CN114770371B - 一种高抛光液使用效率的抛光垫 - Google Patents

一种高抛光液使用效率的抛光垫 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高抛光液使用效率的抛光垫，包括抛光层，设置于所述抛光层中心的环形沟槽，所述环形沟槽的外部衍生有长弧形沟槽，所述长弧形沟槽以所述环形沟槽的边缘处为起点，呈发散状延伸至所述抛光层的边缘，并将所述抛光层分割成若干组长桨叶状抛光区，相邻两条所述长弧形沟槽之间的长桨叶状抛光区内设置有多级梯度的弧形沟槽，所述多级梯度弧形沟槽具有位于所述长桨叶状抛光区内起始点产生、并延伸到所述抛光层的外边缘，长弧形沟槽定义为初级弧形沟槽。该抛光垫中的螺旋型沟槽可实现抛光液快速到达晶片抛光区域，有效降低抛光液抛光过程中的损耗，多区域不同密集程度沟槽可以有效改善晶片内部的抛光均匀性，并可保持较高的抛光速率。

Description

一种高抛光液使用效率的抛光垫
技术领域
本发明涉及化学机械抛光领域，尤其涉及一种高抛光液使用效率的抛光垫。
背景技术
随着科技的不断进步与社会的发展，越来越多的更为精密的电子设备进入到我们的生活中，而随着电子设备性能的不断提高，对于其内部的芯片的要求也越来越严格，而半导体晶片就是芯片制造过程中极为重要的一种半成品，它在被加工的过程中，会出现晶片的表面的平坦度不达标的问题，因此需要对晶片的表面进行抛光加工，从而实现晶片的全面平坦化。
化学机械抛光是现如今实现晶片全面平坦化的一般方法，该方法通过抛光垫对半导体晶片表面进行研磨处理，并且在抛光垫与晶片之间加入抛光液，以获得更佳的抛光效果，并且现有的抛光垫会在与晶片接触的表面加工出各种凹槽，能够减少由于在离心力的作用下而导致的抛光液消耗过快，从而提高抛光效率。现有的公开号为CN101234482A提供的具有用于降低浆液消耗的凹槽的抛光垫，该抛光垫表面所雕刻的凹槽可以使得晶圆除去速率极大的增加，但是抛光液在达到从抛光垫到达抛光区域的速度依然很慢，并没有达到理想的降低抛光液消耗的效果，这样会导致在抛光的过程中依然会消耗过多的抛光液，同时抛光效果也不够均匀。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高抛光液使用效率的抛光垫，用于抛光磁性的、光学的和半导体衬底中的至少一种的晶片，其特征在于：包括抛光层；
设置于所述抛光层中心的环形沟槽；
所述环形沟槽的外部衍生有长弧形沟槽，所述长弧形沟槽以所述环形沟槽的边缘处为起点，呈发散状延伸至所述抛光层的边缘，并将所述抛光层分割成若干组长桨叶状抛光区；
相邻两条所述长弧形沟槽之间的长桨叶状抛光区内设置有多级梯度的弧形沟槽，所述多级梯度弧形沟槽具有位于所述长桨叶状抛光区内起始点产生、并延伸到所述抛光层的外边缘，依据所述多级梯度弧形沟槽的起始点与抛光层圆心距离的远近，从内部到抛光层的外边缘依次设置有第一级、第二级……第N级弧形沟槽，长弧形沟槽定义为初级弧形沟槽；
所述长弧形沟槽的个数范围为5～50条。
作为上述技术方案的进一步描述：所述环形沟槽的横截面可以为矩形、半圆形、矩形加半圆组合型、梯形和三角形。
作为上述技术方案的进一步描述：所述长弧形沟槽与所述多梯度弧形沟槽的横截面可以为矩形、半圆形、矩形加半圆组合型、梯形和三角形。
作为上述技术方案的进一步描述：所述长弧形沟槽与所述多梯度弧形沟槽中，任意位置相邻的两根沟槽之间的距离范围为1mm～50mm。
作为上述技术方案的进一步描述：所述抛光层的直径为50～1000mm，并且所述抛光层的厚度为0.5～5.0mm。
作为上述技术方案的进一步描述：所述环形沟槽的半径为5～50mm，优选为10～25mm。
作为上述技术方案的进一步描述：参考所述抛光垫同轴中心的极坐标，所述长弧形沟槽轨道坐标，所述长弧形沟槽圆心O2的极角为B，所述长弧形沟槽上任一点P的极角为A，和所述长弧形沟槽的曲率半径为R，可用如下极坐标方程表示：
ρ＝2Rcos(B-A)
其中，R＝0.5Rpad～2Rpad，Rpad是抛光垫的半径。
用上面等式定义的所述长弧形沟槽轨道的弧度θ在10°～120°之间。
作为上述技术方案的进一步描述：所述多级梯度弧形沟槽轨道坐标为(ρ’，A’)，根据所述多级梯度弧形沟槽圆心O’的极角为B’，所述多级梯度弧形沟槽上任一点P’极角为A’，所述多级梯度弧形沟槽的曲率半径为R’，可以用如下极坐标方程表示：
ρ'＝2R'cos(B'-A')
其中，R’＝0.5Rpad～2Rpad，Rpad是抛光垫的半径。
用等式定义的所述多级梯度弧形沟槽轨道的弧度θ在10°～120°之间。
作为上述技术方案的进一步描述：所述长弧形沟槽的数量小于或等于所述多梯度弧形沟槽的数量。
作为上述技术方案的进一步描述：相邻的两级所述多级梯度弧形沟槽的起始点距离所述抛光层的圆心的距离差值ΔL的范围为0.01Rpad～0.5Rpad。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过设计螺旋型沟槽，由内圆沟槽和多梯度弧形沟槽，形成抛光垫中心区域圆弧沟槽密度相对稀疏扩散到外围区域圆弧沟槽高速路径密集的分布状态。此沟槽可实现抛光液快速到达晶片抛光区域，有效降低抛光液抛光过程中的损耗，多区域不同密集程度沟槽可以有效改善晶片内部的抛光均匀性，并可保持较高的抛光速率。
附图说明
图1为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的示意图；
图2为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的长弧形沟槽的形状和位置示意图；
图3为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的短弧形沟槽示意图；
图4为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的多梯度弧形沟槽示意图；
图5为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的实施例3的抛光垫的示意图；
图6为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的实施例4的抛光垫的示意图；
图7为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的实施例5的抛光垫的示意图；
图8为本发明提出的一种高抛光液使用效率的抛光垫的实施例6的抛光垫的示意图。
图例说明：
1、抛光层；2、环形沟槽；3、长弧形沟槽；4、多梯度弧形沟槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1-图3，本发明提供的实施例1：一种高抛光液使用效率的抛光垫，用于抛光磁性的、光学的和半导体衬底中的至少一种的晶片，包括抛光层1；
设置于抛光层1中心的环形沟槽2；
所述环形沟槽2的外部衍生有长弧形沟槽3，所述长弧形沟槽3以所述环形沟槽2的边缘处为起点，呈发散状延伸至所述抛光层1的边缘，并将所述抛光层1分割成若干组长桨叶状抛光区；
相邻两条所述长弧形沟槽3之间的长桨叶状抛光区内设置有多级梯度的弧形沟槽，所述多级梯度弧形沟槽4具有位于所述长桨叶状抛光区内起始点产生、并延伸到所述抛光层1的外边缘，依据所述多级梯度弧形沟槽4的起始点与抛光层1圆心距离的远近，从内部到抛光层1的外边缘依次设置有第一级、第二级……第N级弧形沟槽，长弧形沟槽3定义为初级弧形沟槽；
长弧形沟槽3的个数范围为5～50条，可以根据具体的抛光需要调节长弧形沟槽3的数量，从而达到最佳的抛光效果。
根据上述技术方案，由环形沟槽2，长弧形沟槽3以及多梯度弧形沟槽4共同构成处于抛光层上的螺旋形沟槽，形成抛光垫中心区域圆弧沟槽的密度相对稀疏，而抛光垫外围区域的圆弧沟槽的密度相对密集的分布状态，当抛光垫在使用过程中，抛光液从环形沟槽2沿着弧形沟槽向外部扩散，由于弧形沟槽在抛光垫外部的分，布密度大于中心区的分布密度，抛光液在密集区域向外部扩散的速度会更快，从而能够更快速地达到晶片抛光区域，并且正是因为在抛光垫外围分布的弧形沟槽更密集，在抛光液经过密集区域时，由于弧形沟槽数量的增加，能够使每个弧形沟槽内通过的抛光液更为均匀，减少抛光液由于离心作用下向外部甩出而造成损耗，并且对晶片抛光得更加均匀，同时可以保持较高的抛光速率。
进一步的，所述环形沟槽的横截面可以为矩形、半圆形、矩形加半圆组合型、梯形和三角形。
进一步的，所述长弧形沟槽与所述多梯度弧形沟槽的横截面可以为矩形、半圆形、矩形加半圆组合型、梯形和三角形。
进一步的，长弧形沟槽3与多梯度弧形沟槽4中，任意位置相邻的两根沟槽之间的距离范围为1mm-50mm。
进一步的，抛光层1的直径为50-1000mm，并且抛光层1的厚度为0.5～5.0mm。
进一步的，环形沟槽2的半径为5～50mm，优选为10～25mm。
进一步的，用极坐标定义抛光垫的位置，任意一点到圆心O1的距离是r，极角为θ，该点表示为(r，θ)，如图2所示，参考抛光垫1同轴中心的极坐标，长弧形沟槽3轨道坐标(ρ，A)，长弧形沟槽3圆心O2的极角为B，长弧形沟槽3上任一点P的极角为A，和长弧形沟槽3的曲率半径为R，可用如下极坐标方程表示：
ρ＝2R cos(B-A)
O2可以是与O1相距R的任意一点，其中，R＝0.5Rpad到2Rpad，Rpad是抛光垫的半径。
用上面等式定义的长弧形沟槽3轨道的弧度在10°到120°之间，优选地，长弧形沟槽3轨道的弧度在20°到90°之间。
进一步的，如图3所示，抛光垫有多种不同起点和不同弧度的弧形沟槽组成，弧形沟槽的起点与圆心的距离是L(L的范围可以是0到Rpad)，在每两弧形根沟槽之间，添加一条分支，添加分支的方式不限于每两根之弧形沟槽间，包括所有在同一半径范围增加弧形沟槽的个数的添加方式，从而达到可以使抛光垫内外的沟槽间距接近，多梯度弧形沟槽4轨道坐标(ρ’，A’)，根据多梯度弧形沟槽4圆心O’的极角为B’，所述多级梯度弧形沟槽上任一点P’极角为A’，所述多级梯度弧形沟槽的曲率半径为R’，多梯度弧形沟槽4的曲率半径为R，可以用如下极坐标方程表示：
ρ'2R'cos(B'-A')
其中，R’＝0.5Rpad～2Rpad，Rpad是抛光垫的半径。
用等式定义的多梯度弧形沟槽4轨道的弧度在10°到120°之间。
进一步的，所述长弧形沟槽的数量小于或等于所述多梯度弧形沟槽的数量。
进一步的，相邻不同起点的两种多梯度弧形沟槽4，两者距离抛光垫1的圆心的距离差值ΔL的范围为0.01Rpad-0.5Rpad，沟槽的直线间距ΔP范围为1mm-50mm。
根据上述技术方案，通过长弧形沟槽与多梯度弧形沟槽的排布方式，使其在抛光垫上形成由内向外扩散的螺旋型沟槽，同时相邻沟槽间的间距接近，保抛光液在抛光垫上分布得更加均匀，从而使对晶片的抛光更加均匀。
进一步的，长弧形沟槽3与多梯度弧形沟槽4的深度范围为0.4mm-0.8mm。
参照图1-图4，本发明提供的实施例2：抛光垫1的半径为254mm，环形沟槽2的半径为2mm，抛光层1的厚度为3mm，R＝0.7Rpad，长弧形沟槽3轨道的弧度为60°，多梯度弧形沟槽4的弧度为35°、40°和45°三种弧度，其中第一短弧沟槽弧度为45°，第二短弧沟槽弧度为40°，第三短弧沟槽弧度为35°，长弧形沟槽3的个数为32条，多梯度弧形沟槽4中第一段短弧沟槽数量为32条，第二段短弧沟槽数量为64条，第三段短弧沟槽数量为128条，其中第一段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为35mm，第二段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为70mm，第三段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为112mm，ΔP的波动范围为2-5mm。在抛光垫进行抛光品坦度测试实验中，单模组集成式CMP抛光机上，使用钨研磨液浆料来进行抛光研究，用钨晶圆作为测试晶片(Monitor wafer)确定去除速率(RR)，抛光实验中使用的抛光条件包括：103rpm的抛光平台转速；97rpm的抛光头转速，主压力4Psi，使用85mL/min的抛光液流速，抛光时间60s/片，经过100片钨的测试晶片抛光测试，抛光速率在3500A/min以上，比一般沟槽的抛光垫快500A/min，另外钨抛光液使用量比一般的抛光垫从110ml/min降低至85ml/min。
参照图5，本发明提供的实施例3：抛光垫1的半径为254mm，环形沟槽2的半径为2mm，抛光层1的厚度为3mm，R＝0.9Rpad，长弧形沟槽3轨道的弧度为63°，多梯度弧形沟槽4的弧度为57°、49°、38°和22°四种弧度，其中第一短弧沟槽弧度为57°，第二短弧沟槽弧度为49°，第三短弧沟槽弧度为38°，第四短弧沟槽的弧度为22°，长弧形沟槽3的个数为14条，多梯度弧形沟槽4中第一段短弧沟槽数量为14条，第二段短弧沟槽数量为28条，第三段短弧沟槽数量为56条，第四段短弧沟槽数量为112条，其中第一段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为35mm，第二段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为70mm，第三段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为112mm，第四段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为125mm，ΔP的波动范围为2-5mm。
参照图6，本发明提供的实施例4：抛光垫1的半径为254mm，环形沟槽2的半径为2mm，抛光层1的厚度为3mm，R＝0.55Rpad，长弧形沟槽3轨道的弧度为127°，多梯度弧形沟槽4的弧度为117°、102°和84°三种弧度，其中第一短弧沟槽弧度为117°，第二短弧沟槽弧度为102°，第三短弧沟槽弧度为84°，长弧形沟槽3的个数为32条，多梯度弧形沟槽4中第一段短弧沟槽数量为32条，第二段短弧沟槽数量为64条，第三段短弧沟槽数量为128条，其中第一段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为35mm，第二段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为70mm，第三段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为112mm，ΔP的波动范围为2-5mm。
参照图7，本发明提供的实施例5：抛光垫1的半径为254mm，环形沟槽2的半径为2mm，抛光层1的厚度为3mm，R＝2Rpad，长弧形沟槽3轨道的弧度为28°，多梯度弧形沟槽4的弧度为25°、21°和16°三种弧度，其中第一短弧沟槽弧度为25°，第二短弧沟槽弧度为21°，第三短弧沟槽弧度为16°，长弧形沟槽3的个数为32条，多梯度弧形沟槽4中第一段短弧沟槽数量为32条，第二段短弧沟槽数量为64条，第三段短弧沟槽数量为128条，其中第一段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为35mm，第二段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为70mm，第三段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为112mm，ΔP的波动范围为2-5mm。
参照图8，本发明提供的实施例6：抛光垫1的半径为254mm，环形沟槽2的半径为2mm，抛光层1的厚度为3mm，R＝0.7Rpad，长弧形沟槽3轨道的弧度为64°，多梯度弧形沟槽4的弧度为57°、49°和38°三种弧度，其中第一短弧沟槽弧度为57°，第二短弧沟槽弧度为49°，第三短弧沟槽弧度为38°，长弧形沟槽3的个数为12条，多梯度弧形沟槽4中第一段短弧沟槽数量为12条，第二段短弧沟槽数量为24条，第三段短弧沟槽数量为48条，其中第一段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为35mm，第二段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为70mm，第三段短弧沟槽的起始点所在圆的半径为112mm，ΔP的波动范围为2-5mm。
工作原理：该装置在使用时，由环形沟槽2，长弧形沟槽3以及多梯度弧形沟槽4共同构成处于抛光层上的螺旋形沟槽，形成抛光垫中心区域圆弧沟槽的密度相对稀疏，而抛光垫外围区域的圆弧沟槽的密度相对密集的分布状态，当抛光垫在使用过程中，抛光液从环形沟槽2沿着弧形沟槽向外部扩散，由于弧形沟槽在抛光垫外部的分，布密度大于中心区的分布密度，抛光液在密集区域向外部扩散的速度会更快，从而能够更快速地达到晶片抛光区域，并且正是因为在抛光垫外围分布的弧形沟槽更密集，在抛光液经过密集区域时，由于弧形沟槽数量的增加，能够使每个弧形沟槽内通过的抛光液更为均匀，减少抛光液由于离心作用下向外部甩出而造成损耗，并且对晶片抛光的更加均匀，同时可以保持较高的抛光速率。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高抛光液使用效率的抛光垫，用于抛光磁性的、光学的和半导体衬底中的至少一种的晶片，其特征在于：包括抛光层；
（1） 设置于所述抛光层中心的环形沟槽；
（2） 所述环形沟槽的外部衍生有长弧形沟槽，所述长弧形沟槽以所述环形沟槽的边缘处为起点，呈发散状延伸至所述抛光层的边缘，并将所述抛光层分割成若干组长桨叶状抛光区；
（3） 相邻两条所述长弧形沟槽之间的长桨叶状抛光区内设置有多级梯度的弧形沟槽，所述多级梯度弧形沟槽具有位于所述长桨叶状抛光区内起始点产生、并延伸到所述抛光层的外边缘，依据所述多级梯度弧形沟槽的起始点与抛光层圆心距离的远近，从内部到抛光层的外边缘依次设置有第一级、第二级……第N级弧形沟槽，长弧形沟槽定义为初级弧形沟槽；
（4） 所述长弧形沟槽的个数范围为5~50条；
（5）参考所述抛光垫同轴中心的极坐标，所述长弧形沟槽轨道坐标，所述长弧形沟槽圆心O2的极角为B，所述长弧形沟槽上任一点P的极角为A，和所述长弧形沟槽的曲率半径为R，可用如下极坐标方程表示：
其中，R=0.5 Rpad ~ 2 Rpad，Rpad是抛光垫的半径；
用上面等式定义的所述长弧形沟槽轨道的弧度θ在10°~120°之间；
（6）所述多级梯度弧形沟槽轨道坐标为（ρ’，A’），根据所述多级梯度弧形沟槽圆心O’的极角为B’，所述多级梯度弧形沟槽上任一点P’极角为A’，所述多级梯度弧形沟槽的曲率半径为R’，可以用如下极坐标方程表示：
其中，R’=0.5 Rpad~2 Rpad，Rpad是抛光垫的半径；
用等式定义的所述多级梯度弧形沟槽轨道的弧度θ在10°~120°之间。
2.根据权利要求1所述的一种高抛光液使用效率的抛光垫，其特征在于：所述环形沟槽的横截面可以为矩形、半圆形、矩形加半圆组合型、梯形和三角形。
3.根据权利要求1所述的一种高抛光液使用效率的抛光垫，其特征在于：所述长弧形沟槽与所述多级梯度弧形沟槽的横截面可以为矩形、半圆形、矩形加半圆组合型、梯形和三角形。
4.根据权利要求1所述的一种高抛光液使用效率的抛光垫，其特征在于：所述长弧形沟槽与所述多级梯度弧形沟槽中，任意位置相邻的两根沟槽之间的距离范围为1mm~50mm。
5.根据权利要求1所述的一种高抛光液使用效率的抛光垫，其特征在于：所述抛光层的直径为50~1000mm，并且所述抛光层的厚度为0.5~5.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种高抛光液使用效率的抛光垫，其特征在于：所述环形沟槽的半径为5~50mm，优选为10~25mm。
7.根据权利要求1所述的一种高抛光液使用效率的抛光垫，其特征在于：所述长弧形沟槽的数量小于或等于所述多级梯度弧形沟槽的数量。
8.根据权利要求1所述的一种高抛光液使用效率的抛光垫，其特征在于：相邻的两级所述多级梯度弧形沟槽的起始点距离所述抛光层的圆心的距离差值ΔL的范围为0.01Rpad~0.5Rpad。
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