TWI598187B - Chemical mechanical polishing dresser - Google Patents

Description

化學機械研磨修整器

本創作係關於一種化學機械研磨修整器，特別係關於一種具有研磨柱之化學機械研磨修整器。

化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)因其具有可大面積平坦化之特點，因此目前是半導體製程中不可或缺的方法，其以一置於載台上之拋光墊(pad)，並於拋光墊表面加入研磨液(slurry)，藉載台之旋轉帶動拋光墊對晶圓表面進行拋光，使晶圓表面平坦以利進行後續製程。而拋光墊之表面需維持一定的粗糙度才能夠保持其拋光之效率，但因在拋光的過程中，拋光晶圓所產生的碎屑會和研磨液混合而逐漸在拋光墊表面形成一硬化層，該硬化層會降低拋光效率，進而縮短拋光墊的使用壽命。

在拋光過程中需有一化學機械研磨修整器(CMP conditioner)持續對拋光墊之表面進行修整，以維持拋光墊表面之粗糙度，延長拋光墊的使用壽命。

台灣專利號191118揭示一種能個別調整磨粒的修整盤，該修整盤將每一顆獨立的磨粒分別以焊料焊在一根金屬桿桿頂端面上，並將焊好的金屬桿分別插入金屬盤的特定位置銷孔內，再將金屬盤反扣在一平板上，以平 板控制各磨粒的頂點高度，最後以粘結材料把金屬桿粘固在金屬盤上，以製成一磨粒分佈位置精確且磨粒高度均一之高精密度修整盤。然，作為磨粒之鑽石的尖點於高溫焊接的過程中可能產生偏移，且鑽石需經表面加工使鑽石呈特定之外形，才可用於修整拋光墊，但由於鑽石的硬度高，使表面加工時不易控制鑽石的外形，且加工過程中容易因加工破壞鑽石的天然晶型而造成鑽石的損毀(如圖19所示)，或於後續修整拋光墊時產生斷鑽或掉鑽的情況。

而台灣專利申請號103105288揭示一種高性能化學機械研磨修整器，其包括：一基板；一結合層，該結合層設置於該基板上；以及複數個研磨顆粒，該些研磨顆粒藉由該結合層以直接固定於該基板上，或者，每一研磨顆粒設置於一金屬固定座上，且該基板具有複數個凹槽或複數個貫穿孔，使該金屬固定座容置於該些凹槽或該些貫穿孔中，且該金屬固定座藉由該結合層以固定於該基板上；其中，該研磨顆粒經由一表面加工處理，使該研磨顆粒貝有特定之切削刃角、晶形結構、尖端高度或尖端方向性。藉此，該前案可控制每一研磨顆粒之外形，以達到最佳研磨性能。然，作為研磨顆粒之鑽石的尖點於高溫焊接的過程中仍可能產生偏移，且鑽石還是需經表面加工使鑽石呈特定之外形，才可用於修整拋光墊，故於表面加工時仍不易控制鑽石的外形，且於加工過程中容易造成鑽石的損毀，或於後續修整拋光墊時產生斷鑽或掉鑽的情況。

台灣專利申請號103202785揭示一種可調整尖端高度之化學機械研磨修整器，其包括：一基板；一結合 層，該結合層設置於該基板上；以及複數個研磨基座，該些研磨基座藉由該結合層以固定於該基板上，且每一研磨基座表面設置有一個或複數個研磨顆粒；其中，該基板具有複數個凹槽，使該些研磨基座容置於該些凹槽，且藉由該些研磨基座之突出高度以控制該些研磨基座表面之該些研磨顆粒具有相同或不同的尖端高度。藉此，本前案之化學機械研磨修整器可控制每一研磨顆粒之尖端方向、尖端高度或切削刃角，以獲得最佳之研磨性能。然，作為研磨顆粒之鑽石還是需經焊接以及表面加工，故仍無法避免上述鑽石尖點偏移、鑽石損毀、斷鑽或掉鑽的情況。

本創作之目的在於提供一種化學機械研磨修整器，其可避免焊接過程中鑽石尖點偏移或因鑽石的硬度高使得加工過程不易並可能造成鑽石損毀的情形。

本創作提供一種化學機械研磨修整器，其包含：一基板，其包含一表面與複數內凹部，該等內凹部內凹成型於該表面；複數研磨柱，其對應裝設於該等內凹部，各研磨柱包含相對之一固設部與一研磨部，該固設部藉由一結合層裝設固定於該內凹部內；以及一研磨層，其係透過化學氣相沈積法形成於該等研磨柱之各研磨部之上，且該研磨層具有一研磨尖端。

本創作之化學機械研磨修整器直接藉由該研磨部與形成於該研磨部上之該研磨層即可對拋光墊進行修 整，意即，本創作之化學機械研磨修整器係利用研磨層配合研磨部取代鑽石，藉此可避免焊接過程中鑽石尖點偏移或因鑽石的硬度高而使得加工過程不易以及可能造成鑽石損毀的情形。

較佳的是，其中該研磨柱的材質為碳化矽或碳化鎢。

較佳的是，其中該研磨層之材質為單晶鑽石或多晶鑽石。

較佳的是，其中該研磨部具有八稜面、八稜線與一頂點，該等稜面相互連接形成一八角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間；更佳的是，該八角錐係為一正八角錐，且任兩相對的稜面間之夾角大於或等於80度且小於或等於100度。

另擇的是，其中該研磨部具有四稜面、四稜線與一頂點，該等稜面相互連接形成一四角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間；更佳的是，該四角錐係為一正四角錐，且任兩相對的稜面間之夾角大於或等於70度且小於或等於90度。

另擇的是，其中該研磨部具有四稜面、四稜線與一稜線斜面，該等稜面相互連接形成一四角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間，該稜線斜面由該錐體的頂端沿其中一稜線朝向該固設部的方向斜向形成，該稜線斜面相對遠離該固設部；更佳的是，該四角錐係為一正四角錐，該稜線斜面之長軸與該等稜線的其中兩者相交形成一第一長軸交點與一第二長軸交點，該第一長軸交點相對於該表 面的高度高於該第二長軸交點相對於該表面的高度，而該第一長軸交點與該第二長軸交點間的距離大於或等於0.08毫米且小於或等於1.02毫米，且該稜線斜面、該第一長軸交點以及與該長軸交點相交之稜線間的夾角大於或等於97.5度且小於或等於117.5度。

另擇的是，其中該研磨部具有四稜面、四稜線與一稜切面，該等稜面相互連接形成一四角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間，該稜切面由該錐體的頂端沿其中一稜面朝向該固設部的方向斜向形成，該稜切面相對遠離該固設部；更佳的是，該四角錐係為一正四角錐，該稜切面呈梯形，該稜切面具有呈平行之一頂邊與一底邊，該頂邊與該底邊間的垂直距離大於或等於1.98毫米且小於或等於2.02毫米，且該稜切面、該頂邊以及與該頂邊相接之稜面間的夾角大於或等於105度且小於或等於125度。

較佳的是，其中各研磨尖端相對於該表面的高度皆相同並形成一平坦化表面。

另擇的是，其中該等研磨尖端具有第一尖端高度與第二尖端高度，該第一尖端高度與第二尖端高度間的距離差大於或等於5微米且小於或等於100微米。

另擇的是，各研磨柱包含相對之該固設部與複數研磨部；複數研磨層透過化學氣相沈積法對應形成於該等研磨部之上並分別具有一研磨尖端。

1、1A、1B‧‧‧化學機械研磨修整器

10、10B‧‧‧基板

11、11B‧‧‧表面

12、12B‧‧‧內凹部

20‧‧‧結合層

30、30A、30B、30C‧‧‧研磨柱

31、31A、31B‧‧‧固設部

32、32A、32B、32C‧‧‧研磨部

321、321A、321B、321C‧‧‧稜面

3241B‧‧‧第一長軸交點

3242B‧‧‧第二長軸交點

322、322A、322B、322C‧‧‧稜線

323、323A‧‧‧頂點

324B‧‧‧稜線斜面

325C‧‧‧稜切面

3251C‧‧‧頂邊

3252C‧‧‧底邊

33、33A、33B、33C‧‧‧研磨層

331、331A、331B‧‧‧研磨尖端

θ1‧‧‧夾角

θ2‧‧‧夾角

θ3‧‧‧夾角

θ4‧‧‧夾角

D1‧‧‧直徑

D2‧‧‧直徑

D3‧‧‧距離

D4‧‧‧垂直距離

H1‧‧‧高度

H2‧‧‧第一尖端高度

H3‧‧‧第二尖端高度

圖1為本創作實施例1的一剖面示意圖。

圖2為本創作實施例1的另一剖面示意圖。

圖3為本創作實施例1之研磨部的外觀示意圖。

圖4為本創作實施例1之研磨部的俯視示意圖。

圖5為本創作實施例1之研磨部的電子影像。

圖6為本創作實施例2之剖面示意圖。

圖7為本創作實施例2之研磨部的外觀示意圖。

圖8為本創作實施例2之研磨部的俯視示意圖。

圖9為本創作實施例2之研磨部的電子影像。

圖10為本創作實施例3的一剖面示意圖。

圖11為本創作實施例3的另一剖面示意圖。

圖12為本創作實施例3之研磨部的俯視示意圖。

圖13為本創作實施例3之研磨部的電子影像。

圖14為本創作實施例4之研磨部的俯視示意圖。

圖15為本創作實施例4之研磨柱的局部剖面示意圖。

圖16為本創作實施例4之研磨部的電子影像。

圖17為各實施例之化學機械研磨修整器的移除率之比較圖。

圖18為各實施例之化學機械研磨修整器的切削磨耗率之比較圖。

圖19為現有之金屬桿與磨粒。

實施例1

如圖1與圖2所示，本實施例提供一種化學機械研磨修整器1，其包含一基板10、一結合層20與複數研磨柱30，該基板10由不銹鋼所構成且該基板10的厚度為 15毫米，該基板10具有一表面11，該表面11上內凹成型複數內凹部12，該等內凹部12呈同心圓排列，各內凹部12的橫截面為圓形，其直徑D1為2.6毫米，該等研磨柱30對應裝設於該等內凹部12中，各研磨柱30的橫截面為圓形，其直徑D2為2.5毫米，各研磨柱30係由碳化矽所構成，並包含相連接之一固設部31與一研磨部32，該固設部31藉由該結合層20裝設固定於對應之內凹部12內，該結合層20係為硬焊材料，該硬焊材料為鐵，該研磨部32與該固設部31為一體成型之結構。

配合圖2至圖5所示，該研磨部32經雷射加工並具有八稜面321、八稜線322與一頂點323，該等稜面321相互連接形成一正八角錐，該等稜線322位於任兩鄰接之稜面321之間，該等稜線322由固設部31向內斜向延伸而交會形成該頂點323，且配合圖2所示，任兩相對的稜面321間之夾角01為90度。

配合圖2所示，該研磨部32上設置有一研磨層33，該研磨層33係藉由化學氣相沈積法所形成，並具有一研磨尖端331，該研磨尖端331係形成於該頂點323之上，該研磨層33由單晶鑽石所構成，各研磨尖端331相對於該表面11的高度H1皆相同並形成一平坦化表面。

本創作之化學機械研磨修整器1藉由雷射加工呈特定外形的研磨部32以及藉由化學氣相沈積法形成於該研磨部32上的該研磨層33即可對拋光墊進行修整。相較於現有技術需先於研磨柱上形成一凹槽，再焊接鑽石於前述凹槽中作為研磨顆粒的習用之化學機械研磨修整器， 本實施例之化學機械研磨修整器1可避免習用之化學機械研磨修整器於焊接過程中研磨尖端331偏移的情況，且加工過程不會有破壞鑽石自然晶型的問題，再者，一般作為磨粒之鑽石的粒徑約為800微米，而本實施例之研磨柱30的橫截面之直徑D2為2.5毫米，故本實施例的研磨柱30相較於鑽石具有較大的修整面積，意即，本實施例之化學機械研磨修整器1於修整拋光墊時可刻劃出較深且較寬的溝槽。

實施例2

如圖6至圖9所示，本創作之實施例2提供一種化學機械研磨修整器1A，其與實施例1的化學機械研磨修整器1的結構大致相同，其不同之處在於該研磨部32A具有四稜面321A、四稜線322A與一頂點323A，該等稜面321A相互連接形成一正四角錐，該等稜線322A位於任兩鄰接之稜面321A之間，該等稜線322A由固設部31A向內斜向延伸而交會形成該頂點323A，且配合圖6所示，任兩相對的稜面321A間之夾角θ2為80度；該研磨層33A由多晶鑽石所構成，該研磨尖端331A係形成於該頂點323A之上。

藉由該研磨部32A以及該研磨層33A之結構，本實施例的研磨柱30A相較實施例1的研磨柱30於修整拋光墊時可刻劃出更深的溝槽，且本實施例之化學機械研磨修整器1A相較於實施例1之化學機械研磨修整器1具有更佳的移除率。

實施例3

如圖10與圖11所示，本創作之實施例3提供一種化學機械研磨修整器1B，其與實施例2的化學機械研磨修整器1A的結構大致相同，其不同之處在於該基板10B由陶瓷所構成且該基板10B的厚度為30毫米；該等內凹部12B貫穿成型於該表面11B，該等內凹部12B由該表面11B的中心朝外呈輻射狀排列；配合圖12與圖13所示，各研磨柱30B係由碳化鎢所構成，該研磨部32B經研磨加工並具有四稜面321B、四稜線322B與一稜線斜面324B，該等稜面321B相互連接形成一正四角錐，該等稜線322B位於任兩鄰接之稜面321B之間，該稜線斜面324B由該正四角錐的頂端沿其中一稜線322B磨削形成並相對遠離該固設部31B，該稜線斜面324B呈鳶形，該稜線斜面324B之長軸與該等稜線322B的其中兩者相交形成一第一長軸交點3241B與一第二長軸交點3242B，配合圖11與圖12所示，該第一長軸交點3241B相對於該表面11B的高度高於該第二長軸交點3242B相對於該表面11B的高度，該第一長軸交點3241B與該第二長軸交點3242B間的距離D3為0.1毫米，配合圖11所示，該稜線斜面324B、該第一長軸交點3241B以及與該第一長軸交點3241B相交之稜線322B間之夾角θ3為107.5度；配合圖11所示，該研磨層33B形成於該研磨部32B之上並形成該研磨尖端331B，而該等研磨尖端331B具有第一尖端高度H2與第二尖端高度H3，第一尖端高度H2與第二尖端高度H3係研磨尖端331B相對於該表面11B的高度，且該第一尖端高度H2與第二尖端高度H3間的距離差為50微米。

藉由該研磨部32B以及該研磨層33B之結構，本實施例的研磨柱30B相較實施例1的研磨柱30於修整拋光墊時可刻劃出更寬的溝槽，且該研磨部32B具有更佳的耐磨性，亦即該研磨部32B之切削磨耗率較低。

實施例4

如圖14至圖16所示，本創作之實施例4提供一種化學機械研磨修整器，其與實施例2的化學機械研磨修整器1A的結構大致相同，其不同之處在於該研磨部32C具有四稜面321C、四稜線322C與一稜切面325C，該等稜面321C相互連接形成一正四角錐，該等稜線322C位於任兩鄰接之稜面321C之間，該稜切面325C由該正四角錐的頂端沿其中一稜面321C磨削形成並相對遠離該固設部，該稜切面325C呈梯形，該稜切面325C具有呈平行之一頂邊3251C與一底邊3252C，該頂邊3251C與該底邊3252C間的垂直距離D4為0.2毫米，配合圖15所示，該稜切面325C、該頂邊3251C以及與該頂邊3251C相接之稜面321C間之夾角θ4為115度；該研磨層33C藉由化學氣相沈積法沈積形成於該研磨部32C之上並形成該研磨尖端331C。

藉由該研磨部32C以及該研磨層33C之結構，本實施例研磨柱30C相較實施例1的研磨柱30於修整拋光墊時可刻劃出更寬的溝槽，且該研磨部32C具有更佳的耐磨性，再者，本實施例之化學機械研磨修整器的頂邊3251C為一平整稜線，其得於拋光過程中剔除拋光墊上的殘留物或凸出物。

試驗例

分別將實施例1至4之化學機械研磨修整器用於修整拋光墊，並計算各實施例之化學機械研磨修整器的移除率和切削磨耗率，其結果分別係圖17(移除率)和圖18(切削磨耗率)。

其中，移除率之計算係量測拋光墊在一定時間內拋光前後之厚度差，需要特別說明的是，圖17中各實施例之化學機械研磨修整器的移除率已經經標準化處理，所述標準化處理係將各實施例之移除率除以四組數據中最大之移除率，移除率越高表示研磨柱對拋光墊的切削和移除效果越好；切削磨耗率之計算係量測各實施例之化學機械研磨修整器的研磨尖端在一定時間內拋光前後的高度差，需要特別說明的是，圖18中各實施例之化學機械研磨修整器的切削磨耗率已經經標準化處理，所述標準化處理係將各實施例之切削磨耗率除以四組數據中最大之切削磨耗率，切削磨耗率越高表示研磨柱的消耗越快，使用壽命較短，即耐磨性較差。

如圖17所示，化學機械研磨修整器1A(實施例2)之研磨柱30A具有最佳之移除率，其係由於化學機械研磨修整器1A(實施例2)之研磨柱30A為單一銳角之四角錐(配合圖9所示)，因其磨修之角度銳利和與拋光墊之接觸面積較小，故能於修整拋光墊時刻劃出較窄且較深的溝槽，係具有最佳之移除率。

如圖18所示，化學機械研磨修整器1C(實施例4)之研磨柱30C具有最低之切削磨耗率，故化學機械研磨修整器1C之耐磨性相對優於其它實施例之化學機械研磨 修整器，其係由於化學機械研磨修整器1C(實施例4)之研磨柱30C於修整拋光墊的頂邊3251C為一平整稜線(配合圖14和16所示)，並沒有任何尖點，修整時可刻劃出較寬的溝槽，但切削能力較差，不過也因此其切削磨耗率較低，所以耐磨性較好。

以上所述僅為說明本創作的例示，並非對本創作做任何形式上的限制，本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本創作之技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例作任何簡單修改、等同變化與修改，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。

1‧‧‧化學機械研磨修整器

10‧‧‧基板

11‧‧‧表面

12‧‧‧內凹部

20‧‧‧結合層

30‧‧‧研磨柱

31‧‧‧固設部

32‧‧‧研磨部

321‧‧‧稜面

323‧‧‧頂點

33‧‧‧研磨層

331‧‧‧研磨尖端

θ1‧‧‧夾角

D1‧‧‧直徑

D2‧‧‧直徑

H1‧‧‧高度

Claims (17)

1. 一種化學機械研磨修整器，其包含：一基板，其包含一表面與複數內凹部，該等內凹部內凹成型於該表面；複數研磨柱，其對應裝設於該等內凹部，各研磨柱包含相對之一固設部與一研磨部，該固設部藉由一結合層裝設固定於該內凹部內；以及一研磨層，其係透過化學氣相沈積法形成於該等研磨柱之研磨部之上，且該研磨層並具有一研磨尖端。
2. 依據請求項1所述之化學機械研磨修整器，其中該研磨柱的材質為碳化矽或碳化鎢。
3. 依據請求項1所述之化學機械研磨修整器，其中該研磨層之材質為單晶鑽石或多晶鑽石。
4. 依據請求項1所述之化學機械研磨修整器，其中該研磨部具有八稜面、八稜線與一頂點，該等稜面相互連接形成一八角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間。
5. 依據請求項4所述之化學機械研磨修整器，其中該八角錐係為一正八角錐，且任兩相對的稜面間之夾角大於或等於80度且小於或等於100度。
6. 依據請求項1所述之化學機械研磨修整器，其中該研磨部具有四稜面、四稜線與一頂點，該等稜面相互連接形成一四角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間。
7. 依據請求項6所述之化學機械研磨修整器，其中該四角錐係為一正四角錐，且任兩相對的稜面間之夾角大於或等於70度且小於或等於90度。
8. 依據請求項1所述之化學機械研磨修整器，其中該研磨部具有四稜面、四稜線與一稜線斜面，該等稜面相互連接形成一四角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間，該稜線斜面由該四角錐的頂端沿其中一稜線朝向該固設部的方向斜向形成，該稜線斜面相對遠離該固設部，該稜線斜面之長軸與該等稜線的其中兩者相交形成一第一長軸交點與一第二長軸交點，該第一長軸交點相對於該表面的高度高於該第二長軸交點相對於該表面的高度。
9. 依據請求項8所述之化學機械研磨修整器，其中該四角錐係為一正四角錐，而該第一長軸交點與該第二長軸交點間的距離大於或等於0.08毫米且小於或等於1.02毫米。
10. 依據請求項8所述之化學機械研磨修整器，其中該四角錐係為一正四角錐，且該稜線斜面、該第一長軸交點以及與該長軸交點相交之稜線間的夾角大於或等於97.5度且小於或等於117.5度。
11. 依據請求項1所述之化學機械研磨修整器，其中該研磨部具有四稜面、四稜線與一稜切面，該等稜面相互連接形成一四角錐，該等稜線位於任兩鄰接的稜面之間，該稜切面由該四角錐的頂端沿其中一稜面朝向該固設部的方向斜向形成，該稜切面相對遠離該固設部。
12. 依據請求項11所述之化學機械研磨修整器，其中該四角錐係為一正四角錐，而該稜切面呈梯形，該稜切面具有呈平行之一頂邊與一底邊，該頂邊與該底邊間的垂直距離大於或等於1.98毫米且小於或等於2.02毫米。
13. 依據請求項11所述之化學機械研磨修整器，其中該 四角錐係為一正四角錐，而該稜切面呈梯形，該稜切面具有呈平行之一頂邊與一底邊，且該稜切面、該頂邊以及與該頂邊相接之稜面間的夾角大於或等於105度且小於或等於125度。
14. 依據請求項1至13中任一項所述之化學機械研磨修整器，其中各研磨尖端相對於該表面的高度皆相同並形成一平坦化表面。
15. 依據請求項1至13中任一項所述之化學機械研磨修整器，其中該等研磨尖端具有第一尖端高度與第二尖端高度，該第一尖端高度與第二尖端高度間的距離差大於或等於5微米且小於或等於100微米。
16. 依據請求項1至13中任一項所述之化學機械研磨修整器，其中該結合層之材料為陶瓷材料、硬焊材料、電鍍材料或高分子材料。
17. 依據請求項1所述之化學機械研磨修整器，其中各研磨柱包含相對之該固設部與複數研磨部；複數研磨層透過化學氣相沈積法對應形成於該等研磨部之上並分別具有一研磨尖端。