CN106564004B - 一种抛光垫 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛光垫，解决了现有抛光垫存在的抛光液分布不均、抛光速率和平整化程度有待进一步提高的问题。技术方案至少包括圆形的抛光层，所述抛光层上表面开有供抛光液流动的沟槽，所述沟槽由圆周走向型沟槽和径向走向型沟槽组成，所述圆周走向型沟槽是以抛光层圆心为中心的圆周走向的几何中心对称图形，所述图形的边m≥3，所述径向走向型沟槽是沿圆心向圆周方向散射出来的直线或/和曲线，且与圆周走向型沟槽具有交叉点。本发明结构简单、能使抛光液在抛光区均匀分布和流动，最大程度保持抛光区内抛光液中反应物和产物的浓度均匀、提高抛光速率、提高晶片平面化程度。

Description

一种抛光垫

技术领域

本发明涉及化学机械抛光领域，具体来说，是一种用来对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光的抛光垫。

背景技术

在集成电路和其他电子器件的制造过程中，将多层导电、半导体和介电材料沉积到半导体晶片表面上，然后又从半导体晶片表面上将其清除。可以使用许多沉积技术沉积导电、半导体和介电材料薄层。现代晶片加工中的常规沉积技术包括物理蒸气沉积(PVD)(也称为溅射)、化学蒸气沉积(CVD)、等离子体辅助的化学蒸气沉积(PECVD)和电化学镀等。常规蚀刻技术包括湿法和干法的各向同性和各向异性蚀刻等。随着各材料层按照顺序被沉积和蚀刻，晶片的上层表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如光刻)要求该晶片具有平坦表面，所以需要对晶片进行平坦化。平坦化适合于除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面、成团材料、晶格损坏、划痕和被污染的层或材料。

化学机械平坦化，即化学机械抛光(CMP)是用来对半导体晶片等工件进行平坦化的常用技术。在常规CMP中，将双轴线旋转抛光机、晶片载体或抛光头安装在载体组合件上。抛光头固定晶片，使晶片与抛光机中抛光垫的抛光层接触。抛光垫的直径大于被抛光晶片直径的二倍。在抛光过程中，抛光垫和晶片各自围绕其中心旋转，同时晶片与抛光垫相接。晶片旋转轴线相对于抛光垫旋转轴线的偏置距离大于基片的半径，使得抛光垫的旋转在垫抛光层上扫出一个环形“晶片轨迹”(简称抛光区)。晶片轨迹的径向内部边界和外部边界之间的径向距离限定了晶片轨迹的宽度。当晶片仅发生旋转运动时，晶片轨迹的宽度等于晶片的直径。载体组合件在晶片和抛光垫之间施加可控的压力。在抛光过程中，抛光液之类的新鲜抛光液分散在晶片轨迹内边界之内靠近抛光垫旋转轴线的位置。抛光液从内部边界进入晶片轨迹，流入晶片和抛光垫之间的间隙，接触晶片表面，从靠近抛光垫边缘的晶片轨迹外部边界流出。由于抛光垫旋转对抛光液造成的离心力，抛光液的这种运动基本是沿径向向外的方向进行的。通过抛光层和抛光液在晶片表面上的化学作用和机械作用，对晶片表面进行抛光，使其平整化。

在常规CMP法中，当抛光液接触抛光垫的晶片轨迹之内的晶片表面的时候，抛光液中的主要反应物与被抛光晶片上的特征结构发生化学反应，形成反应产物。当分散的抛光液从晶片轨迹的内部边界流向外部边界的时候，抛光液在晶片表面之下的停留时间延长了。抛光液与晶片材料的相互作用使得沿抛光垫半径测得的反应物和反应产物之间的相对比例发生变化。晶片轨迹内边界附近的抛光液具有较高比例的反应物，晶片轨迹外边界附近的抛光液具有较低比例的反应物。

在一定程度上，抛光速率取决于抛光液中反应物和产物的浓度。因此，晶片上任意给定位置的抛光效果都会受到其所接触的抛光液中反应物和反应产物之相对比例的影响。为了使整个晶片上均匀地获得平坦化抛光速率，晶片上的所有位置都应当均匀地接触含不同浓度的反应剂和反应产物的抛光液。遗憾的是，已知的CMP系统和相关的抛光垫通常无法以这种方式分布抛光液，从而导致晶片表面去除率不均，整体结构不规整，晶片均一性不稳定，产品良率下降。

发明内容

在本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、能使抛光液在抛光区均匀分布和流动，最大程度保持抛光区内抛光液中反应物和产物的浓度均匀、提高抛光速率、提高晶片平面化程度的抛光垫，所述抛光垫可用来用来对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光。

本发明抛光垫，至少包括圆形的抛光层，所述抛光层上表面开有供抛光液流动的沟槽，所述沟槽由圆周走向型沟槽和径向走向型沟槽组成，所述圆周走向型沟槽是以抛光层圆心为中心的圆周走向的几何中心对称图形，所述图形的边m≥3，所述径向走向型沟槽是沿圆心向圆周方向散射出来的直线或/和曲线，且与圆周走向型沟槽具有交叉点。

所述圆周走向型沟槽具有内角θ，内角θ定义为构成圆周走向型沟槽底部的底边与构成沟槽的远离圆心的侧边之间的夹角。

由抛光层的圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数逐级减小。

由抛光层圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数在1°—180°间逐级减小。

由抛光层圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数在30°—150°间逐级减小。

由抛光层圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数分3级逐级减小。

所述径向走向型沟槽的径向长度至少要穿过抛光晶片运动轨迹的径向内部边界和外部边界。

所述径向走向型沟槽数量为t，且t＝4*k，k为正整数，且在抛光层上表面均匀分布。

所述径向走向型沟槽由均匀交错布置的沿伸沟槽和非沿伸沟槽组成，所述沿伸沟槽以抛光层的圆心为起点，抛光层的圆周边缘为终点，所述非沿伸沟槽以抛光层的圆心为起点，其终点未及抛光层的圆周边缘。

当所述径向走向型沟槽为曲线时，其曲线满足函数y＝Asinωx或Acosωx的变换。

所述曲线的振幅变换A和周期变换ω在抛光层上至少存在一个完整的周期曲线。

当所述径向走向型沟槽为曲线时，相邻的圆周走向型沟槽2之间最多只有一个完整的径向走向型沟槽3的周期曲线。

针对背景技术中存在的问题，发明人进行深入的研究，发现化学机械抛光过程中，有2种因素会影响到抛光率的稳定性和晶片的平面化程度:一方而，抛光垫转动时产生的离心力越靠近抛光垫周缘越大，使得抛光液也随着靠近抛光垫周缘而流量不断增加，在抛光垫径向位置呈现不均匀分布，导致晶片中心部分与周缘部分之间呈现相当大的抛光率差，降低了晶片的平面化程度；另一方而，晶片受压抵靠在抛光垫上，以使晶片与抛光液中的磨料颗粒充分摩擦接触，然而由于该压力，抛光液较难达到晶片中心部分，因此与晶片周缘处的抛光液量相比，晶片中心处的抛光液量相对较少，使得整个晶片受到不均匀抛光，降低了晶片的平面化程度。在传统的抛光垫上，沟槽的间隔往往是均匀的，无法控制上述2种因素的影响，使得晶片中心处抛光率下降，降低了晶片的平面化程度。对此问题，发明进行了如下改进：1，设计了圆周走向型沟槽和径向走向型沟槽，所述圆周走向型沟槽是指以抛光层圆心为中心的圆周走向的几何中心对称图形，所述图形的边m≥3,可以列举出以抛光层圆心为中心的正三角形，正方形、正多边形或圆形等；所述径向走向型沟槽沿圆心向圆周方向散射出来的直线或/和曲线，且与圆周走向型沟槽具有交叉点。通过上述改沟槽分布，遵循抛光液的流动轨迹，利用沟槽设计对抛光液进行合理引导，最大程度地减少由抛光垫旋转产生的离心力造成的抛光液的不均匀分布；2，对圆周走向型沟槽的内角进行设计，研究中意外发现，抛光层的圆心向圆周方向，使圆周走向型沟槽的内角θ由度数逐级减小，在靠近圆心区域的沟槽中，其内角θ可设置成钝角，如150度，这种角度的设计可以加快抛光液在离心力的作用下快速向外传递，加快分散；随着抛光液沿径向向圆周边缘移动，需要一定角度的沟槽来保持稳定的抛光液的量和浓度，如90度内角；而在圆周边缘部分，由于线速度已经达到最大值，抛光液更容易被甩离，需要设计一定角度的沟槽来提高抛光液的利用效率，其内角θ可设置成锐角，如30度，这样的锐角角度可以抵抗一部分离心力，抑制住抛光液的快速甩出，同时也可以使抛光磨屑储存沟槽中，沿着沟槽离开抛光层，而不是在抛光层表面抛洒出抛光垫，从而减少对晶体的抛光刮伤和损害。3，径向走向型沟槽由均匀交错布置的沿伸沟槽和非沿伸沟槽组成，沿伸沟槽有利于杂质或反应物随抛光液的引出，而非沿伸沟槽则实现抛光液回流振荡的作用，当两者交错布置时，可以很好的振荡平衡抛光液的浓度，实现第二次抛光液回流抛洒，从而延长了抛光液在抛光过程中的流动路径，减小了抛光液的排出速率，同时有效地控制了抛光液的流动，将抛光液均匀地分布在抛光垫上，从而保证了稳定的抛光率，提高了晶片平面化程度。所述径向走向型沟槽的起点并不特别限定，可以从抛光层的圆心引出，也可以在圆心至圆心的路径上的任意一点引出，只要保证径向走向型沟槽的起点至终点可以穿过抛光区，以保证抛光区中抛光液的储量即可。

有益效果

本发明抛光垫结构简单、能使抛光液在抛光区均匀分布和流动，最大程度保持抛光区内抛光液中反应物和产物的浓度均匀、提高抛光速率、提高晶片平面化程度。本发明抛光垫可用来用来对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光。

附图说明

图1为常规抛光垫俯视图及沟槽示意图；

图1-1为常规抛光垫沟槽结构示意图；

图1-2为抛光区A的示意图。

图2为本发明抛光垫第一实施方式的俯视图；

图2-1为抛光区A的示意图；

图3为抛光垫沟槽示意图；

图4为本发明抛光垫第二实施方式的俯视图；

图5为本发明抛光垫第三实施方式的俯视图；

图6为本发明抛光垫第四实施方式的俯视图；

图7为图6的抛光垫沟槽示意图；

图8为本发明抛光垫第五实施方式的俯视图；

图9为本发明抛光垫第六实施方式的俯视图；

图10为本发明抛光垫第七实施方式的俯视图。

其中，1-抛光层、2-圆周走向型沟槽、2.1-内角、3-径向走向型沟槽、3.1-沿伸沟槽、3.2-非沿伸沟槽、4-晶片、A-抛光区。

具体实施方式

首先简要描述抛光机，抛光机台板可通过台板驱动器围绕其旋转轴线旋转。晶片可由晶片载体所支承，并围绕其旋转轴线旋转。晶片包括抛光的表面，该表面朝向抛光垫，在抛光过程中被平面化。晶片载体可以被载体支承组件所支承，该组件适于在抛光过程中使晶片旋转，并提供向下的作用力F，将晶片4抛光的表面压向抛光垫，使得在被抛光表面和抛光垫之间存在所需的压力。抛光机上还装备用来向抛光垫输送抛光液的抛光液加料口。抛光液加料口通常应置抛光机台板旋转轴线处或附近，以最优化抛光垫抛光的效果，但是这种设置并非抛光垫操作的必需要求。

尽管抛光垫可以在上述抛光机之类的抛光机械中有效地工作，但是该抛光垫也可用于其它抛光机器，此为现有技术，不作详述。

图2是本发明的一个实施例，抛光垫至少具有抛光层1，所述抛光层1上表面开有沟槽，沟槽作用是增加抛光液在离心力作用下的分布均匀性以及在抛光区域的使用效率。抛光垫具有由抛光晶片尺寸决定的抛光晶片运动轨迹(即抛光区A)。抛光晶片运动轨迹是抛光垫实际抛光晶片的部分，通常位于抛光层1的圆心至边缘间的中部的环形区域(参图2-1)。

所述抛光层1的沟槽包括圆周走向型沟槽2和径向走向型沟槽3。

所述圆周走向型沟槽1是以抛光层圆心为中心的圆周走向的几何对称图形，可以列举出正方形、三角形、正多边形和圆心。图2中列举出的为正方形图案，其以抛光层1的圆心为中心，沿圆周走向分布有多条。所述径向走向型沟槽3是由圆心散射出来的直线或/和曲线，且与圆周走向型沟槽1具有交叉点。

如图3所示，所述圆周走向型沟槽具有内角2.1，内角2.1定义为构成圆周走向型沟槽1的底边与远离圆心的侧边之间的夹角θ。

所述圆周走向型沟槽1横截面分布示意图如图3所示。由抛光层1的圆心向圆周方向，不同径长的圆周走向型沟槽2的内角2.1的大小是逐级变化的(1°～180°间变化，优选30°～150°)。优选分为三级，在靠近圆心的圆周走向型沟槽2的内角2.1可设置成钝角，如150度，这种角度的设计可以加快抛光液在离心力的作用下快速向外传递，加快分散；随着抛光液沿径向向圆周边缘移动，当达到抛光晶片运动轨迹区域(抛光区A)时，需要更为竖直的沟槽来保持稳定的抛光液的量和浓度，如90度内角2.1；而在靠近圆周边缘部分，由于线速度已经达到最大值，抛光液更容易被甩离，需要设计一定角度的内角来提高抛光液的利用效率，其内角2.1可设置成锐角，如30度，这样的锐角角度可以抵抗一部分离心力，抑制住抛光液的快速甩出，同时也可以使抛光磨屑储存沟槽中，沿着沟槽离开抛光垫，而不是在抛光层1表面抛洒出抛光垫，从而减少抛光刮伤和损害。

这种沟槽的内角2.1，其大小按照具体抛光参数来设定，同时可以配合抛光垫中径向走向型沟槽部分的形状来设计。图3显示的是3个不同内角2.1的抛光层沟槽，本发明包括但不仅限于3级角度的变化。

所述径向走向型沟槽3在图2中显示为由抛光层1圆心向圆周方向放射出的直线，其数量t＝4*k，k为正整数的要求，此类型沟槽主要是用来运输抛光液和抛光磨屑，加强分布抛光液的径向浓度。沟槽数量为16条且在抛光层均匀分布，需要特别说明的是并不是每一条沟槽都延伸到抛光层圆周边缘。相邻的两条沟槽分别是一条延伸到抛光层边缘的沿伸沟槽3.1和一条截至到最外围圆周走向型沟槽处的非沿伸沟槽3.2，沿伸沟槽3.1和非沿伸沟槽3.2在抛光层上交错布置，

图4是本发明的第二实施例，其基本结构与图2类似，不同的是其圆周走向型沟槽2的图形为正八边形。径向走向型沟槽3为直线。

图5是本发明的第三实施例，其基本结构与图2类似，不同的是其圆周走向型沟槽2的图形边数趋近于最大值，理论图形为圆形。径向走向型沟槽3也为直线。

图6是本发明的第四实施例，其圆周走向型沟槽2的基本结构与图2类似，为多条同心的正方形图案。而周向走向型沟槽3则围绕整个抛光层圆心逆时针或顺时针旋转一定角度数(旋转角度数不等于360度/m)的曲线。图6显示的多条周向走向型沟槽3为平行结构，本发明包括但不限于平行结构。

图7，第一部分圆周走向型沟槽部分的沟槽径向横截面分布如图8所示。在圆心向圆周的整个径向方向，沟槽的内角θ的大小是逐步变化的。在靠近圆心的沟槽中，其内角θ可设置成钝角，如135度，这种角度的设计可以加快抛光液在离心力的作用下快速向外传递，加快分散；随着抛光液沿径向向圆周边缘移动，需要一定角度的沟槽来保持稳定的抛光液的量和浓度，如90度内角；而在圆周边缘部分，由于线速度已经达到最大值，抛光液更容易被甩离，需要设计一定角度的沟槽来提高抛光液的利用效率，其内角θ可设置成锐角，如45度，这样的锐角角度可以抵抗一部分离心力，抑制住抛光液的快速甩出，同时也可以使抛光磨屑储存沟槽中，沿着沟槽离开抛光垫，而不是在抛光表面抛洒出抛光垫，从而减少抛光刮伤和损害。

第四实施例中，与图3，图5不同的是，径向走向型沟槽3不再是直线，而是符合函数y＝Asinωx或Acosωx的变换的曲线，且在径向上至少存在一个完整的周期变换。需要说明的是，函数中振幅变换A和周期变换ω的数值是可以根据具体工艺进行变化，比如圆周走向型沟槽2的数量、相邻沟槽的间隔，槽宽等，本发明中不做具体数值的要求，但是可以确定的是一个完整的变换周期至少径向穿过1个圆周走向型沟槽2，即相邻的圆周走向型沟槽2之间最多只有一个完整的径向走向型沟槽3的周期变换。另外，需要说明的是，径向走向型沟槽3的数量满足t＝4*k，图6中包含8条径向走向型沟槽3，其中四条径向型曲线沟槽3间隔延伸到抛光垫边缘作为沿伸沟槽3.1。这些径向型曲线沟槽3增加了抛光液的流动路径，延长了滞留时间，比较适合高速抛光机，可以更好的分布抛光液和保留抛光液，提高抛光液的使用效率。

图8是本发明的第五实施例，其基本结构与图6类似，不同的是其圆周走向型沟槽2为正八边形。

图9是本发明的第六实施例，图10是本发明的第七实施例，其基本结构与图6类似，不同的是其圆周走向型沟槽2的图形边数趋近于最大值，即m，n均为+∞，理论图形为圆形。径向走向型沟槽3为曲线，其曲线函数半个周期布置在相邻2条圆周走向型沟槽2间，

第五实施例和第六实施例的不同在于径向走向沟槽3的起点不同，图9中径向走向沟槽3虽然也是由圆心散射出来的曲线，但起点并不在抛光层1的圆心，而是在圆心至圆周向的路径上。径向走向沟槽3具体起点设计可以根据抛光区的大小来控制，若抛光区域大，径向走向沟槽3的起点在圆心或接近圆心处(见图10)，以保证有抛光区有效的抛光液储量；若抛光区较小，则径向走向沟槽3的起点可更为远离圆心(图9，起点在第3条圆周走向沟槽2上)，一方面提高抛光垫加工时刻槽的速率；另一方面，有利于抛光时抛光液由圆心迅速的分散，进一步提高抛光效率。

图1是常规抛光垫(比较例)的俯视图，图1-1是图1的横截面示意图，从中可以看出，图中不存在径向走向型沟槽，且周向走向型沟槽1不存在内角的变换，无法均匀分布抛光液，不能有效地控制了抛光液的流动，降低了抛光液的使用效率，也会导致晶片平面化程度的下降。

需要特别说明的是，本发明中并未限定沟槽的宽带和深度，一般情况，沟槽的宽度为0.1-10毫米，深度为0.1-2毫米，这是本领域技术人员可以根据具体产品情况和经历来选择，确定和变化，属于常规范畴，本发明在此不再赘述。

表1展示的是抛光垫在抛光过程中不同位置的抛光液浓度的变化值，以及被抛光物件的表面粗燥度。从表1中可以看出，采用本发明的沟槽配置后，在抛光区域，抛光液的浓度分布比较均匀，偏差较小，从而可以保证被抛光物件腐蚀程度的均一性，保证被抛光物件的平整均一，减少过抛和少抛的不良影响。

表1

Claims (11)

1.一种抛光垫，至少包括圆形的抛光层，所述抛光层上表面开有供抛光液流动的沟槽，其特征在于，所述沟槽由圆周走向型沟槽和径向走向型沟槽组成，所述圆周走向型沟槽是以抛光层圆心为中心的圆周走向的几何中心对称图形，所述图形的边m≥3；所述径向走向型沟槽是沿圆心向圆周方向散射出来的直线或/和曲线，且与圆周走向型沟槽具有交叉点,其中,所述径向走向型沟槽由均匀交错布置的沿伸沟槽和非沿伸沟槽组成，所述沿伸沟槽以抛光层的圆心为起点，抛光层的圆周边缘为终点，所述非沿伸沟槽以抛光层的圆心为起点，其终点未及抛光层的圆周边缘。

2.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述圆周走向型沟槽具有内角θ，内角θ定义为构成圆周走向型沟槽底部的底边与构成沟槽的远离圆心的侧边之间的夹角。

3.如权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，由抛光层的圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数逐级增大。

4.如权利要求3所述的抛光垫，其特征在于，由抛光层圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数在180°—1°间逐级减小。

5.如权利要求4所述的抛光垫，其特征在于，由抛光层圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数在150°—30°间逐级减小。

6.如权利要求3-5任一项所述的抛光垫，其特征在于，由抛光层圆心向圆周方向，所述圆周走向型沟槽的内角θ的度数分3级逐级减小。

7.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述径向走向型沟槽的径向长度至少要穿过抛光晶片运动轨迹的径向内部边界和外部边界。

8.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述径向走向型沟槽数量为t，且t＝4*k，k为正整数，且在抛光层上表面均匀分布。

9.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，当所述径向走向型沟槽为曲线时，其曲线满足函数y＝Asinωx或Acosωx的变换。

10.如权利要求9所述的抛光垫，其特征在于，所述曲线的振幅变换A和周期变换ω在抛光层上至少存在一个完整的周期曲线。

11.如权利要求10所述的抛光垫，其特征在于，当所述径向走向型沟槽为曲线时，相邻的圆周走向型沟槽之间最多只有一个完整的径向走向型沟槽的周期曲线。