作为目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的抛光技术，化学机械抛光（CMP）能够实现抛光过程的高度可控和纳米级的平整度，为精准、高质量的微电子器件制造提供了可靠的技术支持。随着对晶圆精度要求的不断提高，抛光垫等CMP材料也磨损得更加迅速。以28纳米制程为例，为了达到最佳的性能和稳定性，芯片制造过程中需要多达12次的抛光步骤。而在10纳米制程下，抛光次数甚至增加到30次。

CMP抛光垫的材质主要是聚氨酯材料，经过磨损后表面逐步变得光滑，并形成一层釉面，而且抛光垫表面用于分布抛光液和排除废液的沟槽也逐渐被抛光残留物和抛光粉颗粒填满，导致抛光垫储存、运输磨料能力降低，影响抛光材料去除率和抛光产品表面质量。为了维持抛光垫表面一定的粗糙状态，延缓抛光垫的更换频率，引入了钻石碟(钻石修整盘)的概念。

聚氨酯抛光垫微观结构图

什么是钻石碟？

钻石碟是一种用于CMP抛光时修整抛光垫的工具，它以一个直径为 100-108mm 的圆盘为基体，上面均匀分布了数十万颗微小金刚石颗粒。这些金刚石颗粒在抛光过程中能够切削和去除抛光垫表面的不均匀性、釉化层、堆积物等，从而实现抛光垫表面的平整和细微结构的调整。

由于CMP工艺是同时结合了化学抛光和机械抛光两种手段的精密加工技术，这两个过程都对抛光垫修整盘提出了极高的要求。而金刚石中每个碳原子与其四个邻近碳原子共享电子，电子互相排斥，使得共价键之间以非常稳定的角度(约为109.28°)连接碳原子，因此金刚石的结构和性质都十分稳定，以金刚石为材料制成的钻石碟也具有其他材料无法比拟的优点：

（1）高硬度和高耐磨性：CMP的机械过程主要涉及机械摩擦作用，通过抛光垫的旋转运动以及抛光压力，对被抛光材料进行机械性的切削和去除。金刚石是地球上最硬的材料之一，莫氏硬度为10，具有出色的硬度和耐磨性。金刚石修整盘能够利用机械作用，有效地切削和去除抛光垫表面的堆积物和釉化层，恢复抛光垫的粗糙状态，并在与抛光垫表面的接触中保持稳定性并耐久使用。

（2）化学惰性（耐腐蚀）：CMP化学过程会使用含有特定化学成分的抛光液，这些成分具有一定的腐蚀性，会与待抛光材料发生化学反应，使材料在分子水平上被溶解或转化。由于金刚石在大多数常见的化学环境中都是惰性的，即不容易与其他元素或化合物发生反应。即使在抛光过程使用强腐蚀性的抛光液，这种化学惰性也能使金刚石都能保持稳定，不容易受到腐蚀或氧化。

钻石碟的生产技术

金刚石稳定的结构性质为修整抛光垫提供了绝佳的材料，然而其极高的硬度也使得钻石碟的生产、加工带来了一定的挑战。目前，钻石碟与其他以金刚石为材料制成的刀片、磨具、钻头等金刚石工具一样，主要有烧结、电镀、钎焊三种技术。

1.烧结

烧结是利用粉末冶金的方法，将金刚石、粘结剂、基体等混合压制后烧结成型。这种方法能使金刚石颗粒与基体粉末紧密结合，形成稳固的结构，金刚石不易脱落，避免划伤晶圆，保证抛光过程的顺利进行。同时烧结成型的钻石碟为多层金刚石，修整时，最外层的金刚石被磨掉后，里层的会漏出以供继续使用，直到烧结部分完全用完，因此烧结制造的钻石碟非常耐用且寿命长，但由于金刚石颗粒与金属的结合，金刚石的露出度不高，一部分金刚石可能不直接参与切削工作，影响了有效利用率，修整效率较低。

高温烧结钻石碟（来源：3M半导体）

2.电镀

电镀钻石碟的原理，其实就是电镀液和圆盘基体通电后，将金刚石颗粒堆积在预镀好的基体上，然后在电场的作用下镍会分解释放出镍原子，沉积在已经有金刚石颗粒的工件上，表面的金刚石一部分会逐渐被包镶在基体上，另一部分露在基体表面形成牢固耐磨的工作层。以这种方式生产的钻石碟，露出率很高，大部分金刚石颗粒都能参与修整过程，故修整抛光垫的效率也很高。但在实际使用过程中，由于使用条件如磨削力大小、温升、撞击等原因，仅依靠“机械包镶”形式固定的金刚石颗粒，容易与基体分离，发生“镀层脱落”现象，而且屡见不鲜，不仅使得钻石碟的寿命较低，在CMP过程中脱落的金刚石颗粒也极易损伤晶圆。

电镀金刚石表面

3.钎焊

金刚石与一般金属和合金之间具有很高的界面能，致使金刚石颗粒不能为一般低熔点合金所浸润，粘结性极差，如上述采用的电镀工艺，仅依靠“机械包镶”固定金刚石，没有形成牢固的化学键结或冶金结合，导致金刚石颗粒在工作中易与胎体金属基分离。因此，钎焊法已开始成为钻石碟制作的热点技术。钎焊技术则通过钎料的化学冶金作用将单层金刚石和基体融合成一个整体，钎料通常活性较高，会与基体和金刚石会发生反应，作为两者之间的链接材料，但具有不损伤金刚石的特性。这种方式生产的钻石碟，金刚石颗粒利用钎料与基体紧密结合，不易脱落，且反应后钎料很薄，大部分金刚石裸露在外面，约70%将参与研磨，研磨效率很高，不会堵塞。但目前钎焊技术较常用于生产单层的金刚石工具，国内的高温钎焊技术研究起步也较晚，与发达国家相比，研究的广度和深度远远不够，因而技术门槛较高。

单层钎焊钻石碟（来源：佳品金刚石）

小结

金刚石以其稳定的结构和化学性质成为了CMP抛光修整盘的绝佳材料，但金刚石极高的硬度也给钻石碟带来了巨大挑战，目前的生产工艺中，烧结工艺制成的钻石碟虽然寿命长且耐用，但金刚石的有效利用率并不高。与之相反，电镀工艺制造的钻石碟具有高的金刚石露出率和高效率，但脱落问题也较为突出。为了兼具稳定性和高效率，钎焊技术成为目前钻石碟生产的主要发展趋势，它结合了烧结和电镀工艺的优势，也为这两种工艺面临的问题提供了一个有前途的解决途径，但目前仍然存在较高的技术门槛，需要进一步的研究和开发。

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