TWI396603B - 具多孔元件之研磨墊及其製造及使用方法 - Google Patents

具多孔元件之研磨墊及其製造及使用方法 Download PDF

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Description

具多孔元件之研磨墊及其製造及使用方法
本發明係關於具有多孔研磨元件之研磨墊，且係關於製造此等研磨墊並在一研磨過程中(例如，在一化學機械平坦化過程中)使用其之方法。
在半導體器件及積體電路之製造期間，矽晶圓透過一系列沈積及蝕刻步驟反覆處理以形成上覆材料層及器件結構。可使用稱為化學機械平坦化(CMP)之一研磨技術來移除在該等沈積及蝕刻步驟後剩餘之表面不規則物(諸如凸塊、不均勻小丘區、槽及溝)，其目的係獲得無劃痕或坑(稱為凹陷)之一平滑晶圓表面，其中跨越晶圓表面具有高度均勻度。
在一典型CMP研磨過程中，在存在通常係在水及/或一蝕刻化學品中之磨料粒子之一漿液之一工作液體之情形下將諸如一晶圓之一基板壓在一研磨墊上且相對於其相對移動。已於(例如)美國專利第5,257,478號、第5,921,855號、第6,126,532號、第6,899,598 B2號及第7,267,610號中揭示了各種供與磨料漿液一起使用之CMP研磨墊。如美國專利第6,908,366 B2號所例示，亦已知固定磨料研磨墊，其中磨料粒子一般而言通常以自墊表面延伸之經精準成形之磨料複合材料之形式固定至墊表面。近年來，在WO/2006057714中闡述具有自一壓縮底層延伸之大量研磨元件之一研磨墊。儘管已知且使用了各種各樣的研磨墊，但本技術繼續尋找用於CMP之新穎且經改良之研磨墊，尤其在其中正使用較大晶粒直徑或其中需要較高位準之晶圓表面扁平度及研磨均勻度之CMP過程中。
在一個實例性實施例中，本發明闡述一種研磨墊，其包含複數個研磨元件，該等研磨元件中之每一者黏附至一支撐層以限制該等研磨元件相對於該等其他研磨元件中之一者或多者之橫向移動，但保持可在法向於該等研磨元件之一研磨表面之一軸上移動，其中該等多孔研磨元件之至少一部分包含多孔研磨元件，且其中每一多孔研磨元件之至少一表面包含複數個孔。
在某些實施例中，該等孔可大致分佈於該整個多孔研磨元件上。在其他實例性實施例中，該等孔可大致分佈於該元件之研磨表面處。在某些特定實例性實施例中，大致分佈於該元件之研磨表面處之該等孔包含具有選自由以下組成之群組之一橫截面形狀之複數個通道：圓柱形、三角形、矩形、梯形、半球形及其組合。
在另一實例性實施例中，本發明闡述一種研磨墊，其包含：一支撐層，其具有一第一主側及與該第一主側相對之一第二主側；複數個研磨元件，其等黏附至該支撐層之該第一主側；及一導向板，其具有一第一主表面及與該第一主表面相對之一第二主表面，該導向板經定位以在該第一主表面遠離該支撐層之情形下將該複數個研磨元件佈置於該第一主側上，其中該等研磨元件沿大致法向於該第一主側之一第一方向自該導向板之該第一主表面延伸，其中該等研磨元件之至少一部分包含多孔研磨元件，且其中每一多孔研磨元件之至少一部分包含複數個孔。
在某些實例性實施例中，該等孔可大致分佈於該整個多孔研磨元件上。在其他實例性實施例中，該等孔可大致分佈於該等元件之研磨表面處。在某些特定實例性實施例中，大致分佈於該元件之研磨表面處之該等孔包含具有選自由以下組成之群組之一橫截面形狀之複數個通道：圓柱形、三角形、矩形、梯形、半球形及其組合。
在一額外實例性實施例中，本發明係針對一種在一研磨過程中使用如上文所述之一研磨墊之方法，該方法包含使一基板之一表面與包含複數個研磨元件(至少某些該等研磨元件係多孔)之一研磨墊之一研磨表面接觸，及使該研磨墊相對於該基板相對移動以磨蝕該基板之該表面。在某些實例性實施例中，可向該研磨墊表面與該基板表面之間之一介面提供一工作液體。
在一進一步實例性實施例中，提供一種製造一研磨墊之方法，該方法包含形成複數個多孔研磨元件，且將該等多孔研磨元件黏附至一支撐層。在某些實施例中，該方法包括藉由以下步驟形成該等多孔研磨元件：注射模製一氣體飽和聚合物熔體、注射模製在反應時放出一氣體以形成一聚合物之一反應混合物、注射模製包含溶解於一超臨界氣體中之一聚合物之一混合物、注射模製在一溶劑中不相容之聚合物之一混合物、注射模製分佈於一熱塑性聚合物中之多孔熱固微粒及其組合。
具有根據本發明之多孔研磨元件之研磨墊之實例性實施例具有能夠使其用於多種研磨應用之各種特徵及特性。在某些當前較佳實施例中，本發明之研磨墊可尤其適於用於製造積體電路及半導體器件中之晶圓之化學機械平坦化(CMP)。在某些實例性實施例中，此發明中所述之研磨墊可提供某些或所有以下優點。
舉例而言，在某些實例性實施例中，根據本發明之一研磨墊可用於將在CMP過程中所使用之一工作液體更好地保留於該墊之研磨表面與正研磨之基板表面之間的介面處，藉此改良該工作液體在增強研磨中之效率。在其他實例性實施中，根據本發明之一研磨墊可減少或消除晶圓表面在研磨期間之凹陷及/或邊緣腐蝕。在某些實例性實施例中，在一CMP過程中使用根據本發明之一研磨墊可導致經改良之晶圓內研磨均勻度、一較扁平之經研磨晶圓表面、自晶圓之一邊緣晶粒良率增加及經改良之CMP過程適用範圍及一致性。
在進一步實例性實施例中，使用具有根據本發明之多孔元件之一研磨墊可准許處理較大直徑晶圓同時維持所需表面均勻度程度以獲得高晶片良率，在需要調節墊表面以維持晶圓表面之研磨均勻度之前處理更多晶圓或減少處理時間及墊調節器之磨損。在某些實施例中，具有多孔研磨元件之CMP墊亦可提供具有諸如凹槽之表面紋理之習用CMP墊之益處及優點，但可以一較低成本更可再生產地製造。
已概述本發明之實例性實施例之各種態樣及優點。以上發明內容並不意欲闡述本發明之當前某些實例性實施例之每一所圖解說明實施例或每一實施方案。以下圖式及實施方式更特定地例示使用本文中所揭示原理之某些較佳實施例。
在用於晶圓研磨之一典型CMP漿液過程中，將擁有一特性形貌之晶圓放置成與一研磨墊及含有一磨料及一研磨化學品之一研磨溶液接觸。若該研磨墊係柔順研磨墊，則可發生凹陷及腐蝕現象，乃因軟墊以與凸起區相同之速率研磨晶圓上之低區。若該研磨墊係剛性研磨墊，則可極大地減少凹陷及腐蝕；然而，儘管剛性研磨墊可有利地產生良好晶粒內平坦化均勻度，但其亦不利地產生不良晶圓內均勻度，此乃因發生於晶圓週邊上之一回彈效應。此回彈效應導致不良邊緣良率及一狹窄CMP研磨過程窗口。另外，可難以開發具有一剛性研磨墊之一穩定研磨過程，乃因此等墊對不同的晶圓形貌敏感，且完全依賴於一墊調節器之使用以形成保存研磨溶液且與晶圓介接之一最佳研磨紋理。
本發明係針對具有多孔研磨元件之經改良之研磨墊，在各種實施例中，其組合柔順及剛性研磨墊兩者之某些有利特性，同時消除或減少相應墊之某些不利特性。現將特定地參照圖式來闡述本發明之各種實例性實施例。可在不背離本發明之精神及範疇之情形下對本發明之實例性實施例採取各種修整及變更。因此，將理解，本發明之該等實施例並不限於下文所述之實例性實施例，但將由申請專利範圍及其任何等效內容中所闡明之限制加以控制。
參照圖1，其顯示一研磨墊2之一實例性實施例，其包含複數個研磨元件4，研磨元件4中之每一者黏附至一支撐層10以限制研磨元件4相對於其他研磨元件4中之一者或多者之橫向運動，但保持可在法向於每一研磨元件4之一研磨表面14之軸上移動。研磨元件4之至少一部分係多孔，其中研磨元件4之至少一表面(在此情形下至少研磨表面14)包含複數個孔(未顯示於圖1中)。在圖1所圖解說明之特定實施例中，多孔研磨元件4中之每一者亦顯示為具有大致分佈於整個研磨元件4上之複數個孔15。在其他實例性實施例中(未顯示於圖1中，但由圖3至4圖解說明)，該等孔大致分佈於研磨元件4之研磨表面14處或僅接近研磨元件4之研磨表面14。
另外，在圖1所圖解說明之特定實施例中，顯示三個研磨元件4，且所有研磨元件4顯示為包括一多孔研磨表面14及大致分佈於整個研磨元件4上之若干孔15兩者之多孔研磨元件。然而，將理解，可使用任一數目之研磨元件4，且該等多孔研磨元件之數目可選擇為少至一個研磨元件，多至所有該等研磨元件或其間之任一數目。
此外，將理解，研磨墊2無需僅包含大致相同研磨元件4。因此，例如，多孔研磨元件及非多孔研磨元件之任一組合或佈置可構成複數個多孔研磨元件4。另外，亦可係有利地製作如下研磨墊2，其具有具有大致分佈於整個研磨元件4上之孔之研磨元件4、具有大致分佈於研磨元件4之研磨表面14處或僅接近研磨元件4之研磨表面14之孔之研磨元件4及大致不具有孔之研磨元件4之組合或佈置。
在圖1所圖解說明之特定實施例中，顯示研磨元件4例如藉由直接結合至該支撐層或使用一黏合劑而黏附至支撐層10之一第一主側。圖1另外顯示一可選研磨組合物分佈層8，其亦可用作該等研磨元件之一導向板。在一研磨過程期間，可選研磨組合物分佈層8幫助將工作液體及/或研磨漿液至個別研磨元件4之分佈。
當用作一導向板時，研磨組合物分佈層8(導向板)可定位於支撐層10之第一主側上以促進複數個研磨件4之佈置，以使得研磨組合物分佈層8(導向板)之一第一主表面遠離支撐層10，且研磨組合物分佈層8(導向板)之一第二主表面與研磨組合物分佈層8之該第一主表面相對。
該等研磨元件沿大致法向於支撐層10之第一主側之一第一方向自研磨組合物分佈層8(導向板)之第一主表面延伸。若研磨組合物分佈層8亦用作一導向板，則較佳提供延伸穿過研磨組合物分佈層8(導向板)之複數個孔口6。每一研磨元件4之一部分延伸至一對應孔口6中。因此，複數個孔6用於引導研磨元件4於支撐層10上之佈置。
在由圖1所圖解說明之特定實施例中，顯示一可選壓敏黏合層12毗鄰於支撐層10、與研磨組合物分佈層8相對，該可選壓敏黏合層可用於將研磨墊2緊固至一CMP研磨裝置(未顯示於圖1中)之一研磨滾筒(未顯示於圖1中)。
參照圖2，其顯示一研磨墊2'之另一實例性實施例，研磨墊2'包含：一支撐層30，其具有一第一主側及與該第一主側相對之一第二主側；複數個研磨元件24，每一研磨元件24具有一安裝凸緣25以將每一研磨元件黏附至支撐層30之第一主側；及一導向板31，其具有一第一主表面及與該第一主表面相對之一第二主表面，導向板31經定位以在導向板31之第一主表面遠離支撐層30之情形下將複數個研磨元件24佈置於支撐層30之第一主側上。
如圖2所圖解說明，每一研磨元件24沿大致法向於第一主側之一第一方向自導向板31之第一主表面延伸。研磨元件24之至少一部分包含多孔研磨元件，且每一多孔研磨元件之至少一部分(在此情形下，研磨表面23)包含複數個孔(未顯示於圖2)。在圖2所圖解說明之特定實施例中，多孔研磨元件24中之每一者亦顯示為具有大致分佈於整個研磨元件24上之複數個孔15。在其他實例性實施例中(未顯示於圖2中，但顯示於圖4A至4C中)，孔15大致分佈於研磨元件24之研磨表面23處或僅接近研磨元件24之研磨表面23。
另外，在圖2所圖解說明之特定實施例中，顯示三個研磨元件24，且所有研磨元件24顯示為包括一多孔研磨表面14及大致分佈於整個所有研磨元件24上之若干孔15兩者之多孔研磨元件。然而，將理解，可使用任一數目之研磨元件24，且該等多孔研磨元件之數目可選擇為少至一個研磨元件，多至所有該等研磨元件或其間之任一數目。
此外，將理解，研磨墊2'無須僅包含大致相同研磨元件24。因此，例如，多孔研磨元件及非多孔研磨元件之任一組合或佈置可構成複數個多孔研磨元件24。另外，亦可係有利地製作如下研磨墊2'，其具有具有大致分佈於整個研磨元件24上之孔之研磨元件24、具有大致分佈於研磨元件24之研磨表面23處或僅接近研磨元件24之研磨表面23之孔之研磨元件24及大致不具有孔之研磨元件24之組合或佈置。
圖2另外圖解說明一可選研磨組合物分佈層28。在一研磨過程期間，可選研磨組合物分佈層28幫助工作液體及/或研磨漿液至個別研磨元件24之分佈。如圖2所圖解說明，亦可提供延伸穿過至少導向板31及可選研磨組合物分佈層28之複數個孔口26。
如圖2所圖解說明，在某些實施例中，每一研磨元件24具有一安裝凸緣25，且每一研磨元件24藉由將對應凸緣25咬合至支撐層31之第二主表面而黏附至支撐層30之第一主側。每一研磨元件24之至少一部分延伸至一對應孔口26中，且每一研磨元件24亦通過對應孔口26且自導向板31之第一主表面向外延伸。因此，導向板31之複數個孔口26用於引導研磨元件24於支撐層30上之橫向佈置，同時亦與每一凸緣25咬合以將每一對應研磨元件24黏附至支撐層30。
因此，在一研磨過程期間，研磨元件24免於獨立地經受在大致法向於支撐層30之第一主側之一方向上之位移，同時仍藉助導向板31保持黏附至支撐層30。在某些實施例中，此可准許非柔順研磨元件，例如具有大致分佈於研磨表面處或僅接近研磨表面之孔之多孔研磨元件。此等多孔研磨元件可用作展示一柔順研磨墊之某些有利特性之柔順研磨元件。
在圖2所圖解說明之特定實施例中，研磨元件24另外使用一黏合劑(定位於支撐層30與導向板31之間之一介面處之一可選黏合層34)黏附至支撐層30之一第一主側。然而，可使用其他結合方法，包括使用(例如)熱及壓力將研磨元件24直接結合至支撐層30。此等研磨元件可用作展示一非柔順研磨墊之某些有利特性之非柔順研磨元件。
在圖2中未圖解說明之一相關實例性實施例中，複數個孔口可佈置為一孔口陣列，其中孔口26之至少一部分包含一主膛孔及導向板31之一底切區域，且該底切區域形成與對應研磨元件凸緣25咬合之一凸肩，藉此在研磨元件24與支撐層30之間不需要一黏合劑之情形下保留研磨元件24。
此外，如圖2所圖解說明，可使用一可選黏合層36將可選研磨組合物分佈層28黏附至導向板31之一第一主表面。另外，在圖2所圖解說明之特定實施例中，顯示一可選壓敏黏合層32毗鄰於支撐層30、與導向板31相對，該可選壓敏黏合層可用於將研磨墊2'緊固至一CMP研磨裝置(未顯示於圖2中)之一研磨滾筒(未顯示於圖2中)。
參照圖3A至3B，研磨元件4之橫截面形狀(在大體平行於研磨表面14之一方向上穿過一研磨元件4截取)可端視指定應用廣泛地變化。儘管圖3A顯示具有如圖3B所圖解說明之一大體圓形橫截面之一大體圓柱形研磨元件4(其顯示一研磨元件4之研磨表面14)，但在某些實施例中，其他橫截面形狀可行且可頗理想。舉例而言，可使用圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形及梯形橫截面形狀。
對於具有如圖3A及3B中所示之一圓形橫截面之圓柱形研磨元件4而言，研磨元件4在大體平行於研磨表面14之一方向上之橫截面直徑可係自約50μm至約20mm，在某些實施例中，該橫截面直徑係自約1mm至約15mm，且在其他實施例中，該橫截面直徑係自約5mm至約15mm(或甚至約5mm至約10mm)。對於具有一非圓形橫截面之非圓柱形研磨元件而言，可使用一特性尺寸在一指定高度、寬度及長度上表徵研磨元件大小。在某些實例性實施例中，該特性尺寸可選擇為係自約0.1mm至約30mm。
在其他實例性實施例中，每一研磨元件4在大體平行於研磨表面14之一方向上之橫截面面積可係自約1mm2 至約1,000mm2 ，在其他實施例中自約10mm2 至約500mm2 ，且在再其他實施例中，自約20mm2 至約250mm2 。
視指定應用，研磨元件(圖1中4，圖2中24)可以各種各樣的圖案分佈於支撐層(圖1中10，圖2中30)之一主側上，且該等圖案可係規則或不規則圖案。該等研磨元件可駐留於支撐層之大致整個表面上或支撐層可存在不包括研磨元件之區域。在某些實施例中，該等研磨元件具有自約支撐層之主表面之總面積之30%至約80%之一支撐層平均表面覆蓋率，如由研磨元件之數目、每一研磨元件之橫截面面積及研磨墊之橫截面面積所確定。
在某些實例性實施例中，研磨墊在大體平行於該研磨墊之一主表面之一方向上之橫截面面積介於自約100cm2 至約300,000cm2 之間；在其他實施例中，介於自約1,000cm2 至約100,000cm2 之間；且在再其他實施例中，介於自約2,000cm2 至約50,000cm2 之間。在某些實例性實施中，在研磨墊(圖1中2，圖2中2')第一次用於一研磨作業中之前，每一研磨元件(圖1中4，圖2中24)沿大致法向於支撐層(圖1中10，圖2中30)之第一主側之第一方向延伸。在其他實例性實施例中，每一研磨元件在包括導向板(圖2中31)之一平面上方至少約0.25mm處沿該第一方向延伸。在進一步實例性實施例中，每一研磨元件在包括支撐層(圖1中10，圖2中30)之一平面上方至少約0.25mm處沿該第一方向延伸。在額外實例性實施例中，端視所使用之研磨組合物及為該等研磨元件選擇之材料，研磨元件(圖1中2，圖2中2')之基底或底部上方之研磨元件表面(圖1中14，圖2中23)之高度可係0.25mm、0.5mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、5.0mm、10mm或更多。
再次參照圖1至2，整個研磨組合物分佈層(圖1中8、圖2中28)及導向板31之孔口(圖1中6，圖2中26)之深度及間隔可針對一具體CMP過程視需要變化。研磨元件(圖1中4，圖2中24)相對彼此及研磨組合物分佈層(圖1中8，圖2中28)及導向板31各自維持在平坦定向上，並在研磨組合物分佈層(圖1中8，圖2中28)及導向板31之表面上方凸出。
在某些實例性實施例中，因研磨元件(圖1中4，圖2中24)在導向板31及任一研磨組合物分佈層(圖1中8，圖2中28)上方延伸所形成之容積可為一研磨組合物於研磨組合物分佈層(圖1中8，圖2中28)之表面上之分佈提供空間。研磨元件(圖1中4，圖2中24)在研磨組合物分佈層(圖1中8，圖2中28)上方突出一量，該突出量至少部分地依賴於研磨元件之材料特性及研磨組合物(工作液體及或磨料漿液)在研磨組合物分佈層(圖1中8，圖2中28)之表面上方之所期望流動。
如圖1至2所圖解說明，研磨元件4(或帶凸緣研磨元件24)之至少一部分係多孔研磨元件，其在某些實施例中至少具有一多孔研磨表面(圖1中14，圖2中23)，該多孔研磨表面可與欲研磨之一基板(未顯示於圖1中)進行滑動或旋轉接觸。在其他實施例中，該等多孔研磨元件可不具有一多孔研磨表面，但可具有大致分佈於整個多孔元件上之若干孔。此等多孔研磨元件可用作展示一柔順研磨墊之某些有利特性之柔順研磨元件。
在某些特定實例性實施例中，研磨元件4中之一者或多者可包含以一多孔發泡體形式大致分佈於整個研磨元件4上之複數個孔15。該發泡體可係一閉孔發泡體或一開孔發泡體。在某些實施例中，閉孔發泡體可係較佳。較佳地，呈發泡體形式之複數個孔15展示一單峰孔大小(例如，孔直徑)分佈。在某些實例性實施中，該複數個孔展示自約1奈米至約100μm之一平均孔大小。在其他實例性實施例中，該複數個孔展示自約1μm至約50μm之一平均孔大小。
現參照圖3A至3C及4A至4C，研磨元件4(圖3A至3B)或帶凸緣研磨元件24(圖4A至4C)之研磨表面14(圖3A至3B)或23(圖4A至4C)可係一大致扁平表面，或可經紋理化。在某些當前較佳實施例中，使每一多孔研磨元件之至少研磨表面多孔，例如具有微觀表面開口或孔15，該等微觀表面開口或孔可採取出孔、通路、凹槽、通道及類似物。位於研磨表面處之此等孔15可用於促進於一基板(未顯示)與對應多孔研磨元件之間之介面處分佈並維持一研磨組合物(例如，未顯示於該等圖中之一工作液體及/或磨料研磨漿液)。
在圖3A至3C所圖解說明之某些實例性實施例中，研磨表面14包含係大體圓柱形毛細管之孔15。如圖3C中所示，孔15可自研磨表面14延伸至研磨元件4中。在一相關實施例中，該研磨表面包含係大體圓柱形毛細管之孔15，其自研磨表面23延伸至帶凸緣研磨元件24中。該等孔無須係圓柱形，且其他孔幾何形狀可行，例如圓錐形、矩形、金字塔形及類似形狀。一般而言，該等孔之特性尺寸可指定為一深度連同一寬度、長度或直徑。特性孔尺寸深度可介於自約25微米(μm)至約6,500μm之間、寬度介於約5μm至約500μm之間、長度介於約10μm至約1,000μm之間且直徑介於約5μm至約1,000μm之間。
在圖4B所圖解說明之其他實例性實施中，研磨表面23包含呈複數個通道27形式之孔，其中每一通道27較佳在大體平行於研磨表面23之一方向上跨越一對應研磨元件24之研磨表面23之至少一部分延伸。較佳地，每一通道27在大體平行於研磨表面23之一方向上跨越一對應研磨元件24之整個研磨表面23延伸。在圖4C所圖解說明之其他實例性實施例中，該等孔可採取二維通道27陣列之形式，其中每一通道27僅跨越研磨表面23之一部分延伸。
在進一步實例性實施例中，通道27實質上可具有任何形狀，例如，圓柱形、三角形、矩形、梯形、半球形及其組合。在某些實例性實施例中，每一通道27在大致法向於研磨元件24之研磨表面23之方向上之深度選擇為自約100μm至約7500μm。在其他實例性實施例中，每一通道27在大致平行於研磨元件24之研磨表面23之方向上之橫截面面積選擇為自約75平方微米(μm2 )至約3×106 μm2 。
在進一步實例性實施例中，支撐層包含一撓性且柔順材料，諸如一柔順橡膠或聚合物。該支撐層可係不可壓縮(諸如一剛性框或一外殼)，但較佳可壓縮以提供指向研磨表面之一正壓力。在某些實例性實施例中，該支撐層較佳係由一可壓縮聚合物材料(經發泡聚合物較佳)及經發泡聚合物材料製成。閉孔發泡體可係較佳。在某些實例性實施例中，研磨元件(其等之至少一部分包含多孔研磨元件)可藉助該支撐層形成為黏附至該支撐層之一整體研磨元件薄片，該支撐層可係一多孔支撐層。
在某些實例性實施例中，支撐層包含選自聚矽氧、天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、聚胺基甲酸酯及其組合之一聚合物材料。該支撐層可進一步包含各種各樣的額外材料，諸如填料、微粒、纖維、增強劑及類似材料。該支撐層較佳係液體不可滲透(儘管可滲透材料可與一可選障壁組合使用以防止或抑制液體滲透至該支撐層中)。
已發現聚氨基甲酸酯係尤其有用的支撐層材料。適當之聚氨基甲酸酯包括(例如)：可自CT、Rogers之Rogers Corp.以商品名PORON購得之彼等聚氨基甲酸酯以及可自MI、Midland之Dow Chemical以商品名PELLETHANE購得之彼等聚氨基甲酸酯(尤其PELLETHANE 2102-65D)。其他適當之材料包括聚對苯二甲酸乙二酯(PET)(諸如，例如可以商品名MYLAR廣泛購得之雙軸定向PET)以及可自CA、Santa Ana之Rubberite Cypress Sponge Rubber Products,Inc.以商品名BONDTEX購得之結合橡膠薄片。
研磨元件可包含各種各樣的材料，其中聚合物材料較佳。>適當之聚合物材料包括(例如)：聚氨基甲酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇聚酯、聚碳酸酯及可以商品名DELRIN購得(自DE、Wilmington之E.I. DuPont de Nemours,Inc.購得)之縮醛。在某些實例性實施中，至少某些研磨元件包含一熱塑性聚胺基甲酸酯、一聚丙烯酸酯、聚乙烯醇或其組合。
研磨元件亦可包含一加強聚合物或其他複合材料，包括(例如)：金屬微粒、陶瓷微粒、聚合物微粒、纖維、其組合及類似材料。在某些實施例中，可藉由於研磨元件中包括諸如碳、石墨、金屬或其組合等填料來使其導電及/或導熱。在其他實施例中，可在存在或不在上述導電及/或導熱填料之情形下使用導電聚合物，諸如(例如)以商品名ORMECOM出售之聚苯胺(PANI)(可自Germany、Ammersbek之Ormecon Chemie購得)。
導向板可係由各種各樣的材料製成，諸如聚合物、共聚物、聚合物摻合物、聚合物複合材料或其組合。一般而言，一不導電及液體不可滲透聚合物材料較佳，且已發現聚碳酸酯尤其有用。
可選研磨組合物分佈層亦可係由各種各樣的聚合物材料製成。在某些實施例中，該研磨組合物分佈層可包含至少一種親水聚合物。較佳親水聚合物包括聚胺基甲酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚甲醛及其組合。聚合物材料較佳多孔，更佳包含一發泡體以在研磨作業期間當壓縮研磨組合物分佈層時提供指向基板之一正壓力。
在某些實施例中，具有開孔或閉孔之多孔或經發泡材料可係較佳。在某些特定實施例中，研磨組合物分佈層之孔隙率係在約10%與約90%之間。在一替代實施例中，研磨組合物層可較佳在約5%至約60%之一重量範圍中包含一水凝膠材料(諸如，例如一可吸收水之親水胺基甲酸酯)以在研磨作業期間提供一光滑表面。
在某些實例性實施例中，研磨組合物分佈層可跨越正經歷研磨之基板之表面大致均勻地分佈一研磨組合物，此可提供更均勻研磨。研磨組合物分佈層可視情形包括阻流元件(諸如，擋板、凹槽(未顯示於該等圖中)、孔及類似物)以在研磨期間調節研磨組合物之流動速率。在進一步實例性實施例中，研磨組合物分佈層可包括各種不同材料層以在自研磨表面之不同深度處達成所期望之研磨組合物流動速率。
在某些實例性實施例(例如，參見圖6B)中，研磨元件中之一者或多者可包括界定於研磨元件內之一開放核心區域或腔，儘管無需此一佈置。在某些實施例中，如WO/2006/055720中所闡述，研磨元件之核心可包括感測器以偵測壓力、傳導性、電容、渦流電流及類似物。在再一實施例中，研磨墊可包括在法向於研磨表面之方向上延伸透過該墊之一窗口，或可使用透明層及/或透明研磨元件以允許一研磨過程之光學端點檢測，如於2008年5月15日申請之題為「POLISHING PAD WITH ENDPOINT WINDOW AND SYSTEMS AND METHOD OF USING THE SAME」之共同待決美國臨時專利申請案第61/053,429號中所述。
如上文所使用之術語「透明層」係意欲包括包含一透明區域之一層，該透明區域可係由與該層之剩餘部分相同或不同之一材料製成。在某些實例性實施例中，元件、層或區域可係透明或可藉由向材料施加熱及/或壓力而使其透明，或可將一透明材料鑄入一適當地定位於一層中之孔口中之適當位置中以形成一透明區域。在一替代實施例中，整個支撐層可係由一如下材料製成，材料可或可使其對在由一端點偵測裝置所利用之感興趣波長範圍中之能量透明。用於一透明元件、層或區域之較佳透明材料包括(例如)透明聚氨基甲酸酯。
此外，如上文所使用，術語「透明」係意欲包括一元件、層及/或區域，其對在由一端點偵測裝置所利用之感興趣波長範圍中之能量大致透明。在某些實例性實施例中，端點偵測裝置使用一個或多個電磁能量源以按紫外光、可見光、紅外光、微波、無線電波、其組合及類似物形式發射輻射。在某些實施例中，術語「透明」意指穿透衝擊透明元件、層或區域之一感興趣波長之至少約25%(例如，至少約35%、至少約50%、至少約60%、至少約70%、至少約80%、至少約90%、至少約95%)之能量。
在某些實例性實施例中，支撐層透明。在某些實例性實施例中，至少一個研磨元件透明。在額外實例性實施例中，至少一個研磨元件透明，且黏合層及支撐層亦透明。在進一步實例性實施例中，支撐層、導向板、研磨組合物分佈層、至少一個研磨元件或其一組合透明。
本發明進一步係針對一如上文所述在一研磨過程中使用一研磨墊之方法，該方法包括使一基板之一表面與包含複數個研磨元件(至少某些研磨元件多孔)之一研磨墊之一研磨表面接觸，且使該研磨墊相對於該基板相對移動以磨蝕該基板之表面。在某些實例性實施中，可向研磨墊表面與基板表面之間之一介面提供一工作液體。在此技術中已知適當之工作液體，且可在(例如)美國專利第6,238,592 B1號、第6,491,843 B1號及WO/200233736中找到適當之工作液體。
在某些實施例中，本文中所闡述之研磨墊可相對容易且便宜地製造。美國臨時專利申請案第60/926,244號中闡述了適當之製造過程。下文闡述對某些實例性製造過程之一簡要討論，此討論並不意欲無遺漏或以其他方式加以限制。
因此，在進一步實例性實施例中，提供一製造一研磨墊之方法，該方法包含形成複數個多孔研磨元件，且將該等多孔研磨元件黏附至一支撐層。在某些實施例中，該方法包括藉由以下步驟形成該等多孔研磨元件：注射模製一氣體飽和聚合物熔體、注射模製在反應時放出一氣體以形成一聚合物之一反應混合物、注射模製包含溶解於一超臨界氣體中之一聚合物之一混合物、注射模製在一溶劑中不相容之聚合物之一混合物、注射模製分散分佈於一熱塑性聚合物中之多孔熱固微粒及其組合。
在某些額外實施例中，賦予給一研磨元件之研磨表面之孔隙率可(例如)藉由注射模製、壓延、機械鑽孔、雷射鑽孔、針穿孔、氣體分散發泡、化學處理及其組合賦予。
具有根據本發明之多孔研磨元件之研磨墊之實例性實施例可具有能夠使其用於多種研磨應用之各種特徵及特性。在某些當前較佳實施例中，本發明之研磨墊可尤其適於用於製造積體電路及半導體器件中之晶圓之化學機械平坦化(CMP)。在某些實例性實施例中，此發明中所闡述之研磨墊可提供勝於熟悉此項技術者所已知之研磨墊之優點。
舉例而言，在某些實例性實施中，根據本發明之一研磨墊可用於將在CMP過程中所使用之一工作液體更好地保留於該墊之研磨表面與正研磨之基板表面之間的介面處，藉此改良該工作液體在增強研磨中之效率。在其他實例性實施例中，根據本發明之一研磨墊可減少或消除晶圓表面在研磨期間之凹陷及/或邊緣腐蝕。在某些實例性實施例中，在一CMP過程中使用根據本發明之一研磨墊可導致經改良之晶圓內研磨均勻度、一較扁平之經研磨晶圓表面、自晶圓之一邊緣晶粒良率增加及經改良之CMP過程適用範圍及一致性。
在進一步實例性實施例中，使用具有根據本發明之多孔元件之一研磨墊可准許處理較大直徑晶圓同時維持所需表面均勻度程度以獲得高晶片良率，在需要調節墊表面以維持晶圓表面之研磨均勻度之前處理更多晶圓或減少處理時間及墊調節器之磨損。
現將參照以下非限制性實例圖解說明根據本發明之實例性研磨墊。
實例
以下非限制性實例圖解說明各種用於製備多孔及非多孔研磨元件兩者之方法，該等方法可用於製備包含複數個黏附至一支撐層之研磨元件之研磨墊，其中該等研磨元件之至少一部分係多孔研磨元件，且其中每一研磨元件之至少一部分包含複數個孔。
實例1
此實例圖解說明非多孔研磨元件(實例1A)及多孔研磨元件(實例1B)兩者之製備，其中孔大致分佈於整個研磨元件上。該等多孔研磨元件係藉由注射模製包含溶解於一超臨界氣體中之一聚合物之一混合物製備。
選擇在210℃及3800g的力下具有一熔融指數5之一熱塑性聚胺基甲酸酯(OH、Cleveland之Lubrizol Advanced Materials,Inc.之Estane ETE 60DT3 NAT 022P)。在高溫及壓力下，將熱塑性聚胺基甲酸酯小球餵入至配備有一30mm直徑單螺釘(L/D=24:1)之一80噸MT Arburg注射模製成形機(Germany、Lossburg之Arburg GmbH)中以產生一聚合物熔體。
在比較性實例1A中，將該聚合物熔體注射模製至一32腔冷澆道模具(固體注塑重量為9.2克)中以形成具有一中空內部圓柱形腔且稱重0.15克/元件之大致非多孔研磨元件。
在實例1B中，在高溫及壓力下，使用裝備有一質量脈衝定量遞送系統(可自MA、Woburn之Trexel,Inc.購得)之一Trexel SII-TR10將氮氣注射至聚合物熔體中，從而導致在該聚合物熔體中形成超臨界氮之一0.6% w/w摻和物。將該超臨界氮及聚合物熔體摻合物注射模製至該32腔冷澆道模具(固體注塑重量為9.2克)中以形成具有一中空內部圓柱形腔且稱重0.135之多孔研磨元件，且其中孔大致分佈於整個研磨元件上。
在表1中概述比較性實例1A及1B之擠製機之每一區之溫度、模製溫度、螺釘、注射、封裝壓力、模製時間及合模力。
圖5A係實例1B之一多孔研磨元件在於大致平行於根據本發明之另一實例性實施例之研磨表面之一方向上橫截該元件後之一顯微照片。圖5B係圖5A之多孔研磨元件在於大致法向於研磨表面之一方向上橫截該元件後之一顯微照片。基於圖5A之顯微照片，平均孔大小確定為33.208μm；中值孔大小確定為30.931μm；孔大小分佈之標準偏差確定為13.686μm；最小孔大小確定為3.712μm；且最大孔大小確定為150.943μm。
實例2
此實例圖解說明一多孔研磨元件之製備，其中孔僅大致分佈於該元件之研磨表面處。
如上文在比較性實例1A中大體所闡述，首先藉由注射模製在210℃及3800g的力下具有一熔融指數5之一熱塑性聚胺基甲酸酯(OH、Cleveland之Lubrizol Advanced Materials,Inc.之Estane ETE 60DT3 NAT 022P)以形成量測直徑約15mm之大體圓柱形研磨元件來製備非多孔研磨元件。
接著使用一AVIA 355nm紫外線雷射(CA、Santa Clara之Coherent,Inc.)對一注射模製研磨元件之研磨表面進行雷射鑽孔以形成一多孔研磨元件，該雷射以一耐秒脈衝速率、15kHz之重複率、60-80%(0.8-1.1瓦)之功率設定值及在100mm/sec至300mm/sec(運行總時間為29.8秒及13.2秒)之間之一掃描速率運作。
圖6A之顯微照片中顯示根據此實例2之一多孔研磨元件之多孔研磨表面。圖6B係圖6A之多孔研磨元件在於大致法向於研磨表面之一方向上橫截該元件後之一顯微照片。
實例3
此實例圖解說明非多孔研磨元件(實例3A)及多孔研磨元件(實例3B)兩者之製備，其中孔僅以形成於研磨表面上之複數個通道之形式大致分佈於該元件之研磨表面處。
藉由注射模製在210℃及3800g的力下具有一熔融指數5之一熱塑性聚胺基甲酸酯(OH、Cleveland之Lubrizol Advanced Materials,Inc.之Estane ETE 60DT3 NAT 022P)製備多孔研磨元件。在高溫及壓力下，將熱塑性聚胺基甲酸酯小球餵入至配備有一25mm直徑單螺釘(L/D=24.6:1)之一Engel 100噸注射模製成形機(PA、York之Engel Machinery,Inc.)中以產生一聚合物熔體。
將該熱塑性聚胺基甲酸酯熔體注射模製至在一個腔中配備有一有肋模具插入物且在另一腔中配備有一空白模具插入物之一2腔冷澆道模具(注塑重量為34.01克)中。圖2中概述擠製機每一區之溫度、模具溫度、注射及封裝壓力、模製時間及合模力。
圖7係一顯示由該有肋模具插入物於根據本發明之再一實例性實施例之一多孔研磨元件之研磨表面上形成之複數個通道之顯微照片。
使用上文實施方式中所提供之教示，可將個別多孔且視情況非多孔研磨元件黏附至一支撐層以提供根據本發明之各種實施例之研磨墊。在圖解說明一整體研磨墊之一個尤其有利實施例中，一多腔模具可具有一回填室，其中每一腔對應於一研磨元件。複數個研磨元件(其可包括如本文中所述之多孔研磨元件及非多孔研磨元件)可藉由將一適當之聚合物熔體注射模製至該多腔模具中，並以相同聚合物熔體或另一聚合物熔體回填該回填腔以形成一支撐層而形成。在冷卻該模具時，該等研磨元件保持黏附至該支撐層，藉此藉助該支撐層形成複數個研磨元件作為一整體研磨元件薄片。
在此說明書之通篇中參照「一個實施例」、「某些實施例」、「一個或多個實施例」或「一實施例」，無論在術語「實施例」前是否包括術語「實例性」皆意指結合包括於本發明之某些實例性實施例之至少一個實施例中之實施例所述之一特定特徵、結構、材料或特性。因此，在此說明書之通篇的各種地方中出現諸如「在一個或多個實施例中」、「在某些實施例中」、「在一個實施例中」或「在一實施例中」等片語未必指代本發明之某些實例性實施例之相同實施例。此外，在一個或多個實施例中，該等特定特徵、結構、材料或特性可以任一適當之方式組合。
儘管該說明書已詳細描述了某些實例性實施例，但應瞭解，熟悉此技術者在獲得對前文之理解時可容易想到對此等實施例之變化、變更及等效形式。因此，應理解，本發明並非將不適當地限於上文所闡明之說明性實施例。特定而言，如本文中所使用，由端點列舉之數值範圍係意欲包括歸屬於彼範圍內之所有數字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4及5)。另外，假定本文中所使用之所有數字皆將由術語「約」加以修飾。此外，本文中所參照之所有出版物及專利皆以其全文以引用方式併入，其引用程度如同具體且個別地指示每一個別出版物或專利以便以引用方式併入。
已闡述肋各種實例性實施例。此等及其他實施例在以下申請專利範圍之範疇內。
2．．．研磨墊
2'．．．研磨墊
4．．．研磨元件
6．．．孔口
8．．．研磨組合物分佈層
10．．．支撐層
12．．．壓敏黏合層
14．．．研磨表面
15．．．孔
23．．．研磨表面
24．．．帶凸緣研磨元件
25．．．凸緣
26．．．孔口
27．．．通道
28．．．研磨組合物分佈層
30．．．支撐層
31．．．引板
32．．．壓敏黏合層
34．．．黏合層
36．．．黏合層
參照附圖進一步闡述本發明之實例性實施例，其中：
圖1係具有根據本發明之一個實例性之突出多孔元件之一研磨墊之一側視圖；
圖2係具有根據本發明之另一實例性實施例之突出多孔元件之一研磨墊之一側視圖；
圖3A係根據本發明之一個實例性實施例之一多孔研磨元件之一透視圖；
圖3B係圖3A之實例性多孔研磨元件之一俯視圖；
圖3C係圖3A之實例性多孔研磨元件在於大致法向於研磨表面之一方向上橫截該元件後之一放大透視圖；
圖4A係根據本發明之另一實例性實施例之一多孔研磨元件之一透視圖；
圖4B係根據本發明之另一實例性實施例之一多孔研磨元件之一透視圖；
圖4C係根據本發明之一進一步實例性實施例之一多孔研磨元件之一透視圖；
圖5A係一多孔研磨元件在於大致平行於根據本發明之一實例性實施例之研磨表面之一方向橫截該元件後之一顯微照片；
圖5B係圖5A之多孔研磨元件在於大致法向於研磨表面之一方向橫截該元件後之一顯微照片；
圖6A係根據本發明之一額外實例性實施例之一多孔研磨元件之多孔研磨表面之一顯微圖片；
圖6B係圖6A之多孔研磨元件在於大致法向於研磨表面之一方向上橫截該元件後之一顯微圖片；及
圖7係根據本發明之再一實例性實施例之一多孔研磨元件之多孔研磨表面之一顯微照片。
在該等圖式中，相同參考編號指示相同元件。在本文中，該等圖式並未按比例，且在該等附圖中，研磨墊之組成經定大小以強調選定特徵。
4．．．研磨元件
14．．．研磨表面
15．．．孔

Claims (39)

  1. 一種研磨墊，其包含整體薄片及支撐層，該整體薄片包含複數個研磨元件，其中該等研磨元件相對於該等其他研磨元件中之一者或多者之橫向移動係經限制的，但該等研磨元件保持可在法向於該等研磨元件之研磨表面之軸上移動，其中該等複數個研磨元件包含一或多個多孔研磨元件，且其中一或多個多孔研磨元件之大致扁平表面包含複數個孔，及其中該等孔包含自研磨表面延伸至研磨元件之圓柱型毛細管。
  2. 如請求項2之研磨墊，其中該支撐層包含第一主側及與該第一主側相對之第二主側，且該研磨元件係黏附至該支撐層之該第一主側，及該研磨墊進一步包含導向板，其具有第一主表面及與該第一主表面相對之第二主表面，該導向板經定位以在該第一主表面遠離該支撐層之情形下將該複數個研磨元件佈置於該第一主側上，其中該等研磨元件沿大致法向於該第一主側之第一方向自該導向板之該第一主表面延伸。
  3. 如請求項2之研磨墊，其進一步包含透過該導向板自該第一主表面延伸至該第二主表面之複數個孔口，其中每一研磨元件之至少一部分延伸至對應孔口中，且其中每一研磨元件自該導向板之該第一主表面向外延伸。
  4. 如請求項3之研磨墊，其中每一研磨元件之部分通過該對應孔口。
  5. 如請求項4之研磨墊，其中每一研磨元件藉助該支撐層與該導向板之間之介面處之黏合劑黏附至該第一主側。
  6. 如請求項4之研磨墊，其中每一研磨元件具有凸緣，且其中每一研磨元件藉由將該對應凸緣咬合至該導向層之該第二主表面而黏附至該第一主側。
  7. 如請求項3之研磨墊，其中該複數個孔口係佈置為孔口陣列，且其中該等孔口之至少一部分包含主膛孔及底切區域，且其中該底切區域形成保留該對應研磨元件凸緣之凸肩。
  8. 如請求項2之研磨墊，其中該導向板包含聚合物、共聚物、聚合物摻合物、聚合物複合材料或其組合。
  9. 如請求項2之研磨墊，其中該導向板維持該等研磨元件沿該第一方向之定向，同時允許該等研磨元件相對於該導向板沿該第一方向獨立地平移。
  10. 如請求項2之研磨墊，其進一步包含覆蓋該導向板之該第一主表面之至少一部分之研磨組合物分佈層。
  11. 如請求項10之研磨墊，其中該研磨組合物分佈層包含至少一種親水聚合物。
  12. 如請求項10之研磨墊，其中每一研磨元件在包括該研磨組合物分佈層之平面上方至少約0.25 mm處沿該第一方向延伸。
  13. 如請求項2之研磨墊，其中每一研磨元件在包括該導向 板之平面上方至少約0.25 mm處沿該第一方向延伸。
  14. 如請求項1或2之研磨墊，其中每一研磨元件在包括該支撐層之平面上方至少約0.25 mm處沿該第一方向延伸。
  15. 如請求項1或2之研磨墊，其中包含每一多孔研磨元件之該複數個孔大致分佈於該整個多孔研磨元件上。
  16. 如請求項1或2之研磨墊，其中每一毛細管在該第一方向上之深度係自約100微米至約7500微米。
  17. 如請求項1或2之研磨墊，其中每一毛細管之橫截面面積係自約75平方微米至約3×106 平方微米。
  18. 如請求項1或2之研磨墊，其中腔界定於該等研磨元件中之一者或多者內。
  19. 如請求項1或2之研磨墊，其中該複數個孔包含閉孔發泡體。
  20. 如請求項1或2之研磨墊，其中該複數個孔包含開孔發泡體。
  21. 如請求項1或2之研磨墊，其中該複數個孔展示單峰孔大小分佈。
  22. 如請求項1或2之研磨墊，其中該複數個孔展示自約1奈米至約100微米之平均膛孔大小。
  23. 如請求項26之研磨墊，其中該複數個孔展示自約1微米至約50微米之平均膛孔大小。
  24. 如請求項1或2之研磨元件，其中每一研磨元件係藉由將該研磨元件結合至該支撐層而黏附至該支撐層。
  25. 如請求項1或2之研磨墊，其中至少某些該等研磨元件經 選擇以具有在該第一方向上截取之選自圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形，及梯形之一橫截面。
  26. 如請求項1或2之研磨墊，其中至少某些該等研磨元件包含熱塑性聚胺基甲酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇或其組合。
  27. 如請求項1或2之研磨墊，其中該等研磨元件具有自約0.1 mm至約30 mm之至少一個尺寸。
  28. 如請求項1或2之研磨墊，其中該支撐層包含選自聚矽氧、天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、聚胺基甲酸酯及其組合之聚合物材料。
  29. 如請求項1或2之研磨墊，其進一步包含毗鄰於該支撐層與該複數個研磨元件相對之黏合層。
  30. 如請求項29之研磨墊，其中至少一個研磨元件透明，且進一步其中該黏合層及該透明層透明。
  31. 如請求項1或2之研磨墊，其中至少一個研磨元件透明。
  32. 如請求項31之研磨墊，其中該支撐層透明。
  33. 如請求項10之研磨墊，其中該支撐層、該導向板、該研磨組合物分佈層、至少一個研磨元件或其一組合透明。
  34. 如請求項1或2之研磨墊，其中該等研磨元件之至少一部分包含磨料微粒。
  35. 一種使用一研磨墊之方法，其包含：使基板之表面與如請求項1至33中任一請求項之研磨墊之研磨表面接觸；使該研磨墊相對於該基板相對移動以磨蝕該基板之該 表面。
  36. 如請求項35之方法，其進一步包含向該研磨墊表面與該基板表面之間之介面提供工作液體。
  37. 一種製造研磨墊之方法，其包含：形成複數個多孔研磨元件；將該等研磨元件黏附至支撐層以形成如請求項1至34中任一請求項之研磨墊。
  38. 如請求項37之方法，其中藉由以下步驟形成該等多孔研磨元件：注射模製氣體飽和聚合物熔體、注射模製在反應時放出氣體以形成聚合物之反應混合物、注射模製包含溶解於超臨界氣體中之聚合物之混合物、注射模製在溶劑中不相容之聚合物之混合物、注射模製分散分佈於熱塑性聚合物中之多孔熱固微粒及其組合。
  39. 如請求項37之方法，其中該等孔係藉由注射模製、壓延、機械鑽孔、雷射鑽孔、針穿孔、氣體分散發泡、化學處理及其組合形成。
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