CN103252729A - 抛光垫及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供抛光垫及其制造方法，所述方法包括：(a)混合用于形成抛光层的材料；(b)将能够控制孔隙的尺寸的惰性气体、胶囊型发泡剂、化学发泡剂和液体微单元中的至少两种与(a)中的混合物混合，从而形成两种以上的孔隙；(c)对(b)中产生的混合物进行胶凝和硬化，从而形成包含所述两种以上的孔隙的抛光层；和(d)加工所述抛光层以使通过开放所述两种以上的孔隙而界定的微孔分布在所述抛光层的表面上。

Description

抛光垫及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种抛光垫及其制造方法，更具体而言，涉及使得可以有效地收集和供给抛光浆液的抛光垫以及制造该抛光垫的方法。
背景技术
化学机械平坦化/抛光(CMP)工艺已用于半导体器件的整体平坦化中，而且伴随晶片直径增加、高集成密度、微小线宽和多层布线结构的趋势，CMP变得非常重要。
在CMP工艺中，抛光速度和晶片的平整度非常重要，而这种CMP工艺的性能则取决于CMP设备的状况和作为耗材的抛光浆液和抛光垫的性能。特别是，抛光垫使得在抛光垫与晶片表面接触的状态下所供给的抛光浆液均匀地分散在晶片上，从而由抛光浆液中所含的磨料颗粒与抛光垫的凸起产生物理摩擦。
在此情况下，与晶片直接接触的抛光垫的表面需要布满抛光浆液，以使得抛光浆液平滑流动。为此目的，美国专利第5,578,362号等中公开了用于在抛光垫表面形成微小孔洞(例如，孔隙)的技术。
如此，极其重要的是保持抛光垫表面布满抛光浆液以增强抛光垫在CMP工艺中的作用和性能。因此，在抛光垫中形成各种形状的沟槽以形成较大的浆液流，并且如上所述通过开放微孔材料而在抛光垫表面形成微小孔洞。
其中，已开发出形成具有各种样式的沟槽的技术；但是，涉及用于形成微小孔洞的多个孔隙的技术却受限于限制性使用形成预定孔隙的方法。
也就是说，现有技术中形成多个孔隙的方法具有优点和缺点。实际上，CMP工艺是在考虑这些优点和缺点的基础上通过进行调整来使用的。
然而，由于半导体工艺需要更加微小化和更加精细化，所以CMP工艺也需要改进的形成多个孔隙的技术以满足需求。
发明内容
本发明提供一种抛光垫及其制造方法，该抛光垫在进行化学机械平坦化/抛光(CMP)工艺时可以通过收集并使用抛光浆液而使抛光性能和平坦化性能最大化。
根据本发明的一个方面，提供了一种抛光垫，所述抛光垫通过在与待抛光物体的表面接触的情况下移动来进行抛光过程，所述抛光垫包括抛光层，其中，所述抛光层包含两种以上的孔隙，所述孔隙的尺寸通过使用惰性气体、胶囊型发泡剂、化学发泡剂和液体微单元中的至少两种来控制，并且，通过开放所述两种以上的孔隙而界定的微孔分布在所述抛光层的表面上。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造抛光垫的方法，所述方法包括：(a)混合用于形成抛光层的材料；(b)将能够控制孔隙尺寸的惰性气体、胶囊型发泡剂、化学发泡剂和液体微单元中的至少两种与(a)中的混合物混合，从而形成两种以上的孔隙；(c)对(b)中产生的混合物进行胶凝和硬化，从而形成包含所述两种以上的孔隙的抛光层；和(d)加工所述抛光层以使通过开放所述两种以上的孔隙而界定的微孔分布在所述抛光层的表面上。
附图说明
通过参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述，本发明的上述和其他的特征和优点将变得更加明显，在附图中：
图1是本发明的实施方式的抛光垫的截面图；
图2是图1所示的抛光垫的抛光层的横截面的放大的扫描电镜(SEM)照片；
图3是采用图1的抛光垫的抛光装置的示意图；
图4是阐述制造本发明的实施方式的抛光垫的抛光层的方法的流程图；
图5和图6是按照本发明的实施方式在抛光层的表面中形成的孔隙（包括用惰性气体形成的孔隙和用液体微单元形成的孔隙）的SEM照片；和
图7图示了对用本发明的方法形成的抛光垫(实验例2和3)的抛光效率和按照现有技术形成的抛光垫的抛光效率进行的比较。
具体实施方式
本文所用的术语“和/或”包括相关的所列项目中的一种或多种的任意组合和全部组合。
现将参照显示本发明的示例性实施方式的附图来更全面地描述本发明。
图1是本发明的实施方式的抛光垫100的截面图；图2是图1所示的抛光垫100的抛光层120的横截面的放大的扫描电镜(SEM)照片；图3是采用图1的抛光垫100的抛光装置1的示意图。
参见图1，本发明的该实施方式的抛光垫100包括支持层110和抛光层120。如图3所示，支持层110用来将抛光垫100固定至台板3上。支持层110由具有稳定性的材料制成，以符合于压迫硅晶片7(即，待抛光物体)的力，硅晶片7装载在压头5处并面向台板3，从而使得支持层110支撑形成在支持层110上的抛光层120，并且相对于硅晶片7具有均匀的弹性。因此，支持层110主要由无孔、固态、均匀的弹性材料制成，并且其硬度低于形成在支持层110上的抛光层120。
此外，支持层110的至少一部分是透明或半透明的，从而使用来检测待抛光物体的表面平整度的光束170能够透过支持层110。在图3中，待抛光物体是具有金属层或绝缘层作为待抛光的层的硅晶片7。不过，待抛光物体可以是各种类型的基板，例如其上形成有薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)的基板、玻璃基板、陶瓷基板和聚合物塑料基板。此外，可以制成不包括支持层110的抛光垫100。
另外，虽然如图3所示抛光垫100具有适用于旋转型抛光装置1的圆形形状，但是可以根据抛光装置1的形状将抛光垫100修改为各种形状，例如矩形和正方形等。
如图3所示，抛光层120与作为待抛光物体的硅晶片7直接接触。抛光层120可以通过混合或化学方式组合用于形成抛光层的预定材料来形成。即，构成抛光层120的聚合物基质130由各种公知成分组成，将略去对公知材料和构成材料的描述。
抛光层120可以包含两种以上的多个孔隙。两种以上的多个孔隙的尺寸利用选自由惰性气体、胶囊型发泡剂、化学发泡剂和液体微单元组成的组中的至少两种来控制。
也就是说，凭借形成孔隙的方法，可以使孔隙的类型彼此区分开。本发明的抛光层120含有选自由利用惰性气体形成的孔隙、利用胶囊型发泡剂形成的孔隙、利用化学发泡剂形成的孔隙和利用液体微单元形成的孔隙组成的组中的至少两种孔隙。
此处，孔隙按其类型可以形成为使其尺寸彼此区分开；不过，本发明的方面并不限于此。
在下文中，作为本发明的实例，设定：在抛光层120中形成两种类型的多个孔隙，即，多个第一孔隙和多个第二孔隙；具体而言，其中用液体微单元形成所述多个第一孔隙，利用惰性气体形成所述多个第二孔隙。
如此，当抛光层120中含有用液体微单元形成的多个第一孔隙时，通过混合上述用于形成抛光层的材料而形成的材料可以是包含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质(下文中称为“含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质”)130。
即，抛光层120可以含有由包埋的液体微单元形成的多个第一孔隙141和作为包含包埋的惰性气体的气体孔隙的多个第二孔隙142，这些孔隙均匀地分布在含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130的预定区域中。
以此方式包含在抛光层120中的多个第一孔隙(液体微单元孔隙)141和多个第二孔隙(气体孔隙)142的实例如图2所示。
由多个第一孔隙141和多个第二孔隙142界定的具有开放的微结构的多个微孔141'和142'均匀地排布在与硅晶片7直接接触的抛光层表面160上。
此处，由多个第一孔隙141和多个第二孔隙142界定的具有开放的微结构的多个微孔141'和142'是指：当包埋在抛光层120中的液体微单元或惰性气体泄漏到外界时，包含所述液体微单元或惰性气体的区域从微孔141'和142'处得以保留，从而能够将来自外界的预定物质收集到这些区域中。
在抛光过程中，随着抛光垫100的磨耗，包埋的多个第一孔隙141和第二孔隙142持续地暴露在抛光层表面160并形成微孔141'和142'，随后微孔141'和142'被抛光浆液13置换。因此，由于在抛光层表面160上仅存在聚合物基质130，不会出现抛光垫100的不均匀磨耗，而作为待抛光物体的硅晶片7可以得到均匀的抛光。
含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130可以由不溶于抛光浆液13(作为用于平坦化的化学溶液)的材料构成。例如，如图3所示，含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130由通过抛光装置1的喷嘴11供给的抛光浆液13不能渗入其中的材料形成。
含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130可以通过化学组合或物理混合聚合物基质形成用材料、亲水性材料和聚亚烷基二醇化合物来形成。
此处，由聚合物基质形成用材料形成的聚合物基质130可以由选自由聚氨酯、聚醚、聚酯、聚砜、聚丙烯酸类、聚碳酸酯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯亚胺、聚醚砜、聚醚亚胺、聚酮、三聚氰胺、尼龙、氟化烃或其组合组成的组中的一种材料构成。
含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130通过将亲水性材料和聚亚烷基二醇化合物与聚合物基质130化学组合或物理混合来形成。
所述亲水性材料可以是选自由聚乙二醇、聚乙丙二醇、聚氧乙烯烷基苯酚醚、聚氧乙烯烷基醚、聚乙二醇脂肪酸酯、聚氧乙烯烷基胺醚、甘油脂肪酸酯、糖脂肪酸酯、山梨糖醇脂肪酸酯或其组合组成的组中的一种材料。
聚亚烷基二醇化合物可以是选自由氧化烯加成到含有水或活性氢的化合物中而得到的化合物或其组合组成的组中的一种。
上述用于形成抛光层120的材料可以包含除上述材料以外的各种材料。
形成第一孔隙141的包埋的液体微单元由与含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130不相容的液体材料（即，选自由脂肪族矿物油、芳香族矿物油、在分子末端不具有羟基的硅油、大豆油、椰子油、棕榈油、棉籽油、山茶油、硬化油或其组合组成的组中的材料）形成。
由包埋的液体微单元形成的第一孔隙141可以以微球体形状分散在含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130中。球体的平均直径可以为1～30μm，例如2～10μm。在上述范围内的球体直径对于收集和供给抛光浆液13而言是最适宜的。不过，可以根据抛光浆液13的类型而改变球体的直径，还可以改变所包埋的液体微单元141的尺寸。
通过改变含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130的亲水性程度，可以对由包埋的液体微单元形成的第一孔隙141的形状(即，球体的平均直径和浓度)容易地进行各种调整。
此外，利用每100重量份的聚合物基质形成用材料所对应的液体材料的重量份数，可以对由包埋的液体微单元形成的第一孔隙141的形状容易地进行各种调整。例如，使用基于100重量份的聚合物基质形成用材料（即，基于100重量份聚氨酯）为20～50重量份、更优选30～40重量份，从而利用所需形状的包埋的液体微单元来形成第一孔隙141。
利用含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130的亲水性程度和/或液体材料的量，可以对由包埋的液体微单元形成的第一孔隙141和由所述第一孔隙141界定的微孔141'的尺寸和浓度进行各种调整。因此，根据待抛光物体的类型和/或抛光浆液13的类型，可以制造出具有各种抛光性能的抛光垫100。
第二孔隙142通过注入惰性气体、胶囊型发泡剂或化学发泡剂来形成。
此处，所述惰性气体可以是化学稳定的0价气体，即，氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)或氡(Rn)。此外，除了周期表中的8族元素以外，所述惰性气体可以是不与聚合物基质反应(即，不参与氨基甲酸酯反应)的任何气体，例如N2。
与预定的材料混合并通过热蒸发或热反应而产生大量气泡的发泡剂可以大体分为化学发泡剂和物理发泡剂。
在化学发泡剂中，发泡以二氧化碳方式产生，二氧化碳通过利用异氰酸酯基的活力与水发生反应而产生，因此将水用于发泡剂。在物理发泡剂中，通过注入气体或使用可分解或蒸发的发泡剂来产生反应热而形成气泡，因此，物理发泡剂不参与聚合物反应。这些发泡剂的类型和特征已经是公知的，因此将略去对其的详细描述。
第二孔隙142通过混合惰性气体或各种发泡剂(胶囊型发泡剂或化学发泡剂)而形成在抛光层120上。第二孔隙142的半径可以大于第一孔隙141的半径。优选的是，第二孔隙142在形成后其体积相当于第一孔隙141的体积的10倍。
下文中，将参照附图4来描述制造本发明的实施方式的抛光垫100的抛光层120的方法。
首先，混合用于形成抛光层120的材料(S100)。具体而言，可以将用于形成含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130的上述材料与用于形成抛光层120的材料混合(S100)。
此处，通过使亲水性材料和聚亚烷基二醇化合物与聚合物基质形成用材料混合或反应来产生用于形成含聚亚烷基二醇的亲水聚合物基质130的材料。所述混合或反应可以通过搅拌来进行。
在混合过程中，将液体材料(例如矿物油)与聚合物基质形成用材料混合在一起。在此情况下，可以注入惰性气体(或替代惰性气体的预定发泡剂)，例如Ar。
可以根据将要形成的不同类型的孔隙的尺寸来调整所混合的液体材料和惰性气体的量。
接下来，进行胶凝和硬化(S110)。即，将混合物注入具有预定形状的铸模中，随后通过胶凝和硬化来使之固化。胶凝于80～90℃进行5～30分钟，硬化于80～120℃进行20～24小时。不过，可以对处理温度和处理时间进行各种改变来提供最佳条件。
最后，对所得到的硬化、具有预定形状的结构体进行加工(S120)。通过进行脱模、切割、表面处理和清洁来对所得到的结构体进行加工。首先，将硬化的所得到的结构体取出铸模，并将其切割至预定的厚度和形状。显然，为了提高生产率，可以使用聚合物片材制造领域中已知的任何方法(例如铸造或挤出)使抛光层120形成为片状。可以在抛光层120的表面中形成各种形状的沟槽，从而能够在抛光层120的整个工作表面上均匀地供给抛光浆液13。
在进行清洁过程后，抛光层120得以完成。在清洁过程中，暴露在抛光层120表面的包埋的液体微单元141流出，由此使开放的微孔141'分布在抛光层表面160上。此处，可以使用液体清洁剂来将所包埋的液体微单元141从抛光层表面160除去。
抛光垫100可以仅由抛光层120构成。然而，在必要时，可以使用抛光垫100制造领域中公知的方法来制造支持层110，并将其与抛光层120组合来完成抛光垫100。
本发明的更多细节将通过说明具体实验例来描述。略去未说明的细节是由于它们能够由本领域的技术人员从技术上推出。显然，本发明的范围并不限于以下实验例。
<实验例1>
将50kg聚丁二醇(分子量为1000)、50kg聚乙二醇(分子量为1000)和52kg甲苯二异氰酸酯放入200kg反应器中，使其在70～80℃下相互反应4～5小时，以使最终产物的NCO含量为11.0%。所制得的异氰酸酯预聚物的粘度为6900cPs(25℃)。
<实验例2>
使100kg实验例1中制得的异氰酸酯预聚物、46kg矿物油(下文中称为KF-70)(由Seojin Chemical Co.,Ltd.制造)和33kg MOCA以5000rpm经过混料头，之后使用熔铸机将其排出。在此情况中，以10%的体积比将惰性气体(即Ar气)充入所述混料头。
之后，立即将混合物注入矩形铸模中。随后，进行30分钟的胶凝，而后在100℃的烘箱中进行20小时的硬化。
将硬化的混合物取出铸模，并切割该硬化的混合物的表面，以形成抛光垫的抛光层。
形成在该抛光层的表面上的孔隙的扫描电镜(SEM)照片如图5所示。
所制得的抛光垫的抛光性能和平坦化性能如图7所示(本实施方式的抛光垫称为“杂化孔隙1”)。
<实验例3>
使100kg实验例1中制得的异氰酸酯预聚物、46kg矿物油(下文中称为KF-70)(由Seojin Chemical Co.,Ltd.制造)和33kg MOCA以5000rpm经过混料头，之后使用熔铸机将其排出。在此情况中，以20%的体积比将惰性气体(即Ar气)充入所述混料头。
之后，立即将混合物注入矩形铸模中。随后，进行30分钟的胶凝，而后在100℃的烘箱中进行20小时的硬化。
将硬化的混合物取出铸模，并切割该硬化的混合物的表面，以形成抛光垫的抛光层。
形成在该抛光层的表面上的孔隙的扫描电镜(SEM)照片如图6所示。
所制得的抛光垫的抛光性能和平坦化性能如图7所示(本实施方式的抛光垫称为“杂化孔隙2”)。图7中的“固态胶囊孔隙”代表未像本发明中那样使用不同类型的复合孔隙(即第一孔隙和第二孔隙)而仅使用了单一的固态胶囊孔隙的抛光垫(此处，固态胶囊可以是中空的微粉)；图7中的“液体微单元孔隙”同样代表未像本发明中那样使用不同类型的复合孔隙(即第一孔隙和第二孔隙)而仅使用了单一的液体微单元的抛光垫。
当使用了具有不同尺寸的复合孔隙时，尺寸相对较小的第一孔隙收集少量的抛光浆液颗粒，从而可以进行精确的抛光；尺寸相对较大的第二孔隙一次收集大量的抛光浆液颗粒，从而可以以高抛光速度进行加工。
以此方式，不同类型的孔隙同时包含在抛光垫的抛光层中，从而可以进行更为精细的抛光工作。
在上述实施方式中，形成了两种类型的孔隙。然而，如上所述，本发明的方面并不限于此。
即，本发明的抛光垫可以含有用液体微单元形成的孔隙、用固态胶囊形成的孔隙、通过注入惰性气体而形成的孔隙和用化学发泡剂形成的孔隙中的三种以上的孔隙。与类型相关的孔隙尺寸可以如上文所述，或者可以根据用于形成孔隙的材料的类型或为了提高抛光效率而改变。
特别是，在形成孔隙的方法中，孔隙的尺寸可以利用混合材料的浓度或反应温度来控制，而且各类型的孔隙可以不必具有不同的尺寸。
如上所述，根据本发明，控制多种(两种)孔隙(而非单一孔隙)以使得浆液的收集和供给能够有效地进行并且能够获得更加改善的CMP抛光性能。这能够实现微型半导体工艺所需的精细CMP工艺。
虽然已参照本发明的示例性实施方式具体地展示并描述了本发明，但本领域的普通技术人员应理解的是，可以在本发明中做出各种形式上和细节上的变化而不脱离由所附权利要求限定的本发明的主旨和范围。

Claims (7)

1.一种制造抛光垫的方法，所述方法包括：
(a)混合用于形成抛光层的材料；
(b)将能够控制孔隙尺寸的惰性气体、胶囊型发泡剂、化学发泡剂和液体微单元中的至少两种与(a)中的混合物混合，从而形成两种以上的孔隙；
(c)对(b)中产生的混合物进行胶凝和硬化，从而形成包含所述两种以上的孔隙的抛光层；和
(d)加工所述抛光层以使通过开放所述两种以上的孔隙而界定的微孔分布在所述抛光层的表面上。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述惰性气体选自由周期表中的8族元素和不与用于形成所述抛光层的材料反应的气体组成的组。
3.如权利要求1所述的方法，其中，构成所述液体微单元的液体材料包含选自由脂肪族矿物油、芳香族矿物油、在分子末端不具有羟基的硅油、大豆油、椰子油、棕榈油、棉籽油、山茶油、硬化油或其组合组成的组中的至少一种。
4.一种抛光垫，所述抛光垫通过在与待抛光物体的表面接触的情况下移动来进行抛光过程，所述抛光垫包括抛光层，
其中，所述抛光层包含两种以上的孔隙，所述孔隙的尺寸通过使用惰性气体、胶囊型发泡剂、化学发泡剂和液体微单元中的至少两种来控制，并且
通过开放所述两种以上的孔隙而界定的微孔分布在所述抛光层的表面上。
5.如权利要求4所述的抛光垫，其中，所述惰性气体选自由周期表中的8族元素和不与用于形成所述抛光层的材料反应的气体组成的组。
6.如权利要求4所述的方法，其中，构成所述液体微单元的液体材料包含选自由脂肪族矿物油、芳香族矿物油、在分子末端不具有羟基的硅油、大豆油、椰子油、棕榈油、棉籽油、山茶油、硬化油或其组合组成的组中的至少一种。
7.如权利要求4所述的方法，其中，所述抛光层含有利用所述液体微单元形成的多个第一孔隙和通过使用注入所述惰性气体、注入所述胶囊型发泡剂和注入所述化学发泡剂中的至少一种方式而形成的尺寸相对较大的多个第二孔隙。
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