CN110614580A - 抛光垫及其制备方法、化学机械研磨设备 - Google Patents

抛光垫及其制备方法、化学机械研磨设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抛光垫及其制备方法、化学机械研磨设备，属于半导体技术领域。抛光垫的制备方法包括：制备抛光垫过渡结构，所述抛光垫过渡结构形成有多个凹槽，所述多个凹槽的开口位于所述抛光垫过渡结构的同一侧表面；利用无机纳米粒子填充满所述抛光垫过渡结构的凹槽；在所述抛光垫过渡结构上浇筑液态聚合物与固化剂的混合物，抽去液态聚合物和所述凹槽内的空气；将所述抛光垫过渡结构置于高于等于第一温度阈值的环境中，固化后的液态聚合物与所述抛光垫过渡结构组成所述抛光垫。本发明能够降低抛光垫的热膨胀系数。

Description

抛光垫及其制备方法、化学机械研磨设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种抛光垫及其制备方法、化学机械研磨设备。
背景技术
在晶圆制备过程中，随着制程技术的升级，导线与栅极之间的尺寸不断缩小，光刻技术对晶圆表面的平坦程度要求越来越高。目前化学机械研磨(CMP)技术得到了快速发展，已广泛应用于半导体晶片、存储磁盘以及高精光学材料的平坦化应用中。化学机械研磨亦称为化学机械抛光，是将化学腐蚀同机械去除相结合的技术，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。常规的CMP过程如下：将待加工材料固定在支架上，以待抛光表面朝下的方式在一定压力下压向固定在机台上的抛光垫上，借助于待加工材料和抛光垫的相对旋转，在抛光液存在下，利用磨粒的机械切削以及氧化剂的化学腐蚀，完成对工件表面的材料去除，并获得光洁表面。其中，抛光垫在化学机械抛光中与硅片和抛光液直接接触，它的性能与作用直接影响化学机械抛光的结果。在抛光过程中，硅片在抛光垫表面高速旋转，会产生大量的热量，抛光垫受热膨胀会发生变形，严重影响抛光效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种抛光垫及其制备方法、化学机械研磨设备，能够降低抛光垫的热膨胀系数。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供一种抛光垫的制备方法，包括：
制备抛光垫过渡结构，所述抛光垫过渡结构形成有多个凹槽，所述多个凹槽的开口位于所述抛光垫过渡结构的同一侧表面；
利用无机纳米粒子填充满所述抛光垫过渡结构的凹槽；
在所述抛光垫过渡结构上浇筑液态聚合物与固化剂的混合物，抽去液态聚合物和所述凹槽内的空气；
将所述抛光垫过渡结构置于高于等于第一温度阈值的环境中，固化后的液态聚合物与所述抛光垫过渡结构组成所述抛光垫。
可选地，制备所述抛光垫过渡结构包括：
提供一模具，所述模具包括模具本体和设置在所述模具本体一侧表面上的多个凸起的T型圆盘结构，相邻所述圆盘结构之间形成间隙，所述模具在高于第二温度阈值的环境下能够融化；
利用至少两种不同粒径的无机纳米粒子填充满所述间隙；
在所述模具上浇筑液态聚合物与固化剂的混合物，抽去液态聚合物和所述间隙内的空气；
将所述模具置于低于等于第三温度阈值的环境中，使得液态聚合物固化；
将环境温度升至第二温度阈值之上，所述模具融化，固化后的液态聚合物形成所述抛光垫过渡结构。
可选地，所述至少两种不同粒径的无机纳米粒子中，一种粒径为500nm，另一种粒径为25nm。
可选地，所述无机纳米粒子采用二氧化钛纳米粒子或二氧化硅纳米粒子，所述液态聚合物采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
可选地，所述液态聚合物与所述固化剂的摩尔比为1：10。
可选地，所述第一温度阈值为60℃，所述第二温度阈值为0℃，所述第三温度阈值为0℃。
可选地，所述模具采用冰。
可选地，所述无机纳米粒子的粒径为25nm。
本发明实施例还提供了一种抛光垫，采用如上所述的抛光垫的制备方法制备得到。
可选地，所述抛光垫由聚二甲基硅氧烷PDMS和二氧化硅纳米粒子组成，所述抛光垫的热膨胀系数为40-60ppm/℃。
本发明实施例还提供了一种化学机械研磨设备，包括如上所述的抛光垫。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，利用无机纳米粒子与固化后的液态聚合物共同组成抛光垫，由于无机纳米粒子的热膨胀系数低于固化后的液态聚合物的热膨胀系数，因此可以有效降低抛光垫整体的热膨胀系数，从而可以减小抛光垫受热膨胀的变形，进而优化抛光效果。
附图说明
图1为本发明实施例抛光垫的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例制备抛光垫过渡结构的流程示意图；
图3为本发明实施例模具的结构示意图；
图4为本发明实施例抛光垫过渡结构的结构示意图；
图5为本发明实施例抛光垫的结构示意图。
附图标记
100 模具
110 圆台结构
200 抛光垫过渡结构
300 抛光垫
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
目前主要通过外部的作用，例如通过冷却水或抛光液来降低抛光垫表面的温度。但热量在物质中的传递需要一定时间，所以外部降温的效果实现较慢。而直接降低抛光垫的热膨胀系数可以减小抛光垫受热膨胀的变形，进而优化抛光效果。
本发明实施例提供一种抛光垫及其制备方法、化学机械研磨设备，能够降低抛光垫的热膨胀系数。
本发明实施例提供一种抛光垫的制备方法，如图1所示，包括：
步骤101：制备抛光垫过渡结构，所述抛光垫过渡结构形成有多个凹槽，所述多个凹槽的开口位于所述抛光垫过渡结构的同一侧表面；
步骤102：利用无机纳米粒子填充满所述抛光垫过渡结构的凹槽；
步骤103：在所述抛光垫过渡结构上浇筑液态聚合物与固化剂的混合物，抽去液态聚合物和所述凹槽内的空气；
步骤104：将所述抛光垫过渡结构置于高于等于第一温度阈值的环境中，固化后的液态聚合物与所述抛光垫过渡结构组成所述抛光垫。
本实施例中，利用无机纳米粒子与固化后的液态聚合物共同组成抛光垫，由于无机纳米粒子的热膨胀系数低于固化后的液态聚合物的热膨胀系数，因此可以有效降低抛光垫整体的热膨胀系数，从而可以减小抛光垫受热膨胀的变形，进而优化抛光效果。并且本实施例的抛光垫的制备工艺简单，成本低，能耗小。
一具体实施例中，如图2所示，制备所述抛光垫过渡结构包括：
步骤201：提供一模具，所述模具包括模具本体和设置在所述模具本体一侧表面上的多个凸起的T型圆盘结构，相邻所述圆盘结构之间形成间隙，所述模具在高于第二温度阈值的环境下能够融化；
步骤202：利用至少两种不同粒径的无机纳米粒子填充满所述间隙；
步骤203：在所述模具上浇筑液态聚合物与固化剂的混合物，抽去液态聚合物和所述间隙内的空气；
步骤204：将所述模具置于低于等于第三温度阈值的环境中，使得液态聚合物固化；
步骤205：将环境温度升至第二温度阈值之上，所述模具融化，固化后的液态聚合物形成所述抛光垫过渡结构。
这样抛光垫过渡结构也是由无机纳米粒子与固化后的液态聚合物共同组成，由于无机纳米粒子的热膨胀系数低，因此可以有效降低抛光垫过渡结构整体的热膨胀系数，从而可以减小抛光垫受热膨胀的变形，进而优化抛光效果。
一具体实施例中，所述至少两种不同粒径的无机纳米粒子中，一种粒径为500nm，另一种粒径为25nm。当然，所述至少两种不同粒径的无机纳米粒子的粒径并不局限于采用上述取值，还可以采取其他的取值。采用至少两种不同粒径的无机纳米粒子填充间隙，主要是为了最大程度地填充满间隙，这样可以最大化降低抛光垫过渡结构的热膨胀系数。
优选地，所述无机纳米粒子可以采用二氧化钛纳米粒子或二氧化硅纳米粒子，二氧化钛纳米粒子和二氧化硅纳米粒子的热膨胀系数低，可以有效降低抛光垫的热膨胀系数。当然，本发明所采用的无机纳米粒子并不局限于二氧化钛纳米粒子和二氧化硅纳米粒子，还可以采用其他种类的无机纳米粒子，只要具有较低热膨胀系数(小于20ppm/℃)的无机纳米粒子均可。
优选地，所述液态聚合物可以采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
优选地，所述液态聚合物与所述固化剂的摩尔比为1：10。采用该比例有利于液态聚合物的固化。
一具体示例中，所述第一温度阈值可以为60℃，所述第二温度阈值为可以0℃，所述第三温度阈值可以为0℃。当然，第一温度阈值、第二温度阈值和第三温度阈值的取值并不局限于上述取值，还可以为其他取值。
优选地，所述模具采用冰，冰的取材便利，可以降低抛光垫的制备成本，并且冰融化后不会对抛光垫的性能产生影响。模具的材料并不局限为冰，还可以采用其他低温下(低于20摄氏度)能够融化的材料。
优选地，填充所述抛光垫过渡结构的凹槽的无机纳米粒子的粒径可以为25nm，当然，无机纳米粒子的粒径并不局限于采用该取值，还可以采用其他取值，只要能够最大程度地填充满抛光垫过渡结构的凹槽即可。
一具体实施例中，以无机纳米粒子为二氧化硅纳米粒子为例，制备抛光垫的步骤如下：
步骤1、提供一如图3所示的模具100，其中图3上半部分为模具100的正视图，图3下半部分为模具100的俯视图，其中110为模具100上的T型的圆盘结构，相邻圆盘结构110之间形成有间隙，模具100的材质为冰；
步骤2、在模具100的间隙中填充两种粒径的二氧化硅纳米粒子，其中一种粒径为500nm,另一种粒径为25nm，填充粒子直到间隙被填满；
具体地，先利用粒径为500nm的二氧化硅纳米粒子进行填充，再利用粒径为25nm的二氧化硅纳米粒子填充粒径为500nm的二氧化硅纳米粒子之间的缝隙，保证填充满，减少空隙。
步骤3、将液态聚合物PDMS和固化剂通过搅拌混合均匀，PDMS的分子量约为350000，PDMS和固化剂的组分比可以为1：8-1：20，具体可以为1：10；
步骤4、在模具100上浇筑液态PDMS与固化剂的混合物，将模具100放入真空装置中抽去液态PDMS和间隙中的空气，然后取出，并放置在低于0℃的环境中，等待PDMS固化；
步骤5、在PDMS固化后，将环境的温度升高至室温，模具100融化，形成如图4所示的抛光垫过渡结构200；
步骤6、将粒径为25nm的二氧化硅纳米粒子填充至抛光垫过渡结构200的凹槽中，在抛光垫过渡结构200上浇筑液态PDMS与固化剂的混合物，将抛光垫过渡结构200放入真空装置中抽去液态PDMS和凹槽中的空气，然后取出，在60℃下加热，等待PDMS固化；
步骤7、PDMS固化后形成如图5所示的抛光垫300。
如图5所示，抛光垫300由PDMS和二氧化硅纳米粒子组成，其中二氧化硅纳米粒子的热膨胀系数约为0.6ppm/℃，PDMS的热膨胀系数约为300ppm/℃，制备出的抛光垫的热膨胀系数约为40-60ppm/℃，相比与现有聚合物抛光垫的热膨胀系数大大降低。并且本实施例制备抛光垫的工艺简单，成本低，能耗小，所制备的抛光垫具有稳定性高和去除率稳定等优点。
本实施例通过在凹槽结构中填充二氧化硅纳米粒子制备抛光垫，利用二氧化硅纳米粒子具有低热膨胀系数的优点，降低抛光垫整体的热膨胀系数。另外，本实施例通过具有特定凹槽结构进行两次浇铸固化实现了上述抛光垫的制备，使得抛光垫还具有硬度可调整和透水性好的优点。
本发明实施例还提供了一种抛光垫，采用如上所述的抛光垫的制备方法制备得到。本实施例的抛光垫的热膨胀系数较低，从而可以减小抛光垫受热膨胀的变形，进而优化抛光效果。并且本实施例的抛光垫的制备工艺简单，成本低，能耗小。
一具体实施例中，所述抛光垫由聚二甲基硅氧烷PDMS和二氧化硅纳米粒子组成，所述抛光垫的热膨胀系数为40-60ppm/℃。相比与现有聚合物抛光垫的热膨胀系数大大降低。并且本实施例制备抛光垫的工艺简单，成本低，能耗小，所制备的抛光垫具有稳定性高和去除率稳定等优点。
具体地，如图2和图3所示，抛光垫300由抛光垫过渡结构200和填充在抛光垫过渡结构200的凹槽内的二氧化硅纳米粒子组成，抛光垫过渡结构200由PDMS和掺杂在PDMS中二氧化硅纳米粒子组成，二氧化硅的热膨胀系数约为0.6ppm/℃，PDMS的热膨胀系数约为300ppm/℃，通过二氧化硅纳米粒子可以有效降低抛光垫的热膨胀系数。
本发明实施例还提供了一种化学机械研磨设备，包括如上所述的抛光垫，本实施例的抛光垫的热膨胀系数低，这样在化学机械研磨设备利用抛光垫进行抛光的过程中，硅片在抛光垫表面高速旋转，产生大量的热量后，抛光垫受热膨胀的变形较小，能够优化抛光效果。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种抛光垫的制备方法，其特征在于，包括：
制备抛光垫过渡结构，所述抛光垫过渡结构形成有多个凹槽，所述多个凹槽的开口位于所述抛光垫过渡结构的同一侧表面；
利用无机纳米粒子填充满所述抛光垫过渡结构的凹槽；
在所述抛光垫过渡结构上浇筑液态聚合物与固化剂的混合物，抽去液态聚合物和所述凹槽内的空气；
将所述抛光垫过渡结构置于高于等于第一温度阈值的环境中，固化后的液态聚合物与所述抛光垫过渡结构组成所述抛光垫。
2.根据权利要求1所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，制备所述抛光垫过渡结构包括：
提供一模具，所述模具包括模具本体和设置在所述模具本体一侧表面上的多个凸起的T型圆盘结构，相邻所述圆盘结构之间形成间隙，所述模具在高于第二温度阈值的环境下能够融化；
利用至少两种不同粒径的无机纳米粒子填充满所述间隙；
在所述模具上浇筑液态聚合物与固化剂的混合物，抽去液态聚合物和所述间隙内的空气；
将所述模具置于低于等于第三温度阈值的环境中，使得液态聚合物固化；
将环境温度升至第二温度阈值之上，所述模具融化，固化后的液态聚合物形成所述抛光垫过渡结构。
3.根据权利要求2所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述至少两种不同粒径的无机纳米粒子中，一种粒径为500nm，另一种粒径为25nm。
4.根据权利要求1或2所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述无机纳米粒子采用二氧化钛纳米粒子或二氧化硅纳米粒子，所述液态聚合物采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
5.根据权利要求1或2所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述液态聚合物与所述固化剂的摩尔比为1：10。
6.根据权利要求2所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，
所述第一温度阈值为60℃，所述第二温度阈值为0℃，所述第三温度阈值为0℃。
7.根据权利要求6所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述模具采用冰。
8.根据权利要求1所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述无机纳米粒子的粒径为25nm。
9.一种抛光垫，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的抛光垫的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的抛光垫，其特征在于，所述抛光垫由聚二甲基硅氧烷PDMS和二氧化硅纳米粒子组成，所述抛光垫的热膨胀系数为40-60ppm/℃。
11.一种化学机械研磨设备，其特征在于，包括如权利要求9或10所述的抛光垫。
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