TWI429502B - 互連多元件晶格研磨墊 - Google Patents

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Description

互連多元件晶格研磨墊
本發明概括地關於化學機械研磨用的研磨墊之領域，特別者，本發明係關於具有可用於化學機械研磨磁性、光學和半導體基材的研磨結構之化學機械研磨墊。
在積體電路及其他電子裝置的構製中，要將多層的導電性，半導電性及介電性材料沉積在半導體晶圓的表面上及從半導體晶圓表面移除。導電性，半導電性及介電性材料的薄層可經由使用多種沉積技術來沉積。於現代晶圓處理中常用的沉積技術包括，特別者，物理氣相沉積(PVD)，也稱為濺鍍(sputtering)，化學氣相沉積(CVD)，電漿增進化學氣相沉積(PECVD)，及電化學鍍覆。常用的移除技術包括，特別者，濕式和乾式之等向和異向蝕刻。
隨著數層材料依序地沉積及移除，晶圓的最上層表面會變成非平面。因為後續的半導體加工(例如，塗敷金屬)要求晶圓具有平坦的表面，所以晶圓需要平面化。平面化可用來移除不需要的表面拓樸形態(topography)及表面缺陷，諸如粗糙的表面，黏聚的材料，晶格破壞，刮痕，以及受污染的層或材料。
化學機械平面化，或化學機械研磨(CMP)，是一種普遍使用於平面化或研磨工作件諸如半導體晶圓的技術。在習用CMP中，係將晶圓載具，或研磨頭嵌裝在載具組合件上。該研磨頭固持該晶圓且將晶圓配置成與經安裝在CMP設備內的台或盤上之研磨墊所具研磨層接觸。該載具組合件在該晶圓與研磨墊之間提供一可控制性壓力。同時，將漿液或其他研磨介質分配在該研磨墊上且將其抽吸到在該晶圓與研磨墊之間的間隙內。要實施研磨時，典型地係使該研磨墊與晶圓彼此相對轉動。隨著研磨墊在晶圓之下轉動，晶圓會掃掠出典型地呈現為環狀的研磨軌跡，或研磨區，其中。晶圓的表面係直接面對研磨層。晶圓表面係經由該研磨層和表面上的研磨介質之化學及機械作用所研磨且變成平面。
於過去十年內，在CMP中，於研磨層、研磨介質與晶圓表面之間的交互作用業經成為逐增的研究、分析、和高等數值模型化的對象以努力使研磨墊設計最優化。自從CMP開始作為半導體製造方法之後，大部分的研磨墊開發在本質上都是實驗性者，涉及許多種不同的孔型和非孔型聚合物材料之嘗試。大部分研磨表面或層的設計都焦注於給此等層加上各種微結構、或空隙部位(void areas)和實體部位(solid areas)的圖案，及巨結構，或表面穿孔或溝槽的排列，彼等據稱可增加研磨速率、改良研磨一致性，或減少研磨缺陷(刮痕、坑洞、脫層區、及其他表面或次表面損壞)。多年以來，只有很少不同的微結構和巨結構被提出來增強CMP性能。
對於習用的研磨墊，墊表面“修整(conditioning)”或“整治(dressing)”對於穩定研磨性能所用的均勻研磨表面之維持而言具有關鍵性。隨著時間過去，研磨墊的研磨表面會磨耗掉，研磨表面的微紋理(microtexture)會平滑化-一種稱為“砑光(glazing)”的現象。砑光的來源為在墊與工作件之間的接觸點處之摩擦加熱與切變所導致的聚合物材料之塑性流動。此外，來自CMP程序的碎渣可能堵塞可讓磨漿透過彼等以流動穿過研磨表面之表面空隙及微通道。在此現象發生之時，CMP程序的研磨速率會減低，且此可能導致在晶圓之間或晶圓之內的不一致研磨。修整可在研磨表面上造出新的紋理，其可用於CMP程序中維持所欲的研磨速率和均勻性。
習用的研磨墊修整係經由使用修整盤機械地磨蝕掉研磨表面而達成。修整盤具有典型地包含埋置的鑽石尖之粗糙調理表面。修整盤係在研磨中止(“異位”(ex situ))，或CMP程序進行中(“原位”(in situ))任一者發生CMP程序間斷停止時使其與研磨表面接觸。典型地，調理盤係於相對於研磨墊轉動軸固定的位置處轉動，且隨著研磨墊轉動，會掃掠過一環形調理區。如所述的修整程序會在墊表面內切割出微觀溝，將墊材料磨蝕且挖掉，同時再生出研磨紋理。
雖然墊設計者已透過墊材料製備和表面修整製造出表面紋理的各種微結構和構形，不過既有的CMP墊研磨紋理在兩項重要方面中仍不算是最優者。第一，在CMP中實用的施壓下，習用CMP墊與典型工作件之間的實際接觸面積係小者-典型地僅為總面接面積的數個百分比。此為傳統表面修整的不確實性之直接後果，其整題而言係將結構的固體區(solid region)隨機地撕扯成碎片，留下一群具有各種形狀和高度的特徵，或突點(asperities)，彼等中僅最高者才能實際接觸工作件。第二，讓漿液流動以輸送掉研磨碎渣和熱量可用到的空間係在墊表面上佔據一薄層，使得研磨廢棄物保留在工作件的近處直到其從工作件下面完全排出為止。在墊與工作件之間的漿液流必須通過高度不規則的表面及繞過橋接從墊到工作件的整個垂直距離之任何突點。此會導致工作件再度曝露於廢餘(spent)化學品和先前移除的材料之高度機率。如此，因為在表面紋理內的接觸機制和流體機制係耦合者，所以習用墊微結構不是最優者；突點的高度分布對於良好的接觸和有效的流體流動與輸送都不是有利者。
CMP中的缺陷形成之起源在於習用墊微結構的兩項缺陷。例如，Reinhardt等人在美國專利第5,578,362號中揭示聚合物球體在聚胺基甲酸酯研磨墊中導入紋理之用途。雖然正確的缺陷形成機制尚未完全地了解，不過為一般所清楚者為要減少缺陷形成需要減低工作件上的極端點(extreme point)應力。在給定施加負載或研磨壓力之下，實際的點接觸壓力係與真實接觸面積成反比。在3psi(20.7kPa)研磨壓力下運行且具有遍及所有突點尖的2%實際接觸面積之CMP程序實際上會使工作件受到平均150psi(1MPa)的正應力。此幅度的應力足以引起表面和次表面的損害。在鈍且形狀不規則之下，習用CMP墊的突點也會導致不利的流動型式：衝擊在突點上的局部化流體壓力可能為明顯者，且停滯區或分流區可能導致研磨碎渣和熱的蓄積，或者創造出供粒子黏聚用之環境。
除了提供潛在的缺陷形成來源之外，因為墊表面修整典型地不能正確再現之故，習用研磨墊微紋理不是最優者。修整盤上的鑽石會隨著使用而變鈍使得在一段期間之後必須更換修整器；因此於其壽命期間，修整器的效用性會連續地改變。修整也會大幅地促成CMP墊的磨耗速率。來自鑽石修整器的磨蝕常導致一墊約95%的磨耗，而來自與工作件的接觸者僅為約5%。因此，除了缺陷減少之外，改良的墊微結構可以消除對修整的需求且促成較長的墊壽命。
免除墊修整的關鍵處在於設計出自我更新(亦即隨著其磨耗可保持相同的基本幾何和構形之研磨表面)。因此，為了具有自我更新性，研磨表面必須為使得磨損不會明顯地使固體區再塑形。此轉而需要固體區不會受到足以引起實質程度的塑性流動之連續切變和加熱，或使固體區經構型使得彼等以將切變和加熱分佈到其他固體區之方式回應該切變和加熱。
除了低缺陷率之外，CMP墊研磨結構也必須達成良好的平面化效率。習用墊材料需要在此兩種效能計量之間達到妥協，因為較低的缺陷率係經由使材料更軟且更順應(compliant)而達到者，但此等相同的性質改變會損及平面化效率。最終，平面化需要堅韌的平坦材料；而低缺陷率需要較低韌性的保形性材料。因而難以用單一材料克服在此等計量之間的基本妥協。習用墊結構係以多種方式處理此問題，包括使用具有彼此黏合在一起的硬層和軟層之複合材料。雖然該等複合材料提供較單層材料之改良，不過尚未能開發出可同時達成理想的平面化效率與零缺陷形成之材料。
因此之故，只要當前CMP應用存在著墊微結構和修整工具，對於可達到與工作件的更高實際接觸面積和用以移除研磨碎屑的更有效磨漿流動型式，以及減低或消除再-紋理化的需要之CMP墊設計仍有其需要。此外，對於將良好平面化效率所需的堅韌結構與低缺陷率所需的較低堅韌性保形結構相結合的CMP墊結構也有其需要。
最近，晶格(lattice)設計業經提出以期改良平面化同時達到低缺陷率。本發明係解決某些晶格設計的潛在次佳特徵，即建基於交互扶持以達到高韌度的重複單位元(cell)之晶格可能於結構內的間隔規則高度處含有佔據水平或近水平取向的成員。此種特性對於某些CMP應用可能為不宜者，因為隨著晶格的磨耗，在一平面內會有豐富的水平成員會導致與工作件形成非典型高的接觸面積。較佳者為具有隨著結構磨耗掉僅會輕微變異的接觸面積，使得墊-工作件接觸面積和壓力大部分為不變異者。
防止許多水平元件佔據一平面的兩種作法為(1)錯開原件的高度，和(2)使晶格的基底層傾斜使得水平元件另呈現一明顯的角度。雖然此等作法係可行者，不過彼等具有限制。錯開該等元件會在更多高度處展佈接觸面積變異，但是會破壞單純的單位元結構且增加製造複雜性與時間。使晶格的基底層傾斜之舉僅可在短幅側向區域內實行，因此實際上需要者為週期性傾斜的基底，此舉會導致在晶格結構中出現特別情況元件(special-case member)。此種特徵再度地會增加製造複雜性與時間，且可能損及晶格的整體韌度。對於可為多重研磨循環產生一致的研磨效能，同時促成平面化而不會在基材內導入過度的缺陷率之晶格研磨結構有持續需求。
於本發明一方面中，提供一種用於在研磨介質存在下研磨選自磁性基材、光學基材和半導體基材之中的至少一者之研磨墊，其包括：a)複數個研磨元件，該複數個研磨元件係於垂直方向上排列(aligned)且具有第一和第二端；b)複數個接合部，將該等研磨元件的第一和第二端在該複數個接合部的每一個之處與至少三個研磨元件連接且形成一排，每一排相當於在該等研磨元件的第一和第二端之間沿垂直方向的厚度，及c)一互連晶格結構，其係經由將連接該等研磨元件所用複數個接合部之接序排相連接所形成者。
於本發明另一方面中，提供一種用於在研磨介質存在下研磨選自磁性基材、光學基材和半導體基材之中的至少一者之研磨墊，其包括：a)複數個研磨元件，該等複數個研磨元件係於垂直方向排列且具有第一和第二端；b)複數個接合部，將該等研磨元件的第一和第二端在該複數個接合部的每一個之處與至少三個研磨元件連接且形成一排，每 一排相當於在該等研磨元件的第一和第二端之間沿垂直方向的厚度，及c)一互連晶格結構，其係以該研磨元件透過多重接合部而於一固定方向上排列之方式經由將連接該等研磨元件所用複數個接合部之接序排相連接所形成者。
參照圖式，第1圖闡釋出一適合用於本發明研磨墊104的雙軸化學機械研磨(CMP)機100。研磨墊104通常包括一研磨層108，該研磨層108具有面接物件(諸如，尤其是，半導體晶圓112(經處理過或未處理過者)或其他工作件，如玻璃，面板顯示器或磁性資料儲存盤)的研磨表面110，以在研磨介質120的存在下研磨該工作件的被研磨表面116。研磨介質120移動通過具有深度128的隨意之螺旋溝道124。為方便之固，於不失去一般性之下，下文中都使用術語“晶圓”。此外，於本說明書中，包括申請專利範圍，使用時，術語“研磨介質”包括含有粒子的研磨溶液和不含粒子的溶液，諸如無磨蝕劑溶液及含反應性液體的研磨溶液。
本發明包括提供具有研磨紋理200(第2圖)的研磨層108，該研磨紋理200具有經由一系列類似或相同的巨觀或微觀細長元件形成研磨層108而得之高空隙分量或開放體積相對於實體體積的百分比，其中各元件係在一或更多的末端處受限制，使得各元件所佔據的總空間相對於可取得之總空間為小者，各個別元件之間的間距相對於晶圓尺寸為小者，且各元件係在三維內互連以針對剪變和彎曲來強化該網絡。較佳地，該等元件具有微觀尺寸以造出微紋理。將證實此等特徵(feature)比使用傳統研磨墊所實現者，可在墊與晶圓之間提供更高實際接觸面積，及在墊與晶圓之間提供更有利之漿液流動型式，以及提供消除對鑽石墊修整的需要之自我更新結構。此外，此等特徵將顯示其作用方式為賦予該墊達到良好平面化效率所需長度規模上的韌度，同時促成達到低缺陷率所需在較短長度規模的順應性。
研磨機100可包括安裝在平台130上的研磨墊104。平台130可藉平台驅動器(沒有顯示出)繞著轉軸134轉動。晶圓112可由晶圓載具138所承載，該晶圓載具138可繞著與平台130的轉軸134平行且隔開的轉軸142轉動。晶圓載具138可具有平衡聯結(gimbaled linkage)(沒有顯示出)之作用，其可使晶圓112呈現與研磨層108非常微小的不平行之方位，於此情況中，轉軸134、142可能有非常微小的歪斜。晶圓112包括面對研磨層108且在研磨中被平面化的被研磨表面116。晶圓載具138可被載具承載組合件(沒有顯示出)所承載，該組合件係經調適成可轉動晶圓112且提供向下力F，以將被研磨表面116壓抵研磨層108，使得在研磨中於被研磨表面與研磨層之間存在一合宜的壓力。研磨機100也可包括一研磨介質入口146，其用以將研磨介質120供給到研磨層108。
研磨機100可包括其他的組件(沒有顯示出)諸如系統控制器、研磨介質儲存和分配系統、加熱系統、清洗系統和多種控制器以控制研磨程序的各方面，尤其是諸如下列者：(1)用於晶圓112與研磨墊104中一者或兩者的轉速之速度控制器和選擇器；(2)用於改變研磨介質120對墊的遞送速率和位置之控制器和選擇器；(3)用於控制施加在晶圓與研磨墊之間的壓力F之控制器和選擇器；及(4)用於控制晶圓轉軸142相對於墊的轉軸134之位置的控制器、致動器和選擇器。
於研磨中，研磨墊104和晶圓112係繞著彼等的個別轉軸134、142轉動，且從研磨介質入口146將研磨介質120分配到轉動的研磨墊之上。研磨介質120散布在研磨層108之上，包括在晶圓112與研磨墊104之間的間隙。研磨墊104與晶圓112典型地，但不一定要，以0.1rpm到150rpm的所選速度轉動。力F典型地，但不一定要選自，在晶圓112與研磨墊104之間引起為0.1psi至15psi(6.9至103kPa)的所欲壓力之幅度。如熟諳此技藝者可認知者，可將研磨墊構組成網格式或成為具有小於被研磨的基材所具直徑的直徑之研磨墊。
雖然結構可經設想成缺乏水平成員者，不過彼等常缺乏賦予高韌度的內部扶持。所以宜於具有沒有嚴格水平成員但是可實現充足的內部扶持，以達到交互加固的結構所具韌度之結構。第2和3圖闡釋出在水平平面中分別具有卵形和圓形橫截面的本發明互連晶格結構。特別者，此等SEM照片闡釋從一系列階梯或梯臺(landings)，諸如圓形梯臺構製成的研磨元件。第2和3圖顯示水平梯臺，不過該晶格結構不要求有梯臺，或不要求該等梯臺為水平者。該等研磨元件的每一端係在頂點或接合部處與兩個其他研磨元件相連接。此形成由三個研磨元件支撐每一接合部之互連四面體晶格。該結構不含水平元件的情形減低隨結構磨耗發生的接觸面積之變異且可促成多個晶圓之一致性研磨。
一般而言，於本發明中經由構造出具有與垂直方向形成小於60-度角的多元件成員之晶格，而使有利的一致性接觸面積結合交互加固之效益。為本說明書之目的，與垂直方向形成大於60-度角的研磨元件係構成水平研磨元件。較佳者，除了在研磨中已經局部變形的研磨元件之外，該晶格結構不具水平研磨元件。較佳者，該等研磨元件與垂直方向形成小於45-度的角。最佳者，該等研磨元件與垂直方向形成小於30-度的角。每一多元件組合體係由至少三個成員在一共同頂點接合所組成。較佳者，每一成員具有相同的長度且與垂直方向形成相同的角。或者，諸成員可具有不相等的長度且與垂直方向形成不同的角度。最佳者為具有3至6個，諸如三、四、或六個研磨元件之多元件組合體，因為此等可分別佔據三角形、方形、和六角形空間，且讓相同的單元無間隙地填充空間。要形成完整晶格時，係讓每一多元件組合體的腳依靠下排中的多元件組合體之接合部或頂點。於此方式中，舉例而言，一個三方晶系晶格可經由先將三腳體依整齊序列排列而形成第一排，然後形成第二排三腳體，其中第二排之每一個三腳體係依靠在形成一個三角形的第一排之三個頂點之上。
現參照第4和4A圖，其中更詳細地描述見體例示於第1圖的研磨墊104，特別是關於晶格研磨結構400(下文中有稱為研磨晶格、晶格結構、晶格研磨紋理之情形)。與傳統CMP墊中表面紋理或突點為材料移除或再塑形程序(即鑽石修整)的殘餘物相反，晶格研磨結構400係經組建成為一系列相同或類似的具有明確幾何之研磨元件402。該等研磨元件402在彼等的頂點結合形成接合部404。每一接合部404包括至少三個研磨元件402。該等接合部404各自包括三個研磨元件。該晶格研磨結構400實際上為一個四面體單位元組合，亦即，亦即空間單位，其中(四)面中的每一面為三角形，且實體成員僅沿著該空間單位的邊緣出現，留下每一面和空間單位的中央成為完全空虛。
在經堆疊的多元件晶格結構中達成交互扶持，因為每一接合部或頂點404都分支到一組其他接合部，而此組合又分支到一更廣的組，依此類推。較佳地，該等研磨元件係在每一多元件接合部從排-至-排地排列。施加到晶格結構400的頂部排上的接合部或頂點404的負載會分布到下面每一排中呈幾何地擴大的數目之接合部或頂點404。例如，於一個三方晶系晶格結構400中，施加到頂部排之接合部或頂點404的負載會透過三個元件402傳遞到下一排中的三個接合部或頂點404。從此處每一個，該負載會透過三個成員元，或總共九個研磨元件402，傳遞到下一排的六個接合部或頂點404。從此六個接合部或頂點404，該負載會透過十八個研磨元件402傳遞到下一排的十個接合部或頂點404，且依此類推。此種負載分布的特徵使得晶格結構400整體具有所欲的韌性，一種達到高平面化效率的有利條件。不過，在頂部排中，細長元件具有局部撓性且，允許與工作件的良好接觸與優良的缺陷率效能。
一般而論，僅有突出超過最上面的接合部404之元件402的未受限制端才能在研磨中的剪變力之下自由地屈曲。在最上接合部之下的元件402之高度非常受限，且施加在任一元件402的力可透過多排或多層的研磨元件而為許多毗鄰的元件402有效地攜載，纇似於橋構架或外部拱壁。以此方式，晶格研磨結構400達到良好平面化效率所需之長度規模上的硬度，但藉由元件402的未受扶持端所具局部變形性和撓性而達到在較短長度規模上的局部順應性。
互連元件402之結合形成一單位元406，該單位元具有一平均寬度和一平均高度。此等單位元具有經結合形成三維晶格網絡的網狀或開孔結構。該晶格研磨結構400具有至少三個單位元，且較佳者至少10個單位元的高度。通常，增加研磨層的高度會增加研磨層的壽命及其主體韌度，後者有助於改良平面化。視需要者，該等單位元的平均寬度不等於其平均高度。例如，平均寬度對平均高度的比例可為至少2或為至少4，以對某些研磨應用進一步改良研磨性能。例如，具有延伸水平寬度的單位元傾向於提供改良平面化所用的較韌性研磨元件；且具有延伸的垂直高度之單位元傾向於具有改良缺陷率性能所用的較撓性研磨元件。
元件402的高的平均高度對平均寬度比之一項優點在於總研磨表面部位可在長期內保持固定。為本說明書之目的，研磨表面代表在平行於研磨表面的平面所測量的研磨元件402之表面部位。如第4A圖中所示者，在研磨層的壽命中之任何點處，若磨耗平面係在一排元件的高度之內，則晶格研磨紋理400的大部份或全部之接觸部位係由直立元件402的橫截面所組成，且若磨耗平面係在接合部的高度，則接觸部位係由接合部404的橫截面所組成。視需要地，接合部404的垂直位置係交錯者，使得在任何所給時間點，磨耗平面僅遭遇到小部份接合部404，且此等係構成總接觸面積的小部分。由晶格研磨紋理400提供的接觸面積之一致性允許數個基材的研磨具有相似的研磨特性，且減低或消除定期整治或修整該墊之需要。不過，對於許多應用而言，聚合物毛刷結合噴水設施即可容易地清潔該墊。減少修整將延長墊的壽命並降低其操作成本。
再者，穿透該墊的穿孔、傳導性襯裡溝槽的導入、或導體(諸如傳導性纖維、傳導性網絡、金屬柵格或金屬線)之摻入，可將該墊轉變成cCMP(電化學機械平面化)研磨墊。此等墊的三維網絡結構可幫助流體流動及維持cCMP應用所需的一致性表面結構。增加的流體流動可改良廢餘電解質從cCMP程序移除，因而改良cCMP程序的均勻性。
較佳地，存在於晶格研磨紋理400中之固體材料沒有不是包含於研磨元件402中者。視需要地，可將磨蝕劑粒子或纖維固著到研磨元件402上。因此，於任何個別元件402之內沒有空隙體積存在；在晶格研磨紋理400內的所有空隙體積較佳地係存在於研磨元件402之間且確實地在其外部。不過，視需要地，研磨元件402可具有中空或孔型結構。研磨元件402之一端係經牢固地固定至基底層，此將研磨元件402維持成實質直立取向。接合部404可包括黏著劑或化學鍵結以固著研磨元件402。較佳地，接合部402表示相同材料的互連且最佳者為相同材料的無縫互連。
較佳者，研磨元件402的寬度和節距，遍及從接合部404的端至端之所有研磨元件402係一致者，或近乎一致，或者遍及研磨元件402子群為一致者。例如，較佳者，在晶格結構400中的接合部404之間，研磨元件402具有分別維持在平均寬度或節距之50%的範圍內的寬度和節距。更佳者，在晶格結構400中的接合部404之間，研磨元件402具有分別維持在平均寬度或節距之20%的範圍內的寬度和節距。最佳者，在晶格結構400中的接合部404之間，研磨元件402具有分別維持在平均寬度或節距之10%的範圍內的寬度和節距。特別者，將毗鄰接合部404之間的研磨元件402所具橫截面面積維持在30%之內有助於一致的研磨效能。較佳者，該墊係將橫截面面積維持在毗鄰接合部404之間的20%之內且最佳者在10%之內。再者，研磨元件402較佳地具有線形形狀以進一步促進一致性研磨。此等特徵的直接後果為研磨元件402的橫截面面積在垂直方向中不會顯著地變異。如此，隨著研磨元件402在研磨中的磨耗，在呈現給晶圓的面積上很少變化。此種在接觸面積上的一致性提供均勻的研磨表面，且對重複的研磨操作提供一致性研磨。例如，該均勻結構可促成多個圖案化晶圓的研磨而不必調整工具設定。較佳者，研磨元件402的總橫截面面積係在初始研磨表面或接觸元件與晶格結構400的半高之間保持在25%之內。最佳者，研磨元件402的總橫截面面積係在初始研磨表面與晶格結構400的半高之間保持在10%之內。如前文所提及者，更佳者為，接合部404的垂直位置也為交錯者以減低隨著元件磨耗產生的總橫截面面積之變化。
視需要地，可以將研磨元件402排列成數個研磨元件的相隔編組-例如，該等研磨元件可包括被沒有研磨元件的部位所包圍的圓形編組。在每一編組內，接合部404維持元件402編組的間隔和有效韌度。此外，可以調整不同區內的研磨元件402之密度以細微地調節移除速率和研磨或晶圓均勻性。例如，在圓形研磨墊之中央區內之每個接合部可具有4個研磨元件，而在其餘區內之每個接合部可具有3個研磨元件。再者，可以將該等研磨元件安排成形成開放通道或溝槽之方式，諸如圓形通道、X-Y通道、徑向通道、曲徑通道、或螺旋通道。此等視需要的通道之導入可促成大碎屑之移除且可能改良研磨或晶圓均勻性。
較佳者，研磨元件402的垂直高度和斜度係遍及所有元件皆一致者。較佳者，該高度和斜度係保持在晶格結構400內平均高度和斜度的20%的範圍內，更佳者，保持在平均高度和斜度的10%的範圍內，且甚至更佳者保持在平均高度和斜度的1%的範圍內。視需要地，可定期地使用裁切裝置，諸如刀、高速旋轉刀片或雷射，將研磨元件裁切到一致的高度。再者，該裁切刀片的直徑和速度可視需要以一角度裁切研磨元件以變更研磨表面。例如，以一角度裁切具有圓形橫截面的研磨元件將產生可與基材交互作用的研磨尖部之紋理。高度的一致性可確保具有晶格結構400的所有研磨元件402，以及在磨耗平面內的所有互連接觸元件都具有接觸工作件的潛力。事實上，因為工業CMP工具具有在晶圓上的不同位置施加不相等研磨壓力之機器，且因為在晶圓下產生的流體壓力足以引起晶圓偏離其精確水平且平行於該墊的平均水位之位置，所以某些研磨元件402可能不會接觸到晶圓。不過，於研磨墊104上發生接觸的任何區內，宜於讓儘可能多的研磨元件402具有足夠的高度以提供接觸。再者，由於研磨元件402的未受拱持端典型地會隨著研磨的動態接觸力學而彎曲，因此起使研磨表面部位典型地會磨耗以符合該彎曲角。例如，起始圓形頂部表面會磨耗而形成有角度的頂部表面且研磨中歷經的方向變化會造出多重磨耗圖型。
研磨元件402的尺寸和間距係經選擇以提供在墊與晶圓之間的高接觸表面，及充足的開放流動部位以讓漿液移除研磨碎屑。典型地，研磨元件402構成研磨晶格結構400中的小於80%之研磨墊體積。較佳地，研磨元件402構成研磨晶格結構400中小於75%之研磨墊體積。例如，典型地，研磨元件402佔有在研磨晶格400上測量的5至75%之研磨墊體積。經設計用於高接觸面積的研磨墊典型地佔有在平行於研磨墊的研磨表面或平台130之橫截面測量的40至80%之研磨墊體積。在下述目標之間有一內在的妥協：在晶格結構400的可取用空間中添加更多的研磨元件402可擴大總接觸面積，但減少流動面積，對漿液流動和和研磨碎屑移除造出更多的阻礙。本發明一項基本特徵在於研磨元件402要足夠細長且遠遠的相間隔以促成接觸面積和流動面積的有利平衡。依照此種平衡，研磨元件402的節距對研磨元件402的寬度之比例可以視需要地為至少2。於此等限制之下，研磨晶格400的接觸面積可達到50%或更大，且流動面積可為可用面積的50%或更大。典型地，研磨元件402係用來在低於墊的表面之下的位置收集或截留研磨碎屑。此特徵有助於經由將有害的碎屑截留在於研磨中不會接觸或刮到物件表面的位置而有助於缺陷率之減低。進一步可能者，研磨元件402高度對寬度的比例可以視需要為至少4，以使流動面積最大化，且允許研磨碎屑在研磨元件402之間水平地輸送同時仍可提供在此被輸送的碎屑與晶圓之間的垂直距離。
晶格結構400可經由將研磨元件402的橫截面形狀選擇成相對於主要發生於水平方向的漿液流為流線型而進一步最優化。為達到最低流體阻力的物體流線型化係一種充分建立的工程學科，且已形成部份例常地應用於航空器、船隻、汽車、自動推進武器、及其它在空氣或液體內或相對於空氣或液體移動的物體的設計中之科學。支配此等現今人類規模物體的的流體流動方程式可相同地應用於CMP墊巨結構或微結構的規模上。基本上，流線型化包括選擇不含陡急轉折的逐漸彎曲橫截面，使得外部流動路徑可繞著橫截面通過，而不會從表面分開及形成會消耗流體能量的循環渦流。根據此思慮，對於研磨元件402而言，圓形橫截面比正方形或長方形橫截面較為佳。研磨元件402形狀的進一步流線型化需要知悉漿液流的局部方向。由於墊和晶圓兩者都在轉動，漿液流可能從多種角度趨近研磨元件402。且對於一個趨近角度的正確流線型化對於另一個趨近角度會是次最佳者。對所有流體趨近方向都同等流線型化的唯一形狀為圓形橫截面，因此其於一般情況中係較佳者。若可以決定出最大流動方向，如在具有非常高的平台速度對載具速度比例之CMP程序的情況中者，更佳者為將研磨元件402的橫截面針對該方向流線型化。
研磨墊104包括互連多元件晶格結構400且可視需要包括一子墊(沒有顯示出)。要提及者，該晶格結構400可直接固著到研磨機的平台，如第1圖的平台130。該晶格結構400可用任何適當方式固著到子墊，諸如黏著劑黏合，如使用感壓性黏著劑層或熱熔性黏著劑、熱接合(bonding)、化學接合、超聲波接合等。基底層或子墊可作為用於附加研磨元件402之研磨基底。
有多種製造方法可用於晶格結構400。對於較大規模的網絡，此等包括微機削、雷射或流體注射蝕刻，與從起始固體物質移除材料的其他方法；及焦注雷射聚合、細絲擠壓、紡纖、優先光學固化、生物學生長，與在起始空虛體積內進行材料構建的其他方法。對於較小規模的網絡，可以採用結晶化、晶種聚合、平版印刷術、正型印刷、負型印刷或其他種優先材料沉積技術，以及電泳、相成核(phase nucleation)、或用於建立模板供後續材料自組合之其他方法。試驗業已證明立體平板印刷(stereolithography)可提供有效的晶格結構400製造方法。
晶格結構400的研磨元件402可用任何適當的材料製成，諸如聚碳酸酯、聚碸、尼龍(nylon)、聚醚、聚酯、聚苯乙烯、丙烯酸系聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚伸乙亞胺(polyethylene imines)、聚胺基甲酸酯、聚醚碸、聚醯胺、聚醚醯亞胺、聚酮、環氧樹脂、聚矽氧、彼等的共聚物(諸如，聚醚-聚酯共聚物)，及彼等的混合物。研磨元件402也可用非-聚合物材料製成，諸如陶瓷、玻璃、金屬、石料、木材、或單純材料的固相例如冰。研磨元件402也可用聚合物與一或多種非-聚合物材料的複合材料製成。
一般而言，用於研磨元件402的材料之選擇係受限於以所欲方式研磨一特別材料所製物件之適當性。類似地，隨意的子墊可用任何適當的材料製成，諸如上面對研磨元件402所提及的材料。研磨墊104可視需要包括固定具，其用於將該墊固著到研磨機的平台，如，第1圖的平台130。該固定具可為，例如，黏著劑層，諸如感壓性黏著劑層或熱熔性黏著劑；機械固定具、諸如鉤扣和扣環固定具(hook and loop fastener)的鉤扣和扣環部分。在本發明範圍內也包括佔據晶格結構400的一或多個空隙空間之一或多個光纖端點裝置或類似的透光裝置。
為了達到真實不變的接觸面積，任何所給多元件組合體的成員必須在頂點呈切線但不交截。此為第5圖中所顯示者。在沿著多元件組合體500的高度之任何高處，總潛在接觸面積為一元件502在水平面(即，平行於研磨平面者)內的橫截面面積乘以元件502的數目。在頂點510處會合的元件橫截面之任何重疊都會減低總潛在接觸面積。不過，實際上，為了良好的結構整體性，宜於在頂點510具有元件502的某些合併。此經顯示於第5A圖中。所以，此等特徵必須平衡以保持合理的接觸橫截面，同時促成在頂點的堅強接合。或者，可將元件502趨近頂點的末端512外展(flared)使得儘管彼等的橫截面有部份重疊，在水平面內的總呈現接觸面積都隨著高度呈大約固定。
本發明另一具體實例經顯示於第6圖和6A中，其中於每一多元件組合體中具有四個元件。晶格研磨紋理600(下文中有稱為晶格結構之情形)包括單位元606，每一單位元係由在一接合部或頂點604會合的四個元件602所組成。每一接合部或頂點604都分支到一組其他接合部604，而它們轉而分支到一更廣的組，依此類推。較佳地，該等研磨元件係在每一多元件接合部從排-至-排地排列。施加到該晶格結構600的頂部排之一接合部或頂點604的負載會分布到下面每一排中呈幾何地擴大的數目之接合部或頂點604。例如，於一個錐狀晶格結構600中，施加到頂部排上之一接合部或頂點604的負載會透過四個元件602傳遞到下一排的四個接合部或頂點604。從這些接合部或頂點的每一個，該負載會透過四個成員元，或總共十六個研磨元件602，傳遞到下一排的九個接合部或頂點604。從這九個接合部或頂點604，該負載會透過三十六個研磨元件602傳遞到下一排的十六個接合部或頂點604，且依此類推。此種負載分布的特徵使得晶格結構600整體具有所欲韌性，一種達到高平面化效率的有利條件。不過，在頂部排中，細長元件具有局部撓性且可促成與工作件的良好接觸與優良的缺陷率效能。
第7圖中顯示出具有六個成員的多元件組合體。組合體700係由在一接合部或頂點710會合的六個元件702所組成。類似於分別在第5圖和6中顯示的晶格結構500和600者，組合體700適合用於成排的配置，其中元件702係將其下端依靠在下面排的接合部或頂點710以提供透過該晶格的有利負載傳遞。
本發明提供將接觸力學與流體力學解耦合之優點。特別者，其允許研磨墊中有效之流體流動，而輕易的移除研磨碎屑。此外，其允許研磨元件的韌度、高度和節距之調整以控制與基材的接觸力學。再者，研磨元件的形狀允許減少或消除修整而增加研磨墊的壽命。最後，一致的橫截面面積允許多個基材，諸如經圖案化的晶圓，具有類似的研磨特性之研磨。
100．．．雙軸化學機械研磨(CMP)機
104．．．研磨墊
108．．．研磨層
110．．．研磨表面
112．．．半導體晶圓
116．．．被研磨表面
120．．．研磨介質
124．．．螺旋溝道
128．．．深度
130．．．平台
134,142．．．轉軸
138．．．晶圓載具
146．．．研磨介質分配入口
400．．．晶格研磨結構
402．．．研磨元件
404,604．．．接合部
406,606．．．單位元
500,700．．．多元件組合體
502,602．．．元件
510,710．．．頂點
512．．．趨近頂點的端
600．．．晶格研磨紋理
第1圖為適合用於本發明的雙軸研磨機的一部份之透視圖。
第2圖為本發明互連多元件晶格網絡在50X放大倍率下的俯視SEM照片；
第3圖為為本發明互連多元件晶格網絡在25X放大倍率下的俯視SEM照片；
第4圖為三排本發明互連多元件晶格網絡之示意圖，其中每接合部具有三個研磨元件，且為方便說明之目的將各排分隔開顯示；
第4A圖為第4圖的三排互連多元件晶格網絡之示意圖，其中諸研磨元件已在接合部連接；
第5圖為沒有交叉(intersecting)下形成一頂點的三個研磨元件之示意圖；
第5A圖為具有經改質的末端以形成一接合部或頂點的三個研磨元件之示意圖；
第6圖為三排本發明互連多元件晶格網絡之示意圖，其中每接合部具有四個研磨元件，且為了方便說明之目的將各排分隔開顯示；
第6A圖為第6圖的三排互連多元件晶格網絡之示意圖，其中四個研磨元件已在接合部連接；及
第7圖為沒有交叉下形成一頂點的六個研磨元件之示意圖。
400．．．晶格研磨結構
402．．．研磨元件
404．．．接合部
406．．．單位元

Claims (10)

  1. 一種用於在研磨介質存在下研磨選自磁性基材、光學基材和半導體基材之中的至少一者之研磨墊，其包括：a)複數個研磨元件，該等複數個研磨元件係於垂直方向上排列且具有第一和第二端；b)複數個接合部，係將該等研磨元件的第一和第二端在該複數個接合部的每一個之處與至少三個研磨元件連接且形成一排，每一排相當於在該等研磨元件的第一和第二端之間沿垂直方向的厚度；及c)一互連晶格結構，其係經由將連接該等研磨元件所用複數個接合部之接序排相連接所形成者。
  2. 如申請專利範圍第1項之研磨墊，其中該等接合部連接三到六個研磨元件。
  3. 如申請專利範圍第1項之研磨墊，其中該等研磨元件係與在每一接合部上方和下方的研磨元件排列成行。
  4. 如申請專利範圍第1項之研磨墊，其中每一研磨元件包括一系列梯臺(landings)。
  5. 如申請專利範圍第1項之研磨墊，其中該互連晶格無水平研磨元件。
  6. 一種用於在研磨介質存在下研磨選自磁性基材、光學基材和半導體基材之中的至少一者之研磨墊，該研磨墊包括：a)複數個研磨元件，該等研磨元件係於垂直方向上排列且具有第一和第二端； b)複數個接合部，係將該等研磨元件的第一和第二端在該複數個接合部的每一個之處與至少三個研磨元件連接且形成一排，每一排相當於在該等研磨元件的第一和第二端之間沿垂直方向的厚度，及c)一互連晶格結構，其係以該研磨元件透過多重接合部而於一固定方向上排列之方式經由將連接該等研磨元件所用複數個接合部之接序排相連接所形成者。
  7. 如申請專利範圍第6項之研磨墊，其中該等接合部連接三到六個研磨元件。
  8. 如申請專利範圍第6項之研磨墊，其中該等接合部連接三個研磨元件。
  9. 如申請專利範圍第6項之研磨墊，其中每一研磨元件包括一系列梯臺(landings)。
  10. 如申請專利範圍第6項之研磨墊，其中該互連晶格無水平研磨元件。
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