CN202952159U - 化学机械研磨修整器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是有关于一种化学机械研磨修整器，包括：一基板、一结合层、一固定模板以及多个磨粒；结合层设置于基板上，固定模板设置于结合层上，而其具有多个贯孔，其中，且所述磨粒是对应容设于所述贯孔并置抵于结合层，所述磨粒分别具有一相对于固定模板表面凸出的研磨端；其中，基板及固定模板的热膨胀系数是高于或低于结合层的热膨胀系数，通过控制基板、固定模板与结合层的热膨胀系数差异的关系，以便能得到轻薄化的化学机械研磨整修器，不仅消除基板轻薄化后经过硬焊法时所产生的变形问题，也消除了金刚石颗粒脱落及异位的问题，进而降低了制造成本。
Description
技术领域
本实用新型是关于一种化学机械研磨修整器，尤指一种适用于轻量化及薄型化的化学机械研磨修整器。
背景技术
对于硅晶圆表面上的微细铜电路或层间钨电路，乃至绝缘电路的氧化膜介电层，皆必须经过平坦化工艺使其表面平坦以利后续的工艺步骤。目前半导体晶圆上制造集成电路(Interconnected Circuits，IC)的过程中，最受瞩目的平坦化技术则属化学机械平坦化(chemical-mechanicalPlanaization，CMP)，其是将晶圆压于旋转的抛光垫上研磨使其表面平坦。
在化学机械平坦化过程中，稳定且均匀地输送磨浆至晶圆与抛光垫之间，使抛光垫表面浸满了磨浆(Slurry)，此磨浆内含有化学药剂(如酸液及氧化剂)用以侵蚀晶圆表面的薄膜，磨浆内也含无数的纳米陶瓷(如SiO2、Al2O3、CeO2)磨粒，可刺入并刮除微量薄膜，同时进行化学蚀刻与机械磨削作用，移除芯片上突出的沉积层，以抛光晶圆的表面，达成平坦化的目的。
整修器是化学机械平坦化必要的耗材，其功能为修整(Condition)抛光垫(Pad)。所谓修整，包括切削(Shave)抛光垫表面，移除抛光垫表面累积的废弃物，由此保持抛光垫表面的粗糙度。此外，整修器亦可使表面产生微量的隆起及凹陷，其即所谓绒毛(Asperities)的高低差，这样触压抛光垫的面积可以大幅缩小，一旦接触面积越小，接触压力就越大，接触点处的磨浆才能挤压晶圆的突出部位，磨浆内的化学药剂(如H2O2)则会氧化而软化或侵蚀晶圆。
然而，已知的金刚石修整器的制造方法，如：硬焊法，通常是将金刚石颗粒以结合剂固定于金属台盘表面，虽适合用于整修抛光垫，但对于更精密的化学机械平坦化工艺，如线宽小于45纳米以下的化学机械平坦化工艺，却因金刚石修整器的金属台盘过重，在使用金刚石修整器于抛光垫 时容易造成金刚石颗粒脱落(drop)、异位(shift)，进而使得晶圆的刮伤(scratch)、局部的过抛(dishing)、下陷(erosion)及厚度的不均匀(non-uniformity)。随着集成电路的线宽要求日趋缩减，对于晶圆表面平坦度的需求即随的提升，进而对于修整器的要求亦随之提高，造成已知的金刚石修整器无法满足45纳米以下化学机械平坦化工艺的先进要求。
已知技术中，如创作人已申请的中国台湾专利公开号第2010/0248959号，是揭示的化学机械研磨修整器，一种抛光垫修整器，包括一基座、至少一CVD金刚石刀片及多个超硬材料颗粒；基座支撑及固定结合至少一CVD金刚石刀片及多个超硬材料颗粒；至少一CVD金刚石刀片及多个超硬材料颗粒的顶端分别突出基座的顶端；利用超硬材料颗粒可以切割抛光垫，利用CVD金刚石刀片不仅可以切割抛光垫，也可以扫除堆积在抛光垫上的抛光碎屑，可提升CMP修整器的移除材料效率及节省CMP修整器的制造成本。
此外，如创作人已申请的中国台湾专利公开号201014680的研磨工具及其制法，一种研磨工具，包括多个磨粒、一固定模具、一基板及一结合剂层所组成；固定模具的多个孔分别容置多个磨粒；磨粒的第一端及第二端分别置于固定模具的下方及上方；基板的第一端面分别抵靠多个磨粒的第二端；结合剂层结合多个磨粒、固定模具及基板；磨粒的第二端为研磨端；结合剂层隐藏于固定模具内侧，因此在研磨过程中较不会接触液体而被腐蚀，利用固定模具结合磨粒，方便控制磨粒的排列图案、间距及露出高度，并可以更稳固的固定磨粒，使磨粒较不会在研磨加工中脱落。
另，如日本专利公开号JP2005219152A，提供一种制造修整器的方法，修整器可防止金刚石颗粒从修整器脱离，以这样的方式研磨一研磨目标以减少划伤于研磨目标上，且修整器具有较长的使用寿命。根据本发明的方法，每一个镀有一由导电材料形成的薄膜的金刚石颗粒设置于从一模板的上表面上形成的多个孔洞中。然后一表面平台具有一凹部，表面平台设置于模板的一下表面，凹部与每一个金刚石颗粒从模板的下表面凸出部分接触。此外，一基台设置于模板的上表面上，且因此金刚石颗粒可牢固地夹设于模板与基台间。
上述专利所提到的研磨修整器的设计，虽然上述的内容皆有提到通过 设置一模版来固定金刚石颗粒，以避免金刚石颗粒移位，然而，由于已知设计的金属基板过于厚重，致使研磨修整器使用时容易给予金刚石颗粒过大的压力，导致金刚石颗粒脱落，进而使得被抛光或被研磨的目标物受损。反之，如果金属基板设计过于轻薄，则在硬焊过程中金属基板具有容易变形的情况。
因此，创作人开发出一种新的化学机械研磨修整器，利用基板与模板的热膨胀系数差异的关系而设计出轻量化及薄型化的研磨整修器，不仅消除了基板轻薄化后经过硬焊法时所产生的变形问题，也消除了金刚石颗粒脱落及异位的问题，进而降低了化学机械研磨修整器的制造成本。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是在提供一种化学机械研磨修整器，以便能利用基板与固定模板的热膨胀系数高于或低于结合层的热膨胀系数的关系，在硬焊回温时紧密结合基板、结合层、固定模板、磨粒，使得化学机械研磨修整器能有效轻量化及薄型化，也消除了基板轻薄化经过硬焊法时所产生的变形问题，进而间接降低了化学机械研磨修整器的制造成本。
为达成上述目的，本实用新型一种化学机械研磨修整器，包括：一基板、一结合层、一固定模板以及多个磨粒；结合层是设置于基板上，固定模板是设置于结合层上，而其具有一置抵于结合层的第一表面、一相对于第一表面的第二表面以及多个贯孔，其中，所述贯孔贯穿该第一表面以及第二表面，且所述磨粒是对应容设于所述贯孔并置抵于结合层，所述磨粒分别具有一相对于第二平面凸出的研磨端；其中，基板及固定模板的热膨胀系数是高于或低于结合层的热膨胀系数；在本实用新型的一态样中，基板与固定模板的热膨胀系数高于结合层的热膨胀系数的关系，故可以避免硬焊回温时所造成结合层外侧朝向基板变形的问题。
因此，本实用新型利用基板与固定模板的结合，设计出轻薄型的化学机械研磨修整器，并利用基板与模板的热膨胀系数高于或低于结合层的热膨胀系数的关系，使得基板、结合层、以及固定模板之间于硬焊过程中产生的热应力情形得以消弥，不仅消除经过硬焊法后薄型化基板所会产生的变形问题，也消除了金刚石颗粒脱落及异位的问题，进而降低了化学机械 研磨修整器的制造成本。
本实用新型的化学机械研磨修整器，基板的热膨胀系数可相同于固定模板的热膨胀系数；较佳为，固定模板及基板的材料可为不锈钢、碳化钨、碳化硅、或其它各种已知使用的基板，其中，不锈钢的热膨胀系数为16.0ppm/℃。
本实用新型的化学机械研磨修整器，固定模板厚度可为所述磨粒粒径的1/5至4/5，可避免因研磨加工时，固定模板过薄而导致模板破坏或磨粒松脱的情形发生。
本实用新型的化学机械研磨修整器，磨粒的粒径可介于100微米至400微米之间；较佳地，磨粒可为人造金刚石、天然金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)、或多晶立方氮化硼(PCBN)。上述的研磨颗粒，含有其的化学机械研磨修整器适合于修整聚氨基甲酸酯(PU)制得抛光垫。
本实用新型的化学机械研磨修整器，固定模板的厚度可介于50微米至300微米之间。
本实用新型的化学机械研磨修整器，结合层的厚度可介于50微米至100微米之间。
本实用新型的化学机械研磨修整器，基板的厚度可介于1毫米至4毫米之间。
本实用新型的结合层可为一焊料层、一电镀层、一烧结层或一树脂层；较佳为，结合层可为焊料层，其中，焊料层的材料可选自由镍、钴、镍、铬、锰、硅、铝、钛、硼、磷、或其组合所组成的群组。以上所述的焊料层的组成，其整体热膨胀系数皆小于固定模板以及基板。
本实用新型的化学机械研磨修整器，所述贯孔的纵向截面可为一平面或一斜面；并且，磨粒的研磨端可为一研磨尖点或一研磨平面。其中，研磨尖点及第二表面的夹角可介于0至90度之间，利用所述贯孔的纵向截面不同的斜率变化，可控制所对应的置入所述磨粒的研磨尖点相对于第二表面的夹角是介于0至90度之间。此外，较佳为，研磨尖点及第二表面的夹角可为90度。
此外，本实用新型的化学机械研磨修整器可通过所述贯孔的纵向截面 的深度以及径向截面的宽度来控制所述磨粒的露出高度及研磨端的方向性。
本实用新型的化学机械研磨修整器的研磨面可为一平面、凹面或凸面；此外，研磨面最佳为一平面。
本实用新型的基板的直径可为5毫米至250毫米；较佳为，基板的直径可为14毫米至18毫米。
本实用新型的化学机械研磨修整器可还包括一底座基板，底座基板可设置于基板的底部，并设置一可调节厚度的黏着剂层夹设于底座基板以及基板之间；此外，上述底座基板的表面可具有多个由本实用新型的化学机械研磨修整器所构成的基板；较佳为，底座基板的直径可为所述基板的直径的4至20倍；例如，本实用新型的化学机械研磨修整器所构成的基板的直径较佳为介于18毫米至20毫米，而底座基板的直径较佳为介于80毫米至120毫米。
本实用新型的化学机械研磨修整器更可包括一模封胶层，其是填充于前述所述基板间的空隙，并将基板固定于底座基板上。
本实用新型的有益效果是：其是利用基板与固定模板的热膨胀系数高于或低于结合层的热膨胀系数的关系，在硬焊回温时紧密结合基板、结合层、固定模板、磨粒，使得化学机械研磨修整器能有效轻量化及薄型化，也消除了基板轻薄化经过硬焊法时所产生的变形问题，进而间接降低了化学机械研磨修整器的制造成本。
附图说明
为了能够更进一步了解本实用新型的特征、特点和技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1A至图1F是本实用新型化学机械研磨修整器的制备流程结构示意图。
图2是本实用新型化学机械研磨修整器的示意图。
图3A及图3B是本实用新型化学机械研磨修整器示意图。
图4A及图4B是本实用新型非平面的化学机械研磨修整器示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟习此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。
请参阅图1A至1F，是本实用新型化学机械研磨修整器的制备流程结构示意图。
如图1A所示，提供一基板10，其厚度为4毫米、直径为100毫米、且为不锈钢材质制成，而热膨胀系数为16.0ppm/℃。
接着，如图1B所示，设置一结合层11于基板10上，其中结合层11可为一焊料层、一电镀层、一烧结层或一树脂层。在本实施例中，结合层11为焊料层，其材料可选自由镍、钴、镍、铬、锰、硅、铝、钛、硼、磷、或其组合所组成的群组，而在此焊料层为镍钴合金组成，热膨胀系数为14.5ppm/℃以及厚度为50微米。
由图1C以及图1D所示，在结合层11上形成一软胶层12后，一固定模板13设置于软胶层12上，固定模板13具有一置抵于结合层11的第一表面131、一相对于第一表面131的第二表面132以及多个贯孔133，其中，所述贯孔133贯穿第一表面131以及第二表面132。此外所述贯孔133的径向截面由该第一表面131至该第二表面132逐渐变大，且所述贯孔133的纵向截面为斜面设计。
在本实施例中，固定模板13的厚度为100微米、亦为不锈钢材质制成，而热膨胀系数亦为16.0ppm/℃。
再来，由图1E所示，多个磨粒14，是对应容设于所述贯孔133，且置抵于软胶层12及结合层11，而所述磨粒14分别具有一研磨端。在本实施例中，所述磨粒14的研磨端是指一研磨尖点141凸出于该固定模板13的第二表面132，而利用控制所述贯孔133纵向截面斜率及径向截面的宽度变化，使得所述研磨尖点141及第二表面311的夹角皆为90度，所述研磨尖点141全部正向垂直于第二表面132。此外，在本实施例中所谓的研磨尖点141是指磨粒14的最高点，故每一磨粒14具有一研磨尖点141。
此外，所述磨粒14可为人造金刚石、天然金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)、或多晶立方氮化硼(PCBN)。在本实施例中，所述磨粒14为金刚石，其为六八面体，且粒径为300微米。
请继续参阅图1E，且一并参考图1F。在本实施例中，将图1E的样品接着放入真空炉抽气至真空度约为5至10torr，加热至最高1020℃持温12分钟，在加热期间软胶层12将被裂解挥发(如图1F，未显示软胶层12)，而结合层11的焊料则会转变为熔融态，并与所述磨粒14的接触面产生化学反应(即，本实施例中，在熔融状态下，镍钴合金将熔渗扩散到所述磨粒14，并使得镍钴合金与所述磨粒14接触面形成键结)，使得结合层11有效抓固所述磨粒14，固定所述磨粒14的位置与所述磨粒的研磨尖点141方位。
通过上述制作过程，本实施例提供一种化学机械研磨修整器，如图1F所示，其包括：一基板10、一结合层11、一固定模板13、以及多个磨粒14。
而结合层11设置于基板10上，固定模板13设置于结合层11上，且具有一置抵于结合层11的第一表面131、一相对于第一表面131的第二表面132、以及多个贯孔133，其中，所述贯孔133贯穿该第一表面131以及该第二表面132，使得所述贯孔133的径向截面由该第一表面131至该第二表面132逐渐变大。并且，所述磨粒14为对应容设于所述贯孔133，且置抵于结合层11，而所述磨粒14分别具有一研磨端；在本实施例中，而所述磨粒14的研磨端是指一研磨尖点141凸出于该固定模板13的第二表面132，所述贯孔133的纵向截面为斜面设计，利用控制所述贯孔133的纵向截面斜率及径向截面的宽度变化，使得所述研磨尖点141及第二表面132的夹角皆为90度；此外，所述研磨尖点141则会共同形成一研磨面60(如图1F所示的虚线)，研磨面60则为一平面设计。
在本实施例中，基板10及固定模板13的热膨胀系数是高于结合层11的热膨胀系数(镍钴合金的热膨胀系数为14.5ppm/℃)，且基板10及固定模板13皆采用不锈钢材质，热膨胀系数为相同(16.0ppm/℃)；其中，该固定模板13厚度是为所述磨粒14粒径的1/5至4/5之间，所述固定模板13厚度为100微米，所述磨粒14的粒径为300微米。此外，基板10与结 合层11的厚度分别为4毫米以及50微米。
因此，本实用新型利用基板与固定模板的结合，并控制基板与模板的热膨胀系数高于或低于结合层的热膨胀系数的关系，可设计出轻薄型的化学机械研磨修整器，使得基板、结合层、以及固定模板之间于硬焊过程中因为热应力产生变形的情形得以消弥，不仅消除经过硬焊法后薄型化基板所会产生的变形问题，也消除了金刚石颗粒脱落及移位的问题，进而降低了化学机械研磨修整器的制造成本；其中，如前述实施例内容，若选用焊料层作为结合层，则可控制基板与模板的热膨胀系数高于结合层的热膨胀系数。
请参阅图2，是本实用新型化学机械研磨修整器的示意图。由图2所示，多个研磨整修器2，所述研磨整修器2的制备方式与图1A至图1F所述大致相同，其不同处在于研磨整修器2的直径为15毫米，且还包括一底座基板31设置于所述研磨整修器2的底部，并设置一可调节厚度的黏着剂层32夹设于该底座基板31以及所述研磨整修器2之间。并且将一模封胶层33，例如，环氧树脂，其是填充于前述研磨整修器2间的空隙，并将所述研磨整修器2固定于底座基板31上，以强化固定所述研磨整修器2于底座基板31。
在此实施例中，底座基板31的直径是为所述研磨整修器2的基板的直径的4至20倍，其中，底部基板31的直径为100毫米，所述研磨整修器2的直径为15毫米(意即，研磨整修器2的基板的直径为15毫米)，因此，可将多个研磨整修器2以一规则(例如，环状排列)或不规则的图案排列于底座基板31的表面。
因此，本实施例亦可提供消除硬焊法制得的研磨整修器可能具有每一磨粒的研磨端高度差距过大的情形，通过上述的设计，可组合使用具有类似高度磨粒的不同研磨整修器，并将其研磨尖端齐平，并通过可调节厚度的黏着剂层调解高度，使得每一研磨整修器的所述磨粒所具有的研磨端高度接近，以达到最佳的研磨效率。
请参阅图3A及图3B，是分别为本实用新型化学机械研磨修整器示意图。由图3A所示的化学机械研磨修整器，包括有一固定基板43，其包括有一第一表面431、第二表面432、以及多个贯孔433，而所述贯孔433 周缘自该第一表面431至该第二表面432逐渐变大，其中，所述贯孔433周缘两侧往上延伸的斜面的斜率不同，因此，当多个具有一研磨尖点441的磨粒44对应容设于所述贯孔133，所述贯孔433可控制磨粒44的研磨尖点441相对于该第二表面432的夹角为60度。此外，所述研磨尖点441则会共同形成一研磨面61(如图3A所示的虚线)，研磨面61则为一平面设计。
由图3B所示的另一化学机械研磨修整器，包括有一固定基板53，其包括有一第一表面531、第二表面532、以及多个贯孔533，而所述贯孔533周缘自该第一表面531至该第二表面532逐渐变大，其中，通过所述贯孔533周缘两侧往上延伸的斜面的斜率不同，因此，当多个具有一研磨平面541的磨粒54对应容设于所述贯孔533，所述贯孔533可控制所述磨粒54的研磨平面541相对于第二平面为凸出。此外，所述研磨平面541则会共同形成一研磨面62(如图3B所示的虚线)，研磨面62则为一平面设计。
前述本实用新型的化学机械研磨修整器可通过控制固定模板的贯孔纵向截面斜率及径向截面的宽度变化，来达到磨粒的研磨端的所要求的研磨角度，本实用新型并未局限于上述实施例的研磨端角度，化学机械研磨修整器可视抛光垫的材质与所需的平坦度，从而设计不同方位、晶型、或粒径的磨粒，以达到最佳研磨的功效。
请参阅图4A及图4B，是分别为是本实用新型非平面的化学机械研磨修整器示意图；由图4A所示为本实用新型的化学机械研磨修整器可具有的一研磨面63(如图所示的虚线)，其为一凹面形状设计。或是，如图4B所示的化学机械研磨修整器可具有的一研磨面64(如图所示的虚线)，其为一凸面形状设计。
上述的研磨面63，64的设计，其因应抛光垫表面的需求，可使抛光垫表面的绒毛(Asperities)的产生高低差，但要使本实用新型的化学机械研磨修整器对于抛光垫达到最佳修整的效率，其研磨面为一平面设计(如图1F的化学机械研磨修整器)，以达到最高研磨端的密度。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本实用新型所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (20)
1.一种化学机械研磨修整器，其特征在于，包括：
一基板；
一结合层，设置于该基板上；
一固定模板，设置于该结合层上，且具有一置抵于该结合层的第一表面、一相对于第一表面的第二表面以及多个贯孔，其中，所述贯孔贯穿该第一表面以及该第二表面；以及
多个磨粒，对应容设于所述贯孔，且置抵于该结合层，而所述磨粒分别具有一相对于第二平面的研磨端；
其中，该基板及该固定模板的热膨胀系数高于或低于该结合层的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该固定模板及该基板的材料为不锈钢。
3.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该固定模板厚度为所述磨粒粒径的1/5至4/5。
4.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该磨粒的粒径介于100微米至400微米之间。
5.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该固定模板的厚度介于50微米至300微米之间。
6.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该结合层的厚度介于50微米至100微米之间。
7.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该基板的厚度介于1毫米至4毫米之间。
8.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该结合层为一焊料层、一电镀层、一烧结层或一树脂层。
9.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，所述贯孔的纵向截面为一平面或一斜面。
10.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中， 该研磨端为一研磨尖点或一研磨平面。
11.如权利要求10所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该研磨尖点及该第二表面的夹角介于0至90度之间。
12.如权利要求11所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该研磨尖点及该第二表面的夹角为90度。
13.权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该磨粒为人造金刚石、立方氮化硼、或多晶立方氮化硼。
14.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该研磨修整器的研磨面为一平面、凹面或凸面。
15.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该基板的直径为5毫米至250毫米。
16.如权利要求15所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该基板的直径为14毫米至18毫米。
17.如权利要求1所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，还包括一底座基板，该底座基板设置于该基板的底部，并设置一可调节厚度的黏着剂层夹设于该底座基板以及该基板之间。
18.如权利要求17所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该底座基板的表面具有多个基板。
19.如权利要求17所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，其中，该底座基板的直径为所述基板的直径的4至20倍。
20.如权利要求17所述的化学机械研磨修整器，其特征在于，还包括一模封胶层，其填充于前述所述基板间的空隙，并将该基板固定于该底座基板上。
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