CN102449744A - 研磨垫窗口的处理 - Google Patents
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Abstract
在研磨垫中形成固态透光聚合物窗口，且对所述窗口的至少一个表面进行处理以增加所述至少一个表面的平滑度。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造用于化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)的研磨垫的方法。
背景
在制造先进半导体集成电路的工艺中，常常需要将衬底的外表面平坦化。举例而言，可能需要平坦化以研磨去除导电填充层直到暴露出下方层的顶表面，而留下介于绝缘层的凸起图案之间的导电材料，以在衬底上形成过孔(via)、插塞(plug)与线，所述过孔(via)、插塞(plug)与线可于薄膜电路之间提供导电路径。此外，可能需要平坦化以将氧化物层变平坦且变薄，以提供适用于光刻技术(photolithography)的平坦表面。
一种用来实现半导体衬底平坦化或形貌去除(topography removal)的方法是CMP。传统的CMP工艺包括在有研磨浆料(abrasive slurry)的情况下将衬底紧压旋转的研磨垫。
通常，要确定是否应该停止研磨，必须检测何时达到期望的表面平坦性或层厚度，或何时暴露出下方层。多种技术已被发展用于在CMP工艺期间进行终点(endpoint)的原位(in-situ)检测。举例而言，已采用光学监视系统来在研磨衬底上的一层期间原位测量所述层的一致性。此光学监视系统可包含光源(光源在研磨期间引导光束朝向衬底)、检测器(检测器测量从衬底反射的光)以及计算机(计算机分析来自检测器的信号并计算是否已经检测到终点)。在某些CMP系统中，光束通过研磨垫中的窗口被引导朝向衬底。
发明概述
在一个方面，一种在研磨垫中形成窗口的方法，包含下列步骤：在研磨垫中形成固态透光聚合物的窗口；以及处理所述窗口的至少一个表面，以增加所述至少一个表面的平滑度。
本发明可藉由以下一或多个方式来实行。处理窗口的至少一个表面的步骤可在于研磨垫中形成窗口后进行。形成窗口的步骤可包含下列步骤：将固态透光聚合物主体放置于模型中；将液态研磨垫前驱物分配至模型中；硬化液态研磨垫前驱物，以形成主体，所述主体包含与固态透光聚合物主体一起成型的固态研磨材料；以及切割研磨垫，所述研磨垫具有固态研磨材料的一部分与固态透光聚合物主体的一部分。形成窗口的步骤可包含下列步骤：形成窗口的顶表面以及底表面，顶表面较接近研磨垫的研磨层的研磨表面，而底表面较接近研磨层的下表面。顶表面基本上可与研磨表面齐平，而底表面基本上可与下表面齐平。前述的处理可包含处理窗口的顶表面及/或底表面。处理窗口的至少一个表面的步骤可包含加热所述至少一个表面，例如，将加热的主体应用于所述至少一个表面，并可视情况将加热的主体压到所述至少一个表面上，例如，烙烫(ironing)所述至少一个表面。所述主体可被加热至等于或大于150℃，例如，介于150℃至250℃之间，例如，约200℃。所述固态透光聚合物可为聚氨酯。加热所述至少一个表面的步骤可升高所述至少一个表面的温度至固态透光聚合物的玻璃化转换温度以上。处理窗口的至少一个表面的步骤可包含下列步骤：应用溶剂至所述至少一个表面。所述研磨垫可包含由具有数个微球体填料的聚氨酯所形成的研磨层。
本发明包含以下一或多个潜在优点。通过所述窗口所透射的光可得到增加，因而减少了噪声并提高了终点检测的可靠度。窗口透射的垫与垫(pad-to-pad)不一致性可被减少。此外，参照下述说明与图以及权利要求书，本发明的其他特征与优点可以更为明了。
附图简要说明
图1为具有用于终点检测的光学监视系统的化学机械研磨装置的剖面视图。
图2为具有窗口的研磨垫的简化剖面视图。
图3为图2所示的研磨垫的简化俯视图。
图4为包含有压感粘合剂以及衬里的研磨垫的简化剖面视图。
图5为用以制作研磨垫窗口的固态透光材料块体的透视图。
图6为在模型中的液态研磨层前驱物以及固态透光材料块体的剖面视图。
图7与固态透光材料块体一起成型的硬化的研磨材料主体的透视图。
图8为正从硬化的研磨材料主体被削离的研磨垫的剖面视图。
图9为正被热处理的研磨垫窗口的剖面视图。
具体描述
研磨垫制造中的一个潜在问题为研磨垫窗口表面的粗糙状况。举例而言，削片(skiving)工艺可能在窗口处留下锯齿、刮痕或其他粗糙状况。这种粗糙状况可能造成散射，因而减少了窗口的透射率，也增加了光学监视系统中的噪声。然而，通过例如利用热处理来处理窗口，可使窗口表面变得平滑。较平滑的窗口具有较大的透射率，因而减少光学监视系统中的噪声，并提高终点检测的可靠度。此外，也可减少窗口透射的垫与垫不一致性。
如图1所示，CMP装置10包含研磨头12，用以固持半导体衬底14，所述半导体衬底14紧压平台16上的研磨垫18。衬底可以是，举例而言，产品衬底(如，所述产品衬底包含多重内存(multiple memory)或处理器裸片)、测试衬底、裸衬底(bare substrate)与栅衬底(gating substrate)。衬底可以处于集成电路制造的任何阶段，例如，衬底可以是裸晶圆，或衬底可以包括一或多个沉积层及/或图案化的层。术语“衬底”可以包括圆形盘片或矩形平板。
当平台16绕着平台16的中心轴旋转时，研磨头12对衬底14施压，使衬底14紧压研磨垫18。此外，研磨头12通常绕着研磨头12的中心轴旋转，并且研磨头12经由驱动杆(drive shaft)或平移臂(translation arm)32而跨平台16的表面平移。研磨液30，如研磨浆料，可被分配至研磨垫上。衬底与研磨表面之间的压力以及相对运动，加上研磨液的作用，促成了对衬底的研磨。调节器可摩擦研磨垫18的表面以维持研磨垫的粗糙度。
光学监视系统与研磨垫18中的窗口40光学连通，且光学监视系统包括光源36(如白色光源)和检测器38(如光谱仪)。光源和检测器可位于平台16中并与平台16一起旋转，因此每当平台旋转一次，监视光束便扫过衬底一次。举例而言，分叉的光纤34可传送来自光源36的光线经过平台18而经由窗口40被引导至衬底14上，且自衬底14反射的光线可经过光纤34回到检测器38。或者，光源以及检测器可以是位于平台下方的固定组件，且光学孔(optical aperture)可延伸穿过窗口40下方的平台，以间歇地将监视光束传至衬底。光源可使用自远红外至紫外范围内任意波长的光(例如红光)，甚至也可使用宽带光谱，如白光。
请参见图2，研磨垫18可包含研磨层20以及背托层22，研磨层20具有与衬底接触的研磨表面24，而背托层22则粘附地固着至平台16。研磨层20可为适用于衬底上暴露层的整体平坦化(bulk planarization)的材料。此研磨层可由聚氨酯材料形成，例如，由具有填料(如，中空微球体)的聚氨酯材料形成。例如，研磨层可以是购自Rohm & Hass的IC-1000材料。背托层22可比研磨层20更易于压缩。在某些实施例中，研磨垫仅包含研磨层，且/或研磨层为相对较软的材料(如，具有大量垂直定向的细孔的多孔涂层(poromericcoating))，以便适用于抛擦(buffing)工艺。于某些实施例中，可在研磨表面24中形成沟槽。
窗口40可为固态透光材料，例如透明材料(如，不含填料而相对较纯的聚氨酯)。窗口40可不通过粘合剂而与研磨层20接合，例如，窗口40和研磨层20的毗邻边缘(abutting edge)可一起成型。窗口40的顶表面可与研磨表面24共平面，且窗口40的底表面可与研磨层20的底部共平面。研磨层18可完全环绕窗口40。此外，背托层22中的孔对准研磨层20中的窗口40。
请参见图3，于一实施例中，研磨垫18具有15.0英寸(381.00毫米)的半径R，对应的直径为30英寸。于另一实施例中，研磨垫18具有15.25英寸(387.35毫米)或15.5英寸(393.70毫米)的半径R，对应的直径为30.5英寸或31英寸。光学监视系统可以使用宽度约0.5英寸(12.70毫米)且长度约0.75英寸(19.05毫米)的区域，区域中心与研磨垫18中心的距离D为7.5英寸(190.50毫米)。因此，窗口应能至少覆盖此区域。举例而言，窗口可具有约2.25英寸(57.15毫米)的长度与约0.75英寸(19.05毫米)的宽度。研磨垫以及窗口都可具有约0.02英寸至0.20英寸(如，0.05英寸至0.08英寸(1.27毫米至2.03毫米))的厚度。窗口40可具有矩形形状，且窗口的较长维度基本上平行于通过窗口中心的研磨垫半径。然而，窗口40也可具有其他形状，如圆形或椭圆形外观，且窗口中心不必要位于光学监视系统所使用的区域的中心。
请参见图4，在研磨垫18装设到平台上之前，研磨垫18也可以包含压感粘合剂70以及衬里(liner)72，所述衬里72横跨研磨垫18的底表面22。在使用时，衬里72从研磨层20剥离，并且研磨垫18利用压感粘合剂70而被贴附到平台。压感粘合剂70以及衬里72可横跨窗口40，或者可在窗口40的区域中或紧靠窗口40的区域周围去除压感粘合剂70以及衬里72的任一个或两者。
请参见图5至图9，以下将讨论构造研磨垫的方法。起初，形成固态透光聚合物材料的块体100。举例而言，不包含阻碍光透射的填料的固态聚氨酯块体可被铸型并切割成期望的尺寸。于x-y平面中，此块体可具有的剖面尺寸与将形成于研磨垫的窗口相同，但于z平面中，此块体可以比窗口更厚，例如，至少比窗口厚十倍，例如比窗口厚约二十至五十倍。举例而言，窗口块体可具有长度L、2.25英寸(57.15毫米)的厚度T以及约0.75英寸(19.05毫米)的宽度W。块体100的侧表面102、104可以是粗糙的，以，例如，在成型期间增进块体与研磨层材料的粘附性。
请参见图6，可将块体100放置于模型140中，接着将研磨层的液态研磨垫前驱物150注入模型140中。模型140中可注入大约与块体100等高的液态研磨垫前驱物150，例如，块体100可没入液态研磨垫前驱物150中，或块体100可稍微凸出于液态研磨垫前驱物150。
请参见图7，接着硬化(例如，烘烤)液态研磨垫前驱物，并自模型150移出。举例而言，液态聚氨酯可被硬化以形成固态塑料主体160，所述固态塑料主体160与块体100一起成型。在x-y平面中，塑料主体160可具有的横向尺寸基本上等于或大于最终研磨垫(例如，具有半径为10英寸(254毫米)、15.0英寸(381.00毫米)、15.25英寸(387.35毫米)、15.5英寸(393.70毫米)、21英寸(533.40毫米)或21.25英寸(539.75毫米)的圆形盘片)，但沿z轴方向上，塑料主体160可以比最终研磨垫更厚，例如，至少比最终研磨垫厚十倍。
请参见图8，接着从塑料主体160切割下(例如，在x-y平面中用刀片170削下)薄研磨层20。由于削片过程会切穿块体100，被削下的块体100部分形成窗口40，所述窗口40与研磨层20一起成型。
削片工艺可能会在窗口40的顶表面42以及底表面44留下小型(例如，5至200微米深)的表面不规则体，如锯齿、刮痕或其他粗糙状况。关于顶表面，在研磨过程中，水或浆料的存在可提供研磨垫材料局部折射率匹配(index-matching)，在光束通过窗口的顶表面时，可降低表面不规则体造成散射的趋势。然而，如果窗口的底表面与空气接触，那么在光束通过窗口的底表面时，表面不规则体可能造成散射，因而减少了窗口的透射率，也如上述增加了光学监视系统中的噪声。
在窗口被削片后，可对窗口40的顶表面及/或底表面进行处理，以减少表面不规则体并增加表面平滑度，因而降低窗口表面散射光线的趋势。
举例而言，可加热窗口的表面以稍微软化窗口，使窗口表面可被流平或压平。举例而言，窗口材料可被充分地升温，使窗口维持固态但更容易变形以达到平滑表面状态，例如，使窗口材料能塑性变形(plastic deformation)而不破裂。举例而言，窗口材料可被升温至窗口材料的玻璃化转变温度或高于玻璃化转变温度。并且，如果窗口材料于室温下已经处于玻璃相(glassy phase)，那么可用热来进一步软化窗口材料。然而，不需要将温度升至高于窗口材料的熔点。变形可能是因研磨垫材料流动及自我平整(self-leveling)所伴随的重力而造成，或因来自固态刚性部件的压力而造成。举例而言，制造者可施压于加热的刚性部件，使所述加热的刚性部件紧压已经固化的窗口材料(但可视情况不紧压研磨层20的其他部分)，以压除表面不规则体，并使窗口表面比削片工艺后明显地更平滑。加热的部件可被横向平移经过窗口，以消除表面不规则体，例如，有效地是，窗口可被烫平。
通常，于较低温度下，需要用较高的压力配合刚性部件以将表面不规则体压除。另一方面，温度不应高到使窗口材料熔化或燃烧。
于某些实施例中，例如，针对以氨甲酸乙酯为基础的窗口，用来接触窗口的部件表面的温度可被升高至150℃以上，例如，介于150℃与250℃之间，例如，至约200℃。
于某些实施例中，窗口材料可同时进行研磨以及热处理。
请参见图9，加热系统180可包含具有平滑表面184的刚性导热主体182，所述刚性导热主体182例如，金属板，所述金属板可应用于窗口40的表面，如窗口40的底表面44。导热主体182可通过，如电阻加热元件186进行加热，所述电阻加热元件186连接至电源188。如图所示，电阻加热元件186可嵌入到导热主体182中，或者电阻加热元件186也可以是附加至导热主体180的独立部件。举例而言，加热系统可为消费者烙烫器具，或具有能与导热板配合的尖端的烙铁。
如果研磨垫18包含背托层22，那么在窗口40处理之前或之后，具有成型窗口40的研磨层20可通过，如压感粘合剂，而固着至背托层22。
作为表面处理的另一个实例，化学溶剂可被应用于窗口的顶表面及/或底表面，以溶解去除刮痕或表面不规则体。氨甲酸乙酯溶剂是可市售购得的合适溶剂。
本发明已经叙述了许多实施例。然而，应了解的是，在不脱离本发明的精神与范围下，本发明可以进行各种变更。举例而言，虽然前文所述的窗口与研磨层一起成型，但窗口也可自块体被削下，然后例如，通过粘合剂将窗口固着于研磨层的孔洞内。在此实例中，窗口可在被安装至研磨垫之前或之后进行处理。此外，削片工艺以外的其他工艺，如成型工艺，也可能在窗口表面上造成表面不规则体。因此，其他实施例落入随附权利要求书的范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种在研磨垫中形成窗口的方法，包含下列步骤：
在所述研磨垫中形成固态透光聚合物的所述窗口；以及
处理所述窗口的至少一个表面，以增加所述至少一个表面的平滑度。
2.如权利要求1所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤是在于所述研磨垫中形成所述窗口后进行。
3.如权利要求1所述的方法，其中形成所述窗口的步骤包含下列步骤：将固态透光聚合物主体放置于模型中；将液态研磨垫前驱物分配至所述模型中；硬化所述液态研磨垫前驱物，以形成主体，所述主体包含与所述固态透光聚合物主体一起成型的固态研磨材料；以及切割所述研磨垫，所述研磨垫具有所述固态研磨材料的一部分以及所述固态透光聚合物主体的一部分。
4.如权利要求1所述的方法，其中形成所述窗口的步骤包含下列步骤：形成所述窗口的顶表面和底表面，所述顶表面较接近所述研磨层的研磨表面；所述底表面较接近所述研磨层的下表面。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述顶表面基本上与所述研磨表面齐平，且所述底表面基本上与所述下表面齐平。
6.如权利要求4所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤包含下列步骤：处理所述窗口的所述顶表面。
7.如权利要求4所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤包含下列步骤：处理所述窗口的所述底表面。
8.如权利要求1所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤包含下列步骤：加热所述至少一个表面。
9.如权利要求8所述的方法，其中加热所述至少一个表面的步骤包含下列步骤：烙烫所述至少一个表面。
10.如权利要求8所述的方法，其中加热所述至少一个表面的步骤包含下列步骤：将加热的主体应用于所述至少一个表面。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述加热的主体被加热至等于或大于150℃的温度。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述温度为介于150℃至250℃之间。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述固态透光聚合物包含聚氨酯。
14.如权利要求8所述的方法，其中加热所述至少一个表面的步骤升高所述至少一个表面的温度至所述固态透光聚合物的玻璃化转变温度以上。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述研磨垫包含研磨层，所述研磨层由具有微球体填料的聚氨酯所形成。
Claims (15)
- 一种在研磨垫中形成窗口的方法，包含下列步骤：在所述研磨垫中形成固态透光聚合物的所述窗口；以及处理所述窗口的至少一个表面，以增加所述至少一个表面的平滑度。
- 如权利要求1所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤是在于所述研磨垫中形成所述窗口后进行。
- 如权利要求1所述的方法，其中形成所述窗口的步骤包含下列步骤：将固态透光聚合物主体放置于模型中；将液态研磨垫前驱物分配至所述模型中；硬化所述液态研磨垫前驱物，以形成主体，所述主体包含与所述固态透光聚合物主体一起成型的固态研磨材料；以及切割所述研磨垫，所述研磨垫具有所述固态研磨材料的一部分以及所述固态透光聚合物主体的一部分。
- 如权利要求1所述的方法，其中形成所述窗口的步骤包含下列步骤：形成所述窗口的顶表面和底表面，所述顶表面较接近所述研磨层的研磨表面；所述底表面较接近所述研磨层的下表面。
- 如权利要求4所述的方法，其中所述顶表面基本上与所述研磨表面齐平，且所述底表面基本上与所述下表面齐平。
- 如权利要求4所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤包含下列步骤：处理所述窗口的所述顶表面。
- 如权利要求4所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤包含下列步骤：处理所述窗口的所述底表面。
- 如权利要求1所述的方法，其中处理所述窗口的至少一个表面的步骤包含下列步骤：加热所述至少一个表面。
- 如权利要求8所述的方法，其中加热所述至少一个表面的步骤包含下列步骤：烙烫所述至少一个表面。
- 如权利要求8所述的方法，其中加热所述至少一个表面的步骤包含下列步骤：将加热的主体应用于所述至少一个表面。
- 如权利要求10所述的方法，其中所述加热的主体被加热至等于或大于150℃的温度。
- 如权利要求11所述的方法，其中所述温度为介于150℃至250℃之间。
- 如权利要求11所述的方法，其中所述固态透光聚合物包含聚氨酯。
- 如权利要求8所述的方法，其中加热所述至少一个表面的步骤升高所述至少一个表面的温度至所述固态透光聚合物的玻璃化转变温度以上。
- 如权利要求1所述的方法，其中所述研磨垫包含研磨层，所述研磨层由具有微球体填料的聚氨酯所形成。
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