CN114126803B - 具有固定沟槽体积的化学机械平坦化垫 - Google Patents

具有固定沟槽体积的化学机械平坦化垫 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种化学机械抛光垫，其包括第一材料的表面部分。所述表面部分包括多个沟槽。所述沟槽的第一部分为位于所述化学机械抛光垫的表面处的暴露沟槽。所述沟槽的第二部分为嵌入所述化学机械抛光垫的表面下方的埋入式沟槽，使得在使用所述化学机械抛光垫期间，所述埋入式沟槽中的一个或多个在所述表面处暴露。

Description

具有固定沟槽体积的化学机械平坦化垫
对相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2019年5月7日提交的名称为“Chemicalmechanical planarization pads via continuous liquid interface production”的美国临时申请No.62/844,196和于2019年10月25日提交的名称为“Chemical mechanicalplanarization pads with constant groove volume”的美国临时申请No.62/926,192的优先权，将其各自的内容通过引用引入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及用于化学机械抛光中的抛光垫，且更具体地涉及具有固定沟槽体积的化学机械抛光垫。
背景技术
通常通过在硅晶圆上依序沉积导电层、半导体层和/或绝缘层而在基板上形成集成电路。多种制造方法需要对基板上的这些层中的至少一个进行平坦化。举例而言，对于某些应用(例如抛光金属层以在图案化层的沟槽中形成通孔、插塞及线)，平坦化覆盖层直至图案化层的顶部表面暴露。在其他应用(例如平坦化用于光刻的介电层)中，抛光覆盖层直至在底层上方保持所需厚度。化学机械平坦化(CMP)为一种平坦化方法。该平坦化方法通常涉及安装于载体头部上的基板。通常抵靠旋转压板上的抛光垫放置基板的暴露表面。载体头部在基板上提供可控制的负荷(例如向下的力)以抵靠旋转抛光垫推动所述基板。亦可在抛光期间将抛光液体例如具有磨料颗粒的浆液安置于抛光垫的表面上。
发明内容
化学机械平坦化方法的一个目标是实现高的抛光均匀度。若以不同速率抛光基板上的不同区域，则基板的一些区域可能会移除过多的材料(“过度抛光”)或移除过少的材料(“抛光不足”)。包括标准垫及固定研磨垫的常规的抛光垫可受到这些问题的影响。标准垫可具有带有粗糙化的表面的聚氨酯抛光层且亦可包括可压缩的衬底层。固定研磨垫具有保持在密封介质中的磨料颗粒且通常支撑于不可压缩的衬底层上。
通常通过模制、流延或烧结聚氨酯材料来制备这些常规的抛光垫。必须一次一个地(例如通过注塑)制备模制抛光垫。对于流延抛光垫，将液态前体流延且固化成“饼状物”，随后将其切成单独垫段。接着必须将这些垫段机器加工成最终厚度。使用常规的基于挤出方法制备的抛光垫一般缺乏CMP所需的特性(例如对于有效的CMP过于脆性)。本发明提供抛光垫及其制造方法，其促进改良抛光均匀度以满足新集成电路设计的愈来愈具有挑战性的抛光需求。
在一种实施方式中，化学机械抛光(CMP)垫包括使用基于缸(vat)的增材制造方法形成的抛光部分。所述抛光部分包括具有第一弹性模量的聚合物材料。在一些实施方式中，所述抛光部分包括抛光表面。在一些实施方式中，所述抛光表面包括沟槽、孔或微观结构中的至少一种。在一些实施方式中，所述抛光部分的密度在0.3至0.9克/立方厘米(g/cm3)的范围内。在一些实施方式中，所述抛光部分包括聚氨酯。在一些实施方式中，所述抛光部分安置于衬底部分上。在一些实施方式中，所述衬底部分具有第二弹性模量。在一些实施方式中，所述第二弹性模量小于所述第一弹性模量。在一些实施方式中，使用所述基于缸的制造方法形成所述衬底部分。在一些实施方式中，所述衬底部分包括无孔层、多孔层或晶格结构中的至少一种。在一些实施方式中，可在不使用粘合剂的情况下使所述抛光部分与所述衬底部分附接。
在另一实施方式中，化学机械抛光垫包括第一材料的表面部分。所述表面部分包括多个沟槽。所述沟槽的第一部分为位于所述化学机械抛光垫的表面处的暴露的沟槽。所述沟槽的第二部分为嵌入所述化学机械抛光垫的表面下方的埋入式沟槽，使得在使用所述化学机械抛光垫期间，埋入式沟槽中的一个或多个在所述表面处暴露。
附图说明
为了帮助理解本发明，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：
图1为用于化学机械平坦化(CMP)的示例性系统的图式；
图2A-图2C为根据本发明的说明性实施方式的示例性抛光垫的图式；
图3为根据说明性实施方式的抛光垫的示例性抛光表面的图式；
图4为根据说明性实施方式的示例性抛光垫的图式；
图5A及图5B为根据说明性实施例之示例性抛光垫的图式；
图6A-图6D为根据说明性实施例之示例性抛光垫的图式；
图7A-图7C为根据本发明的说明性实施方式的说明具有埋入式沟槽的抛光垫的图式；
图8A-图8E为根据各种说明性实施方式的说明具有埋入式沟槽及通道的示例性抛光垫的图式。
图9为说明具有构造成充当浆液储集器的相对较大的埋入式沟槽的示例性抛光垫的图式；
图10A及图10B为说明具有垂直连接埋入式沟槽以便提供浆液储集器的通道的示例性抛光垫的图式；和
图11为说明制备及使用本发明中所描述的任意抛光垫的示例性方法的流程图；和
图12A及图12B为说明使用连续液体界面生产制备抛光垫的两个不同定向的图式。
具体实施方式
在开始时应理解，尽管下文说明了本发明的实施方式的示例性实施方式，但无论当前已知与否，可使用任何数目的技术来实施本发明。本发明决不应受限于下文所说明的示例性实施方式、图式及技术。另外，图式未必按比例绘制。
本发明认识到用于制造包括通过基于挤出的印刷而制备的垫的CMP抛光垫的常规的方法：(i)受到低产出量及低再现性的影响；(ii)无法用于制备具有复杂的、多尺度三维多孔结构的垫；以及(iii)对于CMP，通常与具有所需化学及机械特性的材料不相容。此外，为了提供均匀的抛光，抛光垫应与经抛光的基板形成均匀接触，使得可穿过基板表面施加均一的压力。垫厚度上的变化可导致穿过基板表面的压力不均一。甚至厚度上的较小变化可导致所施加的压力的变化，且因此导致抛光期间的不均匀移除以及基板表面上的缺陷(例如微刮痕)的增加。与使用常规的抛光垫相比，本文中所述的抛光垫提供更均匀的抛光。
本发明进一步认识到，可使用基于缸的增材制造方法有效地生产具有改良的化学及机械特性的抛光垫。基于缸的增材制造一般涉及一定体积的液态前体的薄层的依序光聚合以形成物件。液体前体包含于容器(例如槽)中。槽可为能够保持足够量的液态前体以供应构建区的任何适合之容器。举例而言，液态前体(例如液态UV敏感预聚物，例如光活性树脂)的薄膜可暴露于在空间上图案化的UV辐射。暴露于UV辐射的前体的区域(例如构建区)聚合以形成具有通过UV辐射的图案确定的结构的薄的固体层。各层为约25-100微米厚，且沉积在粘附于可移动的构建平台的前述层上。移动构建平台，使得使用UV辐射的图案连续地形成抛光垫层，导致具有所需设计及尺寸的聚合物结构的精密逐层成型。这些方法的示例包括连续液体界面制造(CLIP)和高表面积快速印刷(HARP)。
化学机械平坦化系统
图1说明用于执行化学机械平坦化的系统100。系统100包括位于压板104上或附着至压板104的CMP垫102(亦称为“抛光垫”)。举例而言，粘合剂层(未图示)可用于将抛光垫附接至压板104。压板104一般可在化学机械平坦化期间旋转。晶圆106(例如如上所述含或不含导电、半导电和/或绝缘层的硅晶圆)附着至可旋转的夹盘的头部108。可使用真空和/或可逆粘合剂(例如在化学机械平坦化期间将晶圆106固持在适当位置但允许晶圆106在化学机械平坦化之后自头部108移除的粘合剂)来附接晶圆106。如图1中所示，在化学机械平坦化期间可对晶圆106施加压力(例如以促进晶圆106的表面与抛光垫102之间的接触)。
示例性抛光垫102示于图2A-图10B中，且在以下这些图方面被更详细地描述。抛光垫102一般具有圆形或大致圆柱形形状(即具有顶表面、底表面及弯曲边缘)。抛光垫102可包含聚氨酯，诸如可挠性(柔性)聚氨酯或刚性聚氨酯。下文更详细地描述用于制备示例性抛光垫102的组合物的示例。在一些实施方式中，组合物包括一或多种成孔剂。成孔剂可为在加热时体积膨胀的颗粒(例如微球体)。成孔剂可使得在抛光垫102中形成孔，其可改良垫性能，如下文关于图3及表1所描述的。抛光垫102可具有任何适当厚度及任何适当直径(例如待与诸如上文所描述的系统100的CMP系统一起使用)。举例而言，抛光垫102的厚度可在约0.5毫米至大于5厘米的范围内。在一些实施方式中，抛光垫之厚度可在1毫米至5毫米的范围内。基于缸的制造方法可用于制备厚的抛光垫102，且与使用先前技术可能包括复杂结构的情况相比，这些厚抛光垫102可包括更复杂的结构(例如更大数目的埋入式沟槽的层)。抛光垫直径一般经选择以匹配或仅小于所使用的抛光系统100的压板104的直径。抛光垫102一般具有均一的厚度(例如厚度变化不超过整个抛光垫的径向范围的50％、25％、20％、10％、5％或更小)。
本发明中所描述的基于缸的制造方法有助于制备用于化学机械平坦化的具有改良的特性的垫102。下文关于图2A-图10B更详细地描述抛光垫102的示例。图2A-图2C描述具有抛光部分及底层衬底部分的示例性抛光垫102(即抛光垫200)的结构。图3说明具有多孔结构的抛光垫102的一部分。垫102可具有沿垫的半径变化的可压缩性(例如弹性模量)以提供改良的平坦化，如下文相对于图4更详细地描述的。埋入式沟槽和/或通道的存在提供若干益处，诸如改良的平坦化均匀度、延长的垫寿命，如下文关于图5A至图10B更详细地描述的。
可在化学机械平坦化之前和/或期间将浆液110提供在抛光垫102的表面上。浆液110可为用于对待平坦化的晶圆类型和/或层材料进行平坦化(例如以从晶圆106的表面移除氧化硅层)的任何适当浆液。浆液110一般包括流体及研磨剂和/或化学反应性颗粒。可使用任何适当的浆液110。举例而言，浆液110可与从平坦化的表面移除的一或多种材料反应。本发明中所描述的抛光垫的某些实施方式使得从经平坦化的表面移除消耗的浆液110(即其中活性材料已被大部分消耗的浆液110)，和/或使得在平坦化表面附近补充新制浆液110(参见例如图5A-图5B、图6A-图6D及图8E)。
调节器112为构造成调节抛光垫102的表面的装置。调节器112一般接触抛光垫102的表面且移除抛光垫102的顶层的一部分以改良其在化学机械平坦化期间的性能。举例而言，调节器112可使抛光垫102的表面变粗糙。若抛光垫102为本发明中所描述的具有埋入式沟槽的独特抛光垫之一，则调节器112可暴露嵌入抛光垫102内的埋入式沟槽。如下文进一步描述，本发明中描述的独特抛光垫可减少或移除使用调节器112的需求，因为相比于常规的抛光垫的寿命，本发明中所描述的抛光垫的寿命被延长。
示例性抛光垫
图2A-图2C说明本发明的例示性抛光垫200。抛光垫200可用作图1的抛光垫102。图2A及图2B的抛光垫200包括安置于衬底部分204上的抛光部分202。在该说明性示例中，衬底部分204直接安置于粘合剂206上，所述粘合剂用于将垫粘附于可旋转的压板104以供抛光。一般而言，衬底部分204在其使用期间促进抛光垫200的压缩。这是通过抛光部分202的弹性模量不同于(一般大于)衬底部分204的弹性模量来实现的。可根据各部分的弹性模量有效地表现可压缩性，其中增加的弹性模量对应于减小的可压缩性。
一般而言，可通以下之一或多者提供与抛光部分202相比具有不同可压缩性(或有效弹性模量)的衬底部分204：(1)在制造期间使用不同程度的固化(例如不同强度的UV辐射)，(2)与抛光部分的结构相比，制造具有不同结构(例如如图2A-图2C中所示的晶格结构、蜂巢结构或包含规律地隔开的圆柱形孔的结构)的抛光部分202，(3)与用于制备抛光部分202的物质相比，使用不同的光交联聚合物来制备衬底部分204，和(4)在制备衬底部分204期间使用与在制备抛光部分202期间不同的添加剂(或不同量的添加剂)。举例而言，图2A中所示的衬底部分204具有用于增加可压缩性的晶格结构。该晶格的几何形状可经调整以实现衬底部分204所需的可压缩性。
抛光垫200一般包含聚氨酯，诸如柔性聚氨酯或刚性聚氨酯。垫的密度一般在0.3与0.9g/cm3之间。在某些实施方式中，垫200的密度在0.5与0.9g/cm3之间。在某些实施方式中，垫的密度有利地为约0.7g/cm3。在一些实施方式中，在制造垫200时前体可包括适当的成孔剂以便实现所需(例如降低)的密度。
垫200的有效的弹性模量(其通过抛光部分202及衬底部分204的弹性模量确定)一般在约400至600MPa之范围内。如上文所描述，衬底部分204的有效的弹性模量(例如或可压缩性)一般不同于抛光部分202的弹性模量。一般而言，衬底部分204比抛光部分202更具可压缩性(例如具有更低的弹性模量)。衬底部分204的弹性模量可在约1至约200MPa范围内。抛光部分202的弹性模量可在约400至约1200MPa之范围内。
如图2A(俯视图)中所示，垫一般具有圆形或大致圆柱形的形状。垫200的厚度可在约50密耳至约400密耳(约1.27毫米至约10.16毫米)的范围内，且直径可为约20至30英寸(约500毫米至约760毫米)。抛光部分202的厚度可为约50至155密耳。衬底部分204的厚度可为约15密耳至150密耳(1密耳＝1千分之一英寸)。应理解，抛光垫200可为适于给定抛光应用的任何其他厚度或直径。
抛光垫200一般具有均一的厚度。均一的厚度定义为跨越垫的径向范围的变化不超过50％、25％、20％、10％、5％或更小的厚度。换言之，在垫中心附近所测量的厚度与垫边缘附近的厚度实质上相同。与通过挤出、发泡、流延、模制或基于挤出的3D印刷制造的垫相比，本发明的抛光垫具有优良的厚度均匀度。
如图2A(俯视图)中所示，抛光部分202的表面可包括图案化沟槽。沟槽一般帮助浆液分布及废料移除。图2A(俯视图)的说明性示例展示具有“螺网状物”设计的沟槽。然而，本发明亦涵盖任何其他适当的沟槽设计。举例而言，沟槽可具有同心、同心且径向或六方紧密堆积的设计。一般而言，通过本文中所描述的方法(例如关于图11描述的方法)制造沟槽。然而，在根据本发明生产抛光垫之后，沟槽亦可或可替代地经机器加工。
在某些实施方式(诸如图2A及图2B中所示的实施方式)中，抛光垫200包含连续的单体结构，其中抛光部分202及衬底部分204为连续结构。此类连续的单体结构与常规的多层抛光垫形成对比，所述常规的多层抛光垫通常具有使用安置于顶部片层与下垫(subpad)之间的介入粘合剂而粘附于下垫的顶部片层。这些实施方式消除对于该粘合剂的需要且藉此提供优于常规技术的各种优点。举例而言，在常见抛光方法中，使用含有可与粘合剂层反应且弱化粘合剂层的化合物的浆液，从而导致对常规的抛光垫的可能损坏及失效。另外，由于在某些抛光步骤期间产生热，抛光垫可暴露于高温下，且这些高温可弱化用于将常规的抛光垫的顶部片层连接至下垫的粘合剂。这可导致垫层的脱离及后续垫失效。图2A及图2B中所示的连续的单体抛光垫200通过消除对抛光部分与衬底部分之间的中间粘合剂层的需求而解决常规的抛光垫的问题。
在某些CMP方法中，抛光部分202及衬底部分204包含不同或不相似材料可为有利的。举例而言，如下可为有利的：抛光部分202包含聚氨酯材料，而衬底部分204包含不同材料例如具有不同可压缩性的聚氨酯材料、聚苯乙烯或金属。在一些实施方式中，可通过基于缸的制造方法(例如在第一增材制造装置中)在第一槽中制备衬底部分204，且完成的衬底部分204可转移至第二槽(参见图11的步骤1116)，其中(例如在第二增材制造装置中)制备抛光部分202。此类依序的双槽方法促进CMP垫200的高效生产。
现参考图2B中所示的侧视图，抛光垫的衬底部分204可安置于(例如直接制备于)压板粘合剂层206上。压板粘合剂206可为(例如)可操作以粘附CMP设备的旋转压板的薄的粘合剂层(例如压敏胶粘剂层)。亦可或替代地适当地使用其他粘合剂或粘着方法。在某些实施方式中，直接在压板粘合剂层206上制造抛光垫200。举例而言，可在压板粘合剂层206上执行关于下文图11描述的制造方法，所述平板粘合剂层有效地充当构建平台。该实施方式的优点为可在制造垫200之后立即使用垫200。因此，避免了将垫200附接至压板粘合剂206的困难、耗时及成本高的方法。
图2C说明根据本发明的抛光垫200的另一实施方式的侧视图。在该实施方式中，使用粘合剂208(例如如上文所描述的)将使用本文所描述的本发明技术及方法制备的抛光部分202粘附于衬底部分。换言之，在该实施方式中，抛光部分202及衬底部分204并非连续的单体结构。取而代之，通过薄的粘合层208(例如压敏胶粘剂层或聚氨酯塑胶层)将抛光部分202固定至衬底部分204。亦可或替代地按需使用其他粘合剂。举例而言，粘合剂可为热熔粘合剂，或可通过在部分202与部分204之间层压热塑性材料的薄层而将抛光部分及衬底部分连接。可通过本文所描述的方法制备衬底部分204(通过独立方法制备或以其他适当方式获得)。
在图2C中所示的实施方式的某些实施方式中，使用本文所描述的方法制造衬底部分204。然而，在其他实施方式中，使用常规的增材制造方法(诸如基于挤出的3D印刷)来制备衬底层。因此，衬底部分204可用作用于制造抛光部分202的构建支架。在其他实施方式中，抛光部分202可包括粘附于衬底部分204的材料，使得不需要中间粘合剂层208(如图2A及图2B中所示)。若抛光部分202包含不粘附于衬底部分204的聚合材料，则中间层可安置于衬底部分204上以促进抛光部分202的附着而无需中间粘着层208。
在各种实施方式中，垫200在其中包括孔口，使得可将端点侦测元件放置于孔口中。可使用任何适合的端点侦测元件(例如用以侦测抛光方法何时完成的任意感测器)。可使用本文中所描述的独特垫制造方法来设计用于端点侦测元件的各种形状及构造。与使用常规的垫制造方法时相比，通过使用本发明(例如如关于下文图11所描述)的方法形成孔口浪费更少的材料，所述常规的垫制造方法通常需要移除且舍弃垫的区段以形成孔口。
多孔抛光表面
图3描绘抛光部分202的抛光表面300的微观视图，所述抛光表面包括不同尺寸、形状和/或定向的孔302、304。如图3中所示，在一些实施方式中，抛光表面300可包括具有双峰孔径分布的孔302、304。换言之，第一组孔302可具有小于第二组孔304的平均孔径。举例而言，第一组孔302可具有约5至约200微米的平均粒度，且第二组孔304可具有约50至500微米之平均孔径。在该实施方式中，可使用成孔剂(例如孔隙率形成剂或“孔填充剂”)制造第一组孔302，且可使用基于缸的制造方法(例如连续液体相界面制造，例如如关于图11中所描述的)将第二组孔304图案化。替代地，可使用产生不同尺寸的孔的成孔剂(例如在制备抛光表面300期间具有不同直径和/或膨胀至不同尺寸的成孔剂)产生第一组孔302及第二组孔304。亦可使用本文所描述的方法和/或一种或多种额外的成孔剂制备一组或多组额外的孔(出于清楚及简明起见而未图示)。
适合于本文中所描述的抛光垫102的示例性成孔剂包括球形或接近球形的中空颗粒。成孔剂可具有约5至约500微米的直径。成孔剂可均匀分布于整个垫中或位于垫的一个或多个区域中。在一些实施方式中，双峰分布的孔仅位于靠近图3中所示的抛光表面300处。举例而言，可仅在抛光表面300附近需要更小孔302，其中所述孔增加抛光垫与经抛光表面之间的接触面积。另外，据信，也可位于抛光表面300处或附近的更大孔304可改进浆液110的保持及输送，藉此增加浆液110和基板106之间的接触面积以用于改进抛光(参见图1以供参考)。用于制备抛光垫102的前体混合物可包括质量百分比为约1％至约30％(以重量计)的成孔剂。在某些实施方式中，用于制备抛光垫102的前体混合物包括30％(以重量计)的成孔剂。在一些实施方式中，用于制备抛光垫102的前体混合物包括1％至5％(以重量计)的成孔剂。在某些实施方式中，成孔剂具有与用于制备抛光垫的前体材料类似的密度，藉此在制造垫期间促进成孔剂在所述垫的各层中的均匀分布。成孔剂的示例包括Expancel DU粉末，诸如551DU 40、461DU 20、461DU 40、051DU 40、031DU 40及053DU 40。
在另一实施方式中，抛光垫102包含具有约2:1或更大的纵横比的多个细长孔304。细长孔304并非成孔剂并入的结果，而是实际上由基于缸的制造方法形成。在该实施方式中，约10％或更大的孔302、304具有约2:1或更大(例如约3:1或更大、约5:1或更大、约10:1或更大，或约20:1或更大)的纵横比。期望地，约20％或更大(例如约30％或更大、约40％或更大、或约50％或更大)的孔302、304具有约2:1或更大(例如约3:1或更大、约5:1或更大、约10:1或更大或约20:1或更大)的纵横比。优选地，约60％或更大(例如约70％或更大、约80％或更大或约90％或更大)的孔302、304具有约2:1或更大(例如约3:1或更大、约5:1或更大、约10:1或更大或约20:1或更大)的纵横比。
细长孔304可在与抛光垫102的抛光表面300共面或垂直于表面300的方向上定向。当细长孔304在垂直于表面300的方向上定向时，孔304可跨越垫102的抛光部分(例如图2A-图2C的部分202)的厚度或抛光部分的一定百分比的厚度。即，孔304可产生从抛光部分的抛光表面300至抛光部分的背面的开口。
在另一实施方式中，孔302、304可产生具有均一尺寸(和/或间隔)的突点的抛光表面300。在各种实施方式中，若在抛光垫的两个或更多个类似尺寸的区域中所测量的特性相差不超过50％、25％、20％、10％、5％或更小，则特性(例如突点尺寸或密度)可视为均一的。可使用本文所描述的方法生产均一高度(例如尺寸)和密度的突点以改良抛光性能。在常规的抛光垫中，通过调节垫表面(通常通过使垫与金刚石调节器接触)而产生突点。突点尺寸分布视垫的特性和所使用的调节方法两者而定。因此，常规的垫通常具有较宽(例如及非均一)分布的突点尺寸。在一些实施方式中，使用如本文中所描述的基于缸的制造方法制备类似的突点而未必需要添加成孔剂。
因此，本发明的抛光垫102可被设计成具有极均一分布的突点尺寸(例如高度)，因为所形成的突点未必依赖于如通过常规的方法制得的抛光垫所需的调节步骤那样的调节步骤。在一些实施方式中，抛光表面的均一尺寸化的突点有助于改进抛光(尤其对于某些基板)。此外，可制备具有在各批料之间具有相同的突点特性的本发明的垫102，从而有助于改良垫与垫的再现性。这对于通过发泡、流延或模制方法生产的常规的垫是不可能的。
在某些实施方式中，垫102可包括用于增强抛光性能的化学添加剂(例如嵌入或囊封于至少抛光部分内)。添加剂可为将对抛光给定的基板106具有有利作用的任何适合的材料。举例而言，可使用本文所描述的方法将凹陷控制剂、速率增强剂或成膜剂中的一种或多种囊封且整合至垫102中。随着垫在正常使用期间磨损，释放囊封的添加剂且接触基板106与抛光浆液110两者。以此方式，可将额外的浆液组分并入至垫102自身中，所述额外的浆液组分在被直接添加至浆液110时原本可为过于活性或不稳定的。这些嵌入垫的浆液组分将因此仅持续短暂时间地暴露于浆液110，从而减少或消除浆液组分之间的非所需反应。
抛光垫可压缩性的空间变化
图4说明本发明的抛光垫102用于抛光通过扣环(例如附接至图1的头部108)固持在晶圆固持器中的晶圆106。如本文所描述，可经由对垫102的衬底部分204的可压缩性(例如经由有效弹性模量)的空间控制来调整抛光特性。可例如通过以下方式来控制衬底部分204的可压缩性：(1)在制造(例如不同强度之UV辐射)期间控制固化的程度，(2)对应于所需的可压缩性，制造具有适当结构(例如如图2A-图2C中所示的晶格结构、例如蜂巢结构或包含规律地隔开之圆柱形孔的结构)的衬底部分204，(3)使用适当光可交联的聚合物(例如更具柔性的聚氨酯)来制备衬底部分204，和(4)在制备衬底部分204期间使用一或多种适当添加剂(或不同量之添加剂)。
对于常规的抛光垫，抛光速率在晶圆的边缘附近(例如在用于将晶圆固持至载体头部的扣环附近)为不均一的。晶圆的边缘处的这种非均匀的抛光有时被称作“边缘效应”或“边缘排除”。本文中所描述的抛光垫的某些实施方式减少或消除该问题。
可以连续的逐层方式(例如如关于图11所描述的)形成抛光部分202(或抛光垫的整体)。这允许根据精确规格使用基于缸的制造方法形成孔结构及孔径上的连续变化。对孔几何形状的这种精确控制继而有助于改进对抛光垫102的密度、硬度及其他物理特征的控制。一般而言，可使用本文所描述的方法严格地控制孔的尺寸、形状及分布(参见图3)。孔在相对于抛光表面的水平平面中可为均一的，但可在垂直平面中变化。举例而言，在距离抛光表面一定距离处的水平平面中可存在具有低空隙体积的更小的实质上为球形的孔。孔径、形状及空隙体积可接着随水平平面接近抛光表面的距离而变化。所述变化可为渐进的或步进变化。
另外，孔的尺寸、形状及分布可沿着水平平面变化以在垫102上得到具有不同可压缩性的区域，如图4中所示。举例而言，可在抛光部分202及衬底部分204中的任一者或两者中形成不同尺寸、结构和/或密度的孔，使得抛光垫102的区域各自具有不同可压缩性。举例而言，与具有不同的第二形状(例如诸如蜂巢的多边形形状)的孔的区域相比，具有第一形状(例如圆柱体形状)的孔的垫102的区域将具有不同可压缩性。另外，孔的尺寸及孔的体积(例如垫102的空隙体积)可经调变以控制抛光垫整体及抛光垫102的区域两者的可压缩性。举例而言，垫102可被建构成具有围绕垫的边缘的更具可压缩性的区域，而靠近垫102的中心的区域的压缩性较低。垫可压缩性的这种变化可改良抛光特征以减少边缘侵蚀且改良某些基板106的平坦化效率。可因此精确设计垫102的物理特征(例如其硬度及可压缩性)以匹配抛光期间使用的浆液110与经抛光的基板106。
仍参考图4，特别地，衬底部分204的结构可经调整以提供适合于不同抛光需求的垫的不同区域(例如区(area))。举例而言，如图4中所示，经抛光的晶圆106的边缘(即接近扣环的区域)可经由在抛光期间施加至晶圆106的向下的力(DF)402而经受比晶圆106的中心更大的压力。常规的垫将通常“过度抛光”晶圆106的所述边缘部分。然而，图4中展示的抛光垫102包括在晶圆106的扣环边缘接触垫102的区域中更具可压缩性的衬底部分204，藉此减少或消除“过度抛光”且促进整个晶圆106表面上的更均匀的抛光。
如上文所描述，可通过以下方式中的一种或多种提供与抛光部分相比具有不同可压缩性的衬底部分204：(1)在制造(例如不同强度的UV辐射)期间使用不同程度的固化，(2)与抛光部分202的结构相比，制造具有不同结构(例如蜂巢结构或包含规律地隔开的圆柱形孔的结构)的衬底部分204，(3)与用于制备抛光部分202的物质相比，使用不同的光可交联的聚合物来制备衬底部分204，及(4)在制备衬底部分204期间使用与在制备抛光部分202期间不同的添加剂(或不同量的添加剂)。
应理解，图4呈现抛光垫102的可压缩性如何在空间上变化以改良抛光性能之的一种示例性实施方式。本发明涵盖用于给定应用的具有任何适当可压缩性轮廓的抛光垫102。一般而言，在抛光方法期间，可基于垫102的已知可压缩性轮廓使晶圆106与垫102的适当区域接触。
示例性CMP垫设计
经本发明中所描述的基于缸的制造方法制备的CMP垫102的结构可促成改良的平坦化及改善的垫102寿命。垫设计的示例展示于图5A-图5B及图6A-图6D中，其描述于下文中。可仅使用本文中所描述的独特的基于缸的制造方法来获得本文中所描述的某些垫设计(参见例如图11)。尽管在一些实施方式中，在本发明中描述的独特制备方法可有助于这些垫设计的制备，应理解，在一些实施方式中，可使用任何适当制造方法或方法的组合(例如基于模制、流延、沉积的增材制造等)来获得本文中所描述的某些垫设计。
图5A至图5B说明示例性垫500的设计。垫500是图1的垫102的示例性实施方式。图5A展示抛光垫500的俯视立体图，且图5B展示出展示抛光垫500的内部结构的横截面立体图。如图5A及图5B所示，垫500包括沟槽502、顶侧洞504及出口洞506。如图5B的横截面影像所示，顶侧洞504部分地延伸至垫500的表面中且耦接至通道508，所述通道嵌入垫500的表面下方。垫500的设计一般有助于改进输送新制浆液110至通过垫500平坦化的表面。沟槽502有助于将新制浆液110(即仍含有帮助CMP方法的活性组分的浆液110)朝向经平坦化的晶圆106的表面输送(亦参见图1)。同时，可经洞504、506及通道508(例如当旋转垫500时，亦参见图1)将消耗的浆液110(即其中活性组分已在平坦化方法期间很大程度上被消耗的浆液110)和/或抛光副产物远离晶圆106的表面输送。因而，接近平坦化表面的新制浆液110的浓度增加，且相比于消耗的浆液110，新制浆液110的稀释度降低。
如图5A及图5B的示例中所示，沟槽502可为同心的或任何其他适当图案(例如同心、同心且径向设计或六方紧密堆积设计)。沟槽502可具有任何适当间距及宽度。垫500可包括任何适当数目个沟槽502。举例而言，可按需要增加或减少沟槽的数目以能够在抛光期间保持更多或更少的新制浆液110。
顶侧洞504的直径可从约十密耳至约400密耳(1密耳＝1英寸之千分之一)变化。一般而言，更大的顶侧洞504可有助于增加消耗的浆液110远离经抛光表面的输送。在一些实施方式中，若更大的顶侧洞504存在于垫500中，则可减少洞504的数目以促成垫500的适当间隔及结构特性。洞504的径向线的数目可在一至约128的范围内变化。一般而言，洞504的更多径向线的存在有助于增加浆液110穿过洞504的输送。一般而言，每径向线的洞504的数目可变化。图5A的示例包括每径向线十三个顶侧洞。然而，更多或更少的洞504可存在于每一径向线中。
虽然图5A及图5B的示例展示圆形顶侧洞504，但应理解，洞504可具有任何形状。举例而言，顶侧洞504(及出口洞506)可具有正方形、矩形、椭圆形、星形、三角形、六方形、半圆形或圆锥形形状。具有圆锥形形状的洞504的直径随进入垫500的表面的深度而减小。洞504的不同形状可促成不同浆液110输送特性，其对于某些应用可为合乎需要的。在一些实施方式中，可仅使用本发明中所描述的基于缸的制造途径来实现洞504的形状(参见例如图11)。
通道508一般被塑形及定位成经顶侧洞504接收浆液且使得浆液110经出口洞506从垫500输送出去。因而，通道508及出口洞506可具有用于促进这种浆液110输送的任何适当构造。图5B的示例说明从垫500的中心径向延伸至对应出口洞506的示例性通道508。然而，任何其他适当通道508及出口洞506构造是可能的。举例而言，在一些实施方式中，顶侧洞504可具有与图5A及图5B中所示的圆形图案不同的构造。举例而言，顶侧洞504可以螺旋形状、以正方形形状、以直线、以方块状图案、以对角线角等分布。通道508及出口孔506具有适当互补的图案或布局以促进在垫500的旋转期间将经由洞504接收的浆液110输送至出口洞506外。
垫500的直径可基于预期用途而变化。举例而言，垫500的直径可在约八英寸至约46英寸的范围内。垫500的厚度亦可变化。举例而言，垫500的厚度可在约60密耳至约600密耳范围内。在一些实施方式中，垫500的厚度为约400密耳。顶侧洞504及出口洞506的尺寸可被调整成适应在具有不同厚度的垫500中的浆液110输送。
在一些实施方式中，本发明中所描述的基于缸的制造方法(参见图11)独特地有助于制造示例性抛光垫500。举例而言，无法通过流延或模制来制备具有适当深度及尺寸的顶侧洞504的抛光垫500。由于可用的钻孔技术的局限性，经由钻孔不能实现适当尺寸及构造的两个洞504、506及通道508的可靠产生。举例而言，以下是并不可行的：在常规的抛光垫中逆向钻取洞504、506及通道508，使得洞504、506及通道508被适当地对准以供用于浆液110输送，如同图5A及图5B的示例性垫500中那样。此外，基于挤出的增材制造方法可能无法可靠地产生具有洞504、506以及通道508的垫500，这是因为每一通道508及出口洞506均可能需要内部支架。此类支架可阻碍垫中的浆液110输送。
图6A-图6D说明示例性垫600。垫600为图1的垫102的示例性实施方式。如下文进一步描述，垫600有助于将在抛光方法期间形成的消耗的浆液110和/或残渣/副产物远离经抛光的表面输送。更特别地，垫600包括用于保持浆液110接近经抛光的表面处的顶部沟槽606，以及经由通道612耦接至出口洞614的顶部侧洞608，所述顶部沟槽及顶部侧洞用于将消耗的浆液110远离经抛光的表面输送。图6A展示具有顶部部分602及衬底部分604的垫600。虽然关于下文图6B及图6C单独地描述顶部部分602及衬底部分604，应理解，垫600可为单体、连续结构。举例而言，可使用增材制造方法(例如如以下关于图11所描述的)来制备垫600，以使得顶部部分602及衬底部分604形成一个单体结构。在其他实施方式中，可单独地(例如使用任何适当方法)制备顶部部分602及衬底部分604且组合以形成垫600。
垫600的直径可基于预期用途而变化。举例而言，垫600的直径可在约八英寸至约46英寸的范围内。垫600的厚度亦可变化。举例而言，垫600的厚度可在约50密耳至约300密耳范围内。举例而言，顶部部分602的厚度可在约30密耳至约160密耳的范围内，且衬底部分604的厚度可在约20密耳至约100密耳的范围内。
如图6B中所示，顶部部分602包括沟槽606及顶侧洞608。图6B的示例包括同心沟槽606。然而，应理解，沟槽606可具有任何适当图案(例如同心、同心且径向设计，或六方紧密堆积设计)。沟槽606可具有任何适当间距及宽度。顶部部分602可包括任何适当数目的沟槽606。举例而言，可按需要增加或减少沟槽606的数目以能够在抛光期间保持更多或更少的新制浆液110。
顶侧洞608可位于沟槽606的底部且有助于远离经抛光的表面抽空和/或排出消耗的浆液110和/或抛光的任何副产物。在其他实施方式中，顶侧洞608可位于顶部部分602上。举例而言，顶侧洞608可位于顶部部分602的表面上(例如类似于上文关于图5A及5B描述的垫500的顶侧洞504)。顶侧洞608的直径可从约五密耳至约500密耳变化。一般地，选择顶侧洞608的尺寸以在以下两者之间形成平衡：当洞608更大时，输送浆液110远离经抛光的表面的益处；与当洞608更小时，限制消耗的浆液110的量的能力。
虽然图6B的示例展示长方体顶侧洞608，但应理解洞608可具有任何形状。举例而言，顶侧洞608可具有正方形、环形、椭圆形、星形、三角形、六方形、半圆形或圆锥形形状。在一些实施方式中，可仅使用本发明中所描述的基于缸的制造途径来实现洞608的形状(参见例如图11)。顶侧部分602可包括一个至100,000个顶侧洞608的任何位置，且顶侧洞608可根据任何适当图案而分布。
如图6C中所示，衬底部分604包括同心通道610及径向通道612，其将顶洞608耦接至出口洞614以便促进消耗的浆液110和/或平坦化的副产物远离经抛光的表面的输送。衬底部分604可与顶部部分602的材料相同或不同。在一些实施方式中，衬底部分604为与顶部部分602相比相对更软的材料。在一些实施方式中，衬底部分604具有晶格结构(例如类似于图2A-图2C的衬底部分204)。通道610、612之尺寸可在约十密耳至约90密耳范围内。通道610、612及出口洞614可具有任何形状。举例而言，通道610、612及出口洞614可具有正方形、长方形、环形、椭圆形、星形、三角形、六方形、半圆形或圆锥形形状。
在一些实施方式中，径向通道612可呈一角度以使得通道612处于衬底部分604的中心附近的更高高度处且处于衬底部分604的边缘附近的更低高度处。这种倾斜的结构可进一步有助于经由径向通道612输送消耗的浆液110和/或抛光副产物且离开出口洞614。图6D说明具有此类倾斜通道612的示例性垫600的一部分620的横截面。通道612将浆液110从左至右输送(即从垫600的中心输送至通道612的出口洞614)。通道612可为呈至多约15度的角度622。
具有埋入式沟槽的CMP垫
如上文所描述，化学机械平坦化的一个目标是实现高的抛光均匀度。若以不同速率抛光基板106上的不同区域，则基板106的一些区域可能会移除过多的材料(“过度抛光”)或移除过少的材料(“抛光不足”)。常规的CMP垫可包括有限范围的沟槽设计以在一定程度上改良CMP性能。然而，在使用之后，可有效地从常规的抛光垫的表面移除这些沟槽。在沟槽消失后，CMP性能一般立即降低并使用新的抛光垫，从而产生停工时间，在其期间无法处理(例如使用系统，诸如上文关于图1所描述的系统)晶圆。存在对CMP垫及其制造和使用方法的需要，所述CMP垫可提供改良的抛光均匀度及增加的抛光垫寿命。
本发明不仅认识到先前的CMP垫(包含上文所描述的那些CMP垫)的问题，且亦认识到对这些问题的解决方案。在一些实施方式中，本发明中所描述的抛光垫102提供增加的抛光垫寿命，使得抛光垫102可使用更长时间段而无需频繁停止工艺来替换抛光垫102。在各种实施方式中，CMP垫102可包括埋入式沟槽和/或嵌入式通道。埋入式沟槽一般有助于提高抛光垫寿命(参见例如图7A至图7C)，而通道(参见图8A-图8E)可有助于在使用期间改良性能(例如可将在CMP期间产生的副产物和/或残渣从表面移除，和/或可在经平坦化的表面附近补充新制的浆液110)。埋入式沟槽和/或沟槽亦可或替代地有助于更直接的抛光垫制备(例如通过提供流道以移除在制造方法之后留下的残余化学物质-参见例如图11的步骤1120及下文的对应描述)。在一些实施方式中，抛光垫102包括用于收集浆液110和/或远离经抛光的表面移动残余材料(例如在抛光期间生成的残渣、浆液副产物等)的储集器(参见例如图9及图10A、图10B)。本发明进一步认识到，可使用基于缸的制造方法来尤其有效地生产具有改良的化学及机械特性的抛光垫102，例如具有下文所描述的埋入式沟槽和/或通道的抛光垫102。
本发明进一步认识到，当暴露的沟槽的体积(即抛光垫的表面上的所有暴露的沟槽的组合体积)在预定范围内时，可改良CMP的性能。可在将抛光垫102用于CMP之前相对于所有沟槽的初始体积测量预定范围。举例而言，在常规的抛光垫中，在CMP性能突然下降之前仅可使用约80％的沟槽高度(且因此使用约80％的沟槽体积)。举例而言，对于某些CMP方法，可能需要具有大于初始沟槽体积约20％的沟槽体积。在一些实施方式中，将抛光垫102的沟槽体积维持在初始沟槽体积的约90％至约25％的范围内。将沟槽体积维持在预定范围内(诸如上文所描述的那些沟槽体积之一)可允许在更低的浆液110流动速率下执行CMP(即系统100可能需要在CMP方法期间引入更少的浆液110)，藉此降低成本。
图7A为说明在初始时间(t0)及在用于CMP之后的两个其他时间点(t1及t2)时的抛光垫102的部分700的横截面侧视图的图式。抛光垫部分700包括暴露的沟槽702a-c及埋入式沟槽702d。作为示例，沟槽702a-d可具有在约5密耳(1密耳＝1千分之一英寸)至约500密耳(例如或约10密耳至约50密耳)的范围内的宽度及在约5密耳至约500密耳(例如约10密耳至约50密耳)的范围内的高度。然而，沟槽702a-d可具有任何其他高度及宽度。如图7A的示例中所示，沟槽702a-d一般垂直地偏移(例如埋入在不同深度处)，使得在使用抛光垫102期间，暴露的沟槽702a-c的体积(V)近似固定，或维持在接近其初始值(V0)的预定范围内。举例而言，在时间t1处，在执行CMP一段时间之后，经由调节及整体磨损将抛光垫700的顶层704移除。然而，因为时间t0处的中心埋入式沟槽702d现在在时间t1处暴露为沟槽702b，所以暴露的沟槽的体积保持近似固定，或在接近V0的预定范围内。在一些实施方式中，维持沟槽体积从V0的变化小于80％。在其他实施方式中，维持沟槽体积从V0的变化小于25％。类似地，在时间t3处，在进一步CMP之后，最左及最右的埋入式沟槽702d在移除层706之后变为暴露的沟槽702a及702d，从而使得在V0附近的预定范围处或预定范围之内的沟槽体积一致。
图7B为说明部分710抛光垫102的另一实施方式的横截面侧视图的图式。抛光垫部分710包括具有可变高度的埋入式沟槽712d。沟槽712a-d可具有与上文所描述的沟槽702a-d的尺寸类似的尺寸。该设计有助于在CMP期间逐渐打开沟槽712d。这可减少在CMP期间引入的垫残渣的量且进一步改良CMP结果。图7B说明在初始时间(t0)及在CMP之后的两个其他时间点(t1及t2)处的抛光垫102的部分710的横截面侧视图。抛光垫部分710包括暴露的沟槽712a-c及埋入式沟槽712d。如图7B的示例中所示，沟槽712a-d一般垂直地偏移(例如埋入在不同深度处)，使得在使用抛光垫710期间，暴露的沟槽712a-c的体积(V)近似固定，或维持在接近其初始值(V0)的预定范围内。举例而言，在时间t1处，在执行CMP一段时间之后，移除垫部分710的顶层714。然而，因为时间t0处的中心埋入式沟槽712d现在在时间t1处暴露为沟槽712b，所以暴露的沟槽的体积(V)保持近似固定，或在接近V0的预定范围内。类似地，在时间t3处，在进一步CMP之后，最左及最右的埋入式沟槽712d在移除层716之后现为暴露的沟槽712a及712d，从而产生在V0附近的预定范围处或预定范围之内的一致的沟槽体积(V)。
虽然图7A及图7B的示例展示埋入式沟槽702d、712d的仅两个至三个层，但应理解可存在更多个埋入式沟槽702d、712d的层。举例而言，在一些实施方式中，存在埋入式沟槽702d、712d的至多或大于30个层。埋入式沟槽702d、712d的层的数目一般仅受到抛光垫102的厚度限制。基于缸的制造有助于制备具有许多埋入式沟槽702d、712d的层的相对较厚的抛光垫102。因此，可持续地(例如没有调节)使用抛光垫102长的时间段，同时维持在接近V0的预定范围处或预定范围之内的几乎固定的沟槽体积。
示例性抛光垫102的埋入式沟槽702d、712d的另一益处为向抛光垫102的整体结构提供强化及支撑，藉此促成图7A及图7B中所示的埋入式沟槽设计。因此，可形成埋入式沟槽702d、712d而不显著牺牲抛光垫102的整体结构的机械特性(例如刚度)。出于该额外的原因，与常规的抛光垫的抛光垫寿命相比，可延长抛光垫寿命。
一般无法使用极深沟槽，因为极大的沟槽体积可导致“浆液不足”或如下的情况：损失太多沟槽体积的浆液以至于在用于CMP的抛光垫表面处不可获得足够的浆液。当沟槽过浅(例如小于新认识到的初始体积水平的20％)时，CMP的结果可开始下降(例如由于过热)。这可导致不良的抛光均匀度(例如晶圆内非均匀度(WIWNU)增加和/或缺陷密度增加)。
图7C为说明抛光垫102的部分720的另一实施方式的图式。举例而言，与上文所描述的抛光垫部分700的沟槽702a-d相比，抛光垫部分720包括具有小得多的间距(即邻近沟槽之间的中心距(center-to-center distance))的更小的沟槽。抛光垫部分720一般具有比上文关于图7A及图7B所描述的示例性抛光垫部分700、710的沟槽体积更小的沟槽体积。举例而言，抛光垫部分720的沟槽可比上文关于图7A的抛光垫部分700所描述的沟槽702a-d小两倍至十倍(或更多倍)(即就长度及宽度而言)。更小的沟槽体积可允许垫部分720提供高性能CMP抛光，同时消耗比使用上述常规的抛光垫或抛光垫部分700、710所需的浆液材料更少的浆液材料。一般而言，使用类似于抛光垫部分720的沟槽的极小的沟槽可促使抛光垫部分720相对快速地减少，使得具有较小沟槽的常规的抛光垫将快速被消耗(即因为在仅短暂使用之后沟槽将“消失”)。然而，通过使用多层埋入式沟槽，可使用具有可接受的或甚至经改良的抛光垫寿命的抛光垫部分720的较小的沟槽。
具有通道的CMP垫
图8A-图8E说明包括通道的抛光垫102的各种实施方式。在一些情况下，通道提供埋入式沟槽之间的流道(参见图8A-图8E)、在埋入式沟槽与抛光垫的顶部表面之间的流道(参见图8A-图8D)和/或在埋入式沟槽与抛光垫102的另一边缘或表面之间的流道(参见图8D及图8E)。这些流道可有助于将浆液110、在抛光期间形成的颗粒状残渣和/或在CMP期间形成的化学副产物从经抛光的晶圆106的表面移除，藉此改良使用这些抛光垫102平坦化的表面的品质。
图8A及图8B说明抛光垫102的部分800及810，所述部分包括沟槽802、垂直通道804及水平通道806。举例而言，垫部分800、810可为上文关于图2A-图2C所描述的抛光垫200的抛光层204的一部分。通道804、806提供流道以供残余流体(例如在基于缸处理之后保留在沟槽802中的残余聚合物前体)从抛光垫部分800、810排出。举例而言，在其制造之后且在其使用之前，可冲洗抛光垫部分800、810(例如参见下文所描述的图11的步骤1120)且将以其他方式捕获在沟槽802中(即若通道804、806不存在)的残余流体可从沟槽802排出。抛光垫部分800、810可接着用于CMP(例如使用上文关于图1所描述的系统100)而不可能污染晶圆106的表面或用残余前体材料平坦化的任何其他表面。
图8C及图8D说明具有可替代的沟槽及通道设计的抛光垫部分820、830。垫部分820、830可为上文关于图2A-图2C所描述的CMP垫200的抛光层202的一部分。举例而言，这些沟槽及通道设计可适合于提供流道以用于在抛光垫制造之后将残余前体材料移除以及引导消耗的浆液110远离抛光垫部分820、830的表面。如上文所描述，消耗的浆液110一般对应于其中活性组分已反应或已另外被消耗的浆液110。举例而言，图8C的抛光垫部分820具有将沟槽802连接至垂直通道804的倾斜通道822。倾斜通道822可有助于前体流体从沟槽802排出(例如当抛光垫820放置于顶侧下时)，并且可有助于在CMP期间产生的消耗的浆液及其他残渣远离抛光垫部分820的表面流动。
图8D中所示的抛光垫部分830包括经由水平通道806连接至垂直通道804的沟槽802(例如类似于上文所描述的抛光垫部分800及810)。抛光垫部分830也包括水平排放通道832，其有助于浆液110从抛光垫部分830排出(例如从垫的边缘排出，参见例如上文关于图5A-图6D所述的垫500及600)。在一些情况下，沟槽802及通道804、806可填充有浆液110，并且该浆液110可在CMP期间释放以在平坦化的表面附近补充活性组分。
图8E说明由垂直排放通道842制备的抛光垫102的一部分840，所述垂直排放通道从抛光垫102的底部延伸至最顶部的埋入式沟槽802。抛光垫部分840的设计有助于在制备抛光垫840之后从沟槽802移除残余材料(参见例如下文描述的图11的步骤1120)。举例而言，可经由通道842排出来自基于缸用于制造具有部分840的设计的抛光垫102的基于缸的制造方法的液态前体材料。若不需要在使用抛光垫部分840期间保留这些通道，通道842可用第二材料852回填。如图8E所示，第二材料852可不同于垫材料840，或第二材料852可与垫材料840相同。在一些实施方式中，第二材料852可为浆液110或任何其他材料，当在使用具有部分840的抛光垫102期间释放所述浆液或任何其他材料时，其促进改良的晶圆106的CMP或平坦化其他材料。
具有浆液储集器的CMP垫
在使用常规的抛光垫期间，在浆液110中的活性组分的浓度方面产生梯度，例如从平坦化的晶圆106的前边缘至后边缘产生梯度。换言之，活性浆液组分的浓度可在接近经平坦化的表面处降低。这可限制这些常规的抛光垫的性能。本发明中描述的抛光垫102的各种实施方式包括浆液储集器，其可帮助克服与在平坦化表面附近降低的浆液110浓度相关联的挑战及性能限制。浆液储集器一般在抛光垫102的表面附近提供浆液活性成分源，使得在其在CMP期间被消耗之后快速补充活性材料。作为示例，上文关于图8A-图8E所描述的抛光垫102中的任一个(即抛光垫部分800、810、820、830、840)可装载有浆液110(即抛光垫的沟槽及沟道可填充有浆液110)以防止或限制CMP期间形成浆液活性成分浓度梯度。下文关于图9及图10A、图10B描述构造成具有用于改良的CMP的浆液储集器的抛光垫102的其他示例。
图9说明抛光垫部分900(即示例性抛光垫102的部分900)，其包括可充当浆液储集器的相对较小的沟槽902及较大的浆液沟槽904两者。较小的沟槽902可在CMP期间增强局部浆液110分布。较大的沟槽904可促进浆液110沿晶圆106的整个表面(例如全域而非局部地)快速分布。较小的沟槽902与相对较大的浆液储集器904两者的组合可减小在晶圆表面附近的活性浆液110的浓度梯度，藉此得到改良的CMP。沟槽904可类似地被尺寸设定为图7A(上文所描述的)中所示的那些沟槽或可为更大(例如图7A中所示的抛光垫700的沟槽702a-d的尺寸的一又二分之一倍或更大)。较大的储集器沟槽904可提供用于将浆液副产物携载远离抛光垫900的表面的路径。这可帮助维持所需浆液110分布在CMP发生的抛光垫900的表面处。举例而言，较小的沟槽902可具有六方形图案或任何其他适当图案。虽然图9的示例性说明平行于较大的沟槽904的较小沟槽902，但涵盖其他设计(例如其中较小的沟槽902垂直于较大的沟槽904)。图9的示例性设计仅为本发明涵盖的许多相关设计的一个示例(即具有较小的沟槽902及较大的沟槽904两者)。
图10A说明具有将埋入式沟槽1002连接至垂直通道1004的水平通道1006的示例性抛光垫部分1000(即示例性抛光垫102的部分1000)。通道1004、1006一般有助于浆液110流入沟槽1002中。一旦埋入式沟槽1002填充有浆液110后，抛光垫1000的可压缩性可较低，且所得浆液填充的抛光垫1000“更硬”，从而相比于常规的抛光垫得到改良的平坦化效率。图10B说明包括经由通道1024垂直地流体连接的沟槽1022的另一抛光垫部分1020(即示例性抛光垫102的部分1020)。图10A及图10B中所示的示例性抛光垫1000、1020一般提供用于保持浆液110的增加的体积。在一些实施方式中，通道1004、1006、1024可为较窄的，以在冲洗垫1000(例如如在某些CMP方法期间可出现)时防止或减少通道1004、1006、1024内的浆液110稀释。垫冲洗也可或替代地被修改以例如通过以下方式限制通道1004、1006、1024内的浆液110稀释程度：(i)从CMP方法消除冲洗步骤，(ii)减少垫冲洗时间，(iii)以(例如图1的压板104的)高转速执行冲洗步骤，使得从表面快速移除冲洗液(例如溶剂、水等)，或这些及任何其他适当方法的任何组合。
制备抛光垫的方法
图11说明根据发明的说明性实施方式的用于制备CMP垫102的示例性方法1100。在该示例中，使用基于缸的增材制造方法而渐进地形成多个垫材料的薄层。可通过前体材料的UV引发的反应形成多个层中的各个层以形成固化的垫材料的薄层。因此通过投影用于形成各薄层的光的适当图案(例如UV辐射)来形成所得垫102，其具有精确控制的结构(例如以实现上文所描述的可压缩性及密度特性)。相比于使用常规的方法而可能具有的物理及化学特性，使用方法1100可形成具有更严格的受控的物理及化学特性的抛光垫102。举例而言，使用方法1100可制备具有上文关于图5A-图10B所描述的独特的沟槽及通道结构的CMP垫102。相比于可能使用包括基于挤出的印刷方法的常规的方法(例如涉及具有喷嘴的机械印刷头的方法，所述喷嘴随着印刷头移动而将前体材料喷出至表面上)，方法1100也有助于提高制造产量。
如图11中所示，在步骤1102处，将一种或多种前体、成孔剂和/或任何添加剂添加至增材制造设备的槽或储集器中。前体一般为液体且可为或包括聚氨酯或聚丙烯酸酯树脂。举例而言，前体可包括一种或多种柔性聚氨酯、刚性聚氨酯、弹性聚氨酯及氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯。用于前体的适合的树脂的示例包括但不限于EPU40、EPU41、RPU60、RPU61、RPU70、UMA90及FPU50(可购自Carbon 3d,Redwood City,CA)。在一些实施方式中，前体可包括两种或更多种组分。举例而言，示例性树脂可包括第一组分(例如A组分)及第二组分(“B”组分)。树脂的制造商可提供用于通过具有预定比率的树脂的第一和第二组分的组合来制备树脂的建议。在一些实施方式中，前体可仅包括给定树脂的一种组分。举例而言，“双固化”树脂可包括A组分及B组分，其可以制造指定比率混合。本发明认识到，排除双固化树脂的一种组分可向所得抛光垫102提供改良的特性(例如在抛光期间的移除率方面)(参见表2及下文对应的描述)。
为调整抛光垫的特性，聚氨酯树脂可与一或多种添加剂组合。适合的添加剂包含但不限于具有抛光垫102所需的机械特性的氨基甲酸酯单体、氨基甲酸酯低聚物、胺类聚氨酯。聚氨酯树脂前体可包括用于引发暴露于光(例如UV照射)的区域中的这种聚合反应的光引发剂。前体混合物可包括交联剂，诸如异氰酸酯化合物。可替代地，多官能的低聚物(例如多官能的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物)可用于提高氨基甲酸酯片段的交联度。
如上文所描述的，在一些实施方式中，一种或多种成孔剂被包括在槽或储集器中以便在抛光垫102中形成孔(参见图3及以上对应描述)。上文描述示例性成孔剂。一般以在1％至30％之间的重量百分比添加成孔剂。然而，对于给定的应用可适当地以更低或更高浓度添加成孔剂。
在示例性方法1100的步骤1104处，将增材制造设备的构建平台降低至前体材料的薄膜中，直至其接近或触碰前体填充的槽的底部。在步骤1106处，构建平台向上移动至垫102的第一层的所需高度。所述高度可在约5、10、15、20、25、50、或100微米(或在适当时更大)的尺度上。总体而言，多个层中的每一层的厚度可小于抛光垫102或垫102的抛光层202的总厚度的50％。多个层中的每一层的厚度可小于抛光垫102或垫102的抛光层202的总厚度的1％。此外，如上文所描述，在方法1100开始之前可将粘合剂(例如压板粘合剂)放置于构建平台上，从而使得直接在该粘合剂上制备垫。
在步骤1108处(其可与步骤1106同时执行)，光源用以“写入”垫的第一层的结构。举例而言，UV光可穿过在槽底部的实质上对UV光透明的窗(即对UV光充分透明，使得UV光的强度可引发前体的光引发反应)。在方法1100采用连续液体界面制造的示例性情形中，UV光穿过“死区(dead zone)”(即在窗与建构平台之间的未固化前体的薄液膜，其中溶解氧含量抑制自由基反应)且以用于获得层的所需结构(例如具有适当经图案化的结构，如上文所描述)的预定图案(即“写入”图案)投影。一般而言，在适当反应条件下暴露于UV光(即基于“写入”图案)的前体的区域被自由基聚合。在暴露于UV光之后发生光自由基聚合。随着构建平台升高可持续地进行光自由基聚合。举例而言，光自由基聚合可在暴露于UV光之后进行。使用方法1100，可生产上文关于图5A-图10B所描述的具有埋入式沟槽和/或通道的CMP垫102。在步骤1108期间，可通过投影于前体的各个层上的UV光的图案来控制沟槽及通道的图案。可通过用于设计投影的UV光的图案的计算机辅助设计(CAD)程式来控制这些图案。
在步骤1110处，确定(例如通过设备之控制器或处理器)是否已实现所需垫厚度(例如所需数目的前体层已经过光自由基聚合)。若未实现所需厚度，则方法返回至步骤1106且构建平台再次向上移动至第二层的所需高度，其可与第一层的高度相同或不同。当构建平台向上移动时，未固化的前体在固化层下方流动。在一些实施方式中，方法暂停以允许适当体积的前体流动(例如通过所制造的抛光垫102的直径及前体的粘度确定)。接着重复步骤1108及1110以写入且固化抛光垫102的第二层，其可包括与第一层相同或不同的结构(例如沟槽和/或通道的结构)。重复步骤1106至1110，直至获得所需的抛光垫102或垫102的一部分(例如衬底部分204或抛光部分202)的厚度。
一旦实现所需厚度，方法1100就继续进行至步骤1112。在步骤1112处，(例如通过单独的增材制造设备或通过增材制造设备的处理器)判定整个抛光垫102是否完成。举例而言，在先前步骤中，仅可制备垫102的衬底部分204(参见图2A-图2C用于参考)。在这种情况下，判定没有完成垫102的最终部分(即因为仍需要制备抛光部分202)。若完成垫102的最终部分，则方法1100继续进行至步骤1118(描述如下)。然而，若没有完成垫的最终部分，则方法1100继续进行至步骤1114。
在步骤1114处，确定应在同一槽中还是在不同槽中制备垫102的下一部分(例如抛光部分202)。举例而言，若将使用在步骤1102处引入的一种或多种前体、一种或多种成孔剂和/或一种或多种添加剂的相同混合物来制备抛光部分202，则接着在同一槽中制备抛光部分202。若将在同一槽中制备垫102的下一部分，则方法1100可返回至步骤1102从而制备垫102的下一部分(例如抛光部分)。然而，若将不在同一槽中制备垫102的下一部分，则方法1100可继续进行至步骤1116，其中垫102移动至第二储集器或槽。举例而言，可从第一增材制造设备的槽移除垫102(或在方法1100的这一阶段制备的部分)且移动至第二增材制造设备的槽。第二增材制造设备的槽可填充有用于实现垫102的下一部分(例如抛光部分202)的所需特性的一种或多种前体、一种或多种成孔剂和/或一种或多种添加剂的适当组合。可接着从步骤1104重复方法1100以制备垫102的下一部分(例如抛光部分202)。
一旦实现所需垫厚度(步骤1110)且完成最终垫部分(步骤1112)，方法就继续进行至步骤1118。在步骤1118处，从构建平台移除垫102且视情况(例如在增加的温度下)固化所述垫。在一些实施方式中，从构建平台移除垫102，且不执行进一步固化。
在步骤1120处，可冲洗垫102以移除残余前体、成孔剂和/或添加剂。在一些实施方式中，仅用温和溶剂或水冲洗垫102以防止损坏垫102。在一些实施方式中，并未在步骤1114处冲洗垫102。在一些实施方式中，可用第二材料回填CMP垫102的部分(例如如图8E中所示出)。在步骤1122处，CMP垫用于化学机械平坦化。举例而言，CMP垫102可用于上文关于图1所描述的系统100中。
一般而言，本文中所描述的抛光垫102的宽度不受用于其制备的储集器或槽的尺寸的限制。在生产期间，必须在所制备的垫下方的区域中持续地补给前体。抛光垫的直径一般为20至30英寸且有时仅为约1/16英寸厚，且需要更多时间来补充较大直径的抛光垫的死区。本文所描述的方法的一种实施方式通过以流槽(fluted)或折叠方式促进抛光垫的制造而为该问题提供解决方案。在该实施方式中，垫被建构成使得其类似于流槽滤纸(即以类似手风琴的方式折叠的圆形纸张)。因此，可以具有折叠侧的圆锥形状制造抛光垫，使得当所建构的垫保持足够可弯曲以操纵(例如在其经充分固化之前)时，圆锥结构可为非折叠的以实现所需的抛光垫的圆形或盘状形状。
图12A说明上文所描述的连续液体界面制造，其中在构建平台上以水平构造制备垫102。在该水平定向中的垫102制备可被称为水平方法。如图12B中所示，在本发明的又一实施方式中，以相对于构建平台垂直的定向(即，使用垂直方法)生产抛光垫102。在该实施方式中，可更容易地控制未固化前体树脂的补充，使得相比于水平方法所需的时间，补充未固化的前体树脂所需的时间更少。测试指示可使用图12A的水平构造与图12B中之垂直构造中制备的垫来实现类似性能(例如就平坦化期间的移除率而言)。
使用方法1100，在水平或垂直方法中，可产生具有复杂的图案化结构的抛光垫102，通过投影在前体的各个层上的UV光的图案来确定所述复杂的图案化结构。可通过用于设计投影的UV光的图案的计算机辅助设计(CAD)程式来控制这些图案。该途径的优势为建构体积(即所生产的抛光垫层的体积)可比槽自身的体积大得多，且在给定时间仅需要足够的前体以维持槽中的薄膜。除了UV辐射的图案以外，可改变其他参数以获得固化材料的所需特性，包括：UV辐射强度、槽温度和前体的特性(例如通过添加成孔剂和/或添加剂)。
本发明消除在模制或流延方法中按需要制造昂贵且耗时的模具的需求。在某些实施方式中，可消除模制、流延及机械加工的步骤。另外，可归因于本文中所描述的逐层制造途径而实现紧公差。此外，可使用一种系统简单地通过改变储存于CAD程式中的UV“写入”图案来制造多种不同的抛光垫。尽管本文中的某些示例性描述使用连续液体界面制造作为基于缸的增材制造途径，但应理解，可采用任何适当的基于缸的制造途径来制备本发明中所描述的CMP垫102。
实验实施例
成孔剂量及交联程度的影响
使用与不同量的成孔剂组合且具有不同的交联程度的同一树脂制备一系列垫。通过添加或不添加交联剂(例如异氰酸酯交联剂)来实现不同的交联程度。在存在交联剂的情况下制备高度交联的树脂。测定各个垫的相对移除率。相对移除率对应于与使用可商购获得的CMP垫实现的移除率相比，使用垫移除氧化硅层的移除率。下表1展示对于相同的树脂(FPU50)，当成孔剂的量增加且交联程度增加时相对移除率增加。在表1中，低成孔剂量对应于前体混合物中的约3重量％成孔剂，且高成孔剂量对应于前体混合物中的约5重量％成孔剂。
表1：交联程度及成孔剂量对移除率的影响
从双固化的树脂省去组分的影响
使用双固化的树脂制备一系列垫。对于一些垫，将双固化的树脂的各组分包括于前体中。对于其他垫，从前体中省去双固化的树脂的一种组分。下表2展示通过具有不同树脂(或树脂组合)的垫实现的相对移除率，其中所述树脂具有及不具有包括于前体中的双重固化组分。如表2中所示，当从前体中省去双固化组分时，移除率增加。特别地，与用作基准的市售可获得的抛光垫相比，不用双固化组分制备的垫具有增加的移除率。
表2：省去固化树脂的组分对移除率的影响
树脂 相对移除率
FPU50(省去双固化组分) 109％
FPU50 81％
FPU50/EPU40 80/20(省去双重固化组分) 110％
FPU50/EPU40 60/40 80％
可对本文中所描述的系统、设备及方法作出修改、添加或省略。可整合或分离系统和设备的组件。此外，可通过更多、更少或其他的组件执行系统和设备的操作。所述方法可包括更多、更少或其他的步骤。另外，可以任何合适的次序执行步骤。另外，可使用任何合适的逻辑来执行系统和设备的操作。如此文件中所使用的，“每一(个)”是指集合的每一成员或集合的子集的每一成员。
本文中，除非另外明确指示或上下文另外指示，否则“或”为包括性且并非排他性的。因此，除非另外明确指示或上下文另外指示，否则本文中“A或B”意指“A、B或两者”。此外，除非另外明确指示或上下文另外指示，否则“和(及)”为联合及各自两者。因此，除非另外明确指示或上下文另外指示，否则本文中“A和(及)B”意指“A和(及)B，联合地或各自地”。
本发明的范围涵盖本领域普通技术人员将了解的本文中描述或说明的示例性实施方式的全部改变、取代、变化、更改及修改。本发明的范围不限于本文中所描述或说明的示例性实施方式。此外，尽管本发明将本文中的各种实施方式描述和说明为包括特定组件、元件、特征、功能、操作或步骤，但这些实施方式中的任一种可包括本领域普通技术人员将了解的本文中任何位置描述或说明的组件、元件、特征、功能、操作或步骤中的任一者的任何组合或排列。此外，所附权利要求书中对经调适以、经配置以、能够、构造成以、经启用以、经操作以或可操作以执行特定功能的设备或系统或设备或系统的组件的参考涵盖只要该设备、系统或组件因此经调适、经配置、能够、构造成、经启用、经操作或可操作，该设备、系统、组件(不管其或该特定功能)便经激活、接通或解锁。另外，尽管本发明将具体实施方式描述或说明为提供特定优点，但具体实施方式可不提供这些优点或提供这些优点的一些或全部。
除非本文中另外指明或上下文中明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中(尤其在权利要求的上下文中)使用的术语“一个”与“一种”和“所述”及相似指示物均应解释为涵盖单数及复数。除非另外指出，否则术语“包括”、“具有(带有)”、“包含”和“含有”应解释为开端式(开放式)术语(即意指“包括但不限于”)。除非另外指示，否则本文中值的范围的列举仅意欲充当单独提及属于所述范围内的各独立值的简写方法，且各独立值并入至本说明书中，如同在本文中单独列举一般。使用本文所提供的任何及所有示例或示例性语言(例如“例如(诸如)”)仅意欲更好地解释本发明且不对申请专利范围的范畴造成限制。

Claims (20)

1.化学机械抛光垫，包括：
包括第一材料的表面部分，所述表面部分包括多个沟槽，其中：
所述沟槽的第一部分为位于所述化学机械抛光垫的表面处的暴露的沟槽；和
所述沟槽的第二部分为嵌入所述化学机械抛光垫的表面下方的埋入式沟槽，使得在使用所述化学机械抛光垫期间，所述埋入式沟槽中的一个或多个在所述表面处暴露，
其中抛光垫具有暴露的沟槽的体积和表示暴露的沟槽在使用前的体积的初始值(V0)，并且所述暴露的沟槽的体积在使用期间维持从V0的变化小于80％。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中所述化学机械抛光垫构造成使得在使用所述化学机械抛光垫期间，所述暴露的沟槽的体积保持在预定的范围内。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中所述埋入式沟槽的至少一部分经由通道流体耦接至其他埋入式沟槽和所述化学机械抛光垫的表面。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，进一步包括：
多个垂直通道，其从所述化学机械抛光垫的表面至少延伸至水平排放通道；和
水平排放通道，其构造成允许流体从所述表面流至所述化学机械抛光垫的外部边缘。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，进一步包括从所述化学机械抛光垫的底表面延伸至所述化学机械抛光垫的表面下方的多个垂直通道，其中每一个垂直通道均填充有第二材料。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中所述多个沟槽中的第一子集具有第一宽度且所述多个沟槽中的第二子集具有大于所述第一宽度的第二宽度。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中使用基于缸的增材制造方法制备所述化学机械抛光垫。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，包括至少三层埋入式沟槽。
9.化学机械抛光晶圆的方法，所述方法包括：
提供化学机械抛光垫，其包括：
包括第一材料的表面部分，所述表面部分包括多个沟槽，其中：
所述沟槽的第一部分为位于所述化学机械抛光垫的表面处的暴露的沟槽；和
所述沟槽的第二部分为嵌入所述化学机械抛光垫的表面下方的埋入式沟槽，使得在使用所述化学机械抛光垫期间，所述埋入式沟槽中的一个或多个在所述表面处暴露；
旋转所述化学机械抛光垫；和
使所述晶圆与旋转的化学机械抛光垫接触，
其中抛光垫具有暴露的沟槽的体积和表示暴露的沟槽在使用前的体积的初始值(V0)，并且所述暴露的沟槽的体积在使用期间维持从V0的变化小于80％。
10.如权利要求9所述的方法，其中在使所述晶圆与旋转的化学机械抛光垫接触一段时间之后，所述暴露的沟槽的体积保持在预定的范围内。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述埋入式沟槽的至少一部分经由通道流体耦接至其他埋入式沟槽和所述化学机械抛光垫的表面。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述化学机械抛光垫进一步包括：
多个垂直通道，其从所述化学机械抛光垫的表面至少延伸至水平排放通道；和
水平排放通道，其构造成允许流体从所述表面流至所述化学机械抛光垫的外部边缘。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述化学机械抛光垫进一步包括多个垂直通道，其从所述化学机械抛光垫的底表面延伸至所述化学机械抛光垫的表面下方，其中每一个垂直通道均填充有第二材料。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述多个沟槽中的第一子集具有第一宽度且所述多个沟槽中的第二子集具有大于所述第一宽度的第二宽度。
15.如权利要求9所述的方法，其中使用基于缸的增材制造方法制备所述化学机械抛光垫。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述化学机械抛光垫包含至少三层埋入式沟槽。
17.化学机械抛光垫，包括：
表面、弯曲边缘和嵌入所述表面下方的至少一个通道，其中：
所述表面包括：
至少一个暴露的沟槽；和
至少一个孔，其流体耦接至嵌入所述表面下方的所述通道；和
所述弯曲边缘包括出口孔，其在嵌入所述表面下方的所述通道的末端处，使得经由嵌入的通道提供用于流体从所述表面流出所述弯曲边缘的路径，
其中抛光垫具有暴露的沟槽的体积和表示暴露的沟槽在使用前的体积的初始值(V0)，并且所述暴露的沟槽的体积在使用期间维持从V0的变化小于80％。
18.如权利要求17所述的化学机械抛光垫，其中所述至少一个沟槽包括同心圆沟槽。
19.如权利要求17所述的化学机械抛光垫，其中所述至少一个孔处于邻近于所述至少一个沟槽的所述表面中。
20.如权利要求17所述的化学机械抛光垫，其中：
所述至少一个孔包括孔组，其从所述表面的中心朝向所述弯曲边缘径向延伸；
所述孔组的每一个孔流体耦接至嵌入所述表面下方的所述通道；和
嵌入所述表面下方的所述通道在所述孔组下方从所述表面的所述中心径向延伸至所述弯曲边缘中的所述出口孔。
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