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TWI580525B - 硏磨物件、調節盤及形成硏磨物件之方法 - Google Patents

硏磨物件、調節盤及形成硏磨物件之方法 Download PDF

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TWI580525B
TWI580525B TW103136578A TW103136578A TWI580525B TW I580525 B TWI580525 B TW I580525B TW 103136578 A TW103136578 A TW 103136578A TW 103136578 A TW103136578 A TW 103136578A TW I580525 B TWI580525 B TW I580525B
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copper
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tin alloy
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黃柏鈞
趙晏樟
郭鎧瑋
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台灣積體電路製造股份有限公司
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    • B24B53/00Devices or means for dressing or conditioning abrasive surfaces
    • B24B53/017Devices or means for dressing, cleaning or otherwise conditioning lapping tools
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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    • B24B53/12Dressing tools; Holders therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
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Description

研磨物件、調節盤及形成研磨物件之方法
本揭露係關於半導體技術,且特別係關於研磨物件、調節盤以及形成研磨物件之方法。
半導體積體電路(integrated circuit,IC)產業經歷了快速的發展,IC材料及設計的發展已製造出數代的積體電路,每一代的積體電路皆比先前來的更小、更複雜。然而,IC材料及設計的發展亦增加了處理及製造積體電路的複雜度,為了使這些發展得以實行,需要的是積體電路的處理及製造之相應發展。在積體電路的進程中,功能密度(functional density)(即,每一晶片區的互連裝置的數量)大致增加,但幾何尺寸(即,可產生之最小元件(或線路))持續縮小。此微縮(scaling down)製程可增加生產效率並降低相關成本。
近幾十年來,化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)製程已用於平坦化構成積體電路之膜層,以在積體電路上提供更準確的結構元件。化學機械研磨製程是結合化學移除及機械研磨的平坦化製程。化學機械研磨能夠使整個晶圓表面達到全面性的平坦化,因此為一優選的製程。化學機械研磨製程將材料研磨及將其由晶圓移除,且化學機械研磨可作用在多種材料(multi-material)的表面上。此外,化學機械研 磨製程可避免使用危險性氣體及/或通常為低成本的製程。
由於化學機械研磨製程是形成積體電路的重要製程之一,因此有需要維持化學機械研磨製程的可靠度及良率。
在一些實施例中,提供研磨物件、調節盤以及形成研磨物件之方法,使用銅-鈦-錫合金形成用以添加研磨顆粒於載體之上的基質層,研磨顆粒可為鑽石顆粒。由於銅-鈦-錫合金的熔點比鑽石的石墨化(graphitization)溫度低,研磨顆粒(例如:鑽石顆粒)避免了石墨化。此外,形成於研磨顆粒及基質層之間的碳化鈦層及鈦-錫合金層,促進研磨顆粒固定於基質層上。
在一些實施例中,提供一研磨物件,研磨物件包括:載體;研磨物件更包括位於載體之上的基質層,基質層包括銅-鈦-錫合金,其中銅-鈦-錫合金包括:大約70至90重量百分比之銅、大約5至15重量百分比之鈦以及大約5至15重量百分比之錫;研磨物件也包括至少一嵌入基質層之研磨顆粒,其中研磨顆粒包括碳。
在一些實施例中,提供一調節盤,調節盤包括:載體;基質層包括銅-鈦-錫合金,其中銅-鈦-錫合金包括:大約70至90重量百分比之銅、大約5至15重量百分比之鈦以及大約5至15重量百分比之錫;調節盤也包括至少一嵌入基質層之研磨顆粒,其中研磨顆粒包括碳;調節盤更包括位於研磨顆粒及基質層間的碳化鈦層。
在一些實施例中,提供一種形成研磨物件的方 法,此方法包括:形成基質層於載體之上,基質層包括銅-鈦-錫合金,其中銅-鈦-錫合金包括:大約70至90重量百分比之銅、大約5至15重量百分比之鈦以及大約5至15重量百分比之錫;此方法更包括提供至少一研磨顆粒於基質層之上,其中研磨顆粒包括碳;此方法也包括加熱基質層使基質層軟化或熔化。
100‧‧‧研磨物件
100a‧‧‧調節盤
110‧‧‧載體
120‧‧‧基質層
122‧‧‧銅-鈦-錫合金顆粒
130‧‧‧研磨顆粒
140‧‧‧碳化鈦層
150‧‧‧鈦-錫合金層
200‧‧‧化學機械研磨系統
210‧‧‧調節組件
212‧‧‧調節頭
214‧‧‧調節臂
220‧‧‧晶圓承載組件
230‧‧‧研磨組件
232‧‧‧可旋轉平台
234‧‧‧研磨墊
234a‧‧‧研磨表面
236‧‧‧研漿供應器
236a‧‧‧研漿
310‧‧‧晶圓
以下將配合所附圖式詳述本發明之實施例,應注意的是,以下圖示並未按照比例繪製,事實上,可能任意的放大或縮小元件的尺寸以便清楚表現出本發明的特徵,而在說明書及圖式中,同樣或類似的元件將以類似的符號表示。
第1A圖及1B圖係本揭露一些實施例中,形成研磨元件的製程中不同階段的剖面圖;第2圖係本揭露一些實施例中,調節組件及調節盤之剖面圖;第3圖係本揭露一些實施例中,化學機械研磨系統之立體圖。
以下公開許多不同的實施方法或是例子來實行本發明之不同特徵,以下描述具體的元件及其排列的例子以闡述本發明。當然這些僅是例子且不該以此限定本發明的範圍。例如,在描述中提及第一個元件形成一第二個元件上時,其可以包括第一個元件與第二個元件直接接觸的實施例,也可以包括有其他元件形成於第一個與第二個元件之間的實施例,其中第一個元件與第二個元件並未直接接觸。此外,在不同實施例中 可能使用重複的標號或標示,這些重複僅為了簡單清楚地敘述本揭露,不代表所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
此外,其中可能用到與空間相關的用詞,像是“在...下方”、“下方”、“較低的”、“上方”、“較高的”及類似的用詞,這些關係詞係為了便於描述圖示中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係,這些空間關係詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位,以及圖示中所描述的方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位),則其中使用的空間相關形容詞也可相同地照著解釋。應理解的是,在方法進行之前、當中或之後可能具有額外的操作步驟,且所述的一些操作步驟可能在另一些實施例之方法中被取代或刪除。
第1A-1B圖中為一些實施例中,形成研磨物件100的製程中不同階段的剖面圖,如第1A圖所示,在一些實施例中,提供一載體110,載體110為基板或其他合適的物體(例如:長柄或圓盤基板),載體110包括:不鏽鋼、鐵或其他合適的材料。在一些實施例中,基質層120形成於載體110之上。在一些實施例中,基質層120包括:銅-鈦-錫合金顆粒122。
在一些實施例中,銅-鈦-錫合金顆粒122包括:大約70至90重量百分比之銅、大約5至15重量百分比之鈦以及大約5至15重量百分比之錫。在一些實施例中,銅-鈦-錫合金顆粒122包括:大約70至80重量百分比之銅。在一些實施例中,銅-鈦-錫合金顆粒122包括:大約10至15重量百分比之鈦。在一些 實施例中,銅-鈦-錫合金顆粒122包括:大約10至15重量百分比之錫。
之後,在一些實施例中,提供研磨顆粒130於基質 層120之上,應注意的是,為了簡潔,第1A圖及第1B圖僅顯示一個研磨顆粒130用以說明,然其並非用以限定本發明。在另一些實施例中,提供兩個或更多之研磨顆粒130於基質層120之上。在一些實施例中,研磨顆粒130包括碳。在一些實施例中,研磨顆粒130包括鑽石顆粒(或鑽石砂礫)。
此後,如第1B圖所示,在一些實施例中,進行加 熱步驟加熱基質層120以軟化或熔化基質層120。因此,在一些實施例中,基質層120的銅-鈦-錫合金由固態轉換為液態,而流動以接觸並環繞研磨物件130的一部份。在一些實施例中,在加熱步驟中係施加壓力在基質層120、研磨顆粒130及載體110。
之後,在一些實施例中,基質層120的銅-鈦-錫合金冷卻並還原為固態,且基質層120用於保持住研磨顆粒130。在一些實施例中,研磨顆粒130部分地嵌入基質層120中。
在一些實施例中,在加熱步驟後,碳化鈦層140形成於研磨顆粒130及基質層120之間。在一些實施例中,碳化鈦層140與研磨顆粒130是直接接觸的。在一些實施例中,在加熱步驟後,鈦-錫合金層150形成於碳化鈦層140及基質層120之間,且碳化鈦層140位於研磨顆粒130及鈦-錫合金層150之間。在一些實施例中,鈦-錫合金層150與碳化鈦層140及基質層120是直接接觸的。在一些實施例中,鈦-錫合金層150包括:SnTi3、Sn5Ti6及/或SnTi2
在一些實施例中,碳化鈦層140對研磨顆粒130及 鈦-錫合金層150具有良好的附著力,且鈦-錫合金層150對碳化鈦層140及基質層120具有良好的附著力,因此,在一些實施例中,基質層120藉由碳化鈦層140及鈦-錫合金層150,牢固地保持住研磨顆粒130。
在一些實施例中,加熱步驟的加熱溫度大約在600 ℃至1200℃之範圍,在一些實施例中,加熱步驟的加熱溫度大約在800℃至1000℃之範圍。在一些實施例中,銅-鈦-錫合金的熔點(或軟化溫度)比鑽石的石墨化(graphitization)溫度(1300℃)低,因而防止鑽石(例如:研磨顆粒130)石墨化,在一些實施例中,研磨顆粒130因此避免了加熱步驟中之石墨化所造成的破裂。
在一些實施例中,於加熱步驟後,進行保持溫度 的步驟以於基質層120中形成穩定的三元合金(ternary alloy)(例如:CuTiSn及CuTi5Sn3)。在一些實施例中,保持溫度步驟的製程溫度在600℃至1000℃之範圍。在一些實施例中,保持溫度步驟的製程溫度在800℃至900℃之範圍。
在一些實施例中,基質層120中的CuTiSn三元合金 及CuTi5Sn3三元合金之含量與保持溫度步驟之製程溫度及時間為正相關的。因此,在一些實施例中,可藉由調整保持溫度步驟之製程溫度及時間,以調整基質層120中CuTiSn三元合金及CuTi5Sn3三元合金之含量。
在一些實施例中,由於基質層120中的CuTiSn三元 合金及CuTi5Sn3三元合金會消耗基質層120的鈦及錫,基質層 120中CuTiSn三元合金及CuTi5Sn3三元合金之含量與鈦-錫合金層150的厚度為負相關的。因此,在一些實施例中,可藉由調整保持溫度步驟之製程溫度及時間,以調整鈦-錫合金層150至合適之厚度。
此步驟形成一研磨元件100。在一些實施例中,研 磨元件100可利用研磨顆粒130用以平整、研磨、磨碎、切割及/或刮擦物體。在一些實施例中,載體110為基板,而研磨物件100為化學機械研磨系統(CMP system)的調節盤(conditioning disk)。在一些實施例中,載體110為圓盤基板,而研磨物件100為鑽石砂輪(或鑽石磨輪)。在一些實施例中,載體110為長柄,而研磨物件100為鑽石刀(或鑽石工具)。在一些實施例中,為了簡潔,第1B圖僅顯示部分之研磨物件100。
第2圖為一些實施例中,調節組件及調節盤之剖面 圖,如第2圖所示,調節組件210包括:調節盤100a、調節頭212及調節臂214,調節盤100a與第1B圖的研磨物件100相似,除了調節盤100a具有部分地嵌入基質層120之研磨顆粒130。
在一些實施例中,調節盤100a連接至(或安裝至) 調節頭212,在一些實施例中,調節頭212連接至(或安裝至)調節臂214。調節組件210被設置以調節(或更新)化學機械研磨系統的研磨墊,以下將詳述化學機械研磨系統。
第3圖是一些實施例中,化學機械研磨系統200之 立體圖,如第3圖所示,在一些實施例中,化學機械研磨系統200包括:調節組件210、晶圓承載組件220及研磨組件230。在一些實施例中,研磨組件230包括:可旋轉平台232、研磨墊234 及研漿供應器236,在一些實施例中,研磨墊234安裝在可旋轉平台232上。
晶圓承載組件220是用來維持晶圓310於研磨組件 230上以實行化學機械研磨製程,晶圓承載組件220包括:晶圓臂222及安裝於晶圓臂之晶圓承載224。在一些實施例中,設置晶圓承載224以支撐晶圓310,使晶圓310的表面及研磨墊234接合,且提供向下的壓力於晶圓310上。
在一些實施例中,當化學機械研磨製程實行時, 研磨墊234與晶圓310是直接接觸的,且研磨墊234被可旋轉平台232轉動。在一些實施例中,在化學機械研磨製程中,會藉由研漿供應器236持續地提供研漿236a於研磨墊234上。在一些實施例中,於化學機械研磨製程中,晶圓310也被晶圓承載組件220轉動。
研磨墊234為多孔結構且具有粗糙的研磨表面 234a,當研磨製程實行時,研磨碎屑(來自,例如:晶圓310被移除的部分及研漿顆粒)將填充研磨墊234之孔洞,因此,研磨墊234的研磨表面234a變得平滑,且研磨墊234的表面粗糙度下降,故研磨速率下降。
為了維持研磨速率,研磨墊234需要調節以維持表 面的粗糙度。在一些實施例中,使用研磨組件210對研磨墊234實行調節操作(或修整操作(dressing operation))。使用調節盤100a以更新及刮擦研磨墊234的研磨表面234a,以露出研磨墊234較低且新的部分而繼續用於研磨。由於調節盤100a的修整,研磨墊234的研磨表面234a被更新並且維持研磨速率。
在化學機械研磨製程中,若研磨顆粒130(如第2圖 所示)從調節盤100a脫落,那麼晶圓310很容易被研磨顆粒130刮傷。由於基質層120藉碳化鈦層140及鈦-錫合金層150(如第2圖所示)牢固地維持研磨顆粒130,晶圓310可避免被研磨顆粒130刮傷,因此,使用化學機械研磨製程系統200改善了化學機械研磨製程的良率。
前述內文概述了許多實施例的特徵,使本技術領 域中具有通常知識者可以更佳的了解本發明的各個方面。本技術領域中具有通常知識者應該可理解,他們可以很容易的以本發明為基礎來設計或修飾其它製程及結構,並以此達到相同的目的及/或達到與本發明介紹的實施例相同的優點。本技術領域中具有通常知識者也應該了解這些相等的結構並不會背離本發明的發明精神與範圍。本發明可以作各種改變、置換、修改而不會背離本發明的發明精神與範圍。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作任意之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
110‧‧‧載體
120‧‧‧基質層
122‧‧‧銅-鈦-錫合金顆粒
130‧‧‧研磨顆粒

Claims (9)

  1. 一種研磨物件,包括:一載體;以及一基質層位於該載體之上,其中該基質層包括一銅-鈦-錫合金,其中該銅-鈦-錫合金包括:大約70至90重量百分比之銅;大約5至15重量百分比之鈦;以及大約5至15重量百分比之錫,且該銅-鈦-錫合金包括CuTiSn;以及至少一嵌入該基質層之研磨顆粒,其中該研磨顆粒包括碳。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之研磨物件,其中該銅-鈦-錫合金包括:大約70至80重量百分比之銅;大約10至15重量百分比之鈦;以及大約10至15重量百分比之錫。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之研磨物件,其中該銅-鈦-錫合金更包括CuTi5Sn3
  4. 如申請專利範圍第1項所述之研磨物件,其中該研磨顆粒包括一鑽石顆粒。
  5. 一種調節盤,包括:一載體;一基質層位於該載體之上,其中該基質層包括一銅-鈦-錫合金,其中該銅-鈦-錫合金包括:大約70至90重量百分比之銅; 大約5至15重量百分比之鈦;以及大約5至15重量百分比之錫,且該銅-鈦-錫合金包括CuTiSn;至少一研磨顆粒,係部分嵌入該基質層,其中該研磨顆粒包括碳;一碳化鈦層,位於該研磨顆粒及該基質層之間;以及一鈦-錫合金層位於該碳化鈦層及該基質層之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之調節盤,其中該碳化鈦層與該研磨顆粒係直接接觸。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之調節盤,其中該鈦-錫合金層與該碳化鈦層及該基質層係直接接觸。
  8. 一種形成研磨物件之方法,包括:形成一基質層於一載體之上,其中該基質層包括一銅-鈦-錫合金,其中該銅-鈦-錫合金包括:大約70至90重量百分比之銅;大約5至15重量百分比之鈦;以及大約5至15重量百分比之錫,且該銅-鈦-錫合金包括CuTiSn;提供至少一研磨顆粒於該基質層上,其中該研磨顆粒包括碳;以及加熱該基質層使該基質層軟化或熔化,其中該加熱後形成一碳化鈦層及一鈦-錫合金層於該研磨顆粒及該基質層之間,且該鈦-錫合金層位於該碳化鈦層及該基質層之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之形成研磨物件之方法,其中 該加熱的溫度大約在600℃至1200℃之範圍。
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