CN108453970A - 一种化学机械抛光垫的制造方法及其产品和模具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学机械抛光垫的制造方法，和其制造的带有终点检测窗口的化学机械抛光垫，及配合使用的单片或多片组合式浇注模具。本工艺中，将成型好且为固体的终点检测窗口利用一次性一体化浇注成型工艺包埋嵌合于化学机械抛光垫抛光层中，从而直接制得牢固粘结有窗口的抛光层抛光层。利用单片或多片组合式浇注模具，对每片带窗口的抛光层的浇注工艺参数控制精确，所得产品抛光垫本体具有优异的密度分布、空穴率和空穴大小的均匀性，进而取得了抛光垫整体的工艺和质量稳定性。所得产品的窗口与抛光层本体的接触面在物理和化学的双重作用下进行粘合，粘合效果极佳，消除了使用过程中接触面裂缝而致的渗漏现象。因此，具有显著的实际推广价值。

Description

一种化学机械抛光垫的制造方法及其产品和模具
技术领域
本发明涉及化学机械抛光领域，具体涉及一种化学机械抛光垫的制造方法及其产品和模具。
背景技术
随着半导体制程工艺的不断升级，光刻技术对圆晶表面的平坦化程度的要求越来越高。化学机械抛光技术，也称作化学机械平坦化技术，作为目前晶圆集成电路加工中唯一能够实现表面全局平坦化的技术，在圆晶的表面处理过程中起到了关键性的作用。
化学机械抛光垫作为化学机械抛光技术中的重要耗材，其作用如下：把抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域；将抛光后便化学反应充分进行的反应物、碎屑等顺利排出，达到去除效果；维持抛光垫表面的抛光液薄膜，以便化学反应充分进行；保持抛光过程的平稳、表面不变形，以便获得较好的晶片表面形貌。因此，其密度、硬度、压缩比、涵养量、表面粗糙度、孔洞尺寸大小等直接影响到半导体圆晶的加工成品质量。目前，化学机械抛光垫按其抛光层的材质分，主要分为聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、复合型抛光垫等。聚氨酯抛光垫因其优异的性能，被广泛用于化学机械抛光领域。通常，聚氨酯抛光垫可以采用浇注工艺进行制备，即将聚氨酯预聚体和辅料组分通过浇注机浇注至模具中进行成型。这里的浇注机是指树脂浇注机，其为一种广泛应用于二组分或多组分热固型树脂成型生产的浇注设备。
除抛光垫本身性能外，在圆晶抛光工艺中抛光终点的检测和控制同样重要，良好的终点检测和控制能够避免晶片抛光过渡或不足的情况发生，从而保证和提高产品的良率。通常的抛光终点检测方法是在抛光垫的抛光层上安装一个光学透明的窗口，抛光过程中利用光波穿过此窗口并被晶片表面反射回来的光学效应来判断晶片厚度的变化，进而判定抛光过程的终点。
通常，有两种方式来实现上述带终点检测窗口的化学机械抛光垫。一种是在已成型好的抛光层中开一个与检测窗口尺寸匹配的通孔，然后通过胶黏剂、双面胶等在通孔处固定一个光学透明的窗口；这种方式下能够保证抛光层本身的性能带到要求，但其窗口是后固定上去的，随着使用常常发生窗口与抛光层粘合不紧的问题，严重时甚至产生抛光液的渗漏、干扰终点检测的进行。另一种是先浇注出一个厚度相当几十至近百片抛光层累加厚度的、其中插有一个柱状的窗口材料嵌入物的预制料，然后再用切片机从预制料中切出一片一片的带有嵌入窗口的抛光层；这种方式下，由于窗口窗口材料是在浇注过程中嵌入进去的，抛光层在固化成型的过程中与之产生化学和物理上的结合力，其间的粘合能力强且可靠，远优于第一种方式中的固定手段；但是，又由于浇注料黏度高、成型过程中黏度上升极快、流动性差、导热系数低，而通过传统浇注工艺成型尺寸规格较大的预制料是，因传质、传热控制上的困难易导致预制料内部的温度、密度、空穴率和空穴大小的均匀性都比较差，进而影响成型后抛光层本身的抛光性能；此外，在切片机切割预制料时，也存在对抛光层厚度和其均匀性进行精确控制的难点，还存在造成窗口切割面破坏而导致材料报废的风险。
发明内容
本发明提供了一种化学机械抛光垫的制造方法及其产品和模具，以解决带终点检测窗口的化学抛光垫中，抛光层整体的工艺和质量稳定性差、抛光层本体的内部结构均匀性差以及窗口与抛光层本体的粘合可靠性差的问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种化学机械抛光垫的制造方法，其为一次性一体化浇注成型工艺包括以下步骤：
(1)按所形状和尺寸将耐浇注温度、光学透明的且为固体的窗口材料经机加工得到终点检测窗口；
(2)将所得终点检测窗口固定在抛光垫抛光层浇注模具型腔内的设计固定位置处；
(3)合模后向模具型腔内浇注入抛光层浇注料，并在一定的固化温度条件下保持一段时间；
(4)降温脱模得到镶嵌粘接固定有终点检测窗口的抛光垫抛光层；
(5)所得抛光层与按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层粘接贴合后得到带终点检测窗口的化学机械抛光垫。
本技术方案中所提供的化学机械抛光垫制造方法，采用了自主研发的一次性一体化成型工艺直接成型工艺。
其中，“一体化”是指终点检测窗口和抛光层本体为一个整体结构。区别于“成型-开孔-置入-胶接”的一般工艺，本工艺中提前将机加工成型好的终点检测窗口置于浇注模具型腔中，在抛光层本体浇注固化成型的同时直接成型带有终点检测窗口的抛光垫抛光层。最终成型的抛光点本体是一种具有多孔结构的树脂片，因此在固化成型过程中浇注料会产生体积膨胀。当浇注料体积膨胀过型腔体积后，浇注料会对预置于型腔内的终点检测窗口产生挤压，从而部分浇注料分子或分子的一部分在压力的作用下渗入窗口侧表面的微观缺陷结构中。随着固化的进行，抛光层浇注料分子间慢慢交联、固化，而渗入窗口侧表面的分子同时固化，这部分固化嵌合在窗口侧表面微观缺陷结构中的分子或分子链与抛光层本体中的分子相互交联的，因而在窗口与抛光层本体间充当了一种物理咬合结构。这种物理咬合结构，一方面填满了窗口与抛光层本体间可能存在的缝隙，起到了优异的密封性能；另一方面则通过机械咬合力将窗口牢牢固定于抛光层本体上，使得两者之间的粘合效果大大提升。同时，由于树脂材料本身具有的粘合能力，当其接触到终点检测窗口表面并受到压力作用时，其分子外侧的亲窗口材料官能团能与窗口表面形成化学键，从而进一步增强了窗口与抛光层本体接触面的粘合力。例如，窗口材料为聚碳酸酯时，浇注料分子上的氢原子与窗口表面聚碳酸酯分子上裸露出来的酰基氧原子形成氢键，从而提高了窗口与抛光垫本体间的结合力，大大提高了粘结的可靠性。
此外，“一次性”是指经一体化浇注成型的带终点检测窗口的抛光垫抛光层，其尺寸大小在无任何后处理的情况下基本与设计尺寸相当，且尺寸波动范围极小，这是通过创新设计的抛光层单片浇注成型工艺所独具的特点。区别于“柱状窗口材料嵌入-浇注成型-切片-打磨”工艺，“一次性”工艺中直接省去了对抛光层尺寸的切片后处理过程，因此也不会对成型的抛光层及其所带的终点检测窗口造成损伤，完整地保留了两者应有的功能。同时，由于每个型腔只成型一片抛光层，因此浇注料相对较少，可以实现对每片抛光层的生产工艺参数的精确控制。这就利于对浇注料填充量、流动性、区域温度及散热的准确监测和控制，保证了固化成型过程中型腔内浇注料的温度、密度、空穴率和空穴大小的均匀性，进而得到优异的产品质量的均一稳定性。
总的来说，本方案创新地提出的“一次性一体化成型工艺”，通过对终点检测窗口的一体成型和抛光层本体的单片精确浇注控制，能够在无需切片后处理的情况下，连续且稳定地生产出符合设计要求的、尺寸结构稳定的、内部结构均匀的且窗口嵌合牢固可靠的带窗口抛光层，从而真正提升了产品的均一稳定性和良率，同时也是保护了价值更为高昂的圆晶片在抛光过程中免于损伤或报废。通过上述工艺，有效地避免了传统成型工艺中片与片之间均一稳定性难以控制而导致的产品工艺和质量稳定性差的问题，还避免了因窗口和抛光垫本体接触面粘合不牢靠而在使用过程出现断裂所引起的对晶片抛光作业的影响。此外，工艺中的终点检测窗口为固体，在浇注过程中受压不易产生形变，一方面良好地保证了其功能结构尺寸，另一当面其变相小或不变形的特点使接触面收到来自于浇注料的压力更充足，利于浇注料分子在窗口侧表面的渗透和形成化学作用力，有力地保障了接触面粘合的牢靠性。
进一步地，步骤(2)中将终点检测窗口固定在模具型腔内的方法为：以采用依靠窗口厚度与模具型腔厚度之间的设计差异在模具合模后型腔壁对窗口的压力进行固定。此固定方式能够有效地简化模具，适用于窗口材料质地较为坚固且形状设计较为复杂的情况。
进一步地，步骤(2)中将终点检测窗口固定在模具型腔内的方法为：在型腔壁的设计固定位置处铣出与窗口的形状和大小相匹配、有一定深度的凹槽，然后将窗口置入凹槽中进行固定。此固定方式操作方便快捷且位置精确，适用于同一窗口设计下的带窗口抛光层的连续生产。此外，其主要由与窗口外形尺寸匹配的预设凹槽对窗口进行限位固定，不会给终点检测窗口施加过多的压力，因此对窗口材料质地软硬没有过多的要求。
进一步地，步骤(2)中将终点检测窗口固定在模具型腔内的方法为：使用具有耐浇注温度的双面胶带将窗口材料的一侧或者双侧粘结固定模具型腔壁的设计固定位置处。此方法主要用于应对窗口厚度和型腔厚度尺寸差异较小时，受压易滑动的问题，也用于上述两种方案的辅助固定手段。
进一步地，步骤(4)所得的抛光垫抛光层用于步骤(5)前，先经过表面加工并雕刻沟槽。通过进行表面纹理设计、加工、雕刻沟槽后，能够进一步提升抛光层的抛光性能，如抛光速度、磨削带出率、抛光液流动性能等等。
基于上述制造方法，本发明还提供一种使用上述制造方法制造的化学机械抛光垫，包括带有终点检测窗口的抛光层和与抛光层一侧粘接贴合的按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层；所述抛光层采用一次性一体化成型浇注工艺制成，且无需任何后处理即与设计尺寸相同；所述终点检测窗口的材质为耐浇注温度、光学透明且为固体的材料；所述终点检测窗口包埋镶嵌于抛光层中，并通过化学力和机械力共同作用实现粘接紧固。
上述抛光垫的抛光层与包埋嵌合其中的终点检测窗口为一体化浇注成型，其接触面通过物理咬合与化学键合的双重作用力进行粘合，粘合效果牢固可靠，粘合面抗剪切性能、抗粘合界面开裂剥离能力大大提高，能够满足晶片抛光操作中长时间的压力旋转作业，保证了抛光终点检测的准确性，进而保障了晶片的抛光质量。终点检测窗口为光学透明的材料，保证了检测光波和反射光波的透过性；为耐浇注温度且为固体的材料，故浇注成型过程中在高温受压的条件下不易产生外形及内部结构的变化，保证了其光学功能特性。此外，采用单片成型，内部结构均一，外形尺寸稳定，且无需进行抛光层的切片后处理，因此保证了抛光层的包括密度分布、空穴率、空穴大小在内的各项关键性能参数的精确控制，进而实现了抛光垫的优良性能。
进一步地，所述抛光层未与衬底层贴合的一面设有沟槽。
基于上述制造方法和产品，本发明还提供一种用于上述抛光垫抛光层的模具，包括中部设有型腔、对角分别设有与型腔连通的流道和排气口的模板，所述模板有n+1块，模板与模板间并排连接，并夹出n个闭合的型腔，n为自然数；所述型腔的尺寸与抛光垫抛光层的设计尺寸相同；所述型腔壁上按抛光垫终点检测窗口的设计要求设有终点检测窗口固定位置。此模具根据上述“一次性一体化浇注成型工艺”进行设计的全新叠合式单片浇注模具，其每个型腔对应一片精确浇注成型的带终点检测窗口的抛光垫抛光层，通过对各型腔内的浇注料参数进行监控和精确调节，保证了每片抛光层的成型质量以及片与片间的均一稳定性，进而提高了产品的良率，有效地提高了生产效率，显著节约了生产成本。
进一步地，所述终点检测窗口固定位置为在型腔内壁设计位置处开设的终点检测窗口固定槽。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)通过创新工艺，实现了带终点检测窗口的抛光垫抛光层的一次性一体化浇注成型，简化了成型工艺步骤，节省了相应的工序设备投资、原材料消耗、工时支出等生产成本，同时也提高了抛光垫整体工艺和质量的稳定性；
(2)终点检测窗口和抛光层本体接触面在一体化浇注成型过程中形成物理和化学双重粘合力，粘合面紧密牢固，抗剪切性能、抗粘合界面开裂剥离能力优异，能够满足晶片抛光操作中长时间的压力旋转作业，消除了窗口与抛光垫之间在使用过程中开胶渗水现象的发生，保证了抛光终点检测的准确性，进而保障了晶片的抛光质量，避免了因抛光垫检测窗口质量问题导致的晶片报废可能；
(3)优化、创新了抛光层的单片浇注工艺，保证了抛光层的包括密度分布、空穴率、空穴大小在内的各项关键性能参数的精确控制，进而实现了单片抛光垫抛光层的内部结构高度均匀，以及连续生产的片与片间的均一稳定性；
(4)提供了从产品到工艺到设备一整套技术方案，具有良好的实际推广价值。
附图说明
图1是本发明制造方法的工艺流程简图
图2是带终点检测窗口的化学机械抛光垫的结构示意图；
图3是单片浇注模具的模板及型腔的示意图；
图4是带终点检测窗口固定槽的单片浇注模具的模板及型腔的示意图；
图5是五片组合式浇注模具的组成示意图。
图中标记为：1、化学机械抛光垫的抛光层；2、化学机械抛光垫的衬底层；3、终点检测窗口；4、浇注模具模板；5、模具型腔；6、浇注料流道；7、排气口；8、终点检测窗口固定槽；9、五片组合浇注模具的第一片模板；10、五片组合浇注模具的第一片模板的型腔；11、五片组合浇注模具的第二片模板；12、第三片模板；13、第四片模板；14、第五片模板；15、第六片模板；16、浇料口。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1～5和实施例对本发明作详细说明。
实施例1
一种化学机械抛光垫的制造方法，其为一次性一体化浇注成型工艺包括以下步骤：
按所形状和尺寸将耐浇注温度、光学透明的固体材料且为固体的窗口材料经机加工得到终点检测窗口；
将所得终点检测窗口通过尺寸差异产生的压力压合固定在抛光垫抛光层浇注模具型腔内的设计固定位置处；
合模后向模具型腔内浇注入抛光层浇注料，并在一定的固化温度条件下保持一段时间；
降温脱模得到镶嵌粘接固定有终点检测窗口的抛光垫抛光层；
所得抛光层与按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层粘接贴合后得到带终点检测窗口的化学机械抛光垫。
实施例2
一种化学机械抛光垫的制造方法，其为一次性一体化浇注成型工艺，包括以下步骤：
按所形状和尺寸将耐浇注温度、光学透明的固体材料且为固体的窗口材料经机加工得到终点检测窗口；
将所得终点检测窗口通过浇注温度的双面胶带固定在抛光垫抛光层浇注模具型腔内的设计固定位置处；
合模后向模具型腔内浇注入抛光层浇注料，并在一定的固化温度条件下保持一段时间；
降温脱模得到镶嵌粘接固定有终点检测窗口的抛光垫抛光层；
所得抛光层与按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层粘接贴合后得到带终点检测窗口的化学机械抛光垫。
实施例3
一种化学机械抛光垫的制造方法，其为一次性一体化浇注成型工艺，包括以下步骤：
按所形状和尺寸将耐浇注温度、光学透明的固体材料且为固体的窗口材料经机加工得到终点检测窗口；
将所得终点检测窗口安装到抛光垫抛光层浇注模具型腔壁上的预先开设的尺寸匹配的凹槽中；
合模后向模具型腔内浇注入抛光层浇注料，并在一定的固化温度条件下保持一段时间；
降温脱模得到镶嵌粘接固定有终点检测窗口的抛光垫抛光层；
所得抛光层与按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层粘接贴合后得到带终点检测窗口的化学机械抛光垫。
实施例4
一种化学机械抛光垫的制造方法，其为一次性一体化浇注成型工艺，包括以下步骤：
按所形状和尺寸将耐浇注温度、光学透明的固体材料且为固体的窗口材料经机加工得到终点检测窗口；
将所得终点检测窗口安装到抛光垫抛光层浇注模具型腔壁上的预先开设的尺寸匹配的凹槽中；
合模后向模具型腔内浇注入抛光层浇注料，并在一定的固化温度条件下保持一段时间；
降温脱模得到镶嵌粘接固定有终点检测窗口的抛光垫抛光层；
将所得抛光垫抛光层的一面经表面处理雕刻上所需要的纹理或沟槽；
将所得雕刻后的抛光层未处理的一面与按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层粘接贴合后得到带终点检测窗口的化学机械抛光垫。
实施例5
一种使用实施例1～3任一项所述方法制造的化学机械抛光垫，包括带有终点检测窗口3的抛光层1和与抛光层一侧粘接贴合的按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层2；抛光层1采用一次性一体化成型浇注工艺制成，且无需切片后处理；终点检测窗口3的材质为耐浇注温度、光学透明且为固体的材料；终点检测窗口包埋镶嵌于抛光层1中，并通过化学力和机械力共同作用实现粘接紧固。
实施例6
一种使用实施例4所述方法制造的化学机械抛光垫，包括带有终点检测窗口3的抛光层1和与抛光层一侧粘接贴合的按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层2；抛光层1采用一次性一体化成型浇注工艺制成，且无需切片后处理；终点检测窗口3的材质为耐浇注温度、光学透明且为固体的材料；终点检测窗口包埋镶嵌于抛光层1中，并通过化学力和机械力共同作用实现粘接紧固。其中，抛光层1未与衬底层贴合的一面设有纹理或沟槽。
实施例7
一种用于使用实施例1或2所述方法制造实施例5所述化学机械抛光垫的设备，包括中部设有型腔5、对角分别设有与型腔5连通的流道6和排气口7的模板4；所述模板4有6块；模板4与模板4间并排连接，并夹出5个闭合的型腔5；所述型腔5的尺寸与抛光垫抛光层的设计尺寸相同；所述型腔5壁上按抛光垫终点检测窗口的设计要求设有终点检测窗口固定位置。
实施例8
一种用于使用实施例3所述方法制造实施例5所述机械抛光垫，或实施例4所述制造方法制造实施例6所述的化学机械抛光垫的设备，包括中部设有型腔5、对角分别设有与型腔5连通的流道6和排气口7的模板4，所述模板4有6块；模板4与模板4间并排连接，并夹出5个闭合的型腔5；所述型腔5的尺寸与抛光垫抛光层的设计尺寸相同；所述型腔5壁上按抛光垫终点检测窗口的设计要求设有终点检测窗口固定位置；所述终点检测窗口固定位置为在型腔内壁设计位置处开设的终点检测窗口固定槽8。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种化学机械抛光垫的制造方法，其特征在于：所述制造方法为一次性一体化浇注成型工艺；所述一次性一体浇注成型工艺包括以下步骤：
(1)按所需形状和尺寸将耐浇注温度、光学透明的且为固体的窗口材料经机加工得到终点检测窗口；
(2)将所得终点检测窗口固定在抛光垫抛光层浇注模具型腔内的设计固定位置处；
(3)合模后向模具型腔内浇注入抛光层浇注料，并在一定的固化温度条件下保持一段时间；
(4)降温脱模得到镶嵌粘接固定有终点检测窗口的抛光垫抛光层；
(5)所得抛光层与按抛光垫设计要求开有通孔的衬底层粘接贴合后得到带终点检测窗口的化学机械抛光垫。
2.根据权利要求1所述的一种化学机械抛光垫的制造方法，其特征在于，步骤(2)中将终点检测窗口固定在模具型腔内的方法为：以采用依靠窗口厚度与模具型腔厚度之间的设计差异在模具合模后型腔壁对窗口的压力进行固定。
3.根据权利要求1所述的一种化学机械抛光垫的制造方法，其特征在于，步骤(2)中将终点检测窗口固定在模具型腔内的方法为：在型腔壁的设计固定位置处铣出与窗口的形状和大小相匹配、有一定深度的凹槽，然后将窗口置入凹槽中进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种化学机械抛光垫的制造方法，其特征在于，步骤(2)中将终点检测窗口固定在模具型腔内的方法为：使用具有耐浇注温度的双面胶带将窗口材料的一侧或者双侧粘结固定模具型腔壁的设计固定位置处。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种化学机械抛光垫的制造方法，其特征在于，步骤(4)所得的抛光垫抛光层用于步骤(5)前，先经过表面加工并雕刻沟槽。
6.一种使用权利要求1～5任一项所述制造方法制造的化学机械抛光垫，包括带有终点检测窗口(3)的抛光层(1)和与抛光层一侧粘接贴合的衬底层(2)；其特征在于：所述抛光层(1)采用一次性一体化成型浇注工艺制成，且无需切片后处理；所述终点检测窗口(3)的材质为耐浇注温度、光学透明且为固体的材料；所述终点检测窗口包埋镶嵌于抛光层(1)中，并通过化学力和机械力共同作用实现粘接紧固。
7.根据权利要求6所述的化学机械抛光垫，其特征在于：所述抛光层(1)未与衬底层贴合的一面设有沟槽。
8.一种用于制造权利要求6或7所述抛光层的模具，包括中部设有型腔(5)、对角分别设有与型腔(5)连通的流道(6)和排气口(7)的模板(5)，其特征在于：所述模板(4)有n+1块，模板(4)与模板(4)间并排连接，并夹出n个闭合的型腔(5)，n为自然数；所述型腔(5)的尺寸与抛光垫抛光层的尺寸相同；所述型腔(5)壁上按抛光垫终点检测窗口的设计要求设有终点检测窗口固定位置。
9.根据权利要求8所述的模具，其特征在于：所述终点检测窗口固定位置为在型腔内壁设计位置处开设的终点检测窗口固定槽(8)。
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