作為目前唯一能兼顧表面全局和局部平坦化的拋光技術，化學機械拋光（CMP）能夠實現拋光過程的高度可控和納米級的平整度，為精準、高質量的微電子器件制造提供了可靠的技術支持。隨著對晶圓精度要求的不斷提高，拋光墊等CMP材料也磨損得更加迅速。以28納米制程為例，為了達到最佳的性能和穩定性，芯片制造過程中需要多達12次的拋光步驟。而在10納米制程下，拋光次數甚至增加到30次。

CMP拋光墊的材質主要是聚氨酯材料，經過磨損后表面逐步變得光滑，并形成一層釉面，而且拋光墊表面用于分布拋光液和排除廢液的溝槽也逐漸被拋光殘留物和拋光粉顆粒填滿，導致拋光墊儲存、運輸磨料能力降低，影響拋光材料去除率和拋光產品表面質量。為了維持拋光墊表面一定的粗糙狀態，延緩拋光墊的更換頻率，引入了鉆石碟(鉆石修整盤)的概念。

聚氨酯拋光墊微觀結構圖

什么是鉆石碟？

鉆石碟是一種用于CMP拋光時修整拋光墊的工具，它以一個直徑為 100-108mm 的圓盤為基體，上面均勻分布了數十萬顆微小金剛石顆粒。這些金剛石顆粒在拋光過程中能夠切削和去除拋光墊表面的不均勻性、釉化層、堆積物等，從而實現拋光墊表面的平整和細微結構的調整。

由于CMP工藝是同時結合了化學拋光和機械拋光兩種手段的精密加工技術，這兩個過程都對拋光墊修整盤提出了極高的要求。而金剛石中每個碳原子與其四個鄰近碳原子共享電子，電子互相排斥，使得共價鍵之間以非常穩定的角度(約為109.28°)連接碳原子，因此金剛石的結構和性質都十分穩定，以金剛石為材料制成的鉆石碟也具有其他材料無法比擬的優點：

（1）高硬度和高耐磨性：CMP的機械過程主要涉及機械摩擦作用，通過拋光墊的旋轉運動以及拋光壓力，對被拋光材料進行機械性的切削和去除。金剛石是地球上最硬的材料之一，莫氏硬度為10，具有出色的硬度和耐磨性。金剛石修整盤能夠利用機械作用，有效地切削和去除拋光墊表面的堆積物和釉化層，恢復拋光墊的粗糙狀態，并在與拋光墊表面的接觸中保持穩定性并耐久使用。

（2）化學惰性（耐腐蝕）：CMP化學過程會使用含有特定化學成分的拋光液，這些成分具有一定的腐蝕性，會與待拋光材料發生化學反應，使材料在分子水平上被溶解或轉化。由于金剛石在大多數常見的化學環境中都是惰性的，即不容易與其他元素或化合物發生反應。即使在拋光過程使用強腐蝕性的拋光液，這種化學惰性也能使金剛石都能保持穩定，不容易受到腐蝕或氧化。

鉆石碟的生產技術

金剛石穩定的結構性質為修整拋光墊提供了絕佳的材料，然而其極高的硬度也使得鉆石碟的生產、加工帶來了一定的挑戰。目前，鉆石碟與其他以金剛石為材料制成的刀片、磨具、鉆頭等金剛石工具一樣，主要有燒結、電鍍、釬焊三種技術。

1.燒結

燒結是利用粉末冶金的方法，將金剛石、粘結劑、基體等混合壓制后燒結成型。這種方法能使金剛石顆粒與基體粉末緊密結合，形成穩固的結構，金剛石不易脫落，避免劃傷晶圓，保證拋光過程的順利進行。同時燒結成型的鉆石碟為多層金剛石，修整時，最外層的金剛石被磨掉后，里層的會漏出以供繼續使用，直到燒結部分完全用完，因此燒結制造的鉆石碟非常耐用且壽命長，但由于金剛石顆粒與金屬的結合，金剛石的露出度不高，一部分金剛石可能不直接參與切削工作，影響了有效利用率，修整效率較低。

高溫燒結鉆石碟（來源：3M半導體）

2.電鍍

電鍍鉆石碟的原理，其實就是電鍍液和圓盤基體通電后，將金剛石顆粒堆積在預鍍好的基體上，然后在電場的作用下鎳會分解釋放出鎳原子，沉積在已經有金剛石顆粒的工件上，表面的金剛石一部分會逐漸被包鑲在基體上，另一部分露在基體表面形成牢固耐磨的工作層。以這種方式生產的鉆石碟，露出率很高，大部分金剛石顆粒都能參與修整過程，故修整拋光墊的效率也很高。但在實際使用過程中，由于使用條件如磨削力大小、溫升、撞擊等原因，僅依靠“機械包鑲”形式固定的金剛石顆粒，容易與基體分離，發生“鍍層脫落”現象，而且屢見不鮮，不僅使得鉆石碟的壽命較低，在CMP過程中脫落的金剛石顆粒也極易損傷晶圓。

電鍍金剛石表面

3.釬焊

金剛石與一般金屬和合金之間具有很高的界面能，致使金剛石顆粒不能為一般低熔點合金所浸潤，粘結性極差，如上述采用的電鍍工藝，僅依靠“機械包鑲”固定金剛石，沒有形成牢固的化學鍵結或冶金結合，導致金剛石顆粒在工作中易與胎體金屬基分離。因此，釬焊法已開始成為鉆石碟制作的熱點技術。釬焊技術則通過釬料的化學冶金作用將單層金剛石和基體融合成一個整體，釬料通常活性較高，會與基體和金剛石會發生反應，作為兩者之間的鏈接材料，但具有不損傷金剛石的特性。這種方式生產的鉆石碟，金剛石顆粒利用釬料與基體緊密結合，不易脫落，且反應后釬料很薄，大部分金剛石裸露在外面，約70%將參與研磨，研磨效率很高，不會堵塞。但目前釬焊技術較常用于生產單層的金剛石工具，國內的高溫釬焊技術研究起步也較晚，與發達國家相比，研究的廣度和深度遠遠不夠，因而技術門檻較高。

單層釬焊鉆石碟（來源：佳品金剛石）

小結

金剛石以其穩定的結構和化學性質成為了CMP拋光修整盤的絕佳材料，但金剛石極高的硬度也給鉆石碟帶來了巨大挑戰，目前的生產工藝中，燒結工藝制成的鉆石碟雖然壽命長且耐用，但金剛石的有效利用率并不高。與之相反，電鍍工藝制造的鉆石碟具有高的金剛石露出率和高效率，但脫落問題也較為突出。為了兼具穩定性和高效率，釬焊技術成為目前鉆石碟生產的主要發展趨勢，它結合了燒結和電鍍工藝的優勢，也為這兩種工藝面臨的問題提供了一個有前途的解決途徑，但目前仍然存在較高的技術門檻，需要進一步的研究和開發。

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