化学机械抛光（CMP）是目前唯一能够兼顾表面全局和平坦度的抛光技术，具有高度可控性和纳米级精度。这种技术为微电子器件制造提供了可靠的支持，尤其在对晶圆精度要求不断提升的背景下显得尤为重要。例如，28纳米制程的芯片制造中需要进行多达12次抛光，而在10纳米制程下，这一数值甚至增加至30次。
CMP示意图 图源：公开网络
CMP抛光垫通常采用聚氨酯材料制造，随着抛光过程中的摩擦力和法向压力累积，抛光垫逐渐磨损，表面变得光滑，并形成釉面。此外，抛光垫表面的沟槽也容易被抛光残留物和粉尘颗粒填满，导致抛光液分布不均匀，降低了磨料的储存和运输能力。这种情况不仅影响材料的去除效率，还影响抛光产品的表面质量。
抛光垫微观形貌图 图源：公开网络
为了解决抛光垫磨损问题，延缓其更换频率，金刚石修整盘（钻石碟）的引入成为关键。金刚石修整器通过恢复抛光垫的原始纹理，确保其保持一定的粗糙度，从而提升抛光液的传递效率，保持高质量的抛光效果。
抛光垫的磨损过程示意图 图源：公开网络
钻石碟是一种用于CMP抛光工艺中修整抛光垫的关键工具。它的基体为直径100-108mm的圆盘，表面均匀分布着数十万颗微小的金刚石颗粒。这些颗粒在工作时能够有效去除抛光垫表面的不平整、釉化层以及堆积的残留物，从而调整并恢复抛光垫的微观结构和表面纹理。
金刚石原子结构示意图 图源：公开网络
钻石碟是什么？它有什么优势？
CMP作为结合化学抛光与机械抛光的精密工艺，对修整盘提出了严格的要求。金刚石修整盘/钻石碟凭借其独特的晶体结构和性能成为理想选择。金刚石的每个碳原子通过共价键与周围四个碳原子连接，形成稳定的三维结构，使其在机械和化学环境中表现出卓越的稳定性。这赋予了金刚石修整盘许多显著优点：
高硬度与耐磨性：CMP的机械抛光通过抛光垫的旋转和压力对材料进行切削。作为地球上最硬的物质之一，金刚石的莫氏硬度达到10，能有效切削抛光垫表面的堆积物和釉化层，恢复其粗糙度。同时，金刚石修整盘能够长时间保持性能稳定，具有很高的耐磨性。
化学惰性与耐腐蚀性：在CMP的化学抛光过程中，使用的抛光液往往具有一定的腐蚀性。金刚石具备极高的化学惰性，在常见的化学环境中几乎不会与其他物质发生反应。因此，即便在强腐蚀性的抛光液中，金刚石修整盘依然能保持稳定，不易受到化学侵蚀或氧化。
钻石碟的生产工艺
金刚石因其稳定的结构性质和极高的硬度，成为修整抛光垫的理想材料。然而，这些优点也带来了钻石碟生产和加工中的挑战。当前，钻石碟的主要生产技术包括烧结、电镀和钎焊三种：
烧结技术：利用粉末冶金方法将金刚石颗粒与粘结剂混合并压制，然后在高温下烧结成型。此工艺能确保金刚石颗粒与基体紧密结合，形成耐用的多层结构，适用于长期使用。然而，烧结技术中金刚石的露出率较低，部分颗粒无法直接参与切削，影响修整效率。
高温烧结钻石碟 图源：公开网络
电镀技术：通过电镀工艺将金刚石颗粒附着在基体表面，形成高露出率的工作层。这种方法能提高钻石碟的修整效率，但由于金刚石颗粒容易脱落，导致工具的使用寿命相对较短，并且脱落的颗粒可能对晶圆造成损伤。
钎焊技术：利用钎料的化学冶金作用将金刚石颗粒与基体紧密结合，形成单层金刚石结构。钎焊工艺能有效提高金刚石颗粒的露出率，改善磨削效率，并减少颗粒脱落问题。但此技术复杂且技术门槛较高，国内的研究和应用尚在发展阶段。
这三种技术各有优缺点，钎焊工艺因其综合了烧结和电镀的优势，正在成为钻石碟生产的主要趋势。
如何提升金刚石修整器的修整性能
提升金刚石修整器的修整性能可以从金刚石的尺寸和排列方式两方面入手。首先，金刚石的尺寸对修整效果具有显著影响。较大尺寸的金刚石能快速去除抛光垫表面的材料，从而提高修整速率，但可能导致表面粗糙度增加和更多的划痕，从而影响抛光质量。而小尺寸金刚石则提供更精细的表面修整，尽管修整效率较低，并且可能难以去除表面的釉化层。因此，选择合适的金刚石尺寸是实现修整速率和表面质量平衡的关键。
其次，金刚石的排列方式也对修整效果有重要影响。在随机排列情况下，金刚石颗粒可能在密集区域因基体对其把持力不足而脱落，导致抛光垫的过度磨损和使用寿命缩短。而在稀疏区域，单颗金刚石承受的工作载荷较大，易因冲击力破碎和脱落，从而导致工具的过早失效。相比之下，有序排列（如矩阵式排列或同心圆排列）可以确保金刚石颗粒受力均匀，减少刮痕和缺陷，提高使用寿命，同时在修整过程中更有效地形成沟槽，促进加工残余物质和抛光液的快速输送和均匀分布，从而提升修整效果。
CMP金刚石修整器因其独特的高硬度和耐腐蚀性，在半导体制造领域发挥着至关重要的作用。通过不同生产工艺的应用，金刚石修整器在耐用性、修整效率和精度方面取得了良好平衡。随着钎焊技术的发展，金刚石修整器的性能有望进一步提升，解决传统生产工艺中露出率和耐用性的问题，为CMP抛光技术提供更优质的支持。
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