CN107685283A - 低缺陷多孔抛光垫 - Google Patents

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Abstract

抛光垫适用于使用抛光流体以及所述抛光垫与半导体、光学和磁衬底中的至少一个之间的相对运动来抛光或平面化半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个。抛光层具有开孔聚合基质、抛光表面，所述抛光层中的多个凹槽。多个凸出槽脊区域用从所述底部多个凸出槽脊区域向外并且向下延伸的锥形支撑结构支持。所述多个凸出槽脊区域具有小于所述多个凹槽的平均宽度的平均宽度，以便减少所述凸出槽脊区域的抛光停留时间并且增加所述凹槽区域的碎屑去除停留时间到大于所述抛光停留时间的值。

Description

低缺陷多孔抛光垫
技术领域
本发明涉及化学机械抛光垫和形成所述抛光垫的方法。更具体来说，本发明涉及多孔性化学机械抛光垫和形成多孔性抛光垫的方法。
背景技术
在集成电路和其它电子装置的制造中，多个导电、半导电和介电材料层沉积到半导体晶片的表面上并且从其去除。薄的导电、半导电和介电材料层可以使用多种沉积技术沉积。现代晶片加工中的常见沉积技术尤其包含也称为溅射的物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)和电化学电镀(ECP)。常见去除技术尤其包含湿式和干式各向同性和各向异性蚀刻。
因为依序沉积和去除材料层，所以晶片的最上表面变成非平面的。因为后续半导体加工(例如，光刻)需要晶片具有平坦表面，所以晶片需要平面化。平坦化可用于去除非所期望的表面形状和表面缺陷，例如粗糙表面、聚结材料、晶格损坏、刮痕和被污染的层或材料。
化学机械平面化或化学机械抛光(CMP)是一种用以平面化或抛光工件(例如半导体晶片)的常见技术。在常规CMP中，晶片载具或抛光头安装在载具组合件上。抛光头固持晶片并且将晶片定位得与安装在CMP设备内的平台或台板上的抛光垫的抛光层接触。载具组合件在晶片与抛光垫之间提供可控压力。同时，将抛光介质(例如，浆料)分配到抛光垫上并且抽取到晶片与抛光层之间的间隙中。为了实现抛光，抛光垫和晶片典型地相对于彼此旋转。随着抛光垫在晶片下面旋转，晶片扫除典型地环形的抛光轨迹或抛光区域，其中晶片的表面直接面对抛光层。通过对抛光层和表面上的抛光介质进行化学和机械作用，对晶片表面抛光并且使其成平面。
CMP工艺通常在单个抛光工具上在两个或三个步骤中进行。第一步骤平面化晶片并且去除大部分过量材料。在平面化之后，后续步骤去除在平面化步骤期间引入的刮痕或颤痕。用于这些应用的抛光垫必须柔软并且保形以在不刮擦的情况下抛光衬底。此外，用于这些步骤的这些抛光垫和浆料常常需要选择性去除材料，例如较高的TEOS比金属去除速率。出于本说明书的目的，TEOS是氧硅酸四乙酯的分解产物。因为TEOS是比例如铜的金属硬的材料，所以这是多年来制造商在处理的一个困难的问题。
在过去几年中，半导体制造商日益转向多孔性抛光垫(例如PolitexTM和OptivisionTM聚氨基甲酸酯垫)来进行精整或最终抛光操作，其中低缺陷度是更重要的需求(Politex和Optivision是陶氏电子材料(Dow Electronic Materials)或其附属公司的商标。)。出于本说明书的目的，术语多孔性是指通过从水溶液、非水溶液、或水溶液与非水溶液的组合凝结而制造的多孔聚氨基甲酸酯抛光垫。这些抛光垫的优点在于，它们提供高效去除与低缺陷度。这种缺陷度降低可以导致晶片产率显著增加。
特别重要的抛光应用是铜-阻挡层抛光，其中需要低缺陷度以及能够同时去除铜和TEOS电介质两者，使得TEOS去除速率高于铜去除速率以满足先进的晶片集成设计。商业垫(例如Politex抛光垫)对于未来设计并未提供足够低的缺陷度，并且TEOS:Cu选择性比率也不够高。其它商业垫含有表面活性剂，所述表面活性剂在抛光期间沥滤产生过量泡沫，所述泡沫干扰抛光。此外，表面活性剂可能含有碱金属，所述碱金属可能会使电介质中毒并且降低半导体的功能性能。
尽管低TEOS去除速率与多孔性抛光垫相关，但一些先进的抛光应用转向全多孔性垫CMP抛光操作，因为多孔性垫对比其它垫类型(例如IC1000TM抛光垫)有可能实现更低缺陷度。尽管这些操作提供低缺陷，但仍存在进一步减少垫诱导的缺陷和增加抛光速率的挑战。
发明内容
本发明的一方面提供一种抛光垫，其适用于使用抛光流体以及所述抛光垫与半导体、光学和磁衬底中的至少一个之间的相对运动来抛光或平面化半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个，所述抛光垫包括以下各项：具有开孔聚合基质、抛光表面和厚度的抛光层，所述开孔聚合基质具有垂直孔隙和互连所述垂直孔隙的开放通道；所述抛光层中的多个凹槽，所述凹槽具有邻近抛光表面测量的平均宽度，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过所述多个凹槽的所述宽度时所述多个凹槽具有碎屑去除停留时间；以及所述多个凹槽内的多个凸出槽脊区域，所述多个凸出槽脊区域用从所述底部多个凸出槽脊区域向外并且向下延伸的锥形支撑结构支持，所述多个槽脊区域具有由含有所述垂直孔隙的所述聚合物基质形成所述抛光表面的截头或非尖顶部，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过邻近所述多个凹槽的所述多个凸出槽脊区域时所述多个凸出槽脊区域具有抛光停留时间，所述多个凸出槽脊区域具有小于所述多个凹槽的平均宽度的平均宽度，以便减少所述凸出槽脊区域的抛光停留时间并且增加所述凹槽区域的所述碎屑去除停留时间到大于所述抛光停留时间的值。
本发明的另一方面提供一种抛光垫，其适用于使用抛光流体以及所述抛光垫与半导体、光学和磁衬底中的至少一个之间的相对运动来抛光或平面化半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个，所述抛光垫包括以下各项：具有开孔聚合基质、抛光表面和厚度的抛光层，所述开孔聚合基质具有垂直孔隙和互连所述垂直孔隙的开放通道；所述抛光层中的多个凹槽，所述凹槽具有邻近抛光表面测量的平均宽度，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过所述多个凹槽的所述宽度时所述多个凹槽具有碎屑去除停留时间；以及所述多个凹槽内的多个凸出槽脊区域，所述多个凸出槽脊区域用如从所述抛光表面的平面所测量以30到60度的斜度从所述底部多个凸出槽脊区域向外并且向下延伸的锥形支撑结构支持，所述多个槽脊区域具有由含有所述垂直孔隙的所述聚合物基质形成所述抛光表面的截头或非尖顶部，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过邻近所述多个凹槽的所述多个凸出槽脊区域时所述多个凸出槽脊区域具有抛光停留时间，所述多个凸出槽脊区域具有小于所述多个凹槽的平均宽度的平均宽度，以便减少所述凸出槽脊区域的抛光停留时间并且增加所述凹槽区域的所述碎屑去除停留时间到大于所述抛光停留时间的值。
附图说明
图1是绘示用本发明的抛光垫获得的刮痕和颤痕的改进的抛光刮痕图。
图2是绘示本发明的抛光垫的铜去除速率稳定性的图。
图3是绘示本发明的抛光垫的TEOS去除速率稳定性的图。
图4绘示测定软化起始温度的TMA方法。
图5A是在低于平均软化起始温度的温度下压花的低放大率SEM。
图5B是在高于平均软化起始温度的温度下压花的低放大率SEM。
图6A是在低于平均软化起始温度的温度下压花的高放大率SEM。
图6B是在高于平均软化起始温度的温度下压花的高放大率SEM。
图7A是在低于平均软化起始温度的温度下压花的低放大率SEM，其绘示光滑凹槽底部表面。
图7B是在高于平均软化起始温度的温度下压花的低放大率SEM，其绘示光滑凹槽底部表面。
图8绘示用图5A、6A和7A对比5B、6B和7B的结构实现的较低缺陷。
具体实施方式
本发明的抛光垫可用于抛光磁、光学和半导体衬底中的至少一个。具体来说，聚氨基甲酸酯垫可用于抛光半导体晶片；并且具体来说，垫可用于抛光先进的应用，例如铜-阻挡层应用，其中极低缺陷度比平面化能力更重要，并且其中有必要同时去除多种材料，例如铜、阻挡层金属和电介质材料(包含但不限于TEOS、低k和超低k电介质)。出于本说明书的目的，“聚氨基甲酸酯”是衍生自双官能或多官能异氰酸酯的产物，例如聚醚脲、聚异氰脲酸酯、聚氨基甲酸酯、聚脲、聚氨基甲酸酯脲、其共聚物和其混合物。为了避免发泡问题和电介质的中毒可能性，这些调配物有利地是不含表面活性剂的调配物。抛光垫包含多孔抛光层，所述抛光层在涂布于支撑基底衬底上的聚氨基甲酸酯基质内具有双重孔隙结构。双重孔隙结构具有一组主要的较大孔隙并且在较大孔隙的孔壁之内和之间具有一组次要的较小孔隙。对于一些抛光系统，这种双重孔隙结构用以减少缺陷同时增加去除速率。
多孔抛光层固定到聚合膜衬底或形成到织造或非织造结构上以形成抛光垫。当将多孔抛光层沉积到聚合衬底(例如非多孔聚(对苯二甲酸乙二酯)膜或片)上时，使用粘合剂(例如专用氨基甲酸酯或丙烯酸粘着剂)增加与膜或片的粘着性常常是有利的。尽管这些膜或片可以含有孔隙率，但这些膜或片有利地是非多孔的。非多孔膜或片的优点在于，它们促进均匀厚度或平坦度，增加抛光垫的总体刚度并且降低总体可压缩性，并且消除抛光期间的浆料芯吸效应。
在一替代性实施例中，织造或非织造结构充当多孔抛光层的基底。尽管使用非多孔膜作为基底衬底具有如上文概述的益处，但膜还具有缺点。最值得注意地，当非多孔膜或多孔衬底与粘着膜组合用作基底衬底时，气泡可能截留在抛光垫与抛光工具的台板之间。这些气泡使抛光垫变形，在抛光期间产生缺陷。在这些情形下，图案化离型衬垫促进空气去除以消除气泡。这导致抛光不均匀、缺陷度较高、垫磨损高和垫寿命缩短的主要问题。这些问题在毡用作基底衬底时可消除，因为空气可以渗透通过毡并且气泡不会截留。其次，当抛光层涂覆到膜时，抛光层与膜的粘着性取决于粘着剂粘合的强度。在一些侵蚀性抛光条件下，这种粘合可能会失败并且导致灾难性失效。当使用毡时，抛光层实际上穿透一定深度到毡中并且形成强力的机械互锁界面。尽管织造结构是可接受的，但非织造结构可以提供额外表面区域以供强力粘合到多孔聚合物衬底。适合非织造结构的一极佳实例是浸渍有聚氨基甲酸酯以使纤维连在一起的聚酯毡。典型的聚酯毡将具有500到1500μm的厚度。
本发明的抛光垫适用于使用抛光流体以及抛光垫与半导体、光学和磁衬底中的至少一个之间的相对运动来抛光或平面化半导体、光学和磁衬底中的至少一个。抛光层具有开孔聚合基质。开孔结构的至少一部分对抛光表面开放。大孔隙延伸到具有垂直定向的抛光表面。含于凝结聚合物基质内的这些大孔隙形成特定绒毛高度的绒毛层。垂直孔隙的高度等于绒毛层高度。垂直孔隙定向在凝结过程期间形成。出于本专利申请的目的，垂直或上下方向与抛光表面正交。垂直孔隙具有随距抛光表面或在抛光表面下方的距离增加的平均直径。抛光层典型地具有20到200密耳(0.5到5mm)并且优选30到80密耳(0.76到2.0mm)的厚度。开孔聚合基质具有垂直孔隙和互连垂直孔隙的开放通道。优选地，开孔聚合基质具有直径足以允许输送流体的互连孔隙。这些互连孔隙具有比垂直孔隙的平均直径小得多的平均直径。
抛光层中的多个凹槽促进浆料分布和抛光碎屑去除。优选地，多个凹槽形成正交栅格图案。典型地，这些凹槽在抛光层中形成X-Y坐标栅格图案。凹槽具有邻近抛光表面测量的平均宽度。在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的至少一个上的点越过多个凹槽的宽度时多个凹槽具有碎屑去除停留时间。多个凹槽内的多个凸出槽脊区域用从多个凸出槽脊区域的抛光表面的顶部或平面向外并且向下延伸的锥形支撑结构支持。优选地，如从抛光表面的平面所测量以30到60度的斜度。多个槽脊区域具有由含有垂直孔隙的聚合物基质形成抛光表面的截头或非尖顶部。典型地，凸出槽脊区域具有选自半球形、截头角锥形、截头梯形和其组合的形状，多个凹槽以线性方式延伸于凸出槽脊区域之间。多个凹槽具有大于垂直孔隙的平均高度的平均深度。另外，垂直孔隙具有在抛光表面下方增加至少一个深度的平均直径。
最优选地，垂直孔隙直径随距离变得更大与锥形支撑结构的组合关于抛光表面处的接触相互抵消。增加垂直孔隙直径减少抛光垫接触与垫磨损。与垂直孔隙相对，锥形表面结构导致抛光垫接触增加与垫磨损增加。这些抵消力促进以恒定去除速率抛光多个晶片。
在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的至少一个上的点越过多个凸出槽脊区域时多个凸出槽脊区域具有抛光停留时间。多个凸出槽脊区域具有小于多个凹槽的平均宽度的平均宽度，以便减少凸出槽脊区域的抛光停留时间并且增加凹槽区域的碎屑去除停留时间到大于抛光停留时间的值。
凹槽优选形成一系列由包含大孔隙和小孔隙的多孔基质形成的枕块结构。优选地，枕块呈栅格图案，例如X-Y坐标栅格图案。枕块结构具有从顶部抛光表面向下的表面以便形成从抛光表面成30到60度角度向下倾斜的侧壁。向下倾斜的侧壁从枕块结构的所有侧面延伸。优选地，如从抛光表面通向向下倾斜的侧壁所测量，向下倾斜的侧壁具有5到30度的初始锥度区间。优选地，向下倾斜的侧面终止于聚氨基甲酸酯基质的水平凹槽底部，所述凹槽底部具有小于枕块结构的孔隙率。最优选地，凹槽的底部是光滑的并且不具有开放垂直或小孔隙。这些光滑凹槽促进高效抛光去除而没有可以容纳和积聚抛光碎屑的表面结构。
一部分大孔隙对向下倾斜的侧壁开放。对向下倾斜的侧壁开放的大孔隙比对顶部抛光表面开放的大孔隙垂直度更小，并且在与倾斜侧壁更正交的方向上从垂直方向抵消10到60度。保留孔隙在侧壁处开放使得碎屑可自由流动以促进进一步减少缺陷。优选地，多孔聚氨基甲酸酯抛光垫含有具有足以使得去离子水可在大孔隙之间流动的平均直径的互连侧孔隙。
形成多孔聚氨基甲酸酯抛光垫的方法对于降低缺陷也很关键。在第一步骤中，使热塑性聚氨基甲酸酯凝结产生多孔基质，所述多孔基质具有从基底表面向上延伸并且对上表面开放的大孔隙。大孔隙与较小孔隙互连。一部分大孔隙对顶部抛光表面开放。大孔隙延伸到关于所述表面具有基本上垂直定向的顶部抛光表面。
热塑性聚氨基甲酸酯具有允许不可逆热塑性变形的软化起始温度。软化起始温度使用热机械分析(TMA)根据ASTM E831进行测定。具体来说，测定初始TMA拐点的斜率变化提供软化起始温度—参见图4。优选地，加热压机(用以形成凹槽)在比热塑性聚氨基甲酸酯的软化起始温度低10K到高10K的温度范围内进行。更优选地，加热压机在比热塑性聚氨基甲酸酯的软化起始温度低5K到高5K的温度范围内进行。最优选地，加热压机在比热塑性聚氨基甲酸酯的软化起始温度低5K到与其相等的温度范围内进行。
将压机加热到接近或高于软化起始温度的温度使压机准备用于热塑性变形。抵着热塑性聚氨基甲酸酯按压热压机由包含大孔隙和小孔隙的多孔基质形成一系列枕块结构。压机可以是围绕其中心轴旋转的有槽圆筒或平坦热压机。优选地，压机是以线性方式压缩以对抛光垫压花的铝合金板。枕块结构的塑性变形侧壁形成向下倾斜的侧壁。向下倾斜的侧壁从枕块结构的所有侧面延伸。一部分大孔隙对向下倾斜的侧壁开放。对向下倾斜的侧壁开放的大孔隙比对顶部抛光表面开放的大孔隙垂直度更小，并且在与倾斜侧壁更正交的方向上从垂直方向抵消10到60度。优选地，如从抛光表面处侧壁的顶部所测量，塑性变形侧壁中的大部分小孔隙保持对凹槽通道开放至少100μm的距离。
最终，在倾斜侧壁的底部使热塑性聚氨基甲酸酯熔化和凝固封闭大部分大和小孔隙并且形成凹槽通道。优选地，侧壁塑性变形以及熔化和凝固步骤形成互连凹槽栅格。凹槽通道的底部表面具有极少开放孔隙或不具有开放孔隙。这促进碎屑顺利去除并且将多孔性抛光垫锁到其开放孔隙锥形枕块结构中。优选地，凹槽形成一系列由包含大孔隙和小孔隙的多孔基质形成的枕块结构。优选地，小孔隙具有足以使得去离子水可在垂直孔隙之间流动的直径。
基底层对于形成恰当基座很关键。基底层可以是聚合膜或片。但织造或非织造纤维向多孔性抛光垫提供最佳衬底。出于本说明书的目的，多孔人造革是由水性取代有机溶剂形成的可透气合成皮革。非织造毡向大多数应用提供极佳衬底。典型地，这些衬底表示通过混合、梳理和针刺形成的聚对苯二甲酸乙二酯纤维。
对于一致特性，重要的是毡具有一致厚度、密度和可压缩性。由具有一致物理特性的一致纤维形成毡产生具有一致可压缩性的基底衬底。对于额外一致性，有可能掺合收缩纤维与非收缩纤维，使毡行进通过热水浴以控制毡的密度。这具有使用浴温度和滞留时间微调最终毡密度的优点。在形成毡之后，使其传送通过聚合物浸渍浴(例如聚氨基甲酸酯水溶液)对纤维进行涂布。在涂布纤维之后，使毡烘箱固化增添刚度和回弹性。
相继进行涂布后固化和磨光步骤控制毡厚度。为了微调厚度，有可能首先用粗磨粒磨光，并且然后用细磨粒精整毡。在对毡进行磨光之后，优选洗涤和干燥毡以去除在磨光步骤期间拾取的任何磨粒或碎屑。然后在干燥之后，用二甲基甲酰胺(DMF)锉削背侧使毡准备用于防水步骤。举例来说，全氟羧酸和其前驱物(例如来自AGC Chemicals的用于纺织物的AG-E092防护剂)可以使毡的顶部表面防水。在防水之后，毡需要干燥，并且然后任选的燃烧步骤可以去除通过毡的顶部层突出的任何纤维端。然后使防水毡准备用于涂布和凝结。
递送系统将DMF溶剂中的聚氨基甲酸酯沉积于毡的防水侧上。刮刀校平涂层。优选地，经涂布的毡然后通过多个凝结槽，其中水扩散到涂层中以形成与次要孔隙互连的大孔隙。然后，具有凝结涂层的毡通过多个洗涤罐以去除DMF。在DMF去除之后，烘箱干燥使热塑性聚氨基甲酸酯固化。任选地，高压洗涤和干燥步骤进一步清洁衬底。
在干燥之后，磨光步骤使孔隙开放到受控深度。这在顶部表面上实现一致孔隙计数。在磨光期间，有利的是使用不会移位并移动到多孔衬底中的稳定磨料。典型地，金刚石磨料产生最一致纹理并且最不易在磨光期间折断。在磨光之后，衬底具有10到30密耳(0.25到0.76mm)的典型绒毛高度和30到60密耳(0.76到1.52mm)的总厚度。平均大孔隙直径可以在5到85密耳(0.13到2.2mm)范围内。典型密度值是0.2到0.5g/cm3。截面孔隙面积典型地是10到30％，表面粗糙度Ra小于14并且Rp小于40。抛光垫的硬度优选是40到74Asker C。
多孔基质是包含两种热塑性聚合物的掺合物。第一热塑性聚氨基甲酸酯具有45到60分子％己二酸、10到30分子％MDI-乙二醇和15到35分子％MDI。第一热塑性聚氨基甲酸酯具有40,000到60,000的Mn和125,000到175,000的Mw以及2.5到4的Mw比Mn比率。出于本说明书的目的，Mn和Mw分别表示如通过凝胶渗透色谱法测定的数目平均和重量平均分子量值。优选地，第一热塑性塑料具有45,000到55,000的Mn和140,000到160,000的Mw以及2.8到3.3的Mw比Mn比率。优选地，第一热塑性聚氨基甲酸酯在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)具有8.5到14.5MPa的拉伸模数。更优选地，第一热塑性聚氨基甲酸酯在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)具有9到14MPa的拉伸模数。最优选地，第一热塑性聚氨基甲酸酯在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)具有9.5到13.5MPa的拉伸模数。
第二热塑性聚氨基甲酸酯具有40到50分子％己二酸、20到40分子％己二酸丁二醇、5到20分子％MDI-乙二醇和5到25分子％MDI。第二热塑性聚氨基甲酸酯具有60,000到80,000的Mn和125,000到175,000的Mw以及1.5到3的Mw比Mn比率。优选地，第二热塑性聚氨基甲酸酯具有65,000到75,000的Mn和140,000到160,000的Mw以及1.8到2.4的Mw比Mn比率。第二热塑性塑料如在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)所测量的拉伸模数小于第一热塑性聚氨基甲酸酯，并且第一和第二热塑性聚氨基甲酸酯的掺合物在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)的拉伸模数大于个别组分中的每一种。优选地，第二热塑性聚氨基甲酸酯在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)具有4到8MPa的拉伸模数。更优选地，第二热塑性聚氨基甲酸酯在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)具有4.5到7.5MPa的拉伸模数。优选地，多孔基质不含碳黑颗粒。优选地，第一和第二热塑性聚合物具有65度±5度的蒸馏水接触角。最优选地，第一和第二热塑性聚合物具有65度±3度的蒸馏水接触角。
优选地，第二热塑性塑料如在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)所测量的拉伸模数比第一热塑性聚氨基甲酸酯小至少20％。最优选地，第二热塑性塑料如在100％的拉伸伸长率下(ASTM D886)所测量的拉伸模数比第一热塑性聚氨基甲酸酯小至少30％。
此外，第一和第二热塑性聚氨基甲酸酯的掺合物优选在100％拉伸伸长率下(ASTMD886)具有8.5到12.5MPa的拉伸模数。第一和第二热塑性聚氨基甲酸酯的掺合物最优选在100％伸长率下(ASTM D886)具有9到12MPa的拉伸模数。第一和第二热塑性聚氨基甲酸酯的掺合物优选在100％拉伸伸长率下(ASTM D886)的拉伸模数比第二热塑性塑料大至少30％。第一和第二热塑性聚氨基甲酸酯的掺合物优选在100％拉伸伸长率下(ASTM D886)的拉伸模数比第二热塑性塑料大至少50％。尽管相等比例的第一和第二热塑性聚氨基甲酸酯是最优选的，但有可能将第一或第二热塑性聚氨基甲酸酯组分增加到比另一组分高至多50重量％的浓度。但优选地，第一或第二热塑性聚氨基甲酸酯组分的增加仅达到比另一组分高至多20重量％的浓度。
阴离子和非离子表面活性剂的混合物优选在凝结期间形成孔隙并且促成改进的硬链段-软链段形成和最优物理特性。对于阴离子表面活性剂，分子的表面活性部分携有负电荷。阴离子表面活性剂的实例包含但不限于羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸和聚磷酸酯以及氟化阴离子表面活性剂。更特定实例包含但不限于磺基琥珀酸二辛基钠、烷基苯磺酸钠和聚氧乙烯化脂肪醇羧酸酯的盐。对于非离子表面活性剂，表面活性部分不携有表观离子电荷。非离子表面活性剂的实例包含但不限于聚氧乙烯(POE)烷基苯酚、POE直链醇、POE聚氧丙烯二醇、POE硫醇、长链羧酸酯、烷醇胺烷醇酰胺、叔炔属二醇、POE硅酮、N-烷基吡咯烷酮和烷基多苷。更特定实例包含但不限于长链脂肪酸的单酸甘油酯、聚氧乙烯化烷基苯酚、聚氧乙烯化醇和聚氧乙烯鲸蜡基-硬脂基醚。关于阴离子和非离子表面活性剂的更完整描述，参见例如《表面活性剂与界面现象(Surfactants and Interfacial Phenomena)》,Milton J.Rosen,第三版,Wiley-Interscience,2004,第1章。
实例1
这个实例基于1.5mm厚的多孔性聚氨基甲酸酯抛光垫，其具有具备0.002m2平均孔隙面积和0.39mm高度的开孔垂直孔隙。抛光垫具有0.409g/mL的重量密度。抛光垫具有表1的尺寸的压花凹槽。
表1
尺寸/斜度 单位 垫A 垫1
枕块宽度 μm 1360×1360 1030×1030
抛光表面处的凹槽宽度 μm 1200 1600
凹槽深度 μm 400 580
绒毛层(凝结)厚度 μm 530 530
底部支柱宽度 μm 2150 2100
底部凹槽宽度 μm 490 440
凹槽锥度 度 45 45
在针对压花深度样式配置的氧化物CMP工艺条件下评估表1压花测试垫。在相同工艺条件下测试每个垫类型。用KLA-Tencor度量工具检查性能晶片的去除速率、不均匀性％(NU％)和缺陷度。抛光条件如下：
垫修整器：……….无
浆料：………………1730(16％)胶态二氧化硅浆料；
NH ILD 3225(12.5％)烟雾状二氧化硅
过滤：……..………Pall 0.3umPOU
工具：………………..Applied Materials-DE MDC Lab
清洁：…..…………ATMI Inc
氟化氢：一分钟，蚀刻速率是200埃/分钟
膜度量：.…………KLA-TencorTM F5X，薄膜度量
缺陷度量：………KLA-TencorTM SP2XP，分辨率达0.12μm
KLA-TencorTM eDR5200SEM
晶片：………….…300mm虚设(Dummy)硅晶片(有时具有残余TEOS)
300mm毯覆式(Blanket)TEOS 20K厚度晶片
目标：
去除速率
不均匀性％NU％
缺陷度计数(HF后)
缺陷度分级(HF后颤痕)
实验设计：
具有匹配载具的单一台板测试用于所有抛光。
程序-60秒ILD抛光，3psi(20.7kPa)与5psi(34.5kPa)/93rpm台板速度/87rpm载具速度/250ml/min浆料进料速率
所有垫和晶片对于实验都充分随机化。
每个垫运行由以下组成：
垫插入有20个虚设晶片，用浆料抛光60秒，总时间20分钟。
抛光程序(60秒抛光)
(A)3psi(20.7kPa)/93rpm台板速度/87rpm载具速度/250ml/min浆料流速，毯覆式TEOS晶片
(B)5psi(34.5kPa)/93rpm台板速度/87rpm载具速度/250ml/min浆料流速，毯覆式TEOS毯覆式TEOS晶片
(C)5psi(34.5kPa)/93rpm台板速度/87rpm载具速度/250ml/min浆料流速，毯覆式TEOS晶片
(D)5psi(34.5kPa)/93rpm台板速度/87rpm载具速度/250ml/min浆料流速，毯覆式TEOS晶片
(E)5psi(34.5kPa)/93rpm台板速度/87rpm载具速度/250ml/min浆料流速，毯覆式TEOS晶片
(F)3psi(20.7kPa)/93rpm台板速度/87rpm载具速度/250ml/min浆料流速，虚设TEOS晶片
程序A-F重复1次
测量晶片的去除速率和CMP后NU％。另外用HF酸蚀刻清洁TEOS晶片，并且对其进行SP2缺陷计数和SEM检视。JMP软件用于对反应进行统计分析。
去除速率和晶片内不均匀性检视：
在典型氧化物抛光条件下评估毯覆式TEOS晶片的去除速率和NU％反应。在KLA-Tencor F5XTM工具上测量膜厚度。65点测量配方，具有3毫米边缘排除的径向配方用于评估中。
缺陷检视：
在典型氧化物抛光条件下评估毯覆式TEOS晶片的缺陷度反应。在KLA-TencorSP2XPTM工具上测量下到0.10μm粒度的缺陷度。人工地检视SP2晶片图以对缺陷进行预分级并且减少不必要分析(例如处置标记、大刮痕和斑点)。
通过KLA-Tencor eDR5200SEM收集缺陷分级图像。由于存在大量缺陷，因此检视取样计划用于SEM图像收集。取样计划从每个晶片随机取样一百个缺陷，并且对访问群集设定规则。
在视场(FOV)2μm下使缺陷成像并且在需要时在更高放大率下重新成像。人工地对所有收集的缺陷图像分级。
来自SAS的JMP统计软件用于对反应进行统计分析。
结果：
为评估垫1压花凹槽与垫A压花凹槽相比的改进，通过如下方程式(1)计算平均缺陷计数的垫1改进％：
垫1改进％＝(垫A的X-垫1的Y)/垫A的X×100％
其中X是既定测试条件下垫A的平均缺陷计数并且Y对应地是垫1的平均缺陷计数。
去除速率：经收集用于比较垫1对比垫A垫的TEOS去除速率展示于表2中。
表2：垫1对比垫A的平均TEOS去除速率
在使用Klebosol 1730胶态浆料的所有实验条件下，与垫A压花垫相比，垫1垫都展现稍微降低的去除速率。在ILD 3225烟雾状二氧化硅浆料的情况下，当与垫A压花垫相比时，垫1压花垫在3psi和5psi(20.7kPa和34.5kPa)/工艺条件下分别展现去除速率的增加和降低。
NU％：不均匀性％
NU％表示由平均去除速率和其标准差计算的百分比。NU％和其差异呈现于表3中，用于比较垫1对比垫A垫。
表3：垫1对比垫A的平均NU％
在使用Klebosol 1730胶态浆料的所有实验条件下，与垫A压花垫相比，垫1垫都展现稍微更高的NU％的差异％。在ILD 3225烟雾状二氧化硅浆料的情况下，与垫A压花垫相比，垫1压花垫展现NU％无差异。
HF后缺陷计数
经收集用于比较深对比标准压花有槽抛光垫的总HF后缺陷计数展示于表4中。
表4：垫1对比垫A的平均缺陷计数
在使用Klebosol 1730胶态浆料的所有实验条件下，与垫A压花垫相比，垫1压花垫都展现比40％更好的缺陷计数改进。在使用ILD 3225烟雾状二氧化硅浆料的所有实验条件下，与垫A压花垫相比，垫1压花垫都展示更高缺陷水平。
HF后缺陷分级
通过SEM图像分级的HF后TEOS晶片展示于表5中。收集一百个随机选择的缺陷并且进行分级：颤痕、刮痕、颗粒、垫碎屑和有机残余物等。颤痕据认为是与CMP窗口垫和其与晶片的相互作用相关的主要缺陷。HF后颤痕缺陷计数包含于表5中。
表5：垫1对比垫A的HF后颤痕计数
在使用Klebosol 1730胶态浆料的所有实验条件下，与垫A压花垫相比，垫1压花垫都展示颤痕计数的减少。在使用ILD 3225烟雾状二氧化硅浆料的相同实验条件下，与垫A压花垫相比，垫1压花垫通过5psi(34.5kPa)和3psi(20.7kPa)的工艺条件分别展示颤痕计数的增加和减少。
结论：
当与垫A压花垫相比时，垫1压花垫展现相当到稍微降低的TEOS去除速率结果。去除速率差异归于更高的下压力5psi(34.5kPa)工艺条件。表4和5中突显的结果显示，在氧化物CMP中垫1压花垫的缺陷当与垫A压花垫的其对应地垫对应物相比时显著更低。使用K1730胶态二氧化硅浆料时，垫1压花垫相比于垫A压花垫展现40％到66％的缺陷计数改进。由垫A压花垫产生的总缺陷与垫配置中的垫1压花垫相比高2.4到2.9倍之间。
针对通常归于垫/晶片相互作用的颤痕缺陷进行SEM缺陷分级。使用K1730胶态浆料，与用垫A压花垫抛光的晶片相比，垫1压花垫展现低43到66％的颤痕缺陷计数。使用烟雾状二氧化硅浆料在3psi工艺条件下，垫1垫还展示31％缺陷计数减少改进。与经配置的垫中的垫1压花凹槽相比，由垫A压花垫产生的颤痕缺陷计数高1.7到2.4倍之间。
实例2
聚酯毡辊具有1.1mm的厚度、334g/m2的重量和0.303g/m3的密度。毡是两份可收缩(-55％在70℃下)比一份可收缩(-2.5％在70℃下)的比率的两种聚酯纤维的掺合物。第一纤维具有2.11dtex(kg/1000m)的重量、3.30cN/dtex的强度和75％的断裂伸长率。第二纤维具有2.29dtex(kg/1000m)的重量、2.91cN/dtex的强度和110％的断裂伸长率。用AG-E092全氟羧酸和其前驱物涂布毡使毡的顶部表面防水。在防水之后，将毡干燥并且燃烧以去除通过毡的顶部层突出的任何纤维端。
由热塑性塑料于二甲基甲酰胺溶剂中的掺合物制造一系列多孔性抛光垫，并且将其压花到实例3的垫3-2的尺寸。表6提供所测试的热塑性聚氨基甲酸酯成分和其摩尔配方的清单。Samprene和Crison分别是三洋化工(Sanyo Chemical Industry)和DIC的商标。
表6
表7显示，通过凝胶渗透色谱法“GPC”测试的以上组分如下：
表7
聚氨基甲酸酯 Mn Mw Mw/Mn
LQ-660 49,490 156,630 3.16
LQ-202 78,930 168,320 2.13
PS-542U 56,460 151,380 2.68
HPLC系统： Agilent 1100
柱： 2X PLgel 5μMixed-D(300×8mm ID)，具有5μ保护
洗脱剂： 四氢呋喃
流速： 1.0mL/min
检测： RI在40℃下
样品溶液的注射体积： 100μL
校准标准物： 聚苯乙烯
表8提供成分和50:50掺合物的物理特性。
表8
在后续测试中，添加碳黑颗粒到掺合物对物理特性具有极小影响。
表9提供一系列抛光垫配方。
表9
抛光条件如下：
1.抛光器：Reflexion LK，轮廓头(Contour head)
2.浆料：LK393C4胶态二氧化硅阻挡层浆料
3.垫插入：
i.73rpm台板速度/111rpm载具速度，2psi(13.8kPa)下压力，10min，HPR开启
4.修整：
i.121rpm台板速度/108rpm载具速度，3psi(20.7kPa)下压力6.3sec_A82+26sec_HPR仅
5.Cu毯覆式片预抛光：用VP6000聚氨基甲酸酯抛光垫/Planar CSL9044C胶态二氧化硅浆料抛光，约去除
6.交替Cu和TEOS虚设
7.方法：垫插入->在各种晶片运行数值下收集去除速率和缺陷
所有抛光垫都具有如表10中所见的铜和TEOS去除速率的极佳组合。
表10
增加磺基琥珀酸二辛基钠的量减小垂直孔隙的大小并且降低TEOS速率。增加聚氧乙烯鲸蜡基-硬脂基醚的量增大垂直孔隙的大小并且增加TEOS速率。增加磺基琥珀酸二辛基钠比聚氧乙烯鲸蜡基-硬脂基醚的比率减小垂直孔隙的大小并且降低TEOS速率。然而，如表11中所见，垫2压花垫产生最低数目的缺陷。
表11
垫 晶片数目 缺陷平均值 缺陷标准差
垫2 6 18 8
垫B 6 347 74
垫C 6 1676 275
图1描绘垫2压花抛光垫提供的缺陷的改进。垫2压花垫不积聚抛光碎屑。垫B和C各自在次要孔隙和基质中积聚抛光碎屑。这种抛光碎屑积聚呈现为产生抛光缺陷的根本推动因素。与比较垫B和C相比，垫2的缺陷计数显著减少并且无铜或TEOS去除速率损失。
实例3
将商业多孔性抛光垫“D”和实例2的两个垫(垫3；垫3-1和垫3-2)压花到不同尺寸。垫3-1具有压花设计，其中如在抛光表面处所测量枕块宽度超过凹槽宽度；并且垫3-2具有压花设计，其中如在抛光表面处所测量凹槽宽度超过枕块宽度。
表12
尺寸/斜度 单位 垫D 垫3-1 垫3-2
枕块宽度 μm 2750×2750 1480×1480 1135×1135
抛光表面处的凹槽宽度 μm 1250 1026 1500
凹槽深度 μm 450 342 480
绒毛层(凝结)厚度 μm 720 489 489
底部支柱宽度 μm 2164 2095
底部凹槽宽度 μm 309 572
凹槽锥度 度 0 45 45
然后在实例2的条件下对垫抛光。如表13和图2中所示，垫3-2展现最佳Cu速率稳定性。因此，凹槽宽度超过枕块宽度的深压花垫提供稍微更高的Cu速率。
表13
具体来说，随着增加Cu晶片计数，垫3-2展现比商业垫D的三分之一小的更紧密的铜去除速率变动。
如图3中所示，所有测试垫都展现良好TEOS速率稳定性。但垫3-2对于延长的抛光时间展现最佳TEOS速率稳定性。
表14
垫 晶片总计 平均刮痕计数 标准差
D 6 19.2 15.3
3-1 6 16.5 18.8
3-2 6 11.7 8.7
如表14中所示，垫3-2展现最低刮痕平均计数。垫3-2展现比商业多孔性抛光垫D更低的刮痕计数。
结论：
对于Cu和TEOS速率稳定性，压花垫3-2性能最佳。另外，如在抛光表面的平面处所测量具有增加的凹槽宽度比枕块宽度垫的垫3-2提供比标准压花设计稍微更高的Cu和TEOS速率。垫3-2提供最低刮痕平均计数，并且重要地展现比商业垫D显著更低的刮痕计数。
实例4
使用TMA根据ASTM E831，通过测量如图4中所示的拐点，实例2的聚氨基甲酸酯的四个样品(垫3)具有162℃的平均软化起始温度。用加热到160℃(图5A、6A和7A)(垫4)和175℃(图5B、6B和7B)(类似于垫3-2)的金属模具对实例2的两个垫压花以形成如在抛光表面的平面处所测量具有几乎相同枕块高度和凹槽宽度的垫(即在低于和高于TMA软化起始温度的温度下)。图5A和5B展现通过限制高于熔化起始温度的过热的量而实现的显著凹槽构造(formation)偏移。在175℃下压花的侧壁的熔化是主要形成机制，其中所有垂直孔隙都趋于保持垂直。这通过枕块中心和枕块锥形侧壁中的垂直孔隙可见。在160℃下形成的侧壁具有塑性变形，并且熔化是形成枕块的机制。塑性变形的证据包含孔隙向与锥形凹槽正交弯曲和邻近锥形侧壁出现的相关枕块高度降低。
如图6A和6B的高放大率SEM中所见，在低于平均软化起始温度的温度下压花的抛光垫维持大孔隙加互连较小孔隙的组合。这由图6B中所见的主要孔隙的大小减小和侧壁的粗化显而易见。
如图7A和7B中所见，所有抛光垫都具有熔化的较低凹槽表面。底部凹槽的熔化最可能将枕块锁定就位并且限制枕块结构的反冲。此外，光滑底部帮助去除碎屑而不产生裂隙，碎屑可能会取决于浆料系统而积聚和聚结于所述裂隙中。在175℃下压花的垫都具有光滑的熔化的凹槽底部和较下末端的侧壁。然而，光滑壁导致足以减小整个枕块大小的侧壁粗化。
为比较压花垫，在与实例2和3中相同的条件下对图5A、6A和7A以及图5B、6B和7B的抛光垫抛光。如图8中所示，在低于软化起始温度下压花的垫，垫4提供比实例3的垫3-2显著更低的刮痕计数。
本发明有效用于超低缺陷铜-阻挡层抛光。具体来说，垫以对于多个晶片保持稳定的极佳铜和TEOS速率抛光。此外，所述垫比常规抛光垫具有显著更低的刮痕和颤痕缺陷。

Claims (10)

1.一种抛光垫，其适用于使用抛光流体以及所述抛光垫与半导体、光学和磁衬底中的至少一个之间的相对运动来抛光或平面化半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个，所述抛光垫包括以下各项：
具有开孔聚合基质、抛光表面和厚度的抛光层，所述开孔聚合基质具有垂直孔隙和互连所述垂直孔隙的开放通道；
所述抛光层中的多个凹槽，所述凹槽具有邻近抛光表面测量的平均宽度，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过所述多个凹槽的所述宽度时所述多个凹槽具有碎屑去除停留时间；以及
所述多个凹槽内的多个凸出槽脊区域，所述多个凸出槽脊区域用从所述底部多个凸出槽脊区域向外并且向下延伸的锥形支撑结构支持，所述多个槽脊区域具有由含有所述垂直孔隙的所述聚合物基质形成所述抛光表面的截头或非尖顶部，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过邻近所述多个凹槽的所述多个凸出槽脊区域时所述多个凸出槽脊区域具有抛光停留时间，所述多个凸出槽脊区域具有小于所述多个凹槽的平均宽度的平均宽度，以便减少所述凸出槽脊区域的抛光停留时间并且增加所述凹槽区域的所述碎屑去除停留时间到大于所述抛光停留时间的值。
2.根据权利要求1所述的抛光垫，其中所述垂直孔隙具有平均高度并且所述多个凹槽具有大于所述垂直孔隙的所述平均高度的平均深度。
3.根据权利要求1所述的抛光垫，其中所述垂直孔隙具有在所述抛光表面下方增加的平均直径。
4.根据权利要求1所述的抛光垫，其中所述凸出槽脊区域具有选自半球形、截头角锥形、截头梯形和其组合的形状，所述多个凹槽以线性方式延伸于所述凸出槽脊区域之间。
5.根据权利要求1所述的抛光垫，其中多个凹槽形成正交栅格图案。
6.一种抛光垫，其适用于使用抛光流体以及所述抛光垫与半导体、光学和磁衬底中的至少一个之间的相对运动来抛光或平面化半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个，所述抛光垫包括以下各项：
具有开孔聚合基质、抛光表面和厚度的抛光层，所述开孔聚合基质具有垂直孔隙和互连所述垂直孔隙的开放通道；
所述抛光层中的多个凹槽，所述凹槽具有邻近抛光表面测量的平均宽度，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过所述多个凹槽的所述宽度时所述多个凹槽具有碎屑去除停留时间；以及
所述多个凹槽内的多个凸出槽脊区域，所述多个凸出槽脊区域用如从所述抛光表面的平面所测量以30到60度的斜度从所述底部多个凸出槽脊区域向外并且向下延伸的锥形支撑结构支持，所述多个槽脊区域具有由含有所述垂直孔隙的所述聚合物基质形成所述抛光表面的截头或非尖顶部，在以固定速率旋转的半导体、光学和磁衬底中的所述至少一个上的点越过邻近所述多个凹槽的所述多个凸出槽脊区域时所述多个凸出槽脊区域具有抛光停留时间，所述多个凸出槽脊区域具有小于所述多个凹槽的平均宽度的平均宽度，以便减少所述凸出槽脊区域的抛光停留时间并且增加所述凹槽区域的所述碎屑去除停留时间到大于所述抛光停留时间的值。
7.根据权利要求6所述的抛光垫，其中所述垂直孔隙具有平均高度并且所述多个凹槽具有大于所述垂直孔隙的所述平均高度的平均深度。
8.根据权利要求6所述的抛光垫，其中所述垂直孔隙具有在所述抛光表面下方增加的平均直径。
9.根据权利要求6所述的抛光垫，其中所述凸出槽脊区域具有选自半球形、截头角锥形、截头梯形和其组合的形状，所述多个凹槽以线性方式延伸于所述凸出槽脊区域之间。
10.根据权利要求6所述的抛光垫，其中多个凹槽形成正交栅格图案。
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