CN100563927C - 表面抛光的方法与元件 - Google Patents
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Abstract
一种表面抛光的方法，其中使具有至少一个待抛光表面(115)的工件(113)旋转，并且所述的表面(115)压抵抛光元件(103)，而该抛光元件以旋转或平移运动方式运动，其特征在于：在整个抛光处理期间，该工件(113)的所述表面(115)上的、处在具有一定半径且其圆心与工件(113)的旋转中心重合的圆周(114)的外部的点(P2)，在所述工件旋转过程中，沿着一条路径(TP2)运行，该路径包括第一部分(TP2′)和第二部分(TP2″)，在所述第二部分(TP2″)的抛光率比所述第一部分(TP2′)的低，以便至少部分地补偿在所述路径的第一部分(TP2′)产生在所述工件(113)边缘的过抛光作用，其中工件(113)的位于所述圆周(114)之外的区域(113a)的宽度是所述工件(113)直径或主尺寸的0.1-30%，优选地约为10%。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用化学-机械抛光(CMP)技术进行表面抛光方法的改进。更具体而非限制性地，本发明应用于大尺寸(大于或等于150mm×150mm)的二氧化硅、陶瓷、玻璃材料、硅等平表面-例如在用于生产电子芯片的平板印刷中的掩模表面-的化学-机械抛光，其平面度达到约100nm或100nm以下数量级。
背景技术
化学-机械抛光(CMP)是一种熟知的方法，该方法不但用于光学中而且还用于微电子学中。其原理是：用力将待抛光的表面压抵相对移动的抛光元件，该元件浸渍一种抛光剂微粒悬浮液(“浆体”)。这种抛光元件典型地是一种用聚氨酯泡沫塑料制成的衬垫，或用聚氨酯基料粘连的纺织纤维毡。抛光剂微粒悬浮液例如可以是胶体二氧化硅悬浮液、氧化铈等悬浮液。
有关这种方法的更详细的信息可参见麻省理工学院的Jiun-YuLai于2001年2月发表的博士学位论文《化学机械抛光方法的力学、机制和模型化》。
抛光元件最流行的形状(旋转CMP)为圆形，并且以旋转运动方式运动；“工件支架”保持待加工工件旋转，而其中一个面与抛光元件接触。还有一些线型CMP机器，其中抛光元件用环形皮带驱动并以直线运动方式运动，类似带式传送机。接着，只是详细地研究旋转CMP，但本发明同样可以应用于线型CMP。
一个工件需要抛光两个面时，如在平板印刷掩模的情况下，最好使用双面CMP方法，其中该工件夹在两个抛光元件之间，它们施加一个压紧力。工件支架应该设计成能使两个面同时与抛光元件接触。
实验表明工件边缘有非常严重的过抛光。这是由于抛光元件变平，使所述工件边缘端受到超压所致，也是抛光剂微粒积累所致。由此造成一个抛光表面的非平面性区域，这个区域可以延伸达到相当可观的工件直径分数，例如直径150mm的工件约15mm(10％)。在有锐角的非圆形工件的情况下，这种作用还要更强。从加利福利亚大学伯克利分校的生产自动化实验室的Jianfen Luo的文章“Wafer-Scale CMP Modeling of With-in Wafer Non-Uniformity”中可了解到有关这种过抛光作用的更深入的讨论。
这个问题的第一个解决办法是设计一些工件，在其抛光后在周边有一个待切除的区域。还提到这个事实，即这种技术的成本很高，还涉及材料消耗、因机械缺陷还需要切削操作，这样使工件表面状态变坏。因此，这种技术因此不适合平板印刷掩模的情况，更一般地不适合紫外光的光学部件情况，这些光学部件不可能允许其尺寸有高于几十纳米的缺陷。
例如在前面提到Jianfen Luo的文章中描述的第二个解决办法是，用保险环包住在其表面上受到过抛光的这个工件。这里也涉及一种高成本的技术，因为制造这种环的公差应该非常严格，并且在使用有限次数后还得更换。在双面抛光的情况下，这种缺陷更明显，这里环的厚度应该严格与工件相同，只用一次就足够使其变薄，因此就必须更换。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种单面或双面抛光方法，该方法避免了边缘过抛光作用，没有现有技术中已知方法造成的某些缺陷。
本发明的另一个目的是提供一种适合实施这样一种方法的抛光元件。
根据本发明，采用一种方法可以达到至少一个目的，在所述方法中，让有至少一个待抛光表面的至少一个工件旋转，并且所述的表面保持压住抛光元件，而该抛光元件以旋转或平移运动方式运动，其特征在于，优选地在整个抛光处理期间，该工件的所述表面上的、处在具有一定半径且其圆心与工件的旋转中心重合的圆周的外部的点，在所述工件旋转过程中，沿着一条路径运行，该路径包括第一部分和第二部分，在所述第二部分的抛光率比所述第一部分的低，以便至少部分补偿在所述工件边缘在所述路径第一部分产生的过抛光作用。
处在这个圆外部的工件部分是一个宽度为所述工件直径(或者，在非圆工件的情况下为主要尺寸，例如最长的对角线)的0.1％-30％，典型地为约10％的圆环。
在第一个实施方式中，待抛光工件超过抛光元件的至少一个边缘，结果所述路径的第二部分是在所述抛光元件外部。更特别地，在旋转机器的情况下，该抛光元件可以有一个圆形，待抛光工件可以超过其外边缘，和/或该抛光元件可以有一个由圆形内边缘限定的开口，待抛光工件可以超过所述的内边缘。在线型机器的情况下，该工件可以超过抛光元件的一个侧边缘或两个侧边缘。
在第二个实施方式中，该抛光元件有至少一个不规则形状的边缘，有突起和凹口，待抛光工件超过所述的边缘，至少与某些所述的凹口对齐，结果所述路径的第二部分是在所述抛光元件外部，并且对于一定点从所述工件一次旋转到另一次旋转其长度都在不规则地改变。如在第一个实施方式中，在旋转机器的情况下，该边缘可以是外边缘和/或内边缘，而在线型机器中，可以涉及一个侧边缘或两个侧边缘。
在第三个实施方式中，这种抛光元件在其中一个边缘端至少一个区域有变形的部分，以便在相应于所述区域对待抛光工件施加一个小于抛光元件其余部分压力的压力，结果所述路径第二部分是在所述的抛光元件变形区域内。如在第一个和第二个实施方式中，在旋转机器的情况下，该边缘可以是外边缘和/或内边缘，而在线型机器中，可以涉及一个侧边缘或两个侧边缘。
有利地，上述的方法是双面类型的，即使用两个抛光元件在待抛光工件的两个相反面上同时进行抛光。
本发明还涉及用于如前面定义方法中的抛光元件，其特征在于它具有至少一个不规则形状的边缘，该边缘具有突起和凹口。
本发明还涉及用于如前面所描述方法的抛光元件，其特征在于它在其中一个边缘附近有至少一个区域，它的抛光作用不如所述抛光元件其余部分的抛光作用。
更特别地，这样一种抛光元件可以有至少一个具有不规则形状的边缘，有突起和凹口，所述的边缘是在内限与外限之间，结果由所述内限与外限限定的区域的“平均”抛光作用低于所述抛光元件其余部分。
或者，这样一种抛光元件可以有一个周边区域，该区域有一个变形部分，以便对待抛光工件施加一个小于抛光元件其余部分压力的压力。
附图说明
参照附图阅读说明书将体会到本发明的其它特征、细节和优点，这些附图是作为实例给出的，其中：
-图1A和1B分别表示从现有技术中已知的旋转CMP机器的侧视图和俯视图；
-图2A和2B表示旋转CMP机器俯视图，它们说明了本发明方法第一种实施方式的两种实施方案；
-图3，它也是俯视图，说明了第二种实施方式；
-图4表示旋转CMP机器的侧视图，它说明了第三种实施方式；以及
-图5能够知道使用现有技术中已知旋转CMP机器所得到的边缘过抛光作用，与实施本发明可降低其边缘过抛光作用。
具体实施方式
图1A表示旋转CMP机器100的侧视图，它由平台101组成，该平台101以角速度ωp旋转，在其上表面有抛光元件103。工件支架110处在相对于平台中心偏移的位置，以角速度ωc旋转，它保持具有待抛光面115的工件113，以便通过力F迫使所述的面115靠着抛光元件103，其力F典型地是1-300g/cm2。将抛光剂微粒悬浮液120滴到抛光元件103的偏移中心的点上，并且通过离心作用将其悬浮液120均匀地分布在整个表面上。
图1B表示同一CMP机器的俯视图，在其平台上放置了多个工件支架110、110′、110″、110′″和110″″。工件支架110保持单个圆形工件，工件支架110′保持多个不同形状的小工件113′；工件支架110″保持单个矩形工件113″。
特别考虑到，在待抛光表面上点P的腐蚀率Te是与压力F和点P与抛光元件103之间的相对速度V成比例：即Preston方程式Te＝KP·V·F，式中KP(Preston系数)是经验常数，对于一定的待抛光表面，该常数取决于抛光元件103和抛光剂微粒悬浮液120的特性。
一种简单的运动学计算方法表明，如果ωc＝ωp，则速度V与点P的位置无关，只是同ωp与平台101旋转中心Op和工件支架110旋转中心Oc之间的距离e的积成比例。原则上，这些条件应当能够使抛光达到极其均匀，但从技术考虑有时会导致断然不考虑这些条件，特别获得抛光元件的可能不均匀性效果时更如此。事实上，前面描述的简单运动学模式没有要求完全描述CMP方法：特别地，没有考虑抛光元件的挤压现象和抛光剂悬浮液非均匀分配现象，这些对于采用本发明解决的工件边缘过抛光问题都是应是起作用的。
图2A是一个如图1A和1B所示机器同一种类型的旋转CMP机器俯视图，其中抛光元件103为圆形，并且其直径如同也为圆形的待抛光工件113的直径，待抛光工件的圆心与工件支架旋转中心Qc重合，超过抛光元件的外边缘104的部分为其直径的0.1-30％，典型地约10％。选择性地，可以将工件中心与工件支架旋转中心有意偏移。在这个图上，线114划出了呈圆环形状的外区域113a与内区域113b之间的边界，外区域113a由在工件113旋转过程中超过抛光元件的这些点构成。应该考虑到在图2A、2B和3中，因清楚的原因而过分夸大了外区域113a的宽度。
在区域113b中的点P1经过一个完全在抛光元件103内的圆形轨迹TP1；如果机器运行方式是如ωc＝ωp，则用Preston方程式确定的与点P1相应腐蚀率在其整个轨迹上是不变的。只是作为实例提到条件ωc＝ωp，并且不是实质性的。典型地，0.1≤|ωc/ωp|≤10，优选地0.5≤|ωc/ωp|≤2，角速度ωc和ωp一般是每分钟1-60转，并且可以是相反的符号。
相反地，在区域113a中的点P2经过圆形轨迹TP2，它由在抛光元件103内的第一部分T′P2和在抛光元件103外的第二部分T″P2组成，由于所述的过抛光作用，第一部分的腐蚀率高于点P1的腐蚀率，而第二部分的腐蚀率是零。点P2越接近工件113外边缘，这个轨迹第二部分T″P2就越长。
本发明的原理是在没有抛光轨迹内的第一部分T′P2补偿在工件边缘附近工件113表面受到的过抛光，其特征在于这同一轨迹的第二部分T″P2。理想地，人们希望在工件113在转完整个一周后，不管点P2的位置是否在区域113a内，点P1和点P2的腐蚀都是相同的。一般而言，不可能完美地达到这个目的，但可采用实验方法和/或借助数量模型选择能够尽最大可能接近的加工条件。典型地，很难改变平台101旋转中心Op与工件支架旋转中心Oc之间的距离e，因为这涉及采用CMP机器固有特性。因此，最好改变抛光元件的直径，直到达到工件113的最佳超过值。
在一个变形例中，如图2B所说明的，抛光元件103可以为圆环形状，工件113可以超过抛光元件的内边缘，或与抛光元件的外边缘104和内边缘(未表示)一样。
在某些情况下，本发明方法的该第一种实施方式没有给出令人满意的结果，因为区域113a与113b之间的转变，运行方式的不连续性会沿着线114出现。
图3说明了本发明方法的第二种实施方式，这种方式能够借助使用外边缘104和/或非圆形的内切口(未表示)克服这种缺陷，该内切口优选地具有不规则的形状，还有突起和凹口。抛光元件的边缘104在这种情况下是在内圆周105与外圆周106之间。区域113a这里再确定是由工件103的点构成的，在所述工件旋转过程中，这些点超过内圆周105。如在第一种实施方式的情况中一样，区域113a的宽度一般是其直径或工件113主尺寸的0.1-30％，典型地是约10％。属于区域113a的点P2轨迹第二部分T″P2长度是在最大值与最小值之间，这个最大值是相应于其外边缘与内圆周105重合的抛光元件的值，这个最小值是相应于其外边缘与外圆周106重合的抛光元件的值，并且对于没有超出所述外圆周106的这些点，这个最小值是零。如果角速度ωc和ωp不同，甚至几乎不同，这个长度从工件113一转到另一转都是不规则变化的。由此得出采用本发明方法的第一种实施方式时可预料会出现运行方式不连续性的一种中等效果。ωc与ωp的比一般是0.1-10，优选地0.5-2绝对值，但它不等于1，以便使得有可能达到所述的中等效果。
这里还考虑到工件113超过抛光元件103外边缘104的情况，但如在第一种实施方式时一样，还可以使用内切口。
在如图4所示的第三种实施方式中，抛光元件103周边部分109在其径向部分已变形，以便对工件113施加一个相对于其中心部分减小的压力(考虑到清晰，在图4上过分夸大了抛光元件变形)。这种变形例如可以是通过选择性磨损(“磨合”)使抛光元件变薄，或可以是在与工件113相反的方向使其周边部分轻微变形时所获得的刚性平台101变形。对抛光元件103或刚性平台101的周边区域进行变薄或变形，其宽度一般是该工件直径或主尺寸的0.1-30％，典型地约10％。所述变薄或变形的幅度是几微米至几百微米，优选地几微米至几十微米。
这个原理是与本发明前两种实施方式是基本相同的：这种过抛光可通过下述事实补偿：接近于工件113边缘的这些点在抛光元件103的部分109留下一部分轨迹，该部分造成较低的腐蚀。操作是比较复杂的，尤其与第一种实施方式相比更如此，但可以更加精细地对这种方法进行优化。
这种优化方法例如可以由采用非变形的抛光元件开始，并通过增加变形量进行一些试验。
如在本发明的其它实施方式中，角速度ωc与ωp一般是每分钟1-60转，绝对值的比是0.1-10，优选地0.5-2。
任选地，工件的一部分可以超过抛光元件边缘104，如在第一种实施方式中。还可能将不同实施方式结合起来：可以设想呈圆环状的抛光元件，如在图2B的抛光元件，它具有如图3所示不规则的边缘，和如第三种实施方式，一种在内外边缘端的变形。
图5(未按比例绘)表明采用本发明方法(实线)和采用通常的CMP方法(虚线)抛光工件113的周边区域的剖视图。沿着300×300mm方形工件对角线进行剖切。在采用通常方法的情况下，可以观察到过抛光效果，其过抛光效应在宽度约60mm的区域50内边缘厚度降低可能达到3微米。在本发明方法的情况下，相反地，工件在相应边缘的厚度降低小于0.1微米，并且限于宽度仅仅约5mm的区域55内。
参照用于单面抛光的旋转CMP机器描述了三种本发明的实施方式。但是，应当理解本发明也同样可以应用于线型CMP机器和线型或旋转双面抛光机器的情况。如引言中提到的，进行双面抛光时甚至是本发明应用更加有利的情况。
在单一工件支架110′带有多个工件113′进行双面抛光的情况下(见图1B)，应该注意到确保这些工件能绕其固有中心独自旋转，而与工件支架无关，处处产生过抛光的补偿作用。
Claims (12)
1、表面抛光的方法，其中使具有至少一个待抛光表面(115)的至少一个待抛光工件(113)旋转，并且使所述的表面(115)压抵抛光元件(103)，而该抛光元件以旋转或平移运动方式运动，其特征在于，在整个抛光处理期间，该待抛光工件(113)的所述表面(115)上的属于其外部区域的点(P2)，在所述待抛光工件旋转过程中，沿着一条路径(TP2)运行，该路径包括第一部分(TP2′)和第二部分(TP2″)，其中：
-所述外部区域包括这样一些点，所述点处在具有一定半径且其圆心与所述待抛光工件(113)的旋转中心重合的圆周(114)的外部；
-所述外部区域(113a)的宽度是所述待抛光工件(113)直径或主尺寸的0.1-30％；
-以及，通过以下方式之一
所述路径的第二部分是在所述抛光元件的外部，或者
抛光元件具有处在靠近一个边缘的至少一个区域的被变形的部分，以便在相应的所述区域，对待抛光工件施加一个小于抛光元件其余部分压力的压力，
使得在所述第二部分(TP2″)的抛光率比所述第一部分(TP2′)的低，以便至少部分地补偿在所述路径的第一部分(TP2′)产生在所述待抛光工件(113)边缘的过抛光作用。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述待抛光工件(113)的角速度(ωc)与抛光元件(103)的角速度(ωp)的绝对值之比是0.1-10。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述待抛光工件(113)的角速度(ωc)与抛光元件(103)的角速度(ωp)的绝对值之比是0.5-2。
4、根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中待抛光工件(113)超过抛光元件(103)的至少一个边缘(104)，使得所述路径的第二部分(TP2″)是在所述抛光元件(103)的外面。
5、根据权利要求4所述的方法，其中抛光元件(103)是圆形的，待抛光工件(113)超过其外边缘(104)。
6、根据权利要求4所述的方法，其中抛光元件(103)有一个由圆形内边缘限定的开口，该待抛光工件(113)超过所述内边缘。
7、根据权利要求1所述的方法，其中抛光元件(103)具有至少一个带突起和凹口的不规则形状的边缘(104)，待抛光工件(113)超过所述的边缘(104)，至少与某些所述的凹口对齐，并且以与所述待抛光工件(113)的角速度(ωc)不同的角速度(ωp)使抛光元件(103)进行旋转运动，这样所述路径的第二部分(TP2″)在一定长度上是在所述抛光元件(103)外部，并且对于任一给定点(P2)该长度从所述待抛光工件(113)一次旋转到另一次旋转不规则地改变。
8、根据权利要求1所述的方法，其中抛光元件(103)具有至少一个带突起和凹口的不规则形状的边缘(104)，待抛光工件(113)超过所述的边缘(104)，至少与某些所述的凹口对齐，并且抛光元件(103)进行平移运动，这样所述路径第二部分(TP2″)是在所述抛光元件(103)外部并且具有一定长度，对于任一给定点(P2)，该长度从所述待抛光工件(113)一次旋转到另一次旋转不规则地改变。
9、根据权利要求1所述的方法，其中，抛光元件(103)具有被变形的部分，该被变形的部分处在靠近一个边缘(104)的至少一个区域(109)内，所述路径第二部分(TP2″)是在所述的抛光元件(103)的所述区域(109)内。
10、根据权利要求1所述的方法，其中采用两个抛光元件(103)在待抛光工件的两个相反面上同时进行抛光。
11、一种在根据权利要求1所述方法中使用的抛光元件(103)，其中，抛光元件的一个边缘(104)具有带突起和凹口的不规则形状，所述边缘是在内限与外限之间，结果由所述内限与外限限定了一个区域，该区域具有比所述抛光元件的其余部分小的平均抛光作用。
12、一种在根据权利要求1所述方法中使用的抛光元件(103)，其中，比所述抛光元件其余部分小的抛光作用的所述的区域是周边区域(109)，它具有变形部分，以便对待抛光工件(113)施加一个小于抛光元件其余部分的压力的压力。
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