具有精確成形特征部的研磨元件前體及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及研磨制品。具體地，本發(fā)明包括研磨元件前體，該研磨元件前體 包括按重量計(jì)至少99%的碳化物陶瓷。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體和微芯片行業(yè)依賴裝置制造期間的多種化學(xué)-機(jī)械平面化（CMP)工藝。在 制造集成電路的過程中，這些CMP工藝被用于平面化晶片的表面。通常，他們使用研磨漿液 和拋光墊。在CMP工藝期間，從晶片和拋光墊去除材料，并且形成副產(chǎn)品。所有這些都可累 積在拋光墊表面上，使其表面變光滑并降低其性能，減少其壽命并且增加晶片的缺陷。為了 解決這些問題，墊修整器被設(shè)計(jì)用于通過去除不期望的廢物積累并且在拋光墊表面上重新 產(chǎn)生粗糙的研磨機(jī)制再生拋光墊性能。
[0003] 大多可商購獲得的墊修整器具有粘合至基質(zhì)的工業(yè)金剛石研磨。典型的基質(zhì)材料 包括包括鎳鉻、硬釬焊金屬、電鍍材料和CVD金剛石膜。由于金剛石的尺寸和形狀分布不規(guī) 則并且它們的取向是隨機(jī)的，所以已發(fā)明各種專有的工藝來精確地對金剛石進(jìn)行分選、取 向或圖案化并且控制它們的高度。然而，在給定金剛石粗粒的自然變型的情況下，通常僅 2%~4%的金剛石實(shí)際研磨CMP墊（"加工金剛石")?？刂魄邢鞯额^和研磨邊緣的分布在 制造上是一個挑戰(zhàn)，并且引起墊修整器性能的變化。
[0004] 此外，當(dāng)前的基質(zhì)和粘合方法也可限制可嵌入的金剛石的尺寸。例如，如果不將小 于約45微米的小金剛石埋進(jìn)基質(zhì)內(nèi)，那么可難以粘合。
[0005] 金屬CMP的酸性混懸液也會給傳統(tǒng)墊修整器帶來挑戰(zhàn)。酸性混懸液可以與金屬粘 合基質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而減弱基質(zhì)和磨粒之間的粘合。這可能導(dǎo)致金剛石粒子從修整器 表面脫離，從而導(dǎo)致晶片缺陷率高并且有可能在晶片上形成刮痕。金屬基質(zhì)的溶蝕也可導(dǎo) 致晶片的金屬離子污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一個實(shí)施例中，本發(fā)明是一種研磨元件前體，包括生坯陶瓷元件，生坯陶瓷元件 具有第一主表面、第二主表面、多個無機(jī)粒子和粘結(jié)劑。至少第一主表面包括多個精確成形 特征部。多個無機(jī)粒子是按重量計(jì)至少約99%的碳化物陶瓷。
[0007] 在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明是一種制備研磨元件前體的方法。所述方法包括：提供 具有多個精確成形腔體的模具；提供包括多個無機(jī)粒子和粘結(jié)劑的混合物，其中所述多個 無機(jī)粒子是按重量計(jì)至少約99 %的碳化物陶瓷；形成具有第一主表面和第二主表面的生 坯陶瓷元件。至少所述第一主表面包括多個精確成形特征部，并且其中所述生坯陶瓷元件 包括多個無機(jī)粒子和粘結(jié)劑。所述多個無機(jī)粒子是按重量計(jì)至少約99%的碳化物陶瓷，并 且其中形成所述生坯陶瓷元件還包括用所述混合物填充所述腔體的大部分。
[0008] 在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明是一種形成研磨元件的方法。所述方法包括：提供具有 多個精確成形腔體的模具；提供包括多個無機(jī)粒子和粘結(jié)劑的混合物，其中所述多個無機(jī) 粒子是按重量計(jì)至少約99%的碳化物陶瓷；形成具有第一主表面和第二主表面的生坯陶 瓷元件，其中至少所述第一主表面包括多個精確成形特征部，其中所述生坯陶瓷元件包括 多個無機(jī)粒子和粘結(jié)劑，其中所述多個無機(jī)粒子是按重量計(jì)至少約99%的碳化物陶瓷，并 且其中形成所述生坯陶瓷元件還包括用所述混合物填充所述腔體的大部分；從所述模具取 出所述生坯陶瓷元件；加熱所述生坯陶瓷元件，以致使燒結(jié)所述無機(jī)粒子。
【附圖說明】
[0009]圖la是具有布置成一些實(shí)例中使用的網(wǎng)格圖案的錐體精確成形特征部的正母模 的頂視圖。
[0010] 圖lb是具有布置成網(wǎng)格圖案的錐體精確成形特征部的圖la的正母模的剖視圖。
[0011] 圖2是包括布置成星形圖案的本發(fā)明的研磨元件的研磨制品的頂視圖。
[0012] 圖3a和圖3b示出實(shí)例12和比較例13的整體共面性。
[0013]圖4a是具有布置成實(shí)例15中使用的網(wǎng)格圖案的錐體精確成形特征部的正母模的 頂視圖。
[0014]圖4b是具有布置成網(wǎng)格圖案的錐體精確成形特征部的圖4a的正母模的剖視圖。
[0015]圖5a是具有布置成實(shí)例16中使用的網(wǎng)格圖案的錐體精確成形特征部的正母模的 頂視圖。
[0016]圖5b是具有布置成網(wǎng)格圖案的錐體精確成形特征部的圖5a的正母模的剖視圖。
[0017] 圖6是包括布置成雙星圖案的本發(fā)明的研磨元件的研磨制品的頂視圖。
[0018] 這些圖不是按比例繪制，并且只是旨在為了進(jìn)行示意性的說明。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明的精確成形研磨元件由約99%的碳化物陶瓷形成，孔隙率小于約5%并且 包括多個精確成形特征部。多個精確成形特征部是單一的，而不是研磨復(fù)合物。與侵蝕而 使嵌入磨粒釋放的復(fù)合物不同，在不損耗嵌入磨粒的情況下整體發(fā)揮作用，因而降低刮傷 的機(jī)會。組裝了本發(fā)明的研磨元件的研磨制品具有一致且可再現(xiàn)的性能，精確地將研磨工 作頂端對著工件表面對準(zhǔn)、壽命長、特征部完整性良好（包括重復(fù)性好、低侵蝕和抗斷裂）、 低金屬離子污染、可靠性、通過針對制造的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一致且性價(jià)比高的制造，并且能夠受到 調(diào)控以適應(yīng)各種拋光墊構(gòu)造。在一個實(shí)施例中，研磨制品是墊修整器。
[0020] 研磨元件
[0021] 本發(fā)明的精確結(jié)構(gòu)化研磨元件包括第一主表面、第二主表面和在至少一個主表面 上的多個精確成形特征部。研磨元件由碳化物形成并且是按重量計(jì)約99%的碳化物陶瓷。 在一個實(shí)施例中，碳化物陶瓷是碳化硅、碳化硼、碳化鋯、碳化鈦、碳化鎢或其組合。在一些 實(shí)施例中，按重量計(jì)99 %的碳化物陶瓷基本為碳化硅。具體地，碳化物陶瓷為按重量計(jì)至少 約90%的碳化娃。在未使用碳化物形成物的情況下制造研磨元件，所述研磨元件基本上不 含氧化物燒結(jié)助劑。在一個實(shí)施例中，研磨元件包括少于約1 %的氧化物燒結(jié)助劑。研磨元 件也基本上不含娃，具體地包括少于約1 %的元素性娃。
[0022] 已令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，基本上碳化物陶瓷可以被模制為具有優(yōu)異的特征部完整性。 當(dāng)燒結(jié)這些組合物時(shí)，它們產(chǎn)生孔隙率小于約5%的穩(wěn)固且耐用的研磨元件。具體地，研磨 元件的孔隙率小于約3%，更具體地小于約1%。研磨元件的平均晶粒尺寸也可小于約20 微米，具體地講小于約10微米，更具體地小于約5微米，甚至更具體地小于約3微米。在實(shí) 現(xiàn)穩(wěn)固且耐用的重復(fù)性特征部中，這種低孔隙率和小晶粒尺寸是重要的，這進(jìn)而導(dǎo)致良好 壽命和磨損率低的研磨元件。
[0023] 在陶瓷燒結(jié)中，通常得到低孔隙率的代價(jià)是晶粒尺寸生長。令人驚奇的是，盡管高 燒結(jié)溫度，但可以通過基本上這些碳化物組合物得到低孔隙率和小晶粒尺寸。當(dāng)將這與所 添加的可由于形成結(jié)構(gòu)化生坯而導(dǎo)致的不理想壓實(shí)的挑戰(zhàn)組合時(shí)，同樣令人驚奇的是，通 過這些組合物可以將它們模制為具有高特征部保真性。
[0024] 研磨元件包括精確成形的研磨特征部，或者包括朝向工件突出的研磨元件內(nèi)的突 出部。研磨特征部可以具有任何一種或多種形狀（多邊形或非多邊形）并且可以具有相同 或變化的高度。另外，研磨特征部可以具有相同的基部尺寸或變化的基部尺寸。研磨特征 部可以按規(guī)則或不規(guī)則陣列間隔并且可以被制成包含單位單元的圖案。
[0025] 研磨元件包括研磨特征部，其長度在約1微米至約2000微米之間，具體地講在約5 微米至約700微米之間，更具體地在約10微米至約300微米之間。在一個實(shí)施例中，研磨 元件的特征部密度在約1個特征部/平方毫米至約1000個特征部/平方毫米之間，具體地 講在約10個特征部/平方毫米至約300個特征部/平方毫米之間。.
[0026] 在一個實(shí)施例中，研磨元件包括周邊區(qū)或者在研磨元件周圍的其中沒有研磨特征 部的區(qū)域。
[0027] 可以涂覆研磨元件，以實(shí)現(xiàn)另外的耐磨損和耐用性，降低摩擦系數(shù)，防止腐蝕，以 及改變表面屬性?？捎玫耐繉影ǎɡ纾┗瘜W(xué)氣相沉積（CVD)和或物理氣相沉積（PVD) 金剛石，摻雜的金剛石、碳化硅、立方氮化硼（CBN)、含氟化合物涂層、疏水性或親水性涂層、 表面改性涂層、抗腐蝕涂層、類金剛石碳（DLC)、類金剛石玻璃（DLG)、碳化鎢、氮化硅、氮化 鈦、粒子涂層、多晶金剛石、微晶金剛石、納米晶金剛石等。在一個實(shí)施例中，涂層也可以是 復(fù)合物材料，諸如（例如）細(xì)小金剛石粒子和氣相沉積金剛石基質(zhì)的復(fù)合物。在一個實(shí)施 例中，這些涂層為共形的，使得在涂層表面下能夠看到精確的表面特征部。可以通過本領(lǐng)域 中已知的任何合適方法沉積涂層，包括化學(xué)或物理氣相沉積、噴涂、浸漬和輥涂。
[0028] 在一個實(shí)施例中，研磨元件可以被涂覆有非氧化物涂層。當(dāng)使用CVD金剛石涂層 時(shí)，使用碳化硅陶瓷的附加有益效果在于碳化硅和CVD金剛石膜之間的熱膨脹系數(shù)能很好 地匹配。因此，這些金剛石涂覆的研磨另外地具有優(yōu)秀的金剛石膜粘附性和耐用性。
[0029] 在一個實(shí)施例中，研磨元件由被模制的生坯制成。在這種情況下，可以將研磨元件 當(dāng)作被模制的研磨元件。精確的結(jié)構(gòu)化研磨是被壓入模具并被燒結(jié)的陶瓷?？梢詫⒛＞弑?身用于制造精確結(jié)構(gòu)化的研磨元件。精確結(jié)構(gòu)化的研磨元件具有最大的特征部高度均勾 度。特征部高度均勻度指所選擇特征部相對于特征部基部的高度的均勻度。非均勻度是所 選擇特征部的平均高度與所選擇特征部高度之差的絕對值的平均值。所選擇特征部是具有 最大公共設(shè)計(jì)高度％的特征部集合。本發(fā)明的精確成形研磨元件具有小于約20%的特征 部高度的非均勻度。在一個實(shí)施例中，研磨元件的非均勻度小于約10 %的特征部高度，具體 地講小于約5%的特征部高度，更具體地小于約2%的特征部高度。
[0030] 當(dāng)模制研磨元件時(shí)，它是其結(jié)構(gòu)由模制工藝所賦予的精確結(jié)構(gòu)化研磨元件的子 集。例如，形狀可以與模具腔體反向，使得已從模具中取出研磨元件生坯之后保持該形狀。 可以使用各種陶瓷成形工藝，包括（但不限于）：注塑、流鑄、模壓、熱壓、壓印、轉(zhuǎn)印模制、凝 膠澆注等。在一個實(shí)施例中，在室溫下使用模壓工藝，接著進(jìn)行燒結(jié)。通常，接近室溫的陶 瓷模壓被稱為陶瓷干壓。通常，陶瓷干壓與陶瓷注塑的不同之處在于，其在較低的溫度下 完成，所使用的粘合劑的量少很多，使用模壓，并且適合用作粘合劑的材料不必限于熱塑性 的。
[0031] 研磨制品
[0032] 本發(fā)明的精確加工研磨制品總體包括至少一個研磨元件、緊固元件和彈性元件。 在一個實(shí)施例中，精確加工研磨制品包括多個研磨元件。緊固元件是用于將一種或多種材 料粘附在一起的材料。合適的緊固元件的例子可以包括（但不限于）：兩份環(huán)氧樹脂、壓敏 粘合劑、結(jié)構(gòu)粘合劑、熱恪性粘合劑、B-stageable粘合劑、機(jī)械緊固件和機(jī)械鎖定裝置。
[0033] 彈性元件用于獨(dú)立懸掛單個研磨元件或者整體性地懸掛多個結(jié)構(gòu)化研磨元件。彈 性元件是剛性小于精確結(jié)構(gòu)化研磨元件和/或載體并且可壓縮性大于精確結(jié)構(gòu)化研磨元 件和/或載體的材料。彈性元件在壓縮的情況下彈性變形并且可以通過緊固元件將其鎖定 在壓縮位置，或者在使用過程中允許彈性變形。彈性元件可以是分段的、連續(xù)的、不連續(xù)的 或萬向的。合適的彈性元件的例子包括（但不限于）：機(jī)械彈簧樣裝置、柔性墊圈、泡沫、聚 合物或凝膠。彈性元件也可以具有緊固特征，諸如，具有粘合劑背襯的泡沫。在一個實(shí)施例 中，彈性元件也可以用作緊固元件。
[0034] 與金剛石高度可變的金剛石粗粒墊修整器不同，研磨元件的研磨特征部可以與基 準(zhǔn)平面對準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)平面是通過研磨元件或研磨制品的所選擇特征部的最大值的理論平面。 特征最大值也被稱為一個或多個特征部頂端。所選擇特征部是具有最大共同設(shè)計(jì)高度％的 工作特征部的集合。對于成輪廓表面而言，限定基準(zhǔn)平面的特征部是高度最高的三個特征 部。
[0035] 對準(zhǔn)工藝對于可再生產(chǎn)地形成限定的承載區(qū)域或呈現(xiàn)給工件或拋光墊來說是重 要的。與和位于載體下最平坦的表面（即，非金剛石頂端）對準(zhǔn)的金剛石粗粒修整器不同， 精確結(jié)構(gòu)化研磨元件使用與最大特征部接觸的平坦表面（即，"對準(zhǔn)板"）最好地對準(zhǔn)。對 準(zhǔn)板的平坦表面優(yōu)選地具有每4英寸（10. 2cm)