CN114378715A - 一种化学机械抛光垫及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学机械抛光用抛光垫，该抛光垫在抛光轨迹区域内具有凸起的研磨表面。本发明抛光垫凸起的研磨表面能够使抛光层更紧密的与抛光元件中央部分接触，从而抵消抛光元件在抛光过程中因边缘位置的线速度较大而造成抛光元件各部位研磨速率不均匀的现象，降低边缘效应的产生。
Description
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，具体涉及一种可以消除或降低抛光过程中出现边缘效应的化学机械抛光垫及抛光方法。
背景技术
在集成电路制造过程中，通常需要将晶圆表面的微细凹凸消除并达到平坦化，化学机械平面化或化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)则是一种用以平面化或抛光工件(例如半导体晶片)的常见技术。一般来说，化学机械抛光制程是借由供应具有化学品混合物的抛光液于抛光垫上，且使抛光元件与抛光垫之间形成相对运动，借由相对运动产生的机械摩擦及抛光液的化学作用下，移除部分元件表层，而使表面逐渐平坦，以达到平坦化的目的。
但是，化学机械抛光常常伴随着“边缘效应”的问题。边缘效应是指在抛光元件边缘的研磨率和中心的研磨率不均匀的一种现象，相对于中心部分，边缘效应通常会导致移除过多的抛光元件外围的材料，即所谓的过度研磨，因此抛光元件上会产生不平坦的边缘研磨轮廓，严重的会影响抛光元件的产率及良率。
为了消除或减缓“边缘效应”的现象，常见的方式为在抛光机抛头处设置压力分区。目前抛头常见的压力分区为分五区及七区，相比而言，七区压力的抛头成本远高于五区，但五区压力的抛头有时却不能完全满足使用需求。
专利TWI371339中提出一种在研磨头中配置一固定环以支撑固定抛光元件的方案，固定环的配置使抛光元件内表面与外表面之间的宽度或几何中心距离的改变，以补偿抵消研磨边缘轮廓的改变，从而降低“边缘效应”问题。
专利CN111644977A公开了一种研磨用固定环，包括：环形主体；所述环形主体至少在下表面和内表面之间具有第一过渡区域，所述第一过渡区域的内侧高度高于所述第一过渡区域的外侧高度，所述第一过渡区域的由所述表面向所述下表面平滑过渡。该发明提供的研磨用固定环能够避免抛光垫的形变对晶圆边缘的过度研磨。
由此可见，在抛光制程中消除或降低“边缘效应”是十分必要的，并以简便且低成本的方式来实现是人们所期望的效果。
发明内容
为解决现有技术存在的“边缘效应”问题，本发明创造性地从抛光垫本身结构出发，开发出一种新型抛光垫，从而完成了本发明。
本发明的另一目的在于提供这种化学机械抛光垫用于晶片抛光的抛光方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：
一种化学机械抛光垫，所述抛光垫至少具有抛光层、缓冲层及粘着剂层，其特征在于，所述抛光层具有环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区，所述抛光层厚度自抛光层圆心沿半径方向至外缘区先增大后减小，抛光层厚度呈抛物线形状变化，且厚度在环形抛光轨迹内达到最大。
在一个具体的实施方案中，所述抛光层半径为R，抛光圆心至圆形中间区半径为R0，抛光圆心至环形抛光轨迹区外缘的半径为R1，三者满足以下关系式：0<R0≤0.25R，R0<R1≤R。
在一个具体的实施方案中，所述抛光层的平均厚度为1000～3000μm，抛光层厚度最高与最低处的高度差不大于500μm。
在一个优选的实施方案中，所述抛光层的平均厚度为1000～3000μm，所述抛光层厚度最高与最低处的高度差不大于500μm且不小于30μm。
在一个优选的实施方案中，以所述抛光层圆心为原点，以半径为x轴，以垂直于抛光层平面方向为y轴，所述抛光层厚度呈抛物线形状的抛物线方程为y＝ax2+bx，其中a<0，b>0，R0≤∣b/2a∣≤R1，∣b2/4a∣≤500μm。
在一个具体的实施方案中，在所述抛光层表面形成多条沟槽。
在一个优选的实施方案中，所述沟槽为90～130条，自环绕抛光层圆心对称图案沟槽。
在一个具体的实施方案中，所述抛光层为包括源自链段嵌段共聚物和/或聚氨酯弹性体。
在一个具体的实施方案中，所述缓冲层为聚氨酯浸渍的毡材。
在一个具体的实施方案中，所述粘着剂层选自压敏型粘着剂和/或反应型热熔胶；优选地，所述热熔型粘着剂选自聚烯烃、乙烯醋酸乙烯酯、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚氯乙烯或环氧树脂中的至少一种；所述压敏型粘着剂选自丙烯基粘接剂(PSAV)或橡胶基粘接剂(PSA8)中的至少一种。
本发明的另一方面，提供一种前述化学机械抛光垫用于晶片抛光的抛光方法，包括以下步骤：
提供前述的化学机械抛光垫；
对抛光元件施加一压力以压置于抛光垫上；
对抛光元件及抛光垫提供相对运动进行抛光。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明的化学机械抛光垫，在抛光层表面具有凸起结构，且最大凸起结构位于抛光轨迹内。使得在抛光过程中，虽然抛光元件边缘部位由于线速度大，研磨速率较高，但因在抛光轨迹内抛光垫具有凸起的结构，使抛光层与抛光元件中心部位更紧密的接触，从而达到消除或降低“边缘效应”现象的产生。
2)应用本发明的抛光垫进行化学机械抛光，无需对固定环进行改造即可消除或降低“边缘效应”现象的产生，适用性好。抛光垫的凸起结构通过聚氨酯弹性体成型模具一次成型即可得到，制作简单、方便。
附图说明
图1是抛光垫俯视图。
图2是常规抛光垫沿图1的I-I’方向的剖面示意图。
图3至图8为实施例或比较例的抛光垫沿图1的I-I’方向的剖面示意图。
具体实施方式
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。
本发明一方面提供了一种化学机械抛光垫，所述抛光垫至少具有抛光层、缓冲层及粘着剂层。其中，抛光层具有环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区；所述抛光层厚度自抛光层圆心沿半径方向至外缘区先增大后减小，抛光层厚度呈抛物线形状变化，且厚度在环形抛光轨迹内达到最大。
具体地，如图1所示，该抛光层半径为R，抛光圆心至圆形中间区半径为R0，抛光圆心至环形抛光区外缘的半径为R1，三者的尺寸满足以下关系：0<R0≤0.25R，R0<R1≤R。以抛光层中心为圆心，以R0为半径的圆形区域为所述位于抛光轨迹区内的圆形中间区；以R0和R1为半径的环形区域为所述抛光轨迹区；以R1为半径至抛光层边缘的环形区域为所述抛光轨迹区外部的环形外缘区。所述抛光层厚度自抛光层圆心沿半径方向(I-I’方向)至外缘区先增大后减小，抛光层厚度呈抛物线形状变化，且厚度在环形抛光轨迹内达到最大，即抛光垫厚度最高与最低处始终落入所述抛光轨迹区内。抛光垫自抛光层圆心沿半径方向(即I-I’方向)的剖面示意图如图2所示，所述抛光轨迹区位于R0和R1为半径的环形区域内。
其中，抛光层平均厚度为1000～3000μm，优选自1500～2500μm，例如包括但不限于1500μm、2000μm、2500μm。抛光层厚度最高与最低处的高度差不大于500μm，优选不大于300μm。抛光层厚度差应选择合适的值，厚度差过大，则容易造成抛光过程受力不均，中心区域压力大，周边压力小，造成抛光平坦度不佳，甚至可能造成抛光层挤压变形严重使得沟槽排液不畅的问题；相反，如果厚度差过小，无法有效抑制“边缘效应”。本发明选择抛光层厚度最高与最低处的高度差不大于500μm，优选不大于300μm，同时不小于30μm，在此高度差范围内，便能有效抑制“边缘效应”且不会出现其它不期望的负面作用。
抛光层厚度的抛物线形状，具体如下：以抛光层的圆心为原点，以半径为x轴，以垂直于抛光层平面方向为y轴，建立抛物线方程，抛物线方程通式为y＝ax2+bx，其中a<0，b>0，R0≤∣b/2a∣≤R1，∣b2/4a∣≤500μm，这样使得抛光层最大厚度位于抛光轨迹内且抛光层高度差不大于500μm，优选地，不小于30μm。
抛光层材料选自包括至少一种硬质链段和至少一种软质链段的链段嵌段共聚物，包括聚环氧乙烷、聚(醚酯)嵌段共聚物、聚酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡啶、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚天冬氨酸、苯乙烯聚合物、环氧基聚合物、马来酸酐甲基乙烯醚共聚物及其组合物。
抛光层材料还可选自聚氨酯弹性体、聚醚弹性体、聚醚聚酯弹性体、聚酰胺基弹性体、热塑性聚氨酯、热塑性橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物、硅橡胶、合成橡胶、苯乙烯-异戊二烯共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯共聚物及其组合物。这种抛光层材料的制备方法例如可参考专利CN104416454B。
缓冲层材料包含纺织材料和无纺材料，例如毡制材料、纺粘材料和针刺材料。本发明中缓冲层的材料可包括例如经聚合物浸渍的毡材(例如经聚氨酯浸渍的毛毡材料)及纺织材料(例如厚法兰绒材料)。
本发明所述的抛光层表面具有多个凹槽，例如90～130个凹槽，优选的，凹槽设计选自以下组成的群组：同心凹槽(其可以是圆形或螺旋形的)、曲面凹槽、交叉影线凹槽(例如布置成垫表面上的X-Y网格)、其他规则设计(例如六角形、三角形)、轮胎面型图案、不规则设计(例如分形图案)以及其组合。更优选的，凹槽设计选自以下组成的群组：同心凹槽(螺旋形凹槽)、交叉影线凹槽(X-Y网格凹槽)、其他规则设计(六角形凹槽、三角形凹槽)。更优选的，抛光表面中形成由螺纹凹槽图案，例如所述凹槽或沟槽宽度一般为0.5mm，深度为0.7mm。
本发明中的抛光垫还包括粘着剂层，所述粘着剂层选自压敏型粘着剂、反应型热熔胶或两者的混合物。其中热熔型粘着剂选自聚烯烃、乙烯醋酸乙烯酯、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚氯乙烯或环氧树脂中的至少一种。压敏型粘着剂选自丙烯基粘接剂(PSAV)或橡胶基粘接剂(PSA8)中的至少一种。粘着剂层的主要作用在于将抛光层与缓冲层紧密的粘结在一起。
本发明还提供一种利用前述化学机械抛光垫进行化学机械抛光的抛光方法，包括如下步骤：
提供化学机械抛光垫，该抛光垫至少具有抛光层、缓冲层及粘着剂层。其中，抛光层具有环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区；所述抛光层厚度自抛光层圆心沿半径方向至外缘区先增大后减小，抛光层厚度呈抛物线形状变化，且厚度在环形抛光轨迹内达到最大；
对抛光元件施加一压力以压置于抛光垫上；
对抛光元件及抛光垫提供相对运动。
所述抛光方法主要应用本发明结构的化学机械抛光垫，具体抛光设备、抛光工艺以及抛光液的应用均可参考现有技术。
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。
本发明实施例和对比例用到的主要原料如下：
设备：南京创技SPEEDFAM 36GPAW单面抛光机，四点探针(Four Dimensions，Inc，
)测试仪测量。
测试方法：每次抛光实验前后，用四点探针(Four Dimensions，Inc，
)测试仪测量片上相同位置的81个测试点厚度，并通过厚度差值计算移除速率。移除速率计算公式如下：
其中，
为抛光前81个测试点厚度平均值，
为抛光后81个测试点厚度平均值，ΔTavg为抛光前后81个点每个点抛光前后厚度差值的平均值。移除速率的标准差计算得到非均匀比率(％NUR)。非均匀比率越小，即移除速率的标准差越小，说明整个抛光面上抛光速率越接近、抛光效果越均匀。
实施例1
本发明中抛光垫的制备方法如下：
将含异氰酸酯封端预聚体(Chemtura生产的
预聚物LF750D)加热至60℃进行预热，将固化剂(MOCA，济南鲁南化工)加热至110℃熔化，在室温下将预聚体与固化剂进行混合搅拌，并在室温下进行凝胶，凝胶15分钟后将其放入100℃烘箱加热12小时后得到抛光垫块体。从烘箱中取出抛光垫块体将其切削得到聚氨酯薄片，并通过砂光机进行砂光打磨，得到特定厚度形状的抛光层。
抛光层与陶氏SUBA IV缓冲层通过丙烯基粘接剂(PSAV)贴合在一起，经贴合机贴合成型后，得到抛光垫。将得到的抛光垫表面刻115道同心圆形沟槽，沟槽深度0.7mm，宽度0.5mm。
通过上述制备方法，得到抛光垫半径R＝254mm的抛光垫一张，其中R0＝50mm，R1＝200mm，a＝-0.0064，b＝1.6，由此得到的抛光垫厚度最高与最低处的高度差为100μm，抛光垫厚度最高与最低处位于抛光轨迹区的中心位置。
得到的抛光垫的半剖面图详见图3。
实施例2
使用实施例1中的方法制备抛光垫，得到半径R＝254mm的抛光垫一张，其中R0＝60mm，R1＝210mm，a＝-0.017，b＝4.4，由此得到的抛光垫厚度最高与最低处的高度差为202μm，抛光垫厚度最高与最低处位于抛光轨迹区内更靠近圆心的位置。
得到的抛光垫的半剖面图详见图4。
实施例3
使用实施例1中的方法制备得到抛光垫，得到抛光垫半径R＝254mm的抛光垫一张，其中R0＝40mm，R1＝180mm，a＝-0.017，b＝5.3，由此得到的抛光垫厚度最高与最低处的高度差为413μm，抛光垫厚度最高与最低处位于抛光轨迹区内更靠近抛光垫边缘的位置。
得到的抛光垫的半剖面图详见图5。
实施例4
使用实施例1中的方法制备得到抛光垫，得到抛光垫半径R＝254mm的抛光垫一张，其中R0＝40mm，R1＝180mm，a＝-0.0021，b＝0.64，由此得到的抛光垫厚度最高与最低处的高度差为50μm，抛光垫厚度最高与最低处位于抛光轨迹区内更靠近抛光垫边缘的位置。
得到的抛光垫的半剖面图详见图6。
比较例1
使用实施例1中的方法制备得到抛光垫，得到抛光垫半径R＝254mm的抛光垫一张，其中R0＝50mm，R1＝200mm，a＝0，b＝0，由此得到的抛光垫厚度最高与最低处的高度差为0μm。
得到的抛光垫的半剖面图详见图2。
比较例2
使用实施例1中的方法制备得到抛光垫，得到抛光垫半径R＝254mm的抛光垫一张，其中R0＝50mm，R1＝200mm，a＝-0.0448，b＝11.2，由此得到的抛光垫厚度最高与最低处的高度差为700μm，抛光垫厚度最高与最低处位于抛光轨迹区的中心位置。
得到的抛光垫的半剖面图详见图7。
比较例3
使用实施例1中的方法制备得到抛光垫，得到抛光垫半径R＝254mm的抛光垫一张，其中R0＝50mm，R1＝200mm，a＝-0.0016，b＝0.4，由此得到的抛光垫厚度最高与最低处的高度差为25μm，抛光垫厚度最高与最低处位于抛光轨迹区的中心位置。
得到的抛光垫的半剖面图详见图8。
实施例1、2、3、4为根据本发明所得到的抛光垫，抛光层厚度最高与最低处的最大高度差分别位于抛光轨迹区的中心及两侧。比较例1为常规抛光垫，比较例2为抛光层厚度差较大的抛光垫，比较例3为抛光层厚度差略低于最优最小厚度值的抛光垫。分别将得到的抛光垫利用如下方法进行抛光实验：
将抛光垫安装至抛光机压板，在压力为0.02MPa，使用铜抛光液AEP U3061A，抛光液流速为200ml/min，工作台旋转速度为90rpm及抛光元件旋转速度为85rpm的情况下使用南京创技SPEEDFAM 36GPAW单面抛光机进行抛光实验。借由四探针测试仪进行测试，计算得到非均匀比率值。
表1为实施例及比较例通过测试得到的非均匀比率测试数据表。
表1非均匀比率测试结果数据表
从表中可以看出，在常规抛光方法测试条件下，按照实施例1至4中的方法得到的抛光垫，由于在抛光轨迹内抛光垫具有一定高度差，使得在抛光过程中晶圆靠近中心部分与抛光垫接触压力更大，这样就可以抵消大部分甚至全部由于晶圆边缘线速度大引起的抛光速率大而造成的边缘效应。实施例4得到的抛光垫厚度差较小，边缘效应较前三例明显增强，非均匀比率越大，说明均匀性越差，边缘效应越明显。晶圆使用常规抛光垫(比较例1)抛光后的非均匀比率明显大于使用本发明抛光垫抛光后的非均匀比率，且若厚度差过大(比较例2)，会造成研磨不均匀的情况加重，厚度差小于最优值的最小值(比较例3)边缘效应的现象较实施例中抛光垫明显，但也显著优于无厚度差或厚度差很大的抛光垫。因此可以看出本发明的抛光垫可以有效的降低抛光过程中出现的“边缘效应”。
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 (10)
1.一种化学机械抛光垫，所述抛光垫至少具有抛光层、缓冲层及粘着剂层，其特征在于，所述抛光层具有环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区，所述抛光层厚度自抛光层圆心沿半径方向至外缘区先增大后减小，抛光层厚度呈抛物线形状变化，且厚度在环形抛光轨迹内达到最大。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光层半径为R，抛光圆心至圆形中间区半径为R0，抛光圆心至环形抛光轨迹区外缘的半径为R1，三者满足以下关系式：0<R0≤0.25R，R0<R1≤R。
3.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光层的平均厚度为1000～3000μm，抛光层厚度最高与最低处的高度差不大于500μm；优选地，所述抛光层厚度最高与最低处的高度差不大于500μm且不小于30μm。
4.根据权利要求3所述的化学机械抛光垫，其特征在于，以所述抛光层圆心为原点，以半径为x轴，以垂直于抛光层平面方向为y轴，所述抛光层厚度呈抛物线形状的抛物线方程为y＝ax2+bx，其中a<0，b>0，R0≤∣b/2a∣≤R1，∣b2/4a∣≤500μm。
5.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，在所述抛光层表面形成多条沟槽。
6.根据权利要求5所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述沟槽为90～130条，自环绕抛光层圆心对称图案沟槽。
7.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光层为包括源自链段嵌段共聚物和/或聚氨酯弹性体。
8.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述缓冲层为聚氨酯浸渍的毡材。
9.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述粘着剂层选自压敏型粘着剂和/或反应型热熔胶；优选地，所述热熔型粘着剂选自聚烯烃、乙烯醋酸乙烯酯、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚氯乙烯或环氧树脂中的至少一种；所述压敏型粘着剂选自丙烯基粘接剂(PSAV)或橡胶基粘接剂(PSA8)中的至少一种。
10.一种抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供权利要求1-9任一项所述的化学机械抛光垫；
对抛光元件施加一压力以压置于抛光垫上；
对抛光元件及抛光垫提供相对运动进行抛光。
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