TWI826966B - 鑽石盤及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種具有優良耐磨性和高拋光性能的鑽石盤及其製造方法。其中，鑽石盤包括柄底座、形成於柄底座表面的結合層以及暴露於結合層的多個硼摻雜鑽石，多個硼摻雜鑽石的至少一部分以與長軸相交，同時設置在最上端的面從長軸的上端向下傾斜的姿勢設置在結合層上。
Description
本發明涉及一種鑽石盤及其製造方法。
通常，CMP(Chemical mechanical polishing)工藝是一種化學-機械拋光工藝，是一種通過同時使用拋光去除工藝和化學溶液的溶解作用來獲得半導體晶片平坦度的拋光工藝。
CMP拋光加工的原理是在使拋光墊和晶片在相互加壓的狀態下相對移動，在拋光墊上供應拋光粒子和化學溶液混合的拋光液(slurry)的過程，此時，由聚氨酯材料製成的拋光墊表面上的大量泡沫氣孔起到容納新的拋光液的作用，從而獲得一定的拋光效率和整個晶片表面上的拋光均一性。
然而，由於在拋光過程中增加了壓力和相對速度，拋光墊表面隨著加工時間的推移會發生不均勻變形，拋光墊上的氣孔被拋光殘留物堵塞，拋光墊無法正常工作。因此，在整體加工時間過程中無法實現整個晶片表面上的大面積平坦化和晶片之間的拋光均勻性。
為解決上述CMP拋光墊變形不均勻、氣孔堵塞的問題，採用CMP墊調節器進行CMP墊調節作業，對拋光墊表面進行精細拋光，形成新的微孔。
CMP墊調節作業可以與提高生產率的主要作業的CMP作業同時進行。這被稱為原位調節(In-situ Conditioning)。
此時，CMP作業中使用的拋光液包括如二氧化矽、氧化鋁或二氧化鈰等的拋光粒子，並且CMP工藝根據所使用的拋光液的類型大體分為氧化物CMP和金屬(Metal)CMP。前者使用的氧化物CMP用拋光液的pH值主要為10~12，後者使用的金屬CMP用拋光液是pH值為小於等於4的酸性溶液。
通常的現有CMP墊調節器使用經由電沉積法製造的電沉積型CMP墊調節器和在高溫下熔化金屬粉末的方式的熔合型CMP墊調節器。這些CMP墊調節器主要使用粒狀鑽石粒子作為拋光劑。鑽石粒子由電沉積或熔合形成的金屬基體固定。
鑽石被稱為地球上存在的材料中硬度最高的材料，由於這些特性，將人造鑽石作為原料而製造的鑽石工具被製造和使用。
然而，在現有的CMP工藝中，CMP墊調節器中的鑽石與拋光液一起用於晶片拋光。若使用腐蝕性強的拋光液，拋光液內的添加物會與鑽石的碳發生反應，存在加速鑽石磨損，縮短鑽石盤壽命的問題。
專利文獻：韓國公開專利第10-2012-0058303號
本發明的實施例旨在提供一種改進耐磨性、拋光性能高的鑽石盤及其製造方法。
根據本發明的一方面，本發明可以提供一種鑽石盤，包括柄底座；結合層，形成於該柄底座的表面；以及多個硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)，被設置為暴露於該結合層，多個該硼摻雜鑽石的至少一部分以與該硼摻
雜鑽石的長軸相交，同時設置在最上端的面從該長軸的上端向下傾斜的姿勢設置在該結合層上。
進一步地，該硼摻雜鑽石的該長軸相對於該柄底座具有大於50°小於等於90°的姿勢，該硼摻雜鑽石設置在該結合層上。
進一步地，該結合層的表面與該硼摻雜鑽石的表面相交的潤濕角(Wetting angle)保持在大於等於0°小於等於60°。
進一步地，該結合層的厚度與該硼摻雜鑽石的平均直徑的比值在30%至65%的範圍內。
進一步地，該硼摻雜鑽石中摻雜的硼摻雜量在1ppm至2000ppm的範圍內。
進一步地，該硼摻雜鑽石的每單位體積的磁化率(Magnetic susceptibility per unit volume)在每單位體積20~800的範圍內。
進一步地，該硼摻雜鑽石的密度對該結合層的密度的比值保持在0.4至0.6的範圍內。
進一步地，該硼摻雜鑽石是八面體鑽石(octahedron Diamond)，當該硼摻雜鑽石立於該結合層的上部時，該硼摻雜鑽石的下端部與該柄底座的表面點接觸或線接觸或間隔預定距離。
進一步地，該硼摻雜鑽石的墊拋光特性(Pad cut rate，PCR)為，在PCR測試設備中，由該硼摻雜鑽石製成的CMP Pad調節器以100rpm至120rpm的轉速旋轉，拋光墊以80rpm至95rpm的轉速旋轉時，由該硼摻雜鑽石製成的CMP Pad調節器將4至9 lbf的壓力施加到該拋光墊上的狀態下，需要13小時以上的時間才能夠將PCR降低到2至10um/hr以進行墊調節。
根據本發明的一方面，本發明可以提供一種鑽石盤的製造方法，包括以下步驟：結合材料塗佈步驟，將結合材料塗佈到柄底座的表面上；預燒結步驟，將塗佈於該柄底座表面的該結合材料加熱至第一溫度範圍，以形成預燒結體形態的結合層；鑽石提供步驟，在該預燒結體的表面提供多個硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)；以及熱處理步驟，在第二溫度範圍內進行熱處理，使得多個該硼摻雜鑽石的至少一部分以與該硼摻雜鑽石的長軸相交，同時設置在最上端的面從該長軸的上端向下傾斜的姿勢設置在該結合層上。
進一步地，在該熱處理步驟中，該硼摻雜鑽石的長軸以相對於該柄底座大於50°小於等於90°的姿勢暴露於該結合層。
進一步地，在該預燒結步驟中，該第一溫度範圍為600℃至900℃，在該熱處理步驟中，該第二溫度範圍為1000℃至1300℃。
進一步地，在該熱處理步驟中，該結合層的表面與該硼摻雜鑽石的表面相交的潤濕角(Wetting angle)保持在大於等於0°小於等於60°。
進一步地，在該熱處理步驟中，熱處理後該結合層的厚度與該硼摻雜鑽石的平均直徑的比值在30%至65%的範圍內。
根據本發明的實施例，本發明具有可以藉由八面體結構的硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)實現優異的耐磨性和高拋光性能的優點。
進一步地，根據本發明的實施例，本發明是一種八面體的(Octahedral)硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)，由於硼摻雜鑽石自立(Self-standing)的比例大於一定比例，因此具有可以改善耐磨性和提高拋光性能的優點。
100:柄底座
200:結合層
300:硼摻雜鑽石
C:角度
L:長軸
S100:結合材料塗佈步驟
S200:預燒結步驟
S300:鑽石提供步驟
S400:熱處理步驟
圖1是示出根據本發明一實施例的鑽石盤中，硼摻雜鑽石(BDD)以預燒結體的形式臨時附著在結合層上的狀態的圖；圖2是示出根據本發明一實施例的鑽石盤中，熱處理後的結合層上的硼摻雜鑽石(BDD)立起的狀態的圖；圖3是示出根據本發明一實施例的鑽石盤中，熱處理後的結合層上的硼摻雜鑽石(BDD)被潤濕(Wetting)的狀態的圖；圖4至圖5是示出根據本發明一實施例的鑽石盤和普通鑽石的磨損狀態的比較照片；圖6是示出根據本發明一實施例的使用硼摻雜鑽石(BDD)的鑽石盤和使用未摻雜硼的普通八面體鑽石的鑽石盤的放大比較圖；圖7是示出根據本發明一實施例的硼摻雜鑽石(BDD)和使用普通八面體鑽石的石盤之間的PCR測試圖表；圖8是示出根據本發明一實施例的硼摻雜鑽石(BDD)和普通鑽石(Regular diamond)中，隨著熱處理的重量減少率的圖表；圖9是示出根據本發明一實施例的鑽石盤的製造方法的框圖。
下面結合圖式對用於實現本發明技術思想的具體實施例進行詳細說明。
此外，在本發明的說明中，如果確定相關已知配置或功能的詳細描述可能會模糊本發明的主旨，則將省略其詳細說明。
此外，當一個元件被稱為與另一個元件「連接」、「支撐」、「接續」、「提供」、「傳達」或「接觸」時，可以理解為該元件可以直接與另一個元件連接、支撐、接續、提供、傳達或接觸，但中間也可能存在其他元件。
本文中所使用的術語僅用於說明特定實施例，並不用於限制本發明。除非上下文另有明確規定，否則單數表達包括複數表達。
此外，本說明書中，上側、下側、側面等的表述是參考附圖中的圖示來說明的，需要預先揭露的是，當對應對象的方向改變時，可能有不同的表達方式。出於同樣的原因，圖式中某些元件被誇大、省略或示意性地示出，並且每個元件的尺寸並不能完全反映實際尺寸。
此外，可以使用包括諸如第1、第2等序數的術語來說明各種元件，但是相應元件不受這些術語的限制。這些術語僅用於區分一個元件與另一個元件。
本說明書中所使用的諸如「包括」之類的術語旨在表示說明書中揭示的某些特定特徵、區域、整數、步驟、操作、元件和/或成分的存在，但不排除其他特定特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、成分和/或組合的存在或附加。
首先，關於鑽石的化學成分，當比較普通鑽石(Regular diamond)和根據本發明的硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)時，在高腐蝕性環境(如W CMP、Oxide CMP工藝)中，硼摻雜鑽石(BDD)的耐磨性優於普通鑽石的耐磨性，在腐蝕性較低的一般環境中，普通鑽石的耐磨性與硼摻雜鑽石(BDD)的耐磨性沒有顯著差異。
另外，在電沉積CMP鑽石盤製造方法中，鎳電鍍作為結合層支撐非導電鑽石。然而，對於導電的硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)，鎳電沉積層在電鍍時被覆蓋到硼摻雜鑽石的表面，因此，普通方法的硼摻雜鑽石不能用於電沉積工藝。因此，硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)在通過熔合法和燒結法製造鑽石盤(diamond disc)時可以被應用。
此外，在一般鐵(Fe)基金屬的加工中，鑽石由於與鐵基金屬發生親和反應而難以進行金屬加工。在CMP墊調節作業中，當向拋光墊供應拋光液時，拋光液中所含的鐵(Fe)成分可能與鑽石盤的鑽石的碳發生反應，從而加速鑽石的磨損。結果，鑽石磨損得更快，壽命更短。然而，根據本發明的摻雜(Doped)了硼(Boron)的硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)抑制了碳(Carbon)的氧化反應(C+O2→CO2)(作為Blocking layer)，因此，可以提高鑽石盤的穩定性。
根據本發明的硼摻雜鑽石(BDD)、普通鑽石和現有氮化硼(cubic boron nitride，CBN)的製造差異如下表1所示。
[表1]
在根據本發明的硼摻雜鑽石的情況下，Fe、Ni合金和硼(Boron：Pure boron或Boron carbide)作為催化劑，在鑽石的合成中，硼(Boron)可以被碳取代，或者硼(Boron)可以侵入鑽石結構中。這種硼摻雜鑽石抑制了外部鐵(Fe)與鑽石的碳的反應，提供了鑽石的所有耐磨特性。
另一方面，普通鑽石以Fe、Ni合金用作碳的催化劑，但其中不包含硼(Boron)，由於氮化硼(cubic boron nitride，CBN)具有碳和硼的含量比為1：1的結構，硼(Boron)的添加量相對較多，因此雖然它不與鐵(Fe)反應，但與硼摻雜鑽石相比，它的強度非常低，形狀控制可能很困難。
本實施例中，應用於鑽石盤的鑽石中，硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)可以根據使用用途使用總鑽石的5vol%及以上。此外，硼摻雜鑽石(BDD)中的八面體(Octahedral)結構的比例可以為大於等於50%。在全部硼摻雜
鑽石(BDD)中，自立(Self-standing)在結合層中的硼摻雜鑽石(BDD)的比例可以是大於等於60%。
比例可以經由觀察一定區域內的所有鑽石來確定為其中滿足上述標準的鑽石比例。
在下文中，將參考圖1至圖8描述根據本發明一實施例的鑽石盤的具體構造。
參考圖1至圖6，根據本發明的鑽石盤可以應用於CMP墊調節器以精細地拋光拋光墊的表面。該鑽石盤可以包括柄底座100、結合層200和多個硼摻雜鑽石300(Boron Doped Diamond，BDD)。
具體地，柄底座100為盤的背板(BACKING PLATE)，結合層200可形成於柄底座100的表面。由於柄底座100對應於用作盤的背板的傳統柄底座100，因此將省略其詳細描述。
結合層200包含60wt%及以上的Ni，並且可以由包含諸如Cr和Si的其他元素的結合材料製成。在將結合材料塗佈到柄底座100的表面之後，可以將其乾燥並預燒結以形成固相(solid phase)預燒結體。可以將用於臨時附著硼摻雜鑽石300的黏合劑塗佈到預燒結體的上表面。可以使用鑽孔夾具將硼摻雜鑽石300臨時附著到塗佈有黏合劑的預燒結體的上表面。
預燒結體可以與硼摻雜鑽石300一起通過熱處理工藝形成結合層200。結合層200可以在高溫熱處理過程中相變為液相(liquid state)，硼摻雜鑽石
300可以以直立狀態設置在結合層200上。硼摻雜鑽石300以直立狀態設置在其上的結合層200可以被冷卻和乾燥。
結合層200的密度可以在6g/cm3至8.3g/cm3的範圍內。硼摻雜鑽石300的密度可以在3.5g/cm3至3.6g/cm3的範圍內。本實施例中，結合層200的密度為7.6g/cm3，硼摻雜鑽石300的密度為3.54g/cm3。
此外，硼摻雜鑽石300的密度與結合層200的密度之比可以在0.4至0.6的範圍內。如果硼摻雜鑽石300的密度與結合層200的密度的比值大於0.6，由於結合層200與硼摻雜鑽石300之間的密度差導致硼摻雜鑽石300的浮力過低，因此硼摻雜鑽石300可以浸入到結合層200中。如果硼摻雜鑽石300的密度與結合層200的密度的比值小於0.4，由於結合層200與硼摻雜鑽石300之間的密度差導致硼摻雜鑽石300的浮力過大，硼摻雜鑽石300可以漂浮在結合層200的上表面並可以向水平方向傾斜。
硼摻雜鑽石300可以經由在碳中包含Fe、Ni合金和硼(Boron：Pure boron或Boron carbide)作為催化劑來製成。例如，在硼摻雜鑽石300中，碳中可以包含Fe、Ni合金和1ppm至2000ppm的硼(Boron：Pure boron或Boron carbide)。在鑽石結構中，硼(Boron)可以被碳取代，或者硼(Boron)可以侵入到鑽石結構中。該硼摻雜鑽石300可提供耐磨和強耐久性，同時不與外部鐵(Fe)反應。
硼摻雜鑽石300可以具有20~50的韌性指數(Toughness Index，TI)和14~45的溫度韌性指數(Temperature Toughness Index，TTI)。硼摻雜鑽石300的每
單位體積的磁化率(Magnetic Susceptibility，MS)可以在20~800的範圍內，較佳地，可以在30~500的範圍內。
在硼摻雜鑽石300的合成過程中，用作催化劑的Fe、Ni等作為雜質包含在鑽石內部。一般來說，隨著硼的摻雜量增加，雜質的量也成比例地增加。如果MS值小於20，則硼的摻雜量也非常少，硼提高耐腐蝕性的效果可能會降低，如果MS值超過800，硼的摻雜量會增加，但由於Fe、Ni等強磁性金屬異物的過度混入，鑽石的物理性能可能會變差，在CMP墊調節中可能會產生鑽石粒子破裂的問題。隨著硼摻雜鑽石300內部金屬異物量的增加，TI和TTI值也隨之降低，這一點經由MS測量可以看出。鑽石韌性(TI、TTI或MS)必須足夠高，以便在CMP條件下的壓力下長時間使用時不會破裂。
硼摻雜鑽石300可以是八面體鑽石(octahedron Diamond)。鑽石可以根據合成條件製造成八面體的形式，八面體構成的鑽石具有鋒利的邊緣，八面體構成的鑽石中，頂點與中心的連線與面形成的角度為35°~45°。
可以提供多個該硼摻雜鑽石300(Boron Doped Diamond，BDD)以設置為暴露於結合層200。多個硼摻雜鑽石300中的至少一些可以以長軸L相對於柄底座100大於50°小於等於90°的角度C的姿勢設置在結合層200上。
本實施例中，可以將鑽石300的多個頂點中彼此相距最遠的兩個頂點連接起來的假想線定義為「軸」，在多個該「軸」中，最長的軸可以定義為「長軸L」。此外，「頂點」可以定義為相鄰邊相交的點，當相鄰邊不作為「點」
相交時(例如，與頂點對應的部分是鈍形狀的情況)，則可以將相鄰邊延長時延長邊相交的假想點定義為頂點。長軸大於等於50°的硼摻雜鑽石可定義為自立。
另外，硼摻雜鑽石300的長軸L相對於柄底座100具有大於50°小於等於90°的角度C的姿勢，硼摻雜鑽石300獨立設置在結合層200的上部可以理解為自立(Self standing)。當硼摻雜鑽石300自立於結合層200的上部時，硼摻雜鑽石300的長軸方向的下頂點可以與柄底座100的表面點接觸或線接觸或間隔預定距離。
當硼摻雜鑽石300的長軸L相對於柄底座100成35°時，硼摻雜鑽石300與工件(拋光墊)面接觸，硼摻雜鑽石300相對於工件的拋光性能會顯著降低。隨著硼摻雜鑽石300的長軸L相對於柄底座100越來越接近90°，硼摻雜鑽石300與工件(拋光墊)點接觸，因此可以顯著提高硼摻雜鑽石300相對於工件的拋光性能。
為了使硼摻雜鑽石300的長軸L相對於柄底座100以大於50°小於等於90°的角度C的姿勢設置在結合層200上，硼摻雜鑽石300的表面與結合層200的表面相交的潤濕角(Wetting angle，θ)應小於90°，較佳地，結合層組件應配置為小於60°。
參考圖3和下述的公式1，潤濕角θ由向上力FV、向下力FD和側方力FL的豎直分量確定。
[公式1]FV=FD+FLcosθ
當潤濕角θ超過90°時，由於FL的豎直分量向上，因此硼摻雜鑽石300可以更多地漂浮，當潤濕角θ小於90°時，由於側方力FL的豎直分量的方向會向側方向改變，因此硼摻雜鑽石300會受到向下的力。
例如，若潤濕角θ大於90°，則硼摻雜鑽石300可能會因浮力而使得結合層200無法適當地支撐硼摻雜鑽石300，從而增加硼摻雜鑽石300脫落的風險，由於在結合層中沒有形成用於排出在拋光加工時產生的碎屑(debris)的容屑槽，因此無法適當地排出碎屑，拋光性能可能會顯著下降。較佳地，當八面體硼摻雜鑽石300的潤濕角θ越小於60°，硼摻雜鑽石300與工件(拋光墊)進行點接觸或線接觸，形成良好的容屑槽，可以顯著提高硼摻雜鑽石300相對於工件的拋光性能。
然而，即使硼摻雜鑽石300與結合層200之間的潤濕角小於60°，若結合層的厚度過厚，硼摻雜鑽石300在結合層200中的暴露高度也會降低，藉由浮力(floating)漂浮，硼摻雜鑽石300和工件可以面接觸。此外，如果用於排出在由硼摻雜鑽石300進行拋光加工時產生的碎屑(Debris)的容屑槽較淺地形成在結合層200中，則拋光加工時產生的碎屑的排出可能不順暢。
此外，當硼摻雜鑽石300(BDD)的潤濕角小於60°時，硼摻雜鑽石300在表面張力的作用下更深地嵌入結合層200，使得硼摻雜鑽石300可以降低從結合層200突出的高度。因此，必須嚴格控制結合層200的厚度，以確保鑽石盤的拋光加工時產生的碎屑(Debris)的排出通路。
此外，若結合層200比適當的厚度更薄，由於浮力(硼摻雜鑽石和結合層的密度差異)和潤濕(wetting)可能會發生自立。在這種情況下，容屑槽很好地形成在結合層200中，但是如果結合層200的厚度變得太薄，硼摻雜鑽石300可以與柄底座100接觸，並且硼摻雜鑽石300可以經由表面張力進一步接收向下的力，此時，由於硼摻雜鑽石300是傾斜平放的，因此硼摻雜鑽石300在結合層200中的暴露高度降低，硼摻雜鑽石300可以與工件面接觸。例如，當鑽石平放且硼摻雜鑽石300的長軸與柄底座100以形成約35°~45°的角度C的姿勢設置於結合層200上時，可以降低硼摻雜鑽石300的自立(self-standing)比例。
根據本發明的結合層200的厚度與平均鑽石粒子大小(直徑)具有一定的比值。例如，結合層200的厚度與根據本發明的硼摻雜鑽石300的平均直徑的比值可以在30%至65%的範圍內。[表2]是示出針對結合層200的每個高度的角度良好鑽石比值(自立比)和PCR(Pad cut rate)的表格。鑽石的粒子大小是具有一定範圍的Mesh size，鑽石的平均大小遵循ANSI標準。例如，[表2]中使用的鑽石為#80~#100，平均大小為150um，尺寸範圍為127~181um。鑽石以400個/cm2的密度附著在直徑約為4”的圓盤上。每單位面積附著的鑽石數量可能會因鑽石的平均大小而不同。
[表2]
參考表2，當結合層的厚度為68um、79um和94um時，鑽石的暴露高度相對於結合層的厚度較高，具有最高的例如自立(self-standing)比的角度良好
鑽石比值，PCR最高。當結合層的厚度為106um時，鑽石的暴露高度相對於結合層的厚度也較低，角度良好鑽石比值(自立比)也較低，PCR也較低。當結合層的厚度為52um時，鑽石的暴露高度相對於結合層的厚度較高，角度良好鑽石比值(自立比)略有降低，PCR也略有減少。
即，由於在結合層200的厚度與硼摻雜鑽石300的平均直徑之比為70%及以上時PCR變得非常低，因此結合層200的厚度與硼摻雜鑽石300的平均直徑的比值應管理在70%以下。而如果結合層200的厚度過薄，即使PCR值維持在一定程度，也存在鑽石脫落的風險，因此結合層200的厚度應該是鑽石平均大小的30%及以上。因此，結合層200的厚度與硼摻雜鑽石300的平均直徑之比較佳在30%至65%的範圍內。
圖6示出了硼摻雜八面體鑽石300和普通八面體鑽石在熱處理後的截面照片。即使沒有摻雜硼的普通鑽石具有八面體(Octahedron)形狀，如果在PCR測試設備中進行15分鐘的PCR測試，在相同條件下，普通鑽石的PCR值也低於硼摻雜鑽石300(BDD)的PCR值。塊狀型(Blocky type)，即cube-octahedral形狀的鑽石無論是否摻雜硼，在與硼摻雜鑽石盤相同的條件下，在PCR測試中都展現出非常低的PCR值。
參考圖7，為了測量由硼摻雜鑽石300和普通八面體鑽石製成的盤的長時間的PCR(Pad cut rate)，準備PCR測試設備、拋光墊、CMP墊調節器(CMP Pad Conditioner)和拋光液。例如，PCR測試設備可以使用CTS公司的CMP拋光機，
拋光墊可以使用直徑為20"的IC1010(Dupont)產品，拋光液可以使用W7000(Cabot microelectronics)。此外，CMP墊調節器可以具備直徑為4"的硼摻雜八面體鑽石300和普通八面體鑽石。
當準備好PCR測試設備、拋光墊、CMP墊調節器和拋光液時，拋光墊以80~95rpm的轉速旋轉，CMP墊調節器以100~120rpm的轉速旋轉，使CMP墊調節器的硼摻雜鑽石300或普通八面體鑽石將4至9 lbf的壓力施加到拋光墊上，在此狀態下測量PCR為了墊調節而降低到最小PCR值以下所用的時間。如果PCR值低於設定值，則認為作為CMP墊調節器的作用不足。此時，CMP墊調節器可以拋光拋光墊，同時從拋光墊中心到邊緣每分鐘往復運動18~20次，向拋光墊提供每分鐘300ml的拋光液。
經長期PCR測試的結果，以配備普通八面體鑽石的CMP墊調節器為例，PCR需要8小時能夠達到10um/hr，而配備硼摻雜鑽石300的CMP墊調節器則被證實PCR需要13小時能夠達到10。在本文所述的PCR測試中，例如，CMP墊調節器需要13小時使PCR達到10um/hr，或者超過13小時的時間也可以包含在本發明的範圍內。由於CMP墊調節器中，PCR達到10um/hr所需的時間越長越有利，因此在本文中，無需指定PCR達到10um/hr所需時間的上限，CMP墊調節器使PCR達到10um/hr所需的時間可能是100小時。此外，例如，即使例如設定值為5um/hr或2um/hr，也能夠確認硼摻雜鑽石300與普通八面體鑽石相比，墊拋光特性能夠保持30%及以上的更長時間。
圖4和圖5是在上述實驗條件下隨時間觀察鑽石而得到的盤上單個鑽石的SEM圖像。比較例為普通八面體鑽石，使用前觀察到鋒利的邊緣，但觀察到10小時，15小時後邊緣幾乎已經磨損。另一方面，可以看出，實施例的硼摻雜八面體鑽石的邊緣即使在使用10小時，26小時後磨損也較少。
參考圖8，僅將鑽石在Air氣氛中在750℃下熱處理3hr以確認重量變化。與普通鑽石重量減輕了24.8%相反，根據本發明的硼摻雜鑽石300(BDD)的重量減輕了2.5%。例如，示出了硼摻雜鑽石的重量變化率明顯低於普通鑽石。即，可以確認通過硼摻雜抑制鑽石與空氣中的氧的反應，鑽石的化學性質非常穩定。
因此，根據本發明的鑽石盤具有與不與鐵(Fe)反應的氮化硼(CBN)相同的特性，可以提供強耐磨鑽石的所有特性，提高鑽石盤的使用壽命。
在下文中，將參照圖9描述根據本發明一實施例的鑽石盤的製造方法。
參考圖9，根據本發明一實施例的鑽石盤的製造方法可以包括結合材料塗佈步驟S100、預燒結步驟S200、鑽石提供步驟S300和熱處理步驟S400。
在該結合材料塗佈步驟S100中，結合材料可以塗佈到柄底座的表面。結合材料可以包括60wt%及以上的Ni和Cr、Si等的其他元素。
在該預燒結步驟S200中，固相(solid phase)預燒結體可以通過預燒結工藝形成，在該預燒結工藝中，塗佈到柄底座的表面的結合材料被加熱並乾燥至第一溫度範圍。此時，第一溫度範圍可以是600℃至900℃的溫度範圍。在該預燒結步驟S200中，最終熱處理後的結合層的厚度與硼摻雜鑽石的平均直徑的比值可以在30%至65%的範圍內。
在該鑽石提供步驟S300中，可以在預燒結體的表面提供多個硼摻雜鑽石(Boron Doped Diamond，BDD)。此時，可以使用鑽孔夾具通過黏合劑將多個硼摻雜鑽石臨時附著到預燒結體上。
在該熱處理步驟S400中，可以在第二溫度範圍內對多個硼摻雜鑽石進行熱處理，以將其設置為暴露於直立狀態的預燒結體。多個硼摻雜鑽石中的至少一部分可以以長軸L相對於柄底座大於60°小於等於90°的角度C的姿勢自立。此時，第二溫度範圍可以是1000℃至1300℃的溫度範圍。
在該熱處理步驟S400中，固態預燒結體相變為液相結合層。因此，由於密度差引起的浮力，個別硼摻雜鑽石的一部分(約50vol%)可以暴露在結合層200的上面，個別硼摻雜鑽石的剩餘部分(約50vol%)可以下降到結合層的表面以下。
此時，具有八面體形狀的硼摻雜鑽石的下頂點朝下是最穩定的。它可能會根據高溫熱處理溫度下的結合層的黏度和熱處理時間而有所不同，但如果長時間保持在這種條件下，硼摻雜鑽石可能會發生旋轉，並出現自立(self standing)現象。
在該熱處理步驟S400中，預燒結體的表面和硼摻雜鑽石的表面相交的潤濕角(Wetting angle)可以保持在大於等於0°小於等於60°。八面體硼摻雜鑽石的潤濕角越小於60°，容屑槽可以更好地形成，由於硼摻雜鑽石與工件(拋光墊)點或線接觸，因此可以顯著提高硼摻雜鑽石對於工件的拋光性能。
如上所述，藉由本發明的八面體結構的硼摻雜鑽石可以實現優異的耐磨性和高拋光性能，由於硼摻雜鑽石的自立比超過一定比例，因此具有可以改善耐磨性和提高拋光性能的優點。
以上，將本發明的示例作為具體實施例進行了說明，但這些僅為示例，本發明不限於此，根據本說明書所揭示的技術思想，其應被解釋為具有最廣泛的範圍。本領域技術人員可以經由組合/替換所公開的實施例來實現未揭示的形狀的圖案，這並不脫離本發明的範圍。此外，本領域技術人員可以很容易地根據本說明書對所公開的實施例進行變更或修改，顯然這樣的變更或修改均屬本發明的範圍之內。
100:柄底座
200:結合層
300:硼摻雜鑽石
C:角度
L:長軸
Claims (13)
- 一種鑽石盤，其中該鑽石盤包括：一柄底座；一結合層，形成於該柄底座的表面；以及多個硼摻雜鑽石，被設置為暴露於該結合層，多個該硼摻雜鑽石的至少一部分以與該硼摻雜鑽石的一長軸相交，同時設置在最上端的面從該長軸的上端向下傾斜的姿勢設置在該結合層上；其中該結合層的表面與該硼摻雜鑽石的表面相交的潤濕角保持在大於等於0°小於等於60°。
- 根據請求項1所述的鑽石盤，其中該硼摻雜鑽石的該長軸相對於該柄底座具有大於50°小於等於90°的姿勢，該硼摻雜鑽石設置在該結合層上。
- 根據請求項1所述的鑽石盤，其中該結合層的厚度與該硼摻雜鑽石的平均直徑的比值在30%至65%的範圍內。
- 根據請求項1所述的鑽石盤，其中該硼摻雜鑽石中摻雜的硼摻雜量在1ppm至2000ppm的範圍內。
- 根據請求項1所述的鑽石盤，其中該硼摻雜鑽石的每單位體積的磁化率在每單位體積20至800的範圍內。
- 根據請求項1所述的鑽石盤，其中該硼摻雜鑽石的密度對該結合層的密度的比值保持在0.4至0.6的範圍內。
- 根據請求項5所述的鑽石盤，其中該硼摻雜鑽石是八面體鑽石，當該硼摻雜鑽石立於該結合層的上部時，該硼摻雜鑽石的下端部與該柄底座的表面點接觸或線接觸或間隔預定距離。
- 根據請求項1所述的鑽石盤，其中該硼摻雜鑽石的墊拋光特性為，在一墊拋光特性測試設備中，由該硼摻雜鑽石製成的CMP墊調節器以100rpm至120rpm的轉速旋轉，一拋光墊以80rpm至95rpm的轉速旋轉時，由該硼摻雜鑽石製成的CMP墊調節器將4至9 lbf的壓力施加到該拋光墊上的狀態下，需要13小時以上的時間才能夠將墊拋光特性降低到2至10um/hr以進行墊調節。
- 一種鑽石盤的製造方法，其中該製造方法包括以下步驟：一結合材料塗布步驟，將一結合材料塗布到一柄底座的表面上；一預燒結步驟，將塗布於該柄底座表面的該結合材料加熱至一第一溫度範圍，以形成預燒結體形態的結合層；一鑽石提供步驟，在該預燒結體的表面提供多個硼摻雜鑽石；以及一熱處理步驟，在一第二溫度範圍內進行熱處理，使得多個該硼摻雜鑽石的至少一部分以與該硼摻雜鑽石的長軸相交，同時設置在最上端的面從該長軸的上端向下傾斜的姿勢設置在該結合層上。
- 根據請求項9所述的鑽石盤的製造方法，其中在該熱處理步驟中，該硼摻雜鑽石的長軸以相對於該柄底座大於50°小於等於90°的姿勢暴露於該結合層。
- 根據請求項9所述的鑽石盤的製造方法，其中在該預燒結步驟中，該第一溫度範圍為600℃至900℃，在該熱處理步驟中，該第二溫度範圍為1000℃至1300℃。
- 根據請求項9所述的鑽石盤的製造方法，其中在該熱處理步驟中，該結合層的表面與該硼摻雜鑽石的表面相交的潤濕角保持在大於等於0°小於等於60°。
- 根據請求項9所述的鑽石盤的製造方法，其中在該熱處理步驟中，熱處理後該結合層的厚度與該硼摻雜鑽石的平均直徑的比值在30%至65%的範圍內。
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