CN113021181A

CN113021181A - 一种高去除速率、低划伤化学机械抛光垫及其应用

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Publication number: CN113021181A
Application number: CN202110299539.1A
Authority: CN
Inventors: 谢毓; 王凯; 田骐源
Original assignee: Wanhua Chemical Group Electronic Materials Co Ltd; Wanhua Chemical Group Co Ltd
Current assignee: Wanhua Chemical Group Electronic Materials Co Ltd; Wanhua Chemical Group Co Ltd
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2041-03-22
Also published as: CN113021181B

Abstract

本发明公开了一种高去除速率、低划伤化学机械抛光垫及其应用，所述抛光垫包括一种具有连续径向沟槽和不连续圆周向沟槽形式、所述沟槽底部为非平面形状的抛光层。本发明的化学机械抛光垫各沟槽形式结构相互配合，具有高移除速率、低表面划伤的特点。

Description

一种高去除速率、低划伤化学机械抛光垫及其应用

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体涉及一种高去除速率、低表面划伤的化学机械抛光垫及其应用。

背景技术

在集成电路和其他电子器件的制造过程中，将多层导电、半导体材料沉积到晶片表面上，导致表面变得不平整，此后又从晶片表面将其清除。现代晶片加工过程中常规的沉积技术主要包括：物理气相沉积(PVD)、化学蒸气沉积(CVD)、等离子体辅助的化学蒸气沉积(PECVD)和电化学镀等。对半导体晶片表面的微细凹凸消除方法主要为化学机械平坦化或化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)。抛光过程以除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面、成团材料、晶格破坏、划痕和被污染的各层。

化学机械抛光所使用的双轴旋转抛光机中，在支架组件上安装有抛光头，抛光头能够定位晶片，使晶片保持在与抛光垫相对应的位置。抛光垫直径大于晶片直径的两倍。抛光过程中，抛光垫和晶片围绕各自中心发生旋转，浆液或者其他抛光介质流到抛光垫上，随即流入晶片和抛光层之间的间隙，通过抛光层与抛光液对晶片表面的化学作用和机械作用，使晶片表面变得平坦。

专利CN101422882B涉及一种具有至少两沟槽的抛光层，沟槽配置于均匀轨迹区内，且满足下式：D_(i)max≌D_(i+n)min。D_(i)max表示自旋转轴线至第i个沟槽的最长距离；D_(i+n)min表示自旋转轴线至第(i+n)个沟槽的最短距离。该抛光垫能够提高抛光介质利用率，从而使基底表面获得较佳的研磨均匀度。

专利CN100419966C涉及一种表面具有大量凹槽的抛光垫。包括完全位于环形抛光轨迹中的第一凹槽组，其中每个凹槽与其他凹槽沿旋转轴径向、圆周向隔开，这些凹槽排列提高了抛光介质的利用率。

目前，在抛光过程中如何使抛光液能够更均匀的分布，同时抛光碎屑及时地移除，这对提高抛光速率具有至关重要的作用。如何通过沟槽的设计以达到以上的效果是现阶段研究的重要方向。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有特殊沟槽结构的化学机械抛光垫，在使用该抛光垫进行抛光过程时，保证抛光液在抛光层与晶片之间均匀分布，具有提高的抛光速率，同时兼具较低的表面划伤率。

本发明的另一方面在于提供这种高去除速率、低划伤化学机械抛光垫的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高去除速率、低划伤化学机械抛光垫，所述抛光垫至少包括：

(1)抛光层；

(2)位于所述抛光层表面的第一沟槽，所述第一沟槽以抛光垫圆心为起点，呈发散状延伸至抛光垫外边缘，并将抛光垫划分为多个抛光区；

(3)位于所述抛光层表面的第二沟槽，所述第二沟槽呈圆周向各自独立地分布于各抛光区中，且各抛光区中的第二沟槽彼此独立，互不连通。

在一个具体的实施方案中，所述第一沟槽与第二沟槽的沟槽底部为非平面形状，优选为倒三角型或圆弧形。

在一个具体的实施方案中，所述沟槽底部为倒三角型，所述沟槽底部倒三角形的角度为θ，其中45°≤θ≤120°。

在一个具体的实施方案中，所述沟槽底部为圆弧形，所述圆弧形最底端距弧线起始处的距离小于等于沟槽宽度。

在一个具体的实施方案中，所述第一沟槽为具有一曲率半径R₁的弧形沟槽，且R/2≤R₁≤3R，其中，R为圆形抛光层的半径；优选地，所述第一沟槽的数量为n，其中4≤n≤15。

在一个具体的实施方案中，所述各抛光区中的第二沟槽彼此均匀间隔分布，所述第二沟槽的沟槽间距为1.5～3.5mm；优选地，所述第二沟槽为均匀间隔分布的同心多边形或同心圆形状；更优选地，所述第二沟槽为均匀间隔分布的同心圆形状。

在一个具体的实施方案中，所述第一沟槽的沟槽深度恒定，所述第二沟槽的沟槽深度为中部深、两边逐渐变浅，所述第一沟槽或第二沟槽具有相同的沟槽宽度，选自0.7～1.5mm。

在一个具体的实施方案中，所述第二沟槽的深度最深处位于所述抛光区中沟槽长度的中间位置；优选地，所述第一沟槽深度为D₁，选自0.5mm≤D₁≤1.5mm，第二沟槽最深处深度为D₂，其中D₂≤D₁。

在一个具体的实施方案中，所述第二沟槽的任一端部边缘距相邻的所述第一沟槽的距离为0.3～1cm。

本发明的另一方面，前述的化学机械抛光垫在磁性基片、光学基片或半导体基片化学机械抛光中的应用。

与现有技术相比，本发明的化学机械抛光垫具有以下有益效果：

本发明的化学机械抛光垫具有两组沟槽结构，其中第一沟槽以一定曲率沿抛光垫圆心向外延伸发散，该种结构的第一组沟槽保证了抛光废液及研磨掉的抛光碎屑能够沿径向方向高效排出。优选以非直线状呈现在抛光层上，与直线沟槽相比，弧形沟槽能延长抛光介质在抛光层上运动路径，做到抛光介质利用率的最大化。

本发明的化学机械抛光垫第二沟槽具有不连续的同心周向结构，第二沟槽的沟槽深度呈连续变化的，且在接近中部位置处深度达到最大值。优选的这种沟槽深度结构，可使抛光垫在旋转抛光过程中，抛光介质流入圆周向沟槽内后，随着沟槽深度由浅入深再变浅，使抛光介质以基本平行于抛光平面的初始速度进入沟槽，随沟槽深度增加，抛光介质势能增加，之后随沟槽深度变浅直至无沟槽深度处，抛光介质势能完全转变为动能，同时抛光介质以具有大体冲向晶片的角度冲击研磨晶片。从第二沟槽冲出的抛光介质经过一段无沟槽的平台区，缓冲了抛光液的运动速度后，流入第一沟槽，并随第一沟槽连带抛光碎屑排出抛光垫表面，可以提供稳定高速的研磨速率。

本发明化学机械抛光垫的全部沟槽底部形状区别于常规平面沟槽形状，具有倒三角或圆弧形形状，可使流经的抛光介质在主要的纯轴向流动上，附加出现局部区域的次级流动，在一定程度上加快新旧抛光介质的更替。

本发明化学机械抛光垫以上结构的设计相互配合、共同作用，从而使得整个CMP过程保证了抛光液的均匀分布、研磨效率的提高以及低缺陷的产生。

附图说明

图1是常规抛光垫俯视图；

图2是常规沟槽底部为平面的沟槽剖面图；

图3A、3B分别是本发明中倒三角及圆弧状沟槽形状处出现局部区域的次级流动示意图；

图4是本发明第二沟槽与第一沟槽间断处示意图；

图5A、5B分别是本发明沟槽剖面图；

图6A、6B分别是本发明第二沟槽的剖面图；

图7是本发明实施例1中沟槽形状示意图；

图8是本发明实施例2中沟槽形状示意图；

图9是本发明实施例3中沟槽形状示意图；

图10是是本发明实施例4中沟槽形状示意图；

图11是是本发明实施例5、6中沟槽形状示意图；

图12是本发明对比例2中沟槽形状示意图。

其中，1为抛光层、2第一沟槽、3第二沟槽、4抛光区、5第二沟槽的深度最深处、6第二沟槽端部边缘。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。

如图7-9所示，本发明的高去除速率、低划伤化学机械抛光垫，该抛光垫至少包括：

(1)抛光层1；

(2)位于抛光层表面的第一沟槽2，所述第一沟槽2以抛光垫圆心为起点呈发散状延伸至抛光垫外边缘，并将抛光垫划分为多个抛光区4；

(3)位于抛光层表面的第二沟槽3，该第二沟槽3呈圆周向分别独立的分布于各抛光区4中，各抛光区4中的各第二沟槽3彼此独立，互不相连。

其中，整个抛光垫的表面均可称为抛光层1，作为本发明的抛光垫的抛光层可以是本领域常用的材质构成，没有任何的限制，例如所述抛光层材料选自链段嵌段共聚物或聚氨酯弹性体中的至少一种，优选为聚氨酯弹性体材质。

在一个优选的方案中，第一沟槽2也可以称为径向沟槽，本发明的第一沟槽2为弧形沟槽，优选为具有一定曲率半径的弧形沟槽，例如所述第一沟槽2具有一曲率半径R₁，R/2≤R₁≤3R，其中，R为抛光层半径大小。

所述第一沟槽的数量可以为n，其中4≤n≤15，例如4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15条，优选6≤n≤12，所有第一沟槽均在抛光层1的表面均匀分布，即以抛光垫圆心为中心、并以圆心为起点呈发散状延伸至抛光垫外边缘的均匀对称分布，同时，所述抛光层1被n条所述第一沟槽划分为大小几乎相同的n块抛光区4。

在一个优选的方案中，所述第一沟槽2与第二沟槽3的沟槽底部7为非平面形状，所述非平面形状优选为倒三角形或圆弧形。例如图3A所示，所述沟槽底部7的剖面为倒三角形形状。当所述沟槽底部7为倒三角形时，如图5A所示，所述倒三角形的角度为θ，可选地45°≤θ≤120°，例如θ的角度包括但不限于50°、60°、70°、80°、90°、100°、115°，优选60°≤θ≤90°。再如图5B所示，所述沟槽底部7的剖面为圆弧形形状，所述圆弧形最底端距弧线起始处的距离L₁(如图6A所示)小于等于沟槽宽度，优选等于沟槽宽度。其中，所述第一沟槽2或第二沟槽3具有相同的沟槽宽度，宽度例如选自0.7～1.5mm，优选自0.9～1.2mm。

其中，所述各抛光区4中的第二沟槽3彼此均匀间隔分布，所述第二沟槽3的沟槽间距例如为1.5～3.5mm；在一个优选的方案中，所述第二沟槽3为均匀间隔分布的同心多边形或同心圆形状，所述同心多边形例如为同心正方形、同心五边形、六边形、八边形等，即将各抛光去4中的所有沟槽3互相连通后即呈现出同心多边形或同心圆形状，但本发明的抛光垫中的第二沟槽3彼此独立，互不连通。所述第二沟槽3优选为均匀间隔分布的同心圆形状。

本发明中，所述第一沟槽的沟槽深度是恒定不变的，第二沟槽的沟槽深度呈连续变化的趋势。例如所述第二沟槽的沟槽深度为中部深、两边逐渐变浅的形状。如图4所示，所述第一沟槽2的沟槽深度固定不变，但所述第二沟槽3的沟槽深度从、第二沟槽端部边缘6到第二沟槽的深度最深处5呈连续变化。所述第二沟槽的深度最深处5优选位于所述抛光区中沟槽长度的中间位置；优选地，所述第一沟槽深度为D₁，选自0.5mm≤D₁≤1.5mm，优选0.7mm≤D₁≤1.2mm，如图6A、6B所示，第二沟槽最深处深度为D₂，其中D₂≤D₁，优选的D₂＝D₁。

本发明中，由于各抛光区4内的第二沟槽彼此独立、互不连通，即各第二沟槽3之间彼此独立、互不连通；同时，各第二沟槽与所述第一沟槽也彼此独立、互不连通，如图4所示。所述第二沟槽3的任一端部边缘6距相邻的所述第一沟槽2的距离为0.3～1cm，如0.4cm、0.6cm、0.7cm、0.9cm，优选为0.5～0.8cm。

本发明的高去除速率、低划伤化学机械抛光垫，可用于抛光磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种，具体抛光方法可以参考现有技术，例如包括以下步骤：

a.提供抛光垫，该抛光垫至少包括：

(1)抛光层。

(2)位于抛光层表面的第一沟槽；该第一沟槽以抛光垫圆心为起点成发散状延伸至抛光垫外边缘，并将抛光垫划分为多个抛光区。所述第一沟槽具有一曲率半径R₁，R/2≤R₁≤3R，其中，R为抛光层半径大小。

(3)位于抛光层表面的第二沟槽；该第二沟槽呈圆周向分别独立的分布于各抛光区中，各抛光区中的第二沟槽彼此独立，互不相连；第二沟槽的沟槽深度呈连续变化的趋势。

其中，第一沟槽与第二沟槽的沟槽底部为非平面形状。

b.使所述抛光垫与晶片表面接触；

c.旋转抛光垫与晶片，使抛光垫与晶片发生相对旋转；

d.使抛光液充盈在抛光垫与晶片表面之间，经由凹槽发生流动，完成化学机械抛光过程。

本发明的化学机械抛光垫在抛光过程中，由于第一沟槽以一定曲率沿抛光垫圆心向外延伸发散，该种结构的第一沟槽保证了抛光废液及研磨掉的抛光碎屑能够沿径向方向排出。同时以非直线状呈现在抛光层上，能延长抛光介质在抛光层上运动路径，做到抛光介质利用率的最大化。同时，第二沟槽具有不连续的同心周向结构，第二组沟槽的沟槽深度呈连续变化的，且在接近中部位置处深度达到最大值。如此的沟槽深度结构，可使抛光垫在旋转抛光过程中，抛光介质流入圆周向沟槽内后，随着沟槽深度由浅入深再变浅，使抛光介质以基本平行于抛光平面的初始速度进入沟槽，随沟槽深度增加，抛光介质势能增加，之后随沟槽深度变浅直至无沟槽深度处，抛光介质势能完全转变为动能，同时抛光介质以具有大体冲向晶片的角度冲击研磨晶片。从第二沟槽冲出的抛光介质经过一段无沟槽的平台区，缓冲了抛光液的运动速度后，流入第一沟槽，并随第一沟槽连带抛光碎屑排出抛光垫表面，可以提供稳定高速的研磨速率。

另外，本发明的全部沟槽底部形状区别于常规平面沟槽形状(如图2所示)，具有倒三角或圆弧形形状，可使流经的抛光介质在主要的纯轴向流动上，附加出现局部区域的次级流动，如图3A、3B所示，在一定程度上加快新旧抛光介质的更替。整个过程保证了抛光液的均匀分布、研磨效率的提高以及低缺陷的产生。

下面通过更具体的实施例进一步解释说明本发明，但不构成任何限制。

未特别说明，本发明实施例及比较例的抛光垫采用如下方法制得：

将预聚体(Adiprene^TMLF 750D)与固化剂MOCA(崇舜)反应得到聚氨酯块体，经切片工艺得到抛光层薄片。经与SUBA IV(DOW)贴合得到抛光垫。将得到的抛光垫按照实施例、比较例的沟槽数据进行刻槽得到最终表面带有沟槽的抛光垫。

本发明实施例和对比例用到的主要原料如下：

设备：Mirra^TMCMP抛光机。

抛光方法：Cu靶材，在1.5psi(10.3kPa)的抛头压力下，使用SS12抛光液(卡伯特公司生产)，抛光三分钟，修整器修整一分钟。抛光过程中研磨平台转速70rpm，抛头速度60rpm。

实验过程中去除速率(RR)使用每次抛光完成前后铜靶材的质量差来换算得到。

实验过程中对靶材的划伤使用靶材表面长度大于0.5cm的划痕条数来表示。

实施例1

如图7所示的沟槽图形，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

第一沟槽：第一沟槽曲率半径R₁＝R，第一沟槽数量n为6条，第一沟槽深度D₁＝0.8mm。

第二沟槽：沟槽为间断的同心圆形状，沟槽深度呈连续变化，表现为中间处最深，越向两边延伸沟槽深度越浅，沟槽深度最深处D₂＝0.8mm。第二沟槽间断处距第一沟槽边缘距离为0.5cm。第二沟槽间距为3.3mm。

第一沟槽及第二沟槽底部均为倒三角型，底部角度θ为60°，沟槽宽度0.8mm。

实施例2

如图8所示的沟槽图形，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

第一沟槽：第一沟槽曲率半径R₁＝2.5R，第一沟槽数量n为13条，第一沟槽深度D₁＝0.6mm。

第二沟槽：沟槽为间断的同心圆形状，沟槽深度呈连续变化，表现为中间处最深，越向两边延伸沟槽深度越浅，沟槽深度最深处D₂＝0.5mm。第二沟槽间断处距第一沟槽边缘距离为0.6cm。第二沟槽间距为1.5mm。

第一沟槽及第二沟槽底部均为倒三角型，底部角度θ为90°，沟槽宽度1.0mm。

实施例3

如图9所示的沟槽图形，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

第一沟槽：第一沟槽曲率半径R₁＝1.5R，第一沟槽数量n为8条，第一沟槽深度D₁＝1.2mm。

第二沟槽：沟槽为间断的同心正六边形，沟槽深度呈连续变化，表现为偏移中间处深度最深，越向两边延伸沟槽深度越浅，沟槽深度最深处D₂＝1.0mm。第二沟槽间断处距第一沟槽边缘距离为0.8cm。第二沟槽间距为1.8mm。

第一沟槽及第二沟槽底部均为圆弧形，圆弧形底部距弧线起始处的距离等于沟槽宽度，其中，沟槽宽度为1.2mm。

实施例4

如图10所示的沟槽图形，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

第一沟槽：第一沟槽曲率半径R₁＝0.5R，第一沟槽数量n为4条，第一沟槽深度D₁＝1.5mm。

第二沟槽：沟槽为间断的同心圆形，沟槽深度呈连续变化，表现为偏移中间处深度最深，越向两边延伸沟槽深度越浅，沟槽深度最深处D₂＝1.5mm。第二沟槽间断处距第一沟槽边缘距离为0.3cm。第二沟槽间距为2mm。

第一沟槽及第二沟槽底部均为圆弧形，圆弧形底部距弧线起始处的距离等于沟槽宽度的一半，其中，沟槽宽度为1.5mm。

实施例5

如图11所示的沟槽图形，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

第一沟槽：第一沟槽曲率半径R₁＝3R，第一沟槽数量n为4条，第一沟槽深度D₁＝0.5mm。

第二沟槽：沟槽为间断的同心正五边形，沟槽深度呈连续变化，表现为偏移中间处深度最深，越向两边延伸沟槽深度越浅，沟槽深度最深处D₂＝0.5mm。第二沟槽间断处距第一沟槽边缘距离为0.5cm。第二沟槽间距为2.5mm。

第一沟槽及第二沟槽底部均为倒三角型，底部角度θ为45°，沟槽宽度1.0mm。

实施例6

第一沟槽及第二沟槽底部均为倒三角型，底部角度θ为120°，沟槽宽度1.0mm。

比较例1

使用市面上售卖的常规抛光垫(DOW)进行抛光测试，如图1所示，其具有圆周向和径向沟槽，其中圆周向沟槽为同心圆形状，全部沟槽间距相等，为0.5mm，沟槽深度为0.8mm。径向具有八条直线沟槽，沟槽深度为0.8mm。

比较例2

使用与实施例1除第二沟槽与第一沟槽之间不间断之外，其他条件均相同的抛光垫，抛光垫沟槽图形如图12所示，进行抛光测试。

比较例3

使用与实施例1相比，除沟槽底部为平面形状外，其他条件均相同的抛光垫进行抛光测试。

分别将实施例和比较例中的抛光垫利用之前描述的方法进行抛光实验、去除速率和划伤测试。

表1为实施例及比较例通过测试得到的测试数据表。

表1去除速率结果数据表

表中的抛光速率代表速率稳定后的稳定值。

从表中可以看出，实施例中抛光垫的沟槽形状及结构如本发明所述，稳定后的抛光速率可以达到一个较高的水平，提高抛光效率。同时从靶材表面划伤数量来看，由于沟槽底部呈现非平面状态，加速了新旧抛光介质的交替，使旧的抛光介质及抛光碎屑能够较快的排出，从而减小了靶材表面划伤数量。

比较例1作为常规抛光垫，具有直线径向沟槽，且沟槽底部呈平面形状，其稳定后的抛光速率较实施例中抛光速率低，靶材表面也出现了划伤；比较例2中第二沟槽为连续不间断的同心形状，抛光液在沟槽内平缓流动，抛光速率较实施例间断的第二沟槽图案抛光垫的抛光速率低；比较例3中沟槽形状与实施例1相同，但沟槽底部为平面形状，使抛光速率较比较例1、2稍高，但其沟槽底部为平面形状，使抛光新旧液无法及时交替，造成靶材表面划伤数量增加，也一定程度上限制了抛光速率的增加，使其抛光速率低于实施例中相同沟槽形状抛光垫的抛光速率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种高去除速率、低划伤化学机械抛光垫，所述抛光垫至少包括：

(1)抛光层；

2.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述第一沟槽与第二沟槽的沟槽底部为非平面形状，优选为倒三角型或圆弧形。

3.根据权利要求2所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述沟槽底部为倒三角型，所述沟槽底部倒三角形的角度为θ，其中45°≤θ≤120°。

4.根据权利要求2所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述沟槽底部为圆弧形，所述圆弧形最底端距弧线起始处的距离小于等于沟槽宽度。

5.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述第一沟槽为具有一曲率半径R₁的弧形沟槽，且R/2≤R₁≤3R，其中，R为圆形抛光层的半径；优选地，所述第一沟槽的数量为n，其中4≤n≤15。

6.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述各抛光区中的第二沟槽彼此均匀间隔分布，所述第二沟槽的沟槽间距为1.5～3.5mm；优选地，所述第二沟槽为均匀间隔分布的同心多边形或同心圆形状；更优选地，所述第二沟槽为均匀间隔分布的同心圆形状。

7.根据权利要求1-6任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述第一沟槽的沟槽深度恒定，所述第二沟槽的沟槽深度为中部深、两边逐渐变浅，所述第一沟槽或第二沟槽具有相同的沟槽宽度，选自0.7～1.5mm。

8.根据权利要求7所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述第二沟槽的深度最深处位于所述抛光区中沟槽长度的中间位置；优选地，所述第一沟槽深度为D₁，选自0.5mm≤D₁≤1.5mm，第二沟槽最深处深度为D₂，其中D₂≤D₁。

9.根据权利要求1-6任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述第二沟槽的任一端部边缘距相邻的所述第一沟槽的距离为0.3～1cm。

10.权利要求1-9任一项所述的化学机械抛光垫在磁性基片、光学基片或半导体基片化学机械抛光中的应用。