化学-机械平面化垫调节器的制作方法

化学-机械平面化垫调节器
1.本技术是申请号为201780030883.2，申请日为2017年4月6日，发明名称为“金刚石复合物cmp垫调节器”的专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及机加工至非常高的平整度的含金刚石的盘，这些含金刚石的盘用于再调节化学机械抛光(cmp)垫，这些垫进而用于抛光半导体晶片。


背景技术：

3.现代电子产品依赖于在单晶硅(si)基底中制造的微观芯片。首先，生长单晶si晶锭。然后，使用金刚石线锯将该晶锭切成细si晶片(现在直径为300mm，不久的将来直径为450mm)。在这个阶段，该si晶片厚且粗糙。下一个加工步骤涉及将这些晶片抛光至非常高的平整度(nm水平的整体平整度)和光洁度；以及小厚度(《1mm)。如此生产的si晶片用于通过使用诸如光刻、金属沉积、蚀刻、扩散、离子注入等工艺沉积微米和纳米尺寸的电路来构建微观芯片。化学机械抛光(cmp)的示例性应用是抛光未经加工的si晶片至极高的光洁度和平整度。
4.现在参考图1a和图1b，它们分别是用于晶片平面化的设备的俯视图和侧视图，该设备包括用于调节cmp垫的机器。在cmp过程中，机械摩擦和化学反应两者都用于材料去除。这是使用不同的磨料/反应化合物(诸如氧化铝、二氧化铈等)的浆料103在抛光垫101(例如由多孔闭孔聚氨酯制成)上完成的。可以一次抛光多于一个硅晶片105；因此，抛光垫的直径可以超过一米。抛光垫安装在刚性基底107上，该基底在与该基底垂直的轴线109上旋转。磨料介质可以以浆料的形式提供给旋转的抛光垫。硅晶片105安装到保持器或“卡盘”111，其也在与轴线109平行的轴线113上旋转。
5.随着抛光继续，抛光垫中的泡孔或孔充满磨料和来自晶片的碎屑；它们形成釉并且失效。然而，抛光垫仍然具有使用寿命-它们仅需要不时地再调节以打开聚氨酯垫中的闭孔、改善浆料到晶片的输送并在垫的整个使用寿命中提供一致的抛光表面，以达到良好的晶片抛光性能。为了再调节cmp垫，使用称为cmp垫调节器的盘，这些盘在表面上具有突出的金刚石，该表面具有凹陷的金属或有机基质以保持这些突出的金刚石。在这些盘中，典型地，使用单层粗金刚石(例如直径125微米)，并且小心地控制金刚石间距(例如0.5至1mm)和突起。这些含金刚石的调节盘被机加工至非常高的平整度。提供良好性能的关键因素包括足够的金刚石突出(良好的切割能力)、与基质的强结合(防止金刚石损失、切割能力损失并防止形成损害调节的碎屑)。
6.垫再调节盘115典型地特征为结构117，该结构使它们能够安装或附接到机器或固定件的臂119，使得盘115的轴线121平行于cmp垫的旋转轴线109。然后，该机器使该盘与旋转的cmp垫接触，并使其从cmp垫的周边到中心或靠近中心来回地移动，但不一定径向地。该机器还可以向再调节盘施加旋转。在调节期间将液体引入cmp垫应该有助于去除被盘驱逐的碎屑。
7.为了节省时间并且从而提高效率，cmp垫再调节通常与晶片抛光/平面化同时进行。然而，这种同时加工的一种风险是金刚石颗粒从其基质剥落或弹出的风险。松散的金刚石材料可能凿击并毁坏正在抛光的硅晶片。
8.至少那些以与金属结合的金刚石微粒为特征的cmp垫调节盘在过去遇到了问题-尤其是金刚石颗粒的损失(例如，分离)。不希望受任何特定理论或解释的束缚，可能的是金刚石微粒的损失由于该金属的化学腐蚀导致，或者可能由于在加工期间由热膨胀失配和温度偏移引起的机械应力。因此，希望提供一种垫调节盘，其比现有设计更不易受金刚石微粒损失的影响。


技术实现要素：

9.本发明内容被提供用于以简化形式介绍概念的选择，这些概念以下在具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在鉴别要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制要求保护的主题的范围。
10.描述的实施例包括以金刚石颗粒增强为特征的反应烧结碳化硅(rbsc)及其制造方法，rbsc包括反应烧结碳化硅(si/sic)的基质相，其中嵌入了金刚石颗粒。该复合物具有非常高的机械和热稳定性，可以生产为具有450mm和更大的一个或多个尺寸，并且可通过放电机加工(edm)(有时称为“火花放电机加工”)来机加工。
11.该技术的一种应用是由金刚石增强的反应烧结的si/sic制成的cmp垫调节器盘，其中金刚石颗粒从表面的其余部分突出或“傲立”，并均匀地分布在切割表面上。在一个实施例中，金刚石颗粒大致均匀地分布在整个复合物中，但在其他实施例中，它们优先位于调节表面处及其附近。可以将金刚石颗粒的顶部设计成处于恒定的高度(即，调节器盘非常平坦)。可替代地，盘可以给定环形形状。通过优先侵蚀si/sic基质，可以使金刚石颗粒从调节表面突出。该侵蚀可以通过edm或通过使用磨料研磨/抛光来完成。
附图说明
12.从以下描述中可以得到对本发明的更详细的理解，该描述通过实例的方式给出并且结合所附的权利要求和附图来理解，其中相似的附图标记标识类似的或相同的元件。这些附图不按比例绘制。
13.图1a和图1b分别是硅晶片平面化操作(其中同时调节cmp垫)的俯视图和侧视图。
14.图2是示例性rbsc-金刚石微结构。
15.图3a是经研磨的金刚石增强的rbsc复合主体的示例性轮廓仪迹线。
16.图3b是示出了抛光/研磨后凹陷的基质和突出的金刚石的rbsc-金刚石。
17.图4a和图4b是本发明的盘状cmp调节器实施例的接触表面和后表面的透视图。
18.图4c是本发明的环形或环状cmp调节器实施例的接触表面的透视图。
19.图5a和图5b示意性地示出了用于生产根据本发明的垫调节器的edm方法。
20.图6a和图6b示意性地示出了用于生产根据本发明的垫调节器的浇铸方法。
21.图7a和图7b示意性地示出了使用有意分离来生产根据本发明的垫调节器的浇铸方法。
具体实施方式
22.本文对“一个实施例”或“实施例”的提及是指结合该实施例描述的具体特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中不同地方中出现的短语“在一个实施例中”不一定都指的是同一个实施例，也不是必定相互排除其他实施例的单独或替代实施例。这同样适用于术语“实施”。
23.应理解的是，本文阐述的示例性方法的步骤不一定需要按所述顺序进行，并且此类方法的步骤的顺序应该被理解为仅仅是示例性的。同样，额外的步骤可能包括在此类方法中，并且在与本发明的各种实施例一致的方法中，可能省略或组合某些步骤。
24.如在本技术中所使用的，词语“示例性”在本文中用于是指用作实例、例子或说明。本文描述为“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为比其他方面或设计更优选或更具优势。而是，使用词语示例性旨在以具体方式呈现概念。
25.在一个实施例中，基于碳化硅的主体可以通过反应渗透技术制成接近净形。通常，反应渗透过程需要使熔化的元素硅(si)与含有碳化硅加碳的多孔物质在真空中或惰性气氛环境中接触。产生润湿条件，其中结果是熔化的硅通过毛细管作用被拉入该物质中，其中它与碳反应以形成额外的碳化硅。该原位碳化硅典型地互相连接。通常需要致密主体，因此该过程典型地在过量硅存在下发生。所得的复合主体因此主要包含碳化硅，但也包含一些未反应的硅(其也是互相连接的)，并且可以以简化符号称为si/sic。用于生产此类复合主体的过程可互换地称为“反应形成”、“反应烧结”、“反应渗透”或“自结合”。为了增加柔韧性，除了sic之外的一种或多种材料可以替换多孔物质中的一些或全部sic。例如，用金刚石微粒替换该sic中的一些可以得到金刚石/sic复合物。在美国专利8,474,362中披露了制造具有金刚石的反应烧结的sic的示例性方法，该专利通过引用以其全部内容并入本文。材料组成可以定制为具有不同量的金刚石含量。典型地，这些组成遍及部件的体积具有均匀分布的金刚石。图2示出了rbsc-金刚石复合物微结构的实例。该扫描电子显微镜(sem)图像是断裂表面，并且示出了成分金刚石21、碳化硅23和元素硅25。金刚石是具有非常高硬度、导热性、耐磨性、高刚度和低摩擦系数的材料。这些高特性被赋予含金刚石的si/sic。还已经示出，rbsc金刚石材料可以被抛光，使得由于在抛光过程期间优先材料去除而使金刚石傲立(突出)并且基质凹陷(图3b)。突出的金刚石的此种高平整度和金刚石突出的受控高度在cmp垫的调节中提供了显著的优势。
26.本领域技术人员将理解，金刚石增强的rbsc的许多变体是合理的。可以改变的参数之中的是金刚石含量、金刚石微粒尺寸和金刚石微粒形状。
27.更具体地，金刚石含量可以设计为范围从约1体积百分比(vol％)至约70vol％。金刚石增强物可以是呈颗粒的形式，其中使用金刚石微粒成功制造的复合物具有分别为22、35和100微米的标称晶粒尺寸或平均颗粒直径。通过比较或校准，500粒度的微粒(每英寸500个颗粒)具有约13-17微米的平均直径，并且325目网筛或筛(每英寸325个开口)通过具有高达约45微米的尺寸的颗粒。如前所述，基质组分特征为原位产生的sic以及典型地一些未反应的元素硅。如本领域技术人员所知的，复合物材料中存在的元素si的量是高度可设计的；例如，可以按体积计构成大部分材料(大于50vol％)；或者可以减少到小于1vol％。然而，为了能够通过edm进行机加工，si组分可能需要互相连接以获得足够的导电性，建议至少约5-10vol％的量。然而，注意，申请人已经生产了反应烧结的sic复合物，其含有约
60vol％的金刚石微粒、约30-40vol％的si以及不超过约10vol％的原位形成的sic。
28.含金刚石的rbsc的能够edm的变体的开发
29.在放电机加工背后的基本原理是在edm装置的电极与工件(待机加工的主体)之间流动大量电能。电能是呈火花或电弧的形式。这里，电弧优先熔化或蒸发互相连接的si基质组分。这具有使金刚石微粒增强物在周围si/sic基质中凸出或“傲立”的效果。存在至少两种类型的放电机加工。更熟悉类型的edm使发出的火花或电弧形成线，从而切过目标材料。在与本发明工作最相关的edm类型中，电弧在成形电极与工件之间。
30.研磨
31.申请人已经发现，在一个实施例中，研磨含金刚石的si/sic复合主体的表面也产生这种金刚石颗粒突出效果。具体地说，它优先去除一些si/sic材料，使金刚石增强物颗粒“傲立”在其余的经研磨的表面上方；并且(ii)它磨掉或抛光掉金刚石颗粒的峰，留下“台面”或平台，例如平面化颗粒。研磨磨料是金刚石，其中按顺序使用以下粒度尺寸：100、45、22、12和最后6微米尺寸的微粒。后者施加在软聚氨酯布上，而其他粒度使用陶瓷板施加。
32.图3a示出了经研磨的金刚石增强的rbsc主体的轮廓仪迹线。图3b是同一经研磨的主体的灰度sem图像。两个图示出，si/sic基质材料已在金刚石增强的晶粒之间“舀出”，金刚石晶粒具有平顶(已经“去头”)，并且金刚石晶粒的边缘是钝的或圆的。
33.用于形成具有金刚石的rbsc的示例性加工步骤如下。将碳化硅粉末、金刚石粉末、水和粘合剂混合在一起以制成浆料。然后将该浆料浇铸到成型模具中并允许该浆料在振动下“压实”或沉积以压紧陶瓷颗粒以生产高填充物。在正常加工中，选择陶瓷颗粒尺寸以保持它们充分混合并且不分离。在浇铸过程结束时，过量的水性粘合剂被去除，将零件脱模、干燥并碳化以产生称为“预成型件”的自支撑多孔物质。该干燥可在空气中在约70℃与200℃之间的温度范围内进行。该碳化使有机粘合剂热解或焦化，使其分解成碳。该碳化在非氧化气氛中进行，典型地在约600℃的温度下进行，但可以在350℃至约1000℃的范围内发生。该非氧化气氛可以是真空或惰性气氛，如氩、氦或氮。
34.接下来，进行反应渗透，由此熔化的硅芯吸进多孔预成型件中，与非金刚石碳(例如，热解的粘合剂)发生化学反应，但不与金刚石发生化学反应，至少不会至任何过度的程度，以形成致密的复合主体。同样，该气氛是非氧化的，其可以是真空或惰性气体，例如氩或氦。在反应渗透的加工温度下，氮气可能与熔化的硅是反应性的，如果在形成的复合主体中需要一些原位氮化硅，这可能是可接受的。硅不必特别纯。例如，0.5wt％的铁作为杂质不会干扰渗透。真空不必高或“强”，并且事实上反应烧结过程将在大气压下在惰性气氛(诸如氩或氦)中令人满意地进行，特别是如果温度略高于1410℃。然而，加工温度不应超过约2100℃或2200℃，因为成分可能分解或挥发或改变晶形。
35.所得复合主体含有金刚石、sic和残留的si。可以通过选择浇铸浆中起始成分的比例来定制相对组成。如果铸件表面(典型地是底表面)不够平整，可以使用金刚石磨轮将其进一步平坦化。
36.使用这些示例性加工步骤，并且典型地产生含金刚石的复合主体，其中金刚石在整个复合主体中相当均匀地分布。然而，可以修改基本过程以产生金刚石颗粒的非均匀分布，例如功能梯度。例如，在沉积浇铸过程中，斯托克斯定律可以用于相对于铸件的顶部的浓度在铸件的底部产生更高浓度的致密或大微粒主体，下面将进一步详细描述。此外，含有
或不含金刚石微粒的浇铸浆料可以围绕一层预先定位的金刚石微粒、晶粒或聚集物浇铸，以在渗透后产生复合主体，该复合主体的特征为预先定位的金刚石主体主要在对应于铸件的底部表面的复合主体的表面上。在该实施例中，金刚石主体的尺寸可以直径大于100微米-例如，200、500或甚至1000微米。此外，在该实施例中，金刚石主体在位置方面可以在铸模的基部组织。例如，金刚石主体可以非均匀地作为簇定位，或者可以随机定位，或者可以诸如以排或阵列均匀地且非随机地定位。
37.参考图4a-图4c，含金刚石的复合主体然后可以附接到底盘，或者可能直接附接到用于再调节cmp垫的机器的臂上。为此目的，复合主体或底盘可以特征为附接或安装结构41、43。
38.本发明的cmp垫调节器可以具有如已知垫调节器的一般或近似尺寸，即有效直径为约5至20厘米。在平面图或俯视图中，它们可以是圆形、椭圆形或者形状为多边形(诸如六边形或八边形)。在任何情况下，配置为接触cmp垫的表面45、47被设计成基本上是平的。如果接触表面还特征为相比于接触表面的平衡处于不同高度的处理区域或区，则该处理区域或区提供cmp垫上的大部分再调节工作。在任何情况下，提供cmp垫的大部分或大多数再调节的表面被设计成平坦至高精确度，其中磨料金刚石颗粒的极限(距较低高度的基质最远的位置)位于100微米的平面内，并且可能在50微米的平面内，并且可能在20微米的平面内，并且可能在5微米的平面内。也就是说，突出的金刚石颗粒上的最远点或表面具有在彼此100、50、20或可能5微米之内的高度。
39.实例
40.现在将参考以下实例进一步描述本发明的实施例。
41.实例1：edm方法
42.在该实例中，参考图5a和图5b，首先通过常规方法生产金刚石增强的反应烧结的碳化硅复合物，然后通过放电机加工进一步加工以产生从表面突出的金刚石。
43.这里，选择低金刚石含量(10％-20％)以在si/sic基质内产生金刚石51所需的间距。接下来，将edm电极55放置在待机加工的表面57附近。进行edm优先从盘的一个表面(与edm电极相邻的表面)去除si/sic基质相，在现在凹陷的表面54上留下突出的金刚石52。
44.实例2：不使用有意分离的浇铸方法
45.在参考图6a和图6b描述的该方法中，将金刚石颗粒或主体置于铸模的底部上，并且在这些金刚石主体的顶部上浇铸预成型件并嵌入这些金刚石主体。
46.首先，制备浇铸浆65。该浆包含制造rbsc预成型件的常用成分，但不含金刚石。接下来，制备铸模61。这里，成形该模以产生盘状预成型件。然后将大金刚石颗粒63(例如直径200微米)以限定的图案(正方形、六边形等)放置或定位在铸模的底部处。然后，将不含金刚石的浆65铸入该模中。然后进行在表面上制造含有金刚石的rbsc主体的剩余工艺步骤(沉积、过量的粘合剂去除、脱模、干燥、碳化和反应烧结)。
47.最后，在rbsc盘状主体的含金刚石的表面上进行抛光，以优先去除基质相，产生突出的金刚石。
48.实例3：使用有意分离的浇铸方法
49.在参考图7a和图7b描述的这种方法中，在沉积过程期间允许分离直径和密度比sic颗粒大的金刚石颗粒，以产生功能梯度预成型件：铸件的底部上的金刚石的浓度将大于
铸件的顶部上的金刚石的浓度。
50.首先，制备含有少量(5％-10％)粗金刚石75(例如200微米)的浇注浆73。与sic颗粒相比，有意地使该浆更稀，以促进金刚石颗粒的更快沉降。然后将该浆浇铸到模71中以制备盘状预成型件。接下来，对铸模施加振动，以有意地优先将金刚石75沉降到模的底部。斯托克斯定律规定了浇铸浆中颗粒的沉降：
[0051]vs
＝[2(ρ
p-ρf)g r2]/9μ
[0052]
这里，vs是沉降速度，ρ是密度，下标p和f指代颗粒和流体，g是引力常数，r是颗粒半径，并且μ是流体粘度。因此，临界沉降速度与颗粒和液体的密度差成正比。因此，较重的颗粒将更快地沉降。由于金刚石(3.54g/cc)具有高于sic(3.21g/cc)的密度，因此金刚石更快地沉降。沉降速度也与颗粒半径的平方成比例，使得较大的颗粒通常比较小的颗粒快得多地下降。因此，金刚石粒径(200微米)选择为显著大于sic的粒径(10-25微米)。沉降速度反比于流体(粘合剂)的粘度。因此，还有意地使浆更稀(更低的粘度)以促进更快的沉降。
[0053]
如此制成的预成型件应该使大部分金刚石分离到预成型件的底部侧。然后使该预成型件经受前面描述的剩余工艺步骤，以形成功能梯度的含金刚石的rbsc复合主体。也就是说，复合主体的一侧富金刚石，并且相反侧贫金刚石。
[0054]
最后，在富金刚石表面上进行抛光以优先去除基质相，产生突出的金刚石。
[0055]“处理区域”和环形/环状形状的概念
[0056]
到目前为止，几乎已经假设接触表面通常是盘状的，并且该通常盘状的表面使得与cmp垫抛光表面平面接触。虽然本发明的实施例不排除这一点，但这些实施例也不受其限制。具体地，接触表面可以具有相对于表面上的其他区域升高的一个或多个区域或区。因此，这些升高的区将在再调节期间对cmp垫施加比其他区更大的压力，即使这些其他区可能仍然与cmp垫进行名义上的接触。例如，申请人最近发现，在不同于本发明申请的应用的应用中，环状或环形表面是用于研磨工具的非常希望的形状。最小约束的研磨工具(例如，通过球窝式接头支撑的)可以在不平坦的表面上移动。该研磨工具将符合该不平坦的表面，而且固有地磨损粗糙处或其他高点，从而恢复平整度。参考图4c，其示出了本发明cmp垫调节器的实施例，环形主体的内边缘和外边缘可以是圆的，或具有赋予它们的半径，这有助于防止接触表面挖入、撕裂、或凿击该cmp垫。因此，环形调节主体可以具有环状形状。
[0057]
此外，环形或环状处理区域可以与另外盘状的主体一体化以提供总体上平面的接触表面，但其中在盘的周边附近具有略微升高且环形的处理区域。在该实施例中，具有环形凸起处理区域的接触表面可以通过选择性研磨、放电机加工或通过提供用于浇铸复合材料的预成型件前体的此类所需的接触表面的模具来制造。
[0058]
工业实用性
[0059]
本发明的实施例应该在半导体制造工业中找到立即的实用性，例如，用于再调节化学/机械平面化(cmp)垫。与cmp垫表面接触的复合材料对cmp中使用的化学品具有很强的抵抗力。此外，金刚石微粒磨料嵌入基质中，在热膨胀系数方面与其良好匹配，从而减少内部应变，在现有技术的再调节工具中，该内部应变可能至少部分地导致金刚石磨料变得与基底分离。此外，本发明的处理表面被设计成使得突出的金刚石颗粒不会突出超过周围或嵌入基质的约一半。
[0060]
处理区域或区是最负责再调节cmp垫的接触表面的区域或区。该处理区域或区可
以是盘状的，或者它可以是环形的(更环状的)。环形形状具有某些优点，因为它自然倾向于将垫表面再调节回平坦状态；也就是说，这种形状自然倾向于去除cmp垫上的高点。环形或环形处理区域的内边缘和外边缘可以具有施加或赋予它们的半径；也就是说，可以给定环轻微的环状形状。向边缘施加半径可以减少在调节期间凿击cmp垫的机会。
[0061]
尽管前面讨论的大部分都集中在调节化学/机械平面化(cmp)垫的抛光表面的具体问题上，但是本领域普通技术人员将认识到需要再调节以前平坦表面、特别是其中此类表面积累了碎屑以及其中重要的是用于此类再调节的磨料不从其基底分离的其他应用。技术人员将认识到其中再调节工具应该耐腐蚀的其他应用。
[0062]
技术人员将理解，在不背离如所附权利要求限定的本发明的范围或精神的情况下，可以对本文所述的发明进行各种修改。