CN103153540B - 具有多模态孔径分布的抛光垫 - Google Patents

具有多模态孔径分布的抛光垫 Download PDF

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Abstract

本发明描述了具有多模态孔径分布的抛光垫。还描述了制作具有多模态孔径分布的抛光垫的方法。在一示例中，一种用于抛光半导体衬底的抛光垫包括均质抛光主体。该均质抛光主体包括热固性聚氨酯材料和设置在热固性聚氨酯材料中的多个封闭单元孔。多个封闭单元孔具有多模态直径分布。

Description

具有多模态孔径分布的抛光垫
对相关申请的交叉引用
本申请要求2010年10月15日提交的美国临时申请No.61/393,746的权益，由此该申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明的实施例属于化学机械抛光（CMP）、特别是具有多模态孔径分布的抛光垫的领域。
背景技术
化学-机械平面化或化学-机械抛光（通常简写为CMP）是一种在半导体制作中用于使半导体晶片或其它衬底平面化的技术。
该过程与直径典型地大于晶片的挡圈及抛光垫相结合地使用研磨和腐蚀性的化学浆体（通常称为胶体）。抛光垫和晶片由动态抛光头迫压在一起并由塑料挡圈保持在适当位置。在抛光期间动态抛光头旋转。该方法有助于材料的移除并趋于使任何不规则的形貌平坦，从而使晶片平直或平坦。该方法对于设置晶片以形成另外的电路元件可能是必要的。例如，可能需要该方法来使整个表面位于光刻系统的景深内，或基于其位置选择性地去除材料。对于最近的低于50纳米技术节点，典型的景深要求低至埃级。
材料去除的过程并非仅仅是像砂纸在木材上那样的研磨刮擦过程。浆体中的化学制品也与待去除的材料反应和/或弱化待去除的材料。磨料加速了该弱化过程并且抛光垫有助于从表面擦除反应后的材料。除在浆体技术中的进步外，抛光垫还对日益复杂的CMP操作起到重要作用。
然而，在CMP垫技术的进化中需要另外的改进。
发明内容
本发明的实施例包括具有多模态/多峰型孔径分布的抛光垫。
在一实施例中，一种用于抛光半导体衬底/基底的抛光垫包括均质抛光主体。该均质抛光主体包括热固性聚氨酯材料和设置在热固性聚氨酯材料中的多个封闭单元孔。所述多个封闭单元孔具有多模态直径分布。
在另一实施例中，一种制作用于抛光半导体衬底的抛光垫的方法包括在成型模中将预聚物/预聚合物与固化剂混合以形成混合物。使该混合物固化以提供模制的均质抛光主体，该均质抛光主体包括热固性聚氨酯材料和设置在该热固性聚氨酯材料中的多个封闭单元孔。多个封闭单元孔具有多模态直径分布。
附图说明
图1A针对传统抛光垫中的宽的单模态/单峰型孔径分布示出了根据孔径（作为孔径的函数）的布居数/占有数（population）曲线图。
图1B针对传统抛光垫中的窄的单模态孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图。
图2A示出了根据本发明一实施例的具有约1：1的双模态/双峰型封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。
图2B针对根据本发明一实施例的图2A的抛光垫中的窄孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图。
图2C针对根据本发明一实施例的图2A的抛光垫中的宽孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图。
图3A示出了根据本发明一实施例的具有约2：1的双模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。
图3B针对根据本发明一实施例的图3A的抛光垫中的孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图。
图4A示出了根据本发明一实施例的具有双模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图，其中大直径模式的最大居群/最大群组（max population） 的直径值约为小直径模式的最大居群的直径的四倍。
图4B针对根据本发明一实施例的图4A的抛光垫中的孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图。
图5A示出了根据本发明一实施例的具有三模态/三峰型封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。
图5B针对根据本发明一实施例的图5A的抛光垫中的孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图。
图6A示出了根据本发明一实施例的抛光垫的剖视图。
图6B示出了根据本发明一实施例的被修整成呈现双模态封闭单元孔分布的图6A的抛光垫的剖视图。
图6C示出了根据本发明一实施例的图6B的抛光垫的剖视图，该抛光垫具有增加至其表面的化学机械抛光浆体。
图6D示出了根据本发明一实施例的图6C的抛光垫的剖视图，示出了用于化学机械抛光浆体的流动路径。
图7A示出了根据本发明一实施例的具有分级的双模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。
图7B针对根据本发明一实施例的图7A的抛光垫中的孔径分布的第一部分示出了根据孔径的布居数曲线图。
图7C针对根据本发明一实施例的图7A的抛光垫中的孔径分布的第二部分示出了根据孔径的布居数曲线图。
图8A示出了根据本发明一实施例的抛光垫的剖视图。
图8B示出了根据本发明一实施例的具有分级的双模态封闭单元孔径分布的抛光垫的修整操作的剖视图。
图9A-9G示出了根据本发明一实施例的用于制作抛光垫的操作的剖视图。
图10示出了根据本发明一实施例的与具有多模态孔径分布的抛光垫兼容的抛光设备的等轴侧视图。
具体实施方式
本文中描述了具有多模态/多峰型孔径分布的抛光垫。在以下描述中，阐述了许多具体细节，诸如具体的抛光垫组合物和设计，以便提供对本发明的实施例的透彻理解。对本领域的技术人员来说将显而易见的是，本发明的实施例可在没有这些具体细节的情况下实施。在另一些情形中，未详细描述公知的加工技术，诸如与浆体和抛光垫组合以执行半导体衬底的CMP有关的细节，以便不会不必要地使本发明的实施例难以理解。此外，应理解的是，图中所示的各种实施例是说明性的表示且不一定按比例绘制。
本发明的实施例涉及抛光垫中的孔隙度/孔隙率，并且尤其涉及孔的尺寸和数量密度。抛光垫中的孔可设置成增加抛光垫的表面积，例如增加抛光垫保持浆体的能力。通常，对于封闭孔抛光垫而言，一般将孔描述为具有一尺寸，例如40微米直径的孔。事实上，孔是具有约40微米的平均或中位孔径的孔径分布，并且该分布近似于传统单模态/单峰型钟形曲线分布，如下文结合图1A和1B所述。
相比之下，本发明的实施例包括具有双模态/双峰型、三模态/三峰型等孔径分布的抛光垫。示例包括但不限于20微米与40微米孔、20微米与80微米孔、40微米与80微米孔以及三模态20、40和80微米孔的组合。抛光垫中包括这种类型的孔径分布的优点可包括以下优点中的一个或多个：（1）由于一定范围的孔径的更有效的组合而增加每单位面积的孔的总数的能力，（2）增加总孔面积的能力，（3）由于位于表面的孔的更大数量密度而改善了跨抛光垫的浆体分布，（4）由于在表面敞开的较大的孔与为了均匀度而设置的较小的孔径相结合，增加了可用于与晶片相互作用的浆体的体积，或（5）优化体（bulk）机械性能的能力。特别是在高化学驱动CMP过程的情形中和大（例如，300mm或450mm直径）晶片的情形中，可能重要的是在整个抛光过程中浆体总是位于晶片与抛光垫之间。这避免了可能限制抛光性能的浆体匮乏。为了解决该问题，本发明的实施例可允许晶片与抛光垫之间存在更大体积的浆体。
如上所述，抛光垫中的孔径分布通常具有贝尔曲线或单模态分布。例 如，图1A针对常规抛光垫中的单模态孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图（作为孔径的函数的布居数曲线图）100A。参照图1A，单模态分布可相对较宽。作为另一示例，图1B针对常规抛光垫中的窄单模态孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图100B。在窄分布或宽分布中，抛光垫中仅设有一个最大直径居群，例如在40微米的最大居群。
在本发明的一方面，抛光垫可改为制作成具有双模态孔径分布。作为示例，图2A示出了根据本发明一实施例的具有约1：1双模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。
参照图2A，用于抛光半导体衬底的抛光垫200包括均质抛光主体201。均质抛光主体201由热固性聚氨酯材料组成，其中在均质抛光主体201中设置多个封闭单元孔202。多个封闭单元孔202具有多模态直径分布。在一实施例中，多模态直径分布是包括小直径模式204和大直径模式206的双模态直径分布，如图2A所示。
在一实施例中，用于抛光半导体衬底的抛光垫200适合于抛光用于半导体制造行业中的衬底，例如具有设置在其上的器件或其它层的硅衬底。然而，用于抛光半导体衬底的抛光垫200可用于涉及其它有关衬底（比如但不限于用于MEMS器件或分划板的衬底）的化学机械抛光过程中。因此，对如本文中所用的“用于抛光半导体衬底的抛光垫”的提及旨在涵盖所有这些可能性。
在一实施例中，多个封闭单元孔202包括彼此离散的孔，如图2A所示。这与可通过孔道互相连接的开放单元孔（诸如对于同一块海绵中的孔而言的情形）相反。在一个实施例中，各封闭单元孔包括物理壳体/物质壳体，诸如如下文更详细地描述的致孔剂/致孔物（porogen）的壳体。然而，在另一实施例中，封闭单元孔的其中每一个都不包括物理壳体。在一实施例中，多个封闭单元孔202和因此多模态直径分布遍及均质抛光主体201的热固性聚氨酯材料基本均匀地分布。
如上所述，均质抛光主体201可由热固性封闭单元聚氨酯材料组成。在一实施例中，术语“均质”用来指出热固性封闭单元聚氨酯材料的组分遍 及抛光主体的整个组分是一致的。例如，在一实施例中，术语“均质的”不包括由例如浸渍毡或多层不同材料的组合物（复合材料）组成的抛光垫。在一实施例中，术语“热固性材料”用来指不可逆地固化的聚合材料，例如材料前体通过固化不可逆地变成难熔、不溶解的聚合物网络。例如，在一实施例中，术语“热固性材料”不包括由例如“热固性塑料”材料或“热塑性塑料”——这些材料由当加热时变成液体而当充分冷却时冻结为高玻璃态的聚合物组成——组成的抛光垫。应指出的是，由热固性材料制成的抛光垫典型地由在化学反应中反应而形成聚合物的较低分子量前体制成，而由热塑性材料制成的垫典型地通过加热预先存在的聚合物而导致相变以使得抛光垫在物理过程中形成而制成。在一实施例中，均质抛光主体201是压缩模制的均质抛光主体。术语“模制的”用来指出均质抛光主体在成型模中形成，如下文更详细地描述。在一实施例中，均质抛光主体201在修整和/或抛光时具有大致在1-5微米均方根的范围内的抛光表面粗糙度。在一个实施例中，均质抛光主体201在修整和/或抛光时具有约为2.35微米均方根的抛光表面粗糙度。在一实施例中，均质抛光主体201在25摄氏度下具有大致在30-120兆帕（MPa）的范围内的储能模量。在另一实施例中，均质抛光主体201在25摄氏度下具有大致小于30兆帕（MPa）的储能模量。
在一实施例中，如上文简略地提到，多个封闭单元孔202由致孔剂组成。在一个实施例中，术语“致孔剂”用来指具有“中空”中心的微米级或纳米级球形颗粒。中空中心未充填固体材料，而是可包括气态或液态芯部。在一个实施例中，多个封闭单元孔202由遍及均质抛光主体201（例如，作为其中的另一成分）分布的预膨胀和充气的EXPANCELTM组成。在一具体实施例中，EXPANCELTM充填有戊烷。在一实施例中，多个封闭单元孔202的其中每一个都具有大致在10-100范围内的直径。应理解，术语“球形”的使用不必局限于完美球形主体。例如，可考虑其它大致圆的主体，诸如但不限于杏仁形、卵形、不等边三角形、椭圆形、足球形，或者对于孔形状或致孔剂形状可考虑长圆形主体。在这些情形中，上述直径是这种主体的最大直径。
在一实施例中，均质抛光主体201是不透明的。在一个实施例中，术语“不透明”用来指允许约10%或以下的可见光通过的材料。在一个实施例中，均质抛光主体201大部分是不透明的，或完全由于包括遍及均质抛光主体201的均质热固性、封闭单元聚氨酯材料的浊化（opacifying）润滑剂/遮光润滑剂（例如，作为附加成分位于其中）而完全不透明。在一具体实施例中，浊化润滑剂是诸如但不限于以下材料的材料：氮化硼、氟化铈、石墨、氟化石墨、硫化钼、硫化铌、云母、硫化钽、二硫化钨或聚四氟乙烯/特氟纶。
均质抛光主体201的尺寸确定可根据应用而变化。不过，可使用某些参数来制造抛光垫，包括与常规加工设备或甚至与常规化学机械加工操作兼容的这种均质抛光主体。例如，根据本发明一实施例，均质抛光主体201具有大致在0.075英寸至0.130英寸的范围内、例如大致在1.9-3.3毫米的范围内的厚度。在一个实施例中，均质抛光主体201具有大致在20英寸至30.3英寸的范围内例如大致在50-77厘米的范围内并且可能大致在10英寸至42英寸的范围内例如大致在25-107厘米的范围内的直径。在一个实施例中，均质抛光主体201具有大致在6%-36%总空隙体积并且可能大致在18%-30%总空隙体积的范围内的孔（202）密度。在一个实施例中，均质抛光主体201由于包括多个孔20而如上所述具有封闭单元式的孔隙度。在一个实施例中，均质抛光主体201具有约2.5%的压缩率。在一个实施例中，均质抛光主体201具有大致在每立方厘米0.70-1.05克的范围内的密度。
在一实施例中，多个封闭单元孔202的双模态孔径分布可为约1：1，如图2A所示。为了更好地说明该概念，图2B针对根据本发明一实施例的图2A的抛光垫中的窄孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图220。图2C针对根据本发明一实施例的图2A的抛光垫中的宽孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图230。
参照图2A-2C，大直径模式206的最大居群的直径值约为小直径模式204的最大居群的直径值的两倍。例如，在一个实施例中，大直径模式206的最大居群的直径值是约40微米且小直径模式204的最大居群的直径值是 约20微米，如图2B和2C所示。作为另一示例，大直径模式206的最大居群的直径值约为80微米且小直径模式204的最大居群的直径值为大约40微米。
参照图2B的图示220，在一个实施例中，孔径的分布较窄。在一具体实施例中，大直径模式206的居群基本上不与小直径模式204的居群重叠。然而，参照图2C的图示230，在另一实施例中，孔径的分布较宽。在一具体实施例中，大直径模式206的居群与小直径模式204的居群重叠。
在本发明的另一方面，双模态孔径分布无需是如上文参照图2A-2C所述的1：1，。亦即，在一实施例中，大直径模式的总布居数不等于小直径模式的总布居数。作为示例，图3A示出了根据本发明一实施例的具有大约2：1双模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。图3B针对根据本发明一实施例的图3A的抛光垫中的孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图320。
参照图3A，用于抛光半导体衬底的抛光垫300包括均质抛光主体301。均质抛光主体301由热固性聚氨酯材料组成，其中多个封闭单元孔302设置在均质抛光主体301中。多个封闭单元孔302具有多模态直径分布。在一实施例中，多模态直径分布是包括小直径模式304和大直径模式306的双模态直径分布，如图3A所示。
参照图3A和3B，小直径模式304的总布居数约为大直径模式306的总布居数的两倍。亦即，与大封闭单元孔相比，存在数量约为两倍的小封闭单元孔。在一个实施例中，大直径模式306的最大居群的直径值约为小直径模式304的最大居群的直径值的两倍。例如，在一个实施例中，大直径模式的最大居群的直径值是约40微米且小直径模式的最大居群的直径值是约20微米，如图3B所示。应理解的是，可基于抛光垫300的期望特性来选择小直径模式304的总布居数与大直径模式306的总布居数的任何比率。
再参照图2A-2C，应理解的是，可基于抛光垫200的期望特性来选择大直径模式206的最大居群和小直径模式204的最大居群的任何直径值。 因此，大直径模式的最大居群的直径值并不限于为小直径模式的最大居群的两倍，如上文结合图2A-2C所述。作为示例，图4A示出了根据本发明一实施例的具有双模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图，其中大直径模式的最大居群的直径值为小直径模式的最大居群的直径的大致四倍。图4B针对根据本发明一实施例的图4A的抛光垫中的孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图420。
参照图4A，用于抛光半导体衬底的抛光垫400包括均质抛光主体401。均质抛光主体401由热固性聚氨酯材料组成，其中多个封闭单元孔402设置在均质抛光主体401中。多个封闭单元孔402具有多模态直径分布。在一实施例中，多模态直径分布是包括小直径模式404和大直径模式406的双模态直径分布，如图4A所示。
参照图4A和4B，大直径模式406的最大居群的直径值约为小直径模式404的最大居群的直径值的四倍。例如，在一个实施例中，大直径模式406的最大居群的直径值是约80微米且小直径模式404的最大居群的直径值是约20微米，如图4B所示。在一个实施例中，小直径模式404的总布居数约为大直径模式406的总布居数的八倍，也如图4B所示。
在本发明的另一方面，多模态孔径分布无需是双模态，如上文参照图2-4所述。作为示例，图5A示出了根据本发明一实施例的具有三模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。图5B针对根据本发明一实施例的图5A的抛光垫中的孔径分布示出了根据孔径的布居数曲线图520。
参照图5A，用于抛光半导体衬底的抛光垫500包括均质抛光主体501。均质抛光主体501由热固性聚氨酯材料组成，其中多个封闭单元孔502设置在均质抛光主体501中。多个封闭单元孔502具有多模态直径分布。在一实施例中，多模态直径分布是包括小直径模式504、大直径模式506和中等直径模式508的三模态直径分布，如图5A所示。
参照图5B，在一实施例中，大直径模式506的最大居群的直径值是约80微米，中等直径模式508的最大居群的直径值是约40微米，且小直径模式504的最大居群的直径值为约20微米。在一个实施例中，小直径模式 504的总布居数与中等直径模式508的总布居数大致相同，上述总布居数中的每一个约为大直径模式506的总布居数的两倍，也如图5B所示。应理解的是，可基于抛光垫500的期望特性来选择小、中等和大直径模式的最大居群的任何直径值以及小、中等和大直径模式的总布居数的任何比率。还应理解的是，本发明的实施例并不限于双模态和三模态分布，而是可包括超出参照图1A和1B所述的单模态分布的任何多模态分布。
在本发明的一方面，可选择不同孔径以提供抛光垫的期望功能。例如，图6A-6D示出了根据本发明一实施例的浆体与抛光垫的交互的各个阶段的剖视图。
参照图6A，抛光垫600包括由热固性聚氨酯材料组成的均质抛光主体，其中多个封闭单元孔设置在均质抛光主体中。多个封闭单元孔具有多模态直径分布。
参照图6B，抛光垫600被修整成呈现封闭单元孔602的双模态分布。例如，在一个实施例中，抛光垫600的顶面604被修整成提供粗糙化表面，其中一些封闭单元孔602与表面606相通。在一具体实施例中，通过使用金刚石梢端去除一部分抛光垫600来修整表面604。在一实施例中，修整露出双模态分布孔径的大直径孔610和小直径孔612两者，如图6B所示。
参照图6C，向抛光垫600的粗糙化或修整后的表面606增加化学机械抛光浆体614。根据本发明一实施例，在抛光过程中化学机械抛光浆体614基本上或完全充填开放的小直径孔612并至少部分地充填开放的大直径孔610，如图6C所示。然而，在一个实施例中，在整个抛光过程中，开放的小直径孔612的化学机械抛光浆体614在于工具处补充浆体前被消耗。
相反，参照图6D，大直径模式610的孔的最大居群的直径适于提供用于储存供小直径模式612的孔使用的抛光浆体614的储器。因此，提供了用于化学机械抛光浆体614的从开放的大孔610至开放的小直径孔612的流动路径650以在抛光表面处局部补充浆体614。此外，在一实施例中，小直径模式612的封闭单元孔的最大居群的直径适于为抛光垫的抛光表面提供高度均匀的抛光浆体分布660，如图6D所示。
在选择不同孔径以提供抛光垫的期望功能的不同孔径的另一示例中，在一实施例中，包括大孔径以协助使用金刚石梢端对抛光垫进行修正。在一个实施例中，再参照图6B，大直径模式610的封闭单元孔的最大居群的直径适合于提供在抛光垫600的修整期间接纳金刚石梢端的位置。同时，小直径模式612的封闭单元孔的最大居群的直径适于为抛光垫的抛光表面提供高度均匀的抛光浆体分布，如上文结合图6C和6D所示。
在选择不同孔径以提供抛光垫的期望功能的另一示例中，在一实施例中，小直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径在抛光过程中提供了不充分的热沉。也就是说，如果依靠它们自身，则小直径孔过小而不能吸纳抛光过程中的散热。然而，在本发明的双模态实施例中，大直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于在抛光过程中提供过剩热沉/过度热沉，否则将使抛光衬底表面处的温度过热。也就是说，如果依靠它们本身，则大直径孔将在抛光过程中吸纳过多散热，将使抛光衬底表面处的浆体的温度过冷。相反，在一个实施例中，小直径模式的封闭单元孔与大直径模式的封闭单元孔的组合适于在抛光过程中提供热稳定。也就是说，孔径混合的总体热沉能力为抛光衬底表面处的浆体提供了合适的温度。
在上文说明的实施例中，孔径的多模态直径分布遍及热固性聚氨酯材料基本上均匀地分布。在本发明的另一方面，孔径的多模态直径分布可以不遍及热固性聚氨酯材料基本上均匀地分布。例如，图7A示出了根据本发明一实施例的具有分级的双模态封闭单元孔分布的抛光垫的剖视图。
参照图7A，用于抛光半导体衬底的抛光垫700包括均质抛光主体701。均质抛光主体701由热固性聚氨酯材料组成，其中多个封闭单元孔702设置在均质抛光主体701中。多个封闭单元孔702具有分级多模态直径分布。在一实施例中，分级多模态直径分布是包括小直径模式704和大直径模式706的分级双模态直径分布，如图7A所示。均质抛光主体701还包括第一有槽表面770和与第一有槽表面770相对的第二平坦表面775。多模态直径分布以从第一有槽表面770至第二平坦表面775的梯度（780→790）遍及热固性聚氨酯材料分级。
图7B针对抛光垫700中的孔径分布的在区域780附近的第一部分示出了根据孔径的布居数曲线图700B，而图7C针对根据本发明一实施例的抛光垫700中的孔径分布的在区域790附近的第二部分示出了根据孔径的布居数曲线图700C。参照图7B，第一小直径模式705在第一有槽表面770附近是占优势的。参照图7C，第二大直径模式706在第二平坦表面775附近是占优势的。
结合图7A-7C所述的分级孔布置结构可用来便于垫700的一部分在用于抛光过程中前需要进行去除或粗糙化处理的修整过程。例如，图8A和8B示出了根据本发明一实施例的具有分级双模态封闭单元孔径分布的抛光垫的各种修整操作的剖视图。
参照图8A，抛光垫800包括由热固性聚氨酯材料组成的均质抛光主体，其中多个封闭单元孔设置在均质抛光主体中。多个封闭单元孔具有分级多模态直径分布。
参照图8B，抛光垫800被修整成呈现分级双模态封闭单元孔802分布。例如，在一个实施例中，抛光垫800的顶面804被修整成提供粗糙化表面806，其中一些封闭单元孔802与表面806相通。在一具体实施例中，通过使用金刚石梢端去除一部分抛光垫804来修整表面800。在一实施例中，修整仅基本上露出分级双模态孔径分布的小直径孔812，如图8B所示。接着，在抛光垫800的整个使用期间，分级双模态孔径分布的大直径孔810将最终开放。在一实施例中，这种分级布置结构可供用于较容易的切割或修整操作，以将抛光垫800的表面准备用于抛光衬底。在深入抛光垫800进行切割或修整操作之后，较大的孔提供了在抛光过程中保持更多浆体的机会。增加的浆体保持可在抛光过程中实现在抛光垫上使用降低的浆体流速。
在本发明的另一实施例中，具有多模态孔径分布的抛光垫还包括设置在抛光垫的均质抛光主体中并与其形成共价键的局部透明（LAT）区域。在又一实施例中，具有多模态孔径分布的抛光垫还包括供例如涡电流检测系统使用的检测区域。转让给NexPlanar Corporation的、2010年9月30 日提交的美国专利申请12/895,465中描述了合适的LAT区域和涡电流检测区域的示例。
在本发明的另一方面，具有多模态孔径分布的抛光垫可在模制过程中制作。例如，图9A-9G示出了根据本发明一实施例的用于制作抛光垫的操作的剖视图。
参照图9A，提供了成型模900。参照图9B，使预聚物902和固化剂904混合以在成型模900中形成混合物906，如图9C所示。在一实施例中，使预聚物902和固化剂904混合包括分别使异氰酸酯（isocyanate）和芳香族二胺（aromatic diamine）化合物混合。在一个实施例中，该混合还包括向预聚物902和固化剂904添加浊化润滑剂以最终能提供不透明的模制均质抛光主体。在一具体实施例中，浊化润滑剂是诸如但不限于以下材料的材料：氮化硼、氟化铈、石墨、氟化石墨、硫化钼、硫化铌、云母、硫化钽、二硫化钨或特氟纶。
在一实施例中，抛光垫前体混合物906用来最终形成由热固性、封闭单元聚氨酯材料组成的模制均匀抛光主体。在一个实施例中，抛光垫前体混合物906用来最终形成硬垫并且仅使用单一类型的固化剂。在一实施例中，抛光垫前体混合物906用来最终形成软垫并且使用主、次固化剂的组合。例如，在一具体实施例中，预聚物包括聚氨酯前体，主固化剂包括芳香族二胺化合物，且次固化剂包括醚键。在一特定实施例中，聚氨酯前体是异氰酸酯，主固化剂是芳香族二胺，且次固化剂是诸如但不限于聚丁二醇、氨基-官能化乙二醇或氨基-官能化聚氧丙烯的固化剂。在一实施例中，预聚物、主固化剂和次固化剂具有100份预聚物、85份主固化剂和15份次固化剂的近似摩尔比率。应理解的是，该比率的变化可用来为抛光垫提供不同的硬度值，或基于预聚物以及第一和第二固化剂的特定性质。
参照图9D，成型模900的盖908下降到混合物906中。在一实施例中，多个槽910形成在盖908中。多个槽用来在形成在成型模900中的抛光垫的抛光表面中压印槽图案。应理解的是，本文中所述的描述降下成型模的盖的实施例仅需实现成型模的盖和基部的合拢。也就是说，在一些实施例 中，成型模的基部朝成型模的盖上升，而在另一些实施例中，成型模的盖在基部朝盖上升的同时朝成型模的基部降下。
参照图9E，混合物900固化以在成型模900中提供模制的均匀抛光主体912。混合物900在压力下加热（例如，在盖908就位的情况下）以提供模制的均质抛光主体912。在一实施例中，成型模900中的加热包括在存在盖908的情况下至少部分地固化，盖908将混合物906在200-260华氏度的范围内的温度和在每平方英寸2-12磅的范围内的压力下封闭在成型模900中。
参照图9F和9G，抛光垫（或在需要进一步的固化的情况下抛光垫前体）与盖908分离并从成型模900被移除，以提供分散的模制均质抛光主体912。应注意的是，通过加热的进一步固化可能是理想的并且可通过将抛光垫置于炉中并加热来执行。因此，在一个实施例中，使混合物906固化包括首先在成型模900固化且接着在炉中进一步固化。无论哪种方式，最终都提供了抛光垫，其中抛光垫的模制均质抛光垫912具有抛光表面914和背面916。模制均质抛光主体912由热固性聚氨酯材料918和设置在热固性聚氨酯材料918中的多个封闭单元孔920组成。多个封闭单元孔920具有多模态直径分布，如上文例如结合图2A、3A、4A、5A和7A所述。
在一实施例中，再参照图9B，该混合还包括向预聚物902和固化剂904添加大量致孔剂922以提供封闭单元孔920。因此，在一个实施例中，每一个封闭单元孔都具有物理壳体。在另一实施例中，再参照图9B，该混合还包括向预聚物902和固化剂904中或向由它们形成的产品中注入气体924，以提供封闭单元孔920。因此，在一个实施例中，每一个封闭单元孔都不具有物理壳体。在一组合实施例中，该混合还包括向预聚物902和固化剂904提供大量致孔剂922，以提供第一部分的封闭单元孔920，该第一部分封闭单元孔中的每一者都具有物理壳体，并且还向预聚物902和固化剂904中或向由它们形成的产品中注入气体924，以提供第二部分的封闭单元孔920，该第二部分封闭单元孔中的每一者都不具有物理壳体。在又一实施例中，预聚物902是异氰酸酯且该混合还包括向预聚物902和固化 剂904添加水（H2O）以提供其中每一者都不具有物理壳体的封闭单元孔920。
在一实施例中，使混合物906固化包括遍及热固性聚氨酯材料918基本上均匀地分布封闭单元孔920的多模态直径分布。然而，在一备选实施例中，模制的均质抛光主体918还包括第一有槽的表面和与第一有槽表面相对的第二平坦表面，并且使混合物900固化包括遍及热固性聚氨酯材料以从第一有槽表面至第二平坦表面的梯度使封闭单元孔920的多模态直径分布分级。在一个这样的实施例中，分级的多模态直径分布是包括第一有槽表面附近的小直径模式和第二平坦表面附近的大直径模式的双模态直径分布。
本文中描述的抛光垫可适合于供各种化学机械抛光设备使用。作为示例，图10示出了根据本发明一实施例的与具有多模态孔径分布的抛光垫兼容的抛光设备的等轴侧视图。
参照图10，抛光设备1000包括压板1004。压板1004的顶面1002可用来支承具有多模态孔径分布的抛光垫。压板1004可构造成提供主轴旋转1006和滑块振动/振荡1008。样品托架1010用来在使用抛光垫对半导体晶片进行抛光的过程中将例如半导体晶片1011保持在适当位置。样品托架1010还由悬挂机构1012支承。包括浆体给料1014以用于在半导体晶片的抛光前和抛光过程中向抛光垫的表面提供浆体。还可设置修整单元1090，并且在一个实施例中，该修正单元1090包括用于修正抛光垫的金刚石梢端，如结合图6B和8B所述。
因此，已公开具有多模态孔径分布的抛光垫。根据本发明一实施例，用于抛光半导体衬底的抛光垫包括均质抛光主体。该均质抛光主体包括热固性聚氨酯材料。该均质抛光主体还包括设置在热固性聚氨酯材料中并具有多模态直径分布的多个封闭单元孔。在一个实施例中，各封闭单元孔由物理壳体组成。在一个实施例中，多模态直径分布是具有第一小直径模式和第二大直径模式的双模态直径分布。在一个实施例中，均质抛光主体是模制的均质抛光主体。

Claims (28)

1.一种用于抛光半导体衬底的抛光垫，所述抛光垫包括：
均质抛光主体，所述均质抛光主体包括：
热固性聚氨酯材料；以及
设置在所述热固性聚氨酯材料中的多个封闭单元孔，所述多个封闭单元孔具有多模态直径分布，
其中，所述多模态直径分布中的一部分或全部封闭单元孔中的每一者都包括不同于所述热固性聚氨酯材料的物理壳体，
其中，所述多模态直径分布是包括小直径模式和大直径模式的双模态直径分布，以及
其中，所述小直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于为所述抛光垫的抛光表面提供高度均匀的抛光浆体分布，并且所述大直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于提供用于储存供所述小直径模式的封闭单元孔使用的抛光浆体的储器。
2.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的最大居群的直径值为所述小直径模式的最大居群的直径值的两倍。
3.根据权利要求2所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的最大居群的直径值为40微米，且所述小直径模式的最大居群的直径值为20微米。
4.根据权利要求2所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的最大居群的直径值为80微米，且所述小直径模式的最大居群的直径值为40微米。
5.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的最大居群的直径值为所述小直径模式的最大居群的直径值的四倍。
6.根据权利要求5所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的最大居群的直径值为80微米，且所述小直径模式的最大居群的直径值为20微米。
7.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述小直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于为所述抛光垫的抛光表面提供高度均匀的抛光浆体分布，并且所述大直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于提供用 于在所述抛光垫的修整过程中接纳金刚石梢端的位置。
8.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述小直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径在抛光过程中提供不充分的热沉，所述大直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于在抛光过程中提供过度热沉，并且所述小直径模式的封闭单元孔和所述大直径模式的封闭单元孔的组合适于在所述抛光过程中提供热稳定。
9.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的居群与所述小直径模式的居群重叠。
10.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的居群与所述小直径模式的居群不重叠。
11.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的总布居数不等于所述小直径模式的总布居数。
12.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述大直径模式的总布居数等于所述小直径模式的总布居数。
13.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述多模态直径分布在整个所述热固性聚氨酯材料中均匀地分布。
14.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述均质抛光主体还包括：
第一有槽表面；以及
与第一有槽表面相对的第二平坦表面，其中，在整个所述热固性聚氨酯材料中所述多模态直径分布以从所述第一有槽表面至所述第二平坦表面的梯度分级。
15.根据权利要求14所述的抛光垫，其中，所述多模态直径分布是包括所述第一有槽表面附近的小直径模式和所述第二平坦表面附近的大直径模式的双模态直径分布。
16.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述均质抛光主体是模制的均质抛光主体。
17.根据权利要求1所述的抛光垫，其中，所述均质抛光主体还包括：
在整个所述均质抛光主体中均匀地分布的浊化润滑剂。
18.根据权利要求1所述的抛光垫，还包括：
设置在所述均质抛光主体中并与其共价结合的局部透明区域。
19.一种制作用于抛光半导体衬底的抛光垫的方法，所述方法包括：
使预聚物与固化剂在成型模中混合以形成混合物；以及
使所述混合物固化以提供包括热固性聚氨酯材料和设置在所述热固性聚氨酯材料中的多个封闭单元孔的模制的均质抛光主体，所述多个封闭单元孔具有多模态直径分布，其中，所述多模态直径分布中的一部分封闭单元孔或全部封闭单元孔中的每一者都包括不同于所述热固性聚氨酯材料的物理壳体，
其中，所述多模态直径分布是包括小直径模式和大直径模式的双模态直径分布，以及
其中，所述小直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于为所述抛光垫的抛光表面提供高度均匀的抛光浆体分布，并且所述大直径模式的封闭单元孔的最大居群的直径适于提供用于储存供所述小直径模式的封闭单元孔使用的抛光浆体的储器。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述混合包括向所述预聚物和所述固化剂添加多个致孔剂以提供所述多模态直径分布中的所述一部分封闭单元孔。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述混合还包括向所述预聚物和所述固化剂中或向由它们形成的产品中注入气体，以提供所述多模态直径分布中的另一部分封闭单元孔，其中所述另一部分封闭单元孔中的每一者都不具有物理壳体。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述预聚物是异氰酸酯，且所述混合还包括向所述预聚物和所述固化剂添加水以提供所述多模态直径分布中的另一部分封闭单元孔的，其中所述另一部分封闭单元孔中的每一者都不具有物理壳体。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，使所述混合物固化包括使所述多模态直径分布在整个所述热固性聚氨酯材料中均匀地分布。
24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述模制的均质抛光主体还包括第一有槽的表面和与第一有槽表面相对的第二平坦表面，并且使所述混合物固化包括在整个所述热固性聚氨酯材料中以从所述第一有槽表面至所述第二平坦表面的梯度使所述多模态直径分布分级。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述小直径模式在所述第一有槽表面附近，所述大直径模式在所述第二平坦表面附近。
26.根据权利要求19所述的方法，其中，使所述预聚物和所述固化剂混合包括分别使异氰酸酯和芳香族二胺化合物混合。
27.根据权利要求19所述的方法，其中，所述混合还包括向所述预聚物和所述固化剂添加浊化润滑剂以提供不透明的模制均质抛光主体。
28.根据权利要求19所述的方法，其中，使所述混合物固化包括首先在所述成型模中部分地固化、然后在炉中进一步固化。
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