CN102601747A - 一种研磨垫及其制备方法、使用方法 - Google Patents

Abstract

一种研磨垫，包括：基底和固结在所述基底上的若干分立的磨料块，所述磨料块具有至少两种高度。本发明利用具有至少两种高度的磨料块，使得研磨垫在研磨晶圆的过程中，不会因为长时间的研磨导致研磨速率大幅下降，从而使得晶圆的研磨程度易于精确控制，提高了晶圆研磨的效果及良率。本发明还提供一种制备所述研磨垫的方法，利用该方法可以方便地制备本发明的研磨垫。相应地，本发明还提供应用所述研磨垫进行研磨的使用方法。

Description

一种研磨垫及其制备方法、使用方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别是一种研磨垫及其制备方法、使用方法。

背景技术

在半导体制备工艺中，平整的晶圆表面对于器件的小型化和高密度化极其重要，传统平坦化晶圆表面的方法为化学机械研磨法(CMP)。该方法在晶圆表面与研磨垫之间加入研磨液，利用机械力的作用和研磨液与晶圆表面产生的化学反应，平坦化晶圆表面。由于在化学机械研磨法中研磨液随机分布，密度不均匀，研磨效果比较差，而且研磨液利用率低，研磨液废液容易污染环境，因此逐渐被固结磨料研磨法(Fixed Abrasive Polishing)取代。

固结磨料研磨法，是将磨料和研磨垫结合起来，形成表面具有规则凹凸形状的固结磨料研磨垫，如美国专利20020049027中所介绍的固结磨料研磨垫，然后将研磨垫放置在研磨台上，将晶圆放置在研磨垫的研磨面进行研磨。现有的固结磨料研磨法的研磨过程，如图1所示，输入滚筒1051和输出滚筒1052将研磨垫102输送到研磨台101上，并用研磨剂润湿研磨垫102表面；将晶圆103吸附固定在研磨头104上，并使其表面与研磨垫102表面相接触；启动动力驱动，研磨台101在轴承100的旋转带动下旋转，晶圆103也在旋转的研磨头104带动下旋转，其与研磨垫102作相对运动，使得晶圆103表面不断与研磨垫102表面摩擦而被研磨。

但是，在固结磨料研磨法中，随着研磨的进行，晶圆的研磨速率越来越慢，研磨速率变化很大。如图2所示，研磨速率从头60秒内的1050埃/分钟左右迅速下降到第180秒至第240秒间的190埃/分钟左右。由于研磨速率的下降快使得晶圆的研磨程度无法精确控制，导致晶圆的过研磨或研磨不够，引起晶圆报废。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种研磨垫及其制备方法、使用方法，解决现有研磨垫不能够保持均衡的晶圆研磨速率，易发生晶圆研磨不够或过研磨而导致晶圆报废的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种研磨垫，包括：基底和固结在所述基底上的若干分立的磨料块，所述磨料块具有至少两种高度。

优选的，所述磨料块高度为10～50微米。

优选的，所述任意两种高度的磨料块高度至少相差3～5微米。

优选的，所述磨料块高度为2～20种。

优选的，所述磨料块的宽度为50～200微米。

一种研磨垫的制备方法，包括：将磨料颗粒与有机聚合物混合形成混合物；将所述混合物涂布在基底上；用模具压制混合物，形成具有至少两种高度的磨料块，所述模具具有与所述磨料块相匹配的至少两种深度的凹印图案；将所述磨料块进行固结。

优选的，所述磨料颗粒为二氧化铈、二氧化硅、金刚石、氧化锆、氧化铝和氮化硅中的一种或多种。

优选的，所述磨料块的高度为2～20种。

优选的，所述磨料块高度为10～50微米。

优选的，所述磨料块由高到低或由低到高或高低间隔周期性排列在所述基底上。

优选的，所述任意两种高度的磨料块高度至少相差3～5微米。

一种应用所述的研磨垫进行研磨的方法，包括如下步骤：提供研磨垫，所述研磨垫上的磨料块具有至少两种高度；将晶圆放置在所述研磨垫上，加入研磨液，进行研磨。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的研磨垫，通过固结在基底上的具有至少两种高度的磨料块，使得研磨晶圆时，在最高高度的磨料块因研磨损耗而降低高度，引起研磨作用下降后，下一高度的磨料块能够补充研磨作用，从而稳定晶圆的研磨速率，易于精确控制晶圆的研磨程度，提高晶圆研磨效果及良率。

附图说明

图1是现有固结磨料研磨法的研磨装置示意图；

图2是现有固结磨料研磨法中研磨速率与研磨时间的关系图；

图3和图4是现有研磨垫研磨速率变化原因示意图；

图5和图6是本发明的研磨垫示意图；

图7至图10是本发明研磨垫的制备方法具体实施例示意图；

图11是使用本发明研磨垫进行研磨的具体实施例流程图；

图12是本发明研磨垫研磨过程的具体实施例示意图。

具体实施方式

如图3所示，发明人发现现有固结磨料研磨法中，研磨垫由基底和磨料层构成；所述磨料层固结在基底201上，由磨料颗粒与树脂胶粘剂混合压制形成具有特定形状的三维结构的磨料块202，其中磨料颗粒包裹在树脂胶粘剂中；所述磨料块202中所有磨料块是等高的，也即磨料块202只有一种高度。如图4所示，在研磨过程中，树脂胶粘剂2021在研磨液的作用下，发生溶解，使最上层的磨料颗粒2022露出，并与晶圆203表面接触，起到研磨晶圆203的作用；随着研磨的持续进行，树脂胶粘剂2021进一步溶解，最上层的磨料颗粒2022在研磨力的作用下逐渐脱离树脂胶粘剂2021游离出来，磨料块202的高度便降低。但是此时，包裹下一层磨料颗粒2022的树脂胶粘剂2021，由于浸泡时间不够，不能及时被溶解导致这一层的磨料颗粒2022未能全部露出，使得这一层的部分磨料颗粒2022起不到研磨作用，降低了晶圆的研磨速率，这种研磨速率的变化使得晶圆的研磨精度很难控制，从而导致晶圆研磨不够或过研磨，引起晶圆良率下降。

针对上述问题，发明人提出了一种解决方案，具体为：一种研磨垫，包括：基底和固结在所述基底上的磨料块阵列，所述磨料块阵列具有至少两种高度。

本发明的研磨垫，由于磨料块的磨料块具有至少两种高度，使得刚开始研磨晶圆时，第一高度的磨料块先起到研磨作用；当研磨进行一段时间后，先起到研磨作用的第一高度的磨料块高度降低，而由于磨料块下一层的磨料颗粒因树脂胶粘剂来不及溶解，第一高度的磨料块起到研磨作用逐渐降低；但此时，第二高度的磨料块因已在研磨液中浸泡一段时间了，因此磨料颗粒可以露出一部分起到研磨作用；如此一来，晶圆的整体研磨速率便不会下降，而是维持在比较稳定的水平，从而方便精确控制晶圆表面的研磨程度，保证研磨质量，提高晶圆良率。

下面结合附图对本发明的具体实施例作详细说明。

图5为本发明的研磨垫第一具体实施例示意图。如图5所示，研磨垫包含基底301和固结在基底301上的磨料块302，所述磨料块302具有两种高度，即第一高度h1的磨料块3021和第二高度h2的磨料块3022。所述第一高度h1高于第二高度h2为3～5微米，所述第一高度h1和第二高度h2为10～50微米，优选第一高度h1为30微米。所述第一高度h1和第二高度h2的磨料块302的宽度W为50～200微米，优选为100微米。

本实施例中，不同高度的磨料块302在基底301上可以是从高到低或从低到高或高低相间周期性排列，对于不同的排列顺序可以根据实际需要选择。

本实施例中，所述磨料块的宽度W是指磨料块剖面的平均宽度，例如圆柱形磨料块，其宽度为圆柱形的截面直径长度；而梯形台磨料块，其宽度则为梯形台剖面形成的梯形两腰中点的连线长度，棱锥形磨料块与其相似。所述磨料块的宽度W目的是保证足够的研磨速率，取值在50～200微米之间，优选为100微米。

本实施例中，所述磨料块的间距为50～400微米，优选200微米，其目的是保证化学溶液能够在磨料块之间充分流动。

本实施例中，基底301可以采用刚性基底，如有机玻璃PMMA板、聚氯乙烯PVC板、聚碳酸酯PC板或聚对苯二甲酸二乙酯PET板；基底301也可以是具有一定弹性的聚氨酯、聚烯烃、苯乙烯、聚酯、聚酰胺或黑阻尼布；基底301还可以采用刚性基底与弹性基底相结合形成的多层基底。

本实施例中，所述磨料块302是由磨料颗粒与树脂胶粘剂混合压制形成的，具有特定形状的三维规则形状。所述磨料颗粒为二氧化硅、二氧化铈、三氧化二铝、碳化硅、碳化硼、氧化锆、金刚石等颗粒中的一种或多种，优选二氧化铈磨料颗粒；所述磨料颗粒的粒径在50～1000纳米。所述树脂胶粘剂包括酚醛树脂、脲甲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、丙烯酸聚氨酯、丙烯酸环氧树脂、烯键式不饱和化合物、乙烯基醚、环氧树脂等有机树脂中的一种或多种。所述磨料块302的形状有圆柱形、半球形、棱锥形、梯形台等形状，优选梯形台形状，其横截面积从基底沿其高度逐渐递减。所述磨料块302规则固结在所述基底301上，形成规则的阵列形貌。

上述磨料颗粒与树脂胶粘剂按一定比例混合后，均匀涂布在基底301上，用具有相应图案的模具压制形成具有特定形状的磨料块302阵列，然后通过热能或辐射能使其固化。所述磨料颗粒与树脂胶粘剂的混合比例，根据通用的配比即可，比如磨料颗粒与树脂胶粘剂的重量百分比为1∶2。视具体情况，可以在磨料颗粒与树脂胶粘剂混合物种加入固化剂、引发剂或催化剂来加速磨料颗粒与树脂胶粘剂混合物的固化作用。

为了进一步提高磨料颗粒与树脂胶粘剂的混合效果，可以对磨料颗粒进行表面改性。因为磨料颗粒为无机材料，大部分表面为亲水性，与有机聚合物不相容；因此，会造成磨料颗粒在树脂胶粘剂中分布不均及磨料颗粒与树脂胶粘剂结合力低下。对磨料颗粒进行表面改性可以采用机械化学改性法，比如高能球磨、搅拌磨、高速剪切或高频超声等。经过改性的磨料颗粒露出新鲜表面，由于新鲜表面上含有大量的悬挂键，加上改性过程中的局部高温，磨料颗粒与表面改性剂会产生化学反应，从而实现磨料颗粒的表面特性改变。

图6为本发明的研磨垫第二具体实施例示意图。如图6所示，研磨垫包含基底301和固结在基底301上的磨料块302；所述磨料块302超过两种高度：第一高度h1、第二高度h2、......、第n高度hn(n为3至20的自然数)；所述磨料块302的高度hn介于10～50微米之间，任意两种高度的磨料块302高度至少相差3～5微米，即hn与hi(i不等于n，且i为3至20的自然数)的差的绝对值为3～5微米；所述磨料块302的磨料块宽度W为50～200微米。

本实施例中，基底301选用材料如第一实施例所述；磨料块302的材料、形状，以及磨料颗粒、树脂胶粘剂的选择如第一实施例所述，这里不再赘述。

本实施例中，磨料块302具有超过两种的高度，换句话说，所述磨料块302包含有第一高度h1、第二高度h2、......、第n高度hn(n为3至20的自然数)的磨料块302；所述磨料块302的高度为10～50微米；所述不同种高度的磨料块302的高度至少相差3～5微米，也即相邻高度的磨料块302高度相差3～5微米；所述磨料块302按从高到低或从低到高或高低间隔的顺序周期性分布在基底301上，形成规则的阵列形貌。

本实施例中，磨料块302的磨料块宽度W为50～200微米。所述磨料块宽度W是指磨料块剖面的平均宽度，例如圆柱形磨料块，其宽度为圆柱形的截面直径长度；而梯形台磨料块，其宽度则为梯形台剖面形成的梯形两腰中点的连线长度，棱锥形磨料块与其相似。所述磨料块302的宽度W目的是保证足够的研磨速率，取值在50～200微米之间，优选为100微米。

本实施例中，所述磨料块302的间距为50～400微米，优选200微米，其目的是保证化学溶液能够在磨料块之间充分流动。

本发明的研磨垫，由于磨料块阵列的磨料块具有集中至少两种高度，使得刚开始研磨晶圆，第一高度的磨料块阵列先起到研磨作用；当研磨进行一段时间后，先起到研磨作用的磨料块阵列高度降低，而磨料块下部的磨料颗粒因树脂胶粘剂来不及溶解，不能起到研磨作用；但此时，第二高度的磨料块阵列因已在研磨液中浸泡一段时间了，因此磨料颗粒可以露出一部分起到研磨作用；如此一来，则晶圆的研磨速率不会下降，而是维持在比较稳定的水平，从而方便精确控制晶圆表面的研磨程度，保证研磨质量，提高晶圆良率。

图7至图10为本发明提供的研磨垫制备方法具体实施例示意图。如图7所示，提供基底301，并在基底301上均匀涂布磨料颗粒与树脂胶粘剂的混合物3021。

本实施例中，所述基底301为刚性基底或弹性基底，如有机玻璃PMMA板、聚氯乙烯PVC板、聚碳酸酯PC板或聚对苯二甲酸二乙酯PET板或聚氨酯、聚烯烃、苯乙烯、聚酯、聚酰胺或黑阻尼布；所述基底301还可以采用刚性基底与弹性基底相结合形成的多层基底。

本实施例中，所述磨料颗粒为二氧化硅、二氧化铈、三氧化二铝、碳化硅、碳化硼、氧化锆、金刚石等颗粒中的一种或多种，优选二氧化铈磨料颗粒；所述磨料颗粒的粒径在50～1000纳米，优选500纳米。为了与树脂胶粘剂更好地混合，所述磨料颗粒可以通过机械化学改性法，使其形成亲油性表面。所述机械化学改性法可以是高能球磨、搅拌磨、高速剪切或高频超声等。经过改性的磨料颗粒露出新鲜表面，由于新鲜表面上含有大量的悬挂键，加上改性过程中的局部高温，磨料颗粒与表面改性剂会产生化学反应，从而实现磨料颗粒的表面特性改变，使其易与树脂胶粘剂融合。

所述树脂胶粘剂包括酚醛树脂、脲甲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、丙烯酸聚氨酯、丙烯酸环氧树脂、烯键式不饱和化合物、乙烯基醚、环氧树脂等有机树脂中的一种或多种。所述磨料颗粒与树脂胶粘剂的混合比例，根据通用的配比即可，比如磨料颗粒与树脂胶粘剂的重量百分比为1∶2。根据实际情况，所述混合物3021还可以加入固化剂、引发剂或催化剂，以增强磨料块阵列的成型效果。

如图8所示，将表面具有磨料块图案401的模辊400沿顺时针方向滚动，不断压过研磨垫上的磨料颗粒与树脂胶粘剂的混合物3021，形成规则的磨料块302阵列。所述磨料块图案401为圆柱形、半球形、棱锥形、梯形台等凹印，优选梯形台，其截面积沿其深度方向逐渐递减，便于模辊400压制后脱模；所述磨料块图案401决定了最后形成的磨料块302阵列形貌。

如图9所示，模辊400表面上的磨料块图案401具有至少两种不同深度的规则凹印，以使模辊压过以后，在磨料与树脂胶粘剂的混合物3021上形成至少具有两种相应高度的磨料块。

本实施例中，所述模辊400表面可以涂有脱模涂层，以使压制过程中，混合物3021更容易脱离模辊400。根据模辊400材料，所述脱模涂层可以是硬质碳化物、氮化物、硼化物涂层或硅树脂、含氟化合物。

如图10所示，用能量源处理压制好的磨料块302，使其固化并粘结在基底301上。所述能量源包括热能和辐射能，例如电子束、紫外光等，通过热能处理或辐射能照射，使混合物3021中的树脂胶粘剂发生化学反应，固化定型并粘结在基底301上。所述定型的磨料块302具有至少两种高度，即第一高度h1、第二高度h2、......、第n高度hn(n为2至20的自然数)。

本实施例中，形成的磨料块302中每个磨料块302的底部可以互相连接也可以是独立粘结在基底301上的；优选磨料块底部互相连接的磨料块阵列302，因底部相互连接，可以增强磨料块302对基底301的附着力，使得使用所述研磨垫研磨晶圆的过程中，磨料块不会脱落，提高研磨效果。

本发明还提供本发明所述研磨垫的使用方法。所述使用方法，具体为，如图10所示：步骤S11，提供本发明的研磨垫，将所述研磨垫放置于研磨台上；步骤S12，将晶圆放置在所述研磨垫上，加入研磨液，进行研磨。

下面结合附图对应用本发明所述研磨垫进行研磨的方法进行详细说明。

步骤S11，提供研磨垫，所述研磨垫上的磨料块具有至少两种高度。

本实施例中，所述研磨垫表面的磨料块具有至少两种高度，参考图6，所述磨料块302包含有第一高度h1、第二高度h2、......、第n高度hn(n为2至20的自然数)的磨料块302；所述磨料块302的高度为10～50微米；所述任意两种磨料块302的高度相差至少为3～5微米，也即相邻高度的磨料块302高度相差3～5微米；所述磨料块302可以是从高到低或从低到高或高低相间周期性排列，形成具有不同高度的磨料块302的规则形貌。

本实施例中，参考图1，所述研磨垫102通过输入滚筒1051和输出滚筒1052将研磨垫102输送到研磨台101上。

步骤S12，将晶圆放置在所述研磨垫上，加入研磨液，进行研磨。

本实施例中，由于所述研磨垫表面的磨料块具有至少两种高度，因此，可以在研磨过程中，维持稳定的晶圆研磨速率。如图12所示，现以具有两种高度磨料块的研磨垫为例，说明所述研磨垫研磨晶圆的过程。所述研磨垫具有第一高度h1的磨料块A和第二高度h2的磨料块B。利用所述研磨垫研磨晶圆203时，首先是第一高度h1，也即最高高度的磨料块A与晶圆203表面相接触；由于第一高度h1的磨料块A顶部的树脂胶粘剂2021被研磨液溶解，露出研磨颗粒2022，起到研磨晶圆203表面的作用；当研磨进行一段时间后，第一高度h1的磨料块A在研磨力作用下，磨料颗粒2022的不断游离出来，使得磨料块A的高度逐渐降低；当下将到一定高度时，由于下层的树脂胶粘剂2021来不及溶解，无法让磨料颗粒2022露出，使得第一高度h1磨料块A的研磨作用大大下降。

当第一高度h1的磨料块A研磨作用减弱时，第二高度h2的磨料块B由于已在研磨液中浸泡一段时间了，其顶部的树脂胶粘剂2021已溶解，露出了磨料颗粒2022，使得第二高度h2的磨料块B能够起到对晶圆203表面的研磨作用，从而维持晶圆203研磨速率的稳定性。

本发明形成的研磨垫，可以在研磨晶圆时，保证稳定的研磨垫上磨料块阵列的研磨作用，从而使得晶圆的研磨速率不会随着研磨时间的延长而下降，而是维持在比较稳定的水平，从而方便精确控制晶圆表面的研磨程度，保证研磨质量，提高晶圆良率。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动和修改，因此本发明的保护范围应当以权力要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种研磨垫，包括：基底和固结在所述基底上的若干分立的磨料块，其特征在于，所述磨料块具有至少两种高度。

2.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述磨料块高度为10～50微米。

3.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述任意两种高度的磨料块高度至少相差3～5微米。

4.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述磨料块高度为2～20种。

5.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述磨料块的宽度为50～200微米。

6.一种研磨垫的制备方法，包括：

将磨料颗粒与有机聚合物混合形成混合物；

将所述混合物涂布在基底上；

用模具压制混合物，形成具有至少两种高度的磨料块，所述模具具有与所述磨料块相匹配的至少两种深度的凹印图案；

将所述磨料块进行固结。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磨料颗粒为二氧化铈、二氧化硅、金刚石、氧化锆、氧化铝和氮化硅中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磨料块的高度为2～20种。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磨料块高度为10～50微米。

10.根据权利要求6所述的研磨垫，其特征在于，所述磨料块由高到低或由低到高或高低间隔周期性排列在所述基底上。

11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述任意两种高度的磨料块高度至少相差3～5微米。

12.一种应用权利要求1所述的研磨垫进行研磨的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供研磨垫，所述研磨垫上的磨料块具有至少两种高度；

将晶圆放置在所述研磨垫上，加入研磨液，进行研磨。

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