TWI911150B - 具有精確定形狀之特徵之磨料元件、由其製造之磨料物品及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種磨料物品包括設置於一或多個磨料元件上之複數個磨料特徵。該一或多個磨料元件之各者包括具有一第一主表面之一基底，該複數個磨料特徵自該第一主表面延伸。一第一組之該複數個磨料特徵(i)具有一平均高度H_1avg、(ii)小於10%的H_1avg之一標準偏差、及(iii)包含在5與130個之間的磨料特徵。

Description

具有精確定形狀之特徵之磨料元件、由其製造之磨料物品及其製造方法

本揭露大致上係關於磨料及磨料物品。

各種磨料物品係描述於例如美國專利第9,956,664號與PCT國際公開案第WO 2014/022462號及第WO 2014/022465號中。

在一些實施例中，提供一種磨料物品。該磨料物品包括設置於一或多個磨料元件上之複數個磨料特徵。該一或多個磨料元件之各者包括具有一第一主表面之一基底，該複數個磨料特徵自該第一主表面延伸。一第一組之該複數個磨料特徵(i)具有一平均高度H_1avg、(ii)小於10%的H_1avg之一標準偏差、及(iii)包含在5與130個之間的磨料特徵。

在一些實施例中，提供一種修整一拋光墊之方法。該方法包括使用一拋光墊執行一CMP操作，及接著使該拋光墊之一工作表面與上述磨料物品之一工作表面接觸。

10:磨料物品

15:載體元件/載板

15A:主表面/載體元件

20:磨料元件

25:磨料特徵

25’:主要磨料特徵

25”:次要磨料特徵

25a:特徵基底

25b:特徵最大值

30:基底

30a:第一主表面

30b:第二主表面

h:高度

H:特徵高度

圖1A係根據本揭露之一些實施例之一磨料物品的示意俯視圖。

圖1B係圖1A之磨料物品的示意側視圖。

圖2A係根據本揭露之一些實施例之一磨料物品的示意俯視圖。

圖2B係圖2A之磨料物品的示意側視圖。

圖3A係根據本揭露之一些實施例之一磨料元件的示意俯視圖。

圖3B係圖3A之磨料元件的示意側視圖。

圖4係平均CP4墊磨損率對Log₁₀主要磨料特徵數目的散佈圖。

這些圖未依比例繪製，而且僅意圖用於說明的目的。

在裝置製造期間，半導體及微晶片產業依賴數個化學機械平坦化(chemical-mechanical planarization,CMP)程序。此等CMP程序係用以在積體電路的製造中將晶圓表面平坦化。一般而言，其等利用磨料漿體及拋光墊。在CMP程序期間，從晶圓及拋光墊移除材料，並且形成副產物。其等可積聚在拋光墊表面上，而使其表面光滑並使其效能退化、降低其壽命、及增加晶圓瑕疵率。為了解決這些問題，墊修整器經設計以透過研磨機制來再生拋光墊效能，該研磨機制移除非所欲的廢棄物累積，並在拋光墊表面上再創造突點。

用於CMP的墊修整器通常包括黏附至載體的磨料元件或多個磨料元件。不同載體經工程設計以便利地附接至CMP設備之不同組態。用於CMP墊修整器的磨料元件之一些類型利用沉積於合適基 材上的CVD鑽石膜。基材常經形成或經機械加工以展現巨結構或微結構特徵。微複製係利用於例如3M TRIZACT B6-1900-5S2及B75-2990-5S2墊修整器中。此等修整器包括對在CMP程序中修整之墊呈現經塗佈有CVD鑽石膜之角錐體特徵之陣列的磨料元件。取決於設計的細節，可能提供在不同離散位準(例如，最高的主要級、次要級、第三級等)基本上共面的特徵。主要級、次要級、及較低級特徵的面密度及高度差係在用於特定CMP程序之影響墊磨損率、墊紋理、及修整器壽命的設計參數之中。

隨著CMP拋光墊的本質在一些應用中偏移朝向非常軟且容易修整的拋光墊，且在其他應用中偏移朝向非常硬且不易修整的拋光墊，能夠使墊修整器產生之表面紋理與其產生的拋光墊磨損率解耦已變得日益重要。可設想出兩個相反的情境，而難以自其產生高效能的墊修整器。在第一情境中，非常硬的拋光墊可使用於高度平坦化及高移除率。在此類情境中，拋光墊可能需要高度強力的墊修整器，其將維持針對以氧化鈰漿料之非常高的氧化物移除率的淺表面紋理。在第二情境中，非常軟的拋光墊可使用於在先進節點應用中的瑕疵率降低。在此情境下，拋光墊可能需要低強力程度的墊修整器，其將維持較高表面紋理，以延長需要在使用矽石漿體時維持較高移除率的非常軟之墊的拋光墊壽命。

針對大多數習知的鑽石磨粒及CVD塗佈的修整器，已知在鑽石或磨料特徵之面間距及其等產生在給定CMP墊上的表面粗糙度之間有一些關聯性(隨著尖端密度減少，墊磨損率及表面光度 (surface finish)二者均增加)。微複製墊修整器中的主要特徵的密度可具有廣泛的範圍，其中市售產品在具有直徑約11至12mm的典型磨料元件上從約100變化至3300個主要特徵。針對大多數習知的墊修整器，墊磨損率必須係高的，以維持高表面粗糙度。當使用軟的及易於修整之墊時，此可變成所有成本(cost of ownership)的問題。然而，已發現具有主要特徵面密度低如0.008/mm²的磨料物品(例如具有直徑約11至12mm的每個元件1個主要特徵)提供低墊磨損率，同時維持高表面粗糙度。此外，此類墊修整器產生較少之分類大小範圍1至10微米的碎屑，並降低CMP應用中的瑕疵。

大致上，在一些實施例中，本揭露係關於可用於CMP程序中所採用之修整拋光墊的磨料物品，其中主要磨料特徵的面密度以及主要磨料特徵與次要磨料特徵之間的高度偏移(及任何下一級的磨料特徵)允許拋光墊磨損率及拋光墊表面光度兩者受獨立控制。在本揭露的磨料物品中，拋光墊磨損率與主要磨料特徵的數目正相關，且此行為與墊磨損率及習知微複製墊修整器的主要磨料特徵數目之間的負相關相反。此外，在本揭露的磨料物品中，墊磨損率並不包含在拋光墊的表面粗糙度上的承載，其可藉由磨料特徵偏移高度來分開控制。例如，在本揭露之磨料物品的一些實施例的使用中，僅小數目的主要磨料特徵將嚙合拋光墊的工作表面，並在工作表面中形成溝槽或刮痕，此係因為其等移除相對大量的拋光墊材料，同時大數目的次要磨料特徵也可與拋光墊的工作表面接觸。該等次要磨料特徵係預期以達成比主要磨料特徵少的材料移除，且主要作為用於主要磨料特徵之 穿透停止層深度。此使修整器之材料移除及表面加工性質能夠獨立變化，例如藉由變化主要磨料特徵之垂直/高度偏移以調變表面粗糙度，及變化主要磨料特徵之數目以調變墊磨損率。此外，作為穿透深度控制的結果，拋光墊切削率及表面粗糙度對墊修整器向下力之靈敏度亦降低。本揭露之磨料物品的此等態樣係對比於具有較高密度之主要磨料特徵的已知磨料物品，主要磨料特徵計數針對其將與拋光墊之拋光墊磨損率及平均表面粗糙度兩者逆相關。更進一步地，相較於習知的微複製墊修整器，本揭露的磨料物品在其等之壽命中提供較慢的墊磨損率衰減，其實現更一致的CMP效能。

在一些實施例中，參照圖1A至圖1B及圖2A至圖2B，本揭露係關於磨料物品10(其可視為用於在CMP程序中修整拋光墊之墊，或視為墊修整器)，其包括載體元件15及設置在載體元件15之主表面15A上的一或多個磨料元件20(具有一或多個磨料元件20之磨料物品10之側可視為磨料物品10之工作表面)。如所示，磨料物品可具有複數個磨料元件20(圖1A至圖1B)或單一磨料元件20(圖2A至圖2B)。在一些實施例中，載體元件之主表面15A可係平面或實質上平面的。在一些實施例中，用於載體元件15的合適材料可包括金屬(例如，不鏽鋼)、陶瓷、聚合物(例如，聚碳酸酯)、金屬陶瓷、矽、及複合物。載體元件可具有任何形狀，諸如圓形(如圖1中所示)。替代地，例如，載體元件15可係非圓形或環形的形狀。

現參照圖3A至圖3B，在一些實施例中，本揭露之磨料元件20可包括各自從基底30延伸的複數個磨料特徵25。在一些實施例中，基底30可在第一主表面30a與第二主表面30b之間延伸，其具有1至6mm、2至4mm、或3至3.5mm的高度(h)(或主表面之間的距離)。在一些實施例中，基底30在整個磨料元件20中可具有均勻或實質上均勻的高度(h)(亦即，高度(h)可變化不超過200微米、不大於100微米、不大於20微米、不大於10微米、或不大於1微米)。在一些實施例中，磨料元件20可具有就主表面之投影面積或覆蓋區(footprint)而言30至9200mm²、30至2100mm²、或30至120mm²之大小。如本文中所使用，用語表面之「投影面積(projected area)」係指在法向於該表面之方向觀看之表面的面積僅考量表面之周長尺寸(且不考量任何表面輪廓(例如細孔、突點、突出物、及類似者))。

如圖3B中所示，在一些實施例中，磨料特徵25之各者可自基底30之第二主表面30b延伸。如本文中所使用，「磨料特徵(abrasive feature)」係指單一主體，該單一主體(i)從單一特徵基底延伸，並且終止於以點、線、或刻面形式的單一特徵最大值；且(ii)具有大於7、8、8.5、或9的莫氏硬度。在一些實施例中，磨料特徵25之各者可具有特徵高度(H)，該特徵高度係定義為以法向於第二主表面30b之方向所測量之特徵最大值(例如特徵最大值25b)與特徵基底(例如特徵基底25a)之間的距離。

在磨料物品10包括二或更多個磨料元件20之實施例中，應理解磨料元件20之各者可相同或可不同於其他磨料元件20之任一或多者(就形狀、大小、磨料特徵之量、磨料特徵之類型、磨料特徵之大小、磨料特徵之形狀、及/或類似者而言)。

在一些實施例中，磨料物品10之一或多個磨料元件20(視為集體)可包括第一組之磨料特徵25(或主要磨料特徵)，其具有平均特徵高度H_1avg及小於10%的H_1avg之標準偏差；可選地，第二組之特徵(或次要磨料特徵)，其具有平均特徵高度H_2avg及小於10%的H_2avg之標準偏差，其中H_1avg>H_2avg；可選地，第三組之特徵(或第三級磨料特徵)，其具有平均特徵高度H_3avg及小於10%的H_3avg之標準偏差，其中H_1avg>H_2avg>H_3avg；等等。在一些實施例中，H_1avg大於H_2avg至少5微米、至少10微米、至少20微米、至少50微米、或至少100微米。在一些實施例中，H_2avg大於H_3avg至少5微米、至少10微米、或至少20微米。關於圖3A至圖3B中繪示的實施例，就主要及次要磨料特徵而言，磨料元件20包括單一主要磨料特徵25’及複數個次要磨料特徵25”。

在一些實施例中，磨料物品10之磨料元件20可共同地包括5至130、5至100、或5至50個主要磨料特徵；20至4500、200至4500、或2500至3500個次要磨料特徵；及20至1500、100至1500、或900至1200個第三級磨料特徵。應理解主要、次要、第三級(等)磨料特徵不需要均勻地分布在磨料元件20之中。例如，在包括五個主要磨料特徵及五個磨料元件之磨料物品實施例中，五個主 要磨料特徵之各者可係設置於單一磨料元件上，或可以任何方式分布於5個磨料元件之中。

在一些實施例中，該物品之主要磨料特徵可以0.01至0.30/cm²、0.04至1.30/cm²、或0.8至23.0/cm²之面密度存在；次要磨料特徵，其等以0.2至33.0/cm²、0.9至150.0/cm²、或17至2655/cm²之面密度存在；或第三級磨料特徵，其等以0.2至11.0/cm²、0.9至50.0/cm²、或17至885/cm²之面密度存在。為了本申請案之目的，一組磨料特徵之「面密度(areal density)」係指存在於磨料物品之磨料元件之每個累積投影單元面積的整個磨料特徵數目。

在一些實施例中，該物品的主要磨料特徵可具有在20與300微米之間、在40與250微米之間、或在60與160微米之間的平均特徵高度(H_1avg)。在一些實施例中，該物品的次要磨料特徵可具有在5與250微米之間、在20與150微米之間、或在40與55微米之間的平均特徵高度(H_2avg)。在一些實施例中，該物品的第三級磨料特徵可具有在5與200微米之間、在10與100微米之間、或在30與45微米之間的平均特徵高度(H_3avg)。

在一些實施例中，物品的次要特徵(若存在)可作為用於主要磨料特徵的「停止層」。亦即，該等次要特徵可作用以限制該等主要特徵穿透進入由該物品修整之該拋光墊中，並且從而限制該等磨料元件之強力程度。在此方面，發現到滿足以下條件的次要特徵(若存在)提供適當的「停止層」效能：(i)取在平行於該等基底的第一主表面之平面中，且(ii)在沿著50%或更少之H_2avg的第二組之磨料 特徵的一位置處的該第二組之磨料特徵之各者之截面積累積地係該磨料物品之該等磨料元件之累積投影面積的至少5%、至少10%、或至少15%。

在一些實施例中，磨料特徵可具有任何形狀或多個形狀。用於磨料特徵之合適形狀的實例包括圓柱體、半球體、立方體、矩形稜柱、三角形稜柱、六角稜柱、三稜錐、4、5及6面稜錐、截角錐、圓錐體、截圓錐、及類似者。

在一些實施例中，(物品或磨料元件之)磨料特徵可具有相同的基底大小或不同之基底大小。該等磨料特徵可以規則陣列或不規則陣列在該磨料元件之基底上隔開，且可以相同距離或不同距離彼此隔開。在一些實施例中，該等磨料元件可具有在1與1000個特徵/mm²之間或在10與300個特徵/mm²之間(以磨料元件之投影面積計)的磨料特徵密度(包括主要特徵、次要特徵、第三級特徵等)。

在一些實施例中，磨料特徵之一部分(至多全部)可係形成為精確定形狀的磨料特徵。如本文中所使用，精確定形狀之特徵係指一種形貌特徵(例如突起物、突點、或類似者)，其具有對應模穴之相反形狀的模製形狀，該形狀在從模具移除形貌特徵之後被維持。在一些實施例中，精確定形狀之磨料特徵可係經由微複製來形成。如本文中所使用，「微複製(micro-replication)」係指一種製造技術，其中精確定形狀之形貌特徵是藉由在例如模具或壓紋工具等生產工具中澆鑄或模製聚合物(或稍後經固化而形成聚合物之聚合物前驅物)來製備，其中該生產工具具有複數個微米大小至毫米大小之形貌 特徵。從生產工具移除聚合物時，一連串形貌特徵在聚合物的表面中出現。聚合物表面之形貌特徵具有和生產工具原本的特徵相反的形狀。

在一些實施例中，磨料元件可包括或由碳化物陶瓷或氧化物陶瓷(諸如氧化鋁或氧化鋯)形成。合適的碳化物陶瓷包括碳化矽、碳化硼、碳化鋯、碳化鈦、碳化鎢、或其組合。在一些實施例中，以磨料元件之總重量計，磨料元件可包括至少80wt.%、至少90wt.%、至少95wt.%、或至少99wt.%之量的碳化物陶瓷。在一些實施例中，以磨料元件之總重量計，磨料元件可包括至少80wt.%、至少90wt.%、至少95wt.%、或至少99wt.%之量的碳化矽。

在一些實施例中，磨料元件可具有小於5%、小於3%、或小於1%的孔隙度。如本文中所使用，孔隙度(以百分比表示)係指在本體中之空隙總體積除以本體總體積。在一些實施例中，磨料元件亦具有小於20微米、小於10微米、小於5微米、或小於3微米的平均粒度。此低孔隙度及粒度在達成穩健且耐用的複製特徵方面可係重要的，其繼而導致磨料元件之良好壽命及低磨損率。

在一些實施例中，磨料元件(包括磨料元件基底及磨料特徵)可係單塊磨料元件。如本文中所使用，「單塊(monolithic)」係指單一本體或單一件，其在整個本體或該件中具有均勻或實質上均勻的組成。單塊磨料元件係對比於複合磨料元件，其中單塊元件具有磨料特徵及連續且由主要磨料材料組成而無中介基質之區域，而複合磨料元件包括埋置於基質中之磨粒。

在一些實施例中，磨料元件可進一步包括一或多個塗層，該一或多個塗層作用以達成額外的耐磨性及耐久性、降低摩擦係數、保護免於腐蝕、及改變表面性質。可用的塗層包括例如化學氣相沉積(chemical vapor deposited,CVD)或物理氣相沉積(physical vapor deposited,PVD)之鑽石、經摻雜之鑽石、碳化矽、立方氮化硼(cubic boron nitride,CBN)、氟化物塗層、疏水性或親水性塗層、表面改質塗層、抗蝕塗層、類鑽石碳(diamond like carbon,DLC)、類鑽石玻璃(diamond like glass,DLG)、碳化鎢、氮化矽、氮化鈦、粒子塗層、多晶鑽石、微晶鑽石、奈米晶鑽石、及類似者。在一些實施例中，該塗層可係複合材料，諸如例如精細鑽石粒子及氣相沉積之鑽石基質的複合物。在一實施例中，此等塗層係適形的，使得精確的表面特徵能夠在塗層表面下見到。塗層可藉由所屬技術領域中已知的任何合適方法來沉積，包括化學或物理氣相沉積、噴灑、浸漬、及輥塗佈。

在一些實施例中，磨料元件可塗佈有非氧化物塗層。當使用CVD鑽石塗層時，使用碳化矽陶瓷具有額外益處，其在於在碳化矽與CVD鑽石膜之間的熱膨脹係數存在良好匹配。因此，此等經鑽石塗佈之磨料額外具有優異的鑽石膜黏著性及耐久性。

在一些實施例中，再次參照圖1A，磨料元件20可係以任何所欲組態定位在載板15之主表面15A上。例如，如在圖1A中所示，磨料元件20可係以圓形組態定位於主表面15A上。替代地，磨料元件20可係以非圓形、環形、或螺旋圖案定位於主表面15A上。載體元件15上之磨料元件20數目並未特別限制。在一些實施例中， 磨料元件20可以在0.011與0.175/cm²之間、在0.022與0.110/cm²之間、或在0.055與0.110/cm²之間的面密度(以主表面15A之投影面積計)存在於載體元件15A上。為了本申請案之目的，磨料元件的「面密度(areal density)」係指參考面積(例如，載體元件15之主表面15A))之每表面單元面積存在的全部磨料元件數目。

在一些實施例中，磨料元件20可經由任何習知的緊固機構(直接或間接)耦合至載體元件。合適的緊固機構包括例如兩部分環氧樹脂、壓敏性黏著劑、結構性黏著劑、熱熔黏著劑、B階段黏著劑、機械緊固件、及機械鎖定裝置。

在一些實施例中，彈性元件可係設置於磨料元件20與載體元件15之主表面15A之間。大致上，彈性元件可用於提供在定位該等磨料元件之一者相對於該等磨料元件之一或多者高度的高度方面之彈性。例如，在磨料物品10之組裝期間，彈性元件可在壓縮下彈性變形並透過緊固元件鎖定至壓縮位置中，從而相對於該等磨料元件之一或多者之高度固定該磨料元件之高度。在一些實施例中，彈性元件可係分段的、連續的、不連續的、或環架的(gimbaled)。合適的彈性元件之實例包括例如機械的類彈簧裝置、可撓性墊圈、發泡體、聚合物、或凝膠。彈性元件亦可具有緊固特性，諸如具有黏著劑背襯的發泡體。

在一些實施例中，磨料元件之磨料特徵可對準於參考平面。參考平面可係通過磨料元件或磨料物品之選定特徵的最大值之理 論平面。特徵最大值亦可稱為特徵尖端或尖端。該等選定特徵係具有最大共同高度D₀的該組工作特徵。

在一些實施例中，可採用對準程序以可再現地產生所定義之承載區域或呈現給磨料物品。在一些實施例中，該等磨料元件係與接觸該等磨料特徵的最大值之平面表面(例如，「對準板」)對準。對準板之平面表面較佳地具有長度每4吋(10.2cm)至少約+/- 2.5微米或甚至更低(亦即甚至更平坦)的公差。在此組裝程序中可使用一彈性元件及一緊固元件，以在載體元件上相對於彼此精確地對準該等磨料元件。在此情況下，磨料元件係對準使得存在最大特徵尖端共面性。非共面性係選定之一組尖端與通過該組尖端之理想參考平面之距離絕對值之平均。非共面性係表示為相對於該等選定特徵之高度D_o的百分比。

磨料物品亦具有各磨料元件來自加工或與所塗佈材料的熱失配之低的或受控的翹曲或曲折，導致良好的元件平面性。「元件平面性(element planarity)」係指選定之特徵尖端在精確結構化之磨料元件內相對於參考平面之平面性。針對單一磨料元件，平面性係指一組特徵尖端相對於參考平面的距離之變異性。用以計算平面性之該組尖端包括來自具有共同最大設計高度D₀的所有特徵之尖端。參考平面係定義為具有高度D₀之所有選定特徵尖端之最佳線性迴歸擬合之平面。非平面性係選定尖端與參考平面之距離絕對值的平均。平面性可藉由碳紙材壓印測試或標準拓樸工具來測量，其包括雷射輪廓測定、共焦成像、及共焦掃描顯微鏡，結合影像分析軟體，例如 MOUNTAINSMAP V5.0影像分析軟體(Digital Surf,Besançon,France)。元件形貌亦可藉由偏斜、峰度等特徵化。在一些實施例中，本揭露之磨料元件可具有小於20%、小於10%、小於5%、或小於2%之非平面性。

在一些實施例中，磨料物品亦可具有精確定形狀的磨料元件的準確對準，使得有實質的共面性。針對多個磨料元件，共面性係指來自複數個元件之一組特徵尖端相對於參考平面的距離之變異性。此參考平面係定義為具有最大高度D₀之所有選定特徵尖端之最佳線性迴歸擬合之平面。非共面性係選定尖端與參考平面之距離絕對值的平均。當分開的磨料元件未對準時，導致非共面性。非共面性可透過不平均壓力分布看出，例如透過碳壓印測試。針對具有在碳壓印測試上均勻分布的多個磨料元件，共面性程度可透過標準拓樸工具(包括雷射輪廓測定、共焦成像、及共焦掃描顯微鏡)進一步量化。影像軟體(例如，MOUNTAINSMAP)可用以將多個形貌圖結合成複合形貌圖以用於分析。在一些實施例中，磨料物品之所有磨料元件上的磨料特徵之集體群組(其具有共同的最大設計特徵高度D₀)可具有小於20%、小於10%、小於5%、或小於2%特徵高度之非共面性。

在一些實施例中，本揭露之磨料元件可經由機械加工、微機械加工、微複製、模製、擠出、射出模製、陶瓷壓製、或類似者形成，使得磨料特徵得以製造且自一部分至另一部分及在一部分內是可重製，從而反映出複製設計的能力。在一些實施例中，可採用陶瓷模壓程序(例如，陶瓷乾式壓製)。

在一些實施例中，磨料元件可由模製坯體製造。在此類情況中，磨料元件係視為模製磨料元件。當磨料元件經模製時，其係精確結構化磨料元件之子集，其中該結構係藉由模製程序而賦予。例如，該形狀可係模穴之相反，使得該形狀在磨料元件坯體已自模具移除之後被維持。可使用各種陶瓷成形程序，包括但不限於：射出成型、滑鑄(slip casting)、模壓、熱壓、壓紋、轉移模製、膠鑄(gel casting)、及類似者。在一些實施例中，該模壓程序係在室溫使用，接著燒結。一般而言，在接近室溫的陶瓷模壓係稱為陶瓷乾式壓製。陶瓷乾式壓製一般與陶瓷射出成型不同之處在於其係在較低溫度進行，使用較小量的黏合劑，使用模壓，及合適使用作為黏合劑的材料不一定受限於熱塑性塑膠。

在一些實施例中，磨料元件可在不使用碳化物形成劑的情況下製造，並且係實質上不含氧化物燒結助劑。在一些實施例中，磨料元件可包括小於約1%的氧化物燒結助劑。磨料元件亦可實質上不含矽，且具體地包括小於約1%的元素矽。

在一些實施例中，該模製陶瓷坯體可經燒結以達成高密度、剛性、斷裂韌度、及良好特徵保真度。該坯體係未燒結、經壓縮的陶瓷元件，如將由所屬技術領域中具有通常知識者正常提及者。

在一些實施例中，坯體包括複數個無機粒子及黏合劑，其中該複數個無機粒子係至少約99重量%的碳化物陶瓷。在一實施例中，無機粒子係陶瓷粒子，且可係碳化矽、碳化硼、碳化鋯、碳化鎢、或其組合。

在一些實施例中，坯體的黏合劑可係熱塑性黏合劑。適當的單體之實例包括但不限於熱塑性聚合物。在一實施例中，黏合劑係具有小於約25℃且具體地小於約0℃的T_g的熱塑性黏合劑。在一實施例中，黏合劑係聚丙烯酸酯黏合劑。

在一些實施例中，坯體亦可包括碳源。合適的碳源包括例如酚樹脂、纖維素化合物、糖、石墨、碳黑、及其組合。在一些實施例中，坯體可包括在0.5重量%至10重量%之間的碳源，具體地在2重量%與7重量%之間的碳源。坯體組成物中的碳化合物在燒結後導致較低的孔隙度。坯體亦可包括額外的功能性材料，諸如離型劑或潤滑劑。在一實施例中，坯體含有在0.5重量%至10重量%之間的潤滑劑。

在一些實施例中，坯體係磨料元件前驅物，且可藉由首先混合複數個無機粒子、黏合劑、及碳源以形成混合物來製成。在一實施例中，該混合物之黏聚物係藉由噴霧乾燥程序來形成。

在一些實施例中，具有複數個精確定形狀之腔穴的模具係置於模具腔中，使得模具之大多數精確定形狀腔穴係以混合物填充。該模具可由金屬、陶瓷、陶瓷金屬(cermet)、複合物或聚合材料形成。在一實施例中，該模具係聚合材料，諸如聚丙烯。在另一實施例中，該模具係鎳。然後將壓力施加至混合物以將混合物壓縮成精確定形狀的腔穴，以形成具有第一主表面及第二主表面的坯體陶瓷元件。可在環境溫度或升高溫度施加壓力。亦可使用多於一個壓製步驟。

在一些實施例中，模具或生產工具在其表面上具有至少一指定形狀之預定陣列，其係磨料元件之磨料特徵之預定陣列及(多個)指定形狀的相反。

除了上述技術之外，在一些實施例中，模具可藉由製備正型母版(positive master)來形成，該正型母版具有磨料元件之磨料特徵的預定陣列及指定形狀。然後模具係製作而具有與該正型母版相反的表面形貌。正型母版可藉由直接機械加工技術(諸如鑽石切削)來製作，其揭示於美國專利第5,152,917號(Pieper等人)及第6,076,248號(Hoopman等人)中，其等之揭露係以引用方式併入本文中。這些技術係進一步描述於美國專利第6,021,559號(Smith)中，其揭露係以引用方式併入本文中。

模具(包括例如熱塑性塑膠)可藉由複製金屬母版工具來製作。可選地可將熱塑性片材材料連同金屬母版加熱，使得熱塑性材料係藉由將兩個表面壓在一起而以金屬母版所呈現的表面圖案來壓紋。熱塑性材料亦可係擠製或澆注至金屬母版上，並且接著壓製。生產工具及金屬母版的其他合適方法係論述於美國專利第5,435,816號(Spurgeon等人)中，其係以引用方式併入本文中。

在一些實施例中，為了形成磨料元件，坯體陶瓷元件係從模具移除並經加熱以使無機粒子燒結。在一些實施例中，坯體陶瓷元件係在黏合劑及碳源熱解步驟期間於約300與約900℃的溫度範圍內的氧氣不足氣氛中加熱。在一些實施例中，坯體陶瓷元件在約1900至約2300℃之間之氧氣不足氣氛中燒結以形成磨料元件。在一些實施 例中，接著可清潔該等磨料元件，接著可選地沉積上述塗層之任一者至磨料元件上。

在一些實施例中，本揭露之磨料物品(其亦可稱為拋光墊修整器或墊修整器)可用於習知化學機械平坦化(CMP)程序中。在此類習知CMP程序中，各種材料可經拋光或平坦化，包括但不限於：銅、銅合金、鋁、鉭、氮化鉭、鎢、鈦、氮化鈦、鎳、鎳鐵合金、鎳矽化物、鍺、矽、氮化矽、碳化矽、二氧化矽、矽氧化物、氧化鉿、具有低介電常數之材料、及其組合。在一些實施例中，藉由本揭露之磨料物品修整之拋光墊(或至少該等拋光墊之工作表面)可包括熱塑性塑膠、熱塑性彈性體(thermoplastic elastomer,TPE)(例如基於嵌段共聚物的TPE)、或熱固物(例如彈性體)、及其組合。在一些實施例中，拋光墊(或至少拋光墊之工作表面)可包括聚胺甲酸酯、聚醯胺、聚丁二烯、或聚烯烴，或由聚胺甲酸酯、聚醯胺、聚丁二烯、或聚烯烴形成，諸如用於基材平坦化的市售拋光墊中常見者。在一些實施例中，拋光層之工作表面之硬度可大於約20蕭氏D、大於約30蕭氏D、或大於約40蕭氏D；小於約90蕭氏D、小於約80蕭氏D、或小於約70蕭氏D；在20與90蕭氏D之間、在30與80蕭氏D之間、或在40與70蕭氏D之間。在一些實施例中，拋光層之工作表面之硬度可大於約20蕭氏A、大於約30蕭氏A、或大於約40蕭氏A；小於約95蕭氏A、小於約80蕭氏A、或小於約70蕭氏A；或在20與95蕭氏A之間、在30與80蕭氏A之間、或在40與70蕭氏A之間。

在一些實施例中，該等墊修整器可經組態以安裝至習知CMP工具上並在習知操作條件下運行。在一些實施例中，CMP程序可以在約20RPM與約150RPM之間的旋轉速度範圍、以在約1lb與約90lbs之間的施加負載範圍運行，並以每分鐘約1次與約25次掃磨之間的速率跨拋光墊來回掃磨，利用習知掃磨輪廓，諸如正弦掃磨或線性掃磨。

實施例清單

1.一種磨料物品，其包含：

複數個磨料特徵，其設置於一或多個磨料元件上，該一或多個磨料元件之各者包含具有一第一主表面之一基底，該複數個磨料特徵自該第一主表面延伸；

其中一第一組之該複數個磨料特徵(i)具有一平均高度H_1avg、(ii)具有小於10%的H_1avg之一標準偏差、及(iii)包含在5與130個之間的磨料特徵。

2.如實施例1之磨料物品，其中一第二組之該複數個磨料特徵具有(i)一平均高度H_2avg、及(ii)小於10%的H_2avg之一標準偏差，其中H_1avg大於H_2avg至少5微米。

3.如實施例2之磨料物品，其中該第二組之該複數個磨料特徵包含至少100個磨料特徵。

4.如實施例2至3中任一者之磨料物品，其中(i)取在平行於該等基底之該第一主表面的一平面中，及(ii)在沿著50%或更少之 H_2avg的該第二組之磨料特徵的一位置處的該第二組之磨料特徵之該等特徵之各者的該等截面積累積地係該一或多個磨料元件之該之該等累積投影面積的至少5%。

5.如前述實施例中任一者之磨料物品，該第一組之磨料特徵之該等特徵及其等各別磨料元件基底作為集體係單塊的。

6.如前述實施例中任一者之磨料物品，其中該第一組之磨料特徵係精確定形狀的特徵。

7.如前述實施例中任一者之磨料物品，其中該第一組之磨料特徵之面密度係在0.01至0.30/cm²之間。

8.如實施例2至7中任一者之磨料物品，其中該第二組之磨料特徵之面密度係在0.2至33.0/cm²之間。

9.如前述實施例中任一者之磨料物品，其中該等磨料元件包含一碳化物陶瓷。

10.如實施例9之磨料物品，其中碳化物陶瓷係碳化矽、碳化硼、碳化鋯、碳化鈦、碳化鎢、或其組合。

11.如前述實施例中任一者之磨料物品，其中以該基底及該等磨料特徵之總重量計，該等磨料元件係至少99重量%之碳化矽。

12.如前述實施例中任一者之磨料物品，其中該等磨料元件之孔隙度小於約3%。

13.如前述實施例中任一者之磨料物品，其進一步包含設置於該等磨料特徵上的一化學氣相沉積或物理氣相沉積塗層。

14.如前述實施例中任一者之磨料物品，其進一步包含具有一第一主表面之一載板；其中該一或多個磨料元件係耦合至該載板之該第一主表面。

15.一種修整一拋光墊之方法，該方法包含：

使用一拋光墊執行一CMP操作；

使該拋光墊之一工作表面與如實施例1至14中任一者之磨料物品之一工作表面接觸。

實例

本揭露在以下實例中被更具體地描述，該等實例只意圖作為說明，因為在本揭露範圍內的許多改變和變化對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將是顯而易見的。除非另外註明，否則以下實例中所報告之所有份數、百分比、及比率均以重量計。

測試方法

特徵高度測量測試方法

各磨料元件上之精確定形狀的磨料特徵之特徵高度係使用Bruker Contour GT 3D光學剖面儀測量，其與MOUNTAINSMAP Universal V6.1影像分析軟體(Digital Surf,Besançon,France)結合。光學剖面儀放大率(5X×0.55X)及掃描速度設定(5X)經調整以提供足夠的解析度以準確定位該等特徵尖端並準確測量各者之高度。對於一磨料元件，選擇所有具有相同最大設計特徵高度D₀的特徵群組，並且 其等之峰高度之各者係相對於其等之局部路徑線的鞍點測量。峰高度、路徑線、及鞍點係由MOUNTAINSMAP Universal V6.1分水嶺演算法定義。

檯面式摩擦計CMP墊磨損率及墊表面粗糙度測試方法

墊磨損率與墊表面粗糙度測量係在以磨料物品(下文所述)修整的墊上進行，其係使用可購自Center for Tribology,Inc.(現透過Bruker corporation購得)之CP4微摩擦計檯面式摩潤拋光工具結合3D光學剖面儀及先前在特徵高度測量測試方法中所述之軟體分析工具。使用兩種不同CMP墊類型以放大墊磨損率或墊表面光度之任一者。所有的磨料物品實例及比較例均在相對硬但易於修整的墊上運行，以放大墊磨損率的結果。該等墊可以商標名稱9006FPJ零件編號CMP9006FPJ購自JSR Micro,Inc,Sunnyvale,CA。第二工業標準硬墊係用以收集用於實例1、2、4、6、及8及比較例A至G的表面粗糙度值。此等墊可以商標名稱Dow IC1010材料編號10261135購自The Dow Chemical Company,Midland MI。如所接收之墊係模切成直徑9吋(23cm)直徑並安裝至CP4的台板。磨料物品(例如本揭露之實例或比較例)係使用用於墊修整器的通用3螺旋安裝組態安裝至CP4的轉軸。轉軸係向下移動(向上及向下運動視為在z方向)，使得磨料物品與墊接觸並以6lbs(6.7kg)的向下力維持，同時修整器轉軸以29rpm之速度旋轉並且墊轉軸以61rpm之速度旋轉達測試的持續時間。修整器轉軸將以每分鐘10個循環的速率從55mm掃磨至69mm 並返回。一般試驗持續30分鐘，其中第一個五分鐘視為磨合(break-in)期間。該摩擦計追蹤經安裝的磨料物品隨時間而變動之垂直位置。磨料物品在測試時間期間中之高度變化產出墊磨損率。z高度位置隨時間之最佳擬合線的斜率(排除測試的第一個5分鐘(磨合期間))係定義為個別的墊磨損率。測量各磨料物品至少三次，且不大於6次，並記述墊磨損率為個別測試結果之平均。在墊磨損率測試已得到結論之後，直徑9吋(23cm)台板係自摩擦計移除。3D光學剖面儀掃描係在與墊中心0.5吋(1.3cm)、2.25(5.7cm)吋、及3.0吋(7.6cm)距離的位置處之經修整的墊之2mm乘4mm區域中進行。MOUNTAINSMAP軟體係用以獲得此等不同墊位置的平均表面粗糙度(Ra)，且三個位置的平均粗糙度值係記述為表面粗糙度。

CMP工具墊磨損率及墊表面粗糙度測試方法

測量係在Applied Materials 200mm REFLEXION拋光工具上修整的墊上進行。修整循環係以6lbs(2.7kg)的向下力運行，其中修整器速度87rpm且墊速度93rpm。修整器臂掃磨配方具有1.00吋(2.5cm)之開始位置及12.75吋(32.4cm)之結束位置。掃磨係劃分成分別具有以下相對留置時間的13個區：1.20、1.10、1.00、1.00、1.00、1.00、1.00、1.00、1.00、1.00、1.00、1.20、及1.55。循環時間係每分鐘13次掃磨。墊磨損率係藉由使用雷射測面儀以測量在自墊中心3吋(7.6cm)與14吋(35.6cm)之間的初始墊表面上之每個溝槽深度來判定。初始墊溝槽深度係界定為位於3(7.6cm)吋與14吋 (35.6cm)距離之間的所有溝槽之深度的平均值。在該墊已經研磨達一小時之後，初始平均墊溝槽深度係跨相同長度與墊的平均溝槽深度比較。平均溝槽深度的差除以測試時間係記述為墊磨損率。為了判定墊之表面粗糙度，接觸式測面儀係用以測量與最近修整之墊中心距離2吋(5.1cm)、4吋(10.2cm)、6吋(15.2cm)、8吋(20.3cm)、10吋(25.4(cm)、12吋(30.5cm)、及14吋(35.6cm)處的Ra。Ra係記述為此等7個位置之平均。

實例及比較例(Comparative Example,CE)

二十四個磨料元件設計係如美國專利第9,956,664號實例10中所述般製備，差異僅在於如表1所述之磨料特徵幾何。美國專利第9,956,664號係以引用方式全文併入本文中。各磨料元件具有精確定形狀之特徵，該等特徵具有至少一個主要特徵高度，該至少一個主要特徵高度係高於及偏移於次要級特徵或在該等特徵之間的平坦基底區域。五個磨料元件係針對各實例及比較例製備，並組裝成磨料物品。組裝程序經開發使得所有具有相同設計特徵高度的各元件上最高、精確定形狀之特徵將變成平面的。平面藍寶石表面係使用作為對準板。該等區段係置於對準板上，使得具有精確定形狀的特徵之主表面係與對準板(面向下)直接接觸，其中其等之第二平坦主表面面朝上。該等磨料元件以圓形圖案配置，使得其等之中心點係沿著具有半徑約1.75吋(44.5mm)之圓的圓周定位，並且圍繞該圓周相等地以約72°間隔開。接著，緊固元件係施加至中心區域中之磨料元件之暴露表 面。該緊固元件係可以商標名稱3M SCOTCH-WELD EPOXY ADHESIVE DP420購自3M Company,St.Paul,Minnesota的環氧黏著劑。接著，具有直徑4.25吋(108mm)及厚度0.22吋(5.64mm)的圓形不鏽鋼載體係面向下置於緊固元件的頂部上(該載體背側經機械加工，使得其可係附接至REFLEXION拋光器的載臂)。10lb(4.54kg)的負載係跨載體的暴露表面均勻地施加，且黏著劑係允許在室溫下固化約4小時。在一些情況中，若在磨料元件上僅有1或2個主要磨料特徵，則將小孔具體定位地放入藍寶石對準板中，以允許主要磨料特徵不與藍寶石表面接觸並且次要磨料特徵接觸藍寶石表面，以維持不同元件磨料表面中的平面性。主要與次要磨料特徵之間的偏移高度係定義為主要特徵與次要特徵之間的高度差，或者若沒有次要特徵存在，則係定義為主要特徵與基底區域之間的高度差。高寬比係定義為特徵高度除以其基底寬度。主要特徵的截斷深度(truncation depth)係藉由理論峰將自其形成之深度(若角錐體之側將係允許收斂至一點)定義。主要特徵高度係如在特徵高度測量測試方法中所述般測量。主要特徵數目係在完全構成的磨料物品(包括全部5個元件)上發現的主要特徵數目。該等特徵之面密度係定義為每元件的主要特徵數目除以磨料物品表面之面積。磨料物品之表面係定義為磨料物品之一或多個磨料元件之總工作表面或磨料元件可係附接至其的載板之第一主表面之表面積(視何者較大)。比較例1、2、及4至7係六角形基底角錐體。比較例3、8、9、及實例1至15均係矩形或正方形基底角錐體。該等角錐體係以矩形柵格圖案配置，例如見圖3A及圖3B。

使用檯面式摩擦計CMP墊磨損率及墊表面粗糙度測試方法，墊磨損率及墊表面粗糙度係針對實例1至15及比較例1至9判定(表2)。結果顯示隨著元件上的磨料特徵數目或面密度減小，磨料物品之墊磨損率連同其表面粗糙度增加(參見圖4)。此在磨料產業中係眾所周知且已記錄的關係。然而，隨著每磨料物品之尖端數目及面密度減少至超低面密度區域(低於26個特徵/元件或0.24個特徵 /mm²)，此關係反轉，並且墊磨損率開始減少。再者，在此點處，表面粗糙度不再相關於主要特徵的特徵計數及面密度，且現在係相關於主要特徵與次要特徵之間的偏移高度。

使用實例之CMP工具測試

使用CMP工具墊磨損率及墊表面粗糙度測試方法，墊磨損率及墊表面粗糙度(在工業標準硬墊(Dow IC1010)上)係針對表 3中所指示之實例及比較例來判定。結果顯示於表3中。此資料給出類似於檯面式摩擦計資料的結果。

10:磨料物品

15:載體元件/載板

15A:主表面/載體元件

20:磨料元件

Claims (8)

1. 一種磨料物品，其包含：複數個磨料特徵，其設置於一或多個磨料元件上，該一或多個磨料元件之各者包含具有第一主表面之基底，該複數個磨料特徵自該第一主表面延伸；其中第一組之該複數個磨料特徵(i)具有平均高度H_1avg、(ii)具有小於10%的H_1avg之標準偏差、且(iii)包含在5與130個之間的磨料特徵；其中第二組之該複數個磨料特徵具有(i)平均高度H_2avg、及(ii)小於10%之H_2avg的標準偏差，其中H_1avg大於H_2avg至少5微米；其中(i)取在平行於該等基底之該第一主表面的平面中，及(ii)在沿著50%或更少之H_2avg的該第二組之磨料特徵的位置處的該第二組之該複數個磨料特徵之複數個特徵之各者的截面積累積地係該一或多個磨料元件之該等累積投影面積的至少5%。
2. 如請求項1之磨料物品，其中該第二組之該複數個磨料特徵包含至少100個磨料特徵。
3. 如請求項1之磨料物品，該第一組之磨料特徵之該等特徵及其等各別磨料元件基底作為集體係單塊的。
4. 如請求項1之磨料物品，其中該第一組之磨料特徵係精確定形狀的特徵。
5. 如請求項1之磨料物品，其中該等磨料元件包含碳化物陶瓷。
6. 如請求項1之磨料物品，其中該等磨料元件之孔隙度小於約3%。
7. 如請求項1之磨料物品，其進一步包含設置於該等磨料特徵上的 化學氣相沉積或物理氣相沉積塗層。
8. 一種修整拋光墊之方法，該方法包含：使用拋光墊執行CMP操作；及使該拋光墊之工作表面與如請求項1之磨料物品之工作表面接觸。