CN101767315A - 延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种延长一化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，包括利用所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；凭借测量所述的抛光垫、修整器或其组合的机械性质而测定超研磨颗粒的磨损；凭借改变所述的抛光垫和修整器之间与超研磨颗粒的磨损有关的压力和机体转速而适应该机械性质测量值，以延长修整器寿命。另外，一方法可包括以所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；以一实质上平行于所述的抛光垫的工作表面的方向振动选自于抛光垫、修整器、晶圆或其组合的元件；以及当修整器在使用时以非线性的方式随着时间改变所述的抛光垫和修整器之间的压力和/或机体转速，以延长修整器寿命，其中当化学机械抛光垫表面出现磨损，所述的压力和RPM是增加的。
Description
技术领域
本发明主要是关于一种修整或调整一化学机械抛光(CMP)垫的方法。因此，本发明涉及化学和材料技术领域。
背景技术
化学机械抛光(CMP)是有效的平整化制程，其是用于制造陶瓷、硅、玻璃、石英以及金属的晶圆的半导体产业，包括层间介电层(inter-level dielectric，ILD)和镶嵌金属化(Damascene metallization)的制程。这种抛光制程通常需要将晶圆抵靠在由耐久性有机物质诸如聚胺基甲酸酯(polyurethane)的旋转抛光垫上。含有能够破碎晶圆物质的化学品的研磨浆被引入抛光垫上，所述的研磨浆额外还包括能以物理性方式侵蚀晶圆表面的研磨颗粒。所述的研磨浆持续地施加于旋转的CMP抛光垫上，可同时施加化学和机械力的双重作用于晶圆上，使得晶圆能以想要的方式被抛光。
研磨颗粒在整个抛光垫表面上的分布情形是达成研磨品质的重要因素。抛光垫的顶部通常凭借如纤维或小孔所提供的摩擦力机制来容纳所述的颗粒，所述的纤维或小孔能提供摩擦力，其足以防止所述的颗粒因抛光垫旋转运动所产生的离心力而被甩出所述的抛光垫。因此，尽可能保持抛光垫的顶部的弹性与可直立起纤维的状态，且确保有足够的开孔以容纳新的研磨颗粒都是相当重要的。
由于来自工作件与研磨浆的碎屑累加情形，使得维持抛光垫顶部状态成为一个难题，因为这种累加会使抛光垫顶部变得光滑(glazing)或硬化(hardening)，因此使所述的抛光垫不太能够自流动的研磨浆流中容纳新的研磨颗粒，此情形严重地减少抛光垫整体的抛光效果，因此会凭借各种不同的装置进行梳理(combing)或切削(cutting)抛光垫顶部以试图恢复抛光垫顶部，此步骤即为CMP抛光垫的修整(dressing)或调整(conditioning)；且为此目的，许多形态的装置与方法已被使用，其中一种装置是一个具有复数个结合于一表面或基座的超研磨颗粒(如钻石)的圆盘。
新的修整盘具有尖锐且可切割所述的CMP抛光垫表面的超研磨颗粒，使所述的CMP抛光垫表面具有密集且深的表面粗糙度。所述的研磨浆有效地被保留在这些深的表面粗糙度，使晶圆有相当高的抛光速率。然而，持续使用后，在修整盘中的所述的超研磨颗粒开始磨损，且其尖端开始逐渐钝化；所述的钝化的超研磨颗粒便无法深入地进入CMP抛光垫表面所需的深度，且当超研磨颗粒尖端受磨损后，会使切割槽变得更宽。此磨损效应造成宽、稀疏且浅的表面粗糙度，使用此种修整盘调整的CMP抛光垫无法有效地保留研磨浆，因此降低了晶圆的抛光速率。在修整盘上的超研磨颗粒会持续磨损，直到它们被压入抛光垫中，而非切割；并且切割效率低的修整盘会产生碎屑，且集结在CMP抛光垫表面上，产生不均匀的抛光，且增加晶圆的刮痕。
有鉴于此，目前仍在寻找用于建构CMP抛光垫修整器盘的方法，以达到最大的效能以及使用寿命。
发明内容
因此，本发明提供一种延长化学机械抛光修整器的有效使用寿命的方法，以延长修整器寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：
一种延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，该化学机械抛光垫修整器用于修整化学机械抛光垫，所述的修整器具有一基座以及复数设置在所述的基座上的超研磨颗粒，其特征在于，所述的方法包括：
凭借所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；
凭借测量所述的抛光垫、修整器或其组合的机械性质而测定超研磨颗粒的磨损(wear)；
凭借改变所述的抛光垫和修整器之间与超研磨颗粒的磨损有关的压力和机体转速(RPM)而适应该机械性质测量值，以延长修整器寿命。
其中：所述的测量的机械性质是选自于由以下所组成的群组：摩擦力、声波放射性(acoustic emission)、温度、抛光垫反射性、抛光垫挠曲性(flexibility)、抛光垫弹性(elasticity)及其组合。
其中：改变所述的压力和RPM包括逐渐增加所述的抛光垫和修整器之间的压力和RPM。
其中：所述的压力和/或RPM随时间的逐渐增加为非线性指数(exponential)增加。
其中：改变所述的压力和RPM包括自动增加所述的压力以适应所增加的超研磨颗粒的磨损。
其中：该延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法还包括以一实质上平行于所述的抛光垫的工作表面的方向振动至少一元件，该元件选自于抛光垫、修整器、被所述的抛光垫抛光的晶圆或任何其组合，以使在抛光垫、修整器、晶圆或其组合上的机械应力最小化。
其中：所述的修整器是以横向、圆形、椭圆形或随机运行且实质上平行于所述的CMP抛光垫的工作表面而振动。
其中：所述的振动仅为平行于所述的抛光垫的工作表面的方向。
其中：所述的振动频率为大于15kHz的超音波频率。
其中：所述的振动为持续性的。
其中：所述的振动为扩散的(diffused)。
其中：当所述的化学机械抛光垫的表面呈现减少的平均表面粗糙度密度、平均表面粗糙度深度、平均表面粗糙度宽度、平均表面粗糙度长度或其组合时，所述的压力和RPM增加。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案还包括：
一种延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，该化学机械抛光垫修整器用于修整化学机械抛光垫，所述的修整器具有一基座以及复数设置在所述的基座上的超研磨颗粒，其特征在于，所述的方法包括：
凭借所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；
以一实质上平行于所述的抛光垫的工作表面的方向振动选自于抛光垫、修整器、被所述的抛光垫抛光的晶圆或任何其组合的元件，以使在抛光垫、修整器、晶圆或其组合上的机械应力最小化；以及
改变所述的抛光垫和修整器之间的压力和机体转速(RPM)，包括当修整器在使用时随着时间以非线性的方式逐渐增加所述的抛光垫和修整器之间的压力和RPM，以延长修整器寿命，其中当化学机械抛光垫表面出现磨损，所述的压力和RPM是增加的。
其中：还包括测定超研磨颗粒的磨损(wear)。
其中：测定超研磨颗粒的磨损(wear)包括测量所述的抛光垫、修整器或其组合的机械性质。
其中：测量机械性质是选自于由以下所组成的群组：摩擦力、声波放射性(acoustic emission)、温度、抛光垫反射性、抛光垫挠曲性(flexibility)、抛光垫弹性(elasticity)及其组合。
其中：测定超研磨颗粒尚包括检测一经修整的化学机械抛光垫表面。
其中：当所述的化学机械抛光垫的表面呈现降低的平均表面粗糙度密度、平均表面粗糙度深度、平均表面粗糙度宽度、平均表面粗糙度长度或其组合时，所述的压力和RPM增加。
其中：测定超研磨颗粒尚包括基于修整器的使用而估计超研磨颗粒磨的磨损。
其中：所述的振动是在大于15千赫(KHz)的超音波频率下仅以平行所述的抛光垫的工作表面的方向进行。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：能够延长修整器寿命。
附图说明
图1是超研磨颗粒显示几乎无磨损的照片；
图2是超研磨颗粒显示些微磨损的照片；
图3是描述本发明一实施例的超研磨颗粒，并描述所述的超研磨颗粒产生的可能的(potential)切割图案；
图4是描述本发明一实施例随时间的研磨速率和缺陷计数的范例。
附图标记说明：10-超研磨颗粒；12-表面粗糙度；14-CMP抛光垫；6-磨损；18-表面粗糙度；20-严重磨损；22-表面粗糙度；30-抛光速率；32-缺陷数量。
具体实施方式
在本发明被揭示和叙述之前，必须了解的是以下所叙述以及揭示的发明并无意限制本发明制作步骤和材料，而是延伸至所属技术领域中普通技术人员所能推想到的等效制作步骤以及材料，而以下说明中使用专有名词的目的是在叙述特定实施例，也非对本发明有任何的限制。
值得注意的是在本说明书及其申请专利范围所使用的单数型态字眼如“一”、“所述的”和“其”，都仅为先行词，除非在上下文中清楚明白的指示为单数，不然这些单数型态的先行词也包括复数对象，因此，举例来说，如一“研磨颗粒”或一“抛光垫”包括一或多个这种研磨颗粒或抛光垫。
定义
以下是在本发明的说明以及专利范围中所出现的专有名词的定义。
在此所述的“超研磨颗粒(superabrasive particle)”、以及“研磨颗粒(abrasiveparticle)”、“微粒(grit)”或类似用语是指超硬晶体或多晶物质或物质的混合物，包括但不限制于钻石、多晶钻石(PCD)、立方氮化硼(cBN)以及多晶立方氮化硼(PcBN)。再者，“超研磨颗粒(superabrasive particle)”、“研磨颗粒(abrasiveparticle)”、“微粒(grit)”、“钻石”、“多晶钻石”、“立方氮化硼”和“多晶立方氮化硼”的用语能够互换使用。
“超硬(superhard)”与“超研磨(superabrasive)”可互换使用，且是指具有大约4000Kg/mm2或更大的维氏硬度(Vicker’s hardness)的结晶或多晶材料，或此等材料的混合物。此等材料可包括但不限制于钻石以及立方氮化硼(cBN)，以及在所属技术领域中普通技术人员已知的其他材料。虽然超研磨材料呈现强烈的惰性，因此难以与其形成化学键，但是已知如铬以及钛的特定反应元素能够在相当的温度下与超研磨材料起化学反应。
在此所述的“基座(substrate)”是指具有可让研磨颗粒结合的表面的CMP抛光垫修整器的基本部分(base portion)，所述的基本部分可为任何形状、厚度或材料，其包括但不限制于金属、合金、陶瓷及其混合物。
在此所述的“工作表面(working surface)”是指一CMP抛光垫修整器的表面，其是在操作时面对或接触CMP抛光垫。
在此所述的“引导边缘(leading edge)”是指CMP抛光垫修整器的边缘，其基于CMP抛光垫移动的方向、抛光垫移动的方向或以上二者的前侧边缘。值得注意的是在一些情形中，所述的引导边缘可考虑不仅包围修整器边缘的具体区域，还可包括从实际边缘些微向内延伸的部分修整器。在一态样中，所述的引导边缘可能位于沿着CMP抛光垫修整器的外侧边缘。在另一态样中，所述的CMP抛光垫修整器可能配置以具有研磨颗粒的图案，所述的研磨颗粒是提供在CMP抛光垫修整器工作表面的中央或内部的至少一有效引导边缘，换句话说，所述的修整器的中央或内部可被配置以提供与所述的修整器外侧边缘的引导边缘一样的功能性结果。
在此所述的“尖端部”是指任何晶体会形成的狭窄部份，其是包括但不限制于角落、脊部、边缘、方尖区(obelisk)以及任何凸部。
在此所述的“压力(pressure)”是指施加于一CMP抛光垫修整器和一CMP抛光垫之间的力，因此关于增加或减少压力是指施加于修整器和抛光垫之间力的不同而导致压力的增加或减少。
在此所述的“机体转速(RPM)”是指在修整操作中，CMP抛光垫和CMP抛光垫修整器之间相对运动所测量的每分钟旋转次数。所以一或多个在运动的抛光垫以及修整器都可被考虑在内。因此关于增加或减少RPM是指施加于修整器和抛光垫之间力的不同而导致RPM的增加或减少。
在此所述的“修整操作(dressing operation)”是指当修整器施压且自动修整抛光垫的期间。
在此所述的“振动(vibrate)”是指以实质上水平地以前后或从一侧至另一侧迅速移动的方式震荡一物体。振动可依照振动程式而为连续性、间歇式、持续性变化等。因此，一CMP抛光垫、一CMP抛光垫修整器、晶圆或一具超研磨颗粒的CMP抛光垫修整器的能够以想要的频率振动以获得最适化的抛光效能。
在此所述的“超音波(ultrasonic)”是指能够以高于人耳可听到的频率而振动的任何能量。例如，这种频率是高于约15,000赫兹(Hz)，或换句话说是高于每秒钟约15,000的循环(cycle)。
在此所述的“实质上地(substantially)”，当使用于关于材料的量或数量或其特定的特性时是指足以提供意欲提供的材料或特性的效果的数量。可允许的误差的实际程度在一些情形中必须依照特定内容来判断。
在此所述的“大约(about)”是可在边界值“高一些”或“低一些”的数值，以用于提供一数值范围的边界值的弹性。
这里所述的复数个物品、结构元件、组成元素和/或材料，基于方便可出现在一般的常见列举中，然而这些列举可解释为列举中的单一构件单独或个别地被定义，因此，这样列举中的单一构件不能视为任何单独基于在一般族群中无相反表示的解释的相同列举中实际上相等的其他构件。
浓度、数量以及其他数值上的资料可是以范围的形式来加以呈现或表示，而需要了解的是这种范围形式的使用仅基于方便性以及简洁，因此在解释时，应具有相当的弹性，不仅包括在范围中明确显示出来以作为限制的数值，同时也可包含所有个别的数值以及在数值范围中的次范围，如同每一个数值以及次范围被明确地引述出来一般。例如一个数值范围“约1到约5”应该解释成不仅仅包括明确引述出来的大约1到大约5，同时还包括在此指定范围内的每一个数值以及次范围，因此，包含在此一数值范围中的每一个数值，例如2、3以及4，或例如1-3、2-4以及3-5等的次范围等。
此相同原则适用于仅有引述一数值的范围中，再者，这样的阐明应该能应用于无论是一范围的幅度或所述的特征中。
本发明
如同先前所述，CMP抛光垫修整器是用于修整CMP抛光垫，以移除脏污或碎屑，并且恢复抛光垫表面的粗糙度。表面粗糙度对于CMP抛光垫的功能很重要，它们能保留研磨浆并且将其导向(channel)要被抛光的材料，当CMP具有深且密的表面粗糙度以保留研磨浆时，会达到较高的抛光速率。如图1所示，尖锐的超研磨颗粒(如钻石)能够在CMP抛光垫上切割出这种理想的表面粗糙度，其可使研磨浆的保留度最大化，且因此提供高速抛光。当使用修整器时，埋设的超研磨颗粒开始因时间磨损，且其尖端和边缘如图2所示会变钝且圆滑(rounded)。磨损的超研磨颗粒较不能有效率地切割所述的CMP抛光垫，使得在抛光垫表面所产生的表面粗糙度变浅、更宽且稀疏。图3为示意图，描述超研磨颗粒的磨损和在CMP抛光垫上的切割图案的后续影响，当超研磨颗粒磨损，修整器的切割图案会改变，尖锐的超研磨颗粒10在所述的CMP抛光垫14表面切割深的表面粗糙度12；当超研磨颗粒开始磨损16，适当深度的表面粗糙度18被切割至所述的CMP抛光垫表面14；当超研磨颗粒开始严重磨损20，会切割出非常浅的表面粗糙度22；所述的超研磨颗粒最后变得磨损以至于其无法在切割和/或清里，而仅能与抛光垫表面摩擦。所述的抛光垫的表面变硬且有碎屑覆盖，会增加刮蚀以及晶圆或其他工作表面损耗的速率，因此，当超研磨颗粒磨损，所述的CMP抛光垫的抛光速率会随时间而下降。如图4所示，当所述的CMP抛光垫修整器的使用时间越长，抛光速率30会下降，而缺陷数量32则增加(图4)。
本发明人发现依照修整器的超研磨颗粒磨损的程度而改变CMP抛光垫修整器施加于所述的CMP抛光垫的力量，所述的修整器的使用寿命会延长。例如，在超研磨颗粒磨损时增加CMP抛光垫修整器以及CMP抛光垫之间的力量会增加所述的修整器的使用寿命；凭借增加压力和/或RPM，超研磨颗粒会压得更深入抛光垫中，因此增加切割效率。除此之外，这种压力和/或RPM的增加也能够让超研磨颗粒接触抛光垫表面的部分更大，不会太突出修整器表面的超研磨颗粒在增加压力和/或RPM时接触并修整所述的抛光垫，当严重磨损的超研磨颗粒将有助于损坏晶圆时，能考虑在所述的超研磨颗粒完全磨损之前增加压力和/或RPM。因此，在一态样中，是提供用于修整一CMP抛光垫，且延长一具有基座和复数设置在所述的基座上的超研磨颗粒的CMP抛光垫修整器的使用寿命的方法，所述的方法可尚包括凭借所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；凭借测量所述的抛光垫、修整器或其组合的机械性质而测定超研磨颗粒的磨损(wear)；凭借改变所述的抛光垫和修整器之间与超研磨颗粒的磨损有关的压力和机体转速(RPM)而回应该机械性质测量值，以延长修整器寿命。
目前的实务倾向于提供对于所述的CMP抛光垫具有固定压力以及RPM的修整器，通常压力在修整器的整个使用寿命中约为10lbs。同样地，目前修整的机器只能施加固定的压力，且要求所述的机器必须停止运转，以重新设定压力。而相反的是，本发明的态样中由于涉及超研磨颗粒实际或预期的磨损，所以考虑增加CMP抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM，凭借增加所施加的压力，所述的超研磨颗粒的尖端会更深入地切入所述的CMP抛光垫表面，而仍然保持在切割的状态。并无特定结合任何理论，相信增加与超研磨颗粒磨损有关的压力和/或RPM能增加工具的使用寿命，因为增加的压力和/或RPM能够抵消(offset)这种磨损。值得注意的是，无论所施加的压力的多寡，若能在超研磨颗粒变的太钝以至于无法穿进抛光垫之前完成施加力量的增加是最有效的。压力和/或PRPM或应力的增加程度能凭借检验切割图案、检验超研磨颗粒、估计超研磨颗粒的磨损等，轻易地由所属技术领域中普通技术人员所决定。所施应力的量也会依照修整器的尺寸、修整器的机械特性以及所执行的抛光的种类而决定，虽然有了这些变数，但所述的压力和/或RPM究竟要调整多少仍无法得知而付诸实现，但是在所属技术领域中普通技术人员一旦得知本发明揭示的内容后就能为了特定的抛光制程而快速地测定压力和/或RPM所需的变数。但是在一特定态样中，在CMP抛光垫和CMP抛光垫修整器之间的压力和/或RPM会增加约1％至约100％；在另一特定态样中，所述的压力和/或RPM会增加约1％至约50％；在又一特定态样中，所述的压力和/或RPM会增加约1％至约20％；在再一特定态样中，所述的压力和/或RPM会增加约1％至约10％；再在另一特定态样中，所述的压力和/或RPM的增加会小于约5％；又在一特定态样中，所述的压力和/或RPM的增加会大于约100％。
应该了解的是，改变所述的压力和/或RPM也包括降低所述的压力和/或RPM，特别是那些具有几乎没有或完全没有磨损的超研磨颗粒的修整器。尖锐的超研磨颗粒常常切进CMP抛光垫的深度比所需要保持研磨浆的深度还深，这种“过分修整(overdressing)”使得超研磨颗粒磨损的太快。当超研磨颗粒太尖锐时，凭借降低抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM，让所述的颗粒的整体磨损降低，以使得修整器的寿命更加延长。
CMP抛光垫修整器和CMP抛光垫之间压力和/或RPM增加的时机和程度可帮助测定超研磨颗粒的磨损程度。各种测定超研磨颗粒磨损程度的方法都能考虑，而其都被视为在本发明的范畴内，这种测定可为实际的测定或是基于计算或假设磨损的图案而估计的。因此，当超研磨颗粒的磨损正在发生或已经发生而被测定，则可据此改变在CMP抛光垫修整器和CMP抛光垫之间所施的应力或压力和/或RPM，以在所述的CMP抛光垫表面保持更适当的表面粗糙度型态(如深度、宽度、密度等)。
在本发明的一态样中，测定超研磨颗粒磨损的范围可包括检验一已修整的CMP抛光垫表面，切入所述的CMP抛光垫表面的深度、宽度、密度等能提供所属技术领域中普通技术人员对于所述的超研磨颗粒磨损程度的一些指示。此检验方法的一个优点就是不用将修整器从抛光装置移除就能估计超研磨颗粒的磨损，这种检验可人为地以肉眼观察而可伴随着放大装置或其他能够清楚表现出所述的CMP抛光垫表面结构的方式，也可不需要这些即可完成；检验也可自动化地通过视觉影像或机械测量方法完成。
如上所述，在本发明的另一态样中，测定超研磨颗粒的磨损能凭借测量所述的抛光垫、修整器或其组合的机械性质而执行，所测量的机械性质是选自于由以下所组成的群组：摩擦力、声波放射性(acoustic emission)、温度、抛光垫反射性、抛光垫挠曲性(flexibility)、抛光垫弹性(elasticity)以及其组合。因此，在一态样中，所测量的机械性质为摩擦力；在另一态样中，所测量的机械性质为声波放射性。又在另一态样中，所测量的机械性质为温度；在又一态样中，所测量的机械性质为抛光垫反射性；尚在一态样中，所测量的机械性质为抛光垫挠曲性；再在一态样中，所测量的机械性质为抛光垫弹性。
实际上表面粗糙度的图案的任何态样能用来评估所述的超研磨颗粒磨损的程度，并促使压力和/或RPM的改变。凭借改变切割压力和/或RPM以改进至少一表面粗糙度的图案的特性，研磨浆能更有效地保持在所述的CMP抛光垫的表面，且更均匀地分布，也可促进抛光速度，并增加修整器的使用寿命。在一态样中，当所述的CMP抛光垫表面的平均表面粗糙度密度降低时，所述的压力和/或RPM就会增加，而这种降低的密度是起因于宽度增加、长度缩短等因素，其也可能会导致超研磨颗粒无法有效切割。钝的超研磨颗粒只能间歇式地切割所述的CMP抛光垫表面，致使其上的表面粗糙度降低。
在另一态样中，当所述的CMP抛光垫表面呈现降低的平均表面粗糙度深度时，则所述的压力和/或RPM会增加。当所述的超研磨颗粒开始变钝，其不再具有能够切割深的表面粗糙度的尖锐尖端以及边缘。凭借增加切割压力和/或RPM，所述的超研磨颗粒会更朝所述的CMP抛光垫表面压入，且更均匀的分布，因此能够切割较深的表面粗糙度以保留更多研磨浆。
在又一态样中，当所述的CMP抛光垫表面的平均表面粗糙度宽度减少时，所述的压力和/或RPM就会增加。如上所述，当所述的超研磨颗粒磨损，其尖端和边缘变的圆滑且平顺，而当尖端和边缘逐渐磨损而消失，这些颗粒开始切割较宽的表面粗糙度，而反映为目前磨损的表面。虽然增加所述的压力和/或RPM无法将宽度缩小至钝化前的表面粗糙度宽度的程度，但其能够切割出更深的表面粗糙度，因此在抛光时可保留住更大量的研磨浆。
再在一态样中，当所述的CMP抛光垫表面呈现降低的平均表面粗糙度长度时，则所述的压力和/或RPM会增加。当所述的超研磨颗粒的尖端和边缘磨损时，其倾向于使所述的CMP抛光垫表面局部变形，而非在其上切割出表面粗糙度，因此，磨损的超研磨颗粒倾向于间歇性切割以及弯曲(deflect)所述的表面，而发生平均长度的表面粗糙度减少的情况。凭借增加超研磨颗粒下压的压力和/或RPM，延伸其切割深度，而增加在抛光垫表面的表面粗糙度的平均长度。
除此之外，若所述的CMP抛光垫表面的表面粗糙度更深、更宽、更长或更密集，即所需要用来保留研磨浆的特征，降低所述的抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM可减缓超研磨颗粒的磨损程度，并因此延长所述的修整器的使用寿命。
另一测定超研磨颗粒磨损程度的方法可包括检测至少一部分设置在修整器表面的超研磨颗粒。虽然直接检测超研磨颗粒的情况必须将修整器从所述的CMP抛光垫表面移开，但这种检测可提供修整器表面比只有观察工具的切割图案更精确的评估。在此评估之后，所述的修整器施加于所述的CMP抛光垫表面的压力和/或RPM能够对应于所观察的超研磨颗粒的磨损量而改变。
在测定超研磨颗粒磨损程度的另一种方法包括基于修整器的使用而估计超研磨颗粒磨的磨损。随着时间，所属技术领域中普通技术人员能够基于先前CMP抛光垫修整器的磨损图案而估计超研磨颗粒磨损的图案，在很多情形中，这样的估计方法由于其具成本效益的特性所以证实是有帮助的。凭借估计超研磨颗粒磨损图案而改变所述的CMP抛光垫修整器和所述的抛光垫表面的压力和/或RPM，能避免适应停止抛光程序的要求就能检测所述的CMP抛光垫表面或在修整器中的超研磨颗粒的情形。
各种改变CMP抛光垫修整器和抛光垫表面的压力和/或RPM的方法都能考虑，且所有方法都应视为在本发明的范畴内。例如，在一态样中，改变所述的压力和/或RPM包括手动调整。当在修整器上的超研磨颗粒已被测定为磨损，则所述的压力和/或RPM就能考虑以手动方式改变，因此抵销这种磨损的情形，这种手动改变会发生在观察所述的抛光垫表面的表面粗糙度、检测在修整器上超研磨颗粒的状况或根据修整器的使用而估计磨损量之后。
也能考虑自动化改变在所述的CMP抛光垫修整器和所述的抛光垫表面的压力和/或RPM。各种自动化改变的方法都可行，包括依照超研磨颗粒磨损的观察结果、超研磨颗粒磨损的估计、超研磨颗粒磨损的预测等而自动改变，此可包括在自动增加之后超研磨颗粒所观测的磨损情形的通知；或者，当所使用的修整器达到超研磨颗粒磨损的估计程度准点，则可增加所述的压力和/或RPM。在一态样中，能利用电脑自动控制改变所述的压力和/或RPM，此电脑控制可容许增高的压力和/或RPM被施加于大量且须被抛光的晶圆上，因此，在一态样中，当所述的超研磨颗粒尖锐时，所述的压力和/或RPM在开始时能凭借非常小的增加量而增加，并在其开始钝化后逐渐凭借较大的量来增加。例如，所述的压力和/或RPM在最初500片晶圆被抛光时增加约1％，再在接下来的500片晶圆被抛光时增加5％，又在接下来的500片晶圆被抛光时增加10％等。在另一态样中，电脑控制能为各个接续的晶圆增加所述的压力和/或RPM，以更有效地延长所述的抛光垫的使用寿命。
其他压力和/或RPM的增加方法可包括增加所述的压力和/或RPM而无关实际或估计磨损的情形。在一态样中，当修整器在使用时，在所述的抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM可依时间而逐渐增加，例如，在一态样中，在所述的抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM是随修整操作而增加。在一些情形中，当所述的抛光垫正在修整晶圆时，且修整器是间歇性修整所述的抛光垫，则所述的压力和/或RPM是在正在进行抛光的一或多个修整操作之后增加；所述的压力和/或RPM也能在修整器的各修整操作后增加；在另一态样中，所述的压力和/或RPM可在修整操作时增加。如此则能致使在修整器正接触并主动修整所述的抛光垫时，增加所述的抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM。又在另一态样中，在抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM会在一晶圆抛光完成后增加。所述的压力和/或RPM可在一组数量的晶圆抛光之后增加，或可在抛光各晶圆之后增加。
逐渐增加所述的压力和/或RPM的各种非限制性的范例包括线性增加、非线性增加、指数或对数增加、阶梯式增加等。所述的方法提供无需要求检测或估计步骤以确认超研磨颗粒的磨损的优点，除此之外，压力和/或RPM能够预先在磨损情形之前增加。在此情况下，能凭借预先改变而增加一CMP抛光垫修整器的使用寿命，而非依照超研磨颗粒磨损的结果改变压力和/或RPM。
各种改变压力和/或RPM的方法也可包括自动侦测现象，如上所述可为超研磨颗粒磨损的特定标准。例如，当在修整器上的超研磨颗粒开始变得钝且圆滑时，在修整器与抛光垫之间的摩擦力会增加。在一态样中，这种因为超研磨颗粒变钝而导致的磨擦力增加可被侦测，且在抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM会为了补偿而增加。
在另一实施例中，延长一用于修整化学机械抛光垫且具有一基座和复数设置在其上的超研磨颗粒的化学机械抛光垫修整器的寿命的方法包括凭借所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；其中抛光垫、修整器、被所述的抛光垫抛光的晶圆或任何其组合的元件以一实质上平行于所述的抛光垫的工作表面的方向振动，以使抛光垫、修整器、晶圆或其组合上的机械应力最小化；以及改变在抛光垫和修整器之间的压力和/或RPM，包括当修整器在使用时随着时间以非线性的方式逐渐增加所述的抛光垫和修整器之间的压力和RPM，以延长修整器寿命，其中当化学机械抛光垫表面出现磨损时，所述的压力和RPM是增加的。
除了改变压力和/或RPM之外，本发明人已经发现在规律的调整周期中给予一CMP抛光垫修整器的研磨颗粒相当的振动能减少赋予超研磨颗粒的拖曳系数(drag coefficient)，进而能带给CMP抛光垫和修整器本身许多好处。例如，减少的拖曳系数可产生具有实质上高度一致的CMP抛光垫表面粗糙度以及具有实质上深度一致的CMP抛光垫的槽或沟。除此之外，本发明人发现具有这种性质的CMP抛光垫有更可预期的抛光速率，并且能促进更高品质的被修整的晶圆。其他来自减少的拖曳系数的优点是CMP抛光垫能具有延长的使用寿命以及减少所述的超研磨颗粒的磨损。
振动所述的CMP装置(包括任何部分的CMP抛光垫、CMP抛光垫修整器或晶圆)也减少材料的滞滑(Stick-Slip)效应，也就是说振动彼此相互接触的抛光垫、修整器和/或晶圆能减少可能有害的接触。通常材料会倾向于彼此贴附(源于磨擦力的因素)之后再松脱，在大多数移动的应用中，此效应并非不利、具损害性或甚至是个妨碍，然而，在处理具有这种对于厚度和表面变异性有高度耐受性的材料时，这些滞滑效应会非常不利。包括更为有效地抛光和修整，而振动的CMP且在两个制程中能够因为减少的滞滑而都会有较少的撕裂和变形，更能借着振动让研磨浆(若完全使用时)消耗减少而增加此制程的效能，所述的振动能让研磨浆颗粒在被移除前被使用更多次，并减少滞滑效应的结果。
已经发现所述的颗粒的振动式移动能有效促进所述的颗粒的磨损，也促进一CMP抛光垫的复原性质，就功能上来说，振动能降低抛光垫材料的量以及与所述的超研磨颗粒接触的频率。当所述的超研磨颗粒以超音速振动并切割至所述的CMP抛光垫中，材料一致的部份会在所述的超研磨颗粒的两侧被取代，因此产生均匀的表面粗糙度高度，以促进晶圆的均匀抛光。此外，最小化的拖曳系数能凭借于一修饰(grooming)程序中限制与所述的CMP抛光垫材料接触的量而降低磨损，并延长所述的超研磨颗粒的使用寿命。
因此，降低CMP抛光垫颗粒上的拖曳系数的方法，能使CMP抛光垫表面粗糙度产生具有实质上均匀高度和具有均匀深度的槽。均匀的高度和深度能凭借施加与修整器颗粒特定的振动而产生。特别地是，所述的颗粒能以横向、圆形、椭圆形或其他随机且实质上平行于所述的CMP抛光垫的工作表面的运行而振动。在本发明的一态样中，所述的颗粒为横向振动，即边对边(side to side)，使得拖曳情形因为与抛光垫接触量的减少而能够减少。已知当颗粒实质上平行于所述的CMP抛光垫的工作表面振动，而非垂直地振动或垂直于所述的抛光垫的工作表面，更能使拖曳量明显地减少，因此，能够获得很多CMP抛光垫以及修整器的优点，使得表面粗糙度尺寸均匀化和最小化。
振动器或振动来源可放置在CMP装置的各种位置，所述的振动器可接合在CMP抛光垫的任何位置，以一实质上平行于所述的CMP抛光垫工作表面的方向产生振动。例如包括结合或耦接于所述的CMP抛光垫的侧边或周围、结合至所述的CMP抛光垫底面的任何部分(即在工作表面反向侧的抛光垫基座)、结合至所述的CMP抛光垫的侧边，包括以任何型态结合至所述的CMP抛光垫(即杆体、衬里(backing))等。同样地，结合至所述的CMP抛光垫修整器可结合至所述的基座的侧边、所述的工作表面的周围、所述的修整器的底面、在杆体或其他包装物等。结合至晶圆可以凭借装置(如护环)结合至晶圆，或凭借任何在所属技术领域熟知的技术直接结合至晶圆。
在本发明中，所述的CMP抛光垫修整器或CMP抛光垫至少有一耦接于所述的修整器的振动器，其是设置在能够以一实质上平行于与所述的CMP抛光垫修整器接合的CMP抛光垫工作表面的方向振动所述的修整器。虽然需要复数振动器让超研磨颗粒得到适当的振动，但也可仅以一振动器能耦接于所述的CMP抛光垫修整器。伴随振动器的使用，所述的振动器能在所述的CMP抛光垫修整器的超研磨颗粒上产生振动，而后减少拖曳系数。所述的振动器可为任何能够产生在此所述有益的振动的类型。可使用任何电子/机械式驱动系统以产生想要的振动，根据本发明的一态样，所述的振动器可为具有压电材料的变送器(transducer)，或者，所述的振动器可为具有导电电线的线圈的螺线管(solenoid)，这些实施例并无特别的限制，其他振动器型态都能使用。在其他实施例中，复数振动器(如超音波变送器、螺线管或其组合)能耦接于所述的修整器位于以实质上平行于所述的CMP抛光垫工作表面的方向振动所述的修整器和颗粒的位置。所述的振动可为方向性集中或扩散。除此之外，能凭借放大器而放大振动或凭借阻尼板(如压克力板)而减弱振动。在一些态样中，所述的振动可被方向性地控制，包括能够使用前后方向、圆形、正方形、八边形、矩形、三角形或其他简单或复杂的方向性振动运动(movement)与图案。
可用多在一个的振动器。在一实施例中，所述的振动器可设计而产生对称的振动，而达到共振。在另一实施例中，从复数振动源来的振动为非对称的，因此产生的变化性可跨越所述的抛光垫和/或晶圆。一部分的抛光垫有最小消耗量是有利的，因此所述的振动在此区域中会被加强，使得所述的抛光垫外观有平坦的效果。这种设计能平衡抛光垫的使用，且有助于使晶圆呈现更均匀的厚度或更平坦的表面。
本发明所使用的频率范围约从1KHz至约1000KHz；功率范围可从约1W至约1000W。如先前所述，赋予所述的CMP抛光垫修整器的超研磨颗粒的振动来自于振动器或振动方式(如压电变送器)，在使用时，除了先前所述的方向之外，所述的CMP抛光垫修整器或CMP抛光垫能够以实质上平行于所述的CMP抛光垫的工作表面进行横向、圆形、椭圆形或随意动作的振动；或者，所述的振动可完全以平行所述的CMP抛光垫的工作表面的方向进行。所述的压电变送器适合以大于约15KHz的超音波频率振动所述的颗粒，通常高于人耳所能听到的频率(即高于约每秒15,000次)会被视为超音波。在一实施例中，所述的振动器能以约20KHz的频率震荡所述的颗粒。
在又一实施例中，所述的超音波振动可大大地促进在所述的CMP抛光垫上分散研磨浆的程序。研磨浆颗粒(那些作为部分研磨浆以在CMP制程中提供帮助或那些已将要研磨的物体移除的颗粒)倾向于反向影响所述的抛光制程。这些颗粒能建立在部分的CMP抛光垫，并且刮蚀欲被抛光的物体(如晶圆)。超音波振动能分散研磨浆颗粒，并提供机械动力以更有效地移除硬化(glazed)材料以及碎屑。
在本发明的另一实施例中，所述的振动器能被调整为控制所述的超研磨颗粒振动运动，以及各颗粒的拖曳系数，以获得最适化的抛光过程。控制或调整超音波波长的振动频率、振幅或二者能改变所使用的CMP抛光垫修整器的抛光效能，特别的是，较高的频率能产生具有较高突起和/或较深的槽的表面粗糙度；或者增加所述的超音波振动的振幅也会影响表面粗糙度的尺寸，而能产生让更多研磨浆进入所述的抛光垫表面的表面粗糙度，因此增加系统整体的抛光效能。实际上，控制所述的振动频率以及振幅会改变各修饰(grooming)的超研磨颗粒的拖曳系数，进而改变各表面粗糙度的尺寸，能实施这种实施例而使各种应用获得最理想的抛光效能。例如，对于易碎的晶圆表面的氧化层最理想的抛光需要增加频率以及减少振幅；另一方面，降低振动频率与增加振幅能更有效地抛光晶圆上的金属层(如铜电路)。再者，当其他聚氨酯型材料使用于形成一CMP抛光垫，且其在抛光垫修整程序中呈现不同反应时，控制振动特性是必须的。
在一实施例中，所述的振动能为持续性的或间歇式的。除此之外，所述的振动能作为复数步骤中的一部分而被执行，或者作为一个在抛光程序中的特定时间选择不同振动参数的程序(program)，所述的振动参数包括但不限制于频率、振幅和来源；通常大的振幅能产生较快的移除速度，但伴随着较大的损坏可能性，而高频率低振幅能够较慢地抛光，且伴随着较佳的研磨效果。因此，能够合理得知一个抛光程序开始在大的振幅，而后改变为高频率低振福的振动能有助于于较快的时间内产生已抛光材料，且比使用一组振动参数具有较佳的研磨效果。所述的程序能够持续性地改变，如从大的振幅随着时间改变为小的振幅，或者能够随着相异以及不同的阶段而改变，如从大振幅立即改变为小振幅，而在此改变进行中可有或无暂停时间。
举例来说，在移除铜的情况下，能控制所述的CMP程序在一开始铜表面还很粗糙的时候以高振幅低频率快速地移除，而后当端点接近则立即(ramped down)转换至高频率低振幅，例如当在铜层下的氮化钽屏障层暴露出来的时候。再者，所述的振动参数能够依照特定条件的协调性而修饰，例如研磨浆的添加、研磨浆的粘度、新的晶圆、不同的晶圆类型、新的或不同的抛光垫调整器或修整器、以及其他能够反应影响抛光垫情况的变数。在另一态样中，所述的振动可产生至少部分CMP抛光垫的温度增加至少约5℃；在另一实施例中，温度增加至少20℃。除此之外，当本发明使用各种压力、RPM以及振动的方法能在延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命方面产生协同效应。
需要了解的是以上所述的组成以及方法都仅是在描述本发明的较佳实施例，许多改变以及不同的排列也可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下被在本领域具通常知识者所设想出来，而申请范围也涵盖上述的修饰和排列。
Claims (20)
1.一种延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，该化学机械抛光垫修整器用于修整化学机械抛光垫，所述的修整器具有一基座以及复数设置在所述的基座上的超研磨颗粒，其特征在于，所述的方法包括：
凭借所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；
凭借测量所述的抛光垫、修整器或其组合的机械性质而测定超研磨颗粒的磨损(wear)；
凭借改变所述的抛光垫和修整器之间与超研磨颗粒的磨损有关的压力和机体转速(RPM)而适应该机械性质测量值，以延长修整器寿命。
2.根据权利要求1所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的测量的机械性质是选自于由以下所组成的群组：摩擦力、声波放射性(acoustic emission)、温度、抛光垫反射性、抛光垫挠曲性(flexibility)、抛光垫弹性(elasticity)及其组合。
3.根据权利要求1所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：改变所述的压力和RPM包括逐渐增加所述的抛光垫和修整器之间的压力和RPM。
4.根据权利要求3所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的压力和/或RPM随时间的逐渐增加为非线性指数(exponential)增加。
5.根据权利要求1所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：改变所述的压力和RPM包括自动增加所述的压力以适应所增加的超研磨颗粒的磨损。
6.根据权利要求1所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：该延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法还包括以一实质上平行于所述的抛光垫的工作表面的方向振动至少一元件，该元件选自于抛光垫、修整器、被所述的抛光垫抛光的晶圆或任何其组合，以使在抛光垫、修整器、晶圆或其组合上的机械应力最小化。
7.根据权利要求6所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的修整器是以横向、圆形、椭圆形或随机运行且实质上平行于所述的CMP抛光垫的工作表面而振动。
8.根据权利要求6所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的振动仅为平行于所述的抛光垫的工作表面的方向。
9.根据权利要求6所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的振动频率为大于15kHz的超音波频率。
10.根据权利要求6所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的振动为持续性的。
11.根据权利要求6所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的振动为扩散的(diffused)。
12.根据权利要求1所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：当所述的化学机械抛光垫的表面呈现减少的平均表面粗糙度密度、平均表面粗糙度深度、平均表面粗糙度宽度、平均表面粗糙度长度或其组合时，所述的压力和RPM增加。
13.一种延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，该化学机械抛光垫修整器用于修整化学机械抛光垫，所述的修整器具有一基座以及复数设置在所述的基座上的超研磨颗粒，其特征在于，所述的方法包括：
凭借所述的修整器修整所述的化学机械抛光垫；
以一实质上平行于所述的抛光垫的工作表面的方向振动选自于抛光垫、修整器、被所述的抛光垫抛光的晶圆或任何其组合的元件，以使在抛光垫、修整器、晶圆或其组合上的机械应力最小化；以及
改变所述的抛光垫和修整器之间的压力和机体转速(RPM)，包括当修整器在使用时随着时间以非线性的方式逐渐增加所述的抛光垫和修整器之间的压力和RPM，以延长修整器寿命，其中当化学机械抛光垫表面出现磨损，所述的压力和RPM是增加的。
14.根据权利要求13所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：还包括测定超研磨颗粒的磨损(wear)。
15.根据权利要求14所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：测定超研磨颗粒的磨损(wear)包括测量所述的抛光垫、修整器或其组合的机械性质。
16.根据权利要求15所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：测量机械性质是选自于由以下所组成的群组：摩擦力、声波放射性(acoustic emission)、温度、抛光垫反射性、抛光垫挠曲性(flexibility)、抛光垫弹性(elasticity)及其组合。
17.根据权利要求16所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：测定超研磨颗粒尚包括检测一经修整的化学机械抛光垫表面。
18.根据权利要求17所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：当所述的化学机械抛光垫的表面呈现降低的平均表面粗糙度密度、平均表面粗糙度深度、平均表面粗糙度宽度、平均表面粗糙度长度或其组合时，所述的压力和RPM增加。
19.根据权利要求14所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：测定超研磨颗粒尚包括基于修整器的使用而估计超研磨颗粒磨的磨损。
20.根据权利要求13所述的延长化学机械抛光垫修整器的使用寿命的方法，其特征在于：所述的振动是在大于15千赫(KHz)的超音波频率下仅以平行所述的抛光垫的工作表面的方向进行。
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