JP7767449B2 - Diamond disc and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、ダイヤモンドディスク及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a diamond disc and a method for manufacturing the same.
一般に、CMP(Chemical mechanical polishing)工程は化学‐機械的研磨加工で、研磨除去加工と化学液の溶解作用を同時に利用して半導体ウエハの平坦度を得る研磨加工である。 Generally, the CMP (Chemical Mechanical Polishing) process is a chemical-mechanical polishing process that simultaneously uses polishing removal and the dissolving action of chemical solutions to achieve flatness on semiconductor wafers.
CMP研磨加工原理は、研磨パッドとウエハを相互加圧した状態でこれらを相対運動させながら研磨パッド上に研磨粒子と化学液が混入した研磨液(slurry)を供給する過程からなるが、このときポリウレタン素材からなる研磨パッド表面にある多数の発泡細孔が新しい研磨液を保持する役割をし、一定の研磨効率とウエハ全面に研磨均一性を得ることができるようになる。 The CMP polishing process involves supplying a slurry containing abrasive particles and chemicals onto the polishing pad while the polishing pad and wafer are pressed against each other and moving relative to each other. During this process, the numerous foam pores on the surface of the polyurethane polishing pad serve to retain new slurry, achieving consistent polishing efficiency and uniform polishing across the entire wafer surface.
しかし、研磨中に圧力と相対速度が加わるため、加工時間が経つにつれて研磨パッドの表面は不均一に変形し、研磨パッド上の細孔が研磨残渣で詰まり、研磨パッドがその役割を果たさなくなる。これにより、全加工時間中にウエハ全面における広域平坦化やウエハ間の研磨均一性等を達成することができなくなる。 However, because pressure and relative velocity are applied during polishing, the surface of the polishing pad deforms unevenly over the course of processing, and the pores on the polishing pad become clogged with polishing residue, preventing the polishing pad from fulfilling its function. This makes it impossible to achieve global planarization across the entire wafer surface or uniform polishing between wafers during the entire processing time.
このようなCMP研磨パッドの不均一変形や細孔の目詰まりを解決するために、CMPパッドコンディショナーを用いて研磨パッドの表面を微細に研磨することにより、新しいマイクロ細孔が形成されるようにCMPパッドコンディショニング作業を行っている。 To solve this problem of uneven deformation and clogged pores in CMP polishing pads, CMP pad conditioning is performed by using a CMP pad conditioner to finely polish the surface of the polishing pad, thereby creating new micropores.
CMPパッドコンディショニング作業は、生産性を高めるために本作業であるCMP作業と同時に行うことができる。これをいわゆるイン・サイチュコンディショニング(In-situ Conditioning)という。 CMP pad conditioning can be performed simultaneously with the main CMP process to increase productivity. This is known as in-situ conditioning.
このとき、CMP作業に使用される研磨液は、シリカ、アルミナ、及びセリアなどのような研磨粒子を含み、CMP工程は、使用される研磨液の種類によって大きくオキシドCMPとメタル(Metal)CMPに区分される。前者に用いられるオキシドCMP用研磨液はpH値が主に10~12であり、後者に用いられるメタルCMP用研磨液のpHは4以下で酸性の溶液を用いる。 The polishing solution used in CMP contains abrasive particles such as silica, alumina, and ceria, and CMP processes are broadly divided into oxide CMP and metal CMP depending on the type of polishing solution used. The polishing solution for oxide CMP used in the former has a pH value of mainly 10-12, while the polishing solution for metal CMP used in the latter has a pH of 4 or less and uses an acidic solution.
通常の従来のCMPパッドコンディショナーとしては、電着方式で製造された電着型CMPパッドコンディショナーと金属粉末を高温で溶融させる方式の融着型CMPパッドコンディショナーが用いられている。これらのCMPパッドコンディショナーには研磨材として粒状のダイヤモンド粒子が主に用いられている。ダイヤモンド粒子は、電着または融着によって形成される金属マトリックスによって固定される。 Conventional CMP pad conditioners typically include electrodeposited CMP pad conditioners manufactured using an electrodeposition method and fused-type CMP pad conditioners, which are made by melting metal powder at high temperatures. These CMP pad conditioners primarily use granular diamond particles as the abrasive. The diamond particles are fixed in place by a metal matrix formed by electrodeposition or fusion.
ダイヤモンドは地球上に存在する物質の中で最も硬度の高い物質として知られており、このような特性により人工ダイヤモンドを素材として製造されたダイヤモンド工具が製作されて使用されている。 Diamond is known to be the hardest substance on Earth, and due to these properties, diamond tools made from artificial diamonds are produced and used.
ところで、従来のCMP工程では、CMPパッドコンディショナーにダイヤモンドがスラリーと一緒にウエハ研磨に使用されていた。腐食性の強いスラリーを使用すると、スラリー中の添加物がダイヤモンドの炭素と反応してダイヤモンドの摩耗を加速させてダイヤモンドディスクの寿命を短くするという問題がある。 In conventional CMP processes, diamonds are used in CMP pad conditioners along with slurry for wafer polishing. When highly corrosive slurry is used, additives in the slurry react with the carbon in the diamond, accelerating diamond wear and shortening the lifespan of the diamond disk.
本発明の実施例は、耐摩耗性を改善し、研削性能の高いダイヤモンドディスクおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a diamond disc with improved wear resistance and high grinding performance, as well as a manufacturing method thereof.
本発明の一態様によれば、シャンクベース; 前記シャンクベースの表面に形成されるボンディング層;及び前記ボンディング層に露出するように配置される複数のボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)を含み、前記複数のボロンドープダイヤモンドの少なくとも一部は、前記ボロンドープダイヤモンドの長軸と会いながら最上端に配置された面が、前記長軸の上端から下方に傾斜する姿勢で前記ボンディング層に配置されるダイヤモンドディスクを提供することができる。 According to one aspect of the present invention, a diamond disk can be provided, comprising: a shank base; a bonding layer formed on the surface of the shank base; and a plurality of boron-doped diamonds (BDDs) arranged so as to be exposed to the bonding layer, wherein at least some of the plurality of boron-doped diamonds are arranged on the bonding layer with the uppermost surface thereof meeting the long axis of the boron-doped diamond and tilting downward from the upper end of the long axis.
また、前記ボロンドープダイヤモンドの前記長軸が前記シャンクベースに対して50°超過90°以下の姿勢を有し、前記ボロンドープダイヤモンドが前記ボンディング層に配置されることができる。 Furthermore, the long axis of the boron-doped diamond may be oriented at an angle greater than 50° and less than 90° relative to the shank base, and the boron-doped diamond may be positioned on the bonding layer.
また、前記ボンディング層の表面と前記ボロンドープダイヤモンドの表面とが会う濡れ角(Wetting angle)は、0°以上60°以下に維持されることができる。 In addition, the wetting angle where the surface of the bonding layer meets the surface of the boron-doped diamond can be maintained between 0° and 60°.
また、前記ボロンドープダイヤモンドの平均直径に対する前記ボンディング層の厚さ比は、30%~65%の範囲であることができる。 Furthermore, the ratio of the thickness of the bonding layer to the average diameter of the boron-doped diamond can be in the range of 30% to 65%.
また、前記ボロンドープダイヤモンドにドープされるボロンのドーピング量は、1ppm~2000ppmの範囲であることができる。 Furthermore, the amount of boron doped into the boron-doped diamond can be in the range of 1 ppm to 2000 ppm.
さらに、前記ボロンドープダイヤモンドの単位体積当たりの磁化率(Magnetic susceptibility per unit volume)は、単位体積当たり20~800の範囲であることができる。 Furthermore, the magnetic susceptibility per unit volume of the boron-doped diamond can be in the range of 20 to 800 per unit volume.
また、前記ボンディング層の密度に対する前記ボロンドープダイヤモンドの密度の割合が0.4~0.6の範囲に維持されることができる。 In addition, the ratio of the density of the boron-doped diamond to the density of the bonding layer can be maintained in the range of 0.4 to 0.6.
また、前記ボロンドープダイヤモンドは八面体からなるダイヤモンド(octahedron Diamond)であり、前記ボロンドープダイヤモンドの下端部は、前記ボロンドープダイヤモンドが前記ボンディング層の上部で起立されたときに前記シャンクベースの表面に点または線接触したり、所定距離離隔することができる。 In addition, the boron-doped diamond is an octahedron diamond, and the lower end of the boron-doped diamond can be in point or line contact with the surface of the shank base or can be spaced a predetermined distance apart when the boron-doped diamond is erected on top of the bonding layer.
また、前記ボロンドープダイヤモンドによるパッド研磨特性(PCR:Pad cut rate)は、PCR試験装置において、前記ボロンドープダイヤモンドで作られたCMP Padコンディショナーが100rpm~120rpmで回転し、研磨パッドが80rpm~95rpmで回転するとき、前記ボロンドープダイヤモンドで作られたCMP Padコンディショナーが、前記研磨パッドを4.5~9lbfの加圧状態でPCRがパッドコンディショニングのために2~10μm/hrの範囲に低くなるまで13時間以上かかることができる。 In addition, the pad polishing characteristics (PCR: Pad Cut Rate) of the boron-doped diamond were measured in a PCR test device. When the CMP pad conditioner made of the boron-doped diamond rotated at 100 rpm to 120 rpm and the polishing pad rotated at 80 rpm to 95 rpm, it took 13 hours or more for the PCR to decrease to the range of 2 to 10 μm/hr due to pad conditioning when the CMP pad conditioner made of the boron-doped diamond pressed the polishing pad with a pressure of 4.5 to 9 lbf.
本発明の他の態様によれば、シャンクベースの表面にボンディング材料を塗布するボンディング材料塗布段階;前記シャンクベースの表面に塗布された前記ボンディング材料を第1温度範囲で加熱して仮焼結体の形態のボンディング層を形成する仮焼結段階;複数のボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)を前記仮焼結体の表面に提供するダイヤモンド提供段階;及び前記複数のボロンドープダイヤモンドの少なくとも一部は、前記ボロンドープダイヤモンドの長軸と会いながら最上端に配置された面が、前記長軸の上端から下方に傾斜する姿勢で前記ボンディング層に配置されるように第2温度範囲で熱処理する熱処理段階を含むダイヤモンドディスクの製造方法を提供することができる。 According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a diamond disk can be provided, including: a bonding material application step of applying a bonding material to the surface of a shank base; a pre-sintering step of heating the bonding material applied to the surface of the shank base within a first temperature range to form a bonding layer in the form of a pre-sintered body; a diamond providing step of providing a plurality of boron-doped diamonds (BDDs) on the surface of the pre-sintered body; and a heat-treating step of heat-treating at least some of the plurality of boron-doped diamonds within a second temperature range so that the uppermost surface of the boron-doped diamonds is positioned in the bonding layer in an orientation that is inclined downward from the upper end of the long axis while meeting the long axis of the boron-doped diamonds.
また、前記熱処理段階において、前記ボロンドープダイヤモンドの長軸は、前記シャンクベースに対して50°超過90°以下の姿勢で前記ボンディング層に露出するように配置されることができる。 Furthermore, during the heat treatment step, the long axis of the boron-doped diamond may be positioned so as to be exposed to the bonding layer at an angle greater than 50° and less than 90° relative to the shank base.
また、前記仮焼結段階において、前記第1温度範囲は600℃~900℃であり、前記熱処理段階で前記第2温度範囲は1000℃~1300℃であることができる。 Furthermore, the first temperature range in the preliminary sintering step may be 600°C to 900°C, and the second temperature range in the heat treatment step may be 1000°C to 1300°C.
また、前記熱処理段階において、前記ボンディング層の表面と前記ボロンドープダイヤモンドの表面とが会う濡れ角(Wetting angle)は、0°以上60°以下に維持されることができる。 Furthermore, during the heat treatment step, the wetting angle where the surface of the bonding layer meets the surface of the boron-doped diamond can be maintained between 0° and 60°.
また、前記熱処理段階において、前記ボロンドープダイヤモンドの平均直径に対する熱処理後の前記ボンディング層の厚み比率は、30%~65%の範囲であることができる。 Furthermore, during the heat treatment step, the thickness ratio of the bonding layer after heat treatment to the average diameter of the boron-doped diamond may be in the range of 30% to 65%.
本発明の実施例によれば、八面体構造のボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)により優れた耐摩耗性と高い研削性能を実現することができるという利点がある。 According to an embodiment of the present invention, the octahedral boron-doped diamond (BDD) has the advantage of achieving excellent wear resistance and high grinding performance.
また、本発明の実施例によれば、八面体の(Octahedral)ボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)であり、ボロンドープダイヤモンドがセルフスタンディング(Self-standing)する割合が一定比率以上になることで、耐摩耗性を改善し、研削性能が向上することができる利点がある。 Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the boron-doped diamond (BDD) is octahedral, and the self-standing ratio of the boron-doped diamond is above a certain level, which has the advantage of improving wear resistance and grinding performance.
以下、本発明の技術的思想を実現するための具体的な実施例について添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Specific embodiments for realizing the technical concept of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
なお、本発明の説明において、関連する公知の構成または機能に関する具体的な説明が本発明の要旨をぼかす可能性があると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。 In addition, in describing the present invention, if it is determined that a specific description of related publicly known configurations or functions may obscure the gist of the present invention, such detailed description will be omitted.
また、ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「支持」、「接続」、「供給」、「伝達」、「接触」されると言及されている場合は、その他の構成要素に直接連結、支持、接続、供給、伝達、接触されることもできるが、間にまた他の構成要素が存在してもよいことを理解すべきである。 Furthermore, when a component is referred to as being "coupled," "supported," "connected," "supplied," "transmitted," or "in contact" with another component, it should be understood that the component may be directly coupled, supported, connected, supplied, transmitted, or in contact with the other component, but there may also be other components in between.
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されたものであり、本発明を限定することを意図するものではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味を持たない限り、複数の表現を含む。 The terms used in this specification are merely used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
なお、本明細書において上側、下側、側面等の表現は、図面の図示に基づいて説明したものであり、当該対象の向きが変化すれば異なって表現できることを予め明らかにしておく。同様の理由で、添付の図面において一部の構成要素は誇張、省略、または概略的に示されており、各構成要素のサイズは実際のサイズを完全に反映するものではない。 Please note that in this specification, expressions such as upper, lower, and side are explained based on the illustrations in the drawings, and it should be made clear that they may be expressed differently if the orientation of the object in question changes. For the same reason, some components in the accompanying drawings are exaggerated, omitted, or shown schematically, and the size of each component does not fully reflect its actual size.
さらに、第1、第2などの序数を含む用語は、様々な構成要素を説明するために使用されることができるが、対応する構成要素はそのような用語によって限定されない。これらの用語は、ある構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。 Furthermore, terms including ordinal numbers such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the corresponding components are not limited by such terms. These terms are used only to distinguish one component from another.
本明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、定数、ステップ、動作、要素および/または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、定数、ステップ、動作、要素、成分および/またはグループの存在や付加を除外するのではない。 As used herein, the meaning of "comprise" embodies certain properties, regions, constants, steps, operations, elements and/or components, and does not exclude the presence or addition of other certain properties, regions, constants, steps, operations, elements, components and/or groups.
まず、ダイヤモンドの化学成分について、一般的なダイヤモンド(Regular diamond)と本発明によるボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)とを比較すると、腐食性の強い環境(例えば、w CMP、Oxide CMP工程)では、ボロンドープダイヤモンド(BDD)の耐摩耗性が一般ダイヤモンドの耐摩耗性より優れ、腐食性が弱い一般環境では一般ダイヤモンドの耐摩耗性とボロンドープダイヤモンド(BDD)の耐摩耗性に大きな差がない。 First, when comparing the chemical composition of diamond between a regular diamond and the boron-doped diamond (BDD) of the present invention, the wear resistance of the boron-doped diamond (BDD) is superior to that of regular diamond in highly corrosive environments (e.g., CMP, oxide CMP processes), but in less corrosive general environments, there is no significant difference in the wear resistance of regular diamond and boron-doped diamond (BDD).
そして電着CMPダイヤモンドディスク製造方式は、ニッケル電気めっきをボンディング層で不導体であるダイヤモンドを支持する。しかし、電気が通じるボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)は、電気メッキ時にボロンドープダイヤモンドの表面までニッケル電着層が覆われるため、一般的な方法ではボロンドープダイヤモンドは電着工程に使用できない。したがって、ボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)は、融着方式と焼結方式でダイヤモンドディスク(diamond disc)を製造する際に適用可能である。 The electrodeposition CMP diamond disc manufacturing method uses a nickel electroplating bonding layer to support the non-conductive diamond. However, boron-doped diamond (BDD), which conducts electricity, cannot be used in the electrodeposition process using conventional methods because the nickel electroplating layer covers the surface of the boron-doped diamond during electroplating. Therefore, boron-doped diamond (BDD) can be used to manufacture diamond discs using the fusion and sintering methods.
また、一般鉄(Fe)系金属の加工において、ダイヤモンドは鉄系金属と親和反応で金属加工が難しい。CMPパッドコンディショニング作業において、研磨パッドにスラリーを供給するとき、スラリーに含まれている鉄(Fe)成分がダイヤモンドディスクのダイヤモンドの炭素と反応してダイヤモンドの摩耗を加速することができる。結局、ダイヤモンドの摩耗が速くなり寿命が短い。しかし、本発明によるボロン(Boron)がドープされた(Doped)ボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)は、炭素(Carbon)の酸化反応(C+O2→CO2)を抑制(Blocking layerとして作用)するため 、ダイヤモンドディスクの安定性を向上させることができる。 In addition, when processing general iron (Fe)-based metals, diamond has an affinity with the iron-based metal, making metal processing difficult. When slurry is supplied to the polishing pad during CMP pad conditioning, the iron (Fe) component in the slurry can react with the carbon in the diamond on the diamond disk, accelerating the wear of the diamond. Ultimately, the diamond wears faster and its lifespan is shortened. However, the boron-doped diamond (BDD) according to the present invention inhibits the oxidation reaction of carbon (C + O 2 → CO 2 ) (acts as a blocking layer), thereby improving the stability of the diamond disk.
本発明によるボロンドープダイヤモンド(BDD)、一般ダイヤモンド、従来の窒化ホウ素(CBN:cubic boron nitride)の製造上の相違点は以下の表1の通りである。 The manufacturing differences between the boron-doped diamond (BDD) of this invention, regular diamond, and conventional boron nitride (CBN: cubic boron nitride) are shown in Table 1 below.
一方、一般ダイヤモンドは、Fe、Ni合金が炭素に触媒剤として使用されるが、ボロン(Boron)を含まず、窒化ホウ素(CBN:cubic boron nitride)は炭素とボロン(Boron)の含量比が1:1構造を有するくらいボロン(Boron)が相対的に多く追加されるため、鉄(Fe)と反応することはないが、ボロンドープダイヤモンドに比べ強度が非常に低く、形状調節が難しいことがある。 Regular diamonds, on the other hand, contain no boron, although an Fe-Ni alloy acts as a catalyst for carbon. Cubic boron nitride (CBN) contains a relatively large amount of boron, with a carbon to boron ratio of 1:1, so it does not react with iron (Fe). However, it has significantly lower strength than boron-doped diamonds and can be difficult to shape.
本実施例において、ダイヤモンドディスクに適用されるダイヤモンドのうち、ボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)は、使用用途に応じてダイヤモンド全体の5vol%以上使用されることができる。そして、ボロンドープダイヤモンド(BDD)における八面体の(Octahedral)構造比率は50%以上であることができる。ボロンドープダイヤモンド(BDD)全体のうち、ボンディング層でセルフスタンディング(Self-standing)するボロンドープダイヤモンド(BDD)の割合は、60%以上であることができる。 In this embodiment, among the diamonds used in the diamond disk, boron-doped diamond (BDD) can be used at 5 vol% or more of the total diamond depending on the intended use. The octahedral structure ratio in the boron-doped diamond (BDD) can be 50% or more. The proportion of self-standing boron-doped diamond (BDD) in the bonding layer can be 60% or more of the total boron-doped diamond (BDD).
比率は、ある領域でダイヤモンド全体を観察し、その中で上記の基準を満たすダイヤモンドの比率で決定することができる。 The ratio can be determined by observing the entire diamond in a certain area and determining the percentage of diamonds that meet the above criteria.
以下、図1乃至図8を参照して本発明の一実施例によるダイヤモンドディスクの具体的な構成を説明する。 The specific configuration of a diamond disc according to one embodiment of the present invention will now be described with reference to Figures 1 to 8.
図1乃至図6を参照すると、本発明によるダイヤモンドディスクは、CMPパッドコンディショナーに適用され、研磨パッドの表面を微細に研磨することができる。このようなダイヤモンドディスクは、シャンクベース100と、ボンディング層200と、複数のボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)300とを含むことができる。 Referring to Figures 1 to 6, a diamond disk according to the present invention can be applied to a CMP pad conditioner to finely polish the surface of a polishing pad. Such a diamond disk can include a shank base 100, a bonding layer 200, and a plurality of boron-doped diamonds (BDDs) 300.
具体的には、シャンクベース100はディスクのバッキングプレート(BACKING PLATE)であり、シャンクベース100の表面にはボンディング層200を形成することができる。シャンクベース100は、ディスクのバッキングプレートとして使用される通常のシャンクベース100と対応するため、これについての詳細な説明は省略する。 Specifically, the shank base 100 is a backing plate for the disk, and a bonding layer 200 can be formed on the surface of the shank base 100. The shank base 100 corresponds to a typical shank base 100 used as a backing plate for a disk, so a detailed description thereof will be omitted.
ボンディング層200は、60wt%以上のNiを含み、Cr、Siなどの他の元素を含むボンディング材料からなることができる。ボンディング材料は、シャンクベース100の表面に塗布された後、乾燥および仮焼結過程を経て固相(solid phase)の仮焼結体として形成されることができる。仮焼結体の上面には、ボロンドープダイヤモンド300を仮接着するための接着剤を塗布することができる。接着剤が塗布された仮焼結体の上面には、穿孔ジグを用いてボロンドープダイヤモンド300を仮接着されることができる。 The bonding layer 200 may be made of a bonding material containing 60 wt% or more Ni and other elements such as Cr and Si. The bonding material may be applied to the surface of the shank base 100, and then dried and pre-sintered to form a solid-phase pre-sintered body. An adhesive may be applied to the upper surface of the pre-sintered body to temporarily bond the boron-doped diamond 300. The boron-doped diamond 300 may be temporarily bonded to the upper surface of the pre-sintered body to which the adhesive has been applied using a drilling jig.
仮焼結体は、ボロンドープダイヤモンド300と共に熱処理過程を経てボンディング層200として形成されることができる。ボンディング層200は、高温の熱処理過程で液相(liquid state)に相変化することができ、ボンディング層200の上部にはボロンドープダイヤモンド300が起立状態で配置されることができる。ボロンドープダイヤモンド300が起立状態で配置されたボンディング層200は冷却及び乾燥されることができる。 The pre-sintered body can be formed into a bonding layer 200 through a heat treatment process together with the boron-doped diamond 300. The bonding layer 200 can change into a liquid state during the high-temperature heat treatment process, and the boron-doped diamond 300 can be arranged in an upright state on top of the bonding layer 200. The bonding layer 200 with the boron-doped diamond 300 arranged in an upright state can be cooled and dried.
ボンディング層200の密度は、6g/cm3乃至8.3g/cm3の範囲であることできる。ボロンドープダイヤモンド300の密度は、3.5g/cm3乃至3.6g/cm3の範囲であることができる。本実施例において、ボンディング層200の密度は7.6g/cm3であり、ボロンドープダイヤモンド300の密度は3.54g/cm3である。 The density of the bonding layer 200 can be in the range of 6 g/ cm to 8.3 g/ cm . The density of the boron-doped diamond 300 can be in the range of 3.5 g/ cm to 3.6 g/ cm . In this embodiment, the density of the bonding layer 200 is 7.6 g/ cm and the density of the boron-doped diamond 300 is 3.54 g/cm.
そして、ボンディング層200の密度に対するボロンドープダイヤモンド300の密度の割合は、0.4~0.6の範囲であることができる。ボンディング層200の密度に対するボロンドープダイヤモンド300の密度の比率が0.6より高いと、ボンディング層200とボロンドープダイヤモンド300との間の密度差によるボロンドープダイヤモンド300の浮力が低すぎるため、ボロンドープダイヤモンド300はボンディング層200の内部に浸すことになる可能性がある。ボンディング層200の密度に対するボロンドープダイヤモンド300の密度の比率が0.4より低いと、ボンディング層200とボロンドープダイヤモンド300との密度差によるボロンドープダイヤモンド300の浮力が大きすぎるため、ボロンドープダイヤモンド300はボンディング層200の上面に浮くようになり、水平方向に傾く可能性がある。 The ratio of the density of the boron-doped diamond 300 to the density of the bonding layer 200 can be in the range of 0.4 to 0.6. If the ratio of the density of the boron-doped diamond 300 to the density of the bonding layer 200 is higher than 0.6, the buoyancy of the boron-doped diamond 300 due to the density difference between the bonding layer 200 and the boron-doped diamond 300 is too low, and the boron-doped diamond 300 may be immersed inside the bonding layer 200. If the ratio of the density of the boron-doped diamond 300 to the density of the bonding layer 200 is lower than 0.4, the buoyancy of the boron-doped diamond 300 due to the density difference between the bonding layer 200 and the boron-doped diamond 300 is too high, and the boron-doped diamond 300 may float on the top surface of the bonding layer 200 and tilt horizontally.
ボロンドープダイヤモンド300は、Fe、Ni合金とボロン(Boron:Pure boronまたはBoron carbide)とを触媒剤として炭素に含んで構成することができる。一例として、ボロンドープダイヤモンド300には、Fe、Ni合金と1ppm~2000ppmのボロン(Boron:Pure boronまたはBoron carbide)とが炭素に含まれてもよい。ダイヤモンド構造では、ボロン(Boron)が炭素と置換されたり、ボロン(Boron)がダイヤモンド構造に侵入されることができる。このボロンドープダイヤモンド300は、外部の鉄(Fe)と反応することなく、摩耗に強い耐久性を提供することができる。 The boron-doped diamond 300 can be constructed by incorporating Fe, Ni alloy and boron (Boron: Pure boron or boron carbide) as a catalyst into carbon. As an example, the boron-doped diamond 300 may incorporate Fe, Ni alloy and 1 ppm to 2000 ppm of boron (Boron: Pure boron or boron carbide) into the carbon. In the diamond structure, boron can substitute for carbon or be inserted into the diamond structure. This boron-doped diamond 300 can provide high wear resistance without reacting with external iron (Fe).
ボロンドープダイヤモンド300のTI(Toughness Index)は20~50であり、TTI(Temperature Toughness Index)は14~45であることができる。ボロンドープダイヤモンド300の単位体積当たりの磁化率MS(Magnetic Susceptibility)が20~800であることができ、より好ましくは30~500であることができる。 The TI (Toughness Index) of the boron-doped diamond 300 can be 20 to 50, and the TTI (Temperature Toughness Index) can be 14 to 45. The magnetic susceptibility (MS) per unit volume of the boron-doped diamond 300 can be 20 to 800, and more preferably 30 to 500.
ボロンドープダイヤモンド300の合成過程で触媒剤として使用するFe、Ni等がダイヤモンド内部に異物として含まれる。一般にボロンドープ量が大きいほど異物量も比例的に増加する。MS値が20未満であればボロンドープ量も非常に小さくボロンによる耐腐食性向上効果が低下する可能性があり、MS値が800を超えるとボロンドープ量が大きくなるが、Fe、Ni等の強磁性金属異物の過剰な混入によりダイヤモンド物性が低下する可能性があり、CMPパッドコンディショニング中のダイヤモンド粒子が割れるという問題が生じる可能性がある。ボロンドープダイヤモンド300の内部の金属異物量が多いほどTI、TTI値も低くなるが、これをMS測定を通じても分かることができる。ダイヤモンド靭性(TI、TTI、またはMS)は、CMP条件下で圧力を受けて長時間使用しても壊れないほど高い必要がある。 Fe, Ni, and other metals used as catalysts in the synthesis of boron-doped diamond 300 are contained within the diamond as foreign matter. Generally, the amount of foreign matter increases proportionally as the amount of boron doped increases. If the MS value is less than 20, the amount of boron doped is too small, and the effect of boron in improving corrosion resistance may be reduced. If the MS value exceeds 800, the amount of boron doped is high, but the physical properties of the diamond may be reduced due to excessive contamination with ferromagnetic metal foreign matter such as Fe and Ni, and problems may occur such as cracking of diamond particles during CMP pad conditioning. The greater the amount of metal foreign matter within boron-doped diamond 300, the lower the TI and TTI values, which can also be determined through MS measurement. Diamond toughness (TI, TTI, or MS) must be high enough to withstand prolonged use under pressure under CMP conditions.
ボロンドープダイヤモンド300は、八面体からなるダイヤモンド(octahedron Diamond)であることができる。ダイヤモンドは合成条件に応じて八面体の形で製造されることができ、八面体からなるダイヤモンドは鋭い縁を有し、八面体からなるダイヤモンドにおいて、頂点と中心を結ぶ線と面とがなす角度は35°~45°である。 The boron-doped diamond 300 can be an octahedron diamond. Diamonds can be produced in an octahedron shape depending on the synthesis conditions. Octahedron diamonds have sharp edges, and in octahedron diamonds, the angle between the line connecting the vertex and the center and the face is 35° to 45°.
このようなボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)300は、ボンディング層200に露出するように配置される複数個で設けられることができる。複数のボロンドープダイヤモンド300の少なくとも一部は、長軸Lがシャンクベース100に対して50°超90°以下の角度Cの姿勢でボンディング層200に配置されることができる。 Such boron-doped diamonds (BDD) 300 may be provided in multiple pieces and arranged so as to be exposed to the bonding layer 200. At least some of the multiple boron-doped diamonds 300 may be arranged on the bonding layer 200 with their major axes L at an angle C of more than 50° and not more than 90° relative to the shank base 100.
本実施例では、ダイヤモンド300の複数の頂点のうち、互いに対向しながら最も遠く離れた2つの頂点を互いに結んだ仮想の線を「軸」と定義することができ、これらの複数の「軸」のうち最も長い長さの軸を「長軸(L)」と定義することができる。さらに、「頂点」は互いに隣接する角が会う点と定義することができ、互いに隣接する角が「点」として会わない場合(例えば、頂点に該当する部分が丸い形状である場合、隣接する角を延長した時に延長された角が会う仮想の点を頂点と定義することができる。長軸が50℃以上になるボロンドープダイヤモンドは、セルフスタンディングと定義することができる。 In this embodiment, the imaginary line connecting the two most distant vertices of the diamond 300 that face each other can be defined as an "axis," and the longest axis of these "axes" can be defined as the "major axis (L)." Furthermore, a "vertex" can be defined as the point where adjacent corners meet. If adjacent corners do not meet as a "point" (for example, if the part corresponding to the vertex is rounded), the imaginary point where the extended corners meet when the adjacent corners are extended can be defined as the vertex. A boron-doped diamond whose major axis is 50° or greater can be defined as self-standing.
そしてボロンドープダイヤモンド300の長軸Lがシャンクベース100に対して50°超90°以下の角度Cの姿勢で、ボロンドープダイヤモンド300がボンディング層200の上部で自立して配置されることをセルフスタンディング(Self standing)されることと理解することができる。ボロンドープダイヤモンド300がボンディング層200の上部でセルフスタンディングされるとき、ボロンドープダイヤモンド300の長軸方向下端頂点部は、シャンクベース100の表面に点または線接触されるか所定距離離隔されることができる。 The term "self-standing" can be understood to mean that the boron-doped diamond 300 is positioned independently on the bonding layer 200 with the long axis L of the boron-doped diamond 300 at an angle C of more than 50° and less than 90° relative to the shank base 100. When the boron-doped diamond 300 is self-standing on the bonding layer 200, the apex of the lower end of the long axis direction of the boron-doped diamond 300 can be in point or line contact with the surface of the shank base 100 or can be spaced a predetermined distance apart.
ボロンドープダイヤモンド300の長軸Lがシャンクベース100に対して35°になると、ボロンドープダイヤモンド300は被削材(研磨パッド)と面接触することになるため、被削材に対するボロンドープダイヤモンド300の研磨性能が著しく低下する可能性がある。ボロンドープダイヤモンド300の長軸Lがシャンクベース100に対して90°に近づくほど、ボロンドープダイヤモンド300は被削材(研磨パッド)と点接触することになるため、被削材に対するボロンドープダイヤモンド300の研磨性能が著しく向上することができる。 When the long axis L of the boron-doped diamond 300 is at an angle of 35° to the shank base 100, the boron-doped diamond 300 will come into surface contact with the workpiece (polishing pad), which may significantly reduce the polishing performance of the boron-doped diamond 300 against the workpiece. The closer the long axis L of the boron-doped diamond 300 is to 90° to the shank base 100, the more the boron-doped diamond 300 will come into point contact with the workpiece (polishing pad), which can significantly improve the polishing performance of the boron-doped diamond 300 against the workpiece.
ボロンドープダイヤモンド300の長軸Lがシャンクベース100に対して50°超90°以下の角度Cの姿勢でボンディング層200に配置されるためには、ボロンドープダイヤモンド300の表面とボンディング層200の表面とが会う濡れ角(Wetting angle)θは、90°より小さくなければならず、好ましくは60°より小さくなるようにボンディング層200の成分を構成しなければならない。 In order for the long axis L of the boron-doped diamond 300 to be positioned on the bonding layer 200 at an angle C greater than 50° and less than 90° relative to the shank base 100, the wetting angle θ where the surface of the boron-doped diamond 300 meets the surface of the bonding layer 200 must be less than 90°, and preferably the components of the bonding layer 200 must be configured so that it is less than 60°.
図3及び下記式1を参照すると、濡れ角θは、上方に向く力FVと、下方に向く力FDと、横方向に向く力FLとの上下方向分力によって決められることができる。 Referring to FIG. 3 and Equation 1 below, the wetting angle θ can be determined by the vertical component forces of the upward force FV , the downward force FD , and the lateral force FL .
[式1]
FV=FD+FLcosθ
濡れ角θが90°を超えるとき、FLの上下方向分力が上方であるため、ボロンドープダイヤモンド300はさらに浮くことができ、濡れ角θが90°未満のとき、横方向に向く力FLの上下方向分力の方向が側下方向に変わることができるため、ボロンドープダイヤモンド300は下方に力を受けることができる。
[Formula 1]
F V =F D +F L cosθ
When the wetting angle θ is greater than 90°, the vertical component of the force F L is upward, so the boron-doped diamond 300 can float further, and when the wetting angle θ is less than 90°, the direction of the vertical component of the force F L directed laterally can change to a downward side direction, so the boron-doped diamond 300 can receive a downward force.
例えば、濡れ角θが90°より大きいと、ボロンドープダイヤモンド300は浮力によりボンディング層200がボロンドープダイヤモンド300を正しく支持できず、ボロンドープダイヤモンド300の脱落の危険が高くなり、研磨加工時に発生する残渣(debris)の排出のためのチップポケットがボンディング層200に形成されず、残渣の排出が正しく行われなくなり、研磨性能が著しく低下する可能性がある。好ましくは、八面体のボロンドープダイヤモンド300は、濡れ角θが60°より小さいほど、ボロンドープダイヤモンド300は被削材(研磨パッド)と点または線接触をし、チップポケットがよく形成され、被削材に対するボロンドープダイヤモンド300の研磨性能を著しく向上させることができる。 For example, if the wetting angle θ is greater than 90°, the buoyancy of the boron-doped diamond 300 prevents the bonding layer 200 from properly supporting the boron-doped diamond 300, increasing the risk of the boron-doped diamond 300 falling off. Furthermore, chip pockets for the discharge of debris generated during polishing may not be formed in the bonding layer 200, preventing proper discharge of the debris and significantly reducing polishing performance. Preferably, for an octahedral boron-doped diamond 300, the wetting angle θ is less than 60°, allowing the boron-doped diamond 300 to make point or line contact with the workpiece (polishing pad), effectively forming chip pockets and significantly improving the polishing performance of the boron-doped diamond 300 on the workpiece.
ただし、ボロンドープダイヤモンド300とボンディング層200との間に濡れ角が60°未満であっても、ボンディング層200の厚みが厚すぎる場合、ボンディング層200におけるボロンドープダイヤモンド300の露出高さが低くなり、浮力によって浮遊(floating)してボロンドープダイヤモンド300と被削材とが面接触することができる。また、ボロンドープダイヤモンド300による研磨加工時に発生する残渣の排出のためのチップポケットがボンディング層200に浅く形成されると、研磨加工時に発生する残渣の排出がスムーズでない可能性がある。 However, even if the wetting angle between the boron-doped diamond 300 and the bonding layer 200 is less than 60°, if the bonding layer 200 is too thick, the exposed height of the boron-doped diamond 300 in the bonding layer 200 will be low, and the boron-doped diamond 300 will float due to buoyancy, allowing it to come into surface contact with the workpiece. Furthermore, if the chip pocket for discharging residue generated during polishing with the boron-doped diamond 300 is formed shallowly in the bonding layer 200, the residue generated during polishing may not be discharged smoothly.
そして、ボロンドープダイヤモンド(BDD)300の濡れ角が60°より小さい場合、表面張力によりボロンドープダイヤモンド300がボンディング層200にさらに深く打ち込まれるため、ボロンドープダイヤモンド300がボンディング層200において突出する高さは低くなる可能性がある。したがって、ダイヤモンドディスクの研磨加工時に発生する残渣の排出通路が確保されるようにボンディング層200の厚さは厳密に制御されなければならない。 Furthermore, if the wetting angle of the boron-doped diamond (BDD) 300 is less than 60°, the boron-doped diamond 300 will be driven deeper into the bonding layer 200 due to surface tension, which may reduce the height at which the boron-doped diamond 300 protrudes from the bonding layer 200. Therefore, the thickness of the bonding layer 200 must be strictly controlled to ensure an outlet for the residue generated during polishing of the diamond disk.
また、ボンディング層200の適正厚さより薄くなると、浮力(ボロンドープダイヤモンドとボンディング層との密度差)とウェッティング(wetting)によりセルフスタンディングが発生する可能性がある。この場合、チップポケットがボンディング層200にうまく形成されるが、ボンディング層200の厚さが薄くなりすぎると、ボロンドープダイヤモンド300がシャンクベース100と接触し、表面張力により下方にボロンドープダイヤモンド300がさらに力を受けるようになり、この時、ボロンドープダイヤモンド300は傾いて横になるため、ボンディング層200におけるボロンドープダイヤモンド300の露出高さが低くなり、ボロンドープダイヤモンド300と被削材と面接触する可能性がある。例えば、ダイヤモンドが横になり、ボロンドープダイヤモンド300の長軸とシャンクベース100とのなす角度が35°~45°程度の角度Cの姿勢でボンディング層200に配置されると、ボロンドープダイヤモンド300のセルフスタンディング(self-standing)比率は低くなる可能性がある。 Furthermore, if the bonding layer 200 is thinner than the appropriate thickness, self-standing may occur due to buoyancy (difference in density between the boron-doped diamond and the bonding layer) and wetting. In this case, a chip pocket is successfully formed in the bonding layer 200, but if the bonding layer 200 is too thin, the boron-doped diamond 300 comes into contact with the shank base 100, and surface tension causes the boron-doped diamond 300 to be subjected to additional downward force. At this time, the boron-doped diamond 300 tilts and becomes horizontal, reducing the exposed height of the boron-doped diamond 300 in the bonding layer 200 and potentially causing surface contact between the boron-doped diamond 300 and the workpiece. For example, if the diamond is placed on its side on the bonding layer 200 in an orientation where the angle between the long axis of the boron-doped diamond 300 and the shank base 100 is an angle C of approximately 35° to 45°, the self-standing ratio of the boron-doped diamond 300 may be low.
本発明によるボンディング層200の厚さは、平均ダイヤモンド粒径(直径)に対して一定の割合を有する。例えば、本発明によるボロンドープダイヤモンド300の平均直径に対するボンディング層200の厚さ比は、30%乃至65%の範囲であり得る。[表2]は、ボンディング層200の高さ別角度良好なダイヤモンド比率(セルフスタンディング比率)およびPCR(Pad cut rate)を示す表である。ダイヤモンドは、粒子サイズはメッシュサイズで一定の範囲を有し、ダイヤモンドの平均サイズはANSI規格に従った。例えば[表2]で使用されたダイヤモンドは#80~#100で、平均サイズは150umで、サイズ範囲は127~181umである。約4″の直径のディスク上に400個/cm2の密度でダイヤモンドが付着している。ダイヤモンドの平均サイズに応じて単位面積当たりに付着するダイヤモンドの数は変わることができる。 The thickness of the bonding layer 200 according to the present invention has a certain ratio to the average diamond grain size (diameter). For example, the ratio of the thickness of the bonding layer 200 to the average diameter of the boron-doped diamond 300 according to the present invention can range from 30% to 65%. Table 2 shows the diamond ratio (self-standing ratio) and PCR (pad cut rate) for each height of the bonding layer 200. Diamond grain size has a certain range depending on the mesh size, and the average diamond size follows the ANSI standard. For example, the diamonds used in Table 2 were #80 to #100, with an average size of 150 μm and a size range of 127 to 181 μm. Diamonds were deposited on a disk with a diameter of approximately 4 inches at a density of 400 diamonds/ cm² . The number of diamonds deposited per unit area can vary depending on the average size of the diamonds.
すなわち、ボロンドープダイヤモンド300の平均直径に対するボンディング層200の厚み比率が70%以上でPCRが非常に低くなるため、ボロンドープダイヤモンド300の平均直径に対するボンディング層200の厚さ比率は70%未満に管理されなければならない。そしてボンディング層200の厚さが薄すぎる場合、PCR値がある程度維持されても、ダイヤモンド脱落の危険があるため、少なくともボンディング層200の厚さはダイヤモンド平均サイズに対して30%以上でなければならない。したがって、ボロンドープダイヤモンド300の平均直径に対するボンディング層200の厚さ比は、30%~65%の範囲が好ましい。 In other words, if the thickness ratio of the bonding layer 200 to the average diameter of the boron-doped diamond 300 is 70% or more, the PCR becomes very low, so the thickness ratio of the bonding layer 200 to the average diameter of the boron-doped diamond 300 must be controlled to less than 70%. Furthermore, if the thickness of the bonding layer 200 is too thin, even if the PCR value is maintained to a certain extent, there is a risk of the diamond falling off, so the thickness of the bonding layer 200 must be at least 30% or more of the average size of the diamond. Therefore, the thickness ratio of the bonding layer 200 to the average diameter of the boron-doped diamond 300 is preferably in the range of 30% to 65%.
図6は、ボロンドープ八面体ダイヤモンド300と一般八面体ダイヤモンドの熱処理後の断面写真を示す。ボロンがドープされていない一般ダイヤモンドが八面体(Octahedron)形状であっても、PCRテスト装置でPCRテストを15分進行した場合、一般ダイヤモンドのPCR値は、同じ条件のボロンドープダイヤモンド(BDD)300のPCR値に比べて低くなる。ブロッキータイプ(Blocky type)、すなわち、立方八面体(cube-octahedral)形状のダイヤモンドは、ボロンドープされているか否かにかかわらず、ボロンドープダイヤモンドディスクと同じ条件のPCRテストで非常に低いPCR値を示す。 Figure 6 shows cross-sectional photographs of boron-doped octahedral diamond 300 and regular octahedral diamond after heat treatment. Even though regular diamonds that are not doped with boron have an octahedron shape, when a PCR test is carried out for 15 minutes in a PCR test device, the PCR value of the regular diamond is lower than the PCR value of boron-doped diamond (BDD) 300 under the same conditions. Blocky-type diamonds, i.e., cubic-octahedral shaped diamonds, whether doped with boron or not, show very low PCR values in PCR tests under the same conditions as boron-doped diamond disks.
図7を参照すると、ボロンドープダイヤモンド300と一般八面体ダイヤモンドに製造されたディスクの長時間によるPCR(Pad cut rate)を測定するために、PCRテスト装置、研磨パッド、CMPパッドコンディショナー(CMP Pad Conditioner)、スラリーを準備する。一例として、PCRテスト装置にはCTS社のCMPポリッシャーを使用することができ、研磨パッドとしては直径20"のIC1010(Dupont)製品を使用することができ、スラリーとしてはW7000(Cabot microelectronics)を使用することができる。そしてCMPパッドコンディショナーには直径4"ボロンドープ八面体ダイヤモンド300と一般八面体ダイヤモンドが備えられることができる。 Referring to Figure 7, to measure the long-term PCR (Pad Cut Rate) of disks fabricated from boron-doped diamond 300 and general octahedral diamond, a PCR tester, polishing pad, CMP pad conditioner, and slurry are prepared. As an example, a CTS CMP polisher can be used as the PCR tester, a 20" diameter IC1010 (Dupont) product can be used as the polishing pad, and a W7000 (Cabot microelectronics) product can be used as the slurry. The CMP pad conditioner can be equipped with a 4" diameter boron-doped octahedral diamond 300 and a general octahedral diamond.
PCRテスト装置、研磨パッド、CMPパッドコンディショナー、及びスラリーが用意されると、研磨パッドは80~95rpmで回転し、CMPパッドコンディショナーが100~120rpmで回転するとき、CMPパッドコンディショナーのボロンドープダイヤモンド300または一般八面体ダイヤモンドが研磨パッドを4乃至9lbfの加圧状態で、PCRがパッドコンディショニングのための最小のPCR値を下回るまでに使用された時間を測定する。PCR値が設定値を下回ると、CMPパッドコンディショナーとして役割が不十分であると見なす。この時、CMPパッドコンディショナーは研磨パッドの中央から端まで1分当たり18~20回往復運動しながら研磨パッドを研磨することができ、1分当たり300mlのスラリーを研磨パッドに提供することができる。 After preparing the PCR test device, polishing pad, CMP pad conditioner, and slurry, the polishing pad is rotated at 80-95 rpm, and the CMP pad conditioner is rotated at 100-120 rpm. The time used for the CMP pad conditioner's boron-doped diamond 300 or general octahedral diamond to pressurize the polishing pad at 4-9 lbf is measured until the PCR falls below the minimum PCR value for pad conditioning. If the PCR value falls below the set value, the CMP pad conditioner is deemed to be insufficient in its function. The CMP pad conditioner can polish the polishing pad by moving back and forth from the center to the edge of the polishing pad 18-20 times per minute, providing 300 ml of slurry to the polishing pad per minute.
長時間のPCRテストの結果、一般八面体ダイヤモンドが装着されたCMPパッドコンディショナーは、例えばPCRが10um/hrに達するのに8時間かかったのに対し、ボロンドープダイヤモンド300を装着したCMPパッドコンディショナーはPCRが10に達するのに13時間かかることを確認することができた。本明細書に記載のPCRテストでは、CMPパッドコンディショナーが、PCRが、例えば10μm/hrに達するのに13時間かかったが、13時間以上の時間がかかることも本発明の思想に含まれ得る。CMPパッドコンディショナーが、PCRが10μm/hrに達するのに要する時間は長ければ長いほど有利であるため、本明細書においてPCRが10μm/hrに達するのに要する時間の上限は明示する必要がないが、CMPパッドコンディショナーが、PCRが10μm/hrに達するのに要する時間は100時間であってもよい。また、設定値を、例えば5μm/hr、または2μm/hrとした場合でも、ボロンドープダイヤモンド300が一般八面体ダイヤモンドよりもパッド研磨特性を30%以上より長く維持することが確認できた。 Long-term PCR testing confirmed that, for example, a CMP pad conditioner equipped with a general octahedral diamond required 8 hours to reach a PCR of 10 μm/hr, while a CMP pad conditioner equipped with a boron-doped diamond 300 required 13 hours to reach a PCR of 10 μm/hr. In the PCR tests described herein, it took 13 hours for the CMP pad conditioner to reach a PCR of 10 μm/hr, but times longer than 13 hours are also within the scope of the present invention. Since the longer it takes for a CMP pad conditioner to reach a PCR of 10 μm/hr, the more advantageous it is. Therefore, there is no need to specify an upper limit for the time required for a CMP pad conditioner to reach a PCR of 10 μm/hr. However, the time required for a CMP pad conditioner to reach a PCR of 10 μm/hr may be 100 hours. Furthermore, even when the set value was set to, for example, 5 μm/hr or 2 μm/hr, it was confirmed that boron-doped diamond 300 maintained its pad polishing characteristics for 30% or longer than ordinary octahedral diamond.
図4および図5は、前記実験条件でディスク上の個々のダイヤモンドを経時的に観察したSEM写真である。比較例は一般八面体ダイヤモンドで、使用前には尖った縁が観察されるが、10時間、15時間後には縁がほぼ摩耗したことが観察される。一方、実施例であるボロンドープ八面体ダイヤモンドは、10時間、26時間使用後も縁が比較的摩耗していないことが確認できる。 Figures 4 and 5 are SEM photographs of individual diamonds on a disk observed over time under the above experimental conditions. The comparative example is a regular octahedral diamond, which has sharp edges before use, but after 10 and 15 hours, the edges are observed to have almost completely worn away. On the other hand, the boron-doped octahedral diamond used in the example shows that the edges are relatively unworn even after 10 and 26 hours of use.
図8を参照すると、ダイヤモンドのみAir雰囲気で750℃、3hr処理して重量変化を確認することができる。一般ダイヤモンドは24.8%重量が減少するのに対し、本発明によるボロンドープダイヤモンド(BDD)300の場合、2.5%重量が減少する。例えば、ボロンドープダイヤモンドは、一般ダイヤモンドよりも著しく低い重量変化率を示した。すなわち、ボロンドーピングによりダイヤモンドが空気中の酸素と反応することを抑制し、化学的に非常に安定していることを確認することができる。 Referring to Figure 8, the weight change can be confirmed by treating only diamond in an air atmosphere at 750°C for 3 hours. While the weight of ordinary diamonds decreased by 24.8%, the weight of the boron-doped diamond (BDD) 300 according to the present invention decreased by 2.5%. For example, boron-doped diamonds showed a significantly lower weight change rate than ordinary diamonds. This confirms that boron doping inhibits diamonds from reacting with oxygen in the air, making them highly chemically stable.
したがって、本発明によるダイヤモンドディスクは、鉄(Fe)と反応しない窒化ホウ素(CBN)と同じ特徴を有しつつ、摩耗に強いダイヤモンドの特徴を全て提供することができ、ダイヤモンドディスクの寿命を改善することができる。 Therefore, the diamond disc according to the present invention can provide all the wear-resistant characteristics of diamond while retaining the same characteristics as boron nitride (CBN), which does not react with iron (Fe), thereby improving the lifespan of the diamond disc.
以下、図9を参照して、本発明の一実施例によるダイヤモンドディスクの製造方法について説明する。 Below, with reference to Figure 9, a method for manufacturing a diamond disk according to one embodiment of the present invention will be described.
図9を参照すると、本発明の一実施例によるダイヤモンドディスクの製造方法は、ボンディング材料塗布段階S100、仮焼結段階S200、ダイヤモンド提供段階S300及び熱処理段階S400を含むことができる。 Referring to FIG. 9, a method for manufacturing a diamond disk according to one embodiment of the present invention may include a bonding material application step S100, a preliminary sintering step S200, a diamond provision step S300, and a heat treatment step S400.
前記ボンディング材料塗布段階S100では、シャンクベースの表面にボンディング材料を塗布することができる。ボンディング材料は、60wt%以上のNiと、Cr、Siなどの他の元素を含むことができる。 In the bonding material application step S100, a bonding material can be applied to the surface of the shank base. The bonding material can contain 60 wt% or more of Ni and other elements such as Cr and Si.
前記仮焼結段階S200では、シャンクベースの表面に塗布されたボンディング材料が第1温度範囲で加熱及び乾燥される仮焼結過程を経て固相(solid phase)の仮焼結体を形成することができる。このとき、第1温度範囲は600℃~900℃の温度範囲であることができる。前記仮焼結段階S200では、ボロンドープダイヤモンドの平均直径に対する最終熱処理後のボンディング層の厚み比率が、30%~65%の範囲であることができる。 In the preliminary sintering step S200, the bonding material applied to the surface of the shank base is heated and dried in a first temperature range to form a solid-phase preliminary sintered body. The first temperature range may be 600°C to 900°C. In the preliminary sintering step S200, the thickness ratio of the bonding layer after the final heat treatment to the average diameter of the boron-doped diamond may be in the range of 30% to 65%.
前記ダイヤモンド提供段階S300では、複数のボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)を仮焼結体の表面に提供することができる。このとき、複数のボロンドープダイヤモンドは、穿孔ジグを用いて仮焼結体上に接着剤で仮接着することができる。 In the diamond providing step S300, a plurality of boron-doped diamonds (BDDs) can be provided on the surface of the pre-sintered body. At this time, the plurality of boron-doped diamonds can be temporarily bonded to the pre-sintered body with an adhesive using a drilling jig.
前記熱処理段階S400では、複数のボロンドープダイヤモンドが起立状態で仮焼結体に露出するように配置されるように第2温度範囲で熱処理することができる。複数のボロンドープダイヤモンドのうち少なくとも一部は、長軸Lがシャンクベースに対して60°超90°以下の角度Cの姿勢でセルフスタンディングされることができる。このとき、第2温度範囲は、1000℃~1300℃の温度範囲であることができる。 In the heat treatment step S400, the plurality of boron-doped diamonds may be heat-treated in a second temperature range so that they are arranged in an upright state and exposed to the pre-sintered body. At least some of the plurality of boron-doped diamonds may be self-standing with their major axes L at an angle C of more than 60° and less than 90° relative to the shank base. In this case, the second temperature range may be between 1000°C and 1300°C.
前記熱処理段階S400において、固相の仮焼結体は液状のボンディング層に相変化する。これにより、個々のボロンドープダイヤモンドの一部(約50vol%程度)は密度差による浮力でボンディング層200の上面に露出することができ、個別ボロンドープダイヤモンドの残り一部(約50vol%程度)がボンディング層表面下に沈むことができる。 In the heat treatment step S400, the solid-phase pre-sintered body changes phase to a liquid bonding layer. As a result, a portion (approximately 50 vol%) of the individual boron-doped diamonds can be exposed to the upper surface of the bonding layer 200 due to buoyancy caused by the density difference, and the remaining portion (approximately 50 vol%) of the individual boron-doped diamonds can sink below the surface of the bonding layer.
このとき、八面体の形状を有するボロンドープダイヤモンドの下端頂部は下方に向くのが最も安定的である。高温熱処理温度でボンディング層の粘度と熱処理時間によって変わることがあるが、この条件で長期間維持すると、ボロンドープダイヤモンドの回転が起こり、セルフスタンディング(self standing)現象が起こり得る。 At this time, it is most stable for the octahedral boron-doped diamond to have its lower apex pointing downward. This may vary depending on the high-temperature heat treatment temperature, the viscosity of the bonding layer, and the heat treatment time, but if maintained under these conditions for a long period of time, the boron-doped diamond may rotate, resulting in a self-standing phenomenon.
前記熱処理段階S400では、仮焼結体の表面とボロンドープダイヤモンドの表面とが会う濡れ角(Wetting angle)は、0°以上60°以下に維持されることができる。八面体のボロンドープダイヤモンドは濡れ角が60°より小さいほどチップポケット形成が良くなり、ボロンドープダイヤモンドは被削材(研磨パッド)と点または線接触をすることになるため、被削材に対するボロンドープダイヤモンドの研磨性能が著しく増加することができる。 In the heat treatment step S400, the wetting angle where the surface of the pre-sintered body meets the surface of the boron-doped diamond can be maintained between 0° and 60°. For octahedral boron-doped diamond, the wetting angle less than 60° improves chip pocket formation, and since the boron-doped diamond makes point or line contact with the workpiece (polishing pad), the polishing performance of the boron-doped diamond on the workpiece can be significantly improved.
上述したように、本発明は、八面体構造のボロンドープダイヤモンドを介して優れた耐摩耗性と高い研削性能を具現することができ、ボロンドープダイヤモンドがセルフスタンディングされる割合が一定比率以上となるため、耐摩耗性を改善し研削性能が向上され得るという優れた利点を有する。 As described above, the present invention can achieve excellent wear resistance and high grinding performance through the octahedral boron-doped diamond, and has the excellent advantage of improving wear resistance and grinding performance because the proportion of self-standing boron-doped diamond is above a certain level.
以上、本発明の実施形態を具体的な実施例として説明したが、これは例示に過ぎず、本発明はこれに限定されず、本明細書に開示された技術的思想に従う最も広い範囲を有するものと解釈されるべきである。当業者は、開示された実施例を組合せ/置換して摘示されていない形状のパターンを実施することができるが、これも本発明の範囲から逸脱しないであろう。さらに、当業者は、本明細書に基づいて開示された実施例を容易に変更または変形することができ、そのような変更または変形も本発明の権利範囲に属することは明らかである。
Although the embodiments of the present invention have been described above using specific examples, these are merely examples, and the present invention is not limited thereto and should be construed as having the broadest scope in accordance with the technical ideas disclosed herein. Those skilled in the art may combine/substitute the disclosed examples to implement patterns of shapes not shown, but this would not depart from the scope of the present invention. Furthermore, those skilled in the art may easily modify or change the disclosed examples based on this specification, and it is clear that such modifications or changes also fall within the scope of the present invention.
Claims (10)
シャンクベース;
前記シャンクベースの表面に形成されるボンディング層;及び
前記ボンディング層に露出するように配置される複数のボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)を含み、
前記複数のボロンドープダイヤモンドの少なくとも一部は、前記ボロンドープダイヤモンドの長軸と交わる最上面が、前記長軸の上端から下方に傾斜した姿勢で、前記ボンディング層に配置され、
前記ボロンドープダイヤモンドは、該ボロンドープダイヤモンドの長軸が前記シャンクベースに対して50°超90°以下の角度を有するような姿勢で、前記ボンディング層に配置され、
前記ボンディング層の表面と前記ボロンドープダイヤモンドの各々の表面とが交わる濡れ角は、0°以上60°以下に維持され、
前記濡れ角は、下記の数式1によって決定され:
[数式1]
F V =F D +F L ・cosθ
ここで、前記ボンディング層の表面と前記ボロンドープダイヤモンドの表面との間の接点において、F V は、前記ボロンドープダイヤモンドと空気との間の界面エネルギーにより作用する上向きの力であり、F D は、ボロンドープダイヤモンドと前記ボンディング層との間の前記界面エネルギーにより作用する下向きの力であり、F L は、前記ボンディング層と空気との間の前記界面エネルギーにより前記ボンディング層の接点に作用する力であり、θは、濡れ角である、ダイヤモンドディスク。 1. A diamond disc for use in a chemical mechanical polishing pad conditioner, comprising:
Shank base;
a bonding layer formed on a surface of the shank base; and a plurality of boron-doped diamonds (BDDs) arranged so as to be exposed to the bonding layer,
At least some of the boron-doped diamonds are arranged on the bonding layer in such a manner that the uppermost surfaces intersecting with the long axes of the boron-doped diamonds are inclined downward from the upper ends of the long axes;
The boron-doped diamond is placed on the bonding layer in an orientation such that the long axis of the boron-doped diamond forms an angle of more than 50° and not more than 90° with respect to the shank base;
a wetting angle between the surface of the bonding layer and each surface of the boron-doped diamond is maintained between 0° and 60° ;
The wetting angle is determined by the following equation:
[Formula 1]
F V =F D +F L ・cosθ
wherein, at the contact point between the surface of the bonding layer and the surface of the boron-doped diamond, F V is an upward force acting due to the interfacial energy between the boron-doped diamond and air, F D is a downward force acting due to the interfacial energy between the boron-doped diamond and the bonding layer, F L is a force acting on the contact point of the bonding layer due to the interfacial energy between the bonding layer and air, and θ is a wetting angle , diamond disk.
前記ボロンドープダイヤモンドの下端部は、前記ボロンドープダイヤモンドが前記ボンディング層の上部で起立されたときに前記シャンクベースの表面に点または線接触したり、所定距離離隔することを特徴とする請求項3に記載のダイヤモンドディスク。 The boron-doped diamond is an octahedron diamond,
The diamond disk of claim 3, wherein the lower end of the boron-doped diamond makes point or line contact with the surface of the shank base or is spaced a predetermined distance from the surface when the boron-doped diamond is raised on top of the bonding layer.
前記ダイヤモンドディスクは、化学機械的研磨パッドコンディショナーに使用され、
当該製造方法は、
シャンクベースの表面にボンディング材料を塗布するボンディング材料塗布段階;
前記シャンクベースの表面に塗布された前記ボンディング材料を第1温度範囲で加熱して仮焼結体の形態のボンディング層を形成する仮焼結段階;
複数のボロンドープダイヤモンド(BDD:Boron Doped Diamond)を前記仮焼結体の表面に提供するダイヤモンド提供段階;及び
第2温度範囲で熱処理を実施する熱処理段階であって、前記複数のボロンドープダイヤモンドの少なくとも一部は、前記ボロンドープダイヤモンドの長軸と交わる最上面が、前記長軸の上端から下方に傾斜した姿勢で、前記ボンディング層に配置される、熱処理段階
を有し、
前記熱処理段階では、前記ボロンドープダイヤモンドは、該ボロンドープダイヤモンドの長軸が前記シャンクベースに対して50°超90°以下の角度を有するような姿勢で、露出された状態で前記ボンディング層に配置され、
前記熱処理段階では、前記ボンディング層の表面と前記ボロンドープダイヤモンドの各々の表面とが交わる濡れ角は、0°以上60°以下に維持され、
前記濡れ角は、下記の数式1によって決定され:
[数式1]
F V =F D +F L ・cosθ
ここで、前記ボンディング層の表面と前記ボロンドープダイヤモンドの表面との間の接点において、F V は、前記ボロンドープダイヤモンドと空気との間の界面エネルギーにより作用する上向きの力であり、F D は、ボロンドープダイヤモンドと前記ボンディング層との間の前記界面エネルギーにより作用する下向きの力であり、F L は、前記ボンディング層と空気との間の前記界面エネルギーにより前記ボンディング層の接点に作用する力であり、θは、濡れ角である、ダイヤモンドディスクの製造方法。 A method for manufacturing a diamond disc, comprising:
The diamond disc is used in a chemical mechanical polishing pad conditioner;
The manufacturing method includes:
a bonding material application step of applying a bonding material to a surface of the shank base;
a pre-sintering step of heating the bonding material applied to the surface of the shank base within a first temperature range to form a bonding layer in the form of a pre-sintered body;
a diamond providing step of providing a plurality of boron-doped diamonds (BDDs) on the surface of the pre-sintered body; and a heat treatment step of carrying out a heat treatment in a second temperature range, wherein at least some of the plurality of boron-doped diamonds are placed on the bonding layer with their uppermost surfaces intersecting with the long axes of the boron-doped diamonds inclined downward from the upper ends of the long axes,
In the heat treatment step, the boron-doped diamond is placed on the bonding layer in an exposed state in an orientation such that the long axis of the boron-doped diamond has an angle of more than 50° and not more than 90° with respect to the shank base;
In the heat treatment step, a wetting angle between a surface of the bonding layer and each surface of the boron-doped diamond is maintained between 0° and 60° ,
The wetting angle is determined by the following equation:
[Formula 1]
F V =F D +F L ・cosθ
wherein, at the contact point between the surface of the bonding layer and the surface of the boron-doped diamond, F V is an upward force acting due to interfacial energy between the boron-doped diamond and air, F D is a downward force acting due to the interfacial energy between the boron-doped diamond and the bonding layer, F L is a force acting on the contact point of the bonding layer due to the interfacial energy between the bonding layer and air, and θ is a wetting angle .
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