CN105144349B - 具有二次窗密封的抛光垫 - Google Patents

Abstract

一种抛光制件，所述抛光制件具有抛光表面及孔，所述孔包括第一区段及第二区段。抛光制件包括向内延伸至孔中的突出部。抛光制件在远离抛光表面的第一表面的侧上包括下部。窗具有位于孔的第一区段中的第一部分及延伸至孔的第二区段中的第二部分。窗具有大体上平行于抛光表面的第二表面。第一黏合剂将突出部的第一表面黏合至窗的第二表面以将窗固定至突出部，且第二黏合剂具有与第一黏合剂不同的材料成分。第二黏合剂横向地位于窗的第二部分与抛光制件的下部之间。

Description

具有二次窗密封的抛光垫

技术领域

本发明大体涉及具有窗的抛光垫、包含这些抛光垫的系统及用于制造和使用这些所述抛光垫的工艺。

背景技术

在制造现代半导体集成电路(integrated circuit；IC)的工艺中，常常必须平坦化基板的外表面。例如，可能需要平坦化以抛光掉导电填充物层，直至暴露下层的顶表面为止，在绝缘层的凸起图案之间留下导电材料以形成过孔、插塞及接线，这些通孔、插塞及接线在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。此外，可能需要平坦化以平面化且薄化氧化层，以提供适用于光刻的平坦表面。

用于实现半导体基板平坦化或表面构形移除的一种方法为化学机械抛光(chemical mechanical polishing；CMP)。习知化学机械抛光(CMP)工艺涉及在存在研磨浆料的情况下，使基板抵靠旋转抛光垫而按压基板。

通常，需要检测何时已达到所需表面平面度或层厚度或何时已暴露下层以确定是否停止抛光。为了在CMP工艺期间原位检测终点，已开发若干技术。例如，已使用在层抛光期间用于原位测量基板上的层的均匀性的光学监测系统。光学监测系统可包括：光源，所述光源在抛光期间将光束导向基板；检测器，所述检测器测量自基板反射的光；及计算机，所述计算机分析来自检测器的信号且计算是否已检测到终点。在一些CMP系统中，光束穿过抛光垫中的窗被导向基板。

发明内容

在一个方面中，用于化学机械抛光设备的抛光垫包括抛光制件，所述抛光制件具有抛光表面及穿过所述抛光制件形成的孔。所述孔包括与所述抛光表面相邻的第一区段及与所述第一区段相邻的第二区段。抛光制件包括向内延伸至孔中的突出部，以使得第一区段具有与第二区段不同的横向尺寸。突出部具有大体上平行于抛光表面的第一表面。抛光制件在远离抛光表面的第一表面的侧上包括下部。抛光制件包括窗，所述窗具有位于孔的第一区段中的第一部分及延伸至孔的第二区段中的第二部分，所述窗具有大体上平行于抛光表面的第二表面。抛光制件包括第一黏合剂和第二黏合剂，第一黏合剂将突出部的第一表面黏合至窗的第二表面以将窗固定至突出部，第二黏合剂具有与第一黏合剂不同的材料成分，所述第二黏合剂横向地位于窗的第二部分与抛光制件的下部之间。

实施方式可包括以下特征中的一或更多特征。孔的第一区段可比孔的第二区段宽，且突出部与孔的第二区段横向地相邻。第一表面可为突出部的上表面，且第二表面可为窗的下表面。孔的第一区段可比孔的第二区段窄，且突出部横向地相邻于孔的第一区段。第一表面可为突出部的下表面，且第二表面可为窗的上表面。抛光制件可包括抛光层及背托层，所述抛光层具有抛光表面，背托层提供下部。背托层可比抛光层软。第二黏合剂对窗可具有比第一黏合剂更大的黏合力。第一黏合剂可包括压敏黏合剂。第一黏合剂可包括双面粘合带。第二黏合剂可为紫外线(ultraviolet；UV)固化黏合剂。第二黏合剂可横向地位于第一黏合剂与窗的第二区段之间。抛光垫可包括在窗的第二区段中形成的凹槽。窗的顶表面可大体上与抛光表面共面。

在另一方面中，在抛光垫中形成窗的方法包括在抛光制件中形成孔，以使得抛光制件包括向内延伸至孔中的突出部，且孔的第一区段具有与孔的第二区段不同的横向尺寸。突出部具有第一表面，所述第一表面大体上平行于抛光制件的抛光表面。抛光制件在远离抛光表面的第一表面的侧上包括下部。使用第一黏合剂将窗固定于孔中，所述第一黏合剂将抛光制件的第一表面黏合至窗的第二表面。液体前驱物被分配至窗与抛光制件的下部之间的间隙中，且固化液体前驱物以形成具有与第一黏合剂不同的成分的第二黏合剂。

实施方式可包括以下特征中的一或更多特征。第一表面可为突出部的上表面，且第二表面可为窗的下表面。第一表面可为突出部的下表面，且第二表面可为窗的上表面。固化液体前驱物可包括施加紫外线(UV)光。固定窗可包括将压敏黏合剂施加于上表面和底表面中至少之一，且使上表面抵靠底表面而按压上表面。施加压敏黏合剂可包括施加双面粘合带。形成孔可包括抛光制件的切割或模制中至少之一。形成孔可包括在抛光层中形成孔的第一区段和在背托层中形成孔的第二区段。固化液体前驱物可形成第二黏合剂，所述第二黏合剂对窗具有比第一黏合剂更大的黏合力。

实施方式可提供以下优点中的一或更多优点。除第一黏合剂之外还使用的第二黏合剂能在窗与抛光垫之间提供较佳黏合力。第二黏合剂能比第一黏合剂更缓慢地劣化，且第二黏合剂能更加耐热，提供更长的窗寿命。第二黏合剂可在窗与抛光垫之间形成二次窗密封而防止抛光液泄漏至窗之下的区域中，灵敏的光学测量设备位于所述区域中。

本发明的一或更多个实施方式的细节阐述于附图及以下描述中。本发明的其他特征、目的及优点将从所述描述及附图，及从权利要求书而显而易见。

附图说明

图1为含有抛光垫的CMP设备的截面图。

图2A为具有窗的抛光垫的截面的透视俯视图；

图2B为在置放窗之前的抛光垫的截面的透视俯视图；

图2C为在固定窗之前的抛光垫的截面侧视图；

图3为具有窗的抛光垫的截面的透视俯视图；

图4A为图3中所示的抛光垫的截面的透视底视图；

图4B为图3中所示的抛光垫的透视底视图；

图5A为具有窗的抛光垫的截面的透视俯视图；

图5B为图5A中所示的抛光垫的截面的透视底视图；

图5C为图5B中所示的抛光垫的特写底部透视图；及

图5D为图5A中所示的抛光垫在固定窗之前的截面侧视图；

在各图中的相同标记符号表示相同元件。

具体实施方式

如图1中所示，CMP设备10包括抛光头12，抛光头12用于抵靠平台16上的抛光垫18而保持半导体基板14。CMP设备可如美国专利第5,738,574号中所述而建构，以引用的方式将该专利的全部公开内容并入本文。

基板可为例如产品基板(例如，包括多个存储器或处理器小晶片的基板)、测试基板、裸基板及门控基板(gating substrate)。基板可处于集成电路制造的不同阶段，例如，基板可为裸晶片，或基板可包括一或更多个沉积和/或图案化的层。术语基板可包括圆盘和矩形板。

抛光垫18的有效部分可包括抛光层20，抛光层20具有接触基板的抛光表面24及与背托层110的顶表面112接触的底表面22，背托层110具有通过黏合层28固定至平台16的底表面，所述黏合层例如黏合带。亦在抛光层20的底表面22与背托层110的顶表面112之间提供黏合层113。抛光层20可包括例如在抛光表面24上具有至少一些开孔的泡沫聚氨基甲酸酯(polyurethane)。在一些实施方式中，背托层110比抛光层20软。例如，背托层110可由相对可压缩层形成，比如Suba-IV层(来自Rodel,Phoenix Ariz.)。黏合层28可为在双面具有黏合剂(例如压敏黏合剂)的双面黏合带，所述双面黏合带例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)的薄层，例如Mylar^TM。

抛光垫18具有固体材料的窗40(图示于图2A中)，所述窗被设置在穿过抛光垫18形成的孔45中且所述窗通过黏合层130固定就位。

在平台16的顶表面中形成光学孔34。包括光源36及检测器38的光学监测系统可位于平台16的顶表面之下，所述光源36比如激光器或白光源，所述检测器38比如光检测器或分光计。例如，光学监测系统可位于平台16内部的腔室中且能与平台一起旋转，所述腔室与光学孔34光学连通。一或更多个光纤50可从光源36输送光至基板14，且从基板14输送光至检测器38。例如，光纤50可为分叉光纤，所述分叉光纤具有：干线52，干线52与抛光垫中的窗40接近，例如邻接；第一支线54，第一支线54连接至光源36；及第二支线56，第二支线56连接至检测器38。

光学孔34可填充有透明固体件，比如石英块(在此情况下，光纤不会邻接窗40，但可邻接光学孔中的固体件)；或光学孔34可为空的孔。在一个实施方式中，光学监测系统和光学孔被形成为模块的一部分，所述模块被装配至平台中的相应凹槽中。或者，光学监测系统可为位于平台之下的固定系统，且光学孔可延伸穿过平台。光源36可使用从远红外线至紫外线的任何位置处的波长，比如红光，不过亦可使用例如白光的宽带光谱；且检测器38可为分光计。由检测器38收集的信息经处理以确定是否已达到抛光终点。例如，计算机(未图示)能从检测器38接收所测量的光强度且使用所述光强度来确定抛光终点(例如，通过检测指示新层的暴露的基板14的反射率的突然变化，通过使用干涉原理计算从基板14的外层(比如透明氧化层)移除的厚度，和/或通过监测用于预定终点标准的信号)。

通常，使用化学抛光液30使抛光垫材料变湿，所述化学抛光液可包括研磨颗粒。例如，浆料可包括KOH(氢氧化钾)和烘制的二氧化硅(fumed-silica)颗粒。然而，一些抛光工艺为“无研磨剂(abrasive-free)”工艺。

当平台围绕平台的中心轴旋转时，抛光头12抵靠抛光垫18施加压力至基板14。此外，抛光头12通常围绕抛光头12的中心轴旋转，且经由驱动轴或平移臂32在平台16的表面上平移。结合抛光溶液，在基板与抛光表面之间的压力及相对运动导致基板的抛光。

抛光头12和基板14能在设备10的操作期间平移。通常，无论头12的平移位置如何，光源36和光检测器38被定位以使得光源36和光检测器38在平台16的旋转的一部分期间能够观察到基板14。作为进一步的实例，光学监测系统可为位于平台16之下的固定系统。

图2A至图2C图示窗40，窗40黏合至抛光垫18的背托层110中的突出部61。窗40被定位至孔45中，孔45可通过切穿抛光垫而形成，或孔45可被模制至抛光垫中。孔45包括第一区段47(图示于图2B中)和第二区段49，第二区段49的横截面尺寸比第一区段47窄。第一区段47与抛光表面24相邻，且孔45的第二区段49与第一区段45相邻。第二区段49能延伸至抛光垫18的底表面64。在一些实施方式中，孔的第一区段47对应于穿过抛光层20的孔，且第二区段49对应于穿过背托层110的孔。在此情况下，孔的第一区段47的深度由抛光层20的厚度来限定，且孔的第二区段49的深度由背托层110的厚度来限定。

抛光垫的突出部61，例如背托层110的突出部61向内延伸至孔45中，以使得第一区段47具有与第二区段49不同的横向尺寸。换言之，突出部61延伸超出孔45的第一区段47的边缘48，以提供具有上表面63的突出部分62。上表面63可平行于抛光表面24，但相对于抛光表面24下凹。突出部61具有第一表面84，第一表面84大体上平行于抛光表面24。抛光垫18在远离抛光表面24的第一表面84的侧上具有下部85。例如，背托层110的一部分可形成下部85。

尽管图2A至图2C图示具有抛光层及背托层的抛光垫，但是在一些实施方式中，抛光垫可仅具有抛光层。在此情况下，孔的第一区段及第二区段两者将形成在抛光层中，且下部将为抛光层的一部分。

窗40具有第一部分71，第一部分71位于孔45的第一区段47中。窗40的第一部分71具有底表面72。窗40具有延伸至孔45的第二区段49中的第二部分73。在窗40的第二部分73中形成凹槽75。如在图4B中更加清楚地可见，凹槽75不必与窗40居中对齐。窗的顶表面41大体上与抛光表面24共面。

典型地，第一黏合剂130被施加于上表面63与窗40的第一部分71的底表面72之间的突出部分62上，以将窗40固定至突出部分62。通常，第一黏合剂130由一材料形成，所述材料对窗40及背托层110两者具有良好黏合力。第一黏合剂130可为压敏黏合剂，例如为双面涂布的膜胶带，例如在双面都具有压敏黏合剂的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的薄层，例如Mylar^TM。市售的双面涂布的膜胶带可从例如Minnesota Mining and Manufacturing Co.,Inc.获得(St.Paul,Minn.)(例如，双面涂布的膜胶带的442族中的一成员)。第一黏合剂130可由黏合带形成，黏合带亦可购自例如Scapa North America(Windsor,Conn.)。可通过将压敏黏合剂施加于上表面63及底表面72中的至少之一，且抵靠底表面72而按压上表面63来固定窗40。使用压敏黏合剂允许在高的下压力抛光期间窗与垫有较佳黏合适应性。

由于在抛光垫18与基板14之间作用的摩擦力，抛光工艺产生热。所述热会引起抛光层20及背托层110两者的温度升高。这进而增加与抛光层20及背托层110接触的第一黏合剂130的温度。此温度增加可致使第一黏合剂130劣化，从而增加浆料将在窗40与抛光垫之间泄漏的可能性。当与抛光工艺相关联的液体(例如浆料或水)从窗40的表面41泄漏至窗40、第一黏合剂130及背托层110之下的区域时，所述劣化会影响或干扰正在进行的光学测量(例如，比如通过在窗40、第一黏合剂130、背托层110之下的区域处的水气形成而影响或干扰正在进行的光学测量)。亦关注的是，在抛光期间来自基板14的横向摩擦力可能大于在窗40与抛光垫18的侧壁75之间的第一黏合剂130的黏合力。此外，第一黏合剂130可随着时间而劣化且失去第一黏合剂130的黏合性质，导致窗40变得无法黏合于抛光垫18或与抛光垫18分离。

为了降低泄漏的可能性和/或窗变得无法黏合于抛光垫或与抛光垫分离的可能性，图3图示一实施方式，在该实施方式中在下部61与窗40的第二部分73之间横向提供第二黏合剂140，第二黏合剂140具有与第一黏合剂不同的材料成分。第二黏合剂140能以液体前驱物的形式分配至窗40与抛光垫18的下部61之间的间隙中。然后，液体前驱物经固化以形成第二黏合剂140。

如放大详图中所示，第二黏合剂140可覆盖第一黏合剂130的下表面131，且第二黏合剂140亦填充在第一黏合剂130与窗40的第二部分73的侧壁75之间的间隙132。第二黏合剂可被横向地定位于窗40的第二部分73与抛光垫18的下部85之间。第二黏合剂140可在窗40已首先通过第一黏合剂130而被固定至抛光垫18之后形成。适合的液体前驱物的实例包括诸如Magnobond之类的环氧基黏合剂，或丙烯酸基黏合剂。

固化液体前驱物可包括施加电磁辐射，例如紫外线光至液体前驱物。固化工艺可在现有的(off-the-shelf)手持UV固化灯下进行小于一分钟，例如，10至20秒的时间，以产生第二黏合剂140。

与第一黏合剂130相比，第二黏合剂140能在窗40与抛光垫18之间提供更佳的黏合力。第二黏合剂140通常不像第一黏合剂130一样快地劣化，且第二黏合剂140不像第一黏合剂130一样对热降解敏感。第二黏合剂140可在窗40与抛光垫18之间形成二次窗密封。

尽管窗40的顶表面被描绘为与抛光层20的抛光表面24齐平，但是在一些实施方式中，顶表面可在抛光表面24之下下凹。

图5A至图5C图示黏合于抛光垫518的抛光层520中的突出部510的窗540。抛光垫518具有抛光表面524及穿过抛光垫518形成的孔545。孔545包括与抛光表面524相邻的第一区段547及与第一区段547相邻的第二区段549。抛光垫518包括向内延伸至孔545中的突出部510，以使得第一区段547具有与第二区段549不同的(亦即较小的)横向尺寸。突出部510具有大体上平行于抛光表面524的第一表面511。第一表面511可为抛光层520的下表面，亦即，抛光层520的与抛光表面524相对的面。抛光垫518在远离抛光表面524的第一表面511的侧上包括下部530。例如，下部530可为背托层。

窗540具有位于孔545的第一区段547中的第一部分571及延伸至孔545的第二区段549中的第二部分572。窗540具有大体上平行于抛光表面524的第二表面573。第二部分572具有比第一部分571更大的横向尺寸。凹槽575可形成于窗的底表面中，以便第二部分572形成从第一部分向外突出的L形凸缘。第二表面573可为第二部分572的顶表面，例如，凸缘的顶表面。

第一黏合剂130将突出部的第一表面511黏合至窗540的第二表面573，以将窗540固定至突出部510。第二黏合剂140(在图5C中详细图示)具有与第一黏合剂130不同的材料成分，第二黏合剂140横向地位于窗的第二部分572与抛光垫518的下部530之间。第二黏合剂140可与抛光层的底表面直接接触。第二黏合剂140可填充第一黏合剂130与窗540的下部530之间的横向间隙。

图5A至图5D中所示的抛光垫能以类似于图3至图4B中的衬垫的方式而制造，但是窗540被从垫518的下侧插入孔540中。

通常，背托层110、覆盖层120及黏合层130可由用于CMP工艺的任何适合材料形成。例如，层110、层120及层130可由在市售抛光垫中的相应层中使用的材料形成，所述市售抛光垫比如IC-1000抛光垫或IC-1010抛光垫(来自Rodel,Phoenix,Ariz.)。在某些实施方式中，制成窗40的材料对于所述材料在CMP工艺期间所暴露的状况具有相对抗性。作为一实例，制成窗40的材料可对于浆料及基板材料具有相对化学惰性。作为另一实例，窗可对由在CMP工艺中使用的浆料(例如，含有一或更多种化学试剂及选择性地含有磨粒)引起的划痕和/或磨损具有相对抗性。作为进一步实例，制成窗40的材料可对由基板引起的划痕和/或磨损具有相对抗性。作为另一实例，制成窗40的材料可对由垫调节器引起的划痕和/或磨损具有相对抗性。在实施方式中，窗40可由一材料形成，所述材料具有从约40至约95的肖氏D硬度。

通常，窗40由一或更多种聚合物材料形成，这些聚合物材料比如例如聚氨基甲酸酯或卤化聚合物(例如聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基(PFA)、氟化乙丙烯(FEP)或聚四氟乙烯(PTFE))。能制成窗40的市售聚合物材料的实例包括聚氨酯材料，所述聚氨酯材料可从Rodel(Phoenix,Ariz.)、Calthane ND3200聚氨基甲酸酯(来自Cal Polymers,LongBeach,Calif.)、Conoptic DM-2070聚氨基甲酸酯(Cytec Industries Inc.,WestPaterson,N.J.)、FEP X 6301、FEP X 6303及FEP X 6307(所述FEP X 6301、FEP X 6303及FEP X 6307全部来自Dyneon LLC,Oakdale,Minn.)、PCTFE聚合物的Neoflon.RTM.族(来自Daikin America,Inc.,Orangeburg,N.J.)及PTFE聚合物的Teflon.RTM.族(来自E.I.duPont de Nemours and Company,Wilmington,Del.)获得。

在权利要求书中有其他实施方式。

Claims (16)

1.一种用于化学机械抛光设备的抛光垫，包含：

抛光制件，所述抛光制件具有抛光表面及穿过所述抛光制件形成的孔，所述孔包括与所述抛光表面相邻的第一区段及与所述第一区段相邻的第二区段，其中所述抛光制件包括向内延伸至所述孔中的突出部，以使得所述第一区段具有与所述第二区段不同的横向尺寸，所述突出部具有大体上平行于所述抛光表面的第一表面，所述抛光制件在远离所述抛光表面的所述第一表面的侧上包括下部；

窗，所述窗具有位于所述孔的所述第一区段中的第一部分及延伸至所述孔的所述第二区段中的第二部分，所述窗具有大体上平行于所述抛光表面的第二表面；

第一黏合剂，所述第一黏合剂将所述突出部的所述第一表面黏合至所述窗的所述第二表面，以将所述窗固定至所述突出部；及

第二黏合剂，所述第二黏合剂具有与所述第一黏合剂不同的材料成分，所述第二黏合剂横向地位于所述窗的所述第二部分与所述抛光制件的所述下部之间。

2.如权利要求1所述的抛光垫，其中所述孔的所述第一区段比所述孔的所述第二区段宽，且所述突出部与所述孔的所述第二区段横向地相邻。

3.如权利要求2所述的抛光垫，其中所述第一表面为所述突出部的上表面，且所述第二表面为所述窗的下表面。

4.如权利要求1所述的抛光垫，其中所述孔的所述第一区段比所述孔的所述第二区段窄，且所述突出部与所述孔的所述第一区段横向地相邻。

5.如权利要求4所述的抛光垫，其中所述第一表面为所述突出部的下表面，且所述第二表面为所述窗的上表面。

6.如权利要求1所述的抛光垫，其中所述抛光制件包含抛光层及背托层，所述抛光层具有所述抛光表面，所述背托层提供所述下部。

7.如权利要求1所述的抛光垫，其中所述第二黏合剂对所述窗具有比所述第一黏合剂更大的黏合力。

8.如权利要求1所述的抛光垫，其中所述第二黏合剂横向地位于所述第一黏合剂与所述窗的所述第二部分之间。

9.如权利要求1所述的抛光垫，包含形成在所述窗的所述第二部分中的凹槽。

10.一种在抛光垫中形成窗的方法，包含以下步骤：

在抛光制件中形成孔，以使得所述抛光制件包括向内延伸至所述孔中的突出部，且所述孔的第一区段具有与所述孔的第二区段不同的横向尺寸，所述突出部具有大体上平行于所述抛光制件的抛光表面的第一表面，所述抛光制件在远离所述抛光表面的所述第一表面的侧上包括下部；

使用第一黏合剂将窗固定于所述孔中，所述第一黏合剂将所述抛光制件的所述第一表面黏合于所述窗的第二表面；

将液体前驱物分配至在所述窗与所述抛光制件的所述下部之间的间隙中；及

固化所述液体前驱物以形成与所述第一黏合剂不同成分的第二黏合剂。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一表面为所述突出部的上表面，且所述第二表面为所述窗的下表面。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述第一表面为所述突出部的下表面，且所述第二表面为所述窗的上表面。

13.如权利要求10所述的方法，其中固化所述液体前驱物的步骤包含施加紫外线(UV)光。

14.如权利要求10所述的方法，其中固定所述窗的步骤包含施加压敏黏合剂至所述第一表面或所述第二表面中的至少之一，并且抵靠所述第二表面而按压所述第一表面。

15.如权利要求10所述的方法，其中形成所述孔的步骤包含在抛光层中形成所述孔的所述第一区段且在背托层中形成所述孔的所述第二区段。

16.如权利要求10所述的方法，其中固化所述液体前驱物的步骤形成所述第二黏合剂，所述第二黏合剂对所述窗具有比所述第一黏合剂更大的黏合力。