CN101234481A - 具有用来将浆料保留在抛光垫构造上的凹槽的抛光垫 - Google Patents

Abstract

一种设计用来结合抛光介质使用的旋转化学机械抛光垫。所述抛光垫包括具有抛光面的抛光层，所述抛光面具有多个凹槽。所述多个凹槽中的每一个的至少一部分具有一定的形状和取向，所述形状和取向作为抛光介质在抛光垫使用过程中的流径的函数确定。

Description

具有用来将浆料保留在抛光垫构造上的凹槽的抛光垫

技术领域

本发明一般涉及化学机械抛光(CMP)领域。具体来说，本发明涉及具有降低浆液消耗的凹槽的CMP垫。

背景技术

在半导体晶片上的集成电路和其他电子器件的制造中，在晶片上沉积多层导电材料、半导体材料和介电材料，或者将多层导电材料、半导体材料和介电材料从晶片上蚀刻除去。这些材料的薄层可通过许多种沉积技术沉积。现代晶片处理中常规的沉积技术包括物理气相沉积(PVD，也称为溅射)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)和电化学镀敷。一般的蚀刻技术包括湿法和干法的各向同性蚀刻和各向异性蚀刻等。

随着材料层按照顺序被沉积和蚀刻，晶片的表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如光刻)要求该晶片具有平坦表面，所以需要对晶片周期性地进行平面化。平面化可用于除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面、成团材料、晶格损坏、划痕和被污染的层或材料。

化学机械平面化，或称化学机械抛光(CMP)是一种用来对半导体晶片和其它工件进行平面化的普通技术。在使用双轴旋转抛光机的常规CMP中，在支架组件上安装有晶片支架或抛光头。所述抛光头夹持晶片，使晶片定位在与抛光机中抛光垫的抛光层相接触的位置。所述抛光垫的直径大于被平面化晶片的直径的两倍。在抛光过程中，抛光垫和晶片围绕它们各自的同轴中心旋转，同时使晶片与抛光层相接触。所述晶片的旋转轴线相对于抛光垫的旋转轴线偏移一段大于晶片半径的距离，使得抛光垫的旋转在抛光垫的抛光层上扫出一个环形的“晶片轨道”。当晶片仅进行旋转运动的时候，所述晶片轨道的宽度等于晶片的直径。但是，在一些双轴抛光机中，所述晶片在垂直于其旋转轴线的平面内进行振动。在此情况下，晶片轨道的宽度比晶片直径宽，所宽出的量表示振动造成的位移。所述支架组件在所述晶片和抛光垫之间提供了可控的压力。在抛光过程中，浆液或其它抛光介质流到抛光垫上，流入晶片和抛光层之间的间隙中。通过抛光层和抛光介质对晶片表面的化学作用和机械作用，晶片表面被抛光并变平。

人们对CMP过程中抛光层、抛光介质和晶片表面之间相互作用的研究越来越多，以努力使得抛光垫的设计最优化。这些年来，大部分的抛光垫开发是经验性的。许多抛光面或抛光层的设计将注意力集中在为这些层提供各种空隙图案和凹槽排列，并声称这些设计能够提高浆液利用能力和抛光的均匀性。这些年来，人们使用了许多不同的凹槽图案和排列，以及许多不同的空隙图案和排列。现有技术的凹槽图案包括辐射形、同心圆形、笛卡尔格栅形和螺旋形等。现有技术的凹槽构型包括所有凹槽的宽度和深度均一的构型，以及凹槽的宽度和深度彼此不同的构型。

诚然，大部分凹槽图案基于对浆液流动如何响应各种凹槽特征(例如凹槽曲率和凹槽横截面)的推断。这些特征往往对在旋转抛光机产生的向心力作用下分配的浆液的迁移具有重要影响。当凹槽的取向从更多的为环向变为更多的为径向的时候，分配的浆液向外的迁移增加。例如，径向的凹槽会通过类似于通道的作用，使分配的浆液最大程度沿径向外流，造成液体直接全部流出抛光垫。这种外流导致抛光垫和晶片表面之间的接触点过热，引起抛光性能变差和抛光垫磨耗增大之类的问题，从而对抛光过程造成负面影响。

由于抛光垫具有许多种凹槽图案，这些凹槽图案的效果是彼此不同的，而且在不同的抛光工艺中，其效果也是不同的。抛光垫设计人员在不断寻求能够使抛光垫相对于现有技术的抛光垫设计更有效而且更有用的凹槽图案。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种与抛光介质结合使用的抛光垫，所述抛光介质具有理想流径，所述理想流径由抛光垫在使用过程中旋转而提供，其中所述抛光垫包括：设计用来在抛光介质的存在下对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光的抛光层，所述抛光层包括圆形抛光面，该抛光面在抛光过程中具有环形抛光轨迹；形成于所述抛光层内的至少一个凹槽，其具有位于所述抛光轨迹内的正交部分，所述正交部分具有一定长度，沿整个长度成形，沿正交部分与理想流体流径正交。

本发明的另一个方面涉及一种抛光垫，其包括：设计用来在抛光介质的存在下对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光的抛光层；形成于所述抛光层中的至少一个凹槽，其具有位于抛光轨迹内的正交部分，所述正交部分具有一定长度，依照以下公式成形

$r^{*}=r_o{e}^{\frac{1}{2}{\left(3\mathrm{\θ}\right)}^{2/3}}$

式中r_o是与抛光垫的同轴中心相距的初始径向位置，θ是流径角度。

本发明的另一个方面涉及一种用来与抛光介质一起使用的旋转抛光垫的制备方法，该方法包括：确定抛光介质的流径；确定将要在旋转抛光垫中形成的作为抛光介质流径的函数的凹槽的形状和取向；在所述旋转抛光垫中形成大量具有所述凹槽形状和凹槽取向的凹槽。

附图说明

图1是根据本发明制造的抛光垫的平面图；

图2是图1的抛光垫沿图1中直线2-2截取的放大截面图；

图3是图1的抛光垫的俯视示意图，图中显示了抛光垫上的一个凹槽相对于理想流体流径的形状；

图4是根据本发明制造的另一种抛光垫的平面示意图，图中显示了抛光垫上一个凹槽的形状；

图5是图4的抛光垫的平面图，图中显示了所述抛光垫的完整结构；

图6是根据本发明制造的另一种抛光垫的平面示意图，图中显示了抛光垫上一个凹槽的形状；

图7是图6的抛光垫的平面图，图中显示了抛光垫的完整结构；

图8是根据本发明的抛光系统的示意图。

发明详述

现在来看附图，图1和图3显示了根据本发明制造的抛光垫100的一个实施方式。如下文所讨论的，抛光垫100以一种方式设计，这种设计方式阻止了抛光介质(图中未显示，例如浆液)因在使用过程中受到旋转的抛光垫100的向心力作用而向外迁移的趋势。通常，抛光垫100包括含有多个凹槽108的抛光面104，每个凹槽108具有凹槽形状112(图3)，该凹槽形状112至少部分地作为流体流径116(图3)的函数而确定，如果不存在凹槽108，在使用的过程中，当抛光垫旋转的时候，所述流体流径116会确定出抛光介质移动时遵循的平均路径。更具体来说，对全部或部分的凹槽形状112及其相对于抛光垫100旋转方向的取向进行选择，使得相应的各凹槽108与流体流径116正交。因此，与流体流径116正交的凹槽108或其中一部分凹槽108对抛光介质流过抛光面104并离开抛光垫100的趋势产生了显著的阻碍，从而延长了抛光介质在抛光垫上的停留时间。延长的停留时间导致抛光介质消耗较少，因此操作成本较低。下面详细描述了凹槽108的各种示例性几何结构。

参见图1和图2，抛光垫100可包括形成抛光面104的抛光层120(图2)。在一个例子中，抛光层120可受背衬层124支承，所述背衬层124可以与抛光层120整体性地形成，或者可以与抛光层120各自独立地形成。再来看图1，抛光垫100通常具有圆盘的形状，因此抛光面104具有圆心O和圆形外部周边128。后者可位于与O相距一定径向距离的位置，图中表示为R_垫。抛光层120可由适合用来对被抛光的制品进行抛光的任何材料制成，所述制品如半导体晶片、磁性介质制品(例如计算机硬盘驱动器的磁盘)或者镜片(例如折射镜头、反射镜头)、平面反射器或透明的平面制品等。用于抛光层120的材料的例子包括但不限于，各种聚合物塑料，例如聚氨酯、聚丁二烯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸酯等。

可以任何适当的方式在抛光层120中形成多个凹槽108中的每一个，例如通过碾磨、模塑等。在一个实施例中，形成的凹槽108互相分离，以恒定的节距绕圆心O重复设置。另外，所形成的所述多个凹槽108中的各个凹槽可以具有所需的凹槽横截面形状132(图2)，以适应特定的一组设计标准。在一个实施例中，所述多个凹槽108中的每个凹槽可具有矩形的横截面形状，例如图中凹槽横截面形状132a所示的形状。在另一个实施例中，各凹槽108可具有沿其长度改变的凹槽横截面132。在另一个实施例中，不同凹槽108的横截面形状132可以发生变化。本领域普通技术人员能够理解，设计人员可以为抛光垫(例如抛光垫100)提供很宽范围的凹槽横截面形状132及其各种应用。

再来看图3，所述的流体流径116是当抛光面104是疏流体的(例如疏水性的)、且不含任何凹槽108或其它阻碍流体运动的结构的时候，流体(例如水)在抛光垫100旋转的影响下将会采取的理想流径。以下数学推演是基于该理想的流径。然而，人们认识到抛光介质在实际抛光垫表面上的真实流径可能会由于各种因素的影响而发生不同于理想流径的变化，所述因素包括例如在理想化流径中未考虑的抛光介质粘性和表面张力。因此，流体流径116还显示了当特定抛光介质对抛光垫100施加的物理作用力以及抛光垫旋转作出响应时，该抛光介质的真实流径。但是在本说明书中，为了简化对概念的解释，下面仅仅详细列出对于理想的无障碍流径的数学推演。这不一定意味着本说明书仅包括根据以下数学推演列出的凹槽形状。相反，本发明意在涵盖等效无凹槽抛光垫在旋转过程中的实际流体流径，而不考虑这些流径是否由以下理想的流径数学模型所确立。

为了方面起见，流体流径116可通过许多的点定义，这些点具有显示径向位置r和流径角度θ的极坐标，例如点136(r，θ)。这些点定义了理想化的抛光介质在抛光垫100的角速度Ω_p的影响下，沿抛光面104向外移动的图案。在此实施例中，流体流径116是抛光介质的径向位置r相对于圆心O增大时，角位移的变化Δθ。

一般来说，随着径向位置r相对于圆心O增大，抛光介质连续加速。流体流径116可能与抛光介质从圆心O向外移动时的角速度v_r相关。角速度v_r可以描述为相对于时间t测得的距离圆心O的径向位置r的变化，见公式1所示。

$v_r=\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}}$ 公式{1}

很容易理解，当抛光垫100以固定的角速度Ω_p旋转的时候，施加在抛光介质上的向心力使所述抛光介质在沿抛光面104向外运动的时候获得加速度a(为了简化数学模型，再次假定所述抛光面104为无凹槽的、平滑而疏流体性的)。加速度a见公式2。

$a=\frac{{\mathrm{dv}}_r}{\mathrm{dt}}=r{{\mathrm{\Ω}}_p}^2$ 公式{2}

这种加速度随着距离圆心O的径向距离的增大而增大。这种增大的加速度造成增大的角速度v_r，角速度v_r可通过(使用初始角速度值v_r＝0)对公式2求积分得到，当将所述抛光介质分配在抛光面104上而不产生初始角速度v_r的时候，会产生这种情况。结果见以下公式3。

v_r＝rΩ_p ²t                   公式{3}

然后，可如公式4所示将公式1和公式3结合起来，以此描述径向位置r相对于时间t的变化。可对公式4进行分离变量和积分，得到公式5所示的结果，其中C是积分常数。

$\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}}=r{{\mathrm{\Ω}}_p}^{2}t$ 公式{4}

$\ln \left(r\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\Ω}}^2{t}^2+C$ 公式{5}

另外，径向位置r的变化可以与相对时间t测得的角位移的变化Δθ相联系，如公式6和公式7所示。

$t=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{{\mathrm{\Ω}}_p}$ 公式{6}

$\ln \left(r\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\Δ\θ}+C$ 公式{7}

通过应用边界条件(当r＝r_o时Δθ＝0)，可利来该公式即公式7来确定随径向位置r变化的角位移Δθ，如公式8所示。在径向位置r相对于圆心O增大的时候连续加速的情况下，利用公式8描述的角位移的变化Δθ可得到抛光介质在旋转的理想化抛光面104上向外移动的图案。

$\mathrm{\θ}=-\sqrt{2\ln \frac{r}{r_o}}$ 公式{8}

角位移的变化Δθ还可一般地用径向位置r表示，例如r＝r(θ)，如公式9所示。在一个实施例中，该公式近似确定了理想化的抛光介质在抛光面104上自由移动时的路径，即流体流径116，而不考虑粘度和表面张力的影响。

$r=r_o{e}^{\frac{1}{2}{\mathrm{\θ}}^2}$ 公式{9}

鉴于上述内容，一种决定抛光垫100各个凹槽108的凹槽形状112(图1)的方法是，使各凹槽的至少很大一部分与上面公式8和公式9确定的流体流径正交。通过这种方式，可使凹槽108形成特定形状，其如上所述对各种形式的运动施加反作用，从而阻碍抛光介质的运动。

为了确定与流体流径116正交的凹槽形状(例如凹槽形状112)的公式，宜知道流体流径的斜率s。一般来讲，以极坐标函数θ＝θ(r)表示的流体流径116的斜率见公式10。

$s=\frac{1}{r}\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{d\θ}}=\frac{1/r}{\mathrm{d\θ}/\mathrm{dr}}$ 公式{10}

可以利用对公式8所反映的流体流径116的推演(公式10)来确定流径116的斜率(公式12)。

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dr}}=\frac{1}{r\sqrt{2\ln \frac{r}{r_o}}}$ 公式{11}

$s=-\sqrt{2\ln \frac{r}{r_o}}$ 公式{12}

为了实现正交，凹槽形状112的斜率s^*必须使得对于流体流径116上所有的点，斜率s和斜率s^*的积为-1。因此，与流体流径116正交的凹槽形状112的斜率s^*由以下公式13确定：

$s^{*}=\sqrt{2\ln \frac{r}{r_o}}$ 公式{13}

公式13确定的凹槽形状112的斜率s^*可以与公式10相结合，来确定正交曲线的推演结果(公式14)。然后，可通过对公式14进行分离变量和积分得到正交流径θ^*＝θ^*(r)(公式15)。

${\left(\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{d\θ}}\right)}^{*}=\frac{r}{\sqrt{2\ln \frac{r}{r_o}}}$ 公式{14}

${\mathrm{\θ}}^{*}=\frac{1}{2}{\left(2\ln \frac{r}{r_o}\right)}^{3/2}$ 公式{15}

通过对公式15的r求解，正交流径还可表示为r^*＝r^*(θ)，如公式16所示。

$r^{*}=r_o{e}^{\frac{1}{2}{\left(3\mathrm{\θ}\right)}^{2/3}}$ 公式{16}

参见图3，同时参见图1，一旦凹槽形状112(图3)已经确立，使得在相应凹槽108的至少一部分长度上与流体流径116正交，则凹槽可以根据需要重复地环绕抛光垫100，如图1所示。如果每个凹槽都从抛光垫100的中心延伸到其外部周边，就可以获得最佳的抛光介质保留效果，但是要认识到在一些实施方式中，需要使得凹槽小于总长度的部分是正交的，即与流体流径成45-135°的局部角。但是一般来说，需要各凹槽的正交部分延伸通过晶片轨迹宽度的至少50％，在图1中显示为140。例如，图1中显示的各凹槽108沿其整个长度与流体流径116正交。

为了说明上述原理，图4-7显示了另外的抛光垫200，300，图中仅显示了可以运用这些原理制备的许多另外的凹槽设计中的两种。首先参见图4和图5，抛光垫200包括大量凹槽204(图5)，每个凹槽204包括内部部分204A，所述内部部分A在不考虑流体流径208的情况下成形(图4)，具有Muldowney在2004年8月31日获得授权的美国专利第6,783,436号“具有最优化的凹槽的抛光垫及其形成方法”(Polishing Pad with Optimized Grooves and Method of Forming Same)中所揭示的优点，该文献参考结合入本文中。所述多个凹槽204中的各个凹槽(图5)还可包括外部部分204B，该外部部分204B的成形使得其与流体流径正交。在此实施例中，所述多个凹槽204的各内部部分204A从抛光垫200圆心O附近的点延伸到半径R₁处的点(图4)，此处约为抛光垫半径的1/3。所述各凹槽204的正交外部部分204B从相应的半径R₁处的各点延伸到半径R₂，半径R₂为例如抛光垫200的全部半径。在图5中可以看出，晶片轨道212宽度W的大约4/5包括所述凹槽的正交外部部分204B。

接下来参见图6和图7，抛光垫300包括多个设计成与图5中的凹槽204相反的凹槽304。也即是说，不是使得凹槽的正交部分位于大体非正交的部分的径向外侧，而是使得抛光垫300的各个凹槽304的内部部分304A(图7)的形状与流体流径308正交(图6)，外部部分304B的形状不考虑使其与流体流径正交，其具有上文所述的美国专利第6,783,436号所揭示的优点。在此实施例中，各正交内部部分304A从抛光垫300的圆心O附近半径R₁′处的点延伸到半径R₂′处的点，在此情况下，R₂′约为抛光垫总半径的2/3。相应的各未故意正交的外部部分304B从半径R₂′处的点延伸到抛光垫300的外部周边。从图7可以很容易地看出，晶片轨道312宽度W′的大约2/3包括凹槽304的正交内部部分304A。

本领域技术人员能够理解，尽管图5中凹槽204的未故意正交的内部部分204A以及图7的凹槽304的未故意正交的外部部分304B都显示为螺旋形的，但是并非必须如此。例如，在其他的实施方式中，所述螺旋形的凹槽可以用其它形状和取向的凹槽代替，例如笔直的和螺旋的，略微弯曲的和径向的，曲折的和径向的，曲折的和环向的，波浪形的和径向的以及波浪形的和环向的。所述凹槽的未故意正交的部分还可任选地为其它更简单的凹槽图案的叠加，例如笛卡尔格栅形的叠加或者格子与圆形或螺旋形图案的叠加。另外，其它的实施方式可以具有其它的凹槽构型。例如，一些实施方式可以是图5和图7的抛光垫200、300的杂合体。也即是说，另外的实施方式可能包括具有以下特点的凹槽：这些凹槽某些部分的形状相对于流体流径正交，其内部和外部部分未故意与流体流径正交。

图8显示了适于使用抛光垫404来抛光制品(例如晶片408)的抛光机400，所述抛光垫404可以是图1-7中的抛光垫100、200、300中的一种，或者是根据本发明制造的其它抛光垫。抛光机400可包括工作台412，抛光垫404安装在其上。可通过工作台驱动器(未显示)使所述工作台412绕旋转轴线A1旋转。抛光机400还可包括晶片支架420，该支架420可围绕旋转轴线A2旋转，该旋转轴线A2与工作台412的旋转轴线A1平行，并与之间隔开，该支架420在抛光过程中支撑晶片408。晶片支架420可以具有万向连接件(未显示)，该万向连接件允许晶片408呈极轻微地不平行于抛光垫404的抛光面424的形态，其中旋转轴A1、A2可以互相极其轻微地倾斜。晶片408包括被抛光面428，其朝向抛光面424，在抛光过程中被平面化。晶片支架420可以由支架支撑组件(未显示)支撑，所述组件适于使晶片408旋转，并提供向下的作用力F，以将被抛光面424压抵在抛光垫404上，使得在抛光过程中被抛光面和抛光垫之间存在所需的压力。抛光机400还可包括抛光介质入口432，用来向抛光面424输送抛光介质436。

本领域技术人员能够理解，抛光机400可包括其它的部件(未显示)，例如系统控制器、抛光介质存储和分配系统、加热系统、冲洗系统、以及用来控制抛光过程各个方面的各种控制器，例如：(1)用于控制晶片408和抛光垫404中一个或两者的转速的速度控制器和选择器；(2)用来改变向抛光垫输送抛光介质436的速率和位置的控制器和选择器；(3)用来控制施加在晶片和抛光垫之间的作用力F的大小的控制器和选择器；以及(4)用来控制晶片的旋转轴线A2相对于抛光垫旋转轴线A1的位置的控制器、促动器和选择器，等等。本领域技术人员应当理解如何构造和使用这些部件，因此无需详细描述，本领域技术人员便可理解和实施本发明。

在抛光过程中，抛光垫404和晶片408围绕其各自的旋转轴线A1、A2旋转，从抛光介质进口432将抛光介质436分配在旋转的抛光垫上。抛光介质436在抛光面424上展开，包括铺展在晶片408和抛光垫404之间的间隙内。抛光垫404和晶片408通常(但不一定)在0.1-850转/分钟的选定的速度下旋转。选定的作用力F的大小通常(但不一定)在晶片408和抛光垫404之间引发所需的0.1-15磅/英寸²(6.9-103千帕)的压力。

Claims (10)

1.一种用来与抛光介质结合使用的抛光垫，其具有在使用过程中旋转抛光垫而得到的理想流径，所述抛光垫包括：

(a)设计用来在抛光介质的存在下对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光的抛光层，所述抛光层包括圆形抛光面，该抛光面在抛光过程中具有环形抛光轨迹；

(b)形成于所述抛光层内的至少一个凹槽，其具有位于所述抛光轨迹内的正交部分，所述正交部分具有一定长度，沿整个长度成形，其沿正交部分与理想流体流径正交。

2.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述抛光轨迹具有一定宽度，所述正交部分横跨该宽度的至少50％。

3.如权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述正交部分横跨所述抛光轨迹宽度的至少75％。

4.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，其包括多个凹槽，这些凹槽部分地通过使所述正交部分重复环绕所述抛光面而确定。

5.如权利要求4所述的抛光垫，其特征在于，所述多个凹槽部分地通过使所述正交部分以固定的角节距重复环绕所述抛光面而确定。

6.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述正交部分的形状通过以下公式确定：

$r^{*}=r_o{e}^{\frac{1}{2}{\left(3\mathrm{\θ}\right)}^{2/3}}$

式中r_o是距离抛光垫圆心的初始径向位置，θ是流径角。

7.一种抛光垫，其包括：

(a)设计用来在抛光介质的存在下对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光的抛光层；

(b)形成于所述抛光层中的至少一个凹槽，其具有位于抛光轨迹内的正交部分，所述正交部分具有一定长度，依照以下公式成形

$r^{*}=r_o{e}^{\frac{1}{2}{\left(3\mathrm{\θ}\right)}^{2/3}}$

式中r_o是与抛光垫的圆心相距的初始轴向位置，θ是流径角度。

8.如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，在抛光过程中，所述抛光面包括具有一定宽度的抛光轨迹，所述正交部分横跨所述宽度的至少50％。

9.如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，所述抛光垫包括多个凹槽，这些凹槽部分地通过使所述正交部分以固定的角节距重复环绕所述抛光面而确定。

10.一种用来与抛光介质一起使用的旋转抛光垫的制备方法，该方法包括：

确定抛光介质的流径；

确定将要在旋转抛光垫中形成的作为抛光介质流径的函数的凹槽的凹槽形状和凹槽取向；

在所述旋转抛光垫中形成大量具有所述凹槽形状和凹槽取向的凹槽。

Images