TWI462799B

TWI462799B - 化學機械研磨墊調節器及其製造方法

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Publication number: TWI462799B
Application number: TW100136746A
Authority: TW
Inventors: Byung Ki Kim; Jun Ho Song; Jeong Kim; Mun Seak Park; Shin Kyung Kim
Original assignee: Shinhan Diamond Ind Co Ltd
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2014-12-01
Also published as: TW201315571A

Description

化學機械研磨墊調節器及其製造方法

本發明是有關於化學機械研磨(chemical mechanical polishin，CMP)墊調節器及其製造方法，且更特別是有關於一種化學機械研磨墊調節器及其製造方法，此種調節器的製作為藉由雷射製程在基板之表面上形成數十到數百微米大小的凸出部，以及在凸出部上形成包括數微米大小的微凸出部的鑽石薄膜。

在多種產業中，化學機械研磨(CMP)製程用以研磨特定工件的表面。尤其，在諸如半導體裝置、微型電子裝置、電腦產品或其類似者的製造領域中，CMP製程主要用於研磨陶瓷、矽、玻璃、石英、金屬和/或其晶圓。在CMP製程中，使用面向諸如晶圓或其類似者等工件旋轉的CMP墊。此外，在CMP製程期間，將研磨粒和含有化學材料的液態泥漿加至CMP墊。

在半導體裝置的製造領域中，由於CMP製程期間中會在晶圓上產生刮痕或缺陷，使半導體裝置的產量和生產率下降。尤其是，在CMP製程中，會對應於晶圓直徑而使用大尺寸CMP墊來平坦化具有較大直徑的晶圓，如此一來會進一步增加施加於晶圓和CMP墊的衝擊力和壓力，且增加了由泥漿和外來材料引起的污染頻率及缺陷(例如刮痕或其類似者)。

在CMP製程之研磨品質中，特別重要的是將研磨粒的分布維持在廣泛散佈於整個CMP墊的狀態。CMP墊的頂端部分通常藉由可決定CMP墊的效能的機構(例如纖維或小空隙)來支撐研磨粒。因此，為了維持CMP墊的效能，CMP墊的頂端纖維結構需保持在直立狀態並盡可能具有彈性，且要充分確保CMP墊中具有能接收新的研磨粒的多餘空隙。為了達成此目的，必須藉由CMP墊調節器調節來調整或修整CMP墊。

根據相關領域，已進行許多技術研究，以使研磨墊使用小壓力進行有效地研磨及避免表面粗糙和避免鑽石顆粒的分離。在所述技術中，已提出一種製造CMP墊調節器的技術，其藉由機械研磨或切割製程在基板上形成規律排列的凸出部，且在所述凸出部之表面上沉積鑽石(KR 10-0387954)，其中凸出部藉由具有寬/高度的凹溝彼此分離且具有近似四角錐之形狀，所述基板例如是陶瓷、硬金屬合金或類似者。根據相關領域之技術特徵，於基板的凸出部上提供尖稜邊(sharp edge)，且藉由此稜邊之切割特性來修整CMP墊。在此，沉積具有高強度的鑽石薄膜來強化材料。

然而，在凸出部中有角形稜邊(angled edge)的情況下，堆疊在凸出部上的鑽石薄膜可能由於稜邊而輕易地分離/分層。此為藉由沉積鑽石材料在基板的表面上形成薄膜時，在平坦的表面上能順利進行沉積的原因。然而，無法在尖稜邊上進行令人滿意的鑽石沉積或生長。圖10的照片顯示鑽石薄膜在由機械製程形成的凸出部上發生分層的現象。

另外，根據相關領域，即使能透過切割製程在基板的表面上形成凸出部，但實質上無法根據需求而任意地調整凸出部的形狀，或分別控制凸出部的尺寸。

本發明的目的是提供化學機械研磨(CMP)墊調節器及其製造方法。化學機械研磨墊調節器包含在基板的表面上的凸出部和沉積在凸出部上的鑽石薄膜，並且具有改良的結構。在此改良結構中，凸出部形成於基板之表面上，因此凸出部不會具有角形稜邊，因而可確實地形成覆蓋凸出部的鑽石薄膜。其中，具有數微米大小且在生長鑽石薄膜時形成的凸出部主要用於研磨。

根據本發明的例示性實施例，提供一種化學機械研磨墊調節器，其包括基板和鑽石薄膜。基板由陶瓷或硬金屬合金製成，且包括形成於基板的至少一表面上的多個凸出部。為了使多個凸出部的頂端和傾斜側邊上不具有角形稜邊，透過雷射製程形成多個凸出部。鑽石薄膜是沉積方式形成，以覆蓋多個凸出部，其中鑽石薄膜包含粗糙研磨表面，粗糙研磨表面上形成有具有數微米大小的微凸出部。

每一個凸出部可具有山丘形狀，山丘形狀的頂端面積小於山丘形狀的底端面積，且頂端面積可小於或等於100平方微米。

鑽石薄膜可透過化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)形成。

每一個凸出部的頂端的正切線和每一個凸出部的側邊的正切線之間的夾角可等於或大於100度。

多個凸出部的高度差異可等於或小於20微米。

可在每一個凸出部附近形成凹凸圖案，凹凸圖案具有重複的凸部和凹部。

基板可能由含Si₃ N₄ 的陶瓷製成。

可以群組的方式形成具有不同的高度和大小的兩種或兩種以上的凸出部。

根據本發明的另一例示性實施例，提供一種CMP墊調節器的製造方法，包括：(a)在由陶瓷或硬金屬合金製成之基板的表面上形成多個凸出部；以及(b)沉積鑽石薄膜，以覆蓋多個凸出部，其中在步驟(a)中，透過雷射製程形成凸出部，以使得凸出部的頂端和凸出部的側邊上不具有角形稜邊。

在步驟(a)中，可藉由在基板的表面上照射雷射光束的方法形成凸出部，且在照射雷射光束的同時改變重疊的間隔。更特定而言，雷射光點具有高斯分佈的強度分佈，以致雷射光束照射在基板的表面上時，形成如圖9所示之具有坡度的凹溝(ditch)。在此，根據雷射光束的基本特徵、輸出量、照射時間或類似者，藉由一次照射方式決定凹溝的深度和形狀。在圖9中，藉由以固體雷射光束處理Si₃ N₄ 燒結體(sintered body)來形成凸出部。當雷射光束以重疊組合方式(overlapped scheme)照射凸出部的附近時，凸出部的形狀和在凸出部的附近的凹凸圖形(凸部、凹部)可根據例如光束照射間隔或類似者等條件而調整。

在步驟(a)中，可藉由重疊組合的雷射光束照射在基板的表面上，在凸出部的附近形成凹凸圖案。

在步驟(a)中，將凸出部形成為每一個凸出部的頂端面積小於或等於100平方微米。

可將凸出部形成為每一個凸出部頂端的正切線和每一個凸出部底端的正切線之間的夾角等於或大於100度。

在步驟(b)中，透過CVD，可將具有微凸出部的鑽石薄膜沉積於基板的表面上。

在進行步驟(a)中的雷射製程之後，可藉由酸/鹼溶液對全部或部分的基板進行處理，以移除氧化物膜或殘留物。

在步驟(a)中進行雷射製程之前或之後，所述方法可能進一步包括加工凸出部，以分離凸出部。

可使用二氧化碳氣體雷射光束、銨固體雷射光束或光纖雷射光束(fiber laser beam)來進行雷射製程。

在步驟(b)中，可使用熱絲CVD法。

如上所述，根據本發明的例示性實施例，多個不具有角形稜邊的凸出部可透過雷射製程形成在基板的表面上，因此可在凸出部形成的表面上，確實地形成鑽石薄膜。

根據相關領域之CMP墊調節器，其凸出部的稜邊主要執行研磨的功能，然而，不同的是，根據本發明例示性實施例的CMP墊調節器，主要執行研磨功能的是位於鑽石薄膜上且具有數微米大小的微凸出部，其中鑽石薄膜是形成於不具有角形稜邊的凸出部上。因此，可改良CMP墊調節器的效能，且可抑制鑽石薄膜的分離/分層，其中造成鑽石薄膜的分離/分層的原因包括沉積阻塞及/或在現存角形凸出部之稜邊附近生長的鑽石薄膜。另外，根據本發明例示性實施例的CMP墊調節器，其包括透過雷射製程在基板之凸出部附近形成的凹凸圖案。此凹凸圖案可順利地混合泥漿，由此可改良CMP墊調節器的效能。

圖1是根據本發明一個例示性實施例的CMP墊調節器的局部放大剖面圖。參見圖1，根據本實施例，CMP墊調節器1包括由陶瓷或硬金屬合金(例如燒結碳化物)製成的板形基板10，以及沉積在基板10表面上的鑽石薄膜20。當基板10由陶瓷材料製成時，基板可能主要由氮化矽(Si₃ N₄ )製成。透過雷射製程在基板10的表面上形成多個凸出部11，其中多個凸出部11具有大約20微米或更小的高度差異，換言之，多個凸出部11具有相當一致的高度。藉由使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition)製程將鑽石材料沉積在基板10的表面上，以形成鑽石薄膜20。鑽石薄膜20包括粗糙研磨表面，此表面上形成有具數微米(大約1微米或更大)的微凸出部21。

圖2是圖1所繪示的CMP墊調節器的基板的放大剖面圖。參見圖2，在基板的表面上的凸出部11是以放大的狀態顯示。凸出部11具有山丘形狀，其中凸出部的頂端具有比凸出部的底端更小的面積。凸出部的頂端具有特別小的面積，所述面積為100平方微米或更小。每一個凸出部11的頂端的正切線L1和其傾斜側邊的正切線L2之間的夾角A被定義為約100度或更大的角度。

因此，可將每一個凸出部11形成為具有略尖的形狀。然而，凸出部11的頂端可形成為具有沒有銳利頂點的平滑曲線表面。可透過雷射製程來形成凸出部11，使得凸出部11的頂端和傾斜側邊上沒有角形稜邊。透過雷射製程形成凸出部11的一種方法將在以下詳細描述。

另外，基板 10包括凹凸圖案，在凹凸圖案中有凸部r和凹部v，凸部r和凹部v是連續地且重複地形成在凸出部11附近之基板的表面上。當調整凹凸圖案的形狀、大小和類似者時，可在CMP墊的調節製程中大略混合泥漿，由此改良CMP墊調節器的CMP調節效能(參見圖3b)。凸部r和凹部v的重複的圖案(也就是凹凸圖案)也可透過雷射製程輕易地形成。亦即，凸部r和凹部的重複的圖案可藉由連續地以重疊組合形式雷射光束照射基板10的表面而形成。

再一次參見圖1，形成鑽石薄膜20以具有約略一致的厚度，如此覆蓋全部的凸出部11，且凸出部11不具有角形稜邊。因此，藉由CVD製程，鑽石薄膜20可更確實地沉積在凸出部11上。也就是說，存在凸出部11中的凹凸表面(其在鑽石薄膜20的凹凸表面中)或微凸出部主要用來執行研磨功能。因此，根據本實施例的CMP墊調節器1可在凸出部11中不具有銳利稜邊的情況下，充分地改良CMP墊的調節效能。

圖3a和圖3b是顯示根據本發明的例示性實施例的CMP墊調節器的基板表面的影像，其中透過雷射製程在基板表面上形成凸出部。參見圖3a和圖3b，可理解在影像中間處顯示的凸出部的頂端和側邊皆沒有角形稜邊，且凸出是基板表面的最高處。另外，可理解凹凸圖案中的凸部和凹部是重複地形成在影像中間處顯示的凸出部附近。凸出部和凹凸圖案的形成方法如下：藉由雷射光束照射基板的表面，以切割基板的表面，特別是，藉由以重疊組合的雷射光束照射基板的表面。此外，以重疊組合的雷射光束照射凹凸圖案和基板的表面時，改變雷射光束的輸出量可實現具有更多種形狀的目的。

為了製造根據本發明的例示性實施例的CMP墊調節器，首先製備由陶瓷或硬金屬合金製成的板形基板。接著，多個凸出部和凹凸圖案會透過雷射製程形成在基板的表面上。然後，透過CVD，在其上具凸出部的基板表面上形成具有微米厚度的鑽石薄膜。

圖4a和圖4b為示意圖，用以描述在基板表面上，透過雷射製程形成凸出部和凹凸圖案的一種方法。

首先，如圖4a所繪示，執行在基板10的表面上定義區域2的製程，其中凸出部將形成於所述區域2中。定義區域的製程可包括對雷射製程裝置輸入區域的座標。甚者，定義區域的製程可進一步包括藉由雷射光束在基板的表面上繪製線條，以指出區域的輪廓。在圖4a中繪示的區域2是使用雷射光束指出輪廓的區域，雖然圖4a顯示的範例為具有矩形形狀的區域，但所述區域也可能具有圓形形狀、三角形形狀、五邊形形狀或其他幾何形狀。在圖3b之實際製程範例中，所述區域具有矩形輪廓。從圖3b可了解到，根據雷射光束的特徵會形成沒有稜邊的凸出部。

如圖4b所繪示，雷射光束B以重疊組合的方式照射於基板10的表面上，以致形成凸出部11和凹凸圖案。所述凹凸圖案之形狀如前述，具有連續地重複的凸部r和凹部v。為了形成凸出部11和凹凸圖案，雷射光束B是以重疊組合方式來進行照射，但為了便於說明和理解，圖4b中僅繪示出部分雷射光束B。在凸出部11形成時，可藉由略為不同地改變重疊雷射光束的輸出量，額外地形成小凸出部。在研磨時，這些小凸出部會增加和墊的接觸面積，由此改良墊的研磨特徵。

在此實施例中，是使用波長為1064奈米的銨固體雷射光束當作雷射光源，以於基板的表面上形成凸出部和凹凸圖案。然而，本發明不限於此。可使用其他雷射光源，例如二氧化碳氣體雷射光束、纖維雷射光束或類似者。

圖6為根據本發明的一個例示性實施例之圖，顯示透過雷射製程形成特定尺寸和形狀的凸出部。如圖6中的表格，第3部分代表的部分指出凸出部的頂部。因此，凸出部的頂部具有大約15微米的水平距離和大約115微米的高度。

圖7為透過雷射製程形成的凸出部之放大圖，以及圖8為顯示鑽石薄膜沉積於凸出部表面上之狀態之示意圖。參見圖7和圖8，鑽石薄膜沉積在形成為沒有角形稜邊的凸出部之表面上，以具有微凸出部，在CMP墊的調節製程中，所述微凸出部會參與實際研磨。

透過雷射製程在基板的表面上形成凸出部之後，以及以CVD方式形成鑽石薄膜之前，全部或部分的基板可藉由酸/鹼溶液進行處理，以移除存於基板表面上之氧化物膜、殘留物或類似者，其中所述基板表面上已形成有凸出部。此外，使用如上述的CVD技術作為沉積鑽石薄膜的方法，且更好是使用熱絲CVD法，將鑽石薄膜沉積於其上形成有凸出部的基板表面上。

在基板上形成之凸出部之圖案，可根據雷射製程的方式而有許多變化。圖5a和圖5b顯示數個凸出部之圖案之範例。

圖5a繪示一個範例，其中凸出部11a和11b形成於基板10上且具有不同的高度。在凸出部11a和11b具有不同高度的情況下，當形成於具有較高高度之凸出部11a上之鑽石薄膜20(參見圖1)損耗，且因此不能再執行研磨功能時，形成於具有較低高度之凸出部11b上之鑽石薄膜20可執行研磨功能。雖然圖5a繪示之情況為凸出部具有兩個層級之高度差異，但根據需求，凸出部也可具有三個或更多層級的高度差異。

圖5b繪示凸出部圖案之一個範例，在所述凸出部圖案中，至少有兩個形成於基板10表面上的凸出部11和11處於被歸類成多個群組G1、G2和G3的狀態。此凸出部圖案可藉由以下方式獲得，例如在基板10的表面上定義多個區域2(參見圖4a)以及透過對各區域2進行雷射製程，以在各區域2中形成多個凸出部11和11。雖然圖5b繪示連續地沉積兩個凸出部的情況，但根據需求，也可連續地沉積三個或更多個凸出部。

1‧‧‧CMP墊調節器

2‧‧‧區域

10‧‧‧基板

11、11a、11b‧‧‧凸出部

20‧‧‧鑽石薄膜

21‧‧‧微凸出部

L1、L2‧‧‧正切線

A‧‧‧夾角

B‧‧‧雷射光束

G1、G2、G3‧‧‧群組

r‧‧‧凸部

v‧‧‧凹部

圖1是根據本發明一例示性實施例之CMP墊調節器之部份放大剖面圖。

圖2是圖1所示之CMP墊調節器的基板的放大剖面圖。

圖3a和圖3b是根據本發明一例示性實施例之基板的表面之示意圖，其中透過雷射製程在基板的表面上形成凸出部。

圖4a和圖4b為描述透過雷射製程在基板的表面上形成凸出部和凹凸圖案的方法的示意圖。

圖5a和圖5b為描述形成於基板之表面上之凸出部圖案的數個例示性實施例的示意圖。

圖6是根據本發明一例示性實施例之示意圖，此圖描述透過雷射製程形成之凸出部的特定尺寸和形狀。

圖7是透過雷射製程形成之凸出部的放大圖。

圖8是顯示鑽石薄膜沉積於凸出部之表面上之狀態的示意圖。

圖9是描述藉由雷射製程形成之凸出部特徵的示意圖。

圖10是顯示習知技術中諸如分層現象等問題的圖，其中鑽石薄膜形成在具尖稜邊的凸出部上。

10‧‧‧基板

11‧‧‧凸出部

20‧‧‧鑽石薄膜

21‧‧‧微凸出部

Claims

一種化學機械研磨墊調節器的製造方法，所述方法包括以下步驟：(a)在由陶瓷或硬金屬合金製成之基板的表面上形成多個凸出部；以及(b)沉積鑽石薄膜，以覆蓋所述多個凸出部，其中在步驟(a)中，透過雷射製程形成所述凸出部，以使所述凸出部的頂端和側邊上不具有角形稜邊。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，其中在步驟(a)中，藉由重疊組合方式將雷射光束照射在所述基板的所述表面上，以在所述凸出部附近形成凹凸圖案。
如申請專利範圍第2項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，其中在步驟(a)中，在以所述重疊組合方式將所述雷射光束照射在所述基板的所述表面上的製程期間，改變所述雷射光束的輸出量。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，其中在步驟(a)中，將所述凸出部形成為每一個所述凸出部的頂端面積小於或等於100平方微米。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，其中在步驟(a)中，將所述凸出部形成為所述凸出部的所述頂端的正切線和所述側邊的正切線之間的夾角等於或大於100度。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，其中在步驟(b)中，透過化學氣相沉積法，將具有微凸出部之所述鑽石薄膜沉積於所述基板的所述表面上。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，在進行步驟(a)中的所述雷射製程之後，藉由酸/鹼溶液處理全部或部分的所述基板，以移除氧化膜或殘留物。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，在進行步驟(a)中的所述雷射製程之前或之後，進一步包括對所述凸出部加工，以分離所述凸出部。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊調節器的製造方法，其中使用二氧化碳氣體雷射光束、釹固體雷射光束或光纖雷射光束進行所述雷射製程。
如申請專利範圍第6項之所述化學機械研磨墊調節器的製造方法，其中在步驟(b)中，使用熱絲化學氣相沉積法。