CN100388431C - 具有减压通道的抛光垫座 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包括窗口的化学机械抛光垫座，这个窗口在抛光垫座中成形，窗口的一侧设有一个空洞。这种抛光垫座还包括一个设置在抛光垫座中的并从空洞通向抛光垫座周边的空洞一减压通道。

Description

具有减压通道的抛光垫座

技术领域

本发明涉及用于化学机械平整(CMP)的抛光垫座，特别涉及具有进行光学检测终止加工的低应力窗口的抛光垫座。本发明也涉及具有降低窗口应力的减压通道的抛光垫座。

背景技术

在制造集成电路或其他电子装置时，要在半导体晶片的表面沉积多层导电的、半导电的和介电材料，或从晶片的表面清除它们。可以用多种沉积技术沉积这些导电、半导电和介电材料薄层。现代加工中通用的沉积技术包括物理汽相沉积(PVD)，也称为溅射，化学汽相沉积(CVD)，等离子强化化学汽相沉积(PECVD)，和电镀(ECP)。

因为这些材料层是连续沉积和清除，晶片的最外表面是不平的。因为连续的半导体加工(例如金属化)要求晶片具有平坦的表面，晶片必须进行平整加工。这种平整可有效除去不希望的表面形貌及表面缺陷，如粗糙表面、材料结块、晶格损伤、刮伤、夹杂层或夹杂材料。

化学机械平整，或化学机械抛光(CMP)是一种用于平整基片，如半导体晶片的常用技术。在常规的化学机械抛光中，一种载片器安装在承载装置中，并与化学机械抛光机中的抛光垫座接触。这种承载装置为晶片提供一个可控压力，把晶片压靠在抛光垫座上。一个外驱动力驱使垫座相对于晶片运动(如转动)。同时，一种化合物(“抛光料浆”)或其他抛光介质施加到晶片和抛光垫座之间。因此，在垫座表面和抛光料浆的化学机械作用下，晶片的表面被抛光并被平整。

平整晶片的一个重要步骤是确定工艺的终止加工。因此，已经发展了多种平整终止加工的检测方法，例如，晶片表面光学原位检测方法。这种光学技术涉及为抛光垫座装备一种用于选择光的波长的窗口。光束通过这个窗口到达晶片表面，光束在这里反射，返回通过窗口到达一个检测器(如分光光度计)。根据返回的信号，检测确定晶片的表面性能(如膜的厚度)用于探测终止加工。

在美国专利No.5,605,760中，Roberts公开了一种具有在垫座形成的窗口的抛光垫座。在这个专利中，窗口是铸造的，插入到一种可流动的抛光垫座聚合物中。这种抛光垫座可以在堆积结构(即：具有亚底层)中使用，或单独使用，并直接用胶粘剂粘结到抛光机的台板上。在每一种情况，在窗口和台板之间都产生一个“空洞”或空间。遗憾的是，在抛光时，由于空洞处产生的压力对这个窗口施加过大的应力，可以在窗口造成不希望的剩余应力变形(如“凸起”或“凹陷”)。这些应力变形可以导致不平坦的窗口，造成很差的终止加工检测、缺陷、及晶片滑动。

因此，本发明的目的是提供一种具有低应力窗口的抛光垫座，以便在化学机械抛光时在广泛的波长范围进行完整的终止加工检测或测试。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供了一种化学机械抛光垫座，包括：一个在这种抛光垫座中成形的窗口，窗口的一侧面设有一个空洞；和一个设在这种抛光垫座中并从空洞通向抛光垫座周边的减压通道。

按照本发明的第二方面，提供了一种化学机械抛光垫座，包括：一个具有窗口的抛光层，窗口在抛光层中成形，且一个侧面面临一个空洞；和一个设置在这个抛光层并从面临这个窗口的空洞的一部分通向抛光层周边的空洞-减压通道。

按照本发明的第三方面，提供了一种化学机械抛光垫座，包括：一个覆盖底层的抛光层，和一个设于这个抛光层和底层之间的粘结层；一个在所述的抛光层中形成的窗口，窗口的一个侧面面临空洞；一个设置在粘结层并从空洞通向这个粘结层周边的空洞-减压通道。

按照本发明的第四方面，提供了一种化学机械抛光垫座，包括：一个覆盖底层的抛光层，和一个设于这个抛光层和底层之间的粘结层；一个在所述的抛光层成形的窗口，窗口的一个侧面面临空洞；一个设在底层并从空洞通向底层周边的空洞-减压通道。

附图说明

图1图示本发明的一个具有减压通道的抛光垫座；

图2A示出沿图1抛光垫座的线I-II的一个截面图；

图2B示出沿图1抛光垫座的线I-II的另一个实施例的截面图；

图3示出本发明一个具有减压通道的抛光垫座的另一个实施例；

图4示出本发明一个具有减压通道的抛光垫座的另一个实施例；

图5示出利用本发明抛光垫座的一个化学机械抛光系统。

具体实施方式

图1示出本发明的一个抛光垫座1。抛光垫座1包括一个抛光层4和一个任选底层2。注意：抛光层4和底层2可以单独用作一个抛光垫座。换句话说，本发明可以以抛光层4单独使用，或者抛光层4与底层2结合，即作为一个抛光垫座使用。底层2可以由毡状聚氨酯制造，如Newark，DE的Rohm和Haas Electronic Materials CMP公司(RHEM)(电子材料CMP公司)制造的SUBA-IV^TM垫座。抛光层4可以包括一个聚氨酯垫座(例如用微球体填充的垫座)，如RHEM制造的IC 1000^TM垫座。抛光层4可按要求任意构成。一薄层压敏粘结剂6可以保持抛光层4和底层2粘在一起。粘结剂6可以从St，Paul，MN的3M Innovative Properties Company批量购买。

抛光层4有一个设在底层2和压敏粘结剂上的透明窗口14。抛光层的厚度T可在0.70～2.65mm之间。注意：窗口14设在空洞10上，产生一个在终止加工检测时利用的信号光的一个通路。因此，来自激光分光光度计(未示出)的激光通过空洞10和透明窗体14，照射到晶片或底层上，进行终止加工检测。注意：虽然本发明参照具有整体成形窗口的抛光垫座进行叙述，但并不受此限制。例如，整个抛光层4都可是透明的(“透明垫座”)，空洞，包括压力，可在任何一点产生，例如设在放激光分光光度计处。换句话说，本发明可应用于无窗口垫座。同时，虽然本发明叙述为激光分光光度计通过窗口14进行终止加工检测，但并不受此限制。例如，抛光层4也可适当地修改为适合应用其他终止加工检测的方法，例如，测量跨晶片的抛光表面的电阻。

在本发明一个典型实施例中，抛光垫座1包括一个具有入口11a和出口11b的减压通道11。这个减压通道11从窗口14的一部分通向抛光垫座1的一个周边4a，特别是通向抛光层4的周边4a，其中窗口的一侧面14a面对空洞10产生的压力。因此，抛光时空洞产生的压力通过减压通道11的进出口11a，11b而排出。换句话说，空洞10产生的任何压力对透明窗口14都没有实质性影响，因为这种压力被减压通道11排出。因此，透明窗口14不会因压力升高而受到应力或变形，便于实现精确的终止加工。注意：虽然本发明在这里说明的为具有一个单一减压通道，但并不受此限制。例如，可以在抛光层4中设置多个减压通道。另一方面，单个或多个减压通道可以设置在每个单独的层(即：粘结层和底层)内，或其任何组合层内，并未背离本发明的范围。此外，虽然本发明叙述为具有通向抛光垫座周边的减压通道，但本发明同样可应用于其减压通道从空洞10通向抛光层4的抛光表面的抛光垫座。然而，必须特别注意防止抛光料浆流入这个通道，如由减压通道的毛细作用而流入。

这种减压通道可以很方便地成形，例如，用计算机数控机床(cnc机床)铣削、激光切割、刀具切割、把通道预成型在垫座中、在垫座中熔融/燃烧通道。最好采用铣削或激光切割通道的工艺成型这种减压通道11。

图2A是沿图1抛光层4的I-II线的一个截面图。在这个实施例中，减压通道11为半圆形剖面。然而应该注意，在不背离本发明范围的情况下，减压通道11剖面这种特定形状是可以变化的。例如，减压通道11的剖面可以是半方形或半矩形。此外，减压通道11有一个预定的宽度W和深度D。宽度W优选地为0.70～6.50mm，更优选地为0.8～4mm，更加优选地为0.85～3.50mm。而减压通道11的深度D优选地为0.38～1.53mm，更优选地为0.50～1.27mm，更加优选地为0.55～0.90mm。同时，宽度W和深度D可以沿减压通道11长度方向有所改变，以便于减压。例如，宽度W在接近窗口14处可以比在周边4a时窄一些，以产生毛细作用防止抛光料浆污染。

图2B是本发明减压通道11的另一个实施例。与图2A类似的零件用相同的标号表示。这个减压通道11的剖面是半矩形的。如参照图2A所讨论的那样，减压通道11有一个预定的宽度W和深度D。宽度W和深度沿减压通道的长度可以有所变化，以便于减压。

图3是本发明的具有减压通道的抛光垫座的另一个实施例。与图1类似的零件用相同的标号表示。这里设置一个抛光垫座3，它包括一个具有入口31a和出口31b、且在粘结剂6层中成形的减压通道31。这个减压通道31从空洞通向抛光垫座3的周边6a。特别是这个减压通道31从空洞10通向粘结剂6的周边6a。因此，抛光时在空洞10产生的压力可以通过减压通道31的入口31a和出口31b排出。换句话说，空洞10产生的任何压力对透明窗口不构成实质性影响，因为这种压力被减压通道31排除。因此，透明窗口14不会因为压力升高而产生应力或变形，便于实现精确的终止加工，包括减少缺陷和晶片的滑动。

图4是本发明的具有减压通道的抛光垫座的另一个实施例。与图1类似的零件用相同的符号表示。这里提供一个抛光垫座5，它包括一个具有入口51a和出口51b、且在粘结剂6中成形的减压通道51。这个减压通道51从空洞10通向抛光垫座5的周边2a。特别是这个减压通道51从空洞10通向底层2的周边2a。因此，抛光时在空洞10产生的压力可以通过减压通道51的入口51a和出口51b排出。换句话说，空洞10产生的任何压力对透明窗口14没有实质性影响，因为这个压力被减压通道51排出。因此，透明窗口14不会因为压力升高而承受应力和变形，方便实现精确的终止加工。

因此，本发明提供了一种具有低应力窗口的化学机械抛光垫座。此外，本发明提供了一种化学机械抛光垫座，包括一个在这个抛光垫座中形成的窗口，这个窗口的一侧面设有一个空洞。这个抛光垫座还包括一个从空洞通向抛光垫座周边的减压通道，以降低窗口上的过大应力。此外，这个减压通道可在粘接层或底层形成。而且可以在抛光层、粘结层和底层中共同形成，或在它们的任意组合中，形成一个或几个减压通道。

因此，在本发明的一个典型实施例中，窗口14的透明材料由一种含聚异氰酸酯的材料制造(“预聚物”)。这种预聚物是聚异氰酸酯(如二异氰酸酯)和一种含羟基材料的反应产物。聚异氰酸酯可以是脂肪族或芳香族的。这种预聚物用一种固化剂固化。优选的聚异氰酸酯包括，但不局限于，亚甲基双4，4’环己基异氰酸酯、环己基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚己基二异氰酸酯、丙烯-1，2-二异氰酸酯、四亚甲荃-1，4-二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯、十二烷1，12-二异氰酸酯、环丁烷-1，3-二异氰酸酯、环己烷-1，3-二异氰酸酯、环己烷-1，4-二异氰酸酯、1-异氰酸根合-3，3，5-三甲基-5-异氰酸根合甲基环己烷、甲基亚环己基二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯的三异氰酸酯、2，4，4-三甲基-1，6-己烷二异氰酸酯的三异氰酸酯、亚己基二异氰酸酯的氮氧甲荃二酮、乙烯二异氰酸酯、2，2，4-三甲基亚己基二异氰酸酯、2，4，4-三甲基亚己基二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯，或它们的混合物。优选的聚异氰酸酯是脂肪族的。优选的脂肪族聚异氰酸酯具有小于14％的未反应异氰酸脂基团。

含羟基的材料最好是一种多元醇。典型的多元醇包括，但不限于，聚醚多元醇、羟基端接的聚丁二烯(包括部分/完全氢化衍生物)、聚酯多元醇、聚乙酸内酯、聚碳酸酯，以及它们的混合物。

在一个最佳实施例中，这种多元醇包括聚醚多元醇。典型的包括，但不限于，聚四亚甲基醚乙二醇(PTMEG)、聚乙烯丙二醇、聚氧化丙二醇、以及它们的混合物。烃链可以具有饱和键或未饱和键，以及取代或未取代芳香化合物和环状基团。本发明中的多元醇最好包括聚四亚甲基醚乙二醇(PTMEG)。合适的聚酯多元醇包括，但不限于，聚己二酸亚乙基酯二醇、聚己二酸亚丁酯二醇、聚乙烯丙烯己二酸二醇、邻苯二甲酸酯-1，6-己二醇、聚(亚己基己二酸)乙二醇，以及它们的混合物。烃链可以有饱和和未饱和键，以及取代或未取代芳香化合物及环状基团。合适的聚己内酯二醇包括，但不限于，1，6-乙二醇引发的聚己酸内酯、二甘醇引发的聚己酸二酯、三羟甲基丙烷引发的聚己酸内酯、新戊二醇引发的聚己酸内酯、1，4-丁二醇引发的聚己酸内酯、聚四亚甲基醚乙二醇(PTMEG)引发的聚己酸内酯，以及它们的混合物。烃链可以有饱和键或未饱和键，以及取代或未取代芳香化合物和环状基团。合适的聚碳酸酯包括，但不限于此，聚邻苯二甲酸酯碳酸酯，和聚(亚己基碳酸酯)乙二醇。

固化剂最好是聚二胺。优选的聚二胺包括，但不限于，二乙基甲代苯二胺(DETDA)、3，5-二甲基硫代-2，4-甲苯二胺及其异构体、3，5-二乙基甲苯-2，4-二胺及其异构体，如3，5-二乙基甲苯-2，6-二胺、4，4’-双-(仲丁基胺)-二苯甲烷、1，4-双-(仲丁基胺)-苯、4，4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)，4，4’-亚甲基-双-(3-氯-2，6-二乙苯胺)(“MCDEA”)。聚四氢呋喃-双-P-苯胺、N，N’-二烷基二氨基二苯甲烷、P，P’二苯胺基甲烷(“MDA”)，m-苯二胺(“MPDA”)、亚甲基-双2-氯苯胺(“MBOCA”)、4，4’亚甲基-双-(2-氯苯胺)(“MOCA”)、4，4’-亚甲基-双-(2，6-二乙苯胺)(“MDEA”)、4，4’-亚甲基-双-(2，3-二氯苯胺)(“MDCA”)、4，4’-二氨基-3，3’-二乙基-5，5’-二甲基二苯基甲烷2，2’，3，3’-四氯二氨基二苯甲烷、亚丙基二醇di-p-氨基苯甲酸酯，或它们的混合物。本发明的固化剂最好包括3，5-二甲基硫化-2，4-甲苯二胺和它们的异构体。合适的聚胺固化剂包括伯胺和仲胺两者。

此外，其它固化剂，如二醇、三醇、四醇、或羟基端接固化剂可以添加到上述聚氨基甲酸酯成分中。合适的二醇、三醇、四醇基团包括乙二醇、二甘醇、聚乙二醇、丙二醇、聚丙二醇、低分子量聚四亚甲基醚乙二醇、1，3-双(2-羟基乙氧基)苯、1，3-双-[2-(2-羟基乙氧基)乙氧基]苯、1，3-双-{2-[2-(羟基乙氧基)乙氧基]乙氧基}苯、1，4-丁二醇，或它们的混合物。羟基端接和胺固化剂两者都可包括一个或多个饱和及未饱和的芳香化合物及环状基团。此外羟基端接和胺固化剂可以包括一个或多个卤基团。这种聚氨基甲酸酯成分可以用一种掺合物或固化剂混合物形成。然而，如有需要，这种聚氨基甲酸酯成分可用一种单一的固化剂形成。

例如，在本发明一个最佳实施例中，窗口14可以用热固性和热塑性聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯、聚酯、硅氧烷、聚酰亚胺和聚砜形成。窗口14的典型材料包括，但不限于，聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、偏聚氟乙烯、聚对苯二甲酸乙酯、聚醚酮醚、聚醚酮、聚醚酰亚胺、乙基乙烯乙酸酯、聚乙烯丁酸酯、聚乙烯乙酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、氟化乙烯丙烯、和全氟烷氧基聚合物。

图5示出利用本发明抛光垫座的一种化学机械抛光装置20，包括设置一个减压通道(未示出)。装置20包括一个载片器22，用于保持半导体晶片24并把它压靠在抛光台板26上。抛光台板26设有本发明的抛光垫座1，垫座1包括窗口14和减压通道11。如上面讨论的那样，抛光垫座1具有一个与台板26表面面接的底层2，和一个与化学抛光抛光料浆结合对晶片24进行抛光的抛光层4。注意：虽然没有图示，用于提供抛光剂或抛光料浆的任何工具都可用于本装置。台板26通常绕其中心轴27转动。此外，载片器22通常绕其中心轴线28转动，并通过平移臂30平移横跨台板26的表面。注意：虽然图5示出一种单个载片器，但化学机械抛光装置可以具有多个环台板周向隔开的载片器。台板26中设有一个透明孔32，覆盖垫座1的空洞10和窗口14。因此，在抛光晶片24时，透明孔32为经由窗口14进入晶片24的表面提供了一条通路，以精确进行终止加工检测。就是说，在抛光晶片24时，设在台板26下面的激光分光光度计发射一束激光36通过透明孔32和高透射窗口14并返回，以便精确进行终止加工检测。

因此，本发明提供一种具有低应力窗口的化学机械抛光垫座。此外，本发明提供一种包括窗口的化学机械抛光垫座，这个窗口在垫座中成形，其一侧面设有空洞。这种抛光垫座还包括一个从空洞通向抛光垫座周边的减压通道，以减小窗口的过大应力。这种减压通道可在粘结层或底层中成形，同时，也可在抛光层、粘结层和底层中一起成形，或在它们的任何组合中成形。

Claims (10)

1.一种化学机械抛光垫座，包括：

具有抛光表面和透明窗口的抛光层；和

具有空洞的底层；

所述的抛光层覆盖所述底层，所述底层中的空洞位于所述透明窗口之下，空洞-减压通道从空洞通向抛光垫座的周边，该空洞-减压通道没有通向抛光表面。

2.按照权利要求1所述的抛光垫座，其特征在于，所述的空洞-减压通道设置在所述的抛光层中。

3.按照权利要求1所述的抛光垫座，其特征在于，它还包括设置在抛光层和底层之间的粘结层，所述的空洞-减压通道设置在所述的粘结层中。

4.按照权利要求1所述的抛光垫座，其特征在于，所述的空洞-减压通道设置在所述的底层中。

5.按照权利要求1所述的抛光垫座，其特征在于，所述的空洞-减压通道的宽度为0.70～6.50mm。

6.按照权利要求5所述的抛光垫座，其特征在于，所述的宽度从空洞到抛光垫座周边是变化的。

7.按照权利要求1所述的抛光垫座，其特征在于，所述的空洞-减压通道的深度为0.38～1.53mm。

8.一种化学机械抛光垫座，包括：

一个具有抛光表面和透明窗口的抛光层，和一个底层，抛光层覆盖底层，透明窗口面临所述底层中的一个空洞；和一个设置在这个抛光层并从面临这个透明窗口的空洞通向抛光层周边的空洞-减压通道，该空洞-减压通道没有通向抛光表面。

9.一种化学机械抛光垫座，包括：

一个覆盖底层的抛光层，和一个设于这个抛光层和底层之间的粘结层；

一个在所述的抛光层中形成的透明窗口，该透明窗口面临所述底层中的空洞；

一个设置在粘结层并从空洞通向这个粘结层周边的空洞-减压通道；和

该空洞-减压通道没有通向抛光表面。

10.一种化学机械抛光垫座，包括：

一个覆盖底层的抛光层，和一个设于这个抛光层和底层之间的粘结层；

一个在所述的抛光层中形成的透明窗口，该透明窗口面临所述底层中的空洞；

一个设置在底层并从空洞通向底层周边的空洞-减压通道；和

该空洞-减压通道没有通向抛光表面。

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