一种基于簇状单元的钎焊金刚石修整器的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于簇状单元的钎焊金刚石修整器，属于半导体制造领域，具体为一种应用于半导体制造领域中化学机械抛光工序(chemicalmechanical planarization，cmp)所用的修整器，可对工序中所用的抛光垫进行修整。


背景技术：

2.化学机械抛光(chemical mechanical planarization，cmp)是目前半导体晶片表面平坦化的关键工艺。在化学机械抛光工艺中，抛光垫将抛光液稳定而均匀地输送至晶片与抛光垫之间，在化学蚀刻与机械磨削两者相互作用下，将芯片上凸出的沉积层去除。为了提高化学机械抛光效率以及保持抛光效率的稳定性，抛光垫需要在线实时清洁，移除化学机械抛光的副产物，以保证抛光液分布均匀，恢复抛光垫粗糙面状态，这样才能够稳定作业而不受所去除的材料的堆积影响。
3.抛光垫的在线实时清洁就用到了修整器。目前主流的修整器是利用金刚石固着在钢基体上进行制备，通过电镀、钎焊等工艺装金刚石颗粒固定在钢基体上，利用金刚石的锋利刃口对抛光垫进行修整。
4.经过多年的改进与更新，市面上常用的金刚石修整器(diamond dresser)为金刚石钎焊工艺制备，即将人造金刚石通过真空钎焊的工艺焊接在钢基体表面，并可以排布一定的形貌，来达到不同的磨削特点。
5.但钎焊金刚石修整器的等高性受金刚石颗粒的差异以及晶型的影响，会产生大约5％～10％以上的高度性误差，有效参与加工的金刚石磨粒数波动大，影响加工的稳定性。等高性差时，前期修整效率高，后期效率会迅速降低；等高性佳时，修整器修整效率前后期的稳定性好，但若此时金刚石颗粒间距小、出露高度低，极易造成整体修整效率低，不利于化学机械抛光加工硅片效率提高。采用聚晶金刚石焊接在基体盘面上来进行加工，每颗聚晶金刚石的晶向与高度通过修磨达到一致，虽然刃口数量小于常规钎焊金刚石修整盘，但颗粒一致性高，顶尖修整稳定性佳，且颗粒大，出露高，仍然可以达到比较好的修整效率与寿命。但由于聚晶金刚石颗粒制造成本、精密修整成本以及修整器整体制造成本较高，应用受到一定局限，目前多应用于工艺制程短、精密要求较高的硅片加工领域。
6.若采用常规的大颗粒的金刚石焊接来实现pcd修整盘的效果，金刚石的顶尖形状控制、高度一致性、焊接一致性均存在较大的问题，且应用的金刚石颗粒度越大，成本越高，不利于控制修整器的性价比。
7.另外有专利涉及了一种团簇金刚石修整器(cn102049737a-抛光垫修整器)，这种修整器出露的高度不高，且为平面区域内数颗金刚石聚集形成，在形成高排屑空间与高锋利度方面相对具有一定局限性。


技术实现要素：

8.针对现有钎焊金刚石修整器修整抛光垫时修整效率不稳定，且与高效率难以兼顾
的问题，本实用新型创造性地发明了一种基于簇状单元的新型钎焊金刚石修整器。
9.本实用新型提供了一种基于簇状单元的钎焊金刚石修整器，包括：
10.一个钢基体，其设有一个工作面；
11.焊接于钢基体工作面上的一层合金焊料层；
12.以及若干个簇状单元，簇状单元尖簇朝上，底部固着于合金焊料层上，簇状单元通过合金焊料层钎焊在钢基体的工作面上；
13.所述簇状单元顶端为圆弧凹面，用以支撑金刚石颗粒，所匹配的金刚石粒径小于凹面直径；每个簇状单元顶端焊接一颗金刚石颗粒，金刚石颗粒尖端朝上，底部嵌入凹面内的合金焊料层中，金刚石颗粒顶端距钢基体表面高度一致。
14.所述簇状单元在基体表面的分布形貌沿中心轴对称，其在基体表面连续分布或间隔分布；所述簇状单元分布形貌为点阵式、同心环状、放射状或螺旋线形。
15.所述修整器的钢基体为钢质品，采用40cr、45钢、q235钢或304不锈钢材质的钢基体，特别地可以选择304不锈钢系列。
16.所述簇状单元优选形状为棱锥体或圆锥体，簇状单元底面为正多边形或圆形，所述正多边形优选正三角形、正四边形、正五边形或正六边形。由于簇状单元凹面的存在，金刚石颗粒可以一定程度的接触至簇状单元顶端凹面，根据粒径尺寸的关系，焊后金刚石可以被凹面内焊接把持，且凹面的边缘也提供了一定的把持效果。由于金刚石颗粒存在一定的粒度差异，大粒度的被焊料把持得多，小粒度地被把持得少，但都满足金刚石颗粒嵌入焊料的高度为金刚石颗粒粒径的 30％～50％的条件，且金刚石会进入凹面，提高了把持效果。这样可以保证金刚石顶端为齐平。
17.所述簇状单元的底面直径为0.6mm～5mm，簇状单元高度为0.3～7mm，所述簇状单元的棱边或母线与水平面夹角30～75度之间。
18.所述簇状单元可通过粉末冶金烧结、注塑烧结、3d激光打印烧结工艺制备，也可以通过机加工工艺制备，由为钢、不锈钢等材料制备。
19.所述金刚石采用天然金刚石或人造金刚石，进一步的，所述金刚石为单晶金刚石或聚晶金刚石；金刚石以正八面体或近似正八面体为最佳，也可以选用六面体-八面体聚形。
20.所述金刚石颗粒粒径在0.4～3mm之间，应用在同一个修整器上的金刚石，粒径差不大于15％。
21.所述合金焊料层采用镍基合金焊料层，选用的镍基合金焊料粒度不能过大，亦不能过小，过大，镍基合金颗粒粒度在30目～120目之间，其中最大颗粒粒度与金刚石粒径比不大于1：3。
22.本实用新型所述一种基于簇状单元的钎焊金刚石修整器，基体表面簇状单元按一定形貌分布，每颗簇状单元均能被牢固地钎焊在钢基体表面，每个排布后的簇状单元顶端钎焊一颗金刚石，利用金刚石对cmp抛光垫进行修整，达到高效、稳定的目的。由于簇状单元尖簇朝上，排屑空间大，废料与切削液不会堵塞磨削区，锋利度高，金刚石顶端焊后高度基本一致，使用时，金刚石受力分布均匀，磨损稳定，使用寿命长且效率稳定。在化学机械抛光修整领域可以得到广泛的应用，具有较高的性价比与经济效益。
附图说明
23.图1为本实用新型所述钎焊金刚石修整器的结构示意图。
24.图2为本实用新型所述钎焊金刚石修整器中簇状单元与金刚石颗粒钎焊局部示意图。
25.图3为本实用新型所述簇状单元的竖向剖面图。
26.图4为本实用新型所述簇状单元呈叶序结构排布的钎焊金刚石修整器表面形貌示意图。
27.图5为本实用新型所述簇状单元呈点阵结构排布的钎焊金刚石修整器表面形貌示意图。
28.图6为本实用新型所述簇状单元呈三角点阵结构排布的钎焊金刚石修整器表面形貌示意图。
29.图7为本实用新型所述簇状单元呈螺旋环状结构排布的钎焊金刚石修整器表面形貌示意图。
30.图1-7中各标注为：1钢基体，2合金焊料层，3簇状单元，4金刚石颗粒。
具体实施方式
31.以下通过实施例的具体实施方式再对本实用新型的上述内容作进一步的详细说明，但不仅限于以下的实施例。本实用新型包含上述技术思想下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本实用新型的范围内。
32.本实用新型提供了一种基于簇状单元的钎焊金刚石修整器，包括：
33.一个钢基体1，其设有至少一个工作面；
34.焊接于钢基体1工作面上的一层合金焊料层2；
35.以及若干个簇状单元3，簇状单元尖簇朝上，底部固着于合金焊料层上，簇状单元通过合金焊料层钎焊在钢基体的工作面上；
36.所述簇状单元顶端为圆弧凹面，用以支撑金刚石颗粒4，所匹配的金刚石粒径小于凹面直径；每个簇状单元顶端焊接一颗金刚石颗粒4，金刚石颗粒尖端朝上，金刚石颗粒顶端焊后出露高度一致。
37.所述簇状单元3在基体1表面的分布形貌沿中心轴对称，其在基体表面连续分布或间隔分布；所述簇状单元分布形貌为点阵式、同心环状、放射状或螺旋线形。图4～图7依次为簇状单元呈叶序、点阵、三角点阵及螺旋环状结构排布的钎焊金刚石修整器表面形貌示意图。
38.所述修整器的钢基体1采用40cr、45钢、q235钢或304不锈钢材质的钢基体。
39.所述簇状单元优选形状为棱锥体或圆锥体，簇状单元底面为正多边形或圆形，所述正多边形优选正三角形、正四边形、正五边形或正六边形。由于簇状单元凹面的存在，金刚石颗粒可以一定程度的接触至簇状单元顶端凹面，根据粒径尺寸的关系，焊后金刚石可以被凹面内焊接把持，且凹面的边缘也提供了一定的把持效果。由于金刚石颗粒存在一定的粒度差异，大粒度的被焊料把持得多，小粒度地被把持得少，但都满足金刚石颗粒30％以上被焊料把持的条件，且金刚石会进入凹面，提高了把持效果。这样可以保证金刚石顶端为齐平。
40.所述簇状单元的底面直径为0.6mm～5mm，簇状单元高度为0.3～7mm；当簇状单元为棱锥体时，棱边与水平面夹角30～75度之间。
41.所述簇状单元可通过粉末冶金烧结、注塑烧结、3d激光打印烧结工艺制备，也可以通过机加工工艺制备，由为钢、不锈钢等材料制备。
42.每颗簇状单元均能被牢固地钎焊在钢基体表面，并且按一定形状排布，在排布后的簇状单元顶端，被焊接一颗金刚石，金刚石不仅被牢固焊接在簇状单元顶端，而且其顶端距底面的高度基本一致，保持了等高出露，利用被焊接的金刚石实现对cmp抛光垫的高效、稳定修整。
43.所述金刚石采用天然金刚石或人造金刚石，进一步的，所述金刚石为单晶金刚石或聚晶金刚石；金刚石以正八面体或近似正八面体为最佳，也可以选用六面体-八面体聚形。
44.所述金刚石颗粒粒径在0.4～3mm之间，应用在同一个修整器上的金刚石，粒径差不大于15％。
45.所述合金焊料层采用镍基合金焊料层，选用的镍基合金焊料粒度不能过大，亦不能过小，过大，镍基合金颗粒粒度在30目～120目之间，其中最大颗粒粒度与金刚石粒径比不大于1：3。
46.实施例1
47.一种基于簇状单元的钎焊金刚石修整器，包括
48.一个刚基体，其设有至少一个工作面；
49.焊接于钢基体工作面上的一层合金焊料层；
50.以及若干个簇状单元，簇状单元尖簇朝上，底部固着于合金焊料层上，簇状单元通过合金焊料层钎焊在刚基体的工作面上；
51.所述簇状单元顶端为圆弧凹面，用以支撑金刚石颗粒，所匹配的金刚石粒径小于凹面直径；每个簇状单元顶端焊接一颗金刚石颗粒，金刚石颗粒尖端朝上，金刚石颗粒顶端焊后一致。
52.所述修整器为修整器丸片，用以组合式的修整蓝宝石的化学机械抛光垫，修整器外径20mm，高度7.3mm；
53.该修整器的钢基体采用304不锈钢机加工制备，整体尺寸精度控制在 0.02mm以内；簇状单元采用圆锥体结构，底面直径2.5mm，圆锥侧面与水平面夹角60度，顶端直径1.2mm，中心圆弧凹陷；
54.所述金刚石为人造金刚石，选用18/20目大颗粒高品级单晶金刚石；
55.所述簇状单元在基体表面采用螺旋环状排布，如图7所示；
56.所述合金焊料层为镍基合金焊料层，镍基合金焊料选择牌号bni2合金焊料，粒度40目～60目。
57.实施例2
58.一种基于簇状单元的钎焊金刚石修整器，包括
59.一个刚基体，其设有至少一个工作面；
60.焊接于钢基体工作面上的一层合金焊料层；
61.以及若干个簇状单元，簇状单元尖簇朝上，底部固着于合金焊料层上，簇状单元通
过合金焊料层钎焊在刚基体的工作面上；
62.所述簇状单元顶端为圆弧凹面，用以支撑金刚石颗粒，所匹配的金刚石粒径小于凹面直径；每个簇状单元顶端焊接一颗金刚石颗粒，金刚石颗粒尖端朝上，金刚石颗粒顶端焊后一致。
63.所述修整器为盘形修整器，用以修整硅片晶圆的化学机械抛光垫，修整器外径110mm，内孔65mm，厚度3.6mm；
64.该修整器钢基体采用304不锈钢机加工制备，整体尺寸精度控制在0.02mm 以内；簇状单元采用圆锥体结构，底面直径2.0mm，圆锥侧面与水平面夹角45 度，顶端直径1.0mm，中心圆弧凹陷。
65.所述金刚石为人造金刚石，选用30目颗粒高品级单晶；
66.所述簇状单元在基体表面采用阵列均匀排布，如图5所示；
67.所述合金焊料层为镍基合金焊料层，镍基合金焊料选择牌号bni2合金焊料，粒度60目～80目。