CN116619246B - 一种具有金刚石柱状晶簇的cmp抛光垫修整器及其制备方法 - Google Patents
一种具有金刚石柱状晶簇的cmp抛光垫修整器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器及其制备方法，其中，修整器包括基板及设置于基板上的第一金刚石层，所述第一金刚石层中具有多个山峰状柱状晶簇；各柱状晶簇具有至少9个柱状晶，各柱状晶的顶部构成切割尖点，各切割尖点距基板表面的垂直距离为15‑100μm，各柱状晶簇中最高切割尖点的高度差为5μm以下。第一金刚石层采用化学气相沉积方法分阶段沉积，第一金刚石层上还可设置第二金刚石层。本发明公开的CMP抛光垫修整器减少了金属污染的同时增强了CMP抛光垫修整器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工领域，尤其涉及了一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器及其制备方法。
背景技术
化学机械抛光（CMP）是一种表面精加工技术，现已广泛用于集成电路芯片等表面的平整化，其具体工艺是将待抛光工件在一定压力及抛光液的存在下相对于抛光垫旋转，同时借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀来实现工件表面材料的去除，以获得光洁表面。区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP通过化学和机械的共同作用，避免了单纯机械抛光造成的表面损伤和单纯化学抛光造成的抛光速度慢、抛光一致性差等缺点。
使用后的抛光垫表面会逐渐变平，出现“釉化”现象，使去除速率下降。因此，需用修整器对抛光垫进行修整，从而恢复抛光垫的粗糙面，以维持去除速率及延长抛光垫的寿命，从而降低生成成本。
现有的修整器大多采用粘结剂来实现修整器表面上的磨料颗粒与基体的固结，如专利文献1（公开号：CN101983116A）公开了一种CMP抛光垫修整器，包括磨料颗粒、粘合剂以及一个基片，这些磨料颗粒由该粘合剂以一个单层阵列粘附到该基片上；通过对磨料颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状、颗粒浓度以及颗粒凸出高度分布进行优化，由此使其能够实现CMP抛光垫质地Ra值小于1.8μm的一种表面精整度。
再如专利文献2（公开号：CN104084884A）公开了一种CMP片状研磨修整器，其包括修整本体，修整本体包括由外到内依次设置的超细磨粒层、中间层和基体层，中间层为低熔点金属或结合剂，超细磨粒层通过低熔点金属或结合剂与基体层连接，基体层和超细磨粒层尖端平行。
专利文献1及专利文献2的修整器均使用了低熔点金属或粘结剂来实现磨料颗粒与基板的固定，一方面使用粘结剂/低熔点金属易产生污染，使得修整器表面金属萃取物过高，从而影响到晶片质量；另一方面使用粘结剂/低熔点金属使得磨料颗粒的突出高度的一致性不易控制，从而导致修整器的切割效率下降率高，影响了使用寿命。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器及其制备方法，减少了金属污染的同时增强了CMP抛光垫修整器的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器，修整器包括基板及设置于基板上的第一金刚石层，所述第一金刚石层中具有山峰状柱状晶簇，各柱状晶簇具有至少9个柱状晶，各柱状晶的顶部构成切割尖点，各切割尖点距基板表面的垂直距离为15-100μm，各柱状晶簇中最高切割尖点的高度差为5μm以下。
当柱状晶簇中的柱状晶数量太少会降低修整器的切割性能及使用寿命，因此设置每个柱状晶簇具有至少9个柱状晶。当切割尖点距基板表面的垂直距离过高时，虽然增加了修整器的修整能力，但也增加了抛光垫的损耗，降低了抛光垫的使用寿命；当切割尖点距基板表面的垂直距离过低时，修整器对抛光垫的修整能力不足，无法实现对抛光垫表面的修复和切削能力的恢复。因此，各切割尖点距基板表面的垂直距离为15-100μm，优选地，各切割尖点距基板表面的垂直距离为75-100μm。
进一步地，修整器还包括位于第一金刚石层之上的第二金刚石层，所述第二金刚石层由纳米级的金刚石颗粒构成，第二金刚石层厚为0.5-5μm。有助于增强修整器的耐磨性和降低摩擦系数，以保证切割效率的稳定性。
本发明还提供一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)通过机加工或模压烧结获得基板；
(2)在基板表面需要形成柱状晶簇位置上进行加工；
(3)第一金刚石层沉积：将基板置于化学气相沉积（CVD）腔体中进行沉积，获得所需的第一金刚石层，所述第一金刚石层沉积分为两个阶段。其中，第一阶段的沉积温度为870-1000℃，氢气流量为6-10SLM，氩气流量为2.5-6SLM，甲烷与氢气流量比为3:100-5:100，腔体压力为2.5-4.5kPa，沉积时间为2-5小时；第二阶段的沉积温度为780-860℃，氢气流量为6-10SLM，氩气流量为2.5-6SLM，甲烷与氢气流量比为1:100-2:100，腔体压力为2.5-4.5kPa，沉积时间为0.5-3小时。
步骤（3）的CVD金刚石沉积采用两个阶段来获得所需金刚石层，通过控制第一阶段沉积的工艺参数，使得在需要形成柱状晶簇位置的金刚石沉积时，金刚石颗粒能快速形核。第一阶段的沉积温度过低、甲烷与氢气流量比过高会导致二次形核无法形成柱状晶；第一阶段的沉积温度过高时、甲烷与氢气流量比过低易造成金刚石层中孔洞数量过多，影响金刚石层质量。第二阶段的沉积温度过高，甲烷与氢气流量比过高会导致金刚石颗粒生长速度过快，影响金刚石层的致密性；第二阶段的沉积温度过低，甲烷与氢气流量比过低会导致金刚石层沉积速率过低，且金刚石层中石墨含量过高，影响金刚石层的强度。
进一步地，步骤（2）中所述加工是在基板表面需要形成柱状晶簇位置形成缺陷，缺陷可以是孔或划痕。孔深为5-20μm，孔径为20-100μm，有助于金刚石颗粒的形核。孔可采用激光刻蚀形成，划痕可采用研磨形成。
进一步地，步骤（2）中的加工还可以是先在基板上覆盖一掩膜板，掩膜板上的孔与基板上需要形成柱状晶簇的位置相对应，接着在覆盖掩膜板的基板上预沉积金刚石层，金刚石层厚度5-15μm，最后移除掩膜板，有助于在此基础上的接续生长形成第一金刚石层。
进一步地，步骤(3)中的第一金刚石层采用直流电弧等离子体喷射CVD沉积。
进一步地，所述方法还包括步骤（4），由纳米级金刚石颗粒构成的第二金刚石层沉积，其中沉积温度为700-750℃，甲烷与氢气流量比为6:100-10:100，沉积时间为0.5-2小时。
附图说明
图1为本发明修整器结构示意图；
图2为柱状晶簇SEM图。
附图说明：1-切割尖点，2-柱状晶。
具体实施方式
以下用实施例对发明作进一步阐述，将对本发明的方法及其优点做进一步说明。
实施例1
图1为本发明修整器结构示意图，如图1所示的一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器，包括基板及设置于基板上的第一金刚石层，第一金刚石层中具有山峰状柱状晶簇，每个柱状晶簇具有至少9个柱状晶2，各切割尖点1距基板表面的垂直距离为15-30μm，柱状晶簇中最高切割尖点的高度差为5μm以下。图2为柱状晶簇扫描电子显微镜（SEM）图，
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.001/h。在PH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物1.6μg/片。
实施例2
一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器，修整器包括基板及设置于基板上的第一金刚石层，第一金刚石层中具有山峰状柱状晶簇，每个柱状晶簇具有至少20个柱状晶2，各切割尖点1距基板表面的垂直距离为75-100μm。柱状晶簇中最高切割尖点的高度差为2μm以下。
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.0004/h。在pH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物1.3μg/片。
实施例3
一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器，修整器包括基板、设置于基板上的第一金刚石层及设置在第一金刚石层上的第二金刚石层，第一金刚石层中具有山峰状柱状晶簇，每个柱状晶簇具有至少20个柱状晶2，各切割尖点1距基板表面的垂直距离为75-100μm,柱状晶簇中最高切割尖点的高度差为2μm以下；第二金刚石层由纳米级的金刚石颗粒构成，第二金刚石层厚2μm。
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.0003/h。在PH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物1.25μg/片。
实施例4
通过模压烧结获得基板；在基板表面需要形成柱状晶簇位置进行激光刻蚀以形成孔，使孔的深度为10μm，孔径为60μm；将基板置于直流电弧等离子体喷射CVD腔体中进行沉积，沉积分为两个阶段，其中，第一阶段的沉积温度为950℃，氢气流量为8SLM，氩气流量为3SLM，甲烷/氢气流量比为4:100，腔体压力为3.5kPa，沉积时间为4小时；第二阶段的沉积温度为825℃，氢气流量为7SLM，氩气流量为4SLM，甲烷/氢气流量比为1:100，腔体压力为3.2kPa，沉积时间为1小时，获得具有山峰状柱状晶簇的第一金刚石层。每个柱状晶簇具有至少15个柱状晶2，各切割尖点1距基板表面的垂直距离为40-65μm。柱状晶簇中最高切割尖点的高度差为3μm以下。
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.0008/h。在PH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物1.4μg/片。
实施例5
在实施例4的第一金刚石层上沉积由纳米级金刚石颗粒构成的第二金刚石层，沉积温度为720℃，甲烷/氢气流量比为8:100，沉积时间为0.5小时，层厚1μm。
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.0007/h。在PH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物1.36μg/片。
对比例1
修整器由外到内依次为金刚石颗粒、作为粘合剂的铜焊带和碳化硅基体，金刚石颗粒尺寸为45微米，金刚石颗粒被铜焊带粘附到基体上。
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.0049/h。在PH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物270μg/片。
对比例2
修整器由外到内依次为金刚石颗粒层、中间层和不锈钢基体。其中中间层为镀镍层，金刚石颗粒层通过中间层与基体层连接，金刚石颗粒尺寸为150μm。
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.0038/h。在PH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物350μg/片。
对比例3
一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器，修整器包括基板及设置于基板上的第一金刚石层，第一金刚石层中具有山峰状柱状晶簇，每个柱状晶簇具有至少9个柱状晶2，各切割尖点1距基板表面的垂直距离为110-140μm。柱状晶簇中最高切割尖点的高度差大于6μm。
经检测，修整器在24小时切割效率下降率为0.0019/h。在PH=3的稀盐酸浸泡24小时，修整器表面金属萃取物1.8μg/片。
Claims (10)
1.一种具有金刚石柱状晶簇的CMP抛光垫修整器，其特征在于，所述修整器包括基板及设置于基板上的第一金刚石层，所述第一金刚石层中具有山峰状柱状晶簇，各柱状晶簇具有至少9个柱状晶，各柱状晶的顶部构成切割尖点，各切割尖点距基板表面的垂直距离为15-100μm，各柱状晶簇中最高切割尖点的高度差为5μm以下。
2.如权利要求1所述的修整器，其特征在于，所述各切割尖点距基板表面的垂直距离为75-100μm。
3.如权利要求1所述的修整器，其特征在于，所述修整器还包括位于所述第一金刚石层之上的第二金刚石层，所述第二金刚石层由纳米级的金刚石颗粒构成，所述第二金刚石层的厚度为0.5-5μm。
4.如权利要求1-3任一项所述的修整器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)通过机加工或模压烧结获得基板；
(2)在基板表面需要形成柱状晶簇的位置上进行加工；
(3)第一金刚石层沉积：将所述基板置于CVD腔体中进行沉积，获得所需的第一金刚石层，所述第一金刚石层沉积分为两个阶段，其中，第一阶段的沉积温度为870-1000℃，氢气流量为6-10SLM，氩气流量为2.5-6SLM，甲烷与氢气流量比为3:100-5:100，腔体压力为2.5-4.5kPa，沉积时间为2-5小时；第二阶段的沉积温度为780-860℃，氢气流量为6-10SLM，氩气流量为2.5-6SLM，甲烷与氢气流量比为1:100-2:100，腔体压力为2.5-4.5kPa，沉积时间为0.5-3小时。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述加工是在基板表面需要形成柱状晶簇的位置形成孔或划痕，所述孔采用激光刻蚀形成，所述划痕采用研磨形成。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，孔深为5-20μm，孔径为20-100μm。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述加工是先在基板上覆盖一掩膜板，掩膜板上的孔与基板上需要形成柱状晶簇的位置相对应，接着在覆盖掩膜板的基板上预沉积金刚石层，所述金刚石层的厚度为5-15μm，最后移除掩膜板。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤（4），由纳米级金刚石颗粒构成的第二金刚石层沉积，其中沉积温度为700-750℃，甲烷与氢气流量比为6:100-10:100，沉积时间为0.5-2小时。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中第一阶段的沉积温度为950℃，氢气流量为8SLM，氩气流量为3SLM，甲烷与氢气流量比为4:100，腔体压力为3.5kPa，沉积时间为4小时；第二阶段的沉积温度为825℃，氢气流量为7SLM，氩气流量为4SLM，甲烷与氢气流量比为1:100，腔体压力为3.2kPa，沉积时间为1小时。
10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的第一金刚石层采用直流电弧等离子体喷射CVD沉积。
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