TWI422466B

TWI422466B - 鑽石研磨工具及其製造方法

Info

Publication number: TWI422466B
Application number: TW100103342A
Authority: TW
Inventors: Kuen Shyang Hwang
Original assignee: Advanced Surface Tech Inc
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2014-01-11
Also published as: TW201231222A

Description

鑽石研磨工具及其製造方法

本發明係關於一種研磨工具及其製造方法，特別是一種鑽石研磨工具及其製造方法。

晶圓代工係我國最重要的工業之一，在晶圓代工產業中，矽晶圓扮演了相當重要的角色。而在對矽晶圓進行各種化學或物理製程前，必須先對其進行精密的表面研磨拋光手續，使矽晶圓之表面平坦化。

請參照第1圖，為化學機械研磨裝置示意圖，最普遍之矽晶圓研磨製程係利用化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)的方式來進行。所謂化學機械研磨係指在研磨液101中加入可與矽晶圓100產生化學反應之化學藥品，以縮短將矽晶圓100研磨至平坦所需的時間，此種結合「化學」與「機械」原理之研磨方式即稱為「化學機械研磨」。化學機械研磨製程係將研磨液101分布在研磨墊102表面，然後透過研磨墊102的旋轉對矽晶圓100進行研磨拋光手續，其中，最廣為業者所使用之研磨墊102的材質係為發泡PU(Poly Urethane，聚氨酯)。

由於研磨過程中會不斷產生磨屑，而原先分散良好的研磨粒子也容易在研磨過程中發生團聚，無論是磨屑或是團聚的研磨粒子皆會堵塞研磨墊102的氣孔，進而降低研磨拋光功效。因此有必要額外透過一種鑽石研磨工具1(鑽石修整器)對研磨墊102的表面進行修整，以將研磨墊102修整至良好的表面狀態。

因此，本發明提出一種鑽石研磨工具，包含金屬基板、複數鑽石粒子以及結合層。金屬基板包含至少一佈鑽區，而結合層係固定鑽石粒子於金屬基板之佈鑽區上。每一鑽石粒子之表面具有一接著區與一裸露區，鑽石粒子之接著區係嵌入結合層中，裸露區則是凸出於結合層外。結合層包含鈮、磷及鎳，鈮的含量係在0.5 wt%至10 wt%之範圍中，磷的含量係在7.5 wt%至15 wt%之範圍中，鎳的含量則不大於92 wt%。

本發明也提出一種鑽石研磨工具的製造方法，包含下列步驟：提供包含至少一佈鑽區之金屬基板；設置鑽石結合材料於金屬基板之佈鑽區上，鑽石結合材料包含鈮、磷及鎳，鈮的含量係在0.5 wt%至10 wt%之範圍中，磷的含量係在7.5 wt%至15 wt%之範圍中，鎳的含量則不大於92 wt%；設置複數鑽石粒子於鑽石結合材料上，每一鑽石粒子的表面包含接著區與裸露區；加熱鑽石結合材料至熔融溫度以上；以及冷卻鑽石結合材料。

本發明將鎳、磷、鈮等元素依照特定比例製作成鑽石結合材料，所添加的鈮元素提高了熔融鑽石結合材料與鑽石粒子之間的潤濕性與結合性，使鑽石粒子穩固地結合於金屬基板上，進而提升鑽石研磨工具的機械性質以及使用壽命。

請參照第2圖與第3圖，分別為本發明之鑽石研磨工具俯視圖(一)與剖面圖(一)，在本發明之第一實施例中，鑽石研磨工具1包含金屬基板11、複數鑽石粒子12以及結合層13。金屬基板11具有一佈鑽區111，每一鑽石粒子12的表面具有接著區121與裸露區122，結合層13固定鑽石粒子12於金屬基板11之佈鑽區111上。此外，鑽石粒子12之接著區121係嵌入結合層13中，裸露區122係凸出於結合層13外，其中，結合層13包含鈮、磷及鎳，鈮的含量係在0.5 wt%至10 wt%之範圍中，磷的含量係在7.5 wt%至15 wt%之範圍中，鎳的含量則不大於92 wt%。

在本發明之第二實施例中，結合層13之鈮的含量係在1 wt%至5 wt%之間，磷的含量係在9 wt%至14 wt%之間。除此之外，本實施例之結合層13可進一步包含摻雜元素，所述摻雜元素係選自鉭、硼、鈦、矽、鋯、鉿、鉬、鎢、鐵、鉻、鋁、錳及其組合所構成之群組，且所述摻雜元素之含量係小於5 wt%。

在本發明之第三實施例中，結合層13之鈮的含量係在1.5 wt%至3 wt%之範圍中，磷的含量係在9 wt%至14 wt%之範圍中。

在本發明之第四實施例中，其係於第一實施例之結合層13中進一步添加摻雜元素，所述摻雜元素係選自鉭、硼、鈦、矽、鋯、鉿、鉬、鎢、鐵、鉻、鋁、錳及其組合所構成之群組，且所述摻雜元素之含量係小於1.9wt%。

在本發明之第五實施例中，結合層13包含鈮元素聚集層14，鈮元素聚集層14係形成於鑽石粒子12之接著區121上，且在鈮元素聚集層14中，鈮的含量係大於20wt%。鈮元素聚集層14的生成係由於鈮原子與碳原子有形成碳化鈮以減少自由能的傾向，故當溫度加熱至880℃至1050℃之間時，結合層13中的鈮原子會朝鑽石粒子12移動而形成鈮元素聚集層14，進而強化了鑽石粒子12與結合層13之間的結合力。

在本發明之第六實施例中，如第4圖所示，鑽石研磨工具2更包含耐腐蝕層15，其披覆於結合層13上，耐腐蝕層15係選自電鍍鎳、陶瓷鍍膜、類鑽碳膜及高分子膜之一。

在本發明之第七實施例中，如第5圖所示，鑽石研磨工具3之金屬基板11包含複數佈鑽區211，每一佈鑽區211彼此係相間隔，其中鑽石粒子12係藉由結合層13固定於佈鑽區211上。

請參照第6圖，為本發明之鑽石研磨工具之製造方法流程圖，包含下列步驟：

步驟S1：提供金屬基板。

本步驟之金屬基板包含至少一佈鑽區。

步驟S2：設置鑽石結合材料。

本步驟係將鑽石結合材料設置於金屬基板之佈鑽區上，所述鑽石結合材料包含鈮、磷及鎳，鈮的含量係在0.5wt%至10wt%之範圍中，磷的含量係在7.5wt%至15wt%之範圍中，鎳的含量則不大於92wt%。

步驟S3：設置鑽石粒子。

本步驟係將鑽石粒子設置於鑽石結合材料上，每一鑽石粒子的表面包含一接著區與一裸露區，且鑽石粒子可以以預設的圖案間距進行排列或是隨機排列。當將鑽石粒子以預設的圖案間距進行排列時，有助於提高化學機械研磨的精確度。

步驟S4：加熱鑽石結合材料。

本步驟係對鑽石結合材料加熱至880℃至1050℃之間，使鑽石結合材料熔融而覆蓋鑽石粒子之接著區。

於本步驟中，鑽石粒子之接著區上形成一鈮元素聚集層。鈮元素聚集層的形成原因如同前述，係因結合層中的鈮往鑽石粒子移動並進一步形成碳化鈮所致。

步驟S5：冷卻。

本步驟係將熔融的鑽石結合材料予以冷卻，此時鑽石粒子之接著區係嵌入鑽石結合材料中，裸露區則裸露於鑽石結合材料外。

本實驗之主要配方及製程條件如下表所示：

請參照第7A圖與第7B圖，第7A圖為使用鎳、磷作為結合層之鑽石研磨工具的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)剖面圖，第7B圖為本發明之鑽石研磨工具的掃描式電子顯微鏡剖面圖。由第7A圖可發現使用鎳、磷作為結合層之鑽石研磨工具，其鑽石粒子12與結合層93之間並未形成新的顯微組織。再將第7A圖與第7B圖作一比對，可發現本發明之結合層13與鑽石粒子12之間形成一顯微組織。再請進一步參照第7C圖，為電子微探儀(Electron Probe Micro-Analyzer,EPMA)分析圖，其係將第7B圖之顯微組織進一步以EPMA分析。分析結果顯示，結合層13與鑽石粒子12的接觸面之間的顯微組織係為鈮元素聚集層14。鈮元素聚集層14的生成可提高結合層13與鑽石粒子12間的結合強度。

此外，請參照第8A圖與第8B圖，分別為本發明之鑽石研磨工具之掃瞄式電子顯微鏡微結構圖(一)、(二)。如圖所示，可發現結合層13在鑽石粒子12表面間的潤濕性非常良好，其係因為結合層13中含有鈮的緣故。

本發明之鑽石研磨工具的製造方法中所使用的鑽石結合材料可製作成預合金粉的形態，其粒徑介於1 μm至300 μm之間。此種方式具有微觀組成均勻的優點，但也因預合金粉的成分比例已經固定，導致各種組成之鑽石結合材料必須個別製作以及個別備料，因而提高備料成本。

本發明之鑽石結合材料亦可以是混合粉的型態，例如先將磷及鎳等二種成分製作成預合金粉，再依配方混入鈮粉末以及其他少量(少於5 wt%)摻雜元素之粉末；此外，亦可直接將磷、鎳及鈮的單一粉末依據配方予以混合，例如將11 wt%的磷與89 wt%的鎳(磷與鎳的共晶組成)製作成預合金粉，然後再與適當比例的鈮粉末混合而形成本發明之鑽石結合材料。相較於預合金粉，此種方式所得之鑽石結合材料的組成均勻度較低，但因可依照配方調配成不同組成之鑽石結合材料，故備料成本較為低廉。

本發明所提出之鑽石研磨工具特別適合用以修整化學機械研磨製程中之研磨墊，其可將堵塞研磨墊之氣孔的堵塞物予以刮除，使研磨墊回復良好的表面型態。

雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1、2、3．．．鑽石研磨工具

100．．．矽晶圓

101．．．研磨液

102．．．研磨墊

11．．．金屬基板

111、211．．．佈鑽區

12．．．鑽石粒子

121．．．接著區

122．．．裸露區

13、93．．．結合層

14．．．鈮元素聚集層

15．．．耐腐蝕層

第1圖為化學機械研磨裝置示意圖。

第2圖為本發明之鑽石研磨工具俯視圖(一)。

第3圖為本發明之鑽石研磨工具剖面圖(一)。

第4圖為本發明之鑽石研磨工具剖面圖(二)。

第5圖為本發明之鑽石研磨工具俯視圖(二)。

第6圖為本發明之鑽石研磨工具之製造方法流程圖。

第7A圖為使用鎳、磷作為結合層之鑽石研磨工具的掃描式電子顯微鏡剖面圖。

第7B圖為本發明之鑽石研磨工具的掃描式電子顯微鏡剖面圖。

第7C圖為電子微探儀分析圖。

第8A圖為本發明之鑽石研磨工具之掃瞄式電子顯微鏡微結構圖(一)。

第8B圖為本發明之鑽石研磨工具之掃瞄式電子顯微鏡微結構圖(二)。

1．．．鑽石研磨工具

11．．．金屬基板

111．．．佈鑽區

12．．．鑽石粒子

121．．．接著區

122．．．裸露區

13．．．結合層

14．．．鈮元素聚集層

Claims

一種鑽石研磨工具，包含：一金屬基板，包含至少一佈鑽區；複數鑽石粒子，每一該鑽石粒子之表面具有一接著區與一裸露區；以及一結合層，固定該些鑽石粒子於該金屬基板之該佈鑽區上，該些鑽石粒子之該接著區係嵌入該結合層中，該裸露區係凸出於該結合層外；其中，該結合層包含鈮、磷及鎳，鈮的含量係在0.5 wt%至10 wt%之範圍中，磷的含量係在7.5 wt%至15 wt%之範圍中，鎳的含量則不大於92 wt%。
如申請專利範圍第1項之鑽石研磨工具，其中，該結合層之鈮的含量係在1 wt%至5 wt%之間，磷的含量係在9 wt%至14 wt%之間。
如申請專利範圍第2項之鑽石研磨工具，其中，該結合層更包含一摻雜元素，該摻雜元素係選自：鉭、硼、鈦、矽、鋯、鉿、鉬、鎢、鐵、鉻、鋁、錳及其組合所構成之群組，且該摻雜元素之含量係小於5 wt%。
如申請專利範圍第1項之鑽石研磨工具，其中，該結合層之鈮的含量係在1.5 wt%至3 wt%之範圍中，磷的含量係在9 wt%至14 wt%之範圍中。
如申請專利範圍第1項之鑽石研磨工具，其中，該結合層更包含一摻雜元素，該摻雜元素係選自：鉭、硼、鈦、矽、鋯、鉿、鉬、鎢、鐵、鉻、鋁、錳及其組合所構成之群組，且該摻雜元素的含量小於1.9 wt%。
如申請專利範圍第1項之鑽石研磨工具，其中，該結合層包含一鈮元素聚集層，形成於該些鑽石粒子之該接著區上，該鈮元素聚集層之鈮的含量係大於20 wt%。
如申請專利範圍第1項之鑽石研磨工具，更包含：一耐腐蝕層，披覆於該結合層之表面，該耐腐蝕層係選自電鍍鎳、陶瓷鍍膜、類鑽碳膜及高分子膜之一。
如申請專利範圍第1項之鑽石研磨工具，其中該金屬基材包含複數佈鑽區，且該些佈鑽區彼此相間隔。
如申請專利範圍第1項之鑽石研磨工具，係適用於化學機械研磨製程。
一種鑽石研磨工具的製造方法，包含：提供一金屬基板，該金屬基板包含至少一佈鑽區；設置一鑽石結合材料於該金屬基板之該佈鑽區上，該鑽石結合材料包含鈮、磷及鎳，鈮的含量係在0.5 wt%至10 wt%之範圍中，磷的含量係在7.5 wt%至15 wt%之範圍中，鎳的含量則不大於92 wt%；設置複數鑽石粒子於該鑽石結合材料上，每一該鑽石粒子之表面包含一接著區與一裸露區；加熱該鑽石結合材料至熔融溫度以上；以及冷卻該鑽石結合材料。
如申請專利範圍第10項之鑽石研磨工具的製造方法，於加熱該鑽石結合材料步驟中，係加熱至880℃至1050℃之間。
如申請專利範圍第10項之鑽石研磨工具的製造方法，其中該金屬基板包含複數佈鑽區，且該些佈鑽區彼此相間隔，且該些鑽石粒子可以以預設的圖案間距進行排列或是隨機排列。