CN1265618A - 改进的抛光垫及其相关的方法 - Google Patents

Abstract

提供具有由一种亲水性材料所形成抛光表面的抛光垫。抛光表面有用热成形方法制备的结构外形。该外形由大和小的结构特征所组成以有利于抛光液的流动以及有利于平滑和平整。

Description

改进的抛光垫及其相关的方法

本申请要求1997年8月6日提交的美国临申请号60/054.906r的权益。

本发明一般涉及用于半导体装置等的抛光垫。更特别的是，本发明抛光垫包括一种适宜的亲水性材料，它具有一种新型的表面结构外形，这通常将改善预测性和抛光性能。

一般集成电路制造需要抛光一种或多种基材，如硅，二氧化硅，钨或铝。这种抛光一般是使用抛光垫结合抛光液来实现。

半导体工业对精密抛光需要高精度，但是，在抛光性能方面不希望有的垫与垫之间差异是相同普遍的。因此在半导体工业中在高精密抛光操作中对有更高可预测性能抛光垫的需求是存在的。

本发明涉及热成型(或压纹)抛光垫，它们具有由新型亲水性材料所制成的新型抛光表面。本发明抛光垫包括一种亲水性材料，它具有i.大于0.5g/cm³的密度；ii.大于或等于34mN/m的临界表面张力；iii0.02～5GP的拉伸模量；iv.30℃时拉伸模量与60℃时的拉伸模量比例为1.0～2.5；v.25～80肖氏D硬度；vi.300～6000psi屈服应力(2.1～41.4MP)vii.1000～15,000psi的拉伸强度(7～105MP)；viii.达500％断裂伸长率。在一个优选的实施方案中，抛光层另外包含许多软区和硬区。

本发明的抛光材料并不包括毡类抛光垫，毡类抛光垫是通过将一种聚合物粘合到纤维基材上而做成的。如同budinger等人在美国专利号4.927,432中描述的。

抛光面具有用一种热成型方法制备的结构外形。该结构外形由有利于抛光液流动和有利于平滑和平整的大和小结构所组成。

本发明涉及由新型亲水性抛光材料所组成并且具有新型抛光面的抛光垫。更具体地说，本发明涉及一种改进的用于抛光基材，特别是用于制备半导体装置等的基材，的抛光垫。本发明的组合物和方法也可用于其它行业并可施用于许多工件材料，包括硅，二氧化硅，金属，绝缘材料，陶瓷和玻璃，但不局限于这些。应当指出本申请所用的“抛光”(以及它的任何形式)这术语意指包括“平整”(以及任何相应的形式)。

本发明是新颖的，因为它：1)重视在现有抛光垫中形成表面特征所产生的损坏对精密抛光不利影响；2)重视在抛光垫制造中损坏是如何产生的；3)公开如何制造低损坏度的抛光垫；4)公开如何制造可高度重复的表面特征并由此相对于常用的用切割或切削制备的抛光垫有更高可预测性的垫性能的抛光垫；以及5)公开制造过程中抛光垫中形成表面特征的新方法。至今本发明的这些因素还无一在此领域中受到重视并真正地对精密抛光领域起很大的贡献。

本发明抛光垫包括一种可高度重复和适宜的表面结构，它具有最少的表面损坏如在抛光垫制造中经常产生的凹痕和突起。

抛光垫制造，包括切割或切削，易于产生垫与垫之间不同的损坏。现有的抛光垫制造可包括切割聚合物块的部分以形成抛光垫。当刀片切割块物时，通常会留下方向性的表面损坏，包括抛光垫表面的凹痕和突起。这些损坏一般当刀口钝时垫与垫之间是有变化的。

抛光垫制造中的另一步是抛光面上产生流道或其它结构特征以有利于抛光液的流动。现有的抛光垫一般是在抛光垫中切割或机械加工出这些结构特征的。这也通常易于在抛光垫表面上和切割部分内造成损坏。其它因素，如温度，湿度和线速度的变化，会导致抛光垫表面特征的波动。这些波动引起垫与垫之间性能的差异，使得难以描述最佳的抛光参数。

本发明的抛光垫很少或没有切割、机械加工或类似抛光面的破坏。通常消除了如切削产生的不希望有的方向性花纹。在抛光垫上(或其中)形成表面结构特征或其部分，并且也没有破坏抛光面。这消除了与现有技术相关的缺陷。

根据本发明，在形成抛光垫后加入的表面结构特征至少部分是用热成形法产生的。热成形法是任一种方法，其中加热抛光垫的表面并用一些方法如加压或加力使之永久变形。相对于常用抛光垫，热成形法减少损坏的程度。热变形法也提供比切割或机加工有更高重复性的结构特征，因为热成形模具的表面是一致的。因此，本发明的抛光垫有更高可预测性的性能并且允许最佳抛光参数进行描述。

在一个实施方案中，通过加热抛光面直至它软化，然后使用一模具和加压成型，在抛光垫的表面中形成表面结构特征。这些结构特征优选包括一或多道凹痕，其平均深度和/或宽度大于约0.05mm，优选大于约0.1mm。这些结构特征有利于抛光液的流动，由此增强抛光性能。

在另一个实施方案中，抛光垫挤出成片材。可以通过接合片材的两端将该材料形成抛光带，或者在另一个实施方案中，片材可以切割成任何形状和尺寸的抛光垫。在本发明的另一个实施方案中，采用了加压模制，其中将一种柔性高分子放入模具中。然后聚合物进行加压，这使得聚合物覆盖整个模具，接着固化并从模具中脱离。

在另一个实施方案中，将抛光垫材料挤出到另一种固体或半固体材料上，由此使得挤出的材料在其固化之后下与第二种材料结合。第二种材料可以增强抛光垫，因此固化的挤出材料不一定是自支撑性的，此外，第二种材料可给抛光垫提供结构的整体性，由此改进性能，寿命以及/或者制造中更大的柔性。

在本发明一个优选的实施方案中，用一冷却辊压纹出表面结构特征，采用冷却辊是确保消除或者明显地降低紧接着压纹后的塑性流动。这形成可重复性很高的压纹出的凹痕，一般这减少了通常在用许多常用方法制备抛光垫中发现的抛光垫与抛光垫之间的差异。这种可重复性也是压纹模具表面通常对每块用它来生产的抛光垫保持相同的结果。这转化成可预测性更高的抛光垫性能。性能的可预测性是精密抛光垫一个重要的因素。抛光垫的一致性为更加精确的标准操作过程以及更有生产力的抛光操作创造条件。而且用辊形成表面结构特征使得抛光垫以连续的片材进行制备。

除了传统上在抛光垫中切割或机械加工出表面特征外，为得到最佳的抛光性能，更小的结构特征(小于50μm)是必要的。这些小尺度的结构特征经常在抛光垫第一次使用之前产生的并且在抛光垫使用过程中阶段性加入。这称为“修整”。当修整在使用前进行时称为“预修整”，在使用中则为“重新修整”。在抛光垫使用中小尺度的结构特征可能进行不希望有的塑性流动并且可能被碎片所污染。通过修整，小尺度结构特征重生。令人惊奇的是，已经发现本发明的抛光垫相对于常用的抛光垫一般需要更少的重新修整。这是本发明抛光垫一般要优于常用抛光垫的另一个证据。

本发明的抛光垫可以用磨料进行修整。小尺度的结构特征可以通过对着磨料表面移动抛光面而产生。在一个实施方案中，磨料是一个有许多硬颗粒嵌(和优选地是永久固定)在表面上的旋转结构(磨料可以是圆的，方的，长方形的，椭圆形的或任何几何结构)。对着抛光面硬颗粒的移动使抛光面进行塑性流动，断裂或两种情况(在与颗粒接触点)。磨料面并不一定要对着抛光面转动；磨料面可对着抛光垫以任何一种方式进行运动，包括振动，线性运动，无规转动，滚动等等。

由此引起的塑性流动，断裂或两者(由于磨料面)在抛光垫外表面形成小尺度结构特征。小尺度结构特征可包括凹痕和与至少一侧相邻的突起。在一实施方案中，突起占抛光垫抛光表面的表面积的至少0.1％，而凹痕平均深度小于50μm，更优选小于10μm，突起的平均高度小于50μm，更优选小于10μm。优选用磨料面的这种表面改性将导致抛光面最少量的磨失，而是仅仅在抛光垫中犁出沟纹，没有使大量(如果有)的抛光垫材料从抛光表面中分离出去。但是，虽然不是优选，但是磨失抛光垫材料是可取的，只要产生小尺度的结构特征。

优选进行修整的磨面是一张优选金属并且优选嵌有尺寸为1μm～0.5mm之间金刚石的盘。在修整过程中，修整盘和抛光垫之间的压力优选为0.1～25磅/英寸²。盘的旋转速度优选在1～1000转/分钟范围内。

一优选的修整盘是直径为4英寸，100个金刚石砂粒的盘，如由R.E.Science，Inc.制造的RESI^TM盘。当向下的力为11b每平方英寸，盘速为75转/分钟，扫描面是腹形的，使用前修整扫描的次数为15以及垫片之间重新修整扫描的次数为15时可得到最佳修整。

必要时，可以有一种修整液存在下进行修整，优选含有磨料颗粒的水基流体。

根据本发明，可以在热成形过程中用一种新型的热成形模具产生所有或部分小尺度结构特征。通过由于对抛光垫材料有不同的亲合力使得抛光垫选择性脱离模具，可得到所需的小尺寸结构特征。

按本发明，热成形模具对抛光材料有不同的亲合力。低亲合力部分使得垫的脱离很少或没有破坏表面。其它高亲合力的部分抑制抛光垫从模具中脱离，由此造成在这些区域中塑性流动或表面破坏。这过程产生了理想小尺度的结构特征。不同的亲合力可以用不同的材料，不同的模具涂层或模具的物理结构来得到。

在一实施方案中，热成形模具是由两种或更多种对抛光垫材料具有不同亲合性的材料所组成的。脱模时，与高亲合性区域相邻的抛光垫表面部分被破坏，形成理想的表面结构特征。在另一个实施方案中，给模具表面涂层以产生低亲合性和高亲合性的区域。而在另一个实施方案中，在模具中引入一定形状的突出，它在特定区域抓住抛光垫材料，从而形成小尺度结构特征。在另一个实施方案中，这种抓效应可用突起的材料而非突起的形状来产生。

在抛光垫制造过程形成表面结构特征可以减弱或者甚至抵消进行预修整的必要性。这种形成方法也可产生更易控制以及更好复制的小尺度结构特征，相比于用研磨法的表面改性。

根据本发明，任何预聚物化学都可使用，包括非聚氨酯的聚合物体系，最终产物有以下性能：密度大于0.5g/cm³，更优选大于0.7g/cm³，进一步优选约大于0.9g/cm³；临界表面张力大于或等于34mN/m；拉伸模量为0.2～5GP；30℃时拉伸模量与60℃时拉伸模量的比例在1.0～2.5范围内；硬度为25～80肖氏D；屈服应力为300～6000psi；拉伸强度为500～15,000psi，以及断裂时伸长率达500％。这些性能对许多用于挤出和类似过程中的材料都是可能的，如聚碳酸酯，聚砜，尼龙，乙烯共聚物，聚醚，聚酯，聚醚-聚酯共聚物；丙烯酸聚合物，聚甲基丙烯酸甲酯，聚氯乙烯，聚碳酸酯，聚乙烯共聚物，聚乙烯亚胺，聚氨酯，聚醚酰亚胺，聚酮等等，包括它们的光化学活性的衍生物。

在一个优选的实施方案中，抛光垫材料是足够亲水性以提供临界表面张力大于或等于34毫牛顿/米，更优选大于或等于37毫牛顿/米，最优选大于或等于40毫牛顿/米。临界表面张力通过指出一种液体在那种固体上有并呈现出大于0度接触角的最低表面张力，来定义固体表面的润湿性。因此，临界表面张力高的聚合物更容易湿润，并因此更加亲水。

下面是常见聚合物的临界表面张力：

聚合物            临界表面张力(mN/m)

聚四氟乙烯             19

聚二甲基硅氧烷         24

硅橡胶                 24

聚丁二烯               31

聚乙烯                 31

聚苯乙烯               33

聚丙烯                 34

聚酯                  39-42

聚丙烯酰胺            35-40

聚乙烯醇               37

聚甲基丙烯酸甲酯       39

聚氯乙烯               39

聚砜                   41

尼龙6                  42

聚氨酯                 45

聚碳酸酯               45

在一个实施方案中，抛光垫基材至少选自：

1.丙烯酸酯化聚氨酯；

2.丙烯酸酯类环氧树脂；

3.有一个羧基，苄基或酰胺基官能团的乙烯类不饱和有机化合物；

4.有不饱和侧羰基团的氨基塑料衍生物；

5.至少有一个丙烯酸酯侧基团的异氰脲酸酯；

6.乙烯基醚；

7.聚氨酯；

8.聚丙烯酰胺；

9.乙烯/酯共聚物或其酸衍生物；

10.聚乙烯醇；

11.聚甲基丙烯酸甲酯；

12.聚砜；

13.聚酰胺；

14.聚碳酸酯；

15.聚氯乙烯；

16.环氧树脂；

17.上面的共聚物；或者

18.它们的混合物。

优选的抛光垫材料包括氨酯，碳酸酯，酰胺，砜，氯乙烯，丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，乙烯醇，酯或丙烯酰胺结构部分。抛光垫材料可以有孔或无孔的。在一个实施方案中，基体是无孔的；在另一个实施方案中，基体是无孔并且没有纤维增强。抛光垫材料也可含有磨料。

在一个优选的实施方案中，抛光材料包括：

1.许多在抛光过程中耐塑性流动的硬区；和

2.许多在抛光过程中耐塑性流动较差的硬度较低的区域。混合这两种性能具有双重机理，这已经被发现特别适宜抛光二氧化硅，介电材料和金属。

硬相任何方向的尺寸(高，宽，长)优选小于100μm，更优选小于5μm，进一步优选小于25μm以及最优选小于10μm。类似地非硬相也优选小于100μm，更优选小于50μm，进一步优选小于25μm，最优选小于10μm。优选两相材料包括具有软段(将产生非硬相)和硬段(将产生硬相)的聚氨酯聚合物，由于两段(硬和软)聚合物之间的非相容性，当形成材料时通过相分离产生两区域结构。

其它有硬软段的聚合物也可以是适合的，包括乙烯共聚物，共聚酯，嵌段共聚物，聚砜共聚物和丙烯酸共聚物。抛光垫材料中硬和软区同样也通过以下产生：1.沿着聚合物骨架的硬和软段；2.抛光垫材料中的结晶和非晶区；3.混合硬聚合物和软聚合物；或4.用一种有机或无机填料混合聚合物。

本发明抛光材料并不包括将聚合物结合在纤维基材上所形成的毡类抛光垫，如在Budinger等的美国专利号4,927,432中描述的。

本发明的抛光垫优选结合抛光液(它可能含有研磨颗粒)使用。在抛光中，抛光液放在抛光垫抛光面和进行抛光工件之间。当抛光垫和基体的相对位置发生变化，表面结构特征改善了抛光液沿抛光垫和进行抛光基体间的界面的流动，并且有利平滑和平整。抛光液流动的改善和抛光垫与工件之间的相互作用一般产生更加有效的抛光性能。

在使用中，优选本发明抛光垫与一盘片相结合，然后使之与进行抛光工件充分接近。表面不平整从工件中被消除。消除速率取决于许多参数。包括：工件表面上(或相反)的抛光压力；抛光垫和工件相互之间移动的速率；以及抛光液的组分。通常，工件和抛光垫表面之间的压力大于0.1kg/m²。

抛光液优选是水基的，并且可以要求或不要求有研磨颗粒的存在，这取决于抛光垫材料的组成。例如，包括研磨颗粒的材料不要求在抛光液中有研磨颗粒。

以下实例显示抛光垫的使用，其中抛光垫表面是经压纹的。实施例1

此实例说明低硬度压纹抛光垫在抛光软金属如铝的用途。

硬度为85肖氏A的热塑性聚氨酯(J.P.Stevens的MP-1880)在一温度下挤出成一25密耳的片材。随后这片材用六边形图案在高温下进行压纹，使得片材的表面由许多突起的六边形区组成。为了有利于浆液在表面流动，每个六边形区也含有精细沟纹。六边形区横宽5mm并有0.5mm的沟道的隔开。

聚氨酯的压纹片材层合到压敏胶上并且切割成圆形，由此使之能用作抛光垫。所得的抛光垫在Westech372U抛光机上用于抛光铝CMP。使用典型的抛光条件：向下的力，载体和盘速，铝和氧化物的除去速率为2280和70A/min，得到Al∶O_x选择性为32∶1。实施例2

此实例说明高硬度压纹抛光垫在抛光内层为氧化物介电材料中的用途。

硬度为70肖氏D的热塑性聚氨酯(Miles Inc.的Texin470D)在一温度下挤出一50密耳的片材。随后这片材在高温下用在实例1中所描述的类似图案进行压纹。

聚氨酯压纹片材层合到压敏胶上并切割成圆形，由此使之能用作抛光垫。所得的抛光垫结合ILD1300浆液(由Rode Inc，制造)在Westech372U抛光机上抛光热氧化物CMP。使用典型的抛光条件：向下的力，载体和盘速，氧化物的除去速率大于2000A/min，圆片横向的不均匀性小于10％。

前面的叙述和实例并不是以某种方式加以限制。本发明的范围仅决定于权利要求书。

Claims (18)

1.一种抛光垫，它包括一种有以下性质的亲水材料：

i.密度大于0.5g/cm³

ii.临界表面张力大于或等于34mN/m；

iii.拉伸模量为0.02～5GP；

iv.30℃拉伸模量与60℃拉伸模量的比例为1.0～2.5；

v.硬度为25～80肖氏D；

vi.屈服应力为300～6000psi；

vii.拉伸强度为1000～15,000psi；以及

viii.断袭伸长率小于或等于500％，

该种亲水性材料至少包括一种选自以下基团的结构部分：1.氨酯；2.碳酸酯；3.酰胺；4.酯；5.醚；6.丙烯酸酯；7.甲基丙烯酸；8.丙烯酸；9.甲基丙烯酸；10.砜；11.丙烯酰胺；12.卤素；以及13.氢氧化物，该种亲水性材料有一抛光面，该表面有许多用热成形法形成的结构特征，该结构特征至少有大于0.1毫米的尺寸，以有利于抛光液的流动，并且有利于半导体装置或半导体装置前体的化学-机械抛光。

2.权利要求1的抛光垫，其中该亲水性材料此外包括许多软区和许多硬区，该硬区和该软区平均尺寸小于100μm。

3.权利要求2的抛光垫，其中该硬区和该软区是当形成亲水性材料时通过相分离所产生的，该亲水性材料包括一种有许多硬段和许多软段的聚合物。

4.权利要求1的抛光垫，其中该亲水性材料基本上是由一种两相聚氨酯所组成。

5.权利要求1的抛光垫，其中该亲水性材料还包括一种研磨颗粒。

6.权利要求1的抛光垫，其中该亲水性材料基本上由一种选自以下的材料所构成：聚甲基丙烯酸甲酯，聚氯乙烯，聚砜，尼龙，聚碳酸酯，聚氨酯，乙烯共聚物，聚醚酰亚胺，聚乙烯亚胺，聚酮和它们的混合物。

7.权利要求1的抛光垫，它是用挤出过程以片材形式形成的。

8.权利要求7的抛光垫，其中该片材有始边和终边，两边结合形成一连续带。

9.权利要求7的抛光垫，其中该片材切割成任何尺寸或形状的抛光垫。

10.权利要求1的抛光垫，它是用加压模制形成的。

11.权利要求1的抛光垫，其中热成形是一个压纹的过程。

12.权利要求11的抛光垫，其中加热软化表面用一个压纹辊加压压纹出结构特征，冷却到一定温度使抛光材料保持压纹的图案。

13.权利要求1的抛光垫，其中热成形模具用于产生结构特征，该结构包括小尺度的结构特征，其高度，宽度或深度不大于25μ，热成形模具对抛光垫材料有低亲合性的部分，和对抛光垫材料有高亲合性的部分，由此能够选择性脱离部分抛光垫以产生所有或部分小尺度结构特征。

14.权利要求1的抛光垫，其中热成形模具用于产生结构特征，该结构包括小尺度结构特征，其高度，宽度或深度不大于25μ，热成形模具有一定形状的突起物，当它被抛光垫材料所包绕时会抑制材料的脱离，由此能够选择性脱离抛光垫一部分以产生所有或部分小尺度结构特征。

15.权利要求1的抛光垫，其中热成形模具用于产生结构特征，该结构包括小尺度结构特征，其高度、宽度或深度不大于25μ，热成形模具具有突起物，突起物是由一种对抛光垫材料有更大亲合性的材料所组成，由此能够选择性脱离部分抛光垫以产生所有或部分小尺度结构特征。

16.一种半导体装置或半导体设备前体化学-机械抛光的方法，包括：

A.提供一种包括有以下性质亲水性材料的抛光垫：

i.密度不大于0.5g/cm³；

ii.临界表面张力大于或等于34mN/m；

iii.拉伸模量为0.02～5GP；

iv.30℃拉伸模量与60℃拉伸模量的比例为1.0～2.5；

v.硬度为25～80肖氏D；

vi.屈服应力为300～600psi；

vii.拉伸强度为1000～15,000psi；以及

viii.断裂时伸长率小于或等于500％，

该亲水性材料至少包括选自以下的结构部分：1.氨酯；2.碳酸酯；3.酰胺；4.酯；5.醚；6丙烯酸酯；7.甲基丙烯酸酯；8.丙烯酸；9.甲基丙烯酸；10.砜；11.丙烯酰胺；12.卤素；13.氢氧化物，和还包括一抛光表面，该表面有用热变形法产生的结构特征，该结构特征有利于工件的抛光；

B.将工件置于抛光垫的近处；

C.在工件和抛光垫之间引入抛光液；

D.工件和抛光垫之间产生相对运动。

17.一种抛光基体的方法；包括；

A.在本身不能吸收或传质抛光液的亲水性抛光面上产生小尺度结构特征，该小尺度结构特征是用热成形形成的。

B.用该抛光面抛光工件，工件和抛光面之间的使用压力大于0.1kg/m²。

18.根据权利要求17的方法，另外包括：

在工件抛光过程中通过对着抛光面并相对地移动研磨介质阶段性地进行重生小尺度结构特征。