TW201330984A - 研磨工具及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種研磨工具及其製造方法，其中該製造方法係於一導電基板上設置有一高分子材料層，且該高分子材料層係根據多邊形或環形陣列之圖形定義而設有複數個孔洞；同時利用化學表面處理方法提高複數個研磨顆粒之濕潤性，並將至少二個以上之該等研磨顆粒設於該各個孔洞內，再以一複合鍍層將其固定於其內，最後去除該高分子材料層，而在該導電基板上形成具有複數個研磨區域之一表面。本發明係利用圖形定義方式之該等孔洞，而用來規劃該等研磨區域的面積、間距及分佈密度等，且該等研磨顆粒係透過化學表面處理而提昇其附著能力，大幅提高其製造品質。

Description

研磨工具及其製造方法

本發明屬於晶圓製程中之研磨技術領域，尤指一種可大幅提高晶圓拋光效率及平坦化的作業品質之研磨工具及其製造方法。

按，隨著時代的求新演進，以及高科技電子消費市場的競爭，為了在更小的面積上堆積更密集的線路，晶圓表面的氧化層(oxide layer)與金屬層(metal layer)的全面平坦化(Planarization)技術亦愈趨重要。由於晶片上的積體電路線幅不斷地細小化，為解決微影製程中的高低差所產生之聚焦困難問題，一般係透過化學機械研磨技術(Chemical Mechanical Polishing，CMP)來平坦化該晶圓之表面，CMP所需之設備包含設有一研磨墊(polish pad)之一研磨平台(platen)，以及固定該晶圓及施加壓力之一晶圓承載器(carrier)，該晶圓承載器係利用抽真空而吸住該晶圓背面，而利用研磨平台之該研磨墊與該晶片承載器之間的相對運動，同時透過添加研磨劑(slurry)以產生適當的化學反應進行平坦化作業，使該晶圓之氧化層與金屬層被拋光、磨平，有效減少設計佈局限制、提升配線密度pattern density)、降低缺陷密度(defect density)和提升製程良率。

然而，該研磨墊在進行一段時間的研磨之後，其表面花紋和表面粗糙度，會因為持續拋光的機械動作而使該晶圓磨下的碎屑，或是研磨液與晶圓上的金屬層產生化學產物，經過研磨行為使產物或碎屑沉積於該研磨墊表面，導致晶圓表面與研磨墊間的接觸面積增加，使得研磨液停留的空間減少導致平坦化的效果低落。因而需透過研磨工具進行修整，這些研磨工具因使用鑽石顆粒設置於一圓盤狀的基材上，故也被稱作「鑽石碟(Diamond Disk)」，其係用來間歇性或是同步性修整該研磨墊的表面，以維持該研磨墊之粗糙表面及恢復其拋光作用並延長其壽命，大幅提高晶圓拋光的效率及平坦化的作業品質，亦可排除進行CMP製程後的積屑問題。

請參閱第1、2圖，係為習知研磨工具的結構示意圖及其於電子顯微鏡下的局部放大照片。如圖中所示，該研磨工具1係包括一金屬基材11，並透過合金硬銲的方式，將複數個研磨顆粒12(abrasive particles)結合於該金屬基材11表面之一銲料層13內，由於該等研磨顆粒12係隨機(random)排列之不規則方式固著於該金屬基材11上，其有排列雜亂與分佈不均等問題，使得每一研磨顆粒12所承受之研磨力道也不同，且硬銲的附著強度不足易造成該等研磨顆粒12的脫落問題，而影響該研磨工具1的使用壽命及其研磨特性。

遂提出利用具有固定網目之一篩網架設於該金屬基材11上，使該等研磨顆粒12依照網目的排列規則地定位後，再利用合金粉的燒結製程將該等研磨顆粒12固定於該金屬基材11上，例如：美國專利4,925,457與5,092,910「Abrasive tool and method for making」係揭露一種利用篩網使該等研磨顆粒12呈現規則排列圖案而製的研磨工具1及其燒結製程。亦有如中華民國專利第436375號「形成化學機械研磨墊之研磨工具的方法」，係利用電腦視覺檢視系統對該等研磨顆粒12作定位，使其規則地植佈在該金屬基材11上者。或如中華民國專利第412461號「修整晶圓研磨墊的鑽石碟及其製法」，及中華民國專利第394723號「具規則性排列之磨料顆粒的研磨工具及其製造方法」，均已揭露將該等研磨顆粒12作規則性排列或均勻分佈之特徵。但，使用篩網的方式因受到網目大小的物理限制，目前並無法適用於小尺寸的研磨顆粒12；另一方面，由於上述製程須經過燒結製程，燒結溫度約為1050℃，而造成該等研磨顆粒12產生碳化現象甚至斷裂，且該等研磨顆粒12的大小分佈、排列態樣或是分佈密度僅具有單一形式，並無法隨著應用面而進行調整，故如何對該研磨墊上的該等研磨顆粒12作最佳化設計，一直是業界所努力的目標。

有鑑於此，本發明之一目的，旨在提供一種研磨工具之製造方法，係透過蝕刻或曝光顯影等方式，將複數個研磨顆粒所形成之研磨面排列方式，如：圖案(pattern)形狀、設置間距(pitch)、粒度(particle size)、露出高度(protrusion height)及均勻性等圖形定義，而製得最佳化之一研磨工具。

本發明之次一目的，旨在提供一種研磨工具之製造方法，俾利用化學表面處理的方式，先對該等研磨顆粒進行表面修飾，進一步提高固著時的附著能力，而避免使用時的脫落情況。

本發明之另一目的，旨在提供一種研磨工具之製造方法，俾利用低溫電鑄的方式，將該等研磨顆粒以一複合鍍層固定於一導電基板上，以避免該等研磨顆粒因高溫而產生的碳化問題。

為達上述目的，本發明之研磨工具之製造方法，其包括：提供一導電基板；設置一高分子材料層於該導電基板上，且該高分子材料層係根據多邊形或環形陣列之圖形定義而設有複數個孔洞，該等孔洞係完全穿透該高分子材料層而到達該導電基板；利用化學表面處理方法對複數個研磨顆粒進行表面修飾，供以使該等研磨顆粒具有高濕潤性；設置至少二個以上之該等研磨顆粒於該各個孔洞內；設置一複合鍍層於該等孔洞內，以將該等研磨顆粒固定於該等孔洞內；及去除該高分子材料層，以形成一具有呈多邊形或環形陣列之複數個研磨區域的一表面。

於一實施例中，該等孔洞係選自如：曝光顯影、微蝕刻、壓印、網印、點墨或熱壓等方法之其中之一者，而設置於該高分子材料層上，且該高分子材料層的厚度可係依研磨顆粒徑之1/2～1/3倍來決定之，故範圍可為5~180 μm，而本發明之具體實施例為75μm。而該導電基板係選自如：金屬材質、導電陶瓷材質或表面具有高導電材料之高硬度塑膠材料等其中之一者，且該金屬材質係選自如：不鏽鋼、鋁合金、鈦合金或合金鋼其中之一者，或該導電陶瓷材質係選自如：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或氮化物陶瓷其中之一者。

其中，於「利用化學表面處理方法對複數個研磨顆粒進行表面修飾，供以使該等研磨顆粒具有高濕潤性」之步驟中，係透過HF+H₂SO₄之混合液體浸泡處理而提高該等研磨顆粒之濕潤性。

其中，於「去除該高分子材料層，以形成一具有呈多邊形或環形陣列之複數個研磨區域的一表面」之步驟中，係選自如：電子轟擊或有機溶劑溶解等方法其中之一者而將該高分子材料層去除。

本發明之一目的，旨在提供一種研磨工具，俾利用前述之製造方法而製得，而有使用時不易脫落，且其研磨面的排列方式，如：圖案(pattern)形狀、設置間距(pitch)、粒度(particle size)、露出高度(protrusion height)及均勻性等均為最佳化設置。

為達上述目的，本發明之研磨工具係包括：一導電基板；複數個複合鍍層，係根據多邊形或環形陣列之圖形定義而設於該導電基板上，該等複合鍍層係凸出於該導電基板表面；及複數個研磨顆粒，係以至少二個以上的數量而設於該等複合鍍層上，而於該導電基板上形成一研磨面。

於一實施例中，該等複合鍍層係圓柱狀結構體，而該研磨顆粒係選自如：鑽石、碳化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末或氮化物陶瓷粉末其中之一者，且其粒徑係介於10奈米至500微米。

綜上所述，本發明具有以下有益的效果：本發明的研磨工具之製造方法，主要係利用經過如：圖案(pattern)形狀、設置間距(pitch)、粒度(particle size)、露出高度(protrusion height)及均勻性等圖形定義之成型技術(包括蝕刻或是曝光顯影)及低溫電鑄(電鍍)的方法，同時，該等研磨顆粒透過化學表面修飾後而具有高溼潤性，不僅可提高該複合鍍層及該研磨顆粒間的附著效果。且，因為不採用傳統燒結的高溫製程而將該等研磨顆粒固定於該基材上，故能避免該等研磨顆粒易發生斷裂及碳化等問題。除此之外，本發明所使用的圖形定義成型方法，可隨需求而進行各項調整該等孔洞的陣列態樣，如：該等孔洞的分佈密度，該各孔洞的開口大小及該相鄰之各孔洞的間距、或是該等孔洞陣列的分佈方式等，使得本發明所製得的研磨工具在形成研磨面時可具有分佈密度的變化、不同顆粒的變化，而有良好的排列組合而達成高效率的研磨品質，均係傳統製造方法所無法達成，該每一孔洞內均係由多個研磨顆粒結合一複合鍍層所組成，可以增加研磨面積，並有效降低單一研磨顆粒的負載力，使該等研磨顆粒的耗損降低而提高該研磨工具的使用壽命。

為使　貴審查委員能清楚了解本發明之內容，僅以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

請參閱第3，4～9圖，係為本發明較佳實施例的步驟流程圖，以及對應各步驟的狀態示意圖。如圖中所示，本發明之研磨工具之製造方法係包括以下步驟：

S01：提供一導電基板2。該導電基板2係選自如：金屬材質、陶瓷材質或表面具有高導電材料之高硬度塑膠材料(如PCB)等其中之一者。應注意的是，該金屬材質係選自如：不鏽鋼、鋁合金、鈦合金或合金鋼其中之一者，又或該陶瓷材質係選自如：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或氮化物陶瓷其中之一者；換言之，該導電基板2的材質不限，但必須具有一定的硬度，供以支撐研磨作業時所產生的正向壓力，且表面必須具有良好的導電特性，如第4圖所示，本發明之該導電基板2係選用鎳基板，且其製成圓盤狀結構體。

S02：設置一高分子材料層3於該導電基板2上，且該高分子材料層3係根據多邊形或環形陣列之圖形定義而設有複數個孔洞31，該等孔洞31係完全穿透該高分子材料層3而到達該導電基板2。如第5圖所示之該等孔洞31係選自如：曝光顯影、微蝕刻、壓印、網印、點墨或熱壓等方法之其中之一者，以環狀陣列的排列方式，由中心向外輻射等距排列而設置於該高分子材料層3上，且該高分子材料層3的厚度係為75μm。應注意的是，該高分子材料層3係選自如：感光型高分子材料或塑膠等，最常見的是：光阻劑或感熱型塑膠，其具有易成型及易移除等特性。換言之，本發明之具體實施時，係將該高分子材料層3預先塗佈成型於該導電基板2之一面，復利用蝕刻方法蝕刻該高分子材料層3，以形成該等孔洞31；或是先塗佈一光阻劑於該導電基材2之一面，經固化後，再利用曝光顯影配合濕蝕刻方法，於該光阻劑上成型該等孔洞31；又或是使用預先開設有該等孔洞31之一高分子材料層3，固設於該導電基板2之一面。使該等孔洞31所形成的孔洞陣列可以在該導電基板2之表面成型為規則排列，且形狀、間距可以自由調整的孔洞陣列，例如：每一孔洞31的開口大小係可根據研磨顆粒之粒徑大小1~1.5倍進行調整，於本發明之實施例中，該等孔洞31之開口大小最佳為130～300μm。

S03：利用化學表面處理方法對複數個研磨顆粒4進行表面修飾，供以使該等研磨顆粒4具有高濕潤性。如第6圖所示，本發明係透過HF+H₂SO₄之混合液體浸泡處理而提高該等研磨顆粒4之濕潤性。應注意的是，該等研磨顆粒4係選自如鑽石、碳化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末或氮化物陶瓷粉末其中之一者，且該等研磨顆粒4的粒徑範圍係介於10奈米至500微米之間，本發明係選用微米等級的鑽石微粒。

S04：設置至少二個以上之該等研磨顆粒4於該各個孔洞內31。如第7圖所示，本步驟主要係將該等研磨顆粒4以複數型態置放入該每一孔洞31內，本發明中係於該每一孔洞31內設置有5個研磨顆粒4。

S05：設置一複合鍍層5於該等孔洞31內，以將該等研磨顆粒4固定於該等孔洞31內。如第8圖所示，本發明係利用低溫電鑄的方法(亦即電鍍)，將該複合鍍層5填充設於該等研磨顆粒4與該導電基板2的接觸位置，並利用該複合鍍層5包覆該等研磨顆粒4之一部份(下半部)，使該等研磨顆粒4裸露於其外的部分作為研磨之功能，其中電鑄過程中所必須進行的電隔離步驟係為公知常識，在此不多加贅述。應注意的是，本發明並不限定其固定方法，其他如化學鍍方法、物理氣相沈積方法(PVD)、熱相埋或化學氣相沈積方法(CVD)等，均可實施於本發明，且根據各種實際應用，該複合鍍層5係選自金屬材料(如：鈦、銅、鋁等)、陶瓷材料、複合材料或合金屬材料等。

S06：去除該高分子材料層3，以形成具有呈多邊形或環形陣列之複數個研磨區域的一表面。如第9圖所示，本發明欲去除該高分子材料層3之手段係選自如：電子轟擊或有機溶劑溶解等方法其中之一者，以將該高分子材料層3去除，而僅留下該等複合鍍層5、該等研磨顆粒4及該導電基板2，請一併參閱第10圖，係為本發明較佳實施例之研磨工具在電子顯微鏡下的結構。如圖中所示，該研磨工具係包括該導電基板2、該等複合鍍層5及該等研磨顆粒4，其中該等複合鍍層5及該等研磨顆粒4係依據圖形定義而完成之陣列排列，以作為研磨面使用，且該等導電基板2之某些區域係不具有該等複合鍍層5及該等研磨顆粒4，以作為研磨作業時的研磨區域，剩下該導電基板2裸露之區域稱之為鏤空部，在研磨作業的操作中可用於提高研磨時的排屑能力。

於一實施例中，該等複合鍍層5係圓柱狀結構體，綜上，本發明係具有下列優點：

1、本發明所使用之製程步驟均屬於低溫製程，包括圖形定義的成型技術以及低溫電鑄製程，因而能避免該等研磨顆粒4的碳化影響，進而可使本發明之研磨工具有較佳之研磨特性。

2、本發明所使用的圖形定義成型技術，可依據需求而於該導電基板2表面的該高分子材料層3形成所需之該等孔洞31，其排列方式可依據實際應用面的需求而加以調整，如：可調整該等研磨顆粒4之間的間距大小、可固著尺寸較小的該等研磨顆粒4於該導電基板2上，或是各種變化圖樣的分佈設計等，而提高其實際應用時的研磨能力。

3、本發明亦可利用該高分子材料層3之該等孔洞31的設置方式，以及該等複合鍍層5的厚度，控制該等研磨顆粒4的排列態樣、露出多寡及其均勻度，使得研磨效率及速度變得可預測，且其製造品質也能夠受到控制。

惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，故該所屬技術領域中具有通常知識者，或是熟悉此技術所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

【習知】

1．．．研磨工具

11．．．金屬基材

12．．．研磨顆粒

13．．．銲料層

【本發明】

S01~S06．．．步驟

2．．．導電基板

3．．．高分子材料層

31．．．孔洞

4．．．研磨顆粒

5．．．複合鍍層

第1圖，為習知研磨工具的結構示意圖。

第2圖，為習知研磨工具於電子顯微鏡下的局部放大照片。

第3圖，為本發明較佳實施例的步驟流程圖。

第4圖，為對應步驟S01的狀態示意圖。

第5圖，為對應步驟S02的狀態示意圖。

第6圖，為對應步驟S03的狀態示意圖。

第7圖，為對應步驟S04的狀態示意圖。

第8圖，為對應步驟S05的狀態示意圖。

第9圖，為對應步驟S06的狀態示意圖。

第10圖，為本發明較佳實施例之研磨工具於電子顯微鏡下的局部放大照片。

S01～S06．．．步驟

Claims (10)

1. 一種研磨工具之製造方法，其包括：提供一導電基板；設置一高分子材料層於該導電基板上，且該高分子材料層係根據多邊形或環形陣列之圖形定義而設有複數個孔洞，該等孔洞係完全穿透該高分子材料層而到達該導電基板；利用化學表面處理方法對複數個研磨顆粒進行表面修飾，供以使該等研磨顆粒具有高濕潤性；設置至少二個以上之該等研磨顆粒於該各個孔洞內；設置一複合鍍層於該等孔洞內，以將該等研磨顆粒固定於該等孔洞內；及去除該高分子材料層，以形成具有呈多邊形或環形陣列之複數個研磨區域的一表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具之製造方法，其中，該等孔洞係選自如：曝光顯影、微蝕刻、壓印、網印、點墨或熱壓等方法之其中之一者，而設置於該高分子材料層上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具之製造方法，其中，該高分子材料層的厚度係為依據研磨顆粒之1/2~1/3倍的範圍為規範，範圍為5~180μm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具之製造方法，其中，於「利用化學表面處理方法對複數個研磨顆粒進行表面修飾，供以使該等研磨顆粒具有高濕潤性」之步驟中，係透過HF+H₂SO₄之混合液體浸泡處理而提高該等研磨顆粒之濕潤性。
5. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具之製造方法，其中，於「去除該高分子材料層，以形成一具有呈多邊形或環形陣列之複數個研磨區域的一表面」之步驟中，係選自如：電子轟擊或有機溶劑溶解等方法其中之一者而將該高分子材料層去除。
6. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具之製造方法，其中，該導電基板係選自如：金屬材質、陶瓷材質或表面具有高導電材料之高硬度塑膠材料等其中之一者。
7. 如申請專利範圍第6項所述之研磨工具之製造方法，其中，該金屬材質係選自如：不鏽鋼、鋁合金、鈦合金或合金鋼其中之一者，該陶瓷材質係選自如：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或氮化物陶瓷其中之一者。
8. 一種利用如申請專利範圍第1項所述之製造方法所製得的研磨工具，其包括：一導電基板；複數個複合鍍層，係根據多邊形或環形陣列之圖形定義而設於該導電基板上，該等複合鍍層係凸出於該導電基板表面；及複數個研磨顆粒，係以至少二個以上的數量而設於該等複合鍍層上，而於該導電基板上形成一研磨面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之研磨工具，其中，該等複合鍍層係圓柱狀結構體。
10. 如申請專利範圍第8項所述之研磨工具，其中，該研磨顆粒係選自如：鑽石、碳化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末或氮化物陶瓷粉末其中之一者，且其粒徑係介於10奈米至500微米。