CN100356516C - 单层研磨垫及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种兼具所需硬度与可压缩性的单层研磨垫及其制造方法。利用发泡成型的发泡塑料以及切割的方式来制造研磨垫，让研磨垫的研磨面的密度与固定支撑面的密度不同。

Description

单层研磨垫及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种研磨装置与其制造方法，且特别是有关于一种单层研磨垫及其制造方法。

背景技术

在半导体集成电路的制造过程中，随着隔离结构、晶体管、金属层与介电层一层层堆栈上去之后，晶圆的表面也跟着越来越不平坦。受限于曝光机所能达到的聚焦深度(depth of focus)的限制，将光罩图案转移至晶圆上光阻的过程也就越加困难，曝光结果也越容易失真。而化学机械研磨法是唯一可以让晶圆全面平坦化的制程，让上述的问题得以解决。

化学机械研磨法在进行当中，是将晶圆压在研磨垫上，让晶圆在表面布满研浆的研磨垫上移动，而研浆中含有微细的研磨颗粒与化学试剂。因此晶圆在研磨垫上移动时，可通过研磨颗粒的机械式研磨与化学试剂的化学反应二者的帮助来进行晶圆的平坦化制程。

由于化学机械研磨法的首要目标为能让晶圆均匀地全面平坦化，而且还要能让同一批次晶圆的平坦化结果具有重复性。而研磨垫的硬度(rigidity或stiffness)以及可压缩性(compressibility或compliance)与晶圆研磨后的平坦度有相当大的关系。一般来说，硬度高的研磨垫可以增加晶圆研磨的平坦度，而可压缩性高的研磨垫则可以增加晶圆研磨的均匀度。因此在使用硬度较高的研磨垫来研磨晶圆之后，往往还需要再使用硬度较低的研磨垫来改善晶圆研磨的均匀度，这使得化学机械研磨法的产量较低。

为了兼顾上述的硬度与可压缩性的要求，现有技术中多以至少一层硬垫与至少一层软垫叠合在一起来组成所需的研磨垫，例如第5212910号美国专利与第5257478号美国专利所公开的研磨垫。然而，如第6217426号美国专利所述，由至少两层叠合而成的研磨垫虽然可以部分兼顾晶圆研磨的平坦度与均匀度的要求，但又同时衍生一些问题。例如由于软硬垫对于压力的传播方式不同，有时反而会让研磨的均匀度变得更差。而且，若研磨垫所使用的叠合层数越多，则研磨垫的硬度与可压缩性的变量也就越多，造成越难控制晶圆研磨的平坦度与均匀度。此外在研磨过程中，由至少两层叠合而成的研磨垫容易因为外力而彼此脱离。因此，第6217426号美国专利公开在研磨垫的下方形成具有突起与沟渠的图案，来限制压力在研磨垫的传递区域以及增加研磨垫的可压缩性。

上述现有技术中，无可避免地增加了制程复杂度及制造成本。

发明内容

因此本发明的目的就是在提供一种兼具所需硬度与可压缩性的单层研磨垫，以兼顾研磨的平坦度与均匀度。

本发明的另一目的是在提供一种兼具所需硬度与可压缩性的单层研磨垫的制造方法，利用研磨垫材料中的大小孔洞的分布来控制研磨垫的硬度与可压缩性。

根据本发明的上述与其它目的，提出一种单层研磨垫。上述的单层研磨垫包括本体、位于本体一侧的研磨面以及位于本体另一侧的固定支撑面。其中，本体是由多孔洞聚合物所构成。而研磨面的密度与固定支撑面的密度不同。

依照本发明一较佳实施例，上述的研磨面的密度大于固定支撑面的密度。

依照本发明另一较佳实施例，上述的研磨面具有至少一第一区域与至少一第二区域，且第一区域的密度大于第二区域的密度。

依照本发明又一较佳实施例，上述的固定支撑面具有至少一第三区域与至少一第四区域，且第三区域的密度大于第四区域的密度。

根据本发明的上述与其它目的，提出一种单层研磨垫。上述的单层研磨垫包括位于研磨垫一侧的研磨面、位于研磨垫另一侧的固定支撑面、以及介于研磨面及固定支撑面的中心部。其中，研磨垫是由多孔洞聚合物所构成。而研磨垫中心部的孔隙率大于研磨面的孔隙率。

依照本发明的一较佳实施例，上述的固定支撑面的孔隙率大于研磨面的孔隙率。

根据本发明的上述与其它目的，提出一种单层研磨垫的制造方法。首先，以发泡成型法来制造有平坦的第一表面与第二表面的发泡垫状物。然后，去除第一表面以形成新的且平坦的第三表面。上述的第二表面的密度大于第三表面的密度，因此第二表面可做为一研磨面，而第三表面可做为一固定支撑面。

根据本发明的上述与其它目的，提出一种单层研磨垫的制造方法。首先，以发泡成型法来制造厚度不一的发泡垫状物。上述的发泡垫状物具有至少一第一区域与至少一第二区域，且第一区域的厚度大于第二区域的厚度。然后，去除发泡垫状物的一侧表面以形成平坦的第一表面。其中位于第一区域的第一表面的密度小于位于第二区域的第一表面的密度。

依照本发明一较佳实施例，还可以再进一步去除上述的发泡垫状物的另一侧表面，以形成平坦的第二表面。

由上述本发明较佳实施例可知，利用发泡材料内部大小发泡微胞的分布特性，可以制造出具有软硬度均一的上下表面的单层研磨垫，也可以制造出具有软硬度不一的上下表面的单层研磨垫。因此，可以在兼顾研磨垫的制造成本以及化学机械研磨法的产量之下，很容易就可同时达到晶圆研磨的均匀度与平坦度的需求。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图的详细说明如下：

图1所示为发泡材料中的发泡微胞分布状况的剖面结构示意图。

图2A-2B所示为依照本发明一较佳实施例的一种研磨垫的剖面结构示意图。

图3所示为依照本发明另一较佳实施例的一种发泡成型法所需的模具的剖面结构示意图。

图4所示为利用图3的模具来发泡成型后的发泡体的剖面结构示意图。

图5所示为图4的发泡体经切割后所得的研磨垫的剖面结构示意图。

图6A-6D所示为图5的研磨垫的软区域与硬区域在研磨垫的研磨面上的分布俯视示意图。

附图标记说明：

100：发泡体      102：聚合物

104：发泡微胞    106：内部区域

108：表面区域    200：研磨垫

202：顶面        203：中心部

204：底面        250：研磨垫

252：顶面        253：中心部

254：底面        300：模具

302：空腔        304：内部顶面

306：内部底面    310：区域

320：区域        400：发泡体

401：聚合物      402：发泡微胞

405：高度        410：区域

415：区域        420：区域

425：区域        500：研磨垫

510：软区域      520：硬区域

550：研磨面      600：晶圆

A-A’：剖线      B-B’：剖线

具体实施方式

本发明提供一种兼具所需硬度与可压缩性的单层研磨垫及其制造方法。在较佳实施例中，利用发泡材料在形成过程中的不同尺寸发泡微胞(cell)的分布特性，制造出软硬适中的单层研磨垫，以解决已知研磨垫的问题。

塑料在加入发泡剂或打入气体之后，利用已知的发泡成型方法可形成发泡体(foamed plastic)。发泡体内部会有许多大小不一的发泡微胞，一般尺寸小的发泡微胞会分布在接近发泡体表面的地方，而尺寸大的发泡微胞会分布在发泡体的内部，如图1所示。

图1所示为发泡材料中的发泡微胞分布状况的剖面结构示意图。在图1中，发泡体100是由内部具有发泡微胞104的聚合物102所组成。位于发泡体100表面区域108的发泡微胞104的尺寸较小，位于发泡体100内部区域106的发泡微胞104的尺寸较大。因此单位体积的发泡体质量，亦即发泡体的密度(density)为内部区域106小于表面区域108。换个方式来说，发泡体100的内部区域106的单位体积中孔洞所占体积，亦即孔隙率(porosity)，大于表面区域108的孔隙率，且此孔隙率的分布为由表面区域108至内部区域106逐渐地变大。如此所得的结果为发泡体100的表面区域108的硬度较大，而内部区域106的可压缩性较大。

实施例一

根据本发明的一较佳实施例，利用上述的塑料发泡成型的方法来制造研磨垫。请参考图1，要制造研磨垫的发泡体100，所用的聚合物102的原料较佳包括有聚氨酯(polyurethane)、环氧树脂(epoxy resin)、酚甲醛树脂(phenol formaldehyde resin)、三聚氰胺树脂(melamine resin)以及其它合适的热固树脂(thermosetting resin)。形成发泡体100的方法可为任何适宜的发泡成型技术，例如聚合物加工中常见的射出成型(injection molding)技术。而发泡体100的软硬程度与所选用的聚合物102的原料有关，也与发泡体100发泡后的整体的孔隙率有关。由于这是熟悉此技术的人所能自行决定调整的内容，在此不再赘述。

上述发泡体100的内部区域106的孔隙率(Pi)与表面区域108的孔隙率(Ps)的比值(Pi/Ps)较佳为大于1.3，更佳为大于1.5。而发泡体100的厚度较佳为2-8mm。

因此，可以在沿着发泡体100的厚度方向t上选择适当的位置来进行切割。例如，分别沿着A-A’剖线与B-B’剖线来切割发泡体100时，可以分别得到如图2A以及图2B所示的研磨垫200与250。比较图2A的研磨垫200与图2B的研磨垫250，由于研磨垫200的底面204的密度比研磨垫250的底面254的密度小，所以底面204的柔软度较高，让研磨垫200的底面204的可压缩性比研磨垫250的底面254的可压缩性大。

一般来说，例如图2A与图2B中的研磨垫200与250，由于其密度较大(亦即孔隙率较小)的顶面202与顶面252具有较高的硬度，通常会使用其为研磨面，让顶面202与顶面252和晶圆直接接触。具有较小密度(亦即孔隙率较大)的底面204与254，则会分别作为研磨垫200与250的固定支撑面，用来固定支撑研磨垫200与250。

除此之外，如图2A与图2B中的研磨垫200与250，其介于顶面202与252以及底面204与254的中心部203与253的孔隙率分别大于顶面202与252的孔隙率，且此孔隙率的分布为由顶面202与252至中心部203与253分别逐渐地变大。特别是，中心部203与253的孔隙率分别与顶面202与252的孔隙率的比值较佳为大于1.3，更佳为大于1.5。例如顶面202或252的孔隙率为20％时，中心部203或253的孔隙率较佳为大于30％。

根据上述，由于研磨垫的硬度较大时，能让晶圆研磨的平坦度较高；而研磨垫的可压缩性较大时，能让晶圆研磨的均匀度较高。所以可以根据需求，在沿着发泡体的厚度方向上选择适当的位置来进行切割，即可得到兼具所需硬度与可压缩性的单层研磨垫。

实施例二

依据本发明的另一较佳实施例，可利用如图3所示的模具300，以发泡成型法来制造所需的研磨垫。图3所示为依照本发明另一较佳实施例的一种发泡成型法所需的模具的剖面结构示意图。在图3中，模具300具有一空腔302，空腔302的内部底面306为平坦的，而且内部顶面304为非平坦的。因此空腔302可以至少区分成间距不同的两个区域，即间距较大的区域310与间距较小的区域320。

例如，使用射出成型法，在模具300中加入聚合物与发泡剂，或者是加入聚合物与注入气体，让聚合物在空腔302中发泡成型。待聚合物发泡成型后，所得的发泡体400的剖面结构示意图如图4所示。要制造研磨垫的发泡体400，所用的聚合物401的原料较佳包括有聚氨酯、环氧树脂、酚甲醛树脂、三聚氰胺树脂以及其它合适的热固树脂。而发泡体400的软硬度以及可压缩性与所选用的聚合物401的原料有关，也与发泡体100发泡后的整体的孔隙率有关。由于此为熟悉此项技术的人所能自行决定调整的内容，在此不再赘述。

图4所示为利用图3的模具来发泡成型后的发泡体的剖面结构示意图。在图4中，发泡体400内部的发泡微胞402在聚合物401中的分布，仍然是靠近发泡体400表面区域的发泡微胞402的尺寸较小，而靠近内部中央区域的发泡微胞402的尺寸较大。另外，发泡体400具有厚度不同的两个区域，即厚度较大的区域410与厚度较小的区域420。因此即使在发泡体400内的相同高度处，位于不同区域的发泡体400的密度会不一样。例如同在高度405的地方，区域415的发泡体400的密度比区域425的密度小。其因为区域415所在的区域410的厚度较大，使得位于高度405处的区域415位于较靠近发泡体400的内部中央处，而相同位于高度405处的区域425反而是处于较靠近发泡体400的表面处。

若沿着高度405来切割发泡体400，则可以得到如图5所示的研磨垫。图5所示为图4的发泡体经切割后所得的研磨垫的剖面结构示意图。在图5中，研磨垫500的研磨面550具有软区域510与硬区域520，对应于图4中的区域410与区域420。如前面图4所述，软区域510的密度较小，而硬区域520的密度较大。因此软区域510的可压缩性较佳，可提供晶圆研磨时的较佳的均匀度；而硬区域520的硬度较大，可提供晶圆研磨时的较佳的平坦度。

此外，还可以沿着图5的研磨垫500的底部切割，如沿着直线505来进行切割。如此，可以进一步调整研磨垫500底部固定支撑面的可压缩性。

图6A-6D所示为图5的研磨垫500的软区域510与硬区域520在研磨垫500的研磨面550上的分布俯视示意图。在图6A中，是将圆形研磨垫由圆心至圆周区分成数个扇形，软区域510与硬区域520则交错排列。而软区域510与硬区域520的面积分配比例，则可根据研磨的平坦度与均匀度的需求来调整。当晶圆600在研磨垫500上绕圈移动时，会依序经过软区域510与硬区域520。因此，可让晶圆600的研磨过程中兼顾平坦度与均匀度的需求。

在图6B中，则让软区域510位于晶圆600经过区域的中央处，即软区域510呈环形分布且介于研磨垫500圆心与圆周之间，让晶圆600的中心区域可以获得较佳的研磨均匀度。在图6C中，软区域510位于研磨垫的边缘区域，可让晶圆600的边缘区域可以获得较佳的研磨均匀度。在图6D中，则是让软区域510位于研磨垫的中央区域，同样地可让晶圆600的边缘区域可以获得较佳的研磨均匀度。

以上图5与图6A-6D所述的研磨垫500的研磨面550的软区域与硬区域的制造方法与配置方式，也可根据需要施行于研磨垫500的底面上。如此，可以进一步来调整研磨垫的软硬度，来提供更佳的研磨平坦度与均匀度。此外，图5所述的研磨垫500并不限于应用在圆形的研磨垫上，也可以应用在方形、长条形或其它形状的研磨垫上。而软区域与硬区域的配置方式则可随研磨垫的不同形状而加以变化。由于上述为熟悉此项技术的人所能自行决定调整的内容，在此不再赘述。

由以上可知，利用聚合物在发泡成型上的大小发泡微胞的分布特性，让聚合物在具有不同水平高度差的上下内表面的模具中发泡成型。通过调整模具不同区域的上下内表面的水平高度差与不同区域的分布图案，以及通过切割已发泡成型的发泡体的上下表层，可以获得所需来配置软硬区域的单层研磨垫，使晶圆研磨的平坦度与均匀度均能达成制程的要求。

由上述本发明较佳实施例可知，利用发泡材料内部大小发泡微胞的分布特性，可以制造出具有软硬度均一的上下表面的单层研磨垫，也可以制造出具有软硬度不一的上下表面的单层研磨垫。由于为单层研磨垫，又可以利用模具的内部空腔形状、发泡材料的原料选择、发泡材料的发泡程度以及发泡成型后的切割加工来分别控制研磨垫上下表面的硬度与可压缩性。因此，可以在兼顾研磨垫的制造成本以及化学机械研磨法的产量之下，很容易就同时达成晶圆研磨的均匀度与平坦度的需求。

本发明所述具有孔洞的聚合物本体并不局限于使用发泡成型法所制成，也可使用其它可形成具有孔洞聚合物的任何已知技术，如聚合微胞置入法(embedded polymeric microelement)、聚合物颗粒烧结法(sinteredpolymer particles)、及纤维涂布法(fiber coating)等等。此外，本发明的单层研磨垫也不限使用于晶圆制程中化学机械研磨制程，也可应用于玻璃及其它基材的研磨制程。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而它并不是用来限定本发明，任何熟悉此项技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与修饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种单层研磨垫的制造方法，包括：

以发泡成型法来制造一发泡垫状物，该发泡垫状物的一个表面具有至少一第一区域以及与该第一区域相邻的至少一第二区域，该第一区域的厚度大于该第二区域的厚度；以及

平坦化该表面以形成平坦的一第一表面，使该第一区域的第一表面的密度小于该第二区域的第一表面的密度，该第一表面可作为一研磨垫的研磨面或支撑面。

2.如权利要求1所述的单层研磨垫的制造方法，其特征在于，所述的发泡成型法是使用一模具，该模具的空腔具有至少一第一空腔间距与一第二空腔间距，该第一空腔间距大于该第二空腔间距。

3.如权利要求1所述的单层研磨垫的制造方法，其特征在于，所述的发泡垫状物的原料包括一热固树脂。

4.如权利要求3所述的单层研磨垫的制造方法，其特征在于，所述的热固树脂选自由聚氨酯、环氧树脂、酚甲醛树脂与三聚氰胺树脂所组成的族群。

5.如权利要求1所述的单层研磨垫的制造方法，其特征在于，该第一区域的形状为扇形、环形或圆形。

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