CN113547450B - 抛光垫、研磨设备及半导体器件的制造方法 - Google Patents

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CN113547450B CN202111103638.4A CN202111103638A CN113547450B CN 113547450 B CN113547450 B CN 113547450B CN 202111103638 A CN202111103638 A CN 202111103638A CN 113547450 B CN113547450 B CN 113547450B
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Abstract

本发明公开了涉及半导体的化学机械抛光技术领域的抛光垫、研磨设备及半导体器件的制造方法。所述抛光垫具有抛光面，在抛光面上至少设置：一条以上的环形沟槽和一条以上的放射状沟槽，所述环形沟槽与放射状沟槽连通，所述环形沟槽两两不相交；沿抛光面中心向外周缘方向，环形沟槽的深度逐渐减小，放射状沟槽的深度逐渐减小。利用本发明所提供抛光垫，抛光液利用率高、抛光速率高，且研磨速率不均一性小；同时能保证抛光过程产生的废屑和废液等的及时排出以及新抛光液的及时进入。

Description

抛光垫、研磨设备及半导体器件的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体的化学机械抛光技术领域，具体地说，涉及抛光垫、研磨设备及半导体器件的制造方法。
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与晶片以相同或相反方向转动。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，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。
抛光垫在旋转过程中会产生较大的离心力，这就导致滴到抛光垫上的抛光液向抛光垫边缘流动，且抛光垫旋转速度越快，抛光液驻留时间越短。虽然抛光垫的表面沟槽可以减小抛光液流出抛光垫的量，但是仍存在抛光液被甩出所导致的抛光液利用率低、研磨速率低且生产成本增加的问题。此外，抛光产物即抛光过程产生的废屑和废液等的及时排出以及新抛光液的及时进入也会影响抛光效率。因此，如何在提高抛光液利用率和研磨速率的同时保证新旧抛光液的及时替换是目前需要解决的问题。
同时，离心力还会影响抛光液的分布均匀性，进而影响抛光均匀度和平坦化效率；在提高抛光液利用率的同时还要满足现今技术对抛光均匀度和平坦化效率的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供抛光垫、研磨设备及半导体器件的制造方法。
本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括使用抛光垫对半导体晶片表面进行研磨的工序，所述抛光垫具有抛光面，在抛光面上至少设置：一条以上的环形沟槽和一条以上的放射状沟槽，所述环形沟槽与放射状沟槽连通，所述环形沟槽两两不相交；
沿抛光面中心向外周缘方向，环形沟槽的深度逐渐减小，放射状沟槽的深度逐渐减小。
本发明第一方面提供一种抛光垫，所述抛光垫具有抛光面，在抛光面上至少设置：一条以上的环形沟槽和一条以上的放射状沟槽，所述环形沟槽与放射状沟槽连通；所述环形沟槽两两不相交；
沿抛光面中心向外周缘方向，环形沟槽的深度逐渐减小，放射状沟槽的深度逐渐减小。
进一步地，所述环形沟槽为以抛光面中心为圆心，优选地，环形沟槽数量≥2，相邻环形沟槽间距相等；和/或，
所述放射状沟槽为自抛光面中心向抛光垫外周缘方向以直线、折线或曲线延伸的放射性沟槽；优选为直线型放射性沟槽。放射状沟槽均匀分布在抛光面上，放射状沟槽数量为4-40，优选为4-24，更优选为8-16。
具体地，放射状沟槽外端与抛光垫的外周缘连通，放射状沟槽内端距离抛光面中心的距离大于、小于或等于最靠近抛光面中心的环形沟槽半径。
优选地，沿抛光面中心向外周缘方向，所述环形沟槽的深度呈阶梯状减小，所述放射状沟槽的深度呈线性减小。
在本发明中，在环形沟槽与放射状沟槽相交的位置，放射状沟槽的深度大于环形沟槽的深度；优选地，放射状沟槽的深度与环形沟槽的深度差大于0且≤0.5mm，优选大于0且≤0.35mm。
进一步地，自抛光面中心向外周缘方向，每m个环形沟槽深度相同，第1至m个环形沟槽为第一阶梯，第m+1至2m个环形沟槽为第二阶梯，直至第(x-1)m+1、(x-1)m+2……第xm个环形沟槽为第x阶梯；
在环形沟槽与放射状沟槽相交部分，第x阶梯第二截面积S2阶梯x与第x阶梯第一截面积为S1阶梯x满足关系：
1.0＜S2阶梯x：S1阶梯x＜2.5；
S2阶梯x：S1阶梯x =（A2-B2*x）/（A1-B1*x），其中A2为0.9-2.0，B2为0.02-0.12，A1为0.5-1.6，B1为0.02-0.08；优选地，S2阶梯x：S1阶梯x 的值随x增加而增大。
其中，所述环形沟槽的深度为抛光层厚度的0.02-0.8倍，优选为抛光层厚度的0.15-0.6倍；宽度0.2~0.6mm，优选0.36-0.55mm；间距1.0~4.0mm，优选1.2-3.2mm；
所述放射状沟槽的宽度0.5~5.0mm，优选为0.8~3.0mm，更优选1.0~2.2mm；深度为抛光层厚度的0.02-0.8倍，优选为抛光层厚度的0.25-0.7倍。
进一步地，每m个环形沟槽的深度以k1的速度从抛光面中心向外周缘方向阶梯状递减，第1至m个深度相同的环形沟槽为第一阶梯，深度记为H1m；第m+1至2m个深度相同的环形沟槽为第二阶梯，深度记为H2m，直至第(x-1)m+1、(x-1)m+2……第xm个深度相同的环形沟槽为第x阶梯，深度记为Hxm；满足关系：Hxm=H1m-（x-1）k1；其中，m为1-20，优选为4-16，更优选为12-16；k1为0.002mm-0.080mm，优选为0.020mm-0.080mm ，更优选为0.040mm-0.080mm。
进一步地，放射状沟槽的深度自抛光面中心向外周缘的方向线性减小，放射状沟槽内端深度为H20，放射状沟槽上与放射状沟槽内端距离为i处的深度记为H2i，H2i=H20-k2×i，其中k2为0.001-0.003，优选0.0012-0.0018。
更进一步地，定义抛光垫有效研磨面积比为RS，RS=1-{π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2+（R-d）*W2*j- n*j* W1* W2}/π（R2-r2），RS为0.7-0.9，优选为0.8-0.9；
和/或，第二体积V2与第一体积V1的比例V2/V1为0.01-0.60，优选为0.05-0.2，更优选为0.1-0.2；其中，第一体积V1={π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2}*[2H1m -（n/m-1）k1]/2；第二体积V2=（R-d）*W2*j *[2H20-k2*（R-d）]/2；
W1为环形沟槽的宽度，mm；r为最内侧环形沟槽的半径，mm；D1为相邻两个环形沟槽的间距，mm；n为环形沟槽的数量；R为抛光面的半径，mm；d为放射状沟槽内端与抛光面中心的距离，mm；W2为放射状沟槽的宽度，mm；j为放射状沟槽的数量；H1m为最内侧环形沟槽的深度，mm；m为每个阶梯环形沟槽的个数；H20为放射状沟槽内端深度，mm；k2为放射状沟槽的深度随与放射状沟槽内端距离增加而减小的速率。
本发明第二方面提供一种研磨设备，具有与被研磨工件接触的抛光垫，所述抛光垫为本发明第一方面提供的抛光垫。
本发明第三方面提供一种半导体器件的制造方法，包括使用抛光垫对半导体晶片表面进行研磨的工序，所述抛光垫为本发明第一方面提供的抛光垫。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过设置沟槽的深度自抛光面中心至外周缘方向呈阶梯状递减的方式，适度阻止抛光液的排出，提高抛光液利用率和抛光速率，且具有较高的研磨速率均一性；同时能保证抛光过程产生的废屑和废液等的及时排出以及新抛光液的及时进入。利用本发明所提供抛光垫研磨的晶圆平整度高、平坦化时间少，半导体器件制造效率高。
附图说明
图1为本发明环形沟槽或放射状沟槽的截面；
图2为本发明一个优选实施方式的抛光垫表面沟槽结构；
图3为本发明图2中A-A截面的主视图；
图4为本发明图2虚线框部分的局部放大图；
标记说明：1-方形沟槽；2-U形沟槽；3-环形沟槽；4-放射状沟槽。
具体实施方式
本发明提供抛光垫、研磨设备及半导体器件的制造方法，以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，本发明使用的“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，只是用来区分不同的组成部分。下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
<抛光垫>
本发明第一方面提供一种抛光垫，所述抛光垫具有抛光面，在抛光面上至少设置：一条以上的环形沟槽和一条以上的放射状沟槽，所述环形沟槽与放射状沟槽连通；
所述环形沟槽两两不相交，环形沟槽的深度沿抛光面中心向外周缘方向逐渐减小；
所述放射状沟槽的深度沿抛光面中心向外周缘方向逐渐减小；进一步地，本发明所述放射状沟槽沿抛光面中心向外周缘方向延伸，可以举出以直线、折线或曲线延伸的示例，分别称为直线型放射状沟槽、折线型放射状沟槽、曲线型放射状沟槽。
本发明所述的抛光面为抛光垫与晶圆的接触面。
为便于描述，将放射状沟槽靠近抛光面中心的一端称作放射状沟槽内端，放射状沟槽靠近或连通抛光垫外周缘的一端称作放射状沟槽外端。在本发明中，放射状沟槽外端和抛光垫的外周缘连通，目的是便于排出抛光液或抛光产物。或者在放射状沟槽外端设置开关单元，用于控制放射状沟槽的流通或封堵状态。本发明所述开关单元的结构不限，能实现抛光液通过放射状沟槽排出或驻留即可，可以举出的示例包括：与放射状沟槽相匹配的活动块、通过滑动、上下按压等方式塞入放射状沟槽外端部达到堵塞的效果，将其移出即可使得抛光液或抛光产物经放射状沟槽流出抛光垫。两两放射状沟槽的内端连通或不连通，这取决于铣削放射状沟槽的工艺。在本发明中，两两放射状沟槽的内端互不连通，放射状沟槽内端与抛光面中心的距离d为5-10mm，这取决于铣削沟槽的刀具尺寸。在本发明实施方式中，放射状沟槽内端与抛光面中心的距离d为7.5mm。
本发明所述环形沟槽目的是拦截抛光液提高抛光液的驻留时间。本发明环形沟槽以抛光面中心为中心均匀或不均匀分布在抛光面上。从提高抛光液在抛光垫上均匀分布速度的角度考虑，所述环形沟槽优选为以抛光面中心为圆心，即所有环形沟槽圆心相同。将最靠近抛光面中心的环形沟槽称为最内侧环形沟槽，将最靠近抛光垫外周缘的环形沟槽称为最外侧环形沟槽。最外侧环形沟槽与抛光垫外周缘不连通，最外侧环形沟槽与抛光面外周缘的距离记为e，e为0.2mm-4.0mm。最内侧环形沟槽的半径r影响抛光工艺中抛光晶圆在抛光垫上的接触面积，最内侧环形沟槽的半径过小，抛光晶圆不接触到相应位置的抛光垫，浪费沟槽制作工艺；最内侧环形沟槽的半径过大，抛光晶圆在相应位置研磨时无抛光液分散，直接影响抛光效果。进一步地，在本发明中，所有环形沟槽圆心相同，圆心均为抛光垫中心，最内侧环形沟槽的直径为20-55mm，在本发明实施方式中将最内侧环形沟槽的直径设定为36mm。
更进一步地，放射状沟槽内端距离抛光面中心的距离大于、小于或等于最内侧环形沟槽半径；从实际应用的角度考虑，优选放射状沟槽内端距离抛光面中心的距离≤最内侧环形沟槽半径，以充分实现放射状沟槽对环形沟槽的导通作用。
本发明环形沟槽的宽度W1为0.2~0.6mm，优选0.36-0.55mm；可举出示例：0.22mm、0.28mm、0.32mm、0.35mm、0.39mm、0.42mm、0.44mm、0.46mm、0.48mm、0.50mm、0.52mm、0.54mm、0.56mm、0.58mm。W1小于0.2mm不利于抛光液快速均匀地分散在抛光面上；W1大于0.6mm，抛光液在环形沟槽中集聚较多，容易出现刮痕。在本案W1宽度范围内的环形沟槽有利于改善抛光液的驻留性以及抛光废液的顺利排出。
本发明相邻两个环形沟槽的间距D1为1.0~4.0mm，优选1.2-3.2mm，可举出1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm的示例。更进一步优选地，两两相邻的环形沟槽的间距均相等。相邻环形沟槽的间距过大，不利于抛光液的均匀分布；反之，徒增抛光垫的刻槽工艺步骤，增加成本。
本发明环形沟槽的深度H1为抛光层厚度H的0.02-0.8倍，优选为抛光层厚度H的0.15-0.6倍。优选地，环形沟槽的深度自抛光面中心向外周缘的方向呈阶梯状减小；换言之，每m个环形沟槽的深度以k1的速度从抛光面中心向外周缘方向呈阶梯状递减。
为进一步说明清楚，本发明环形沟槽的数量为n，n为整数，优选为4的倍数。自抛光面中心向外周缘方向，第一个、第二个……第m个环形沟槽的深度（也称为第一阶梯上环形沟槽的深度）表示为H1m，第m+1、m+2……第2m个环形沟槽的深度（也称为第二阶梯上环形沟槽的深度）表示为H2m，由此下去，则第(x-1)m+1、(x-1)m+2……第xm个环形沟槽的深度（也称为第x阶梯上环形沟槽的深度）表示为Hxm，其中，x=n/m，x为整数或不为整数；Hxm=H1m-（x-1）k1。对于x不为整数的技术方案，x从1取值至小数点前数字加1后的数值，即剩余不足m个的环形沟槽的深度相同且比前m个环形沟槽深度减小了k1；可举出示例：n=14，m=3，x则从1取值到5，即x取值为1、2、3、4、5，则第1-3个环形沟槽深度表示为H3，第4-6个环形沟槽深度表示为H6，第7-9个环形沟槽深度表示为H9，第10-12个环形沟槽深度表示为H12，第13、14个环形沟槽深度表示为H15。该示例仅为更清楚解释本案环形沟槽深度的表示而给出，并不表示实际生产中抛光表面环形沟槽的数量和每个深度阶梯上环形沟槽的数量。
其中，m为1-20，可以举出示例1、4、6、10、13、14、15、16、17、18、19、20等，优选为1-16，更优选为12-16。k1为0.002mm-0.080mm，对于m=1的技术方案，k1为0.002-0.01mm；对于m＞1的技术方案，k1为0.02mm-0.08mm，可举出示例0.032mm、0.034mm、0.036mm、0.038mm、0.040mm、0.042mm、0.043mm、0.044mm、0.045mm、0.046mm、0.047mm、0.048mm、0.049mm、0.050mm、0.052mm、0.054mm、0.056mm、0.058mm，优选为0.040mm-0.080mm。k1大于0.080mm，则环形沟槽深度随抛光面中心向外周缘方向递减太快，不利于抛光产物排出抛光垫。k1小于0.020mm，则环形沟槽深度随抛光面中心向外周缘方向递减太小，在旋转抛光垫离心力作用下，抛光液被大量甩出，抛光液利用率低。
对于本发明各环形沟槽的宽度相等、两两环形沟槽间距相等的技术方案，环形沟槽的数量n、环形沟槽宽度W1、相邻环形沟槽的间距D1、抛光面的半径R、最内侧环形沟槽的半径r、最外侧环形沟槽与抛光面外周缘的距离e之间的关系为：r+(n-1)*(W1+D1)+W1+e=R。
最内侧环形沟槽的面积S1最内=π*( r+W1) 2 - π*r2 =π* W1*（W1+2r）；
最外侧环形沟槽的面积S1最外=π*[r+nW1+(n-1)D1]2 -π*[r+(n-1)W1+(n-1)D1]2 =π*W1*[2r+(2n-1) W1+(2n-2)D1]；
各环形沟槽的面积为等差数列，公差为π* W1*（2W1+2D1）；则第一面积S1=(S1最内+S1最外) *n/2=π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2；
最内侧环形沟槽的深度为H1最内= H1m，最外侧环形沟槽的深度为H1最外=H1m-（n/m -1）k1；对于n/m不为整数的技术方案，n/m为小数点前数字加1后的数值。
在本发明中，定义第一体积V1=S1 *（H1最内+H1最外）/2= {π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1]*n/2} *[2H1m -（n/m -1）k1]/2。
本发明所述放射状沟槽目的是提高滴到抛光垫上的抛光液在抛光面上均匀分布的速度，换言之，是为了便于将抛光液迅速导通至环形沟槽以实现抛光液快速均匀分散至抛光面的效果。对于本发明放射状沟槽的形状，优选地，所述放射状沟槽为自抛光面中心向抛光垫外周缘方向以直线、折线或曲线延伸的放射性沟槽。更优选地，所述放射状沟槽为直线型的放射状沟槽。从提高抛光液分布均匀程度的角度考虑，放射状沟槽均匀分布在抛光面上。本发明放射状沟槽的数量j为4-40，如6、9、10、12、15、18、20、22、24、26、28、30、32、36、40等，更优选为4-24，最优选为8-16。具体地，对于直线型放射状沟槽而言，各放射状沟槽均匀分布，将抛光面分割为等同面积的扇形；以直线型放射状沟槽数量*相邻直线型放射状沟槽夹角的方式表示，直线型放射状沟槽均匀分布可以举出示例：4*90°、8*45°、16*22.5°、24*15°。
本发明放射状沟槽的宽度W2为0.5~5.0mm，优选为0.8~3.0mm，更优选为1.0~2.2mm。W2小于0.5mm则不利于抛光液快速均匀地分散在抛光面上，也不利于抛光产物的及时排出；W2大于5.0mm则容易出现过多抛光液排出抛光垫导致的抛光液消耗过高的问题。可以举出示例：0.7mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3.2mm、3.5mm、4.0mm、4.5 mm、5.0 mm。
本发明放射状沟槽的深度H2为抛光层厚度H的0.02-0.8倍，优选为抛光层厚度H的0.25-0.7倍。进一步地，沿抛光面中心向外周缘的方向，放射状沟槽的深度自放射状沟槽内端至放射状沟槽外端呈线性减小。为进一步说明清楚，放射状沟槽内端深度为H20，放射状沟槽上与放射状沟槽内端距离为i处的深度记为H2i，则H2i=H20-k2×i，其中k2为0.001-0.003，优选0.0012-0.0018。本发明放射状沟槽的深度减小的速率k2过大，抛光产物不易排出；放射状沟槽的深度减小的速率k2过小，抛光液容易被甩出而导致抛光液利用率低。
进一步地，在刻槽过程中，旋转刀具沿Z轴的方向下刀到预设的最深深度，再沿放射状沟槽的轨迹移动。其中，对于圆形刀具，刀具半径为62.5mm，刀具旋转自下刀处即放射状沟槽内端到预设的最深深度处这个过程得到的是深度变化呈圆弧状的放射沟槽，占整个放射状沟槽长度的2%~5%；对于放射状沟槽起始部分为圆弧状的技术方案，将放射状沟槽最深处设定为放射状沟槽内端。
对于本发明放射状沟槽，各个放射状沟槽的宽度均为W2的技术方案：
第二面积S2=（R-d）*W2*j；
放射状沟槽最内端的深度H2最内= H20，放射状沟槽最外端的深度H2最外= H20-k2*（R-d）；
第二体积V2= S2*（H2最内+H2最外）/2=（R-d）*W2*j *[2H20-k2*（R-d）]/2。
本发明环形沟槽与放射状沟槽有相交的位置，对于在本发明环形沟槽与放射状沟槽相交的位置，放射状沟槽的深度H2大于环形沟槽的深度H1，放射状沟槽深度H2与环形沟槽的深度H1差优选为大于0且≤0.5mm，更优选为大于0且≤0.35mm。
对于本发明环形沟槽和放射状沟槽相交的位置，相交的个数为n*j；
第三面积为S3= S1 + S2- n*j* W1* W2=π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2+（R-d）*W2*j- n*j* W1* W2。
抛光垫有效研磨面积比RS=[π（R2-r2）-S3]/π（R2-r2）=1-{π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2+（R-d）*W2*j- n*j* W1* W2}/π（R2-r2），RS为0.7-0.9，优选为0.8-0.9。
第二体积和第一体积的比V2/V1为0.01-0.60，优选为0.05-0.2，更优选为0.1-0.2。
在本发明中，如图3所示的本发明环形沟槽深度变化呈阶梯状，第x阶梯下即第x个环形沟槽深度相同部分的环形沟槽和放射状沟槽相交位置处，一条放射状沟槽上：
第x阶梯第一截面积为S1阶梯x=m*W1* Hxm，其中Hxm= H1m-（x-1）k1；
第x阶梯第二截面积S2阶梯x= m*W1* H阶梯x均；其中H阶梯x均为第x阶梯始、末位置放射沟槽深度的平均值，H阶梯x均=H20-k2（r-d）-k2（x-1）m（W1+D1）- k2*[(m-1)( W1+D1)+W1]/2；H阶梯x均为等差数列，公差为 k2*m（W1+D1）。
第x阶梯第二截面积S2阶梯x与第x阶梯第一截面积S1阶梯x的比S2阶梯x：S1阶梯x= H阶梯x均：Hxm={H20-k2（r-d）-k2（x-1）m（W1+D1）- k2*[(m-1)( W1+D1)+W1]/2}：[ H1m-（x-1）k1]；
将H20-k2（r-d）+k2*m*（W1+D1）- k2*[(m-1)( W1+D1)+W1]/2定义为A2，k2*m*（W1+D1）定义为B2；将H1m+k1 定义为A1，将k1定义为B1。
则S2阶梯x与S1阶梯x满足关系：
1.0＜S2阶梯x：S1阶梯x＜2.5；
S2阶梯x：S1阶梯x =（A2-B2*x）/（A1-B1*x），在本发明中，A2为0.9-2.0，B2为0.02-0.12，A1为0.5-1.6，B1为0.02-0.08；优选地，S2阶梯x：S1阶梯x的值随x增加而增大。
本发明环形沟槽和放射状沟槽的截面不限，能实现盛装抛光液并保证抛光液适宜的驻留时间即可，可以举出的示例包括U形、方形、V形、倒三角形、倒梯形，优选为方形、U型，如图1中方形沟槽1、U形沟槽2。
如图2所示的抛光垫表面沟槽结构，为本发明的一种优选实施方式。图3为图2中A-A截面的主视图，图4为图2的局部放大图。在图2中，环形沟槽为同心圆沟槽，放射状沟槽为直线型放射状沟槽。
图2中所有环形沟槽的宽度、间隔均相等，其中，环形沟槽宽度W1为0.2~0.6mm，优选0.36-0.55mm；可举出示例：0.22mm、0.28mm、0.32mm、0.35mm、0.39mm、0.42mm、0.44mm、0.46mm、0.48mm、0.50mm、0.52mm、0.54mm、0.56mm、0.58mm。相邻两个环形沟槽的间距D1为1.0~4.0mm，优选1.2-3.2mm，可举出1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm的示例。在图2所示意的抛光垫结构中，每m个环形沟槽的深度以k1的速度从抛光面中心向外周缘方向呈阶梯状递减；图3中H1m表示第1个、第2个、第m个环形沟槽的深度，H2m表示第m+1、m+2……第2m个环形沟槽的深度，H3m表示第2m+1、2m+2……第3m个环形沟槽的深度，H4m表示第3m+1、3m+2……第4m个环形沟槽的深度，H5m表示第4m+1、4m+2……第5m个环形沟槽的深度，以此类推下去；H2m=H1m-k1，H3m=H2m-k1，H4m=H3m-k1，H5m=H4m-k1。其中m为1-20，优选为1-16，更优选为16；k1为0.002mm-0.080mm，其中，对于m=1的技术方案，k1为0.002-0.01mm；对于m＞1的技术方案，k1为0.02mm-0.08mm，优选为0.040mm-0.080mm。优选地，抛光面上环形沟槽的深度呈阶梯式减小，即m为2-20。图3中H1m、H2m、H3m、H4m、H5m均为抛光层厚度H的0.02-0.8倍，优选为抛光层厚度H的0.15-0.6倍，H1m、H2m、H3m、H4m、H5m依次递减k1。
图2中放射状沟槽均匀分布在抛光面上，即两两放射状沟槽虚拟延伸线之间的夹角相同。放射状沟槽的数量j为4-40之间的整数，更优选为4-24之间的整数，最优选为8-16之间的整数，在图2中放射状沟槽的数量j为8。所有放射状沟槽的宽度W2均相等，其中，放射状沟槽宽度W2为0.5~5.0mm，优选为0.8~3.0mm，更优选为1.0~2.2mm。图3中，H20表示放射状沟槽深度最大值；H2i表示放射状沟槽上与放射状沟槽内端距离为i处的深度，0≤i≤抛光垫半径；其中，H2i=H20-k2×i，k2为0.001-0.003，优选0.0012-0.0018；H2i为抛光层厚度H的0.02-0.8倍，优选为抛光层厚度H的0.25-0.7倍。即放射状沟槽的深度自放射状沟槽深度最大处向外周缘的方向随着与放射状沟槽深度最大处距离的增加呈线性减小。
在实际加工中，放射状沟槽沿抛光面中心向外周缘的方向铣削，由于沟槽铣削工序的不同，放射状沟槽起始处深度较浅且深度变化为弧状，其中弧状部分为自放射状沟槽用刀具下刀处到放射状沟槽深度最大处的部分，放射状沟槽其余部分的深度和深度变化趋势如上一段内容所述。本发明图3所示的放射状沟槽起始处铣削深度为直线变化的技术方案，在实际生产中可通过其它铣削刀具实现。
图3中，距离抛光面中心相同位置处，放射状沟槽的深度＞环形沟槽的深度；更进一步地，对于环形沟槽与放射状沟槽相交的位置，放射状沟槽的深度大于环形沟槽的深度，这一点在图4所示的局部放大图中能直观看出，图4中放射状沟槽4的深度大于环形沟槽3的深度，以便于导通环形沟槽3内的抛光液。放射状沟槽深度与环形沟槽的深度之差优选为大于0且≤0.5mm，更优选为大于0且≤0.35mm。
在本发明中，所述抛光层的直径为50-100cm，较佳地为50-90cm；抛光层厚度为1.1-3.6mm，较常见的厚度有1.27mm、2.032mm。在本发明实施例中，抛光层直径为77.47cm，厚度为2.032mm。
<抛光垫的制备>
本发明的抛光垫包括抛光层，还可包括缓冲层。抛光层及缓冲层可使用下述方法自制，也可直接购买市售产品。将抛光层和缓冲层贴合制备抛光垫的方法没有特别限定，可列举如下方法，即在缓冲层上层叠由聚酯类热熔粘接剂构成的粘接剂层，用加热器加热熔融粘接剂层，然后，在熔融的粘接剂层上层叠抛光层并压制的方法。
作为抛光层，本发明抛光层可以采用公知的预聚体法、一步法等方法制备，本发明技术人员根据需要选择的方法不影响本发明的构思和保护范围，只要能做出本发明所涉及的抛光层均可以。
所述抛光层的材质为本领域常规使用的材质，例如聚氨酯，所述聚氨酯是指衍生自二官能或多官能异氰酸酯的产物，所述聚氨酯例如可为聚醚脲、聚异氰脲酸酯、聚氨基甲酸酯、聚脲和聚氨酯脲中的一种或多种，所述聚氨酯也可为聚醚脲、聚异氰脲酸酯、聚氨基甲酸酯、聚脲和聚氨酯脲中的两种以上的物质形成的共聚物。较佳地，所述聚氨酯由异氰酸酯和多元醇反应所得异氰酸酯封端的预聚物再与固化剂反应制得，或者由异氰酸酯和多元醇反应所得异氰酸酯封端的预聚物再与固化剂和中空微球体的混合物反应制得。
其中，所述异氰酸酯，如无特别限定，可以使用聚氨酯领域中公知的化合物，例如可为芳香族异氰酸酯和/或脂肪族异氰酸酯。所述异氰酸酯例如可为芳香族二异氰酸酯类化合物、脂肪族二异氰酸酯类化合物和脂环式二异氰酸酯类化合物中的一种或多种。所述芳香族二异氰酸酯类化合物较佳地为2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯、对苯二亚甲基二异氰酸酯和间苯二亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种。所述脂肪族二异氰酸酯类化合物较佳地为亚乙基二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯和1,6-六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种。所述脂环式二异氰酸酯类化合物较佳地为1,4-环己烷二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和降冰片烷二异氰酸酯中的一种或多种。
其中，所述多元醇，如无特别限定，可以使用聚氨酯领域中公知的化合物，例如可为聚醚型多元醇和/或聚酯型多元醇。较佳地，所述多元醇为聚四亚甲基醚二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇、己二酸乙二酯和己二酸丁二酯中的一种或多种，或者，所述多元醇为上述六种物质中的两种以上的物质形成的共聚物。
所述预聚物的型号优选为Adiprene®L325、Adiprene®LF750和Adiprene®LF700D中的一种或多种。
所述固化剂，如无特别限定，可以使用聚氨酯领域中公知的化合物，例如可为多元醇、多胺和醇胺中的一种或多种，其中，所述多胺为二胺和其它的多官能胺。较佳地，所述固化剂为4,4’-亚甲基-双邻氯苯胺、4,4’-亚甲基二(3-氯-2,6-二乙基苯胺)、二甲硫基甲苯二胺、二对氨基苯甲酸-1,3-丙二酯、二乙基甲苯二胺、5-叔戊基-2,4-和3-叔戊基-2,6-甲苯二胺和氯代甲苯二胺中的一种或多种。更佳地，所述固化剂较佳地为MOCA和/或MCDEA，所述MOCA为3,3-二氯-4,4-二氨基二苯基甲烷，所述MCDEA为4,4-亚甲基双(3-氯-2,6-二乙基苯胺)。
含有中空微球体的抛光层，中空微球体均匀地分散在抛光层中。所述中空微球体具有聚丙烯腈或聚丙烯腈共聚物外壁的囊状结构。更佳地，所述中空微球体的型号为Expancel系列中空微球或松本微珠F系列。进一步更佳地，所述中空微球体的型号为Expancel®551DE20d42。中空微球聚合物分散在抛光层中可使抛光层最终具有的孔隙率为10～40％，孔径为＜120μm；更佳地，孔隙率为15～35％，孔径为<50μm。
通过不同组分的预聚体，固化剂含量及微球的含量控制抛光层不同的硬度，密度，压缩率等物性参数。将组合物浇注到模具内形成圆柱体，然后将圆柱体进行切片得到薄片，最后在薄片上进行刻槽加工，得到具有沟槽图案的抛光层，制得的抛光层。
作为缓冲层，例如，可列举聚酯无纺布、尼龙无纺布、及丙烯酸无纺布等纤维无纺布；浸渍聚氨酯的聚酯无纺布之类的树脂浸渍无纺布；聚氨酯泡沫及聚乙烯泡沫等高分子树脂发泡体；丁二烯橡胶及异戊二烯橡胶等橡胶性树脂；感光性树脂等。
可通过使用不同的无纺布及不同粘度的聚氨酯DMF溶液来调节缓冲层的密度、硬度及压缩率。浸渍一段时间后,通过低浓度的DMF的凝固槽，通过溶液交换，使TPU成型附着与无纺布上，后放入清水的水洗槽，洗去溶剂，然后在隧道炉中150℃烘干，成型，后打磨至需要厚度即可。
<研磨设备>
本发明第二方面提供一种研磨设备，具有与被研磨工件接触的抛光垫，所述抛光垫为本发明第一方面提供的抛光垫。
<半导体器件的制造方法>
本发明第三方面提供一种半导体器件的制造方法，包括使用抛光垫对半导体晶片表面进行研磨的工序，所述抛光垫为本发明第一方面提供的抛光垫。
通过下面的实施例可以更好地理解本发明的上述及其他优点，但是以下实施例并非用于限制本发明的范围。
实施例代号解释：
W1：环形沟槽宽度，单位：mm；
D1：环形沟槽间距，单位：mm；
H1：环形沟槽深度，单位：mm；
m、k1：自抛光面中心向外周缘方向，每m个环形沟槽的深度从抛光面中心向外周缘逐个递减k1。
H1m：自抛光面中心向外周缘方向，第一个、第二个……第m个环形沟槽的深度，单位：mm；
j：放射状沟槽的数量；
W2：放射状沟槽宽度，单位：mm；
H2：放射状沟槽深度，单位：mm；
H20：放射状沟槽靠近抛光面中心一端的深度，也为放射状沟槽的深度最大值，单位：mm；
k2：自抛光面中心向外周缘方向，放射状沟槽深度以k2的速度从抛光面中心向外周缘线性递减。
RS：抛光垫有效研磨面积比；
V2/V1：第二体积V2与第一体积V1的比例；
A1、B1、A2、B2均为常数，其中，A1=H1m+k1；B1= k1；A2= H20-k2（r-d）+k2*m*（W1+D1）- k2*[(m-1)( W1+D1)+W1]/2；B2= k2*m*（W1+D1）。
实施例1-11和对比例1-4中，抛光垫直径为774.7mm，厚度为2.032mm，实施例1-14最内侧环形沟槽的半径r为18mm，放射状沟槽内端距离抛光面中心的距离d为7.5 mm；实施例1-11和对比例1-4中抛光垫包括抛光层和缓冲层，其中抛光层为由异氰酸酯和多元醇反应所得异氰酸酯封端的预聚物再与固化剂和中空微球体的混合物反应制得的聚氨酯材质，抛光垫所用粘贴缓冲层为聚氨酯浸渍无纺布。抛光垫的制备方法如下：
（1）制备抛光层：使用23.0质量份的TDI即甲苯二异氰酸酯，46.3质量份的PTMEG即聚四亚甲基醚二醇(分子量701.0)以及30.7质量份的MOCA即3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷；微球使用AkzoNobel制造，牌号为Expancel 551DE40D42的微球，微球的质量占抛光层总质量的1.2％，将上述物料加入到浇注头内，快速混合，混合速率为5000rpm，浇注到模具内形成圆柱体，然后将圆柱体进行切片得到薄片，最后在薄片上进行刻槽加工，得到具有沟槽图案的抛光层。
（2）将步骤（1）所得抛光层和聚氨酯浸渍无纺布的缓冲层贴合，得到抛光垫。
本发明实施例抛光垫的制备方法对本发明并无限制，其它本领域公知方法得到的抛光垫均适用于本发明。
实施例1-11和对比例1-4抛光垫抛光面上的沟槽结构参数如表1、表2所示：
表1实施例1-11和对比例1-4抛光垫抛光面上的沟槽结构参数
Figure 230642DEST_PATH_IMAGE001
表2实施例1-11和对比例1-4抛光垫抛光面上的沟槽结构参数
Figure 563534DEST_PATH_IMAGE002
抛光垫评价方法：
研磨条件：在研磨中以120ml/分钟的流量添加二氧化硅浆料(SS25E，卡博特(キャボット，CABOT)公司制造)作为浆料。研磨载荷设定为4.6psi，研磨平台转速设定为108rpm，晶片转速定为102rpm。试验时，测定平均研磨速率，研磨速率不均一性，并观察刮痕个数作为抛光垫的质量特性指标。
平均研磨速率：在上述条件下，将在8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，从磨耗减量求出平均研磨速度，单位为(Å/min)。
研磨速率不均一性：在抛光实验前后分别测定抛光对象的厚度。预先在抛光对象的表面选择49个位置用于测定。研磨速率不均一性可以用下述式（1）由试验前后测定的49个位置的厚度之差的最大值（Max）和最小值（Min）和这些值的平均值计算。
研磨速率不均一性=100*（Max- Min）/平均值 式（1）
表3为实施例1-11和对比例1-4抛光垫的研磨性能即抛光效果评价。
表3 实施例1-11和对比例1-4抛光垫的研磨性能
Figure 377906DEST_PATH_IMAGE003

Claims (27)

1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括使用抛光垫对半导体晶片表面进行研磨的工序，所述抛光垫具有抛光面，在抛光面上至少设置：一条以上的环形沟槽和一条以上的放射状沟槽，所述环形沟槽与放射状沟槽连通，所述环形沟槽两两不相交；
沿抛光面中心向外周缘方向，环形沟槽的深度逐渐减小，放射状沟槽的深度逐渐减小；
每m个环形沟槽的深度以k1的速度沿抛光面中心向外周缘方向阶梯状递减，第1至m个深度相同的环形沟槽为第一阶梯，深度记为H1m；第m+1至2m个深度相同的环形沟槽为第二阶梯，深度记为H2m，直至第(x-1)m+1、(x-1)m+2……第xm个深度相同的环形沟槽为第x阶梯，深度记为Hxm；满足关系：Hxm=H1m-（x-1）k1；其中，m为4-20，k1为0.002mm-0.080mm；
和/或，放射状沟槽的深度沿抛光面中心向外周缘的方向线性减小，放射状沟槽内端深度为H20，放射状沟槽上与放射状沟槽内端距离为i处的深度记为H2i，H2i=H20-k2×i，其中k2为0.001-0.003；
在环形沟槽与放射状沟槽相交部分，第x阶梯第二截面积S2阶梯x与第x阶梯第一截面积为S1阶梯x满足关系：
1.0＜S2阶梯x：S1阶梯x＜2.5；
第二体积V2与第一体积V1的比例V2/V1为0.01-0.60；其中，第二体积V2=（R-d）*W2*j *[2H20-k2*（R-d）]/2，第一体积V1={π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2}*[2H1m -（n/m-1）k1]/2；
W1为环形沟槽的宽度，mm；r为最内侧环形沟槽的半径，mm；D1为相邻两个环形沟槽的间距，mm；n为环形沟槽的数量；R为抛光面的半径，mm；d为放射状沟槽内端与抛光面中心的距离，mm；W2为放射状沟槽的宽度，mm；j为放射状沟槽的数量；H1m为最内侧环形沟槽的深度，mm；m为每个阶梯环形沟槽的个数；H20为放射状沟槽内端深度，mm；k2为放射状沟槽的深度随与放射状沟槽内端距离增加而减小的速率。
2.一种抛光垫，其特征在于，所述抛光垫具有抛光面，在抛光面上至少设置：一条以上的环形沟槽和一条以上的放射状沟槽，所述环形沟槽与放射状沟槽连通，所述环形沟槽两两不相交；
沿抛光面中心向外周缘方向，环形沟槽的深度逐渐减小，放射状沟槽的深度逐渐减小；
每m个环形沟槽的深度以k1的速度沿抛光面中心向外周缘方向阶梯状递减，第1至m个深度相同的环形沟槽为第一阶梯，深度记为H1m；第m+1至2m个深度相同的环形沟槽为第二阶梯，深度记为H2m，直至第(x-1)m+1、(x-1)m+2……第xm个深度相同的环形沟槽为第x阶梯，深度记为Hxm；满足关系：Hxm=H1m-（x-1）k1；其中，m为4-20，k1为0.002mm-0.080mm；
和/或，放射状沟槽的深度沿抛光面中心向外周缘的方向线性减小，放射状沟槽内端深度为H20，放射状沟槽上与放射状沟槽内端距离为i处的深度记为H2i，H2i=H20-k2×i，其中k2为0.001-0.003；
在环形沟槽与放射状沟槽相交部分，第x阶梯第二截面积S2阶梯x与第x阶梯第一截面积为S1阶梯x满足关系：
1.0＜S2阶梯x：S1阶梯x＜2.5；
第二体积V2与第一体积V1的比例V2/V1为0.01-0.60；其中，第二体积V2=（R-d）*W2*j *[2H20-k2*（R-d）]/2，第一体积V1={π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2}*[2H1m -（n/m-1）k1]/2；
W1为环形沟槽的宽度，mm；r为最内侧环形沟槽的半径，mm；D1为相邻两个环形沟槽的间距，mm；n为环形沟槽的数量；R为抛光面的半径，mm；d为放射状沟槽内端与抛光面中心的距离，mm；W2为放射状沟槽的宽度，mm；j为放射状沟槽的数量；H1m为最内侧环形沟槽的深度，mm；m为每个阶梯环形沟槽的个数；H20为放射状沟槽内端深度，mm；k2为放射状沟槽的深度随与放射状沟槽内端距离增加而减小的速率。
3.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述环形沟槽以抛光面中心为圆心；
和/或，所述放射状沟槽沿抛光面中心向抛光垫外周缘方向以直线、折线或曲线延伸；放射状沟槽均匀分布在抛光面上，放射状沟槽数量为4-40。
4.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，环形沟槽数量≥2，相邻环形沟槽间距相等。
5.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述放射状沟槽为直线型放射性沟槽。
6.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，放射状沟槽均匀分布在抛光面上，放射状沟槽数量为4-24。
7.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，放射状沟槽均匀分布在抛光面上，放射状沟槽数量为8-16。
8.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，在环形沟槽与放射状沟槽相交的位置，放射状沟槽的深度大于环形沟槽的深度。
9.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，放射状沟槽的深度与环形沟槽的深度差大于0且≤0.5mm。
10.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，放射状沟槽的深度与环形沟槽的深度差大于0且≤0.35mm。
11.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，沿抛光面中心向外周缘方向，每m个环形沟槽深度相同，第1至m个环形沟槽为第一阶梯，第m+1至2m个环形沟槽为第二阶梯，直至第(x-1)m+1、(x-1)m+2……第xm个环形沟槽为第x阶梯；
在环形沟槽与放射状沟槽相交部分，
S2阶梯x：S1阶梯x =（A2-B2*x）/（A1-B1*x），其中A2为0.9-2.0，B2为0.02-0.12，A1为0.5-1.6，B1为0.02-0.08。
12.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，在环形沟槽与放射状沟槽相交部分，S2阶梯x：S1阶梯x的值随x增加而增大。
13.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述环形沟槽的深度为抛光层厚度的0.02-0.8倍，宽度0.2~0.6mm，间距1.0~4.0mm；
所述放射状沟槽的宽度0.5~5.0mm，深度为抛光层厚度的0.02-0.8倍。
14.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述环形沟槽的深度为抛光层厚度的0.15-0.6倍。
15.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述环形沟槽的宽度0.36-0.55mm。
16.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述环形沟槽的间距1.2-3.2mm。
17.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述放射状沟槽的宽度为0.8~3.0mm。
18.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述放射状沟槽的宽度为1.0~2.2mm。
19.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述放射状沟槽的深度为抛光层厚度的0.25-0.7倍。
20.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，m为4-16，k1为0.020mm-0.080mm ；
和/或，k2为0.0012-0.0018。
21.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，m为12-16。
22.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，k1为0.040mm-0.080mm。
23.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，有效研磨面积比RS=1-{π* W1*[4r+2n*W1+(2n-2)D1] *n/2+（R-d）*W2*j- n*j* W1* W2}/π（R2-r2），RS为0.7-0.9；
和/或，第二体积V2与第一体积V1的比例V2/V1为0.05-0.2。
24.根据权利要求23所述的抛光垫，其特征在于，有效研磨面积比RS为0.8-0.9。
25.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，第二体积V2与第一体积V1的比例V2/V1为0.1-0.2。
26.一种研磨设备，其特征在于，具有与被研磨工件接触的抛光垫，所述抛光垫为权利要求2-25中任意一项所述的抛光垫。
27.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括使用抛光垫对半导体晶片表面进行研磨的工序，所述抛光垫为权利要求2-25中任意一项所述的抛光垫。
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