CN107877359A - 用于使化学机械抛光垫表面成形的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于对聚合物(优选多孔聚合物)化学机械(CMP)抛光垫或层进行预调理且抛光衬底的装置，所述装置包含：具有转子的旋转式研磨机总成，所述转子具有多孔研磨材料的研磨表面；平台式压板，其用于固持所述CMP抛光垫或层就位，以便将所述旋转式研磨机的研磨表面安置于所述平台式压板的表面上方且平行于所述平台式压板的表面，从而形成所述CMP抛光层的表面与所述多孔研磨材料的表面的界面；以及衬底固持器，其定位于所述平台式压板的顶表面上方且平行于所述平台式压板的顶表面和CMP衬底所附着者，借此在所述衬底的表面与所述CMP抛光层的表面之间产生抛光界面，其中所述衬底固持器独立于所述旋转式研磨机总成和所述平台式压板而旋转。

Description

用于使化学机械抛光垫表面成形的装置
本发明涉及一种用于向抛光垫(如聚合物垫)提供垫表面微纹理结构的装置，所述抛光垫用于衬底(如半导体衬底、磁性衬底和光学衬底)的化学机械平坦化(CMP)；以及使用所述装置的方法。更具体地说，本发明涉及一种用于研磨CMP抛光层表面的装置，所述装置包含：旋转式研磨机，所述研磨机具有多孔研磨材料的研磨表面以形成CMP抛光层表面与多孔研磨材料表面的界面；以及用于固持CMP抛光层就位的平台式压板。
化学机械平坦化所用的抛光垫的制造已知包括使泡沫或多孔聚合物在具有最终抛光垫(如聚氨基甲酸酯)的期望直径的模具中成型和固化、随后使固化聚合物脱模且在平行于模具顶表面的方向上切割(例如通过切削)固化聚合物以形成具有期望厚度的层，以及然后使所得层成形，例如通过研磨、选路或将最终表面设计压印入抛光垫顶部。此前，使这类层成形为抛光垫的已知方法包括层注塑成型、层挤出、用固定研磨带对层进行磨光和/或将层端面车削成期望的厚度和平坦度。这些方法实现一致的垫表面微纹理结构的能力有限，所述一致的垫表面微纹理结构是降低抛光衬底中的缺陷度和从衬底均匀去除材料所必需的。事实上，所述方法通常创建了可见设计，如具有指定宽度和深度的凹槽和可见但不一致的纹理。举例来说，由于模具刚度随着模具厚度而变且切削刀片连续磨损，因此切削工艺对于垫表面成形来说是不可靠的。由于连续的工具磨损和车床定位精度，因此单点端面车削技术已经不能够产生一致的垫表面微纹理结构。注塑成型工艺所制得的垫由于穿过模具的材料流动不一致而缺乏均匀性；另外，由于具有固化性的成型材料和成型材料的剩余部分在注射到围束区域中期间、尤其在高温下可以按不同的速率流动，因此当垫固定且固化时，成型物倾向于变形。
还已经使用磨光方法使具有较硬表面的化学机械抛光垫光滑。在磨光方法的一个实例中，West等人的美国专利第7,118,461号公开了用于化学机械平坦化的光滑垫和所述垫的制造方法，所述方法包含用研磨带磨光或抛光垫表面以从垫表面去除材料。在一个实例中，磨光之后使用较小研磨带进行后续磨光步骤。所述方法的产品相较于未经修光的相同垫产品展现改善的平坦化能力。遗憾的是，虽然West等人的方法可以使垫光滑，但是其未能提供一致的垫表面微纹理结构且无法用于处理较软的垫(垫或垫聚合物基质的根据ASTMD2240-15(2015)的肖氏D硬度为40或更小)。另外，West等人的方法去除的材料如此得多，以致所得抛光垫的使用寿命可能受到不利的影响。仍期望提供一种具有一致的表面微纹理结构而不限制垫使用寿命的化学机械抛光垫。
化学机械抛光垫的调理类似于磨光，其中所述垫在使用时通常用具有类似于细砂纸的表面的旋转式磨轮进行调理。进行‘磨合’期(在此期间，不使用垫进行抛光)之后，这类调理使得平坦化效率提高。仍期望消除磨合期且提供可以立即用于抛光的预调理垫。
本发明人已经致力于发现制造预调理型CMP垫的装置，所述预调理型CMP垫具有一致的垫表面微纹理结构，同时保持其原始表面构形。
发明内容
1.根据本发明，提供具有有效用于抛光的垫表面微纹理结构的预调理型聚合物(优选多孔聚合物)聚氨基甲酸酯或聚氨基甲酸酯泡沫化学机械(CMP)抛光垫或层的装置包含：具有转轮或转子的旋转式研磨机总成，所述转轮或转子具有多孔研磨材料的研磨表面；和用于将CMP抛光层固持就位(如通过压敏粘合剂或优选真空)的平台式压板，所述旋转式研磨机的研磨表面安置于平台式压板的表面上方且平行于或基本上平行于平台式压板的表面以形成CMP抛光层表面与多孔研磨材料表面的界面。
2.根据如上文第1项所述的本发明装置，其中所述CMP抛光层具有从其中心点延伸到其外周缘的半径且所述旋转式研磨机总成的转轮或转子的研磨表面的直径等于或大于CMP抛光层的半径，优选的是等于CMP抛光层的半径。
3.根据如上文第2项所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成的转轮或转子的定位使得在研磨期间，其研磨表面的外周缘直接搁置在CMP抛光层的中心上。
4.根据如上文第1、2或3项中任一项所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成的转轮或转子以及CMP抛光层和平台式压板各自在CMP抛光层研磨期间旋转。优选的是，平台式压板的旋转方向与旋转式研磨机总成相反。
5.根据如上文第4项中所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成的转轮或转子是以50到500rpm或优选150到300rpm的速率旋转，且所述平台式压板是以6到45rpm或优选8到20rpm的速率旋转。
6.根据如上文第1、2、3、4或5项中任一项所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成的转轮或转子在研磨期间定位于CMP抛光层和平台式压板上方，且所述旋转式研磨机从刚好高于CMP抛光层表面的点以0.1到15微米/转或优选0.2到10微米/转的速率向下馈送，即，使CMP抛光层表面与多孔研磨材料表面的界面收缩。
7.根据如上文第1、2、3、4、5或6项中任一项所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成包含包括马达或旋转式致动器(如电动或伺服马达)的驱动外壳，以及与马达或旋转式致动器连接且由马达或旋转式致动器驱动的垂直安置式轮轴(如通过齿轮或驱动带)，所述轮轴延伸到驱动外壳内且在其下端通过机械联动装置(如齿轮或驱动带)连接到转轮或转子，以使得其按期望的转数/分钟(rpm)速率旋转。
8.根据如上文第7项所述的本发明装置，其中在驱动外壳中，所述垂直安置式轮轴包含滚珠螺杆或二级伺服马达，所述滚珠螺杆或二级伺服马达位于所述轮轴与马达或旋转式致动器的连接处、轮轴与转轮或转子的机械连接处，或这两个位置，借此可以使旋转式研磨机总成的转轮或转子按设定的递增速率向下馈送。
9.根据如上文第8项所述的本发明装置，其中所述转轮或转子包含一个或多个偏心机构、气动驱动器(如气缸)、电子致动器或马达致动器，如伺服马达，优选围绕转轮或转子按径向阵列布置的三个到八个这类致动器，借此可以使转轮或转子倾斜，以便其研磨表面基本上平行于平台式压板的顶表面，从而允许研磨产生中心厚或中心薄的CMP抛光层或垫。
10.根据本发明的装置，其中所述旋转式研磨机总成的转轮或转子具有优选承载于单垫圈上的多孔研磨材料研磨介质，所述研磨介质附着于其周缘下表面，如通过夹子、扣件的径向阵列或侧向弹簧负载式卡扣环，所述卡扣环位于旋转式研磨机总成的下表面上、与多孔研磨材料环的周缘紧贴配合。
11.根据如上文第11项所述的本发明装置，其中所述多孔研磨材料研磨介质布置于多个区段中，所述区段围绕旋转式研磨机总成的周缘的下表面延伸且所述区段之间具有间隙。
12.根据如上文第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11中任一项所述的本发明装置，其中所述多孔研磨材料是多孔连续相的复合物，所述多孔连续相已分散于其细粉状无孔研磨颗粒中，如氮化硼或优选金刚石颗粒。
13.根据如上文第12项所述的本发明装置，其中所述多孔研磨材料的多孔连续相具有3到240μm或优选10到80μm的平均孔径。
14.根据如上文第8或9项中任一项所述的本发明装置，其中所述多孔研磨材料的多孔连续相包含陶瓷，优选烧结陶瓷，如氧化铝或二氧化铈。
15.根据如上文第1到14项中任一项所述的本发明装置，其中所述平台式压板含有贯穿压板而与真空连通的多个小孔，例如直径0.5到5mm的小孔。所述孔可以通过在研磨期间保持CMP抛光层衬底就位的任何适合方式布置，如沿着从平台式压板中心点向外延伸的一系列轮辐布置或布置于一系列同心环中。
16.根据如上文第1到15项中任一项所述的本发明装置，进一步包含导管、软管、喷嘴或阀门，其用于间歇或优选连续地鼓吹压缩的惰性气体或空气，且定位成将惰性气体或空气吹入CMP抛光层材料表面与多孔研磨材料表面的界面，以便在研磨期间冲击多孔研磨材料，优选的是从平台式压板上的CMP抛光层的中心点邻近的点吹遍CMP抛光层与多孔研磨材料的界面，或更优选的是，所述导管、软管、喷嘴或阀门定位成将惰性气体或空气从平台式压板上的CMP抛光层的中心点邻近的点吹遍CMP抛光层与多孔研磨材料的界面，以便冲击多孔研磨材料；且单独地包含第二导管、软管或阀门，用于从刚好低于旋转式研磨机总成的周缘的点向上鼓吹压缩的惰性气体或空气，以便在研磨期间冲击多孔研磨材料，例如在CMP抛光层的周缘和旋转式研磨机的周缘会合的情况下。
17.根据如上文第1到16项中任一项所述的本发明装置，所述装置进一步包含衬底固持器，所述衬底固持器定位于平台式压板的顶表面上方且平行于平台式压板的顶表面，以便与旋转式研磨机总成所安置的区域和CMP衬底(如半导体衬底或晶片、磁性衬底或光学衬底)所附着(例如夹持)的区域不重叠，借此在衬底表面与CMP抛光层表面之间产生抛光的界面，其中所述基板固持器独立于旋转式研磨机总成和平台式压板而旋转，例如按照1到200rpm或优选10到100rpm的个别速度旋转。
18.根据如上文第17项所述的本发明装置，其中所述衬底固持器的直径小于平台式压板上所固持的CMP抛光层或垫的半径，且另外其中，所述衬底固持器以机械方式连接到或安装于第一致动器，如伺服马达，以便使研磨机围绕中心轴旋转；以及第二致动器，如第二伺服马达或Z轴滚珠螺杆，以便将衬底固持器抵压着CMP抛光层或垫。
19.根据如上文第1到18项中任一项所述的本发明装置，其中整个装置封闭于气密式罩壳内部，如其中相对湿度(RH)范围可以是5到100％(例如5到50％)的罩壳。
除非另有说明，否则温度和压力条件是环境温度和标准压力。所述的全部范围具有包括性和可组合性。
除非另有说明，否则含有圆括号的任何术语均可替代地指完整术语(如同圆括号不存在以及术语没有它们一般)以及每个替代形式的组合。因此，术语“(聚)异氰酸酯”是指异氰酸酯、聚异氰酸酯或其混合物。
全部范围具有包括性和可组合性。举例来说，术语“范围50到3000cps，或100cps或更大”将包括50到100cps、50到3000cps以及100到3000cps中的每一个。
如本文所用，术语“ASTM”是指宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM国际组织(ASTMInternational,West Conshohocken,PA)的出版物。
如本文所用，术语“厚度变化”意指根据CMP抛光垫厚度的最大变化所测定的值。
如本文所用，术语“基本上平行”是指旋转式研磨机的研磨表面与CMP抛光层的顶表面所形成的角度，或更具体地说，由平行于旋转式研磨机的研磨表面延伸且终止于CMP抛光层中心点上方的点的第一线段与从第一线段的末端平行于平台式压板的顶表面延伸且终止于平台式压板的外周缘的第二线段的交叉点限定的角度为178°到182°，或优选179°到181°，其中所述第一和第二线段处于与平台式压板正交的平面内，所述平面通过CMP抛光层的中心点以及旋转式研磨机的研磨表面周缘上的位置距CMP抛光层中心点最远的点。
如本文所用，术语“Sq.”当用于定义表面粗糙度时意指在所给定CMP抛光层的表面上的指定点处所测量的指定数目个表面粗糙度值的均方根。
如本文所用，术语“表面粗糙度”意指通过在所给定CMP抛光层的顶表面上的任何给定点处测量表面相对于最佳配合平面的高度所测定的值，所述最佳配合平面代表了平行于和位于所给定CMP抛光层的顶表面的水平表面。可接受的表面粗糙度范围是0.01μm到25μm Sq，或优选1μm到15μm Sq。
如本文所用，术语“wt.％”表示重量百分比。
附图说明
图1描绘了根据本发明的旋转式研磨机装置且展现了平台式压板和含有透明窗的CMP抛光层。
图2描绘了经本发明装置处理的CMP抛光层，所述CMP抛光层的表面上具有由相交弧线界定的一致的槽沟微纹理结构，其中每一个弧线的曲率半径等于或稍微大于CMP抛光层的半径。
图3描绘了根据本发明的具有衬底固持器的旋转式研磨机和抛光装置，所述衬底固持器经调适以平坦化或抛光衬底，如半导体。
根据本发明，研磨装置改善了CMP抛光层(包括CMP抛光垫和抛光层的顶表面)的表面微纹理结构。所述装置产生了一致的表面微纹理结构，所述微纹理结构的特征在于，CMP抛光层表面中具有曲率半径与旋转式研磨机的研磨表面的外周缘所界定的圆相同的一系列相交弧线；且CMP抛光层的上表面的表面粗糙度为0.01到25μm Sq。本发明人已经发现，经根据本发明的旋转式研磨机处理的CMP抛光层性能良好，调理较少或无需调理，即其是预调理型。另外，旋转式研磨机处理的CMP抛光层的垫表面微纹理结构增强了衬底抛光。本发明的装置有助于避免垫形态出现因切削所致的不规整，切削可能引起化学机械抛光垫中出现表面缺陷，如凿孔，以及比CMP抛光层的其余部分更软的窗材料发生鼓泡。另外，本发明的装置有助于使垫堆叠期间(其中使两个或更多个垫层通过相隔固定距离的辊隙组)因抛光层变形所致的负面影响最小化。对于软的且可压缩的CMP抛光层来说，这尤其重要。另外，本发明的装置和处理过的垫，其提供了能够优化的表面微纹理结构，降低了缺陷度且改善了整个衬底表面(例如半导体或晶片表面)上的材料均匀去除。
本发明人已经发现，用多孔研磨材料研磨CMP抛光层能够在研磨介质不积垢的情况下且在对CMP抛光层衬底无损伤的情况下完成研磨。多孔研磨材料中的孔隙大足以存储从CMP抛光层衬底中去除的微粒；且多孔研磨材料的孔隙度足以存储在研磨期间所去除的材料主体。优选的是，将压缩空气吹遍多孔研磨材料与CMP抛光层衬底的界面进一步有助于去除研磨物质且防止研磨设备积垢。
在使用本发明装置的任何方法中，也可以在研磨之前或之后鼓吹压缩气体或空气。
本发明的装置可以包含旋转式研磨机和平台式压板。旋转式研磨机是按设定的速率或馈送速率下降到搁置在平台式压板上的CMP抛光层上。
如图1所示，本发明的装置研磨定位于平台式压板(1)表面上的CMP抛光层表面，所述平台式压板装备有未图示的真空孔口。将CMP抛光层或垫(2)放在平台式压板(1)上，使得平台式压板(1)的中心点与CMP抛光层(2)的中心点对齐。图1中的平台式压板(1)具有真空排气口(图中未示)以固持CMP抛光层(2)就位。在图1中，CMP抛光层(2)具有一个窗(3)。本发明的研磨机构包含旋转式研磨机(转轮)总成(4)或转子，其周缘的下表面处附着有包含多孔研磨材料(5)的研磨介质，如图所示，所述研磨介质布置于围绕转子(4)周缘下表面延伸的多个区段中。区段之间具有较小间隙。在图1中，旋转式研磨机总成(4)视需要定位成其周缘刚好位于CMP抛光层(2)的中心点上方；另外，旋转式研磨机总成(4)具有所期望的尺寸，以使得其直径大致等于CMP抛光层(2)的半径。
本发明的装置可以优选地包含研磨机/调理机和抛光装置，其中将CMP抛光垫安装于平台式压板上且将旋转式研磨机总成和衬底固持器独立地下降到CMP抛光垫上以在其中的每一个与CMP抛光层顶部之间形成界面。衬底固持器以机械方式连接到或安装于第一致动器，如伺服马达，以便使衬底固持器围绕中心轴旋转；以及第二致动器，如第二伺服马达或Z轴滚珠螺杆，以便将衬底固持器抵压着CMP抛光垫。
如图3中所示，本发明的装置在研磨定位于平台式压板(1)表面上的CMP抛光层的表面的同时抛光衬底。将CMP抛光层或垫(2)放在平台式压板(1)上，使得平台式压板(1)的中心点与CMP抛光层(2)的中心点对齐。图3中的平台式压板(1)具有真空排气口(图中未示)以固持CMP抛光层(2)就位。在图3中，CMP抛光层(2)具有一个窗(3)。本发明的研磨机构包含旋转式研磨机(转轮)总成(4)或转子，其周缘的下表面处附着有包含多孔研磨材料(5)的研磨介质，如图所示，所述研磨介质布置于围绕转子(4)周缘下表面延伸的多个区段中。另外，相对于旋转式研磨机总成(4)偏移的衬底固持器(6)或晶片载具在其下表面上固持300mm晶片(7)。
研磨和抛光装置如下操作：将衬底(例如半导体晶片)固持于衬底固持器的下表面上，且抵压着平台式压板的上表面上的CMP抛光垫。平台式压板和衬底固持器彼此间相对旋转，借此使得衬底的下表面与抛光垫实现滑动接触。此时，研磨液喷嘴(图中未示)向抛光垫供应研磨液，如水性二氧化硅或研磨氧化物、碳化物或氮化物颗粒浆液。衬底的下表面通过研磨液中的研磨颗粒与CMP抛光层表面的机械抛光作用的组合来抛光。
本发明的旋转式研磨机包含圆形旋转式研磨机总成或转子，所述研磨机总成或转子在其周缘处附着有多孔研磨材料，优选呈锯齿状或包含围绕旋转式研磨机周缘的不连续点或间隙的多孔研磨材料。多孔研磨材料的下表面是旋转式研磨机的研磨表面。多孔研磨材料可以呈装入或附着到旋转式研磨机总成的下表面的环或环区段形式。多孔研磨材料可以包含向下端面车削区段的径向阵列，通常为10到40个其间具有间隙的多孔研磨材料区段；或由多孔研磨材料制成的其中具有周期性穿孔的穿孔环。间隙或穿孔允许在研磨之前、期间或之后将压缩气体或空气吹入CMP抛光层的表面与多孔研磨材料的表面的界面，以去除研磨物质和清洁多孔研磨材料。另外，多孔研磨材料中的缺口或间隙有助于在研磨期间冷却多孔研磨材料和CMP抛光层衬底的表面。
本发明的装置可以定位成补偿不期望的CMP衬底轮廓磨损，如在CMP工艺导致轮廓磨损不一致的情况下，如衬底边缘处出现的去除太少或太多。这继而可以延长垫寿命。处于这类位置时，旋转式研磨机总成的研磨表面可以调节成使得其基本上平行于、但非精确地平行于平台式压板或CMP抛光层的顶表面。举例来说，可以调节旋转式研磨机的研磨表面以产生中心厚(旋转式研磨机与平台式压板半径之间的角度超过180°，所述角度所处的平面与平台式压板正交且通过CMP抛光层的中心点和旋转式研磨机的研磨表面的周缘上的位置距CMP抛光层中心点最远的点)或中心薄(角度小于180°)。
本发明的装置能够在湿润环境中使用，如联合水或研磨水性浆液，如二氧化硅或二氧化铈浆液。
由于旋转式研磨机元件的尺寸可以改变，因此本发明的装置能按比例调节以便配合各种尺寸的CMP抛光层。根据本发明的装置，平台式压板应该大于CMP抛光层或优选具有半径等于CMP抛光层半径或半径在比CMP抛光层半径长10cm内的尺寸。装置由此能按比例调节以处理半径为100mm到610mm的CMP抛光层。
各种旋转式研磨机总成可以配合根据本发明的装置使用，一次使用一个。旋转式研磨机总成经选择以使得其直径匹配或稍微大于所研磨的CMP抛光层的半径。或者，旋转式研磨机总成被调适成允许各种直径的多孔研磨材料研磨介质环或盘片(优选单垫圈)附着在其周缘的下表面。
各种衬底固持器可以配合根据本发明的装置使用，一次使用一个。衬底固持器经选择以使得其直径小于抛光所用的CMP抛光层的半径且大于所抛光的衬底的直径。
本发明的装置能够提供不会出现窗鼓胀和切削所致缺陷的CMP抛光层或垫。因此，根据一种使用本发明装置的方法，CMP抛光层可以如下形成：使聚合物成型以形成具有所期望直径或半径的多孔成型物，所述直径或半径将是由其制成的垫的尺寸，然后将所述成型物切削到所期望的厚度，所述厚度将是根据本发明制造的垫的目标厚度，随后研磨所述垫或CMP抛光层以在垫抛光表面上提供所期望的垫表面微纹理结构。
在使用本发明装置的方法中，可以对单个层或单个垫以及对具有子垫层的堆叠垫进行研磨。优选的是，在堆叠垫的情况下，所述方法包含在堆叠垫之后研磨CMP抛光层，以便研磨可以有助于消除堆叠垫的变形。
适合的CMP抛光垫可以如下形成：使聚合物成型且切削成型聚合物以形成用作垫的CMP抛光层，或优选如下形成：使聚合物成型且切削成型聚合物以形成CMP抛光层，随后将CMP抛光层堆叠在直径与CMP抛光层相同的子垫或底层的顶部以形成CMP抛光垫。
在使用本发明装置的方法中，可以包含形成CMP抛光垫、在所述垫中形成凹槽(如通过车削所述垫)，以及然后用旋转式研磨机研磨CMP抛光垫以形成垫表面微纹理结构，包括位于抛光表面上且曲率半径等于或大于(优选等于)抛光层半径的一系列可见相交弧线，同时用CMP抛光垫对衬底进行平坦化。在这类方法中，CMP抛光垫在使用时被调理且发生表面重构。
在使用本发明装置的方法中，可以包含形成CMP抛光垫、用旋转式研磨机研磨CMP抛光垫以形成垫表面微纹理结构，包括位于抛光表面上且曲率半径等于或大于(优选等于)抛光层半径的一系列可见相交弧线，同时用CMP抛光垫对衬底进行平坦化，以及然后在所述垫中形成凹槽，如通过车削所述垫来形成凹槽。
另外，本发明的装置可以用作CMP抛光或平坦化工具，即研磨和抛光装置。
在另一方面中，本发明提供使用本发明的研磨和抛光装置的方法。根据使用本发明的研磨和抛光装置的方法，将CMP抛光垫附着到平台式压板的上表面且将衬底(如待抛光的半导体晶片)夹到衬底固持器上，以便所述衬底固持器的下表面可以下降到位于平台式压板上的CMP抛光垫上，随后使所有的平台式压板、旋转式研磨机总成和衬底固持器旋转。
在使用本发明的研磨和抛光装置的方法中，将含有研磨颗粒(如二氧化硅、二氧化铈或氧化铝或其混合物)的研磨液供应到抛光垫上且滞留于其上。在操作期间，衬底固持器向平台式压板施加2到69kPa、优选3到48kPa的所期望向下压力，且因此在衬底固持器和平台式压板旋转的同时，使抵着CMP抛光垫所固持的衬底的表面平坦化。
优选的是，在将根据本发明的衬底抛光的方法中，衬底固持器和平台式压板是按相同方向旋转。
适合根据本发明装置使用方法使用的CMP抛光层包含聚合物或优选包含多孔聚合物、聚合物泡沫或含有填料的多孔聚合物材料，根据ASTM D2240-15(2015)，其具有20到80或例如40或更小的肖氏D硬度。
优选的是，本发明的方法可以针对任何CMP抛光垫进行，包括由相对较软的聚合物制成的CMP抛光垫，且尤其用于处理肖氏D硬度为40或更小的软垫。
适合根据本发明装置使用方法使用的CMP抛光层可以进一步包含一个或多个无孔透明窗截面，如包含玻璃转移温度(DSC)为75到105℃的无孔聚氨基甲酸酯的窗截面，如未延伸越过CMP抛光层中心点的窗截面。在这类CMP抛光层中，一个或多个窗截面具有顶表面，所述顶表面根据50μm或更小的窗厚度变化相对于所述窗的最大维度(如圆形窗的直径，或矩形窗的长度或宽度中的较大者)来界定。
另外，适合配合本发明装置使用方法使用的CMP抛光层可以包含平均粒度为10到60μm的多个孔隙或微元件，优选聚合物微球体。优选的是，这种CMP抛光层具有从CMP抛光层中心点向外延伸到其外周缘的较高密度和较低密度交替的环形带。举例来说，较高密度环形带的密度比较低密度环形带高0.01到0.2g/cm3。
相应地，根据本发明装置使用方法制成的化学机械(CMP)抛光垫包含具有一定半径的多孔聚合物CMP抛光层，所述CMP抛光层具有至少0.01μm到25μm Sq或优选1μm到15μmSq的表面粗糙度，且具有位于抛光层表面上的一系列可见相交弧线，所述相交弧线的曲率半径等于或大于(优选)抛光层曲率半径的一半。优选的是，所述系列的可见相交弧线围绕抛光层的中心点、按径向对称性延伸遍及抛光层的表面。
根据本发明装置使用方法制成的CMP抛光垫具有中心点和半径。这类抛光垫可以具有据以使垫倾斜的厚度，以致越接近其中心点，所述厚度变得越大，或倾斜成距离其中心点越远，厚度变得越大。
实例：在以下实例中，除非另有说明，否则所有压力单位是标准压力(～101kPa)且所有温度单位是室温(21-23℃)。
实例1：使用具有330mm(13")半径的VP5000TM CMP抛光层或垫的两种形式(陶氏化学(Dow Chemical)，密歇根州米德兰(Midland,MI)(陶氏))进行试验。所述垫无窗。在实例1-1中，CMP抛光层包含具有2.03mm(80密耳)厚度的单一多孔聚氨基甲酸酯垫，且其中聚氨基甲酸酯的肖氏D硬度是64.9。在实例1-2中，CMP抛光层包含使用压敏粘合剂将实例1-1的相同聚氨基甲酸酯垫堆叠到由聚酯毡(陶氏)制成的SUBA IVTM子垫上而得到的堆叠垫。
实例1-A和1-B中的比较物是分别与实例1-1和1-2相同的垫，但是未根据本发明的方法加以处理：所述堆叠垫具有SIV子垫。
所有垫具有1010个凹槽(具有0.0768cm(0.030")深度×0.0511cm(0.020")宽度×0.307cm(0.120")间距的同心圆凹槽图案)，且无窗。
多孔研磨材料是具有151μm平均研磨尺寸的玻璃化多孔金刚石研磨剂。为了研磨衬底，旋转式研磨机总成平行于平台式压板的顶部定位且按284rpm逆时针旋转且平台式铝压板按8rpm顺时针旋转。从多孔研磨材料刚好开始触碰CMP抛光层衬底的点开始，旋转式研磨机总成按每3次垫转数5.8μm(0.0002")增量的速率向下馈送到平台式压板。在此期间，将压缩的干燥空气(CDA)从2个喷嘴吹入多孔研磨材料的表面与CMP抛光层的表面的界面，所述喷嘴一个刚好位于CMP抛光层中心点的上方且另一个位于多孔研磨材料的后侧的距垫中心约210mm(8.25")处。研磨持续约5分钟。
在抛光测试中如下评估得自实例1的垫的去除速率、非均匀性和颤痕(缺陷度)：
去除速率：在200mm尺寸的四乙氧基硅酸盐(TEOS)衬底上，通过使用指定的垫和200ml/min流速的ILD3225TM烟雾状二氧化硅水性浆液(陶氏)平坦化衬底来测定。使用MirraTM抛光工具(加利福尼亚州圣克拉拉市应用材料公司(Applied Materials,SantaClara,CA)，在93/87压板/衬底载具处，抛光压力为0.11、0.21和0.32kg/cm2(1.5、3.0、4.5psi)下压力不等。测试之前，使用SAESOLTM 8031C1盘(烧结的金刚石粉尘表面，10.16cm直径，韩国塞索尔金刚石有限公司(Saesol Diamond Ind.Co.,Ltd.,Korea))作为调理机，在3.2kg(7磅)下调理所有抛光垫40分钟。在测试期间，继续对所述垫进行相同调理。每个垫测试总共18个晶片且获得平均值。
非均匀性：针对在去除速率测试中平坦化的相同TEOS衬底且按照去除速率测试中所公开的方式进行测定，其例外之处是通过观察晶片内厚度变化来获得数据。每个垫测试总共18个晶片且获得平均值。
颤痕或缺陷计数：针对在去除速率测试中平坦化的相同TEOS衬底且按照去除速率测试中所公开的方式进行测定，其例外之处是通过观察CMP缺陷总数来获得数据。每个垫测试总共18个晶片且获得平均值。
所得垫具有垫表面微纹理结构，所述垫表面微纹理结构包含曲率半径等于旋转式研磨机总成的周缘的曲率半径的相交弧线。另外，如下表1所示，本发明实例1-1和1-2的垫在衬底上产生的平坦化速率与实例1-A(单个)和1-B(堆叠)的比较垫相同；同时，相较于未经历本发明研磨方法的比较实例1-A和1-B的垫，本发明实例1-1和1-2的垫在衬底中产生的缺陷度显著降低且颤振标记显著减少。
表1：形态和抛光性能-小型垫
*-表示比较实例。
实例2：使用具有61.0肖氏D硬度的419mm(16.5")半径IC1000TM单层聚氨基甲酸酯垫(陶氏)进行试验，其中按上述实例1的方式处理实例2的垫，其例外之处是将旋转式研磨机总成按每8次垫转数20.3μm(0.0007")增量的速率向下馈送到平台式压板且持续研磨5.5分钟。比较实例2-A的垫是未根据本发明方法处理的与实例2相同的垫。
对14个垫进行试验且报告厚度变化的平均结果，所述厚度变化如下测试：
厚度变化：使用座标测量机在抛光垫的整个表面上测定。每个垫收集从垫中心到边缘的总共9个离散测量位置。通过从最厚测量值减去最薄测量值来计算厚度变化。结果显示在下表2中。
所得本发明的垫具有特征性垫表面微纹理结构。本发明实例2的垫具有较小的平均厚度变化且因此其形状比比较实例2-A的垫更一致。
表2：形态-较大垫
实例2-A* 实例2
样品数目 10 10
平均厚度变化，μm 17.66 7.42
*-表示比较实例。
实例3：相较于可市购的IC1000TM垫(陶氏)，测量上述实例2的垫的表面粗糙度。比较实例2的垫是与实例2-A相同的垫，但未根据本发明的方法处理。
在2个垫中的每一个上，从垫中心到边缘在5个等间距的点处测量表面粗糙度且表面粗糙度的平均结果报告于下表3中。
表3：表面粗糙度
实例3-A* 实例3
样品数目 1 1
均方根，(Sq)μm 12.52 5.48
核心粗糙深度，Sk，μm 14.82 10.17
减小的峰高度，(Spk)，μm 7.60 4.93
减小的谷深度，(Svk)，μm 26.44 9.78
*-表示比较实例。
如上表3所示，实例3中的本发明CMP抛光层具有所定义的垫表面微纹理结构和以减小的谷深度为特征的确定表面粗糙度。

Claims (11)

1.一种提供具有垫表面微纹理结构的预调理型聚合物化学机械(CMP)抛光垫或层以及抛光衬底的装置，所述装置包含：具有转轮或转子的旋转式研磨机总成，所述转轮或转子具有多孔研磨材料的研磨表面；用于固持所述CMP抛光层就位的平台式压板，所述旋转式研磨机的所述研磨表面安置于所述平台式压板的表面上方且平行于或基本上平行于所述平台式压板的所述表面以形成所述CMP抛光层的表面和所述多孔研磨材料的表面的界面；以及衬底固持器，所述衬底固持器定位于所述平台式压板的顶表面上方且平行于所述平台式压板的所述顶表面以便与所述旋转式研磨机总成所安置的区域和CMP衬底所附着的区域不发生重叠，借此在所述衬底的表面与所述CMP抛光层的所述表面之间产生抛光界面，其中所述衬底固持器独立于所述旋转式研磨机总成和所述平台式压板而旋转。
2.根据权利要求1所述的本发明装置，其中所述平台式压板通过真空来固持所述CMP抛光层就位。
3.根据权利要求1所述的本发明装置，其中所述CMP抛光层具有从其中心点延伸到其外周缘的半径且所述旋转式研磨机总成的所述转轮或转子的所述研磨表面具有等于或大于所述CMP抛光层的所述半径的直径。
4.根据权利要求3所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成的所述直径等于所述CMP抛光层的所述半径。
5.根据权利要求1所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成的所述转轮或转子定位成使得在研磨期间，其研磨表面的所述外周缘直接搁置在所述CMP抛光层的所述中心上。
6.根据权利要求1所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成的所述转轮或转子以及所述CMP抛光层和平台式压板在所述CMP抛光层的研磨期间各自旋转。
7.根据权利要求1所述的本发明装置，其中所述旋转式研磨机总成包含包括马达或旋转式致动器的驱动外壳以及与所述马达或旋转式致动器连接且由所述马达或旋转式致动器驱动的垂直安置式轮轴，所述轮轴延伸到驱动外壳中且在其下端通过机械联动装置连接到所述转轮或转子，使得其按照所期望的转数/分钟速率(rpm)旋转。
8.根据权利要求1所述的本发明装置，其中在所述驱动外壳中，所述垂直安置式轮轴包含滚珠螺杆或二级伺服马达，所述滚珠螺杆或二级伺服马达位于所述轮轴与所述马达或旋转式致动器的连接处、所述轮轴与所述转轮或转子的机械连接处，或这两个位置，借此可以使所述旋转式研磨机总成的所述转轮或转子按设定的递增速率向下馈送。
9.根据权利要求1所述的本发明装置，进一步包含导管、软管、喷嘴或阀门，其用于间歇或连续地鼓吹压缩的惰性气体或空气且定位成将所述惰性气体或空气吹入所述CMP抛光层材料的所述表面与所述多孔研磨材料的所述表面的所述界面中以便在研磨期间冲击所述多孔研磨材料；且单独地包含第二导管、软管或阀门，用于从刚好低于所述旋转式研磨机总成的周缘的点向上鼓吹压缩的惰性气体或空气以便在研磨期间冲击所述多孔研磨材料。
10.根据权利要求1所述的本发明装置，其中所述衬底固持器的直径比所述平台式压板上所固持的所述CMP抛光层或垫的所述半径小，且另外其中，所述衬底固持器以机械方式连接到或安装于第一致动器以便使所述研磨机围绕中心轴旋转；以及第二致动器以便使所述衬底固持器抵压着所述CMP抛光层或垫。
11.根据权利要求1所述的本发明装置，其中所述整个装置封闭于气密式罩壳内部。
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