CN100461346C - 研磨垫和利用该研磨垫制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有研磨层和垫层的用于研磨半导体晶圆的研磨垫，其特征在于所述研磨层由发泡聚氨酯构成，其弹性挠曲模数为250-350MPa，所述垫层由闭孔多孔状材料构成，其厚度为0.5-1.0mm，应变常数为0.01-0.08μm/(gf/cm2)。本发明提供了使用该研磨垫制造半导体器件的方法。上述研磨垫能使待研磨物品如半导体晶圆具有优异的平面性和均一性而不形成划痕。

Description

研磨垫和利用该研磨垫制造半导体器件的方法
技术领域
本发明涉及研磨垫，利用该研磨垫可稳定和高均一性地磨平需要高度表面平面性的材料，例如硅晶圆或光学材料、硬盘的玻璃衬底、用于记录信息的树脂片或陶瓷片等。本发明的研磨垫也可特别用于硅晶圆、具有在硅晶圆上形成的氧化物层和金属层等的半导体器件的平面化步骤。本发明涉及研磨垫和使用该研磨垫制备半导体器件的方法，所述研磨垫可通过待研磨硅晶圆等的CMP(化学机械研磨)提供优异的平面性和均一性。
背景技术
常见的需要高度表面平面性的材料包括用于制备半导体集成电路(IC，LSI)的单晶硅片(也称为硅晶圆)。在制备IC和LSI等的方法中，为提供与制造电路中使用的各种膜可靠的半导体连接，在形成氧化物层或金属层的步骤中应高度精细地磨平硅晶圆表面。
一般地，在研磨步骤中研磨垫粘合在称为压板的可转动的支承盘上，而半导体晶圆则固定在称为磨头的轨道盘(planetary disk)。通过压板和磨头的转动和向研磨垫和半导体晶圆间的间隙加入包含乳化微粒(磨粒)的研磨浆料，研磨和平面化半导体晶圆。当研磨垫在晶圆表面移动时，磨粒在接触点推压在晶圆的表面。因此，通过晶圆表面和磨粒间的动态摩擦效应研磨受处理表面。该研磨方法称作CMP研磨方法。
作为用于高精细研磨的研磨垫的研磨层，一般使用空穴体积约为30-35％的发泡聚氨酯片材。聚氨酯泡沫片材局部具有优异的平面性，但压缩率较小，为0.5-1.0％，缓冲性能不足。因此，难以在整个晶圆表面均匀施压。因此，通过使用压层研磨垫进行研磨方法，所述研磨垫在聚氨酯泡沫片材的背面包含软垫层。
使用常规聚氨酯片材并具有垫层的研磨垫具有以下问题。
(1)具有用树脂浸渍的连续孔的非织造织物广泛用作垫层，但存在的问题有例如非织造织物间的差异和浸渍浆料后导致的压缩性质的改变。
(2)可使用具有独立孔的发泡氨基甲酸酯泡沫，但仍存在的问题有例如制备中发泡状态难以稳定化和孔重复负载所导致的明显残余应变等。
为解决这些问题，多种压层研磨垫可用作CMP方法的研磨垫，例如：
(1)包含压缩回复不小于90％的垫层(由具有橡胶弹性的材料构成)和层压在垫层上的研磨层的研磨垫(日本公开特许公报305635/2003)；
(2)包含垫层和层压在垫层上的研磨层的研磨垫，其中所述垫层的体积模数不小于60MPa，拉伸模数为0.1-20MPa，所述研磨层与水的接触角不大于75度，挠曲模数不小于2GPa和/或表面硬度(肖氏硬度)不小于80(日本公开特许公报59357/2002)；
(3)包含由软弹性体构成的片材泡沫和层压在所述片材泡沫上的砂布的研磨组件(日本公开特许公报164307/1995)。
日本公开特许公报305635/2003的主要目的在于降低研磨过程中由压缩负载引起的残余应变，和通过使用压缩回复不小于90％的垫层(由具有橡胶弹性的材料构成)减少研磨垫压缩性质的改变。描述了压层研磨垫的实例，其中所述研磨层由聚氨酯树脂构成(没有公开选择了何种聚氨酯)。该研磨垫具有优异的晶圆均一性和优异的平面性，但研磨速率非常慢。
日本公开特许公报59357/2002公开了包含垫层和层压在垫层上的研磨层的研磨垫，其中所述垫层的体积模数不小于60MPa，拉伸模数为0.1-20MPa，所述研磨层与水的接触角不大于75度，挠曲模数不小于2GPa和/或表面硬度(肖氏硬度)不小于80。通过使用硬树脂(例如使用纸和/或布作为基材的层压材料，或通过将亲水性组分分散在硬基质树脂中形成的组合物)作为研磨层获得优异的平面性，通过水润湿特性实现对刮痕的抑制。然而，所述研磨层具有与本发明的研磨层不同级的硬度和挠曲模数，该公开示例了通常使用的垫层，公开了作为其实施例的非发泡弹性体。该研磨垫具有优异的晶圆均一性和优异的平面性，但研磨速率非常慢。
日本公开特许公报164307/1995公开了包含由软弹性体构成的片材泡沫和层压在所述片材泡沫上的砂布的研磨组件。其描述了用作片材泡沫的闭孔泡沫，所述闭孔泡沫由天然橡胶、合成橡胶或热塑性弹性体构成，但其公开的砂布是丝绒型非织造织物，该砂布与本发明的研磨层材料不同。
发明内容
本发明的主要目的是提供研磨垫和使用该研磨垫制备半导体器件的方法，所述研磨垫能使待研磨材料如半导体晶圆具有优异的平面性和均一性而不形成划痕。
依据本发明，上述目的可通过以下方法实现：在包含研磨层和垫层的研磨垫中使用发泡聚氨酯作为研磨层和使用闭孔泡沫作为层压在研磨层上的垫层，并调节研磨层的挠曲模数以及垫层的厚度和应变常数至特定范围，由此提供研磨垫和使用该研磨垫制备半导体器件的方法，所述研磨垫能使待研磨材料如半导体晶圆具有优异的平面性和均一性而不形成划痕。
本发明涉及包含研磨层和垫层的半导体晶圆研磨垫，其中所述研磨层由发泡聚氨酯构成，其挠曲模数为250-350MPa，所述垫层由闭孔泡沫构成，其厚度为0.5-1.0mm，应变常数为0.01-0.08μm/(gf/cm2)。
厚度约为1-2mm、应变常数不小于0.1μm/(gf/cm2)的垫层已作为常规垫层使用。使用该垫层能确保平面性和均一性，但由于近来要求更高水平的平面性，上述垫层已不能满足该要求。为在保持良好均一性的同时得到高平面性，要求研磨层具有高硬度和在宏观上具有足够的挠曲性能以配合整个晶圆表面的皱纹。本发明人发现研磨层的挠曲模数为250-350MPa是最合适的挠曲性能范围。
另外，本发明人还发现为了在上述挠曲模数范围获得高平面性和均一性，垫层的应变常数和厚度也具有最合适的范围，即本发明的垫层的厚度和应变常数分别为0.5-1.0mm和0.01-0.08μm/(gf/cm2)，这与常规垫层不同。
为使本发明更适于实施，优选：
所述发泡聚氨酯的平均腔室直径是1-70μm；
所述发泡聚氨酯的比重是0.5-1.0g/cm3；
所述发泡聚氨酯的硬度是45-65；
所述发泡聚氨酯的压缩率是0.5-5.0％；和
所述垫层由选自聚氨酯树脂和聚乙烯树脂的至少一种材料构成。
本发明的另一个实施方案是制备半导体器件的方法，所述方法至少包括使用本发明的研磨垫研磨半导体晶圆表面的步骤。
通过在包含研磨层和垫层的研磨垫中使用发泡聚氨酯作为研磨层和使用闭孔泡沫作为层压在研磨层上的垫层以及调节研磨层的挠曲模数和垫层的厚度和应变常数至特定范围，本发明能提供一种研磨垫，所述研磨垫具有远远高于常规研磨垫的平面性，提高研磨速率，并能使待研磨材料如半导体晶圆具有优异的平面性和均一性而不形成刮痕。
具体实施方式
下文将对本发明的研磨垫进行详细解释。本发明的研磨垫包含研磨层和垫层，如上所述，垫层比研磨层软。在本发明的研磨垫中，要求研磨层由发泡聚氨酯构成，其挠曲模数为250-350MPa，优选260-340MPa，更优选270-330MPa。当研磨层的挠曲模数小于250MPa时，晶圆均一性好，但平面性不能充分获得。另一方面，当研磨层的挠曲模数大于350MPa时，平面性很好，但均一性不能充分获得。
在本发明的研磨垫中，要求垫层由闭孔泡沫构成，并具有0.5-1.0mm的厚度和0.01-0.08μm/(gf/cm2)的应变常数。垫层的厚度优选是0.6-0.9mm，更优选0.7-0.85mm。当垫层的厚度小于0.5mm时，可获得高平面性，但均一性大大降低。另一方面，当垫层的厚度大于1.0mm时，均一性好，获得与常规垫层一样好的普通水平的平面性，但作为本发明的主要目的的高平面性不能充分获得。
垫层的应变常数优选为0.02-0.07μm/(gf/cm2)，更优选0.03-0.06μm/(gf/cm2)。当应变常数小于0.01μm/(gf/cm2)时，即便是垫层的厚度为上述范围，均一性不能充分得到。另一方面，当应变常数大于0.08μm/(gf/cm2)时，即便是垫层的厚度为上述范围，高平面性不能充分获得。
本发明的技术效果在于提高研磨速率以及以优良的平面性和均一性实施研磨。在本发明的研磨垫中，本发明的技术效果可通过满足上述所有主题实现，即达到研磨层和垫层的性能。如果这些层中之一的性能超出上述范围，即便是这些层中的另一个具有上述范围的性质，本发明的技术效果还是不能实现。
在本发明的研磨垫中，要求用于研磨层的发泡聚氨酯的平均腔室直径为1-70μm，优选5-50μm。当平均腔室直径小于1μm时，不能充分获得浆料聚集的技术效果，这降低研磨速率。另一方面，当平均腔室直径大于70μm时，浆料聚集的技术效果提高，研磨速率较大，但平面性不能充分获得。
在本发明的研磨垫中，要求用于研磨层的发泡聚氨酯的比重为0.5-1.0g/cm3，优选0.7-0.9g/cm3。当比重小于0.5g/cm3时，研磨层的表面强度降低，待研磨材料如半导体晶圆的平面性降低。另一方面，当比重大于1.0g/cm3时，微孔数量减少，平面性好，但平面性趋于降低。
在本发明的研磨垫中，要求用于研磨层的发泡聚氨酯的硬度为45-65，优选45-60。当硬度小于45时，待研磨材料的平面性降低。另一方面，当硬度大于65时，平面性好，但晶圆均一性趋于降低。
在本发明的研磨垫中，要求用于研磨层的发泡聚氨酯的压缩率为0.5-5.0％，优选0.5-3.0％。当压缩率为上述范围时，能获得足够的平面性和均一性。
本发明的研磨垫可具有用于检测研磨终点的透光性构件。如果具有透光性构件，要求透光性构件研磨层端的表面没有聚集和更新研磨液的不均匀性。如果透光性构件研磨层端的表面具有肉眼可见的不均匀性，包含添加剂如磨粒的研磨浆料会在凹处聚集，进而发生光的散射和吸收。因此，其会降低检测准确性。另外，还要求透光性构件另一端的表面也没有肉眼可见的不均匀性。如果具有上述肉眼可见的不均匀性，容易发生光的散射，其会降低检测准确性。
不对用于构成本发明研磨垫的透光性构件的材料作出限制，只要其在600-700nm波长的透光率不低于50％，压缩率高于研磨层的压缩率。这些材料的实例包括聚氨酯树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、丙烯酸类树脂、聚碳酸酯树脂、卤素基树脂(例如聚氯乙稀、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯)、聚苯乙烯、烯基树脂(聚乙烯、聚丙烯)、环氧树脂等。这些材料可单独使用或两种或多种联合使用。在这些材料中，优选使用具有高耐磨性的聚氨酯树脂，因为其能限制由研磨痕迹引起的光散射。
用于形成透光性构件的聚氨酯树脂包含有机异氰酸酯、多元醇和增链剂。
有机异氰酸酯的实例包括2，4-甲苯二异氰酸酯、2，6-甲苯二异氰酸酯、2，2′-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯、4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯、1，5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯、对苯二甲基二异氰酸酯、间苯二甲基二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯、1，4-环己烷二异氰酸酯、4，4′-二环己基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯等。这些可单独使用或两种或多种联合使用。
不仅上述二异氰酸酯化合物可用作有机异氰酸酯，多官能(三官能或更多官能)异氰酸酯化合物也可用作有机异氰酸酯。作为多官能异氰酸酯化合物，Desmodule-N(Bayer制备)和商品名为Duranate(AsahiChemical Industry Co.，Ltd.)的一系列二异氰酸酯加合物化合物是市售的。由于单独使用的三官能或更多官能异氰酸酯化合物在合成预聚物的过程中容易形成凝胶，因此优选将其加入到二异氰酸酯化合物中使用。
多元醇的实例包括以聚四亚甲基醚二醇为代表的聚醚多元醇、以聚己二酸丁二酯为代表的聚酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚酯聚碳酸酯多元醇，例如聚酯二醇(如聚己内酯)和碳酸亚烃基酯的反应产物、通过使乙二醇碳酸酯与多羟基醇反应然后使反应混合物与有机二羧酸反应形成的聚酯聚碳酸酯多元醇、多羟基化合物与芳基碳酸酯酯交换反应得到的聚碳酸酯多元醇等。这些可单独使用或两种或多种联合使用。
除上述多元醇外，也可使用低分子量多元醇，例如乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、新戊二醇、1，4-环己烷二甲醇、3-甲基-1，5-戊二醇、二乙二醇、三乙二醇和1，4-二(2-羟基乙氧基)苯。
增链剂的实例包括低分子量多元醇，例如乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、新戊二醇、1，4-环己烷二甲醇、3-甲基-1，5-戊二醇、二乙二醇、三乙二醇和1，4-二(2-羟基乙氧基)苯；或多元胺，例如2，4-甲苯二胺、2，6-甲苯二胺、3，5-二乙基-2，4-甲苯二胺、4，4′-二仲丁基二氨基二苯基甲烷、4，4′-二氨基二苯基甲烷、3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷、2，2′，3，3′-四氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷、4，4′-二氨基-3，3′-二乙基-5，5′-二甲基二苯基甲烷、3，3′-二乙基-4，4′-二氨基二苯基甲烷、4，4′-亚甲基双(氨基苯甲酸甲酯)、4，4′-亚甲基双(邻氨基苯甲酸)、4，4′-二氨基二苯基砜、N，N′-二仲丁基对苯二胺、4，4′-亚甲基双(3-氯-2，6-二乙基胺)、3，3′-二氯-4，4′-二氨基-5，5′-二乙基二苯基甲烷、1，2-双(2-氨基苯硫基)乙烷、1，3-丙二醇二对氨基苯甲酸酯、3，5-二(甲硫基)-2，4-甲苯二胺。这些可单独使用或两种或多种联合使用。因为多元胺本身有颜色或使用多元胺的树脂有颜色，因此优选使用其加入不会降低透光性构件的物理性质和光通透性的多元胺。
有机异氰酸酯、多元醇和增链剂的比率可依据各组分的分子量及由其形成的透光性构件所需的性质进行适当的改变。为获得用于形成透光性构件的材料的所需性质，要求有机异氰酸酯中异氰酸酯基的数量与多元醇和增链剂中官能团(羟基和氨基)的总数量的比率为0.95-1.15，优选0.99-1.10。
可通过已知的制备氨基甲酸酯技术制备本发明的聚氨酯树脂，例如熔融法和溶液法等，但考虑到成本和工作环境，优选通过熔融法制备聚氨酯树脂。
可通过预聚物法或一步法制备聚氨酯，但一般使用预聚物法，其中预先从有机异氰酸酯和多元醇合成的具有异氰酸酯端基的预聚物与增链剂反应。由于从有机异氰酸酯和多元醇制备的具有异氰酸酯端基的预聚物是市售的，如果其适于本发明，就可能使用该预聚物通过预聚物法合成本发明所使用的聚氨酯。
不对本发明透光性构件的制备方法作出限制，其可能是众所周知的方法。可使用下列方法：利用带锯型或刨床型切片机加工上述方法制备得到的聚氨酯块至给定厚度；在包含具有给定厚度模腔的模具中铸塑树脂并固化；使用涂布技术或片料成形技术等。如果透光性构件具有腔室，反射光会通过光散射而衰减，进而会降低研磨终点的检测准确性和膜厚度的测定准确性。因此，要求在混合前通过将材料抽真空至不大于10托以充分去除材料所包含的气体以去除腔室。另外，如果使用搅拌式混合机，为防止腔室在混合后的搅拌步骤中混入，要求在不大于100rpm的转速搅拌所述材料。还要求在减压下进行搅拌。还要求使用行星式搅拌机搅拌所述材料并除气，因为即便是在高转速使用该混合机也难以混入腔室。
不对透光性构件的形状作出限制，但要求其与研磨层和垫层的开口形状相同。
不对透光性构件的大小作出限制，但要求其与研磨层和垫层的开口大小大致相同。
在本发明的研磨垫中，不对研磨层的材料作出限制，只要其由发泡聚氨酯构成，挠曲模数为250-350MPa。在本发明的研磨层中使用发泡聚氨酯的理由如下：研磨浆料在研磨层表面的腔室中聚集以提高研磨速率，或聚氨酯树脂具有优异的耐磨性，和通过改变原料组成能轻易获得具有所需物理性质的聚合物。
如就透光性构件所述，用于研磨层的聚氨酯树脂包含有机异氰酸酯、多元醇和增链剂。
不对用于研磨层的聚氨酯树脂的有机异氰酸酯作出限制，但其包括用于形成透光性构件材料的聚氨酯树脂中使用的有机异氰酸酯。
不对用于研磨层的聚氨酯树脂的多元醇作出限制，但其包括用于形成透光性构件材料的聚氨酯树脂中使用的多元醇。如果用于研磨层的聚氨酯树脂，多元醇的分子量不受限制，但从所得聚氨酯的弹性考虑，优选分子量为500-2000。
作为多元醇，除上述高分子量多元醇外，也可使用低分子量多元醇，例如乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、新戊二醇、1，4-环己烷二甲醇、3-甲基-1，5-戊二醇、二乙二醇、三乙二醇和1，4-二(2-羟基乙氧基)苯。
高分子量组分与低分子量组分的比率依据由其形成的研磨层的性能要求确定。
用于研磨层聚氨酯树脂的增链剂的实施包括多元胺，例如4，4′-亚甲基-二(邻氯苯胺)、2，6-二氯-对苯二胺和4，4′-亚甲基-二(2，3-二氯苯胺)。这些可单独使用或两种或多种联合使用。
有机异氰酸酯、多元醇和增链剂的比率可依据各组分的分子量及由其形成的研磨层所需的性质进行适当的改变，但要求得到挠曲模数为250-350MPa的泡沫。为获得具有优异研磨性质的研磨层，要求有机异氰酸酯中异氰酸酯基的数量与多元醇和增链剂中官能团(羟基和氨基)的总数量的比率为0.95-1.15，优选0.99-1.10。
按照就用于形成透光性构件材料的聚氨酯树脂所述的方法制备用于研磨层的聚氨酯树脂。聚氨酯树脂可任选包含稳定剂，例如抗氧化剂、表面活性剂、润滑剂、颜料、填充剂、抗静电剂和其他添加剂。
不对微发泡所述聚氨酯树脂的方法作出限制，但其包括加入空心珠粒法、机械发泡法、化学发泡法等。可结合使用这些方法，但更优选使用没有活性氢基团的硅酮基表面活性剂的机械发泡法，其中所述表面活性剂由聚烷基硅氧烷-聚醚共聚物组成。作为本发明适合化合物的硅酮基表面活性剂的实例包括SH-192(购自Toray DowCorning Silicone Co.，Ltd.)。
下文将对在本发明研磨垫研磨层使用的闭孔型发泡聚氨酯的制备方法进行详细解释。发泡聚氨酯的制备方法包括以下步骤(a)-(c)。
(a)搅拌以制备具有异氰酸酯端基的预聚物的腔室分散体；
将硅酮基表面活性剂加入具有异氰酸酯端基的预聚物中并在惰性气体中搅拌，惰性气体以细小腔室分散形成腔室分散体。当具有异氰酸酯端基的预聚物在常温是固体形式时，通过预热至合适温度将所述预聚物熔融。
(b)混合固化剂(增链剂)；
搅拌下加入增链剂并使之与腔室分散体混合。
(c)固化步骤；
将具有异氰酸酯端基的预聚物与增链剂混合在模具中铸塑并热固化。
在制备聚氨酯树脂泡沫中使用的惰性气体用于形成细小腔室，优选其不可燃。所述气体的实例包括氮气、氧气、二氧化碳气体、氦气和氩气等稀有气体及其混合气体，从成本角度考虑最优选干燥去水的空气。
作为将惰性气体分散至含硅酮基表面活性剂的具有异氰酸酯端基的预聚物以形成细小腔室的搅拌器，可不作特别限定地使用众所周知的搅拌器，其实例包括均化器、溶解器和双螺杆行星式搅拌机等。也不对搅拌器的搅拌子形状作特别限定，但优选使用搅打器型搅拌子以形成细小腔室。
在优选实施方案中，分别在搅拌步骤的搅拌形成腔室分散体和在混合步骤的搅拌混合加入的增链剂中使用不同的搅拌器。具体地讲，混合步骤的搅拌不是搅拌形成腔室，所以优选使用不产生大腔室的搅拌器。优选这类搅拌器是行星式搅拌机。可在搅拌步骤和混合步骤使用相同的搅拌器，优选根据需要对搅拌条件例如搅拌子转速进行调整。
在制备发泡聚氨酯的方法中，将所述腔室分散体在模具中铸塑和反应后所得的泡沫加热和后固化直至该分散体失去流动性有效改善泡沫的物理性质，这也是特别合适的方法。可将腔室分散体在模具中铸塑并立即在加热烘箱中后固化，即便是在这样的条件下，热量不会立即传导到活性组分，因此腔室的直径不会增大。优选在常压进行固化反应以使腔室的形状保持稳定。
在聚氨酯树脂的制备中，可使用众所周知的能加速聚氨酯反应的催化剂，例如叔胺基催化剂和有机锡基催化剂。加入催化剂的种类和量依据混合步骤后在预定模具中铸塑的流动时间确定。
发泡聚氨酯可在间歇系统中制备，其中称量各组分并引入容器中，或在连续制备系统中制备，其中各组分和惰性气体连续不断地加入搅拌装置并搅拌，移除所得的腔室分散体以制备模塑品。
通过将如上所述制备的发泡聚氨酯剪切成预定大小制备用于本发明研磨垫的研磨层。
在本发明的由发泡聚氨酯构成的研磨层中，要求其具有用于在与待研磨材料接触的研磨表面(研磨区)聚集和更新研磨浆料的沟槽。由于研磨区由微细泡沫构成，在研磨表面上有许多孔，其具有聚集研磨浆料的作用。为更有效地聚集和更新研磨浆料或防止待研磨材料由其吸收作用导致的破裂，要求在研磨表面上具有沟槽。不对沟槽的形状作出限制，只要其能聚集和更新研磨浆料，例如包括XY格栅沟槽、同心圆形沟槽、穿孔、孔、柱、圆柱、螺旋状沟槽、偏心圆形沟槽、放射沟槽及其组合。也不对沟槽的节距、宽度和深度作出限制，可适当选择。沟槽一般具有顺序性(ordinality)，但可改变每个区的沟槽节距、宽度和深度。
不对形成沟槽的方法作出限制，但包括使用如预定大小切削工具的机械切削法、在具有给定表面形状的模具中铸塑树脂并固化的方法、使用具有给定表面形状的压板压制树脂的方法、通过照相平版印刷术形成沟槽的方法、通过印刷形成沟槽的方法以及通过使用二氧化碳激光器激光形成沟槽的方法等。
在本发明的研磨垫中，要求研磨层的厚度(不受限制)为0.5-4mm，优选0.6-3.5mm。具有厚度研磨层的制备方法的实例包括利用带锯型或刨床型切片机加工按上述方法制备得到的泡沫块至给定厚度的方法；在包含具有给定厚度模腔的模具中铸塑树脂并固化的方法；使用涂布技术或片料成形技术的方法等。
要求研磨层厚度的可变性不大于100μm，优选不大于50μm。当厚度的可变性大于100μm时，研磨层具有较大的皱纹，并形成能降低研磨性能的接触状态不同的部分。为解决厚度可变性的问题，在研磨的初始阶段，利用具有金刚石磨粒的打磨机打磨所述研磨层的表面，其中所述金刚石磨粒通过电沉积或熔融结合在打磨机上。然而，当厚度可变性大于上限时，打磨时间较长，其会降低制备效率。另外，为限制厚度可变性，可抛光处理调整至给定厚度的研磨区表面。优选抛光处理使用颗粒大小不同的研磨板材逐步进行。
不对包含研磨层和(透光性构件和)垫层的压层研磨垫的制备方法作出限制，可为各种方法，但其实例如下。在具有透光性构件的情况，方法的实例如下所述，但在不具有透光性构件的情况，可制备不形成开口的研磨垫。
在第一个实施方案，双面涂布胶带与在给定位置具有给定大小开口的研磨层粘合，接着用双面涂布胶带将垫层和研磨层粘合起来，其中垫层在与研磨层开口一样的位置具有给定大小的开口。然后带有剥离纸的双面涂布胶带在研磨层的对面与垫层粘合，将透光性构件置于研磨层开口，并将研磨层和垫层粘合。
在第二个实施方案，双面涂布胶带与具有给定大小开口的研磨层粘合，用双面涂布胶带将垫层和研磨层粘合起来。然后在双面涂布胶带和垫层形成位置和大小均与研磨层的开口相同的开口。带有剥离纸的双面涂布胶带在对面与垫层粘合，将透光性构件置于研磨层开口并与其粘合。
在第三个实施方案，双面涂布胶带与具有给定大小开口的研磨层粘合，用双面涂布胶带将垫层和研磨层粘合起来。然后带有剥离纸的双面涂布胶带在垫层的对面与垫层粘合。随后从双面涂布胶带至剥离纸形成位置和大小均与研磨层的开口相同的开口。将透光性构件置于研磨层开口并与其粘合。在这种情况，由于透光性构件的对面是开放的，要求安装防止刮痕等在其上聚集的组件。
在第四个实施方案，带有剥离纸的双面涂布胶带在垫层的对面与垫层粘合，然后从垫层至剥离纸形成开口。双面涂布胶带与具有给定大小开口的研磨层粘合，用双面涂布胶带将研磨层和垫层粘合起来以便将垫层开口调节到研磨层开口。将透光性构件置于研磨层开口并与其粘合。在这种情况，由于研磨层的对面是开放的，要求安装防止刮痕等在其上聚集的组件。
在本发明研磨垫的制备方法中，不对形成开口的方法作出限制，但这些方法包括使用切削工具压制形成开口的方法、使用激光如二氧化碳激光形成开口的方法和使用例如切削工具切削形成开口的方法等。不对研磨层开口的大小和形状作出限制。
在本发明的研磨垫中，垫层补偿研磨层的性能，作为本发明的主要目的，提高研磨速率、平面性和晶圆均一性通过研磨层和垫层的性能实现。要求垫层由闭孔泡沫构成并具有0.5-1.0mm厚度和0.01-0.08μm/(gf/cm2)的应变常数。为实现平面性和晶圆均一性(二者是权衡关系)，要求具有垫层。平面性指当研磨具有微小不均匀性(形成图案时产生)的待研磨材料时图案部分的光滑度，晶圆均一性指整个待研磨材料的均一性。
在本发明的研磨垫中，不对垫层作出限制，只要其由闭孔泡沫构成并具有0.5-1.0mm厚度和0.01-0.08μm/(gf/cm2)的应变常数，例如包括聚合物树脂闭孔泡沫如聚氨酯树脂和聚乙烯树脂。
聚氨酯树脂选自透光性构件的制备所述的聚氨酯树脂以具有上述性质，使用所选树脂形成闭孔泡沫。形成闭孔泡沫的方法可选自制备研磨层所述的方法。
本发明中，将研磨层与垫层粘合的方法包括例如将双面涂布胶带放置在研磨层和垫层之间并压制胶带的方法。
双面涂布胶带包含基材(如非织造织物和薄膜)的两个表面上的粘合剂层。为防止研磨浆料穿透进入垫层，要求使用薄膜作为基材。另外，粘合剂层组合物的实例包括橡胶基粘合剂和丙烯酸基粘合剂等。从金属离子含量考虑，优选丙烯酸基粘合剂，因为其金属离子含量小。由于研磨层的组成可不同于垫层的组成，双面涂布胶带的各粘合剂层可具有不同的组成，将各粘合剂层的粘合力调整至合适范围。
将垫层粘合至双面涂布胶带方法的实例包括在垫层上压制双面涂布胶带以粘合的方法。如就用于粘合研磨层和垫层的双面涂布胶带所述，双面涂布胶带包含基材(如非织造织物和薄膜)的两个表面上的粘合剂层。由于研磨垫使用后将双面涂布胶带从压板去除，要求使用薄膜作为基材，因为其可消除胶带在垫层上的残留物。粘合剂层可使用与用于粘合研磨层和垫层的双面涂布胶带相同的组成。
通过使用研磨垫研磨半导体晶圆表面的步骤制备半导体器件。半导体晶圆一般通过在硅晶圆上沉积金属线和氧化物薄膜形成。不对半导体晶圆的研磨方法和研磨装置作出限制，但通过使用研磨装置实施所述方法，所述装置包含例如用于支撑研磨垫的研磨压板、用于支撑半导体晶圆的支架(磨头)、用于向晶圆均匀施压的衬背和研磨浆料供给装置。研磨垫通过与双面涂布胶带粘合安装在研磨压板上。确定研磨压板和支架的位置以使压板负载的研磨垫和支架负载的半导体晶圆彼此相对，并分别具有旋转轴。在支架端，提供了用于将半导体晶圆推至研磨垫的压制装置。在研磨过程中，研磨压板和支架旋转的同时将半导体晶圆推至研磨垫，在供给研磨浆料的同时进行研磨。研磨浆料的供给、研磨负载、研磨压板转数和半导体晶圆转数不受限制，调节至合适范围。
由此，半导体晶圆表面的凸出部分研磨平滑。研磨后，进行切割、接合和封装等，制备半导体器件。所述半导体器件用于处理器、存储器等。
实施例
下文通过实施例对本发明进行更详细地描述，但本发明不受这些实施例限制。
(应变常数)
将垫层切成直径为0.5英寸的圆盘，用作测定应变常数的样品。样品的压缩量和负载利用通用测试机(Model5848，Instron制造)在23℃±2℃温度、60％±10％湿度和0.1mm/min的压缩速率测定。应变常数通过计算得自所得压缩负载对压缩量图中的压缩负载为300gf/cm2和1000gf/cm2的曲线近似分析的线倾度确定。
(压缩率)
将用于研磨层的材料切成直径为7mm的圆盘，用作测定压缩率的样品，所述样品在23℃±2℃温度和50％±5％湿度放置40小时。压缩率利用TMA(SS6000，Seiko Instruments制造)测定。压缩率通过下式得出：
压缩率(％)＝[(T1-T2)/T1]x100
其中T1代表对样品施加30kPa(300g/cm2)应力60秒后样品的厚度，T2代表对T1状态的样品施加180kPa应力60秒后样品的厚度。
(挠曲模数)
将研磨层切成2.0mm厚度、10mm宽度和50mm长度的样品，用于测定挠曲模数。依据JIS K7171，样品的挠曲模数利用自动绘图仪(Tensilone UTM-4LH，Toyo Baldwin制造)在32mm卡盘间距和2mm/min滑块速率测定。三次测定结果的平均值为样品的挠曲模数。
(平均腔室直径)
在测定平均腔室直径中，用切片机将材料例如研磨层切成厚度约为1μm(平行于层)的样品用于测定平均腔室直径。将样品固定在载玻片上，利用图象处理单元(Image Analyzer V10，TOYOBO Co.，Ltd.制造)对任选的0.2mm x 0.2mm正方形面积内的所有腔室直径进行测定以计算得出平均腔室直径。
(比重)
依据JIS Z8807-1976对比重进行测定。将材料例如研磨层切成4cm x 8.5cm(合适厚度)大小的条带用作测定比重的样品，所述样品在23℃±2℃温度和50％±5％湿度放置16小时。比重利用比重计(Sartorius K.K.)测定。
(硬度)
依据JIS K6253-1997对硬度进行测定。将材料例如研磨层切成2cm x 2cm(合适厚度)大小的样品用于测定硬度，所述样品在23℃±2℃温度和50％±5％湿度放置16小时。硬度利用厚度不小于6mm的样品堆层和硬度计(Asker D硬度计，Kobunshi Keiki Co.，Ltd.制造)测定。
(研磨特性评价)
所得研磨垫的研磨特性评价中使用Okamoto Machine Tool Works，Ltd.制造的研磨装置SPP600S。
(研磨速率)
研磨速率通过自形成于直径为8英寸的硅晶圆上的1μm厚度的氧化物膜磨除厚度为0.5μm的热氧化物膜所需的时间计算确定。氧化物膜的厚度通过Otsuka Denshisha制造的干涉膜厚度测定装置测定。研磨条件如下：二氧化硅浆料SemiSperse-12(Cabot制备)以150ml/min流速滴落，研磨负载是350g/cm2，研磨压板转数是35rpm，晶圆转数是30rpm。
(晶圆均一性)
研磨后，在硅晶圆研磨表面的25个点测定膜的厚度。利用膜的最大厚度Tmax和最小厚度Tmin按以下方程计算均一性(％)：
晶圆均一性(％)＝(Tmax-Tmin)/(Tmax+Tmin).x 100
均一性的值越小，硅晶圆表面均一性越高。
(平面性)
为评价平面性，在8英寸硅晶圆上沉积0.5μm的热氧化物膜并形成图案，然后在其上进一步沉积1μm氧化物膜p-TEOS(四乙氧基硅烷)以制备具有0.5μm初始水平差图案的晶圆。该晶圆在上述条件下研磨，测量各个水平差以评价平面性。通过测定两个水平差确定平面性。一个是局部水平差，它是其中宽度270μm的线间距为30μm的图案中的水平差，即研磨一分钟后的水平差。另一个是当两个图案顶部线间的全局水平差减小至
Figure C200580012420D00201
或更小时，测量270μm间距的研磨量以评价平面性，其中一个图案为其中宽度为270μm的线的间距为30μm，另一个图案为其中宽度为30μm的线间距为270μm。局部水平差越小，在特定时间内在晶圆上按照图案形成的氧化物膜的不均匀性的平面化速度越高。间距中的研磨量越小，不需研磨部分的研磨量越小，表明平面性优良。
(实施例1)
用挤出机将聚氨酯基热塑性弹性体E568(Nippon Miractran制备，肖氏D硬度：68)挤出形成650mm宽度和1.5mm厚度的片材，切成650mm长度，即得到大小为650mm x 650mm x 1.5mm的片材。所述片材置于保持温度为40℃和压力为15MPa的二氧化碳气氛的压力容器24小时，使片材充分浸渍二氧化碳。将片材从容器取出，置于加热至80℃的两片Teflon片材中，立刻将其放入145℃的油浴并浸泡40秒以使之发泡。用抛光轮将所得发泡片材抛光形成厚度为1.3mm的研磨层片材。研磨层的比重为0.76g/cm3，平均腔室直径为18μm，硬度为47，挠曲模数为255MPa，压缩率为1.3％。
利用表面沟槽加工机(Toho Engineering)在研磨层片材的一个面上形成深度0.4mm、宽度0.25mm和节距1.5mm的同心圆形沟槽，然后使研磨层形成直径为24英寸(610mm)的圆盘。
制备厚度为0.8mm，应变常数为0.07μm/(gf/cm2)的垫层，所述垫层由闭孔发泡聚氨酯树脂构成并形成直径为24英寸(610mm)的圆盘。用双面涂布胶带(双面粘性胶带#5782，Sekisui Chemical Co.，Ltd.制造)将垫层和研磨层粘合起来，并将用于压板的双面涂布胶带(双面粘性胶带#5784，Sekisui Chemical Co.，Ltd.制造)粘合于垫层的反面以制备研磨垫。
(对比实施例1)
将经过滤的100重量份的聚醚基预聚物(Adiprene L-325，Uniroyal制造，NCO含量：2.22meq/g)和3重量份的硅酮基非离子型表面活性剂(SH192，Toray Dow Corning Silicone Co.，Ltd.制造)引入到涂氟容器并混合，保持温度为80℃。利用涂氟搅拌器以约900rpm剧烈搅拌所述混合物约4分钟，同时向反应过程中引入空气。将在120℃预先熔融并过滤的26重量份的4，4′-亚甲基-二(邻氯苯胺)(Ihara CuamineMT，Ihara Chemical Industry制造)引入其中。搅拌约1分钟后，将混合反应溶液引入涂氟盘状敞口模具中。当反应溶液不流动时，将模具置于烘箱中，在110℃后固化6小时制得发泡聚氨酯树脂块。用带锯型切片机(Fecken制造)将该发泡聚氨酯树脂块切片得到发泡聚氨酯树脂片材。用抛光轮(Amitec制造)抛光处理所述片材形成具有所需厚度的片材(片材厚度：1.27mm)。将抛光处理后的片材冲压入直径为24英寸(610mm)的圆盘中，利用表面沟槽加工机(Toho Engineering)在片材的表面形成深度0.4mm、宽度0.25mm和节距1.5mm的同心圆形沟槽以制备研磨层。所得研磨层的平均腔室直径为45μm、比重为0.87g/cm3、硬度为53、压缩率为1.0％，挠曲模数为260MPa。
制备厚度为1.3mm，应变常数为0.14μm/(gf/cm2)的垫层，所述垫层由闭孔发泡聚乙烯树脂构成并形成直径为24英寸(610mm)的圆盘。用双面涂布胶带(双面粘性胶带#5782，Sekisui Chemical Co.，Ltd.制造)将垫层和研磨层粘合起来，将用于压板的双面涂布胶带(双面粘性胶带#5784，Sekisui Chemical Co.，Ltd.制造)粘合于垫层的反面以制备研磨垫。
(对比实施例2)
制备厚度为0.4mm，应变常数为0.13μm/(gf/cm2)的垫层，所述垫层由闭孔发泡聚氨酯树脂构成并形成直径为24英寸(610mm)的圆盘。按照对比实施例1描述的方法将垫层层压至实施例1所使用的研磨层以制备研磨垫。
(对比实施例3)
制备研磨垫，不同之处在于使用20重量份的硅酮基非离子型表面活性剂。所得研磨层的平均腔室直径为25μm，比重为0.7g/cm3，硬度为40，压缩率为2.0％，挠曲模数为170MPa。按照实施例1描述的方法将实施例1所使用的垫层层压至所述研磨层以制备研磨垫。
评价实施例1和对比实施例1-3的研磨垫的研磨性能。结果列于下表1。实施例1的研磨垫具有充分的研磨速率、晶圆均一性和平面性。
另一方面，对比实施例1的研磨垫的研磨速率和晶圆均一性小于实施例1的研磨垫，但其仍在充分的范围内。然而对比实施例1的研磨垫的平面性超出充分的范围。
对比实施例2的研磨垫的研磨速率和平面性小于实施例1的研磨垫，但其仍在充分的范围内。然而对比实施例1的研磨垫的晶圆均一性大大降低。
对比实施例3的研磨垫的晶圆均一性非常好，但研磨速率和平面性大大降低。
表1
Figure C200580012420D00231

Claims (7)

1.一种半导体晶圆研磨垫，所述研磨垫包含研磨层和垫层，其中所述研磨层由发泡聚氨酯构成，其挠曲模数为250-350MPa，所述垫层由闭孔泡沫构成，其厚度为0.5-1.0mm，应变常数为0.01-0.08μm/(gf/cm2)。
2.权利要求1的研磨垫，其中所述发泡聚氨酯的平均腔室直径为1-70μm。
3.权利要求1的研磨垫，其中所述发泡聚氨酯的比重为0.5-1.0g/cm3。
4.权利要求1的研磨垫，其中所述发泡聚氨酯的硬度为45-65。
5.权利要求1的研磨垫，其中所述发泡聚氨酯的压缩率为0.5-5.0％。
6.权利要求1的研磨垫，其中所述垫层由选自聚氨酯树脂和聚乙烯树脂的至少一种材料构成。
7.一种制备半导体器件的方法，所述方法至少包括使用权利要求1-6中任一项的研磨垫研磨半导体晶圆表面的步骤。
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