurde im Zuge eigener Arbeiten kürzlich entdeckt, dass eine ringförmige Oberfläche bei einer Anwendung, die von der in Rede stehenden erfindungsgemäßen Anwendung verschieden ist, eine sehr wünschenswerte Form für ein Läppwerkzeug darstellt.
Ein minimal eingeschränktes Läppwerkzeug (beispielsweise mit Hilfe eines Kugelgelenks geträgert) kann über eine unebene Oberfläche bewegt werden. Das Läppwerkzeug wird sich an die unebene Oberfläche anpassen, aber auch inhärent schroffe Stellen oder andere hohe Punkte abradieren und dadurch die Flachheit wiederherstellen. Unter Bezugnahme auf 4C, die eine Ausführungsform des in Rede stehenden Konditionierers für CMP-Tücher veranschaulicht, können die Innenkante und die Außenkante des ringförmigen Körpers abgerundet sein oder mit einem Radius versehen sein, der dabei hilft, die Kontaktoberfläche daran zu hindern, dass sie sich in das CMP-Tuch eingräbt, das CMP-Tuch einreißt oder in dem CMP-Tuch Furchen bildet. Somit kann der ringförmige Konditionierungskörper eine toroidale Form annehmen.
Außerdem kann die ringförmige oder toroidale Behandlungszone mit einem anderweitig scheibenförmigen Körper integriert sein, um eine allgemein planare Kontaktoberfläche bereitzustellen, aber mit einer etwas erhöhten und ringförmigen Behandlungszone in der Nähe der Peripherie der Scheibe. In dieser Ausführungsform kann die Kontaktoberfläche mit ringförmiger erhabener Behandlungszone durch selektives Läppen, Elektroerosion oder durch Bereitstellen einer Form zum Gießen einer derartigen Kontaktoberfläche der Vorform-Vorstufe des Verbundwerkstoffs hergestellt werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollten sofortige Anwendung in der Halbleiterfertigungsindustrie finden, z. B. zur Rekonditionierung von Tüchern für die chemisch-mechanische Planarisierung (CMP). Der mit der Oberfläche des CMP-Tuchs in Kontakt stehende Verbundwerkstoff ist gegenüber den bei der CMP verwendeten Chemikalien sehr beständig. Außerdem ist das teilchenförmige Diamantschleifinittel in eine Matrix eingebettet, zu der es hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten gut passt, wodurch innere Spannungen verringert werden, die zumindest teilweise dafür verantwortlich sein können, dass sich das Diamantschleifmittel bei Rekonditionierungswerkzeugen des Standes der Technik von dem Substrat ablöst. Ferner ist die in Rede stehende Behandlungsoberfläche so ausgeführt, dass die herausragenden Diamantteilchen um nicht mehr als etwa zur Hälfte aus der umgebenden oder einbettenden Matrix herausragen.
Die Behandlungszone oder -region ist die Zone oder Region der Kontaktierungsoberfläche, die für die Rekonditionierung des CMP-Tuchs am meisten verantwortlich ist. Diese Behandlungszone oder -region kann scheibenförmig oder ringförmig sein. Eine Ringform hat insofern bestimmte Vorteile, als sie natürlicherweise zur Rekonditionierung der Tuchoberfläche zurück zu einem flachen Zustand neigt; das heißt, diese Form neigt natürlicherweise dazu, hohe Punkte auf dem CMP-Tuch zu entfernen. Der Innenkante und Außenkante des Kreisrings oder der ringförmigen Behandlungszone kann ein Radius verliehen werden; das heißt, dem Ring kann eine leicht toroidale Form gegeben werden. Durch das Versehen einer Kante mit einem Radius kann das Risiko verringert werden, dass während der Konditionierung in dem CMP-Tuch Furchen entstehen.
Wenngleich sich ein großer Teil der vorstehenden Diskussion auf das spezifische Thema der Konditionierung der Polieroberfläche eines Tuchs für die chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) konzentriert hat, sind für den Durchschnittsfachmann andere Anwendungen ersichtlich, die eine Rekonditionierung einer zuvor flachen Oberfläche erfordern, insbesondere wo sich auf einer derartigen Oberfläche Trümmerteile angesammelt haben, und wo es wichtig ist, dass sich das für eine derartige Rekonditionierung verwendete Schleifmittel nicht von seinem Substrat ablöst. Für den Fachmann sind andere Anwendungen ersichtlich, bei denen das Rekonditionierungswerkzeug korrosionsbeständig sein sollte.
Für den Fachmann wird ersichtlich sein, dass an der hier beschriebenen Erfindung verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich oder Gedanken der Erfindung gemäß der in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Definition abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/319283 [0001]
US 8474362 [0016]

Claims

Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung, umfassend: einen Körper, der zum Konditionieren eines CMP-Tuchs ausgelegt ist, wobei der Körper eine Oberfläche, die zum Kontaktieren der Polieroberfläche eines CMP-Tuchs während des Konditionierens der Polieroberfläche des Tuchs ausgelegt ist, aufweist; wobei die Kontaktierungsoberfläche des Körpers einen Verbundwerkstoff mit einem teilchenförmigen Diamantmaterial, das in eine Siliciumcarbid enthaltende Matrix eingebettet ist, umfasst; und wobei mindestens ein Teil des teilchenförmigen Diamantmaterials an der Kontaktierungsoberfläche aus der Matrix herausragt.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach Anspruch 1, wobei die Kontaktierungsoberfläche ferner eine Behandlungszone umfasst.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach Anspruch 2, wobei die Behandlungszone planar ist.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanischc Planarisierung nach Anspruch 2, wobei die Behandlungszone ringförmig ist.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach Anspruch 2, wobei sich die Spitzen der herausragenden Diamantteilchen auf einer Höhe befinden, die innerhalb von 100 Mikron voneinander liegt.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach Anspruch 2, wobei mindestens das teilchenförmige Diamantmaterial in der Behandlungszone planarisiert ist.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach Anspruch 5, wobei die Behandlungszone eine Ebene definiert und ferner wobei ein Punkt auf weitgehend allen der herausragenden Diamantteilchen, der von der Matrix am weitesten entfernt ist, innerhalb von etwa 50 Mikron der Ebene liegt.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach Anspruch 1, wobei das teilchenförmige Diamantmaterial in dem Verbundwerkstoff einen Konzentrationsgradienten aufweist, der sich reziprok zum Abstand von der Kontaktierungsoberfläche ändert.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei die herausragenden Diamantteilchen um nicht mehr als etwa 50 % ihrer Größe aus der umgebenden Matrix herausragen.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei die herausragenden Diamantteilchen eine Größe in einem Bereich von 20 Mikron bis 100 Mikron aufweisen.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei die herausragenden Diamantteilchen um einen Betrag in einem Bereich von 10 bis 500 Mikron über die umgebende Matrix herausragen.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei die herausragenden Diamantteilchen geclustert sind.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei die herausragenden Diamantteilchen in einem Array angeordnet sind.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei die herausragenden Diamantteilchen wahllos angeordnet sind.
Konditionierer für ein Tuch für die chemisch-mechanische Planarisierung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, ferner umfassend eine Konstruktion zum Anbringen an einer Maschine zum Konditionieren eines Tuchs für die chemisch-mechanische Planarisierung.
Verfahren zur Rckonditionicrung eines Tuchs für die chemisch-mechanische Planarisierung, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Tuchs für die chemisch-mechanische Planarisierung, der auf einem starren Substrat mit einer zum Substrat senkrechten Achse befestigt ist, wobei das Tuch eine Polierseite und eine der Polierseite gegenüberliegende Seite aufweist, wobei die gegenüberliegende Seite das starre Substrat kontaktiert; Bereitstellen eines Tuchkonditionierungskörpers mit einer Kontaktoberfläche und einer zur Kontaktoberfläche senkrechten Achse, wobei die Kontaktoberfläche einen Verbundwerkstoff mit einem teilchenförmigen Diamantmaterial, das in eine Siliciumcarbid enthaltende Matrix eingebettet ist, enthält, wobei mindestens ein Teil des teilchenförmigen Diamantmaterials an der Kontaktierungsoberfläche aus der Matrix herausragt; Inkontaktbringen der Kontaktoberfläche mit der Polierseite des Tuchs derart, dass die Achse des starren Substrats und die Achse des Konditionierungskörpers parallel sind, und Bewegen der Kontaktoberfläche über die Polierseite auf eine solche Weise, dass ein Bereich von Abständen zwischen den Achsen durchlaufen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend das Versorgen der Polierseite mit einer Flüssigkeit mindestens während des Bewegungsschritts.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Kontaktoberfläche ferner eine Behandlungszone umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Behandlungszone planar ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Behandlungszone ringförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei sich die Spitzen der herausragenden Diamantteilchen auf einer Höhe befinden, die innerhalb von 100 Mikron voneinander liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei mindestens das teilchenförmige Diamantmaterial in der Behandlungszone planarisiert ist.
Maschine zum Konditionieren eines Tuchs für die chemisch-mechanische Planarisierung, umfassend: einen Arm mit einem ersten and und einem zweiten Ende; einen Körper, der eine Oberfläche, die zum Konditionieren der Polieroberfläche eines Tuchs für die chemisch-mechanische Planarisierung ausgelegt ist, aufweist, wobei der Körper am ersten Ende des Arms angebracht ist; das zweite Ende des Arms an einem Mittel zum Bewegen der Kontaktoberfläche des Körpers über die Polieroberfläche des Tuchs für die chemisch-mechanische Planarisierung angebracht ist; wobei die Kontaktoberfläche einen Verbundwerkstoff mit einem teilchenförmigen Diamantmaterial, das in eine Siliciumcarbid enthaltende Matrix eingebettet ist, enthält, wobei mindestens ein Teil des teilchenförmigen Diamantmaterials an der Kontaktierungsoberfläche aus der Matrix herausragt.