CMP抛光垫修整:耐用、高效的金刚石修整盘长啥样?

发布时间 | 2024-08-01 13:44 分类 | 粉体应用技术 点击量 | 606
磨料 金刚石
导读:金刚石具有耐腐蚀、硬度大的特点,是CMP抛光修整盘的绝佳材料。随着化学机械抛光技术的不断发展,对金刚石修整器的性能提出了更高的要求,不仅需要提升金刚石与基体的粘结强度,优化基体材料,...

CMP抛光垫是采用化学研磨抛光工艺技术的关键核心材料,为了有助于持续输送新鲜浆料到晶圆和抛光垫接触区域,并能够携带并排除研磨产生的碎屑,抛光垫表面往往设计有各种纹路。不过,由于抛光过程中材料施加的摩擦力和法向压力,抛光垫发生表面磨损和基体压缩,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,因此,当抛光垫的磨损达到一定程度时,需要使用金刚石修整器对抛光垫进行修整,恢复抛光垫的原始纹理。

抛光垫的磨损过程

抛光垫的磨损过程

金刚石修整器有什么优点?

3M金刚石修整盘

3M金刚石修整盘

金刚石修整器有两大突出特点,一是高硬度,二是耐腐蚀。

硬度高:在实际研磨抛光作业时,要对抛光垫修整时有较好的机械磨切效果,就要求具有较高的硬度。金刚石作为自然界中最硬的物质,有效地去除抛光垫表面的磨损层和填充物,恢复抛光垫的原始纹理和粗糙度,以保证材料抛光的质量与效率,同时也能确保自身长期在高强度状态下使用也不易磨损,延长了修整器的使用寿命。

耐腐蚀:为了提供合适的抛光环境,抛光液往往会有一定酸碱腐蚀性,而金刚石具有良好的化学稳定性,在CMP过程中不易与其他化学物质反应,除了保证自身不被腐蚀,延长使用寿命外,也不会对抛光液或抛光垫造成污染,确保了抛光过程的纯净性和稳定性。

如何提升金刚石修整器的修整性能?

金刚石修整器多采用金属基体,通过高温钎焊等技术将金刚石磨粒与基体结合而成,其金刚石本身尺寸、排列方式、与基体材料的粘结方式及基体材料对修整效果有重要影响。

1、金刚石尺寸

不同的金刚石尺寸对修正效果有着明显影响。较大尺寸的金刚石,能够更快地去除砂轮表面的材料,修整速率快,但所获得的抛光垫表面粗糙度大,表面凹坑多,容易产生划痕等缺陷,导致抛光效果不理想。而小尺寸金刚石能够在抛光垫表面形成更精细的表面,但修正效率低,且尺寸过小时,难以去除抛光垫表面的釉化层。

2、金刚石排列方式

当金刚石处于随机排列状态时,在金刚石密集堆积区,基体对金刚石把持力不够,容易自行脱落,同时利用其对抛光垫进行修整时,由于动静态摩擦系数大,容易产生抛光垫的过度磨损,导致抛光垫使用寿命的降低。而在金刚石较为稀疏的地方,单颗粒金刚石承受工作载荷大,金刚石颗粒易受冲击力破碎而脱落,同样导致工具的过早失效。

无序排列金刚石

无序排列金刚石

有序排列金刚石工具由于金刚石按照设计排列,单颗金刚石的受力均匀,每颗都可被有效利用,且金刚石之间没有偏析,使得表面刮痕等缺陷减少,使用寿命大幅提高的同时,也能在修整时更易在抛光垫表面形成沟槽,有利于容纳、清除加工残余物质以及抛光液的快速输送和均匀分布,从而改善了抛光效果。目前经常使用的均匀排列方式有矩阵式排列和同心圆排列。

有序排列金刚石

有序排列金刚石

3、金刚石与基体的粘结方式

金刚石修整器主要通过烧结、电镀、钎焊三种技术实现金刚石与基体材料的粘结。

烧结法是直接将金刚石、粘结剂、基体等混合压制后烧结成型,结构为多层金刚石。即可以实现金刚石颗粒与基体粉末的紧密结合,也具有自锐性,因此使用寿命长。不过,金刚石为随机分布状态,每一层金刚石的露出度不一致,导致有效利用率并不高,修整效率低。

电镀镍(EP)是当前金刚石修整盘采用的主要粘结方式,是利用镍以“机械包镶”的形式固定的金刚石颗粒,可实现金刚石的有序排列,且露出率很高,因此修整效率高。不过, 在修整过程中,容易造成金刚石颗粒的自由脱落,影响修整器的使用寿命。

钎焊法是利用高活性钎料使金刚石颗粒与胎体之间依靠化学冶金的原理来粘结的一种新型粘结方式。由于发生化学冶金后钎料很薄,大部分金刚石裸露在外,因此修整效率也非常高,同时相比电镀法,粘结力显著增强,修整器寿命也显著提升。

钎焊法原理

钎焊法原理

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4、金属基体

CMP抛光液通常具有一定腐蚀性,对于基体材料就要求具有很强的抵抗化学腐蚀的能力。目前大多数金刚石修整器多采用金属基体,并不具备抗腐蚀能力。随着胎体材料的腐蚀,金刚石颗粒脱落胎体,不仅会影响修整效果,缩短了修整器的使用寿命,还会给严重影响抛光效果。因此为了增强金刚石修整器的抗腐蚀能力,需要进一步开发新的修整盘基材,如陶瓷材料等,不过其与金刚石的粘结方式通常采用烧结法。

小结

金刚石具有耐腐蚀、硬度大的特点,是CMP抛光修整盘的绝佳材料。随着化学机械抛光技术的不断发展,对金刚石修整器的性能提出了更高的要求,不仅需要提升金刚石与基体的粘结强度,优化基体材料,提升使用寿命,还需要提升修整效率。为了充分发挥金刚石修整器的修整性能,需要研究金刚石本身尺寸、排列方式、与基体材料的粘结方式及基体材料的影响。除此之外,修整过程中还应考虑修整压力、转速、温度、密度等工艺参数对修正效果的影响。

 

参考文献:

1、胡伟,魏昕,谢小柱,等.化学机械抛光中抛光垫修整的作用及规律研究[J].金刚石与磨料磨具工程.

2、徐良,吴震宇,刘一波,等.有序排列金刚石工具发展现状及制备工艺[J].钻探工程.

3、姜荣超.金刚石均匀分布/有序排列是改善金刚石工具性能的有效途径

 

粉体圈整理

作者:粉体圈

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