TW202307155A

TW202307155A - 硬質基板研磨

Info

Publication number: TW202307155A
Application number: TW111121930A
Authority: TW
Inventors: 雷傑Ｋ辛吉; 桑妮迪
Original assignee: 美商恩特葛瑞斯股份有限公司
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2023-02-16
Also published as: KR20240019313A; TWI819655B; US20220396715A1; CN117561311A; WO2022266138A1; EP4355836A1; JP2024523285A

Abstract

本發明提供用於拋光諸如具有大於約6之一莫氏硬度之硬質材料之硬質材料之經改良漿液。例示性硬質表面包含藍寶石、碳化矽、氮化矽及氮化鎵及金剛石。在本發明之組合物及方法中，令人驚訝地發現包括添加劑之一唯一組合之新穎組合物在一漿液中均勻地分散具有一廣泛範圍之顆粒大小之金剛石顆粒。在本發明之方法中，本發明之一般鹼性漿液組合物能夠利用大於40微米之金剛石顆粒大小同時實現良好移除速率。在此等情況中，當與一適合墊一起利用時，以均勻表面損害對碳化矽、氮化矽、藍寶石、氮化鎵及金剛石之快速且平坦研磨係可行的。

Description

硬質基板研磨

本發明大體上係關於用於研磨且拋光硬質基板表面之經改良組合物及方法。

化學機械拋光或化學機械平坦化(CMP)係用於使基板平坦之一常見方法。CMP利用通常包含水、一化學添加劑及顆粒之一漿液以自基板選擇性移除材料。在習知CMP中，一基板載體或拋光頭安裝於一載體總成上且定位成與一CMP設備中之一拋光墊接觸。載體總成向基板提供一可控制壓力，從而將基板壓抵於拋光墊。墊相對於基板移動。

在諸如藍寶石、碳化矽、氮化鎵及金剛石之硬質基板之情況中，常規地施覆諸如金剛石、立方氮化硼、碳化矽及碳化硼之硬質漿液顆粒以使用一機械拋光程序(諸如磨薄及研磨)拋光此等基板。顆粒之大小通常控制移除速率，其中較大顆粒大小通常提供較高速率。然而，較大顆粒亦引起較高表面及子表面損害，使得機械拋光/研磨程序可能採用多個步驟。例如，最初，可在(若干)早期步驟中使用較大大小之顆粒，接著為在(若干)後續步驟中使用愈來愈小大小之顆粒以嘗試改良移除速率及表面精整。通常言之，在CMP程序中未使用此等大硬質顆粒，此係因為其等可在拋光程序期間引發一高程度之損害。藉由實例，藉由鋸切或切割一給定硬質表面之一大體上圓形件而製備一平坦化硬質表面材料。接著，通常使用含有直徑為大約100微米之金剛石或氮化硼顆粒之漿液組合物對基板進行研磨。通常將此等漿液組合物饋送至一金屬板(諸如鑄鐵、鋼、銅、錫等)上，同時板對硬質基板施加壓力。涉及磨薄(即，材料移除)之下一步驟接著通常涉及使用直徑為約10微米之顆粒。接著使用利用直徑為約1微米之顆粒之一拋光漿液進行硬質基板之最後拋光。

使用此等習知漿液，金剛石顆粒之不同大小分佈且尤其大金剛石顆粒之存在可導致基板材料之深表面劃痕及損害。再者，較大金剛石顆粒趨於容易沉降(即，不保持分散)，且因此難以再循環至拋光程序中。

因此，仍需要開發用於諸如藍寶石、碳化矽、氮化鎵及金剛石之硬質表面材料之經改良研磨/拋光漿液。

概括言之，本發明提供用於研磨諸如具有大於約6之一莫氏(Mohs)硬度之硬質材料之硬質材料之經改良漿液。例示性硬質表面包含藍寶石、碳化矽、氮化矽及氮化鎵及金剛石。在本發明之組合物及方法中，令人驚訝地發現包括添加劑之一唯一組合之新穎組合物在一漿液中均勻地分散具有一廣泛範圍之顆粒大小之金剛石顆粒。鑑於此高程度之分散及伴隨漿液均勻性，此品質有助於漿液組合物之再循環。在本發明之方法中，本發明之一般鹼性漿液組合物能夠利用具有大於40微米之金剛石顆粒大小同時實現良好移除速率。在此等情況中，當與一適合墊一起利用時，以均勻表面損害對碳化矽、氮化矽、藍寶石、氮化鎵及金剛石之快速且平坦研磨係可行的。另外，不同於習知漿液及方法論，本發明之組合物及方法能夠使用更大金剛石顆粒而不導致基板材料之深劃痕。

如在本說明書及隨附發明申請專利範圍中使用，單數形式「一(a/an)」及「該」包含複數指示物，除非內容另外清楚指示。如在本說明書及隨附發明申請專利範圍中使用，術語「或」通常在其包含「及/或」之意義上被採用，除非內容另外清楚指示。

術語「約」通常係指被視為與所述值等效(例如，具有相同功能或結果)之一系列數值。在許多例項中，術語「約」可包含四捨五入至最接近有效數字之數值。

使用端點表達之數值範圍包含在該範圍內納入之全部數值(例如，1至5包含1、1.5、2、2.75、3、3.80、4及5)。

在一第一態樣中，本發明提供一種組合物，其包括：水，金剛石顆粒，其等具有自約40 µm至約120 µm之一平均直徑，及一分散劑，其中該分散劑包括至少一個弱鹼及至少一個水溶性溶劑，其中該組合物具有大於約6之一pH。在本發明之組合物中，在某些實施例中，金剛石顆粒之平均直徑為約50 µm至約110 µm、約60 µm至約100 µm、約70 µm至約90 µm、約50 µm至約70 µm、約60 µm至約80 µm或約70 µm至約90 µm。金剛石顆粒可係球形或非球形的。例示性非球形形狀包含一多邊形柱形狀(諸如一三角形柱或一方形柱)、一圓柱形、其中圓柱體之中心部分比端部更膨脹之一包形、其中一圓盤之中心部分被穿透之一炸甜圈形狀、一板形、在中心部分有收縮之一所謂的繭形、其中整合複數個顆粒之一所謂的組裝型球形、在表面上具有複數個突部之一所謂的孔佩托(konpeito)型形狀、一橄欖球形及類似者，但不特別限於此。在一項實施例中，金剛石顆粒之形狀通常為球形。在一項實施例中，金剛石顆粒具有約-1至約10之一縱橫比。一般言之，金剛石顆粒將有利地具有關於目標直徑之一窄大小分佈。在一項實施例中，基於組合物之總重量，金剛石顆粒之量係約0.001至約20重量%。在另一實施例中，量係約1.5重量%。適合金剛石顆粒可作為單晶磨料通常以粉末形式商業上獲得。

本發明中利用之分散劑係一弱有機鹼及一水溶性溶劑之一組合。

例示性弱鹼包含弱有機鹼(諸如C ₂-C ₈烷醇胺)及弱無機鹼(諸如氨水(NH ₄OH))。例示性弱鹼包含氫氧化銨、單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、乙二胺、半胱胺酸、N-甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺、N,N-二異丙基氨基乙醇、甲基二乙醇胺、雙三(bis-tris)甲烷、葡甲胺(一種氨基糖)、氨基乙基乙醇胺、N-甲胺乙醇、氨基乙氧基乙醇、二甲氨基乙氧基乙醇、異丙醇胺、二異丙醇胺、氨丙基二乙醇胺、N,N-二甲基丙醇胺、N-甲基丙醇胺、1-氨基-2-丙醇、2-氨基-1-丁醇、異丁醇胺及類似者及其組合。

在某些實施例中，水溶性溶劑係乙二醇醚。例示性乙二醇醚包含：二甘醇單甲醚、三甘醇單甲醚、二甘醇單***、三甘醇單***、乙二醇單丙醚、乙二醇單丁基醚、二甘醇單丁基醚、三甘醇單丁基醚、乙二醇單己基醚、二甘醇單己基醚、乙二醇苯醚、丙二醇單甲醚、二丙二醇甲醚(DPGME)、三丙二醇甲醚(TPGME)、二丙二醇二甲醚、二丙二醇***、丙二醇正丙基醚、二丙二醇正丙基醚(DPGPE)、三丙二醇正丙基醚、丙二醇正丁基醚、二丙二醇正丁基醚、三丙二醇正丁基醚、丙二醇苯醚及其混合物。

在其他實施例中，水溶性有機溶劑係二醇及多元醇(具有3個或更多羥基部分的化合物)。

如上文提及，本發明之組合物具有大於或等於約8之一pH。在某些實施例中，pH係約8至約9、約8至約10、約9至約10或約6至約13.5。

若需要，則可利用一pH調節劑，適合pH調節劑包含有機鹼及無機鹼。出於此目的，適合鹼之實例包含：氫氧化膽鹼、四丁基氫氧化膦(TBPH)、四甲基氫氧化膦、四乙基氫氧化膦、四丙基氫氧化膦、苄基三苯基氫氧化膦、甲基三苯基氫氧化膦、乙基三苯基氫氧化膦、N-丙基三苯基氫氧化鏻、氫氧化四乙銨(TEAH)、氫氧化四丙銨(TPAH)、氫氧化四丁銨(TBAH)、氫氧化三甲基乙基銨、氫氧化二乙基二甲基銨、氫氧化三丁基甲基銨(TBMAH)、氫氧化苄基三甲基銨(BTMAH)、鹽酸四甲基銨(TMAH)、三(2-羥乙基)甲基氫氧化銨、氫氧化二乙基二甲基銨、精氨酸、氫氧化鉀、氫氧化銫及其組合。在一項實施例中，pH調節劑係TMAH (四甲基氫氧化銨)。

不同於通常使用硬質金屬研磨板之用於硬質表面之其他研磨體系，本發明之組合物利用一研磨墊，該研磨墊具有適合彈性以適應組合物之較大金剛石顆粒以便不對基板表面施加過大的力，藉此避免非所要深劃痕。在此方面，研磨墊可包括(例如)任何類型之聚合物基拋光墊。替代地，墊可包括其他適合材料，諸如麂皮。拋光墊之實例係基於聚氨酯墊及麂皮墊。在某些實施例中，墊厚度自約0.1 mm變動至約25 mm。墊之硬度可自5之阿斯克(Asker) C級硬度變動至95之阿斯克硬度。墊之可壓縮性可係自0.1%至40%。墊通常係無孔的。在某些實施例中，墊之孔徑可自約0變動至約20微米，或自約0變動至約10微米。

聚氨酯基墊之實例在此項技術中係熟知的且可在商業上找到。此等墊之硬度在自5至99之蕭氏(Shore) D級硬度值之範圍內。一般言之，任何其他類型之聚合物材料可與漿液一起使用。

用於化學機械拋光之適合設備係市售的。本發明之方法通常涉及混合包括上文闡述之分量之漿液組合物，將待拋光硬質基板放置至具有一旋轉墊之一CMP設備中，且接著使用本發明之漿液組合物執行化學機械拋光。在此拋光方法中，將移除或研磨硬質基板表面之至少一些，藉此提供一經適合拋光硬質基板。

因此，在一第二態樣中，本發明提供一種用於拋光選自金剛石、藍寶石、碳化矽及氮化鎵之一表面之方法，該方法包括：使用如第一態樣中闡述之本發明之組合物接觸基板；相對於基板移動該組合物，及 a.研磨該基板以移除該表面之一部分，藉此提供一拋光表面。實例

實驗設定：

全部下文之移除速率實驗係在Buehler Automet 250臺式拋光機上使用一100 mm C面藍寶石，使用150 rpm之壓板速度執行。維持30 mL/分鐘之流速。資料係在具有70之蕭氏D級硬度之一拋光硬質無孔聚氨酯拋光墊上產生。基於組合物之重量，以1.5重量%利用金剛石顆粒。

所使用金剛石大小(微米)*	所使用添加劑	pH	移除速率 (微米/分鐘)
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	20.2
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	8.50	18.7
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	11.50	20.3
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	12.50	21.6
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	13.50	19.8
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	6.50	17.9
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	7.50	19.3

表1：研磨漿液之移除速率對pH (使添加劑組合物保持恆定)

所使用金剛石大小(微米)	所使用添加劑	pH	移除速率 (微米/分鐘)
80	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	20.2
10	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	0.46
20	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	1.2
40	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	3.67
60	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	7.3
100	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	22.6
120	丙二醇單甲醚+二甲基乙醇胺	10.50	21.9

表2：研磨漿液之移除速率對金剛石大小(D50) (使添加劑組合物保持恆定)

所使用金剛石大小(微米)	添加劑組合物	pH	移除速率 (微米/分鐘)
80	2wt%丙二醇單甲醚+0.6wt%二甲基乙醇胺	10.50	20.2
80	1wt%丙二醇單甲醚+0.3wt%二甲基乙醇胺	10.50	17.9
80	0.5wt%丙二醇單甲醚+0.15wt%二甲基乙醇胺	10.50	15.8
80	0.1wt%丙二醇單甲醚+0.03wt%二甲基乙醇胺	10.50	12.9
80	0.01wt%丙二醇單甲醚+0.003wt%二甲基乙醇胺	10.50	7.4
80	3wt%丙二醇單甲醚+0.9wt%二甲基乙醇胺	10.50	20.6
80	5wt%丙二醇單甲醚+1.5wt%二甲基乙醇胺	10.50	20.4

表3：研磨漿液之移除速率對不同添加劑組合物(使金剛石大小保持恆定)

態樣

在一第一態樣中，本發明提供一種組合物，其包括：水，金剛石顆粒，其等具有自約40 µm至約120 µm之一平均直徑，及一分散劑，其中該分散劑包括至少一個弱鹼及至少一個水溶性溶劑，其中該組合物具有大於約6之一pH。

在一第二態樣中，本發明提供第一態樣之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約50 µm至約110 µm之一平均直徑。

在一第三態樣中，本發明提供第一態樣之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約60 µm至約100 µm之一平均直徑。

在一第四態樣中，本發明提供第一態樣之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約70 µm至約90 µm之一平均直徑。

在一第五態樣中，本發明提供第一態樣之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約50 µm至約70 µm之一平均直徑。

在一第六態樣中，本發明提供第一態樣之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約60 µm至約80 µm之一平均直徑。

在一第七態樣中，本發明提供第一態樣之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約70 µm至約90 µm之一平均直徑。

在一第八態樣中，本發明提供第一至第七態樣之任一者之組合物，其中該弱鹼係選自氨水、單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、半胱胺酸、N-甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺、N,N-二異丙基氨基乙醇、甲基二乙醇胺、雙三甲烷、葡甲胺、氨基乙基乙醇胺、N-甲胺乙醇、氨基乙氧基乙醇、二甲氨基乙氧基乙醇、異丙醇胺、二異丙醇胺、氨丙基二乙醇胺、N,N-二甲基丙醇胺、N-甲基丙醇胺、1-氨基-2-丙醇、2-氨基-1-丁醇、異丁醇胺及其組合。

在一第九態樣中，本發明提供第一至第八態樣之任一者之組合物，其中該弱鹼係二甲基乙醇胺。

在一第十態樣中，本發明提供第一至第九態樣之任一者之組合物，其中基於該組合物之總重量，該組合物中之金剛石顆粒之量係約0.001至約20重量%。

在一第十一態樣中，本發明提供第一至第十態樣之任一者之組合物，其中該組合物具有約6至約13.5之一pH。

在一第十二態樣中，本發明提供一種用於拋光一硬質表面之方法，該方法包括：使用如技術方案1之組合物接觸基板；及研磨該基板以移除該表面之一部分，藉此提供一拋光表面。

在一第十三態樣中，本發明提供第十二態樣之方法，其中該等金剛石顆粒具有約50 µm至約110 µm之一平均直徑。

在一第十四態樣中，本發明提供第十二態樣之方法，其中該等金剛石顆粒具有約60 µm至約100 µm之一平均直徑。

在一第十五態樣中，本發明提供第十二態樣之方法，其中該等金剛石顆粒具有約70 µm至約90 µm之一平均直徑。

在一第十六態樣中，本發明提供第十二態樣之方法，其中該等金剛石顆粒具有約50 µm至約70 µm之一平均直徑。

在一第十七態樣中，本發明提供第十二態樣之方法，其中該等金剛石顆粒具有約60 µm至約80 µm之一平均直徑。

在一第十八態樣中，本發明提供第十二態樣之方法，其中該等金剛石顆粒具有約70 µm至約90 µm之一平均直徑。

在一第十九態樣中，本發明提供第十二至第十八態樣之任一者之方法，其中該弱鹼係選自氨水、單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、半胱胺酸、N-甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺、N,N-二異丙基氨基乙醇、甲基二乙醇胺、雙三甲烷、葡甲胺、氨基乙基乙醇胺、N-甲胺乙醇、氨基乙氧基乙醇、二甲氨基乙氧基乙醇、異丙醇胺、二異丙醇胺、氨丙基二乙醇胺、N,N-二甲基丙醇胺、N-甲基丙醇胺、1-氨基-2-丙醇、2-氨基-1-丁醇、異丁醇胺及其組合。

在一第二十態樣中，本發明提供第十二至第十九態樣之任一者之方法，其中該弱鹼係二甲基乙醇胺。

在一第二十一態樣中，本發明提供第十二至第二十態樣之任一者之方法，其中基於該組合物之總重量，該組合物中之金剛石顆粒之量係約0.001至約20重量%。

在一第二十二態樣中，本發明提供第十二至第二十一態樣之任一者之方法，其中該組合物具有約6至約13.5之一pH。

在一第二十三態樣中，本發明提供第十二至第二十二態樣之任一者之方法，其中該硬質表面係選自藍寶石、碳化矽、氮化鎵及金剛石。

已因此描述本發明之數項闡釋性實施例，熟習此項技術者將容易瞭解，可在隨附發明申請專利範圍之範疇內實行且使用又其他實施例。已在前述描述中闡述本文件涵蓋之本發明之許多優點。然而，應理解，本發明在許多方面僅係闡釋性地。當然，以表達隨附發明申請專利範圍之語言定義本發明之範疇。

圖1係使用一光學輪廓儀使用包括一40 µm金剛石顆粒之本發明之一組合物獲得之一20倍影像。

圖2係使用一光學輪廓儀使用包括一60 µm金剛石顆粒之本發明之一組合物獲得之一20倍影像。

圖3係使用一光學輪廓儀使用包括一80 µm金剛石顆粒之本發明之一組合物獲得之一20倍影像。

圖4係使用一光學輪廓儀使用包括一40 µm金剛石顆粒之一習知研磨漿液獲得之一20倍影像(即，比較性)。

圖5係利用約80微米之金剛石顆粒之本發明之一組合物之材料移除速率(µm/小時)對施加壓力(psi)之一曲線圖。

圖6係本發明之一組合物之材料移除速率(µm/小時)對拋光持續時間(小時)之一曲線圖。

Claims

一種組合物，其包括：水，金剛石顆粒，其等具有自約40 µm至約120 µm之一平均直徑，及一分散劑，其中該分散劑包括至少一個弱鹼及至少一個水溶性溶劑，其中該組合物具有大於約6之一pH。
如請求項1之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約50 µm至約110 µm之一平均直徑。
如請求項1之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約60 µm至約100 µm之一平均直徑。
如請求項1之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約70 µm至約90 µm之一平均直徑。
如請求項1之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約50 µm至約70 µm之一平均直徑。
如請求項1之組合物，其中該等金剛石顆粒具有約60 µm至約80 µm之一平均直徑。
如請求項1之組合物，其中該弱鹼係選自氨水、單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、半胱胺酸、N-甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺、N,N-二異丙基氨基乙醇、甲基二乙醇胺、雙三甲烷、葡甲胺、氨基乙基乙醇胺、N-甲胺乙醇、氨基乙氧基乙醇、二甲氨基乙氧基乙醇、異丙醇胺、二異丙醇胺、氨丙基二乙醇胺、N,N-二甲基丙醇胺、N-甲基丙醇胺、1-氨基-2-丙醇、2-氨基-1-丁醇、異丁醇胺及其組合。
如請求項1之組合物，其中該弱鹼係二甲基乙醇胺。
如請求項1之組合物，其中基於該組合物之總重量，該組合物中之金剛石顆粒之量係約0.001至約20重量%。
一種用於拋光一硬質表面之方法，該方法包括：使用組合物接觸基板，該組合物包括：水；金剛石顆粒，其等具有自約40 µm至約120 µm之一平均直徑；及一分散劑，其中該分散劑包括至少一個弱鹼及至少一個水溶性溶劑；研磨該基板以移除該表面之一部分，藉此提供一拋光表面。