TWM446063U

TWM446063U - 化學機械研磨修整器

Info

Publication number: TWM446063U
Application number: TW101215212U
Authority: TW
Inventors: Wen-Ting Ye; jian-min Song
Original assignee: Ritedia Corp
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2013-02-01
Also published as: CN202952159U

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，尤指一種適用於輕量化及薄型化之化學機械研磨修整器。

對於矽晶圓表面上的微細銅電路或層間鎢電路，乃至絕緣電路的氧化膜介電層，皆必須經過平坦化製程使其表面平坦以利後續的製程步驟。目前半導體晶圓上製造積體電路(Interconnected Circuits，IC)的過程中，最受矚目的平坦化技術則屬化學機械平坦化(chemical-mechanical Planaization，CMP)，其是將晶圓壓於旋轉的拋光墊上研磨使其表面平坦。

在化學機械平坦化過程中，穩定且均勻地輸送磨漿至晶圓與拋光墊之間，使拋光墊表面浸滿了磨漿(Slurry)，此磨漿內含有化學藥劑(如酸液及氧化劑)用以侵蝕晶圓表面的薄膜，磨漿內也含無數的奈米陶瓷(如SiO₂ 、Al₂ O₃ 、CeO₂ )磨粒，可刺入並刮除微量薄膜，同時進行化學蝕刻與機械磨削作用，移除晶片上突出的沉積層，藉以拋光晶圓的表面，達成平坦化的目的。

整修器是化學機械平坦化必要的耗材，其功能為修整(Condition)拋光墊(Pad)。所謂修整，包括切削(Shave)拋光墊表面，移除拋光墊表面累積的廢棄物，藉此保持拋光墊表面的粗糙度。此外，整修器亦可使表面產生微量的隆起及凹陷，其即所謂絨毛(Asperities)的高低差，這樣觸壓拋光墊的面積可以大幅縮小，一旦接觸面積越小，接觸壓力就越大，接觸點處的磨漿才能擠壓晶圓的突出部位，磨漿內的化學藥劑(如H₂ O₂ )則會氧化而軟化或侵蝕晶圓。

然而，習知的鑽石修整器之製造方法，如：硬焊法，通常是將鑽石顆粒以結合劑固定於金屬台盤表面，雖適合用於整修拋光墊，但對於更精密的化學機械平坦化製程，如線寬小於45奈米以下的化學機械平坦化製程，卻因鑽石修整器之金屬台盤過重，在使用鑽石修整器於拋光墊時容易造成鑽石顆粒脫落(drop)、異位(shift)，進而使得晶圓的刮傷(scratch)、局部的過拋(dishing)、下陷(erosion)及厚度的不均勻(non-uniformity)。隨著積體電路的線寬要求日趨縮減，對於晶圓表面平坦度的需求即隨之提升，進而對於修整器的要求亦隨之提高，造成習知的鑽石修整器無法滿足45奈米以下化學機械平坦化製程的先進要求。

已知技術中，如創作人已申請的台灣專利公開號第2010/0248959號，係揭示的化學機械研磨修整器，一種拋光墊修整器，包括一基座、至少一CVD鑽石刀片及多個超硬材料顆粒；基座支撐及固定結合至少一CVD鑽石刀片及多個超硬材料顆粒；至少一CVD鑽石刀片及多個超硬材料顆粒的頂端分別突出基座的頂端；利用超硬材料顆粒可以切割拋光墊，利用CVD鑽石刀片不僅可以切割拋光墊，也可以掃除堆積在拋光墊上的拋光碎屑，可提升CMP修整器的移除材料效率及節省CMP修整器的製造成本。

此外，如創作人已申請的台灣專利公開號201014680的研磨工具及其製法，一種研磨工具，包括多數個磨粒、一固定模具、一基板及一結合劑層所組成；固定模具的多數個孔分別容置多數個磨粒；磨粒的第一端及第二端分別置於固定模具的下方及上方；基板的第一端面分別抵靠多數個磨粒的第二端；結合劑層結合多數個磨粒、固定模具及基板；磨粒的第二端為研磨端；結合劑層隱藏於固定模具內側，因此在研磨過程中較不會接觸液體而被腐蝕，利用固定模具結合磨粒，方便控制磨粒的排列圖案、間距及露出高度，並可以更穩固的固定磨粒，使磨粒較不會在研磨加工中脫落。

另，如日本專利公開號JP2005219152A，提供一種製造修整器之方法，修整器可防止鑽石顆粒從修整器脫離，以這樣的方式研磨一研磨目標以減少劃傷於研磨目標上，且修整器具有較長的使用壽命。根據本發明之方法，每一個鍍有一由導電材料形成之薄膜的鑽石顆粒設置於從一模板之上表面上形成的複數個孔洞中。然後一表面平台具有一凹部，表面平台設置於模板之一下表面，凹部與每一個鑽石顆粒從模板之下表面凸出部分接觸。此外，一基台設置於模板之上表面上，且因此鑽石顆粒可牢固地夾設於模板與基台間。

上述專利所提到之研磨修整器的設計，雖然上述之內容皆有提到藉由設置一模版來固定鑽石顆粒，以避免鑽石顆粒移位，然而，由於習知設計之金屬基板過於厚重，致使研磨修整器使用時容易給予鑽石顆粒過大的壓力，導致鑽石顆粒脫落，進而使得被拋光或被研磨之目標物受損。反之，如果金屬基板設計過於輕薄，則在硬焊過程中金屬基板具有容易變形之情況。

因此，創作人開發出一種新的化學機械研磨修整器，利用基板與模板的熱膨脹係數差異之關係而設計出輕量化及薄型化之研磨整修器，不僅消除了基板輕薄化後經過硬焊法時所產生的變形問題，也消除了鑽石顆粒脫落及異位之問題，進而降低了化學機械研磨修整器之製造成本。

本創作之主要目的係在提供一種化學機械研磨修整器，俾能利用基板與固定模板的熱膨脹係數高於或低於結合層的熱膨脹係數之關係，在硬焊回溫時緊密結合基板、結合層、固定模板、磨粒，使得化學機械研磨修整器能有效輕量化及薄型化，也消除了基板輕薄化經過硬焊法時所產生的變形問題，進而間接降低了化學機械研磨修整器之製造成本。

為達成上述目的，本創作一種化學機械研磨修整器，包括：一基板、一結合層、一固定模板以及複數個磨粒；結合層係設置於基板上，固定模板係設置於結合層上，而其具有一置抵於結合層之第一表面、一相對於第一表面之第二表面以及複數個貫孔，其中，該些貫孔貫穿該第一表面以及第二表面，且該些磨粒係對應容設於該些貫孔並置抵於結合層，該些磨粒分別具有一相對於第二表面凸出之研磨端；其中，基板及固定模板之熱膨脹係數係高於或低於結合層之熱膨脹係數；在本創作之一態樣中，基板與固定模板的熱膨脹係數高於結合層的熱膨脹係數之關係，故可以避免硬焊回溫時所造成結合層外側朝向基板變形之問題。

因此，本創作利用基板與固定模板之結合，設計出輕薄型的化學機械研磨修整器，並利用基板與模板的熱膨脹係數高於或低於結合層的熱膨脹係數之關係，使得基板、結合層、以及固定模板之間於硬焊過程中產生的熱應力情形得以消彌，不僅消除經過硬焊法後薄型化基板所會產生的變形問題，也消除了鑽石顆粒脫落及異位之問題，進而降低了化學機械研磨修整器之製造成本。

本創作之化學機械研磨修整器，基板之熱膨脹係數可相同於固定模板之熱膨脹係數；較佳為，固定模板及基板之材料可為不銹鋼、碳化鎢、碳化矽、或其它各種習知使用之基板，其中，不銹鋼之熱膨脹係數為16.0 ppm/℃。

本創作之化學機械研磨修整器，固定模板厚度可為該些磨粒粒徑的1/5至4/5，可避免因研磨加工時，固定模板過薄而導致模板破壞或磨粒鬆脫之情形發生。

本創作之化學機械研磨修整器，磨粒之粒徑可介於100微米至400微米之間；較佳地，磨粒可為人造鑽石、天然鑽石、多晶鑽石(PCD)、立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)、或多晶立方氮化硼(PCBN)。上述之研磨顆粒，含有其之化學機械研磨修整器適合於修整聚氨基甲酸酯(PU)製得拋光墊。

本創作之化學機械研磨修整器，固定模板之厚度可介於50微米至300微米之間。

本創作之化學機械研磨修整器，結合層之厚度可介於50微米至100微米之間。

本創作之化學機械研磨修整器，基板之厚度可介於1毫米至4毫米之間。

本創作之結合層可為一焊料層、一電鍍層、一燒結層或一樹脂層；較佳為，結合層可為焊料層，其中，焊料層之材料可選自由鎳、鈷、鎳、鉻、錳、矽、鋁、鈦、硼、磷、或其組合所組成之群組。以上所述之焊料層之組成，其整體熱膨脹係數皆小於固定模板以及基板。

本創作之化學機械研磨修整器，該些貫孔之縱向截面可為一平面或一斜面；並且，磨粒之研磨端可為一研磨尖點或一研磨平面。其中，研磨尖點及第二表面之夾角可介於0至90度之間，利用該些貫孔之縱向截面不同之斜率變化，可控制所對應之置入該些磨粒之研磨尖點相對於第二表面之夾角係介於0至90度之間。此外，較佳為，研磨尖點及第二表面之夾角可為90度。

此外，本創作之化學機械研磨修整器可藉由該些貫孔之縱向截面之深度以及徑向截面之寬度來控制該些磨粒之露出高度及研磨端之方向性。

本創作之化學機械研磨修整器之研磨面可為一平面、凹面或凸面；此外，研磨面最佳為一平面。

本創作之基板之直徑可為5毫米至250毫米；較佳為，基板之直徑可為14毫米至18毫米。

本創作之化學機械研磨修整器可更包括一底座基板，底座基板可設置於基板之底部，並設置一可調節厚度之黏著劑層夾設於底座基板以及基板之間；此外，上述底座基板之表面可具有複數個由本創作之化學機械研磨修整器所構成之基板；較佳為，底座基板之直徑可為該基板之直徑的4至20倍；例如，本創作之化學機械研磨修整器所構成之基板之直徑較佳為介於18毫米至20毫米，而底座基板之直徑較佳為介於80毫米至120毫米。

本創作之化學機械研磨修整器更可包括一模封膠層，其係填充於前述該基板間之空隙，並將基板固定於底座基板上。

以下係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之其他優點與功效。本創作亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。

請參閱圖1A至1F，係本創作化學機械研磨修整器之製備流程結構示意圖。

如圖1A所示，提供一基板10，其厚度為4毫米、直徑為100毫米、且為不銹鋼材質製成，而熱膨脹係數為16.0 ppm/℃。

接著，如圖1B所示，設置一結合層11於基板10上，其中結合層11可為一焊料層、一電鍍層、一燒結層或一樹脂層。在本實施例中，結合層11為焊料層，其材料可選自由鎳、鈷、鎳、鉻、錳、矽、鋁、鈦、硼、磷、或其組合所組成之群組，而在此焊料層為鎳鈷合金組成，熱膨脹係數為14.5 ppm/℃以及厚度為50微米。

由圖1C以及圖1D所示，在結合層11上形成一軟膠層12後，一固定模板13設置於軟膠層12上，固定模板13具有一置抵於結合層11之第一表面131、一相對於第一表面131之第二表面132以及複數個貫孔133，其中，該些貫孔133貫穿第一表面131以及第二表面132。此外該些貫孔133之徑向截面由該第一表面131至該第二表面132逐漸變大，且該些貫孔133之縱向截面為斜面設計。

在本實施例中，固定模板13之厚度為100微米、亦為不銹鋼材質製成，而熱膨脹係數亦為16.0 ppm/℃。

再來，由圖1E所示，複數個磨粒14，係對應容設於該些貫孔133，且置抵於軟膠層12及結合層11，而該些磨粒14 分別具有一研磨端。在本實施例中，該些磨粒14之研磨端係指一研磨尖點141凸出於該固定模板13之第二表面132，而利用控制該些貫孔133縱向截面斜率及徑向截面之寬度變化，使得該些研磨尖點141及第二表面311之夾角皆為90度，該些研磨尖點141全部正向垂直於第二表面132。此外，在本實施例中所謂的研磨尖點141係指磨粒14之最高點，故每一磨粒14具有一研磨尖點141。

此外，該些磨粒14可為人造鑽石、天然鑽石、多晶鑽石(PCD)、立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)、或多晶立方氮化硼(PCBN)。在本實施例中，該些磨粒14為鑽石，其為六八面體，且粒徑為300微米。

請繼續參閱圖1E，且一併參考圖1F。在本實施例中，將圖1E之樣品接著放入真空爐抽氣至真空度約為5至10 torr，加熱至最高1020℃持溫12分鐘，在加熱期間軟膠層12將被裂解揮發(如圖1F，未顯示軟膠層12)，而結合層11之焊料則會轉變為熔融態，並與該些磨粒14之接觸面產生化學反應(即，本實施例中，在熔融狀態下，鎳鈷合金將熔滲擴散到該些磨粒14，並使得鎳鈷合金與該些磨粒14接觸面形成鍵結)，使得結合層11有效抓固該些磨粒14，固定該些磨粒14之位置與該些磨粒之研磨尖點141方位。

藉由上述製作過程，本實施例提供一種化學機械研磨修整器，如圖1F所示，其包括：一基板10、一結合層11、一固定模板13、以及複數個磨粒14。

而結合層11設置於基板10上，固定模板13設置於結合層11上，且具有一置抵於結合層11之第一表面131、一相對於第一表面131之第二表面132、以及複數個貫孔133，其中，該些貫孔133貫穿該第一表面131以及該第二表面132，使得該些貫孔133之徑向截面由該第一表面131至該第二表面132逐漸變大。並且，該些磨粒14為對應容設於該些貫孔133，且置抵於結合層11，而該些磨粒14分別具有一研磨端；在本實施例中，而該些磨粒14之研磨端係指一研磨尖點141凸出於該固定模板13之第二表面132，該些貫孔133之縱向截面為斜面設計，利用控制該些貫孔133之縱向截面斜率及徑向截面之寬度變化，使得該些研磨尖點141及第二表面132之夾角皆為90度；此外，該些研磨尖點141則會共同形成一研磨面60(如圖1F所示之虛線)，研磨面60則為一平面設計。

在本實施例中，基板10及固定模板13之熱膨脹係數係高於結合層11之熱膨脹係數(鎳鈷合金之熱膨脹係數為14.5 ppm/℃)，且基板10及固定模板13皆採用不銹鋼材質，熱膨脹係數為相同(16.0 ppm/℃)；其中，該固定模板13厚度係為該些磨粒14粒徑之1/5至4/5之間，該些固定模板13厚度為100微米，該些磨粒14之粒徑為300微米。此外，基板10與結合層11之厚度分別為4毫米以及50微米。

因此，本創作利用基板與固定模板之結合，並控制基板與模板的熱膨脹係數高於或低於結合層的熱膨脹係數之關係，可設計出輕薄型的化學機械研磨修整器，使得基板、結合層、以及固定模板之間於硬焊過程中因為熱應力產生變形之情形得以消彌，不僅消除經過硬焊法後薄型化基板所會產生的變形問題，也消除了鑽石顆粒脫落及移位之問題，進而降低了化學機械研磨修整器之製造成本；其中，如前述實施例內容，若選用焊料層作為結合層，則可控制基板與模板的熱膨脹係數高於結合層的熱膨脹係數。

請參閱圖2，係本創作化學機械研磨修整器之示意圖。由圖2所示，複數個研磨整修器2，該些研磨整修器2之製備方式與圖1A至圖1F所述大致相同，其不同處在於研磨整修器2之直徑為15毫米，且更包括一底座基板31設置於該些研磨整修器2之底部，並設置一可調節厚度之黏著劑層32夾設於該底座基板31以及該些研磨整修器2之間。並且將一模封膠層33，例如，環氧樹脂，其係填充於前述研磨整修器2間之空隙，並將該些研磨整修器2固定於底座基板31上，以強化固定該些研磨整修器2於底座基板31。

在此實施例中，底座基板31之直徑係為該些研磨整修器2之基板的直徑之4至20倍，其中，底部基板31之直徑為100毫米，該些研磨整修器2之直徑為15毫米(意即，研磨整修器2之基板之直徑為15毫米)，因此，可將複數個研磨整修器2以一規則(例如，環狀排列)或不規則之圖案排列於底座基板31之表面。

因此，本實施例亦可提供消除硬焊法製得之研磨整修器可能具有每一磨粒之研磨端高度差距過大之情形，藉由上述之設計，可組合使用具有類似高度磨粒的不同研磨整修器，並將其研磨尖端齊平，並藉由可調節厚度之黏著劑層調解高度，使得每一研磨整修器之該些磨粒所具有之研磨端高度接近，以達到最佳之研磨效率。

請參閱圖3A及圖3B，係分別為本創作化學機械研磨修整器示意圖。由圖3A所示之化學機械研磨修整器，包括有一固定基板43，其包括有一第一表面431、第二表面432、以及複數個貫孔433，而該些貫孔433周緣自該第一表面431至該第二表面432逐漸變大，其中，該些貫孔433周緣兩側往上延伸之斜面之斜率不同，因此，當複數個具有一研磨尖點441之磨粒44對應容設於該些貫孔133，該些貫孔433可控制磨粒44之研磨尖點441相對於該第二表面432之夾角為60度。此外，該些研磨尖點441則會共同形成一研磨面61(如圖3A所示之虛線)，研磨面61則為一平面設計。

由圖3B所示之另一化學機械研磨修整器，包括有一固定基板53，其包括有一第一表面531、第二表面532、以及複數個貫孔533，而該些貫孔533周緣自該第一表面531至該第二表面532逐漸變大，其中，藉由該些貫孔533周緣兩側往上延伸之斜面之斜率不同，因此，當複數個具有一研磨平面541之磨粒54對應容設於該些貫孔533，該些貫孔533可控制該些磨粒54之研磨平面541相對於第二平面為凸出。此外，該些研磨平面541則會共同形成一研磨面62(如圖3B所示之虛線)，研磨面62則為一平面設計。

前述本創作之化學機械研磨修整器可藉由控制固定模板之貫孔縱向截面斜率及徑向截面之寬度變化，來達到磨粒之研磨端的所要求之研磨角度，本創作並未侷限於上述實施例之研磨端角度，化學機械研磨修整器可視拋光墊之材質與所需之平坦度，從而設計不同方位、晶型、或粒徑之磨粒，以達到最佳研磨之功效。

請參閱圖4A及圖4B，係分別為係本創作非平面之化學機械研磨修整器示意圖；由圖4A所示為本創作之化學機械研磨修整器可具有之一研磨面63(如圖所示之虛線)，其為一凹面形狀設計。或是，如圖4B所示之化學機械研磨修整器可具有之一研磨面64(如圖所示之虛線)，其為一凸面形狀設計。

上述之研磨面63,64之設計，其因應拋光墊表面之需求，可使拋光墊表面之絨毛(Asperities)的產生高低差，但要使本創作之化學機械研磨修整器對於拋光墊達到最佳修整之效率，其研磨面為一平面設計(如圖1F之化學機械研磨修整器)，以達到最高研磨端之密度。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，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。

10‧‧‧基板

11‧‧‧結合層

12‧‧‧軟膠層

13,43,53‧‧‧模板

131,431,531‧‧‧第一表面

132,432,532‧‧‧第二表面

133,433,533‧‧‧貫孔

14,44,54‧‧‧磨粒

141,441‧‧‧研磨尖點

541‧‧‧研磨平面

31‧‧‧底座基板

2‧‧‧研磨整修器

32‧‧‧黏著層

33‧‧‧模封膠層

60,61,62,63,64‧‧‧研磨面

圖1A至圖1F係本創作化學機械研磨修整器之製備流程結構示意圖。

圖2係本創作化學機械研磨修整器之示意圖。

圖3A及圖3B係本創作化學機械研磨修整器示意圖。

圖4A及圖4B係本創作非平面之化學機械研磨修整器示意圖。

10‧‧‧基板

11‧‧‧結合層

13‧‧‧模板

131‧‧‧第一表面

132‧‧‧第二表面

133‧‧‧貫孔

14‧‧‧磨粒

141‧‧‧研磨尖點

60‧‧‧研磨面

Claims

一種化學機械研磨修整器，包括：一基板；一結合層，係設置於該基板上；一固定模板，係設置於該結合層上，且具有一置抵於該結合層之第一表面、一相對於第一表面之第二表面以及複數個貫孔，其中，該些貫孔貫穿該第一表面以及該第二表面；以及複數個磨粒，係對應容設於該些貫孔，且置抵於該結合層，而該些磨粒分別具有一相對於第二表面之研磨端；其中，該基板及該固定模板之熱膨脹係數係高於或低於該結合層之熱膨脹係數。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該基板及該固定模板之熱膨脹係數係高於該結合層之熱膨脹係數。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該基板之熱膨脹係數係相同於該固定模板之熱膨脹係數。
如申請專利範圍第3項所述之化學機械研磨修整器，其中，該固定模板及該基板之材料係為不銹鋼。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該固定模板厚度係為該些磨粒粒徑之1/5至4/5。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該磨粒之粒徑係介於100微米至400微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該固定模板之厚度係介於50微米至300微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該結合層之厚度係介於50微米至100微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該基板之厚度係介於1毫米至4毫米之間。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該結合層係為一焊料層、一電鍍層、一燒結層或一樹脂層。
如申請專利範圍第10項所述之化學機械研磨修整器，其中，該焊料層之材料係選自由鎳、鈷、鎳、鉻、錳、矽、鋁、鈦、硼、磷、或其組合所組成之群組。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該些貫孔之縱向截面係為一平面或一斜面。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該研磨端係為一研磨尖點或一研磨平面。
如申請專利範圍第13項所述之化學機械研磨修整器，其中，該研磨尖點及該第二表面之夾角係介於0至90度之間。
如申請專利範圍第14項所述之化學機械研磨修整器，其中，該研磨尖點及該第二表面之夾角係為90度。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該磨粒係為人造鑽石、天然鑽石、多晶鑽石 (PCD)、立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)、或多晶立方氮化硼(PCBN)。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該研磨修整器之研磨面係為一平面、凹面或凸面。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中，該基板之直徑係為5毫米至250毫米。
如申請專利範圍第18項所述之化學機械研磨修整器，其中，該基板之直徑係為14毫米至18毫米。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，更包括一底座基板，該底座基板係設置於該基板之底部，並設置一可調節厚度之黏著劑層夾設於該底座基板以及該基板之間。
如申請專利範圍第20項所述之化學機械研磨修整器，其中，該底座基板之表面係具有複數個基板。
如申請專利範圍第20項所述之化學機械研磨修整器，其中，該底座基板之直徑係為該基板之直徑之4至20倍。
如申請專利範圍第20項所述之化學機械研磨修整器，更包括一模封膠層，其係填充於該基板間之空隙，並將該基板固定於該底座基板上。