CN101234482B

CN101234482B - 具有用于降低浆液消耗的凹槽的抛光垫

Info

Publication number: CN101234482B
Application number: CN2008100054260A
Authority: CN
Inventors: G·P·米多尼
Original assignee: Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Current assignee: Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: US7520798B2; CN101234482A; US20080182489A1

Abstract

本发明涉及一种与支架环联合使用的抛光垫、一种设计用来与支架环协作的抛光垫、以及一种制造和支架环一起使用的旋转抛光垫的方法。本发明提供了一种化学机械抛光垫，该抛光垫具有环形抛光轨道和同心中心O。所述抛光垫包括抛光层，该抛光层具有形成于其中的多个抛光垫凹槽。该抛光垫被设计用来与支架(例如晶片支架)一起使用，所述支架包括具有多个支架凹槽的抛光环。所述多个抛光垫凹槽中的每一个都具有与支架相容的凹槽形状，该凹槽形状被构造成提高抛光过程中位于支架环前缘上的支架环下面的抛光介质的传送。

Description

具有用于降低浆液消耗的凹槽的抛光垫

本申请是2007年1月31日提交的美国待批专利申请第11/700,490号的部分连续申请。

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，在晶片的表面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的表面上蚀刻除去。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。所述抛光头保持晶片，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心中心旋转，同时使晶片与抛光层相啮合。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，人们使用了许多种不同的凹槽和空隙的图案和排列。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。

但是，这些凹槽的图案和构型忽略了与具有活性晶片支架环的CMP抛光机有关的浆液的使用。与前几代的CPM抛光设备不同，这些支架环独立地面对抛光面，并且处于比被抛光的晶片高得多的压力下。这些因素通常在晶片的前缘(leading edge)造成挤压效应，其中所述抛光垫质地上的很多液体(例如浆液)薄膜被支架环清除。这些有潜在用途的浆液的损失会降低抛光过程的效率和可预测性，同时导致明显的额外处理成本。目前，从加利福尼亚州的圣克拉拉的应用材料有限公司(Applied Materials，Inc.)购得某些晶片支架具有支架环，所述支架环包括可通过使额外的浆液进入晶片表面以下的区域来减弱挤压效应的凹槽。

尽管抛光垫具有多种凹槽图案，但是这些凹槽图案的效率彼此不同，并且在不同的抛光工艺中效率也不同。抛光垫的设计者们一直在寻求凹槽图案，该凹槽图案使得所述抛光垫比现有的抛光垫设计更有效、更有用。

发明内容

在本发明的一个方面，提供一种与支架环联合使用的抛光垫，所述支架环具有至少一个支架凹槽和在存在抛光介质的情况下使用抛光垫和支架环对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光时相对于所述抛光垫的前缘，所述至少一个支架凹槽相对于所述支架环具有取向，所述抛光垫具有从抛光垫的中心延伸出来的半径，所述半径具有一定长度，所述抛光垫包括：构造成用来在存在抛光介质的情况下对磁性基材、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道；以及至少一个抛光垫凹槽，所述抛光垫凹槽在抛光轨道内具有与支架相容的凹槽形状，至少一部分的与支架相容的凹槽形状是弧形放射状的(curved radial)，所述与支架相容的凹槽形状在沿着半径长度的至少一个位置与抛光垫的半径相切，与支架相容的凹槽形状确定为至少一个支架凹槽的取向的函数，从而使得当所述至少一个支架凹槽在抛光过程中处于支架环的前缘上时，至少一个支架凹槽与所述至少一个抛光垫凹槽在沿着与所述与支架相容的凹槽形状的许多位置对准(align)。

在一个优选的实施方式中，所述与支架相容的凹槽形状对应于以下方程式所确定的曲线：

Figure 886332DEST_PATH_GSB00000020939000011

方程式

式中

u = \frac{R^{2} + {R_{c}}^{2} - r^{2}}{2 {RR}_{c}},

其中，R是从抛光垫的同心中心到支架环的中心的径向距离，R_c是支架环的半径，R_抛光垫是抛光垫的半径，r是从抛光垫的同心中心到与支架相容的凹槽形状上的点的径向距离。

在另一个优选的实施方式中，所述与支架相容的凹槽形状对应于以下方程式所确定的曲线：

Figure 691794DEST_PATH_GSB00000020939000013

在另一个优选的实施方式中，所述与支架相容的凹槽形状横贯抛光轨道的至少50％。

在另一个优选的实施方式中，所述抛光垫具有多个抛光垫凹槽，所述抛光垫凹槽具有与支架相容的凹槽形状，所述多个抛光垫凹槽围绕抛光垫周向分布。

在本发明的另一个方面，设计了一种与支架环协作的抛光垫，所述支架环具有至少一个支架凹槽和在存在抛光介质的情况下使用抛光垫和支架环对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光时相对于所述抛光垫的前缘，所述至少一个支架凹槽相对于所述支架环具有取向，所述抛光垫具有从抛光垫的中心延伸出来的半径，所述半径具有一定长度，所述抛光垫包括：构造成用来在存在抛光介质的情况下对磁性基材、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道；以及具有两个或多个抛光垫凹槽的至少一个抛光垫凹槽组，所述两个或多个抛光垫凹槽形成于抛光层中，并且两个或多个抛光垫凹槽中的每一个都具有与支架相容的凹槽形状，至少一部分的与支架相容的凹槽形状是弧形放射状的，所述与支架相容的凹槽形状在沿着半径长度的至少一个位置与抛光垫的半径相切，并且当所述至少一个支架凹槽在抛光过程中处于沿着支架环的前缘的位置时，在所述抛光轨道内的作为至少一个支架凹槽的取向的函数的与支架相容的凹槽形状与至少一个支架凹槽对准。

Figure 685158DEST_PATH_GSB00000020939000031

方程式

式中

u = \frac{R^{2} + {R_{c}}^{2} - r^{2}}{2 {RR}_{c}},

Figure 176499DEST_PATH_GSB00000020939000033

在另一个优选的实施方式中，所述与支架相容的凹槽形状横贯了抛光轨道的至少50％。

在本发明的再一个方面，提供一种制造和支架环一起使用的旋转抛光垫的方法，所述支架环具有至少一个支架凹槽和在存在抛光介质的情况下使用抛光垫和支架环对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光时相对于所述抛光垫的前缘，所述至少一个支架凹槽相对于所述支架环具有取向，所述抛光垫具有从抛光垫的中心延伸出来的半径，所述半径具有一定长度，所述方法包括：确定与支架相容的凹槽形状，当所述至少一个支架凹槽在抛光过程中处于沿支架环的前缘时，所述作为至少一个支架凹槽的取向的函数的与支架相容的凹槽形状与至少一个支架凹槽基本对准；以及在所述旋转抛光垫内形成至少一个抛光垫凹槽，所述抛光垫凹槽具有与支架相容的凹槽形状，至少一部分的与支架相容的凹槽形状是弧形放射状的，所述与支架相容的凹槽形状在沿着半径长度的至少一个位置与抛光垫的半径相切。

附图说明

图1是在有凹槽的支架的存在下按照本发明制造的抛光垫的俯视图；

图2是沿着图1的线2-2所示的图1中的抛光垫的放大的截面图；

图3是一张俯视图，示出了图1中抛光垫和有凹槽的支架的凹槽的几何形状；

图4是按照本发明制造的另一种抛光垫的俯视图，只示出了一个凹槽；

图5是图4的抛光垫的俯视图，示出了抛光垫的完整形式；

图6是按照本发明制造的另一种抛光垫的俯视图，只示出了一个凹槽；

图7是图6的抛光垫的俯视图，示出了抛光垫的完整形式；

图8是按照本发明制造的另一种抛光垫的俯视图，只示出了一个凹槽；

图9是图8的抛光垫的俯视图，示出了抛光垫的完整形式；

图10是按照本发明制造的另一种抛光垫的俯视图，只示出了一个凹槽；

图11是图10的抛光垫的俯视图，示出了抛光垫的完整形式；

图12是按照本发明制造的另一种抛光垫的俯视图，只示出了一个凹槽；

图13是图12的抛光垫的俯视图，示出了抛光垫的完整形式；

图14是按照本发明制造的另一种抛光垫的俯视图，只示出了部分的抛光垫-支架凹槽排列；

图15是图14的抛光垫的局部放大图，示出了部分的抛光垫-支架凹槽排列；

图16是按照本发明制造的另一种抛光垫的俯视图，只示出了完整的抛光垫-支架凹槽排列；

图17是图16的抛光垫的局部放大图，示出了完整的抛光垫-支架凹槽排列；

图18是本发明的抛光系统的示意图。

具体实施方式

现在参见附图，图1示出了按照本发明制造的抛光垫100的一种实施方式。如下所讨论，抛光垫100被具体设计为与相应的支架104，例如晶片支架相协作，所述支架104具有支架环108，支架环108含有许多个支架凹槽112，该支架凹槽112在抛光过程中面对抛光垫。更具体地，抛光垫100包括许多抛光垫凹槽116，所述抛光垫凹槽116构造成与支架凹槽112相协作，以使得当抛光垫从支架104下面扫过时，抛光介质(未示出)如浆液更容易到达被抛光的制品，例如半导体晶片120。一般而言，抛光垫凹槽116与支架凹槽112之间的协作(cooperation)以以下形式发生：当抛光垫100和支架104分别在预定的方向D_抛光垫，D_支架旋转时，抛光垫凹槽与支架凹槽中的一些沿着至少一部分的前缘124彼此对准。对于本说明书，抛光垫凹槽与支架凹槽的对准指的是在抛光过程中的瞬间条件，其中从支架环外面的抛光垫表面到支架环里面的基片，通过与抛光垫凹槽在至少一部分支架环凹槽的宽度上重叠支架环凹槽的整个长度来形成连续路径，使得抛光介质从支架环外面流到支架环里面时的流动通道(flow channel)的可用高度大于支架凹槽单独的高度。由于当两个凹槽对准时比不对准时增大了各凹槽的凹槽体积，抛光垫凹槽116与支架凹槽112的分别对准有效地提供了穿过支架环108的更大的液流通道(flow passage)。下面详细描述抛光垫100上的各种示范性的抛光垫凹槽116的几何形状，所述几何形状与支架凹槽112的各种几何形状相匹配。然而，在描述其它示范性的实施方式中的抛光垫凹槽116和其它类似的凹槽的几何形状的变体之前，接下来描述抛光垫100的一些物理性质。

参见图2和图1，如图2所示，抛光垫100还可包括具有抛光面132的抛光层128。在一个实施例中，抛光层128可由背衬层136支持，该背衬层136可以与抛光层128一体形成，或者与抛光层128分开形成。抛光垫100通常为圆盘状，这样抛光面132具有同心中心(concentric center)O和圆形外周(circularperiphery)140。后者可以位于远离O的径向距离上，如用具有特定长度的半径R抛光垫所示。至少一部分的与支架相容的凹槽116具有放射状或弧形放射状的形状。本说明书中，放射状或弧形放射状形状与抛光垫100的半径R_抛光垫在沿着半径R_抛光垫的长度的至少一个位置上相切。抛光层128可由适合用来对被抛光的制品进行抛光的任何材料制成，所述制品例如半导体晶片、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128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。

抛光垫凹槽116可以任何适合的方式排列在抛光面312上。在一个实施例中，抛光垫凹槽116可以是围绕着同心中心O周向重复单一凹槽形状的结果，例如使用恒定的角节距(angular pitch)。在另一实施例中，如图1所示，抛光垫凹槽116可以至少一个凹槽组144的形式排列，该凹槽组114围绕着同心中心O周向重复，例如以恒定的角节距重复。在一个实施例中，凹槽组144包括多个独立的抛光垫凹槽116，所述抛光垫凹槽116具有类似的形状，但是延伸量不同。如所理解的，由于抛光垫100的圆形性质，从抛光垫的最近的同心中心O延伸到抛光垫的外周或外周附近并且具有恒定的角节距的多个凹槽之间的间距朝着抛光垫的外周自然地增大。因此，为了提供更均匀的凹槽，在一些设计中，当间距超过某一量时，希望提供具有更多但更短抛光垫凹槽116的抛光垫100。很容易理解，可以按照需要，围绕着同心中心O形成若干凹槽组144。

此外，参见图2以及图1，可以任何适当的方式在抛光层128中形成多个凹槽116中的每一个，例如通过碾磨、模塑等。可以按照需要形成具有横截面形状148的多个抛光垫凹槽116中的每一个，以满足一组具体的设计标准。在一个实施例中，所述多个抛光垫凹槽116中的每一个都具有长方形的横截面，例如凹槽横截面形状148a(图2)。在另一实施例中，各抛光垫凹槽116的横截面形状148可各异沿着凹槽的长度变化。在再一实施例中，抛光垫凹槽116的横截面形状可以相互不同。在再一实施例中，如果具有多个凹槽组144，各凹槽组之间的横截面形状148可以相互不同。本领域技术人员将会理解设计者设计抛光垫凹槽116的横截面形状148所用的宽范围的横截面形状。

现在参见图3，各抛光垫凹槽116(图1)具有与支架相容的凹槽形状152，该凹槽形状定义为支架凹槽112的构型的函数。在高水平上，与支架相容的凹槽形状152由描述各相应的凹槽116的方向、位置和轮廓的许多点156所限定。各个点156可由从轴向(例如，水平轴160)测定的局部凹槽角(local groove angle)φ和从同心中心O测定的抛光垫半径r来限定。在一个实施例中，与支架相容的凹槽形状152可在抛光面132的整个或基本上整个径向距离(即R_抛光垫)上被限定。在另一实施例中，与支架相容的凹槽形状152可相对于被抛光的制品(即晶片120)的位置来限定。在再一实施例中，与支架相容的凹槽形状152可以在抛光面132上的一部分抛光轨道164内限定，即在抛光过程中面对晶片120或其它被抛光的制品的抛光面的区域。抛光轨道164可以由内部边界164a和外部边界164b来限定。本领域技术人员很容易理解尽管内部边界164a和外部边界164b主要是圆形的，但是在抛光者赋予被抛光的制品和/或抛光垫100轨道或振荡移动的情况下，这些边界可以是波浪形的。

如上面所提到的，与支架相容的凹槽形状152可确定为支架凹槽112的取向的函数，支架凹槽112可被认为是以与轴(例如水平轴160)形成局部角(local angle)θc的方式定向在支架环108上。在这种情况中，支架凹槽112的取向如图所示，支架凹槽112a的局部角θc为0°，支架凹槽112b的局部角θc为45°，支架凹槽112c的局部角θc为-45°。本领域技术人员应很容易地理解如何测定所示出的其余支架凹槽112的局部角θc。可以相同的方式测定具有其它支架凹槽取向的其它支架环的支架凹槽的局部角θc。

此外，沿着具有与支架相容的凹槽形状152的各支架凹槽112的一部分或全部的各个点可用支架角φc来描述，并且对着支架半径R_c，所述支架角φc是相对于位于水平轴160上的晶片支架104的旋转中心O’测定的。通常，支架半径R_c表示从旋转中心O’测定的支架环108的外径。然而，本领域技术人员应理解，支架半径R_c也可以表示从旋转中心O’到支架环108上的另一位置的径向距离，例如，支架环108的中间宽度(mid-width)或支架环的内径，如图3所示。

通常，但不是必需的，支架凹槽112可对称地排列在支架环108上。一般而言，在局部角θc和支架角φc之间存在固定的偏移，例如当局部角θc相对于水平轴160成45°时，支架角φc通常可用下面的方程式1来表示。

φ_{c} = θ_{c} - \frac{π}{4}

方程式

{1}

此外，抛光垫半径r可以表示为径向距离R、支架半径R_c和支架角φc的函数，如下面的方程式2所示。

r = \sqrt{R^{2} + R_{c} - 2 {RR}_{c} \cos (φ_{c} + π)}

方程式

{2}

接下来，通过合并方程式1和2，可以得到以下的方程3，局部角θc可表示为抛光垫半径r、支架半径R_c和径向距离R的函数。

θ_{c} = \sin^{- 1} \sqrt{1 - {(\frac{r^{2} - R^{2} - {R_{c}}^{2}}{{2 RR}_{c}})}^{2}}

方程式

{3}

如上所述，与支架相容的凹槽形状152的目标是当支架104和抛光垫100在抛光过程中旋转时，其与在支架环108的前缘124上的支架凹槽112在沿着支架环长度的各个点上对准。通过这种方式，当支架凹槽112和相应的各抛光垫凹槽116彼此扫过时，由于加入了支架凹槽112的高度，相应的各抛光垫凹槽116的总高度有效地增加。在该实施例中，与支架相容的凹槽形状152和在支架环108的前缘124上的支架凹槽112的对准可通过使局部凹槽角φ等于支架角φc来实现。一般地，该相等可以通过以下方式来实现：采取针对局部凹槽角φ的半径增加步骤，如下面的方程式4所示。

{\tan θ}_{c} = r \frac{dφ}{dr}

方程式

{4}

可通过从O到外周140在整个半径R_抛光垫上积分局部凹槽角φ来使得这些增加步骤形成连续的凹槽轨迹。该积分以下面的方程式5所规定的一系列点(r，φ)(未示出)的形式提供了与支架相容的凹槽形状152。图1的各个抛光垫凹槽116按照方程式5沿着其整个长度(即按照图3的与支架相容的凹槽形状152排布的各个抛光垫凹槽的整个长度)排布。

方程式

{5}

其中

u = \frac{R^{2} + {R_{c}}^{2} - r^{2}}{{2 RR}_{c}} .

图4-7示出了按照上述关于图1的抛光垫100的一般原则制得的两种其它的与支架相容的抛光垫200，300。一般而言，这些实施方式示出了与支架相容的凹槽形状和相应的产生于示范性的支架环的各凹槽，所述支架环包括相对于水平轴160的局部角θc不是45°的支架凹槽。

在图4和5的实施方式中，支架204包括具有支架凹槽212的支架环208，所述支架凹槽212相对于水平轴160的均匀局部角(uniform local angel)θc为0°。对于所示的支架凹槽212(图5)，使用方程式5确定的相应的与支架相容的凹槽形状216示于图5。按照上述一般原则，与支架相容的凹槽形状216可用于排列多个抛光垫凹槽220(图4)，当支架204旋转并且抛光垫200沿图4所示的方向228旋转时，所述多个抛光垫凹槽220与支架环208的前缘224上的支架凹槽216相对准。可以很容易地理解图4的一组抛光垫凹槽220是围绕抛光垫200以恒定的角节距周向重复与支架相容的凹槽形状216的结果(图5)。当然，在其它实施方式中，可按照需要提供额外的但更短的凹槽(未示出)，以减小抛光垫凹槽220的相邻凹槽之间的间距。这些额外的凹槽可包括或不包括与支架相容的凹槽形状216。

需要注意的是，与图1中的抛光垫凹槽116一样，图4的抛光垫凹槽220沿着其整个长度具有与支架相容的凹槽形状216。当然，在其它实施方式中，不是必须这样。例如，可能只需要中间三分之二的抛光轨道含有与支架相容的凹槽形状216(见图3，元件164)。另一个例子具有这样的与支架相容的凹槽形状216，其中抛光垫凹槽在穿过至少50％的抛光轨道上与支架凹槽对准。例如，所述与支架相容的凹槽形状216可横贯至少50％或80％的抛光轨道。在这种情况下，各抛光垫凹槽220位于具有凹槽形状216的凹槽部分的径向向内和径向向外部分(如果有的话)可以是所需的任何形状。抛光垫200的其它物理方面可以与上面关于抛光垫100所述的物理方面一样。

现在参见图6和7，该实施方式的支架304包括具有支架凹槽312的支架环308，所述支架凹槽312相对于水平轴160具有均匀的局部角θc为-45°，即局部角θc大致与图1中所示的相反。对于所示的支架凹槽312，使用方程式5确定的相应的与支架相容的凹槽形状316示于图7。按照上述一般原则，与支架相容的凹槽形状316可用于排列多个抛光垫凹槽320(图6)，当支架304旋转并且抛光垫200沿图6所示的方向328旋转时，所述多个抛光垫凹槽320与支架环308的前缘324上的支架凹槽316相对准。可以很容易地理解图6的一组抛光垫凹槽320是围绕抛光垫300以恒定的角节距周向重复与支架相容的凹槽形状316的结果(图7)。当然，在其它实施方式中，可按照需要提供额外的但更短的凹槽(未示出)，以减小抛光垫凹槽320的相邻凹槽之间的间距。这些额外的凹槽可包括或不包括与支架相容的凹槽形状316。

需要注意的是，与图1中的抛光垫凹槽116一样，图6的抛光垫凹槽320沿着其整个长度具有与支架相容的凹槽形状316。当然，在其它实施方式中，不是必须这样。例如，可能只需要中间三分之二的抛光轨道含有与支架相容的凹槽形状316(见图3，元件164)。在这种情况下，各抛光垫凹槽320位于具有凹槽形状316的凹槽部分的径向向内和径向向外的部分(如果有的话)可以是所需的任何形状。抛光垫300的其它物理方面可以与上面关于抛光垫100所述的物理方面一样。

一般而言，上述的方程式5是基于测定合适的与支架相容的凹槽形状，所述与支架相容的凹槽形状是基于支架环前缘上的支架凹槽的实际位置。因此，方程式5提供了高度精确的与支架相容的凹槽形状。然而，要注意的是还有其它的途径来测定令人满意的与支架相容的凹槽形状，所述与支架相容的凹槽形状能得到增加通过有凹槽的支架环的前缘到达被抛光的制品的抛光介质的量这一所需的结果。例如，再回去参见图3，当支架凹槽从前缘124投影(project)到水平轴160上时，例如作为投影的支架凹槽112a’、112b’、112c’、112d’时，另一与支架相容的凹槽形状(未示出)可大致地根据支架凹槽112的取向来确定。在该实施方式中，抛光垫半径r一般表示为径向距离R、支架半径R_c和支架角φc的函数，如下面的方程式6所示。

r＝R+R_ccosφ_c 方程式

{6}

接下来通过组合方程式1和2，局部角θc可表示为抛光垫半径r、支架半径R_c和径向距离R的函数，如方程式7所示。

θ_{c} = \frac{π}{4} co s^{- 1} (\frac{r - R}{R_{c}})

方程式

{7}

在该实施方式中，从O到外周140在整个半径R_抛光垫上积分局部角规定了与支架相容的凹槽形状作为下面的方程式8所限定的一系列点(r，φ)(未示出)。

方程式

{8}

图8-13示出了按照上述关于图1的抛光垫100的一般原则制得的三种其它的与支架相容的抛光垫400，500，600，这些抛光垫400，500，600具有与支架相容的凹槽形状，这些与支架相容的凹槽形状是基于在支架环的前缘上的支架凹槽的投影位置(projected location)。一般而言，这些实施方式示出了与支架相容的凹槽形状和相应的产生于示范性的支架环的各凹槽。

回去参见附图，图8和9示出了这样一种实施方式，其中支架404包括具有支架凹槽412的支架环408，所述支架凹槽412相对于水平轴160的均匀局部角θc为0°。对于所示的支架凹槽412，使用方程式8确定的相应的与支架相容的凹槽形状416示于图9。按照上述一般原则，与支架相容的凹槽形状416可用于排列多个抛光垫凹槽420(图8)，当支架404旋转并且抛光垫400沿图8所示的方向428旋转时，所述多个抛光垫凹槽420与支架环408的前缘424上的支架凹槽416相对准。可以很容易地理解图8的一组抛光垫凹槽420是围绕抛光垫400以恒定的角节距周向重复与支架相容的凹槽形状416的结果(图9)。当然，在其它实施方式中，可按照需要提供额外的但更短的凹槽(未示出)，以减小抛光垫凹槽420的相邻凹槽之间的间距。这些额外的凹槽可包括或不包括与支架相容的凹槽形状416。

需要注意的是，与图1中的抛光垫凹槽116一样，图8的抛光垫凹槽420沿着其整个长度具有与支架相容的凹槽形状416。当然，在其它实施方式中，不是必须这样。例如，可能只需要中间三分之二的抛光轨道(见图3，元件164)含有与支架相容的凹槽形状416。在这种情况下，各抛光垫凹槽420位于具有凹槽形状416的凹槽部分的径向向内和径向向外部分(如果有的话)可以是所需的任何形状。抛光垫400的其它物理方面可以与上面关于抛光垫100所述的物理方面一样。

在图10和11的实施方式中，支架504包括具有支架凹槽512的支架环508，所述支架凹槽512相对于水平轴160的均匀局部角θc为-45°。对于所示的支架凹槽512(图11)，使用方程式8确定的相应的与支架相容的凹槽形状516示于图11。按照上述一般原则，与支架相容的凹槽形状516可用于排列多个抛光垫凹槽520(图10)，当支架504旋转并且抛光垫500沿图10所示的方向528旋转时，所述多个抛光垫凹槽520与支架环508的前缘524上的支架凹槽516相对准。可以很容易地理解图10的一组抛光垫凹槽520是围绕抛光垫500以恒定的角节距周向重复与支架相容的凹槽形状516的结果(图11)。当然，在其它实施方式中，可按照需要提供额外的但更短的凹槽(未示出)，以减小抛光垫凹槽520的相邻凹槽之间的间距。这些额外的凹槽可包括或不包括与支架相容的凹槽形状516。

需要注意的是，与图1中的抛光垫凹槽116一样，图10的抛光垫凹槽520沿着其整个长度具有与支架相容的凹槽形状516。当然，在其它实施方式中，不是必须这样。例如，可能只需要中间三分之二的抛光轨道(见图3，元件164)含有与支架相容的凹槽形状516。在这种情况下，各抛光垫凹槽520位于具有凹槽形状516的凹槽部分的径向向内和径向向外部分(如果有的话)可以是所需的任何形状。抛光垫500的其它物理方面可以与上面关于抛光垫100所述的物理方面一样。

图12和13示出了另一种实施方式，其中支架604包括具有支架凹槽612的支架环608，所述支架凹槽612相对于水平轴160的均匀局部角θc为45°。对于所示的支架凹槽612，使用方程式8确定的相应的与支架相容的凹槽形状616示于图13。按照上述一般原则，与支架相容的凹槽形状616可用于排列多个抛光垫凹槽620(图12)，当支架604旋转并且抛光垫600沿图12所示的方向628旋转时，所述多个抛光垫凹槽620与支架环608的前缘624上的支架凹槽616相对准。可以很容易地理解图12的一组抛光垫凹槽620是围绕抛光垫600以恒定的角节距周向重复与支架相容的凹槽形状616的结果(图13)。当然，在其它实施方式中，可按照需要提供额外的但更短的凹槽(未示出)，以减小抛光垫凹槽620的相邻凹槽之间的间距。这些额外的凹槽可包括或不包括与支架相容的凹槽形状616。

需要注意的是，与图1中的抛光垫凹槽116一样，图12的抛光垫凹槽620沿着其整个长度具有与支架相容的凹槽形状616。当然，在其它实施方式中，不是必须这样。例如，可能只需要中间三分之二的抛光轨道(见图3，元件164)含有与支架相容的凹槽形状616。在这种情况下，各抛光垫凹槽620位于具有凹槽形状616的凹槽部分的径向向内和径向向外部分(如果有的话)可以是所需的任何形状。抛光垫600的其它物理方面可以与上面关于抛光垫100所述的物理方面一样。

图14和15示出了按照方程式5在抛光垫700和支架环708之间具有部分对准的实施方式。抛光垫700含有许多组具有不同的长度的凹槽720，以在整个抛光垫上提高凹槽密度的均匀性。具体地，抛光垫凹槽720从抛光垫700的中心O出发，在不同的径向距离上终止，以提供均匀性并防止凹槽在中心O附近重叠。在抛光过程中，在抛光垫凹槽720和支架凹槽712之间满足以下三个条件：首先，一些抛光垫凹槽720A与支架凹槽712A完全对准；第二，一些支架凹槽712B不与抛光垫凹槽720对准；第三，一些抛光垫凹槽720B不与支架凹槽712对准。随着抛光垫700和支架环708沿着方向728旋转，各支架凹槽712周期性地在与抛光垫凹槽720对准以及不与抛光垫凹槽720对准这两种状态之间变化。该实施方式的功效是使得当至少一个凹槽720与至少一个支架环凹槽712对准时，浆液流动部分地增加。除了沿着凹槽长度完全对准的该实施方式外，还可以使用沿着抛光垫凹槽长度仅有一部分对准的这种抛光垫凹槽-支架凹槽构型，例如由方程式8得到的构型。

图16和17示出了按照方程式5在抛光垫800和支架环808之间具有完全的周期性对准的实施方式。抛光垫800含有许多组具有不同的长度的凹槽820，以在整个抛光垫上提高凹槽密度的均匀性。具体地，抛光垫凹槽820从抛光垫800的中心O出发，在不同的径向距离上终止，以提供均匀性并防止凹槽在中心O附近重叠。在抛光过程中，在抛光垫凹槽820和支架凹槽812之间满足以下两个条件：首先，所有的支架凹槽812同时与抛光垫凹槽820A完全对准，然后所有的支架凹槽812不与任何的抛光垫凹槽820对准。随着抛光垫800和支架环808沿着方向828旋转，所有的支架凹槽812周期性地在与抛光垫凹槽820同时对准以及与抛光垫凹槽820同时不对准这两种状态之间变化。该实施方式的功效是使得当所有的支架凹槽812与抛光垫凹槽820对准时，浆液流动周期性或脉冲式地增加。该实施方式可以不连续的间隔通过所有的前缘支架凹槽812增大浆液流动量。该浆液进入模式在具有浆液化学的CMP系统中是有利的，所述具有浆液化学的CMP系统更有利于在一些化学副产物的存在下操作，或在当温度的周期性向上摆动(upward swing)使得化学活性或反应动力学提高的情况下操作。除了沿着凹槽长度完全对准的该实施方式外，还可以使用沿着抛光垫凹槽长度仅有一部分对准的这种抛光垫凹槽-支架凹槽构型，例如由方程式8得到的构型。

图18显示了适于使用抛光垫904来抛光制品(例如晶片908)的抛光机900，所述抛光垫904可以是图1-13中的抛光垫100、200、300、400、500、600、700、800中的一种，或者是根据本发明制造的其它抛光垫。抛光机900可包括工作台912，抛光垫904安装在其上。可通过工作台驱动器(未显示)使所述工作台912绕旋转轴线A1旋转。抛光机900还可包括晶片支架920，该支架920可围绕旋转轴线A2旋转，该旋转轴线A2与工作台912的旋转轴线A1平行，并与之间隔开，该支架920在抛光过程中支撑晶片908。晶片支架920可以具有万向连接件(未显示)，该万向连接件允许晶片908呈极轻微地不平行于抛光垫904的抛光面924的形态，其中旋转轴A1、A2可以互相极其轻微地倾斜。晶片908包括被抛光面928，其朝向抛光面924，在抛光过程中被平面化。晶片支架920可以由支架支撑组件(未显示)支撑，所述组件适于使晶片908旋转，并提供向下的作用力F，以将被抛光面924压抵在抛光垫904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900还可包括抛光介质入口932，用来向抛光面924输送抛光介质936。

本领域技术人员能够理解，抛光机900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)用于晶片908和抛光垫904转速中一个或两者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936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、传动器和选择器，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904和晶片908围绕其各自的旋转轴线A1、A2旋转，从抛光介质进口932将抛光介质936分配在旋转的抛光垫上。抛光介质936在抛光面924上展开，包括铺展在晶片908和抛光垫904之间的间隙内。抛光垫904和晶片908通常(但不一定)在0.1-750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908和抛光垫904之间引发所需的0.1-15磅/英寸²(6.9-103千帕)的压力。所述支架-抛光垫凹槽对准可以使得基片除去速率极大地增加。和不与支架凹槽周期性对准的圆形凹槽得到的除去速率相比，该除去速率的增加使得操作者使用更少的浆液来实现同样的除去速率。

Claims

1.一种与支架环联合使用的抛光垫，所述支架环具有至少一个支架凹槽和在存在抛光介质的情况下使用抛光垫和支架环对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光时相对于所述抛光垫的前缘，所述至少一个支架凹槽相对于所述支架环具有取向，所述抛光垫具有从抛光垫的中心延伸出来的半径，所述半径具有一定长度，所述抛光垫包括：

a)构造成用来在存在抛光介质的情况下对磁性基材、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道；以及

b)至少一个抛光垫凹槽，所述抛光垫凹槽在抛光轨道内具有与支架相容的凹槽形状，至少一部分的与支架相容的凹槽形状是弧形放射状的，所述与支架相容的凹槽形状在沿着半径长度的至少一个位置与抛光垫的半径相切，与支架相容的凹槽形状测定为至少一个支架凹槽的取向的函数，从而使得当所述至少一个支架凹槽在抛光过程中处于支架环的前缘时，至少一个支架凹槽与所述至少一个抛光垫凹槽在沿着所述与支架相容的凹槽形状的多个位置上对准。

2.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述与支架相容的凹槽形状对应于以下方程式所确定的曲线：

方程式

式中

u = \frac{R^{2} + {R_{c}}^{2} - r^{2}}{2 R R_{c}},

3.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述与支架相容的凹槽形状对应于以下方程式所确定的曲线：

4.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述与支架相容的凹槽形状横贯抛光轨道的至少50％。

5.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述抛光垫具有多个抛光垫凹槽，所述抛光垫凹槽具有与支架相容的凹槽形状，所述多个抛光垫凹槽围绕抛光垫周向分布。

6.一种设计用来与支架环协作的抛光垫，所述支架环具有至少一个支架凹槽和在存在抛光介质的情况下使用抛光垫和支架环对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光时相对于所述抛光垫的前缘，所述至少一个支架凹槽相对于所述支架环具有取向，所述抛光垫具有从抛光垫的中心延伸出来的半径，所述半径具有一定长度，所述抛光垫包括：

b)具有两个或多个抛光垫凹槽的至少一个抛光垫凹槽组，所述两个或多个抛光垫凹槽形成于抛光层中，并且两个或多个抛光垫凹槽中的每一个都具有与支架相容的凹槽形状，至少一部分的与支架相容的凹槽形状是弧形放射状的，所述与支架相容的凹槽形状在沿着半径长度的至少一个位置与抛光垫的半径相切，当所述至少一个支架凹槽在抛光过程中处于沿着支架环的前缘的位置时，在所述抛光轨道内的作为至少一个支架凹槽的取向的函数的与支架相容的凹槽形状与至少一个支架凹槽对准。

7.如权利要求6所述的抛光垫，其特征在于，所述与支架相容的凹槽形状对应于以下方程式所确定的曲线：

方程式

式中

u = \frac{R^{2} + {R_{c}}^{2} - r^{2}}{2 R R_{c}},

8.如权利要求6所述的抛光垫，其特征在于，所述与支架相容的凹槽形状对应于以下方程式所确定的曲线：

9.如权利要求6所述的抛光垫，其特征在于，所述与支架相容的凹槽形状横贯了抛光轨道的至少50％。

10.一种制造和支架环一起使用的旋转抛光垫的方法，所述支架环具有至少一个支架凹槽和在存在抛光介质的情况下使用抛光垫和支架环对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光时相对于所述抛光垫的前缘，所述至少一个支架凹槽相对于所述支架环具有取向，所述抛光垫具有从抛光垫的中心延伸出来的半径，所述半径具有一定长度，所述方法包括：

a)确定与支架相容的凹槽形状，当所述至少一个支架凹槽在抛光过程中处于沿着支架环的前缘的位置时，所述作为至少一个支架凹槽的取向的函数的与支架相容的凹槽形状与至少一个支架凹槽基本对准；以及

b)在所述旋转抛光垫内形成至少一个抛光垫凹槽，所述抛光垫凹槽具有与支架相容的凹槽形状，至少一部分的与支架相容的凹槽形状是弧形放射状的，所述与支架相容的凹槽形状在沿着半径长度的至少一个位置与抛光垫的半径相切。