CN101327577B - 带自修整功能的磨损均匀性好的固结磨料抛光垫 - Google Patents
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Abstract
一种带自修整功能的磨损均匀性好的固结磨料抛光垫，其特征是其加工面上设有三个密度不等的环形区，三个环形区从内向外的宽度比为8～18∶10∶20～30，三个环形区对应的磨料的密度比为0.55～0.85∶1∶0.50～0.70。本发明可以使得在抛光加工过程中抛光垫的面形精度长时间保持，从而提高工件的面形精度，对加工大尺寸硅片、硬盘基片以及光学器件有着很大的意义，能从根本避免反复修整抛光垫的麻烦，可以大大提高生产效率和降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种固结磨料(化学)机械抛光垫，尤其是表面经过优化设计的固结磨料抛光垫，具体地说是一种在抛光过程中使得抛光垫得以均匀磨损的带自修整功能的磨损均匀性好的固结磨料抛光垫。
背景技术
众所周知，(化学)机械抛光(CMP)技术是半导体晶片表面加工的关键技术之一，用于集成电路制造过程的各个阶段的表面平整化。CMP可以说是芯片制造中全局平面化的唯一手段。
近年来，互联网与移动通讯等高新技术的迅猛发展，半导体的需求量也随着增加，加工中CMP的使用越来越多，要求也越来越高。根据市场研究公司Isuppli估计，2007年中国半导体市场需求强劲，销售收入达到520亿美元，2008年将在此基础上增加12％，达到580亿美元。
美国Displaysearch公司统计，2006年4季度，全球手机显示屏市场销售额为28亿美元，MP3、MP4及数码相机对显示屏的需求也相当强劲。日本电子信息技术产业协会，(JEITA)公布的调查显示，2006年全球硬盘销量达到4亿多个，2009年将达到6亿个。“国家点火计划”中，光学玻璃及晶体元件数量达到数万块……
在上述产品中，大量采用(化学)机械抛光作为其元件的加工手段。传统的(化学)机械抛光技术是基于自由磨料的(化学)机械抛光。然而，随着超大型集成电路的发展，传统的(化学)机械抛光的缺点逐渐暴露。因为传统的(化学)机械抛光用的抛光液由磨粒、pH调节剂、氧化剂等组份构成，抛光时，抛光液中的磨粒可以到达芯片与抛光垫之间的所有区域，芯片上较低的区域也会受到较强烈的抛光作用，为了达到全局平面化的效果，往往需要较大的去除量，因此，抛光液及相应耗材的消耗量较大，厂商的生产成本居高不下。所以产生了固结磨料的(化学)机械抛光技术。固结磨料的(化学)机械抛光技术，有效地解决了游离磨料(化学)机械抛光的缺点。在游离磨料(化学)机械抛光中，磨料的运动是随机的，不确定的；而在固结磨料的(化学)机械抛光中，磨料的运动是有确定运动轨迹的。固结磨料的(化学)机械抛光时，只有固结在抛光垫上突出部位的磨粒才与芯片上的相接触部位发生作用，造成材料的去除，由于接触区域的减小，微小接触区域产生局部较大的压力，抛光速率对芯片的形貌有很高的选择性，而对材质无选择性，因而，只需较少的去除量，即可达到平面化的目的，降低了企业的生产成本，减轻了抛光液使用后的处理成本及其对环境的压力，还可大大减少芯片过抛光时的凹陷和过蚀，提高了产品成材率。
但是，在(化学)机械抛光的过程中，抛光垫对工件进行抛光的同时，工件也对抛光垫产生磨损，而抛光垫在沿其半径方向上的磨损是不均匀的，这就使得抛光垫的面型精度难以保持。众所周知，抛光垫的面型精度对抛光效果有着很大的影响，在抛光过程中，会将抛光垫的面型精度复制到工件表面。这是目前迫切需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的是针对在(化学)机械抛光的过程中，抛光垫对工件进行抛光的同时，工件也对抛光垫产生磨损，而抛光垫在沿其半径方向上的磨损是不均匀的，使得抛光垫的面型精度不能得到很好的保持而影响加工精度及抛光垫寿命的问题，设计一种带自修整功能的磨损均匀性好的固结磨料抛光垫。
本发明的技术方案是：
一种带自修整功能的磨损均匀性好的固结磨料抛光垫，其特征是其加工面上设有三个密度不等的环形区，三个环形区从内向外的宽度比为8～18∶10∶20～30，三个环形区对应的磨料的密度比为0.55～0.85∶1∶0.50～0.70。
所述的磨料的形状为三角形、斜正方形、正方形、菱形、六角形或圆形，磨料凸起的尺寸为200μm～2000μm。
本发明的抛光垫的自修整功能是通过在制备抛光垫时用的高聚物材料在水中有一定的溶胀特性来实现的。
本发明的抛光垫的图案优化可采用以下方法加以实现：
首先，由工艺设计人员从产品实际要求出发，选择合适的抛光垫结构参数，如抛光垫的内径，外径等；
其次，建立抛光垫的磨损模型，在此基础上，利用MATLAB软件对抛光垫的磨损情况进行模拟，得到抛光垫在沿其半径方向上各个点处的磨损情况，从而绘制出抛光垫的磨损沿半径方向的变化规律图(如图2所示)；
第三，根据抛光垫的磨损情况沿半径方向的变化规律图，把抛光垫划分成几个环形区域(如三个区域)，设定好各个环形区域之间的宽度比，每个区域内把抛光垫的磨损程度看作是相同的，再结合磨具的内外径就可以得到各个区域的宽度；
第四，在划分好的区域上，结合抛光垫的磨损沿半径方向的变化规律图，推算出各个区域的磨料突起分布的密度比；
最后，选择一种突起的形貌，常见的突起的形貌有：三角形，斜正方形，正方形，菱形，六角形，圆形等。再选择突起的尺寸，突起的尺寸范围在200μm-2000μm内。在每个区域内，将磨料突起沿圆周方向进行均匀分布，这样优化好的抛光垫的表面图案可保证最佳的磨削效果。
本发明的有益效果：
本发明通过大量的实验获得了抛光垫的表面磨料分布与加工质量的关系，从而得出了一种全新的抛光垫结构分布特征；它成功地解决了传统固结磨料抛光垫磨料均匀分布带来的抛光垫磨损不均匀，导致抛光垫面形精度的恶化，影响抛光加工质量和效率的问题。带自修整功能的均匀磨损的抛光垫不仅可以使得在抛光加工过程中抛光垫的面形精度长时间保持，从而提高工件的面形精度，对加工大尺寸硅片、硬盘基片以及光学器件有着很大的意义。能从根本避免反复修整抛光垫的麻烦，可以大大提高生产效率和降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的工件对抛光垫的磨损轨迹图。
图2是本发明的抛光垫的磨损情况沿抛光垫半径方向的变化图。
图3是本发明的抛光垫加工面的表面分结构分配示意图。
图4是与图3相对应的各加工区域的磨料突起密度分布示意图。
图5是本发明的抛光垫表面的部分突起形貌示意图。
图6是本发明提出的一个抛光垫的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图6示。
一种带自修整功能的磨损均匀性好的固结磨料抛光垫，其加工面上设有三个密度不等的环形区I区、II区和III区，三个环形区从内向外的宽度比为8～18∶10∶20～30，三个环形区对应的磨料的密度比为0.55～0.85∶1∶0.50～0.70。
所述的磨料的形状为三角形、斜正方形、正方形、菱形、六角形或圆形，磨料凸起于其基体的高度为200μm～2000μm，图6中所示的是圆形磨粒。
下面进一步从理论和实验结果对本发明所涉及的抛光垫的设计制作作进一步的说明。
例一：
本发明的带自修整功能的均匀磨损的固结磨料抛光垫的表面图案优化过程为：
首先，由工艺设计人员从产品要求中选择合适的抛光垫结构参数，主要是抛光垫的内径，外径；本例取抛光垫的内径为200mm，外径为900mm进行说明，对于其它内、外径的抛光垫本领域的技术人员可以此类推加以实现。
其次，建立抛光垫的磨损模型，根据图1所示的抛光垫的磨损轨迹，利用MATLAB软件对抛光垫的磨损情况进行模拟，得到抛光垫在沿其半径方向各个点处的磨损情况，绘制出抛光垫的磨损沿半径方向的变化图，如图2所示；
第三，利用抛光垫的磨损沿半径方向的变化图，把抛光垫划分成三个环形区域(具体实施时还可进一步细分，但以三个环形区域为最佳，如果进一步划分将会增加设计和制备的难度及成本)，如图3所示，在此例中取I区宽度为：60mm，II区宽度为：70mm，III区宽度为220mm；
第四，在划分好的区域上，结合抛光垫的磨损情况沿半径方向的变化图(图2)，取密度比为I∶II∶III＝0.85∶1∶0.70。如图4所示。据此可计算出每个区域内磨料突起的数目。
最后，选择磨粒的突起形貌，常见的突起形貌有：三角形，斜正方形，正方形，菱形，六角形，圆形等。再选择突起的尺寸，经试验最佳的突起尺寸范围为200μm-2000μm。本例中取突起尺寸为500μm。在每个区域内，将磨料突起沿圆周方向进行均匀分布，这样优化好的抛光垫的表面图案就设计好了。
表1是未进行优化设计的普通抛光垫与本发明的优化设计的抛光垫在加工质量及寿命方面的比较结果表(例一)。在本例中，磨料采用平均粒度为1μm的金刚石微粉，抛光对象是4英寸的K9玻璃。
表1
例二：
本发明的带自修整功能的均匀磨损的固结磨料抛光垫的表面图案优化过程为：
首先，由工艺设计人员从产品要求中选择合适的抛光垫结构参数，主要是抛光垫的内径，外径；本例取抛光垫的内径为150mm，外径为600mm。
其次，建立抛光垫的磨损模型，绘制出抛光垫的磨损沿半径方向的变化图；
第三，利用抛光垫的磨损沿半径方向的变化图，把抛光垫划分成三个环形区域，在此例中取I区宽度为：80mm，II区宽度为：50mm，III区宽度为95mm；
第四，在划分好的区域上，结合抛光垫的磨损情况沿半径方向的变化图，取密度比为I∶II∶III＝0.55∶1∶0.50。
最后，选择磨粒的突起形貌为正方形。再选择突起的尺寸800μm。在每个区域内，将磨料突起沿圆周方向进行均匀分布，这样优化好的抛光垫的表面图案就设计好了。
表2是未进行优化设计的普通抛光垫与本发明的优化设计的抛光垫在加工质量及寿命方面的比较结果表(例二)。在本例中，磨料采用平均粒度为1μm的金刚石微粉，抛光对象是4英寸的硅片。
表2
例三：
本发明的带自修整功能的均匀磨损的固结磨料抛光垫的表面图案优化过程为：
首先，由工艺设计人员从产品要求中选择合适的抛光垫结构参数。本例取抛光垫的内径为200mm，外径为1000mm；
其次，建立抛光垫的磨损模型，绘制出抛光垫的磨损沿半径方向的变化图；
第三，利用抛光垫的磨损沿半径方向的变化图，把抛光垫划分成三个环形区域，在此例中取I区宽度为：115mm，II区宽度为：85mm，III区宽度为200mm；
第四，在划分好的区域上，结合抛光垫的磨损情况沿半径方向的变化图，取密度比为I∶II∶III＝0.75∶1∶0.65。
最后，选择磨粒的突起形貌为三角形。再选择突起的尺寸800μm。在每个区域内，将磨料突起沿圆周方向进行均匀分布，这样优化好的抛光垫的表面图案就设计好了。
表3是未进行优化设计的普通抛光垫与本发明的优化设计的抛光垫在加工质量及寿命方面的比较结果表(例三)。在本例中，磨料采用平均粒度为20nmCeO2颗粒，抛光对象是4英寸的K9玻璃。
表3
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种带自修整功能的磨损均匀性好的固结磨料抛光垫，其特征是其加工面上设有三个密度不等的环形区，三个环形区从内向外的宽度比为8～18∶10∶20～30，三个环形区对应的磨料的密度比为0.55～0.85∶1∶0.50～0.70；且在制备抛光垫时利用高聚物材料的水中溶胀特性实现自修整；同时所述加工面上的磨料的图案按以下方法确定：
首先，在外径：100mm～1000mm，内径：10mm～300mm范围内选择合适的抛光垫结构参数；
其次，建立抛光垫的磨损模型，在此基础上，利用MATLAB软件对抛光垫的磨损情况进行模拟，得到抛光垫在沿其半径方向上各个点处的磨损情况，从而绘制出抛光垫的磨损沿半径方向的变化规律图；
第三，根据抛光垫的磨损情况沿半径方向的变化规律图，把抛光垫划分成三个环形区域，根据前述的宽度比范围选择好各个环形区域之间的宽度比，再结合磨具的内外径得到各个区域的宽度；
第四，在划分好的环形区域上，结合抛光垫的磨损沿半径方向的变化规律图，推算出各个区域的磨料突起分布的密度比；
最后，在三角形，斜正方形，正方形，菱形，六角形或圆形突起中选择一种突起的形貌和突起的尺寸，突起的尺寸范围在200μm-2000μm内，在每个区域内，将磨料突起沿圆周方向进行均匀分布，这样优化好的抛光垫的表面图案可保证最佳的磨削效果。
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