CN108655948A - 抛光垫及研磨设备 - Google Patents
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Abstract
抛光垫，包括：垫片本体，具有研磨面；至少两个相互套设的圈形槽，设置在研磨面上；以及至少一条线形沟槽，设置在研磨面上，穿过每个圈形槽且与被穿过的圈形槽相通，其中，线形沟槽的深度是变化的，深度随着距离最内圈的圈形槽的中心处距离的增加而增加。一方面，在垫片本体的研磨面上设置有相互套设的圈形槽，其能够封住进入抛光垫的抛光液使得抛光液保持适宜的驻留时间，起到抛光的效果。另一方面，穿过每个圈形槽且与被穿过的圈形槽相通的线形沟槽，其能够将完成抛光过程的抛光液从圈形槽中导出，特别是因为线形槽的深度随着距离最内圈的圈形槽的中心距离的增加而增加，在该斜面的作用下，抛光液可以依靠重力而自然排出。
Description
技术领域
本发明涉及一种抛光垫，属于化学/机械抛光领域。
背景技术
化学机械平面抛光或化学机械抛光(CMP)是目前用于工件表面抛光最常用的技术。CMP是将化学侵蚀和机械去除进行结合后得到的复合技术，也是对半导体晶片之类平面化最常用的技术。
目前，常规的CMP过程中，晶片被安装在研磨设备的支架组件上，通过调节相关参数来设置抛光过程中晶片与抛光垫接触的位置。在抛光过程中，晶片被施加了可控压力压向抛光垫，通过外驱力使抛光垫相对于晶片转动。在相对转动过程中，抛光液被持续性地滴入到抛光垫上，从而通过抛光垫表面的机械作用以及抛光液的化学作用，对晶片表面进行平坦化研磨，实现晶片的抛光。
抛光垫的表面沟槽形状及尺寸作为决定抛光垫性能的关键参数之一,对抛光的化学及机械过程产生重要影响：在化学氧化过程中,抛光垫的表面沟槽会影响抛光液的运送及均布,改变晶片、抛光垫及抛光液三者的温度,从而影响化学反应速度、产物及其浓度；在机械去除过程中,抛光垫的表面沟槽会改变抛光垫与晶片之间接触区域、摩擦力及薄膜厚度,从而影响机械去除速率及加工质量，对抛光液的平均驻留时间也会产生重要影响。
常见的抛光垫表面沟槽形状有4种:正负螺旋对数型、同心圆型、栅格型及放射状。在抛光垫的使用中，抛光垫既需要及时排出旧抛光液及抛光产物,又要使得新抛光液能及时进入加工区域,在这个抛光液进出过程中还需要使抛光液保持适宜的平均驻留时间。然而，以上四种现有结构的抛光垫都不能同时满足这两项要求。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种既有利于控制旧抛光液的排出，也能使抛光液保持适宜的停留时间的新的抛光垫。
本发明提供了一种抛光垫，其特征在于，包括：垫片本体，具有研磨面；至少两个相互套设的圈形槽，设置在所述研磨面上；以及至少一条线形沟槽，设置在所述研磨面上，穿过每个所述圈形槽且与被穿过的所述圈形槽相通，其中，所述线形沟槽的深度是变化的，深度随着距离最内圈的圈形槽的中心处距离的增加而增加。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，所述线形沟槽的宽度为0.3-0.7mm，所述圈形槽彼此之间的间距为0.2-1.0mm，所述线形沟槽的最深处的深度与最浅处的深度差值为0.2至0.8mm，所述线形沟槽的厚度是随着距离最内圈的圈形槽的中心处距离的增加而线性增加或阶梯式增加或是线性和阶梯式复合增加的。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，所述线形沟槽呈直线、折现或是曲线延伸，所述线形沟槽为V形槽，该V形槽的截面为等腰三角形，顶角为160°至170°。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于还包括：开关单元，包括至少一个开关，每个所述开关安装在所述线形沟槽的外端，用于控制所述线形沟槽作为物料流通的通道的打开或封堵状态。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，所述开关为活动块，该活动块通过滑动、上下按压或者翻转的方式来堵塞或是开启所述线形沟槽的流动通道。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，所述开关包括设置在所述线形沟槽的外端的开关座以及安装在该开关座上的活动块，所述开关座具有供所述活动块插入固定来堵塞所述线形沟槽的流动通道的开关槽。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，所述开关座的底面设置有滑槽，该滑槽用于卡合在所述垫片本体的边沿上而能够自由滑动。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，所述开关包括圆形圈和突起块，所述圆形圈作为开关座，所述突起块设置在圆形圈的内壁面上，作为活动块其尺寸、形状与所述线形沟槽相匹配，通过将所述圆形圈套着所述垫片本体上使得所述活动块堵住所述线形沟槽。
本发明提供的抛光垫，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，所述垫片本体为圆饼状，所述圈形槽为圆形，所述圈形槽彼此是同中心地设置的，所述线形槽是以所述圈形槽的中心为中心来均匀呈放射状设置的，所述线形沟槽的外端具有保持深度最大值的平坦区，该平坦区靠近所述圈形槽的中心的一端到所述圈形槽的中心的距离为所述垫片本体的半径的0.90倍至0.98倍。
本发明还提供一种研磨设备，具有与被研磨工件接触的抛光垫，其特征在于：其中，所述抛光垫为上述的抛光垫。
发明的作用和效果：根据本发明所涉及的抛光垫，因为一方面，在垫片本体的研磨面上设置有相互套设的圈形槽，其能够封住进入抛光垫的抛光液使得抛光液保持适宜的驻留时间，起到抛光的效果。
另一方面，穿过每个所述圈形槽且与被穿过的所述圈形槽相通的线形沟槽，其能够将完成抛光过程的抛光液从圈形槽中导出，特别是因为线形槽的深度随着距离最内圈的圈形槽的中心距离的增加而增加，也就是说，线形槽的底面是一个从内圈的圈形槽的中心向外圈的圈形槽的周边部而逐渐降低的斜面，在该斜面的作用下，抛光液可以依靠重力而自然排出，所以，如此设计的抛光垫既能够及时排出旧抛光液及抛光产物,而且在及时排出旧抛光液及抛光产物的情况下能够保证新抛光液能及时进入加工区域。
附图说明
图1是本发明的实施例中抛光垫的结构示意图；
图2是图1的A-A向的剖视图；
图3为优化实施例使用的摆动式开关的结构示意图；
图4为优化实施例使用的按压式开关的结构示意图；
图5为与优化实施例使用的按压式开关的结构相配合的示意图正弦曲线形的线形沟槽的结构示意图；以及
图6为另一优化实施例的一体式开关的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的抛光垫及研磨设备的结构、组成、原理以及使用方法作具体阐述。
本实施例提供一种研磨设备，用于研磨晶片，具有研磨用的抛光垫以及安装晶片的支架组件。研磨时，晶片被安装在该研磨设备的支架组件上，通过调节相关参数来设置抛光过程中晶片与抛光垫接触的位置。在抛光过程中，晶片被施加了可控压力压向抛光垫，通过外驱力使抛光垫相对于晶片转动。在相对转动过程中，抛光液被持续性地滴入到抛光垫上，从而通过抛光垫表面的机械作用以及抛光液的化学作用，对晶片表面进行平坦化研磨，实现晶片的抛光。
图1是本发明的实施例中抛光垫的结构示意图。
如图1所示，在本实施例中，研磨设备使用的抛光垫100，经由以下的过程制造而来：
将多元醇和异氰酸酯为原料反应得到的预聚物、固化剂与微球混合后得到待浇注原料，经凝胶，固化，然后切片、刻槽得到完整的直径为1米的抛光垫100。如图1所示，该抛光垫100包括垫片本体10、圈形槽20、线形沟槽30。
垫片本体10，具有研磨面，所谓的研磨面就是与晶片接触的一面，要求较高，必须经过加工得到平整均一的表面，而另一面由于只是用来安装固定，所以，要求不高，无需进行平整加工。
理论上而言，垫片本体10为任何的平面均可，考虑到制造、包装以及后续研磨操作的便利，经常将其设计为圆饼状或是较薄的正方形。本实施例中，垫片本体为圆饼状，直径为1米，厚度为5.0cm。
至少两个相互套设的圈形槽20，设置在所述研磨面上，通过刻槽操作得到。
圈形槽20之间是一圈套一圈的，彼此直径的间隙可以使均一相同的，也可以不同，但圈与圈之间必须互不交叉相通。所述圈形槽彼此之间的间距为0.2-1.0mm。
圈形槽20的形状没有特殊要求：可以与垫片本体10相同，也可以不相同，还可以是不规则的图形，而且各个圈形槽之间的形状也也可以不同，比如一个圆形圈形槽中套着一个正方形的圈形槽。但考虑到设计以及刻槽的方便，圈形槽20彼此是同一个形状，而且是同心设置的，而且彼此的间距相等，在本实施例中，圈形槽20和垫片本体10的形状都是圆形，而且是同心设置的，如图1所示，每一圈的深度都相同。
至少一条线形沟槽30，设置在所述研磨面上，穿过每个所述圈形槽且与被穿过的所述圈形槽20相通，其也是通过刻槽操作得到。线形沟槽30呈直线、折现或是曲线，一直从垫片本体10的中心延伸到四周。所述线形沟槽的宽度为0.3-0.7mm，优选为0.5mm。
如图1所示，本实施例中，一共设置了四条直线形的线形沟槽30，彼此呈放射状从圈形槽20的中心向垫片本体10的边沿延伸。作为一种优化，在本实施例中，四条直线形的线形沟槽30是由两条呈90度交叉的直线槽，这两个直线形的槽经过圈形槽20的中心而穿过，由此将所有的互不相通的圈形槽20串通起来。
所述线形沟槽30可以为简单的矩形槽，或为V形槽，V形槽的截面为等腰三角形，顶角为160°至170°。
图2是图1的A-A向的剖视图。
所述线形沟槽30的深度是变化的，其深度随着距离最内圈的圈形槽30的中心距离的增加而增加，所述线形沟槽的最深处的深度与最浅处的深度差值为0.3至0.8mm。
具体的，所述线形沟槽30的深度是随着距离最内圈的圈形槽的中心处距离的增加而线性增加或阶梯式增加或是线性和阶梯式复合增加的。
这里，线性增加就是说该线形沟槽的底面将会是一面斜坡，该斜坡面由中心的最高点向边缘的最低点延伸，如图2所示，中心最高点与边缘最低点的高度差值在0.2至0.8mm。阶梯式增加，就是在每一个圈形槽20内的线形沟槽30的厚度都是一个定值，但从最内圈的圈形槽到最外圈的圈形槽的深度逐渐加深。线性和阶梯式复合增加，就是将这两中线形槽的深度递增方式结合起来。
在本实施例中，所述线形沟槽的深度是线性增加的，即从中心O1到距离中心的距离为所述垫片本体的半径的0.90倍至0.98倍的区域O1A是向下、向外的坡面，而在外端的0.02-0.10倍的宽度的圆环则具有保持深度最大值的平坦区AB。在本实施例中，垫片本体10的半径为50cm，最深处(AB区域)的深度为1.0mm，最浅处(O1处)为0.6mm，平坦区AB的宽度为1cm。
以上实施例介绍了本发明的一种基本结构，以下再在此基础上提供进一步的优化设计。
本优化设计的特征在于在以上实施例的基础上添加了用于控制所述线形沟槽作为物料流通的通道的打开或封堵状态的开关单元40。
开关单元40，包括至少一个开关41，每个所述开关41安装在所述线形沟槽的外端，用于控制所述线形沟槽的流通或封堵状态。
所述开关41可以采用比较简单的结构即、直接为与所述线形沟槽30相互匹配的活动块41a：矩形块或三角块，该活动块可以通过滑动、上下按压或者翻转的方式来塞入线形沟槽的末端达到堵塞的效果，而将这些活动块移出就能重新开启线形槽，使得线形沟槽中的研磨液能够流出。
也可以采用比较复杂的结构:所述开关41包括设置在所述线形沟槽的外端的开关座41b以及安装在该开关座41b上的活动块41a。
所述开关座41b具有供所述活动块41a插入固定来堵塞所述线形沟槽的流动通道的开关槽，该开关槽与所述线形沟槽的流动通道相通，通过将所述活动块插入和拔出该开关槽来开启和关闭所述线形沟槽的流动通道。
而开关座41b的底面设置有滑槽，该滑槽用于卡合在所述垫片本体10的边沿上而能够自由滑动。这样的设计不用为每一个线形沟槽20都设置一个开关，只需要设置部分就行。当需要关闭某个位置的线形沟槽的出口端时，只需要滑动某个开关到对应的位置，并使用活动块41a来嵌入开关槽和线形沟槽30中进行堵塞。
以下结合附图和实际使用的情况对优化实施例的开关结构做详细介绍。
图3为优化实施例使用的摆动式开关的结构示意图。
如图3所示，摆动式开关41包括活动块41a以及可拆卸的固定在线形沟槽30的末端即、位于垫片本体10的边缘的倒U型的开关座41b。所述活动块的一端通过摆杆41c铰接在所述开关座41b上而可绕开关座41b向一侧摆动。
当摆动式开关41关闭时，活动块41a摆动到垂直于线形沟槽30的方向，且在活动块41a的与线形沟槽30接触的两端设有密封层，通过密封层而紧密卡合在线形沟槽30内。进一步的，活动块的上端面应设计得可与垫片本体10的上表面平齐，从而彻底阻断线形沟槽30中的流体流动。
当摆动式开关41打开时，人手操纵摆杆41c带动活动块41a从关闭的位置向一侧偏离摆动，此时，活动块位于线形沟槽中的上方且不与线形沟槽垂直，即、活动块完全不与线形沟槽30接触而不阻碍沟槽中的流体流动。
图4为优化实施例使用的按压式开关的结构示意图。
图5为与优化实施例使用的按压式开关的结构相配合的示意图正弦曲线形的线形沟槽的结构示意图。
如图4所示，按压式开关41包括活动块41a以及开关座41d、滑动板41e、直杆41f、挡块41g。
如图5所示，开关座41d可拆卸的固定在正弦曲线形的线形沟槽30两侧，其向下开口。
开关座41d两侧对称设置有一对滑槽，两侧的滑槽上各设有一个可阻挡滑动板41e往下落的的挡块41g。挡块41g通过卡套而固定在开关座41d上，但在使劲的情况下能被移动。
滑动板41e设置在滑槽中能够上下滑动。直杆41f将滑动板41e和活动块41a连接起来，使得所述活动块41a可沿开关座41d上的滑槽在垂直于线形沟槽30的方向上下滑动。
当按压式开关41关闭时，人手操纵活动块41a沿开关座41d两侧的滑槽滑动，直到活动块41的下端部卡合(活动块的尺寸稍大于线形沟槽的宽度)在正弦曲线形的线形沟槽30内，此时设置在在开关座41d上的挡块41g可用来阻挡活动块来防止人手操纵的失误，从而阻断形沟槽30的流体流动。
当按压式开关41打开时，活动块41a从关闭的位置沿开关座41d两侧的滑槽滑动，直到位于线形沟槽30中的上方且不与正弦曲线形的线形沟槽30接触而搁放在沟槽的边沿上，分别移动套设在开关座41d两侧的挡块41g，将挡块41g移动到一定的高度使得活动块41a脱离线形沟槽30而不会阻挡线形沟槽30中液体的流动。
图6为另一优化实施例的一体式开关的结构示意图。
如图6所示，还提供一种更加优化的一体式开关41。
该开关具有圆形圈，该圆形圈作为开关座41b’，该圆形圈的的横截面为矩形，便于贴合在垫片本体10的平坦区AB上。
在圆形圈的内壁面设置有突起块，该突起块即为活动块41a’，其设置位置和线形沟槽20的出口相对，其突起的长度、突起块的尺寸大小须满足能够堵住多个线形沟槽20的出口，也就是说，在本优化实施例中，活动块41a’的数目和线形沟槽20的数目相等，而且也是四个均匀分布在圆形圈的开关座41b’上。
在本实施例中，圆形圈的开关座41b’和活动块41a’都是软质的橡胶材质制作的，而且是一体成型的。使用时，只需要将活动块对准线形沟槽20的出口位置，然后将圆形圈的开关座41b’套在垫片本体10的平坦区AB上上即可以实现对线形沟槽20的关闭；反之，要打开沟槽，只需要将圆形圈拆下来即可。
为了验证本实施例制备的抛光垫以及研磨设备的技术效果，以下进行对比试验。
研磨特性评价：
使用SPP600S(冈本工作机械公司制造)作为研磨装置并使用本发明的抛光垫和对比抛光垫来进行研磨特性的评价。
晶片的氧化膜的膜厚测定使用衍射式膜厚测定装置(大塚电子公司制造)。
研磨条件：在研磨中以150ml/分钟的流量添加二氧化硅浆料(SS12，日本卡博特(キャボット，COBOT)公司制造)作为浆料。研磨载荷设定为350g/cm2，研磨平台转速设定为35rpm，晶片转速定为33rpm。
试验时，测定平均研磨速度，研磨速度差异性，并观察刮痕个数作为抛光垫的质量特性指标。
平均研磨速度：在上述条件下，将在6英寸的测试晶片上沉积厚度为1μm的热氧化膜进行研磨，将所得到的晶片研磨5分钟，从磨耗减量求出平均研磨速度，单位为(nm/min)
研磨速度差异性：在上述研磨条件下，将在6英寸的测试晶片上沉积厚度为1μm的热氧化膜进行研磨，将所得到的晶片研磨1分钟，并连续研磨5次，测定每次研磨时的研磨速度，并根据研磨速度稳定性(％)＝{(最大研磨速度)-(最小研磨速度)/(平均研磨速度)}×100计算研磨速度差异性。
表1为上述5个实施例与对比例1、对比例2的聚氨酯研磨垫的研磨性能对比。
5个实施例的圈形槽都是同心圆槽，形状均相同，只是线形沟槽的分布形状(图1的等分同心圆分布且圆心交叉的4根直线形或者是图5的等分同心圆分布且圆心交叉的4根正弦曲线形)、图1中的线形沟槽的直线斜坡O1A深度差的不同。
对比例1为制备和其他因素与实施例相同，为图1的等分同心圆分布且圆心交叉的4根直线形沟槽，只是直线形沟槽是平的，没有深度变化。
对比例2为市售的抛光垫，尺寸结构和对比例1相同。
通过对比可以发现，深度差的存在能够极大的提高研磨速度，平均能较没有深度变化的提高10％，而刮痕个数也能得到减少，而且研磨速度差异性也降低了，显示了更高的研磨速度的稳定性性，也就是说，本发明的具有坡度的线性沟槽的抛光垫无论在研磨速度还是在研磨速度的稳定性方面均得到了提高。
实施例的作用与效果在于：根据本实施例所涉及的抛光垫，因为一方面，在垫片本体的研磨面上设置有相互套设的圈形槽，其能够封住进入抛光垫的抛光液使得抛光液保持适宜的驻留时间，起到抛光的效果。
另一方面，穿过每个所述圈形槽且与被穿过的所述圈形槽相通的线形沟槽，其能够将完成抛光过程的抛光液从圈形槽中导出，特别是因为线形槽的深度随着距离最内圈的圈形槽的中心距离的增加而增加，也就是说，线形槽的底面是一个从内圈的圈形槽的中心向外圈的圈形槽的周边部而逐渐降低的斜面，在该斜面的作用下，抛光液可以依靠重力而自然排出，所以，如此设计的抛光垫既能够及时排出旧抛光液及抛光产物,而且在及时排出旧抛光液及抛光产物的情况下能够保证新抛光液能及时进入加工区域。
因为所述线形沟槽的外端具有保持深度最大值的平坦区，这样设计的平坦区能够方便安装开关。作为更一步的改进，可以在平坦区设置磁性块，对应的将活动块也使用磁性材料制作，通过磁性的吸引力来进行固定和卡合。
进一步，因为所述垫片本体为圆饼状，所述圈形槽为圆形，所述圈形槽彼此是同中心地设置的，这样同心圆圈的设置方便对垫片本体进行机械加工，只需要使用刻槽机等机器一次不换刀、不重新装夹定位即可实现对抛光垫的加工。
进一步，设置有开关，通过开关的开闭来对线形沟槽的流通状态进行调控(线形沟槽中开闭的数目)可以控制研磨液在圈形槽20中的滞留时间和流动速度，从而实现对抛光效果的调控。
更进一步，所述开关座的底面设置有滑槽，该滑槽用于卡合在所述垫片本体的边沿上而能够自由滑动，通过滑动某个开关到对应的位置，并使用活动块41a来嵌入开关槽和线形沟槽30中进行堵塞，就能够使用较少的开关达到调控的目的，同时也节省了装置的成本。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种抛光垫，其特征在于，包括：
垫片本体，具有研磨面；
至少两个相互套设的圈形槽，设置在所述研磨面上；以及
至少一条线形沟槽，设置在所述研磨面上，穿过每个所述圈形槽且与被穿过的所述圈形槽相通，
其中，所述线形沟槽的深度是变化的，深度随着距离最内圈的圈形槽的中心距离的增加而增加。
2.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于：
其中，所述线形沟槽的宽度为0.3-0.7mm，
所述圈形槽彼此之间的间距为0.2-1.0mm，
所述线形沟槽的最深处的深度与最浅处的深度差值为0.2至0.8mm，
所述线形沟槽的深度是随着距离最内圈的圈形槽的中心处距离的增加而线性增加或阶梯式增加或是线性和阶梯式复合增加的。
3.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于：
其中，所述线形沟槽呈直线、折线或是曲线延伸，
所述线形沟槽的截面为V形，该V形截面为等腰三角形，顶角为160°至170°。
4.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，还包括：
开关单元，包括至少一个开关，
每个所述开关安装在所述线形沟槽上，用于控制所述线形沟槽作为物料流通的通道的打开或封堵状态。
5.根据权利要求4所述的抛光垫，其特征在于：
其中，所述开关为活动块，该活动块通过滑动、按压或者翻转的方式来堵塞或是开启所述线形沟槽的流动通道。
6.根据权利要求4所述的抛光垫，其特征在于：
其中，所述开关包括设置在所述线形沟槽的外端的开关座以及安装在该开关座上的活动块，
所述开关座具有供所述活动块插入固定来堵塞所述线形沟槽的流动通道的开关槽。
7.根据权利要求6所述的抛光垫，其特征在于：
其中，所述开关座的底面设置有滑槽，该滑槽用于卡合在所述垫片本体的边沿上而能够自由滑动。
8.根据权利要求4所述的抛光垫，其特征在于：
其中，所述开关包括圆形圈和突起块，
所述圆形圈作为开关座，
所述突起块设置在圆形圈的内壁面上，作为活动块其尺寸、形状与所述线形沟槽相匹配，
通过将所述圆形圈套着所述垫片本体上使得所述活动块堵住所述线形沟槽。
9.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于：
其中，所述垫片本体为圆饼状，所述圈形槽为圆形，
所述圈形槽彼此是同中心地设置的，
所述线形槽是以所述圈形槽的中心为中心，呈均匀放射状设置的，
所述线形沟槽的外端具有保持深度最大值的平坦区，该平坦区靠近所述圈形槽的中心的一端到所述圈形槽的中心的距离为所述垫片本体的半径的0.90倍至0.98倍。
10.一种研磨设备，具有与被研磨工件接触的抛光垫，其特征在于：
其中，所述抛光垫为权利要求1-9中任意一项所述的抛光垫。
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