TWI469207B - Chemical mechanical grinding dresser - Google Patents

Description

化學機械研磨修整器

本發明關於一種化學機械研磨修整器，尤指一種使用壽命長及優異修整效果的化學機械研磨修整器。

於半導體晶圓製造過程之中，係廣泛使用化學機械研磨(Chemical mechanical polish，簡稱CMP)製程對矽晶圓進行研磨，令矽晶圓表面達平坦化。常見的化學機械研磨製程為使用一固定在一旋轉台的研磨墊(或拋光墊)，接觸並施力於一承載在一可自旋之載具上的矽晶圓，於研磨時，該載具與該旋轉台將進行轉動且提供一研磨漿料至該研磨墊。一般而言，研磨所造成的碎屑與研磨漿料將累積在研磨墊中的孔洞，令研磨墊產生耗損且導致其對於晶圓的研磨效果下降，因此，係需要使用一修整器(Conditioner)移除研磨墊中殘留的碎屑與研磨漿料。

習知用於化學機械研磨製程的修整器如中華民國發明專利公告第541226號，揭示一種具等高化磨料顆粒之研磨工具及其製造方法，其研磨工具包括一基材、一結合劑層與複數個磨料顆粒，該基材上之一磨粒結合面上形成有至少一磨粒結合溝，該結合劑層設於該磨粒結合溝，供該磨料顆粒結合在該基材上，藉由該磨粒結合溝之設計，可令該磨料顆粒的排列取向一致並具有相近的高度，以提升修整時的穩定性。另，日本專利特開2007-268666號揭示一種化學機械研磨墊修整器，包括一金屬基材與一研磨部，該研磨部由複數個研磨顆粒埋設於位在該金屬基材周緣的孔洞之中，且該研磨顆粒排列為同心圓圖樣，其同樣藉由該孔洞的設計，讓該研磨顆粒之間的高度差得以縮小，進而提供穩定的修整速率。此外，如中華民國發明專利公開第200425993號，揭示一種研磨墊整理器，包括有一底層、一固定層以及複數個鑽石顆粒，該鑽石顆粒的數量係由外向內遞減而呈同心圓方式之排列，如此可令該鑽石顆粒的磨耗率一致，而延長該整理器的使用壽命。

就上述先前技術而言，其研磨顆粒均以環形方式排列，故修整器的中央區域之研磨顆粒數量將少於外圍區域，當實際應用時，修整器的中央區域並無法對研磨墊進行修整，因此，其修整效率不佳。再者，由於外圍區域的研磨顆粒數量高於中央區域，亦會造成其研磨顆粒數量分佈內外差異甚大，進而產生施壓不均，修整時穩定性不佳的問題。

而如中華民國發明專利公告第575477號，則揭示一種化學機械研磨調節器，包括一支持構件與複數個設於該支持構件上之硬質砥粒，該硬質砥粒呈規則排列，其中，該硬質砥粒可排列為棋盤狀、蜂窩狀或放射狀。然，在研磨時，其排列於最外緣的硬質砥粒相較於排列在靠近內緣之硬質砥粒，將承受較大的衝擊力道，同時，因其最外緣的硬質砥粒之排列取向並非與硬質砥粒的行進方向一致，因此，該硬質砥粒於研磨時將容易發生破裂，將使得調節器之使用壽命縮短。

本發明的主要目的，在於解決習知化學機械研磨修整器，由於研磨顆粒係以環形方式排列而使修整器中央區域之研磨效果不佳的問題，以及研磨顆粒呈規則排列之修整器，因外緣之研磨顆粒的排列取向相異於轉動方向，令修整時外緣之研磨顆粒無法承受較大之切削速度而容易發生破裂之問題。

為達上述目的，本發明提供一種化學機械研磨修整器，包括一承載體、一中央研磨部與至少一周圍研磨部，該承載體具有一中央區域與一設於該中央區域外之周邊區域，該中央研磨部固定於該承載體之中央區域，且該中央研磨部具有複數個以一矩陣圖樣排列之第一研磨顆粒，該周圍研磨部固定於該承載體之周邊區域，且該周圍研磨部具有複數個以一環形圖樣排列且圍繞該中央研磨部之第二研磨顆粒。

經由以上可知，本發明化學機械研磨修整器相較於習知技術達到的有益效果在於：

1. 本發明化學機械研磨修整器係於該中央研磨部外設有該周圍研磨部，透過其環形圖樣之排列方向與該修整器加工時的轉動方向相同，可避免因切削速度較大而發生破裂之問題，故可提升該修整器的使用壽命，並可大幅降低化學機械研磨製程之成本開銷；
2. 同時，藉由在該周圍研磨部内之設置該中央研磨部，可經由呈矩陣圖樣排列的該第一研磨顆粒增加該修整器與研磨墊之間的接觸面積，令修整加工可更加有效率，且減少化學機械研磨製程所需的時間。

有關本發明化學機械研磨修整器的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請先參閱『圖1』與『圖2』，分別為本發明化學機械研磨修整器一實施例之俯視圖及剖面圖，該修整器包括一承載體10、一中央研磨部20與至少一周圍研磨部30，該承載體10包含有一基材11與一設置於該基材11上的結合層12，且該結合層12具有一中央區域121與一設於該中央區域121之外的周邊區域122。該中央研磨部20與該周圍研磨部30分別包括複數個第一研磨顆粒21與複數個第二研磨顆粒31，其中，該第一研磨顆粒21係固定於該結合層12之中央區域121，而該第二研磨顆粒31則固定於該結合層12之周邊區域122，且該第一研磨顆粒21以一矩陣圖樣排列，該第二研磨顆粒31以一環形圖樣排列。

於本實施例中，該周圍研磨部30的數量為一圈，然本發明並不限於此，該周圍研磨部30的數量可為多圈，而不同之該周圍研磨部30係具有相異半徑而呈一同心圓圖樣，此外，相鄰的該周圍研磨部30的第二研磨顆粒31係較佳呈交錯鋸齒狀排列，也就是說，其中一該周圍研磨部30的第二研磨顆粒31設置於相鄰的另一該周圍研磨部30中相鄰之該第二研磨顆粒31之間的對應位置。

請繼續參閱『圖3-1』與『圖4』，分別為本發明化學機械研磨修整器另一實施例之俯視圖及剖面圖，該修整器亦包括一承載體10、一中央研磨部20、一外圈研磨部30a及一內圈研磨部30b，該承載體10包含有一基材11與一設置於該基材11上的結合層12，該結合層12具有一中央區域121與一設於該中央區域121之外的周邊區域122。該中央研磨部20包括複數個第一研磨顆粒21，且該外圈研磨部30a及該內圈研磨部30b分別包括複數個外圈研磨顆粒31a與複數個內圈研磨顆粒31b，該第一研磨顆粒21固定於該結合層12之中央區域121，而該外圈研磨部30a及該內圈研磨部30b則固定於該結合層12之周邊區域122。

該第一研磨顆粒21以一矩陣圖樣排列，該外圈研磨部30a與該內圈研磨部30b則分別以一環形圖樣排列。如『圖3-1』所示，該外圈研磨部30a之半徑大於該內圈研磨部30b，該外圈研磨部30a與該內圈研磨部30b因而形成一同心圓圖樣。此外，在本實施例中，該內圈研磨顆粒30b與該外圈研磨顆粒30a較佳地呈交錯鋸齒狀排列，即該內圈研磨顆粒30b設置於對應至相鄰的該外圈研磨顆粒30a之間的位置，如『圖3-2』所示，係『圖3-1』之局部放大示意圖。

於本發明中，該基材11與該結合層12之材質可為金屬、陶瓷或高分子樹脂，且該第一研磨顆粒21、該第二研磨顆粒31、該外圈研磨顆粒31a與該內圈研磨顆粒31b可為鑽石、立方氮化硼、多晶立方氮化硼、碳化矽、氧化鋁或氧化鋯。在上述本實施例，該基材11較佳為不銹鋼材料，該結合層12較佳為含鎳之金屬焊料，該第一研磨顆粒21、該第二研磨顆粒31、該外圈研磨顆粒31a與該內圈研磨顆粒31b均為鑽石，其中，該第二研磨顆粒31、該外圈研磨顆粒31a與該內圈研磨顆粒31b之鑽石品質係優於該第一研磨顆粒21之鑽石。其中，通常以Diashape 系統評估鑽石品質，係分析鑽石晶體之橢圓率(ellipticity)及粗糙度(roughness)並據此進行分類，當橢圓率與粗糙度越低，表示其品質較高；當橢圓率與粗糙度越高，則表示其品質較低。

為進一步具體說明本發明化學機械研磨修整器，請參閱『圖5-1』、『圖5-2』與『圖6-1』、『圖6-2』，分別為本發明化學機械研磨修整器另一實施例使用後於50倍及100倍之掃描式電子顯微鏡圖，以及習知化學機械研磨修整器使用後於75倍及500倍之掃描式電子顯微鏡圖，『圖5-1』與『圖5-2』所使用的修整器如『圖3』、『圖4』所示，其中，該基材11為不銹鋼材料，該結合層12為含鎳之金屬焊料，該第一研磨顆粒21、該外圈研磨顆粒31a與該內圈研磨顆粒31b均為鑽石，『圖6-1』、『圖6-2』所使用的則為鑽石呈規則排列之習知化學機械研磨修整器，將兩者於相同的加工條件下對研磨墊進行修整後，再以掃描式電子顯微鏡觀察其鑽石之形貌，其中，『圖5-2』與『圖6-2』分別為『圖5-1』及『圖6-1』圓圈處之放大圖。由『圖5-1』與『圖5-2』可看出，該修整器對研磨墊進行修整後，位於該周邊區域122之該外圈研磨部30a與該內圈研磨部30b，以及位於該中央區域121之該中央研磨部20，其中的該第一研磨顆粒21與該第二研磨顆粒31a、31b均保有良好的晶體形狀，且未發生破裂；反觀，由『圖6-1』與『圖6-2』可看出，習知研磨墊在進行修整後，其研磨顆粒容易發生破裂而呈現不完整之晶型。由此顯見，相較於鑽石呈規則排列之習知化學機械研磨修整器，本發明化學機械研磨修整器確實擁有較佳的使用壽命。

此外，若針對數量為100個之上述『圖5-1』與『圖5-2』所示的修整器以及『圖6-1』與『圖6-2』所示的修整器進行使用後之觀察，則可發現前者僅有4%之修整器於使用後發生鑽石破裂，而後者將有高達近70%之修整器於使用後發生鑽石破裂。

綜上所述，本發明化學機械研磨修整器主要是在該中央研磨部外設有該周圍研磨部，以呈現矩陣圖樣排列之第一研磨顆粒搭配環形圖樣排列之第二研磨顆粒，藉此，一方面，由於該第二研磨顆粒之排列方向係與該修整器之轉動方向相同，故可在修整時承受較大的撞擊力道，而避免發生破裂，另一方面，透過位於該周圍研磨部內而以較為密集之矩陣圖樣排列的該第一研磨顆粒，於加工時可以對研磨墊進行有效地修整，因此，本發明化學機械研磨修整器係可維持高使用壽命，並同時擁有優異的加工效率。故本發明極具進步性及符合申請發明專利之要件，爰依法提出申請，祈　鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10．．．承載體

11．．．基材

12．．．結合層

121．．．中央區域

122．．．周邊區域

20．．．中央研磨部

21．．．第一研磨顆粒

30．．．周圍研磨部

31．．．第二研磨顆粒

30a．．．外圈研磨部

31a．．．外圈研磨顆粒

30b．．．內圈研磨部

31b．．．內圈研磨顆粒

圖1，為本發明化學機械研磨修整器一實施例之俯視圖。

圖2，為本發明化學機械研磨修整器一實施例之剖面圖。

圖3-1，為本發明化學機械研磨修整器另一實施例之俯視圖。

圖3-2，為圖3-1之局部放大示意圖。

圖4，為本發明化學機械研磨修整器另一實施例之剖面圖。

圖5-1，為本發明化學機械研磨修整器另一實施例使用後於50倍之掃描式電子顯微鏡圖。

圖5-2，為本發明化學機械研磨修整器另一實施例使用後於100倍之掃描式電子顯微鏡圖。

圖6-1，為習知化學機械研磨修整器使用後於75倍之掃描式電子顯微鏡圖。

圖6-2，為習知化學機械研磨修整器使用後於500倍之掃描式電子顯微鏡圖。

10．．．承載體

121．．．中央區域

122．．．周邊區域

20．．．中央研磨部

21．．．第一研磨顆粒

30．．．周圍研磨部

31．．．第二研磨顆粒

Claims (13)

1.  一種化學機械研磨修整器，包含有：
   　　一承載體，具有一中央區域與一設於該中央區域外之周邊區域；以及
   　　一中央研磨部，固定於該承載體之中央區域且具有複數個以一矩陣圖樣排列之第一研磨顆粒；以及
   　　至少一周圍研磨部，固定於該承載體之周邊區域且具有複數個以一環形圖樣排列且圍繞該中央研磨部之第二研磨顆粒。
2. 如申請專利範圍第1項所述化學機械研磨修整器，其中該第一研磨顆粒與該第二研磨顆粒係擇自由鑽石、立方氮化硼、多晶立方氮化硼、碳化矽、氧化鋁及氧化鋯所組成之群組。
3. 如申請專利範圍第1項所述化學機械研磨修整器，其中該第一研磨顆粒與該第二研磨顆粒為鑽石，且該第二研磨顆粒相較於該第一研磨顆粒具有較高的品質。
4. 如申請專利範圍第1項所述化學機械研磨修整器，其中相鄰之該周圍研磨部的第二研磨顆粒彼此係呈交錯鋸齒狀排列。
5. 如申請專利範圍第1項所述化學機械研磨修整器，其中該周圍研磨部具有相異之多組同心圓半徑。
6. 如申請專利範圍第1項所述化學機械研磨修整器，其中該承載體包括一基材與一設置於該基材上的結合層。
7. 如申請專利範圍第6項所述化學機械研磨修整器，其中該基材及該結合層係擇自由金屬、陶瓷及高分子樹脂所組成之群組。
8. 如申請專利範圍第1項所述化學機械研磨修整器，其中該至少一周圍研磨部包括一內圈研磨部與一半徑大於該內圈研磨部的外圈研磨部，且該內圈研磨部及外圈研磨部之第二研磨顆粒分別包括以同一圓心環形圖樣排列且圍繞該中央研磨部的複數個外圈研磨顆粒和複數個內圈研磨顆粒。
9. 如申請專利範圍第8項所述化學機械研磨修整器，其中該第一研磨顆粒、該外圈研磨顆粒與該內圈研磨顆粒係擇自由鑽石、立方氮化硼、多晶立方氮化硼、碳化矽、氧化鋁及氧化鋯所組成之群組。
10. 如申請專利範圍第8項所述化學機械研磨修整器，其中該第一研磨顆粒、該外圈研磨顆粒與該內圈研磨顆粒為鑽石，且該外圈研磨顆粒與該內圈研磨顆粒相較於該第一研磨顆粒具有較高的品質。
11. 如申請專利範圍第8項所述化學機械研磨修整器，其中該內圈研磨顆粒與該外圈研磨顆粒係呈交錯鋸齒狀排列。
12. 如申請專利範圍第8項所述化學機械研磨修整器，其中該承載體包括一基材與一設置於該基材上的結合層。
13. 如申請專利範圍第12項所述化學機械研磨修整器，其中該基材及該結合層係擇自由金屬、陶瓷及高分子樹脂所組成之群組。