CN102601727B

CN102601727B - 化学机械抛光垫及化学机械抛光方法

Info

Publication number: CN102601727B
Application number: CN201210082661.4A
Authority: CN
Inventors: 刘宇宏; 韩桂全; 雒建斌; 郭丹; 路新春
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN102601727A

Abstract

本发明公开了属于化学机械抛光领域中的一种化学机械抛光垫和化学机械抛光方法。本抛光垫至少包括一个纳米纤维层，纳米纤维层为非织布结构，纤维层厚度为0.1μm-3cm，纳米纤维平均直径为1nm-1μm，长度＞1cm，纳米纤维轴向平行于抛光垫工作表面。其化学机械抛光方法包括将抛光液施加到抛光垫工作表面或被抛光材料表面；使抛光垫工作表面与被抛光材料表面接触，并使抛光垫相对于被抛光材料运动，在低压力或超低压力下对被抛光材料进行化学机械抛光。使用本发明的抛光垫，可以减少划痕损伤和应力剥离等缺陷获得较高质量的表面，同时，可以实现在较低的压力下获得较高的材料去除速率。

Description

化学机械抛光垫及化学机械抛光方法

技术领域

本发明属于抛光技术领域，特别涉及一种化学机械抛光垫和化学机械抛光方法。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization/Polishing，简称CMP)，被认为是目前实现全局平面化的最有效方法。CMP的应用已经扩展到金属材料(如Al、Cu、Ti、Ta、W等)、介质材料(如SiO₂、Si₃N₄、各种Low-k材料等)、多晶硅、陶瓷、磁盘、磁头以及MEMS等材料或器件的加工。

在传统的化学机械抛光工艺中，抛光头携带晶片在一定压力下接触含有磨料和化学剂的抛光液抛光垫表面，晶片和抛光垫之间通过相对运动，利用晶片表面与抛光垫和抛光液中磨料之间的机械作用，以及与抛光液之间的化学作用，实现晶片表面的材料去除和平坦化。现有技术中的典型抛光垫是多孔聚氨酯型抛光垫，采用复杂的发泡工艺制成，如IC业界应用的标准抛光垫——罗门哈斯(Rohm& Haas，美国)的IC1000^TM抛光垫。

随着集成电路线宽特征尺寸的不断降低和集成度的不断提高，化学机械抛光技术面临新的挑战。如Cu/Low-k材料的使用成为必然趋势，若仍使用常规的CMP技术进行平坦化，由于铜导线与Low-k介质材料强度的差异，势必会引起铜与Low-k材料界面间的剥离，目前业界的方法是使用低压力(≤2psi)甚至超低压力(≤0.5psi)进行抛光，但在这么低的压力下，若仍使用常规的高硬度多孔抛光垫，会出现因材料去除速率低造成产出效率低的问题。此外，由于高硬度的抛光垫在使用过程中，与被抛光材料表面接触不均匀，在同等压力下容易造成局部“热点”，引起局部应力剥离和(或)划痕损伤等缺陷问题。

中国专利200680003086.7公开了一种用于低压研磨的研磨垫(即抛光垫)，通过调节抛光垫研磨层和背衬层的厚度和硬度，来获得较高质量的表面，但这种研磨垫与传统的抛光垫没有本质的区别，硬度仍较高，因此不能从根本上解决低压力和超低压力下材料去除速率低、局部应力集中和划痕损伤等问题。

中国专利02819886.7公开了一种表面具有有机纤维露出的研磨垫片(即抛光垫)，来提高被抛光物的平坦化效率和减少抛光损伤发生的概率。但这种抛光垫采用的是直径较粗大的杂乱短纤维(纤维直径优选为1μm～1mm，长度≤1cm)。这些粗大的纤维在低压和超低压力下仍会引起抛光压力分布的不均匀，进而引起材料去除的不均匀、局部高应力和划痕损伤等问题；同时，这些杂乱的短纤维，在抛光过程中，更易于从抛光垫表面脱落，又会进一步划伤表面。因此，这种抛光垫只能满足其在常规压力下(2psi～6psi)较硬材料的CMP要求，不能满足类似于Cu/Low-k等易损伤材料在低压力和超低压力下的CMP要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种化学机械抛光垫及其化学机械抛光方法。

一种化学机械抛光垫，其特征在于：所述的抛光垫至少包括一层纳米纤维层1，或纳米纤维层1底部还有衬底层2，或衬底层2底部还通过压敏胶或粘结剂3粘结上一层子垫4。

所述纳米纤维层1为非织布结构，纤维层厚度为0.1μm-3cm，纳米纤维平均直径为1nm-1μm，长度＞1cm，纳米纤维轴向平行于抛光垫工作表面。

所述纳米纤维层为聚合物材料，选自聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚砜和聚醚中的一种或几种的混合物或共聚物。

所述衬底层为与纳米纤维层结合性较好的聚合物材料，选自聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚砜、聚醚、酚醛树脂、尿醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂、不饱和聚酯、丙烯基树脂和有机硅树脂中的一种或几种的混合物或共聚物。

所述子垫为多孔泡沫、无孔聚合物板、无纺布、人造革或毛毡。

所述抛光垫工作表面为光滑平面或有宏观的沟槽或孔洞，所述的沟槽或孔洞由去除材料、滚压或压印的方法获得。

一种化学机械抛光方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)提供一种化学机械抛光垫，其中所述的抛光垫至少包括一层纳米纤维层1，或纳米纤维层1底部还有衬底层2，或衬底层2底部还通过压敏胶或粘结剂3粘结上子垫4；其中所述的纳米纤维层1为非织布结构，纤维层厚度为0.1μm-3cm，纳米纤维平均直径为1nm-1μm，长度＞1cm，纳米纤维轴向平行于抛光垫工作表面；

(2)将抛光液施加到抛光垫工作表面或被抛光材料表面；

(3)使抛光垫工作表面与被抛光材料表面接触；

(4)使抛光垫相对于被抛光材料运动，从被抛光材料表面去除一部分材料。

所述抛光液为有磨料或无磨料的抛光液，优选为有磨料，在抛光液中除包括SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、MnO₂、MoO₃、Fe₂O₃中的一种或几种磨料外，还包括H₂O₂、Fe(NO₃)₃、K₂S₂O₈、KNO₃、KIO₃、KClO₃、K₂CO₃、K₃Fe(CN)₆、HNO₃、有机酸、有机碱、氨基酸、含氮杂环类有机物、纤维素、季铵盐、羧酸盐、硫酸盐、磺酸盐、乙二胺、HCl、NaOH和去离子水中的一种或几种。

所述被抛光材料为Al、Cu、Ti、Ta、Ru、SiO2、Si3N4、低k电介质(low-k)、多晶硅、陶瓷、磁盘、磁头以及微机电系统器件(MEMS)中的一种或几种的复合结构材料。

所述抛光垫与被抛光材料表面接触时施加的压力优选为0.1psi-2psi。

所述化学机械抛光方法还包括在抛光过程中或抛光后对抛光垫表面进行冲洗、刷洗或超声清洗的步骤，使其表面保持稳定的抛光能力。

本发明的有益效果为：所述抛光垫与现有技术相比最突出的优势是抛光垫表面具有大量的纳米级聚合物纤维。一方面，这些纳米级纤维具有很大的比表面积，通过调节这些纳米纤维的性质和抛光液的性质，可以使抛光垫表面在使用过程中携带大量磨料，增加了磨料颗粒与被抛光材料间的接触频率，从而获得较高的材料去除速率，而这种磨料携带能力不受抛光压力的影响或受其影响很小，因此即使是在低压力甚至超低压力下使用这种抛光垫仍然可以获得较高的材料去除速率；另一方面，抛光垫表面存在大量的纳米级聚合物纤维，使抛光垫表面具有很大的“柔性”，增加了抛光垫与被抛光表面的接触均匀性，避免了因受力不均而引起的局部“热点”问题，从而降低了划痕损伤和应力剥离等缺陷发生的概率。此外，本发明所述抛光垫表面的纳米级聚合物纤维，长度＞1cm，轴向平行于抛光垫工作表面，增加了纤维与抛光垫间的连接强度，降低了纤维从抛光垫表面脱落的可能性，因此减少了因纤维脱落而引起的划痕损伤缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例1中的抛光垫的结构示意图；

图2为本发明实施例2中的抛光垫的结构示意图；

图1、图2中标号：1-纳米纤维层，2-衬底层，3-压敏胶，4-子垫。

图3为本发明实施例3和对比例1中两种抛光垫的材料去除速率(MRR)对比图。

图4为本发明实施例3和对比例1中两种抛光垫抛光后的铜片表面粗糙度值(Ra)变化对比图。

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，但本发明的范围并不限于这些实施例。

实施例1

图1为本发明的化学机械抛光垫的一个具体实施例，选择常用的滤纸作为衬底层2，采用现有技术中静电纺丝的方法在衬底层2的表面制作一层纳米纤维层1，本实施例中该纳米纤维层材料选为聚偏二氟乙烯(PVDF)，纳米纤维层厚度为4μm，纤维平均直径为100nm，纤维长度为20cm。由纳米纤维层1和衬底层2构成了本发明实施例1中的抛光垫。

实施例2

图2为本发明的化学机械抛光垫的另一个具体实施例，选择罗门哈斯(Rohm& Haas，美国)的IC1000抛光垫作为子垫4，使用3M(3M，美国)的双面压敏胶带3将本发明实施例1中抛光垫(由纳米纤维层1和衬底层2构成)和子垫4连接在一起，构成本发明实施例2中的抛光垫。

实施例3

一种本发明抛光垫使用方法的具体实施例，使用本发明实施例2中制备的抛光垫(ESP抛光垫)，利用清华大学摩擦学国家重点实验室自制的化学机械抛光设备，配合富士美7105(Fujimi 7105，日本)铜用抛光液，对直径12.5mm的纯铜片进行抛光，工艺参数如下：

转速(头/盘)：300/50RPM

偏心距：9mm

压力：0.5psi

抛光液稀释比：1∶9

抛光液流速：60mL/min

抛光时间：5min

用被抛光材料铜片的材料去除速率MRR和抛光前后的粗糙度值Ra变化来评价本发明实施例2中所制备的抛光垫的性能。使用精度为0.01mg的赛多利斯(Sartorius，德国)ME235S电子天平测定抛光前后的铜片质量，来计算材料去除速率MRR，公式如下：

MRR = \frac{4 Δm}{πρ d^{2} t} \times 10^{9}

式中抛光速率MRR、被抛光材料的质量损失Δm、铜的密度ρ(此处取ρ＝8.96g/cm³)、铜片直径d和抛光时间t的单位分别为nm/min、g、g/cm³、mm和min。

使用维易科(Veeco，美国)公司的MicroXAM三维白光干涉表面形貌仪来测量铜片表面抛光前后的粗糙度Ra值变化。

材料去除速率结果如图3中所示，粗糙度Ra值变化如图4中所示。图3中材料去除速率MRR为5次抛光试验结果的平均值；图4中前面数字1，2，3，4，5表示铜片序号，后面英文字母B表示抛光前，A表面抛光后，如1-B表示1#铜片抛光前的粗糙度值。

对比例1

选用罗门哈斯(Rohm&Haas，美国)的IC1000抛光垫，抛光设备、抛光液、工艺参数设定和评定方法均与本发明实施例3相同。使用IC1000抛光垫时的材料去除速率和铜片粗糙度值变化分别如图3和图4所示。从两幅图的对比结果可以看出，在0.5psi的超低压力下，本发明实施例2中制备的抛光垫ESP与商用的IC1000抛光垫相比，被抛光材料铜片在抛光前后表面粗糙度值变化情况差别不大，但使用本发明的抛光垫可以获得更高的材料去除速率。若抛光工艺经过优化，使用本发明的抛光垫有望获得更好的抛光性能。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可以通过现有技术实现。

Claims

1.一种化学机械抛光方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)提供一种化学机械抛光垫，其中所述的抛光垫包括一层纳米纤维层(1)，纳米纤维层(1)底部还有衬底层(2)，衬底层(2)底部还通过压敏胶或粘结剂(3)粘结上子垫(4)；其中所述的纳米纤维层(1)为非织布结构，纤维层厚度为0.1μm-3cm，纳米纤维平均直径为1nm-1μm，长度＞1cm，纳米纤维轴向平行于抛光垫工作表面；

2)将抛光液施加到抛光垫工作表面或被抛光材料表面；

3)使抛光垫工作表面与被抛光材料表面接触，所述抛光垫与被抛光材料表面接触时施加的压力为0.1psi-2psi；

4)使抛光垫相对于被抛光材料运动，从被抛光材料表面去除一部分材料；

所述化学机械抛光方法还包括在抛光过程中或抛光后对抛光垫表面进行冲洗、刷洗或超声清洗的步骤，使其表面保持稳定的抛光能力；其中抛光液为有磨料的抛光液，在抛光液中除包括SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、MnO₂、MoO₃、Fe₂O₃中的一种或几种磨料外，还包括H₂O₂、Fe(NO₃)₃、K₂S₂O₈、KNO₃、KIO₃、KClO₃、K₂CO₃、K₃Fe(CN)₆、HNO₃、HCl、H₂SO₄、NaOH和去离子水中的一种或几种。