TWI779728B - 鑽石修整碟及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種鑽石修整碟及其製造方法，屬於化學機械研磨技術領域。所述鑽石修整碟，包括氮化矽陶瓷基底和微米鑽石薄膜，微米鑽石薄膜塗覆在氮化矽陶瓷基底表面；通過拉曼光譜儀進行測定，微米鑽石薄膜僅在1330-1339cm-1區間有一個尖銳峰；所述微米鑽石薄膜為SP3結構的鑽石多晶體。本發明的鑽石修整碟通過採用微米鑽石膜薄膜塗層，有效提高了修整碟的耐磨性，從能保證了尖點尖度的保持能力，對維持研磨墊的表面粗糙度有明顯的優勢，可以確保CMP制程中穩定的晶圓表面材料去除率和品質一致性。

Description

鑽石修整碟及其製造方法
本發明係關於一種化學機械研磨技術領域，尤指一種鑽石修整碟及其製造方法。
在半導體晶片的製造過程中，化學機械研磨(CMP)是一道必不可少的工序，CMP越平坦，能製造的線寬越細。伴隨著特徵線寬10納米以下的時代到來，CMP製程要求具備更高的穩定性和良率，這就促使CMP工序除了要求製造設備本身的高品質外，其三大耗材研磨液(slurry)、研磨墊(pad)和鑽石修整碟(diamond disk)也必需不斷提升品質穩定性，以適應不斷提高的品質需求。
晶圓CMP工藝是利用無孔或多孔拋光墊及拋光液(內含研磨粒子)來拋光晶圓，無孔拋光墊的表面需要有一定程度的粗糙度，從而同多孔拋光墊的孔洞一樣有助於拋光液流層的形成和流動，加上表面一定程度的粗糙度所含的突出毛邊，使晶圓拋光得到一定程度的表面材料去除率，但拋光過程中的異物(拋光液中的研磨粒子、晶圓表面粒子、斷落的拋光墊毛邊碎屑)和研磨頭的壓力，會逐步填滿拋光墊孔洞和壓實拋光墊表面，使拋光表面材料去除率效能降低，因此拋光過程中需同時使用修整器對拋光墊修整以去除孔洞內的 異物，增加表面的突出毛邊及活化鬆散被壓實拋光墊表面，藉以恢復表面材料去除率。
過去修整器是由矩陣排列的鑽石通過電鍍法(electroplating)，燒結法(sintering)或釺焊法(brazing)方式固定於一圓平板上，利用鑽石凸出的尖角來修整拋光墊，由於工藝限制，很難做到每顆鑽石把持都牢固可靠，這就導致一定比例的刮傷不良，同時鑽石的排布並未做到完全規則排列，由於採用人造鑽石單晶作原料，每顆鑽石形狀無法做到完全一致，更無法保證每顆鑽石尖點統一朝上，所以品質的穩定性無法切實保證，這對晶圓CMP的高良率要求是巨大的風險。
目前市售CVD修整器主要是將陶瓷粉末通過模具壓制燒結成具三維結構化表面的圓錠，然後在陶瓷基底塗覆類鑽石膜後得到，儘管此結構化表面具有大量等凸出高的尖角，大幅改善過去尖角高度不一致的問題，但由於表面膜層品質差異仍存在耐磨性差、使用壽命短的缺陷。
爰此，本發明的目的是提供一種採用微米鑽石膜薄膜塗層的鑽石修整碟，該類修整碟耐磨性更高，對維持研磨墊的表面粗糙度有明顯的優勢。
本發明的另一目的是提供所述鑽石修整碟的製造方法。
為了實現上述發明目的，本發明採用以下技術方案：
該鑽石修整碟包含一氮化矽陶瓷基底及一微米鑽石薄膜。該微米鑽石薄膜塗覆在該氮化矽陶瓷基底的表面，通過拉曼光譜儀進行測定，該微米鑽石薄膜僅在1330-1339cm-1區間有一個尖銳峰；所述微米鑽石薄膜為SP3結構的一鑽石多晶體。
在本發明中，所述氮化矽陶瓷基底可以是一平面的一基底，也可以是在該基底的表面有規則排列的具有一鑽石外形的一四棱錐金字塔陣列或一六棱錐金字塔陣列。
進一步，所述微米鑽石薄膜的厚度為2~25微米。
上述鑽石修整碟的製造方法，包含一步驟一、一步驟二，及一步驟三。
該步驟一為將一陶瓷粉等靜壓燒結製成組織均勻緻密的一陶瓷錠，該步驟二為將該陶瓷錠的頂部研磨形成具有一鑽石外形的一四棱錐金字塔陣列或一六棱錐金字塔陣列，而成為該氮化矽陶瓷基底，該步驟三為在該陶瓷錠的表面塗覆該微米鑽石薄膜，即得到該鑽石修整碟。
進一步，在該步驟二中，也可將該陶瓷錠的頂部研磨形成一平面，而成為該氮化矽陶瓷基底。
根據上述技術特徵可達成以下功效：
1.藉由採用該微米鑽石膜薄膜塗層，有效提高了修整碟的耐磨性，從能保證了尖點尖度的保持能力，對維持研磨墊的表面粗糙度有明顯的優勢，可以確保CMP製程中穩定的去除率和品質一致性。為保證微米鑽石膜薄膜和陶瓷錠的結合力，必須對陶瓷錠的材質和製程予以嚴格篩選。經過大量的對比測試，選定用等靜壓方式壓制的氮化矽陶瓷作為基材能夠有效保證膜層和陶瓷基材的結合強度。
[第一A圖]是一示意圖，說明市售鑽石修整碟的非微米級鑽石薄膜的SEM圖。
[第一B圖]是一示意圖，說明本發明鑽石修整碟的微米鑽石薄膜的SEM圖。
[第二A圖]是一示意圖，說明市售鑽石修整碟的非微米級鑽石薄膜的拉曼光譜圖。
[第二B圖]是一示意圖，說明本發明鑽石修整碟的微米鑽石薄膜的拉曼光譜圖。
[第三A圖]是一示意圖，說明市售鑽石修整碟的尖點研磨前狀態圖。
[第三B圖]是一示意圖，說明本發明鑽石修整碟的尖點研磨前狀態圖。
[第三C圖]是一示意圖，說明市售鑽石修整碟的尖點研磨30小時後的2D圖。
[第三D圖]是一示意圖，說明本發明鑽石修整碟的尖點研磨60小時後的2D圖。
[第三E圖]是一示意圖，說明市售鑽石修整碟的尖點研磨30小時後的3D圖。
[第三F圖]是一示意圖，說明本發明鑽石修整碟的尖點研磨60小時後的3D圖。
綜合上述技術特徵，本發明鑽石修整碟及其製造方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
本發明提供了一種鑽石修整碟，包括氮化矽陶瓷基底和微米鑽石薄膜，微米鑽石薄膜塗覆在氮化矽陶瓷基底表面。
該鑽石修整碟可以採用中國發明專利公開號第CN106493639A號，公開的方法製備，具體地：
步驟一：將陶瓷粉等靜壓燒結製成組織均勻緻密的陶瓷錠。
在本發明中，選用氮化矽作為基材。高純度氮化矽基材是沉積高品質鑽石膜的必要條件。氮化矽相比其他傳統陶瓷材料(如氧化鋁和碳化矽)，除了保有高硬度、良好的耐熱性和高耐酸鹼性外，還具備很好的韌性，這對後續在其表面磨出穩定一致的金字塔形狀是有力的保證，同時由於氮化矽的熱膨脹係數與鑽石膜的熱膨脹係數更接近，可以確保兩者間結合力的熱穩定性。
高品質的氮化矽材料應從製造過程確保其高純度和高緻密性，純度檢測除了確保雜質含量低於限定指標外，還應該檢測游離氮的含量不得高於某個限制，以確保氮化矽陶瓷的微觀結構準確。材料的緻密性即測定材料的密度，密度應接近氮化矽陶瓷的理論密度3.12克/立方釐米(g/cm3)，壓制工藝主要通過等靜壓燒結實現。
步驟二：將陶瓷錠頂部研磨形成具有鑽石外形的四棱錐或六棱錐金字塔陣列。
合格的氮化矽基材表面經過成型研磨，形成一組規則排列的具有鑽石外形的四棱錐或六棱錐金字塔，這樣做出的金字塔需要控制每個金字塔的尺寸在微米級的公差範圍內，這就需要研磨用機床的精確度和穩定性能滿足要求，同時研磨所用的砂輪必須具有持續的形狀保持能力。改變金字塔形狀的尺寸和尖點寬度等參數，可以調整修整碟在CMP制程中的特性，特別是會影響去除率和研磨墊表面粗糙度。
步驟三：在磨好的陶瓷錠尖端表面塗覆微米鑽石薄膜，所述微米鑽石薄膜的厚度為2~25微米，即得到鑽石修整碟。
微米鑽石薄膜塗層是在專用的設備上完成的，設備是在高真空度的真空腔體中，通入5N級別甲烷和氫氣的高純混合氣體，這樣的混合氣體在燈絲或等離子體的激發下，擴散到氮化矽表面，經過一系列複雜的物理化學過程，在氮化矽表面成核並生長，形成一層SP3結構的碳原子層，由於為多核共同生長，所形成的晶面為鑽石多晶體，這樣的粗糙耐磨的鑽石表面如同鎧甲，維持著氮化矽表面研磨出的金字塔形尖點，使表面耐磨耗能力比碳化矽提升百倍以上，化學穩定性也達到最佳狀態，這樣穩定表面能夠最大程度保證CMP制 程中保持高的穩定性和壽命，同時徹底避免晶圓遭受因表面磨損帶來的化學污染或物理機械損傷。
下面將本發明的鑽石修整碟與市售鑽石修整碟進行性能檢測對比，結果如下：
1.如第一圖所示，根據SEM圖可以看出，本發明鑽石修整碟的微米鑽石薄膜晶型標準完整，而市售鑽石修整碟的非微米級鑽石薄膜則比較趨向於非晶態。
2.如第二圖所示，根據拉曼光譜結果，本發明鑽石修整碟的微米鑽石薄膜中幾乎100%為sp3結構碳原子(鑽石態1330-1339cm-1峰)，而市售鑽石修整碟的非微米級鑽石薄膜則為包含sp3與sp2(石墨態碳原子，峰值1580cm-1)的多種成分的混合物。
3.如第三圖所示，市售鑽石修整碟經過30小時研磨後，尖點明顯變形為圓弧形態，本發明的修整碟經30小時研磨後未見明顯磨損。這可能是因為本發明的修整碟表面鑽石膜為微米鑽石膜，相較於市售鑽石的非微米鑽石薄膜為完全SP3晶態，耐磨性明顯提升。
4.在60小時、6lb下壓力的修整測試後，採用本發明修整碟進行修整的研磨墊粗糙度從3.29降至3.18，衰減在3%左右。而採用市售鑽石修整碟進行修整的研磨墊，在30小時、3lb下壓力的測試下，粗糙度從大於3.77降至2.55，衰減高達32%，磨損嚴重。
從以上結果可以看出，本發明的鑽石修整碟通過採用微米鑽石膜薄膜塗層，有效提高了修整碟的耐磨性，從能保證了尖點尖度的保持能力，對 維持研磨墊的表面粗糙度有明顯的優勢，可以確保CMP制程中穩定的去除率和品質一致性。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (3)

  1. 一種鑽石修整碟，包含：一氮化矽陶瓷基底，係選用密度為3.12克/立方釐米之氮化矽材料，將該氮化矽陶瓷基底的頂部研磨形成具有鑽石外形的六棱錐之金字塔陣列；及一微米鑽石薄膜，在高真空度的真空腔體中，通入5N級別甲烷和氫氣的高純混合氣體，該高混合氣體在燈絲或等離子體的激發下，塗覆在該氮化矽陶瓷基底的表面，形成一層SP3結構的鑽石多晶體，所述微米鑽石薄膜的厚度大於5~25微米；通過拉曼光譜儀進行測定，該微米鑽石薄膜僅在1330-1339cm-1區間有一個尖銳峰。
  2. 一種如請求項1所述之鑽石修整碟的製造方法，包含：步驟一，將一陶瓷粉等靜壓燒結製成組織均勻緻密的一陶瓷錠；步驟二，將該陶瓷錠的頂部研磨形成具有一鑽石外形的一四棱錐金字塔陣列或一六棱錐金字塔陣列，而成為該氮化矽陶瓷基底；步驟三，在該陶瓷錠的表面塗覆該微米鑽石薄膜，再把塗好膜的該陶瓷錠組裝在和一機台連接的一基體即得到該鑽石修整碟。
  3. 一種如請求項1所述之鑽石修整碟的製造方法，包含：步驟一，將一陶瓷粉等靜壓燒結製成組織均勻緻密的一陶瓷錠；步驟二，將該陶瓷錠的頂部研磨形成一平面，而成為該氮化矽陶瓷基底；步驟三，在該陶瓷錠的表面塗覆該微米鑽石薄膜，即得到該鑽石修整碟。
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