TWI453812B - 具有經控制之濕潤度之化學機械研磨墊 - Google Patents

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Description

具有經控制之濕潤度之化學機械研磨墊
總體而言，本發明係關於用於化學機械研磨之研磨墊之領域，更特定而言，本發明係關於具有可用於化學機械研磨磁性基材、光學基材及半導體基材之研磨結構之化學機械研磨墊。
在積體電路及其他電子裝置之建構中，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將其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：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)，及電化學鍍覆等。常用的移除技術包括濕式和乾式各向同性和各向異性蝕刻等。
隨著數層材料依序地沉積及移除，晶圓的最上表面會變成不平坦。因為後續的半導體加工(例如，金屬化)要求晶圓具有平坦的表面，所以晶圓需要平坦化處理。平坦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，以及污染的層或材料。
化學機械平坦化或化學機械研磨(CMP)是一種普遍使用於平坦化或研磨工作件(諸如半導體晶圓)之技術。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被安裝在CMP設備內的桌面或平台上之研磨墊之研磨層接觸。該載具組合件在該晶圓與研磨墊之間提供可控制的壓力。同時，將研磨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層之間的間隙內。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，晶圓會掃掠出呈典型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而被研磨且平坦化。
在過去十年內，CMP期間於研磨層、研磨介質與水表面之間的交互作用已成為漸增的研究、分析及進階數值模型的主題，以努力使研磨墊設計最優化。既然CMP為半導體製程之開端，大部分的研磨墊開發在本質上都是實驗性者，其涉及許多種不同的孔型和非孔型聚合物材料之試驗。大部分研磨表面或層的設計都聚焦於提供此等層各種微結構，或空隙區和實體區的圖案、及巨結構，或表面穿孔或溝槽的排列，據稱此等結構可增加研磨速率、改良研磨均勻性，或減少研磨缺陷(刮痕、坑洞、脫層區、及其他表面或表面下損壞)。多年以來，提出不少不同的微結構和巨結構來增強CMP性能。
就習用的研磨墊而言，墊表面“修整”或“修琢(dressing)”對於維持穩定研磨性能所需的均勻研磨表面而言具有關鍵性。隨著時間過去，研磨墊表面會磨損，研磨表面的微紋理會平滑化-一種稱為“砑光(glazing)”現象。砑光的起因為在墊與工作件之間的接觸點處之摩擦加熱與切變導致聚合物材料的塑性流動。此外，來自CMP程序的碎渣可能使表面空隙以及研磨液流經研磨表面所通過的微通道堵塞。在此現象發生時，CMP程序的研磨速率會減低，且此可能導致晶圓之間或晶圓之內的不均勻研磨。修整可在研磨表面上創造出新的紋理，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研磨表面而達到。修整盤具有的粗糙修整表面，其典型地包含埋置的鑽石凸點。修整盤係於化學機械研磨程序中的間歇暫停時點(場外，ex situ)或化學機械研磨程序進行時(場內，in situ)與研磨表面接觸。典型地，修整盤係於相對於研磨墊轉動軸而言為固定的位置轉動，且隨著研磨墊轉動，會掃掠過一環形修整區。如所述的修整程序會在墊表面內切割出微溝，磨蝕及掘除墊材料，而更新研磨紋理。
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，既有的CMP墊研磨紋理仍未達最優化。在實施CMP時的施壓下，習用CMP墊與典型工作件之間的實際接觸面積小-典型地僅為全部面對面積的數個百分比。此為習用習知表面修整的不夠精確性所直接造成，習用表面修整將結構的實體區域隨機地碎裂成碎片，留下一群具有各種形狀和高度的特徵或突點(asperities)，此等中僅最高者才能實際接觸工作件。因此，習用墊微結構不是最優者。
CMP中的缺陷形成之起源在於習用墊微結構的非最優化。例如，Reinhardt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。雖然尚未完全地了解確切的缺陷形成機制，不過一般已明瞭要減少缺陷形成必須減低工作件上的極端點應力。在所給定的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)研磨壓力下運作且所具有之於所有突點端部之實際接觸面積為2%之CMP製程，實際上會使工作件受到平均150psi(1MPa)的法向應力(normal stress)。此程度的應力足以引起表面及表面下的損害。
習用研磨墊微結構不是最優者，除了係因提供潛在的缺陷形成來源之外，亦因墊表面修整典型地不具確切的再現性。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；於其壽命期間，修整器的效用性因而會連續地改變。修整也為決定CMP墊的磨耗速率的重要因子。墊之約95%的磨耗來自鑽石修整器的磨蝕而僅有約5%來自與工作件之接觸之情形頗為常見。因此，改良的墊微結構，除了可減少缺陷之外，還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可自行更新之研磨表面，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，為了具有自行更新性，研磨表面必須為能使磨耗不會明顯改變實體區域形狀者。此最終需要實體區域不會受到足以引起實質程度的塑性流之連續切變和加熱，或將該實體區域建構成能以使切變和熱分佈到其他實體區域之方式回應該切變和加熱者。
CMP墊研磨結構除了必須達成低缺陷率之外，也必須達成良好的平坦化效率。習用墊材料需要在此兩種效能量度之間達到妥協，因為較低的缺陷率係經由使材料更軟且更順應而達到者，但此等性質之改變會損及平坦化效率。最終，平坦化需要剛硬的平坦材料；而低缺陷率需要較低剛硬度的保形性材料。因而難以用單一材料達成在此等量度之間所必需的妥協。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。雖然該等複合材料優於單層材料，不過尚未能開發出可同時達成理想的平坦化效率與零缺陷形成之材料。
因此之故，雖然就目前的CMP應用而言，已存在墊微結構和修整工具，但仍需要一種與工作件的實際接觸面積較高，且可減低或消除再紋理化的需要之CMP墊設計。此外，也需要將良好平坦化效率所需的剛硬結構與低缺陷率所需的剛硬度較低的保形結構加以組合的CMP墊結構。而且，於一些化學機械研磨操作中，需要一種具有不會被研磨介質濕潤之研磨表面之化學機械研磨墊。特定言之，就此等研磨操作而言，需要具有超疏水性紋理化表面的研磨墊，使得研磨期間產生的研磨碎屑在污染研磨表面之前，大部分可從研磨墊的研磨表面上除掉；如此，可以減少對於研磨表面之定期修整的需要。
於本發明一態樣中，提供一種用於研磨選自磁性基材、光學基材和半導體基材中之至少一種基材的化學機械研磨墊；其包括研磨層，該研磨層包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡的研磨元件；其中該研磨紋理包括在研磨元件子集上的複數個接觸區；其中該研磨紋理具有由下述方程式所定義之平均無因次粗糙度R：R=(1-C)/(1+N)式中，C為該複數個接觸區之平均接觸面積對該研磨元件子集之平均水平投影面積的比例且N為該研磨元件子集之平均非接觸面積對該平均水平投影面積的比例；其中該研磨紋理之平均無因次粗糙度係在0.01與0.75之間；且其中將該研磨紋理調整成適用於研磨該基材。
於本發明另一方面中，提供一種研磨基材之方法，其包括：提供選自磁性基材、光學基材和半導體基材中之至少一種基材；提供具有研磨層之化學機械研磨墊，該研磨層包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡的研磨元件；其中該研磨紋理包括在該等研磨元件上的複數個接觸區；其中該研磨紋理具有由下述方程式所定義之平均無因次粗糙度R：R=(1-C)/(1+N)式中C為該複數個接觸區之平均接觸面積對該研磨元件子集之平均水平投影面積的比例且N為該研磨元件子集之平均非接觸面積對該平均水平投影面積的比例；其中該研磨紋理之平均無因次粗糙度係在0.01與0.75之間；且其中將該研磨紋理調整成適用於研磨該基材；及在該化學機械研磨墊與該基材之間的界面處產生動態接觸。
 (發明詳細說明)
術語“投影面積”用於本文和後附申請專利範圍時，係指平行於化學機械研磨墊研磨表面之水平面中被研磨元件或其部分區段(subsection)所佔據的的總面積。投影面積包括研磨元件實體性地佔據之水平面內之面積(後文中稱為“接觸面積”)及在該水平面內該研磨元件與任何毗鄰研磨元件間的任何未佔用空間。
術語“接觸面積”用於本文和後附申請專利範圍時，係指於研磨元件實體性地佔據之水平面內研磨元件之總投影面積之子集。
術語“非接觸面積”用於本文和後附申請專利範圍時，係指在該水平平面之外的研磨元件，例如對該水平面成一角度的研磨元件，之總表面積。
術語“纖維形態”用於本文和後附申請專利範圍時，係指一相的形態，其中該相域(phase domain)具有三維形狀，其中一維遠比其他兩維大。
術語“研磨介質”用於本文和後附申請專利範圍時，涵蓋含有粒子的研磨溶液和不含粒子的溶液，諸如無磨蝕料且具反應性的液體研磨溶液。
術語“實質圓形”，用於本文和後附申請專利範圍描述研磨元件時，意指就該橫截面而言，橫截面之半徑r在≦20%之範圍內變化。
術語“實質圓形橫截面”，用於本文和後附申請專利範圍中描述研磨表面時，意指從中心軸到研磨表面外緣之橫截面半徑r，就該橫截面而言，在≦20%之範圍內變化(參閱第6圖)。
於本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨墊包含具交互貫穿網絡的研磨層，其中該交互貫穿網絡包含連續的易變相(non-fugitive phase)及實質共-連續的易變相；且其中該研磨層具有經調整而適用於該研磨基材的研磨表面。於此等具體實施例的一些態樣中，該易變相不含研磨粒(如氧化鈰、氧化鎂、氧化矽、氧化鋁、氧化鋯)。於此等具體實施例的一些態樣中，該易變相不含醫藥活性物。於此等具體實施例的一些態樣中，該易變相不含農業活性物(如肥料、殺蟲劑、殺草劑)。於此等具體實施例的一些態樣中，該交互貫穿網絡為交互貫穿聚合物網絡。
於本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨墊具有調整成適用於研磨選自磁性基材、光學基材和半導體基材中之基材之研磨紋理。於此等具體實施例的一些態樣中，該化學機械研磨墊具有調整成適用於研磨選自磁性基材之基材之研磨紋理。於此等具體實施例的一些態樣中，該化學機械研磨墊具有調整成適用於研磨選自光學基材中之基材之研磨紋理。於此等具體實施例的一些態樣中，該化學機械研磨墊具有調整成適用於研磨選自半導體基材中之基材之研磨紋理。
於本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨墊包括研磨層，其包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡的研磨元件；其中該研磨紋理包括在研磨元件子集上的複數個接觸區；其中該研磨紋理具有由下述方程式所定義之平均無因次粗糙度R R=(1-C)/(1+N)式中，C為該複數個接觸區之平均接觸面積對該研磨元件子集之平均水平投影面積的比例且N為該研磨元件子集的平均非接觸面積對該平均水平投影面積的比例；其中該研磨紋理之平均無因次粗糙度係在0.01與0.75之間；且其中將該研磨紋理調整成適用於研磨該基材。於此等具體實施例的一些態樣中，該研磨紋理之無因次粗糙度係在0.03與0.50之間。於此等具體實施例的一些態樣中，該研磨紋理之無因次粗糙度係在0.06與0.25之間。
於本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨墊包括研磨層，該研磨層包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡的研磨元件；其中該研磨紋理包括在研磨元件之子集上的複數個接觸區；其中具有接觸區之研磨元件之子集中有≧90%展現接觸面積在平均接觸面積±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現接觸面積在平均接觸面積±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中 有≧99%展現接觸面積在平均接觸面積±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現接觸面積在平均接觸面積±5%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧99%展現接觸面積在平均接觸面積±5%之內。
於本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨墊包括研磨層，其包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡之研磨元件；其中該研磨紋理包括在研磨元件子集上的複數個接觸區；其中具有接觸區之研磨元件之子集中有≧90%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧99%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±5%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧99%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±5%之內。
於本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨墊包括研磨層，其其包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡的研磨元件；其中該研磨紋理包括在研磨元件之子集上的複數個接觸區；其中具有接觸區之研磨元件之子集中有≧90%展現接觸面積在平均接觸面積±10%之內；其中具有接觸區之研磨元件之子集中有≧90%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現接觸面積在平均接觸面積±10%之內；其中具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現接觸面積在平均接觸面積±10%之內；其中具有接觸區之研磨元件之子集中有≧95%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±10%之內。於此等具體實施例的一些態樣中，具有接觸區之研磨元件之子集中有≧99%展現接觸面積在平均接觸面積±5%之內；其中具有接觸區之研磨元件之子集中有≧99%展現與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在平均間距±5%之內。
於本發明一些具體實施例中，該研磨元件之子集的接觸區係選自正方形橫截面、矩形橫截面、菱形橫截面、三角形橫截面、圓形橫截面、卵形橫截面、六角形橫截面、多角形橫截面及不規則形橫截面。
於本發明一些具體實施例中，該等接觸區的形狀之選擇可以用來增強研磨墊的研磨表面之疏水性。於此等具體實施例的一些態樣中，該等接觸區的形狀係選擇能使研磨元件子集的接觸區之周長最大化者。據信在一些應用中，較大的接觸區周長可以提供更具疏水性的研磨表面。
於本發明一些具體實施例中，該等網狀化網絡包含複數個單位格子(unit cell)，其中該複數個單位格子具有平均寬度和平均長度，且其中該單位格子的平均寬度係≦該單位格子的平均長度。於此等具體實施例的一些態樣中，該單位格子的平均長度係≧該單位格子的平均寬度之2倍。於此等具體實施例的一些態樣中，該單位格子的平均長度係≧該單位格子的平均寬度之3倍。於此等具體實施例的一些態樣中，該單位格子的平均長度係≧該單位格子的平均寬度之5倍。於此等具體實施例的一些態樣中，該單位格子的平均長度係≧該單位格子的平均寬度之10倍。於此等具體實施例的一些態樣中，該單位格子的平均長度係≧該單位格子的平均寬度之15倍。於此等具體實施例的一些態樣中，≧90%的該等單位格子具有在該平均寬度±10%內之寬度且其中≧90%的該等單位格子具有在該平均長度±10%內之長度。於此等具體實施例的一些態樣中，≧95%的該等單位格子具有在該平均寬度±5%內之寬度且其中≧95%的該等單位格子具有在該平均長度±5%內之長度。
於本發明一些具體實施例中，該研磨基材之方法包括：提供選自磁性基材、光學基材和半導體基材中之至少一種基材；提供具有研磨層之化學機械研磨墊，該研磨層包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡的研磨元件；其中該研磨紋理包括在該等研磨元件上的複數個接觸區；其中該研磨紋理具有由下述方程式所定義之平均無因次粗糙度R：R=(1-C)/(1+N)
式中，C為該複數個接觸區之平均接觸面積對該研磨元件子集之平均水平投影面積的比例且N為該研磨元件子集之平均非接觸面積對該平均水平投影面積的比例；其中該研磨紋理之平均無因次粗糙度係在0.01與0.75之間；且其中將該研磨紋理調整成適用於研磨該基材；及在該化學機械研磨墊與該基材之間的界面產生動態接觸。於此等具體實施例的一些態樣中，該方法進一步包括：在該研磨紋理與該基材之間的界面提供研磨介質。於此等具體實施例的一些態樣中，該研磨紋理係被設計成展現足夠高的平均無因次粗糙度以將該研磨介質穿透該研磨層的程度限制在小於該研磨層高度的10%。於此等具體實施例的一些態樣中，該研磨紋理係被設計成展現足夠高的平均無因次粗糙度以將該研磨介質穿透該研磨層的程度限制在小於該研磨層高度的5%。於此等具體實施例的一些態樣中，該研磨紋理係被設計成展現足夠高的平均無因次粗糙度以將該研磨介質穿透該研磨層的程度限制在小於該研磨層高度的2%。於此等具體實施例的一些態樣中，該研磨紋理係被設計成展現足夠高的平均無因次粗糙度以將該研磨介質穿透該研磨層的程度限制在小於該研磨層高度的1%。
參照圖式，第1圖概括性地說明適合使用本發明研磨墊104的雙軸化學機械研磨(CMP)機100。該研磨墊104通常具有研磨層108，其具有面接物件(諸如半導體晶圓112(經處理過或未經處理過者)，或其他工作件如玻璃、平面顯示器或磁性資料儲存碟)的研磨表面110，以在研磨介質120的存在下實行該工作件的被研磨表面116之研磨。研磨介質120移動通過具有深度128的視需要而設置之螺旋溝道124。
本發明概括地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係由一系列類似或相同的巨觀或微觀細長元件形成，該等細長元件以三維互連以使該網絡剛硬化而對抗切變和彎曲。較佳地，該等元件具有微觀三維尺寸以產生微紋理。與使用習用研磨墊所達成者相較，此等特徵(feature)被證實可提供更高的墊與晶圓間實際接觸面積且在墊與晶圓之間提供更有利的研磨漿液流動模式，以及提供自行更新結構而可減少對墊修整的需求。此外，此等特徵顯示其運作方式為：在長度尺(lengthscale)賦與該墊達到良好平坦化效率所需之剛硬性，同時在較短長度尺賦與低缺陷率所需之順應性。
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可具有萬向聯結(gimbaled linkage)(沒有顯示出)之特徵，其可使晶圓112採取與研磨層108些微不平行之方位，於此情況中，轉軸134、142可能呈些微的歪斜。晶圓112包括面對研磨層108且在研磨中被平坦化的被研磨表面116。晶圓載具138可由被被調整成適合轉動晶圓112之載具承載組合件(沒有顯示出)所承載，且提供向下的壓力F以將被研磨表面116壓抵研磨層108，使得在研磨期間於被研磨表面與研磨層之間存在所需的壓力。研磨機100也可包括研磨介質分配器146，以將研磨介質120供給至研磨層108。
如熟諳此技藝者所了解者，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)用於控制晶圓112與研磨墊104中之一者或兩者之轉速的速度控制器及選擇器；(2)用於改變研磨介質120對墊的遞送速率及位置的控制器及選擇器；(3)用於控制施加在晶圓與研磨墊之間之壓力F的控制器及選擇器；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、致動器和選擇器等。熟諳此技藝者皆了解如何構建與執行此等組件，以致對於熟諳此技藝者要了解和實施本發明而言，不需要詳細解說此等組件。
於研磨期間，研磨墊104及晶圓112係繞著其個別的轉軸134、142轉動且從研磨介質分配器146將研磨介質120分配到轉動的研磨墊上。研磨介質120散布在研磨層108之上，包括在晶圓112正下方與研磨墊104之間的間隙。研磨墊104與晶圓112典型地，但非必須地，以0.1rpm到150rpm的選定速率轉動。在晶圓112與研磨墊104間之壓力F典型地，但非必須地選自0.1psi至15psi(6.9至103kPa)的壓力。如熟諸此技藝者所認知者，可將研磨墊建構成網格式或所具直徑小於被研磨基材之直徑之研磨墊。
參照第2及3圖，更詳細地說明第1圖之研磨墊104，特別是關於表面研磨紋理200。對照於習用CMP墊中表面紋理或突點係材料移除或改形程序(即修整)的殘餘物，研磨紋理200係被組建成為一系列具有明確幾何特徵之相同或類似的研磨元件204及208。為闡釋目的，將研磨紋理200顯示成為由實質垂直元件208和實質水平元件204所組成，但非必須為此情況。研磨紋理200相當於許多此等各具有平均寬度210和平均接觸面積(即橫截面積)222之研磨元件204及208，該等元件係以平均間距218相隔開。此外，元件204、208之互連網絡具有平均高度214和平均半高度215。研磨紋理200實際上為一組六面體單位格子(亦即一種空間單位，其中(六面的)各面為正方形或長方形且實體成員僅存在於該空間單位的邊緣，而各面的中央及該空間單位的中央則係完全空的。
元件208的平均高度214對平均寬度210比為至少0.5。較佳者，該平均高度214對平均寬度210比為至少0.75且最佳者為至少1。視需要地，該平均高度214對平均寬度210之比可為至少5或至少10。隨著平均高度的增加，要在研磨期間使研磨元件208之網絡變得剛硬所需的互連元件204之數目也增加。一般而言，僅有突出超過最上面的互連元件204之元件208的未受限制端才能在研磨 期間於切變力之下自由地撓曲。在基底層240與最上面互連元件204之間的元件208高度極受限制且施加在任一元件208的力可由許多毗鄰的元件204及208有效地攜載，此類似橋桁架或外部扶壁。以此方式，研磨紋理200於長度尺具有良好平坦化效率所需之剛硬性，但藉由元件208的未受扶持端之局部變形性和撓性在較短長度尺具有局部順應性。
互連元件204和研磨元件208組合成單位格子225，該單位格子225具有平均寬度227和平均長度229。此等單位格子具有網狀化或開孔結構，其組合成三維網絡。於此等具體實施例的一些態樣中，該研磨層包括具有至少三個單位格子，較佳至少10個單位格子之平均厚度的互連網絡。通常，增加研磨層的高度(即研磨層的厚度)會增加研磨墊的壽命及其整體剛硬性，後者有助於改良平坦化。
於本發明一些具體實施例中，該等單位格子的平均寬度227係等於或小於該等單位格子的平均長度229。於此等具體實施例的一些態樣中，該等單位格子的平均長度229係≧該等單位格子的平均寬度227之2倍。於此等具體實施例的一些態樣中，該等單位格子的平均長度229係≧該等單位格子的平均寬度227之3倍。於此等具體實施例的一些態樣中，該等單位格子的平均長度229係≧該等單位格子的平均寬度227之5倍。於此等具體實施例的一些態樣中，該等單位格子的平均長度229係≧該等單位格子的平均寬度227之10倍。於此等具體實施例的一些態樣中， 該等單位格子的平均長度229係大於或等於該等單位格子的平均寬度227之2倍且小於該等單位格子的平均寬度227之15倍。
於第2和3圖所示之具體實施例中，接觸面積比C為平均接觸面積222除以單位投影面積，該單位投影面積等於間距218的平方。比例N中所用的非接觸面積為三種成分的和：(a)於各直立元件208超出最上面互連元件204之個別高度207範圍內各直立元件208的垂直表面，(b)接觸元件206的垂直表面，和(c)最上面的互連元件204之頂部水平面積和側垂直面積。可認知者，此等非接觸面積係展現於從上方碰觸研磨紋理200之液體的面積的總稱。
元件208之平均高度對平均寬度比高之優點在於平均接觸面積(即，橫截面面積)222的總研磨表面面積可長期保持恆定。如第2圖中所示者，在研磨層202的壽命之任何時點，雖然研磨紋理200的大部份接觸面積係由直立元件208的平均接觸面積(即，橫截面)222所組成，不過一些互連元件204之全部或部份也會處於磨耗過程中，此等被特別稱為接觸元件206。較佳者，將互連元件204的垂直位置錯開使得在研磨期間的任何給定時點平行於基底層240的磨耗僅碰觸小部份互連元件204，且此等接觸元件206係構成總接觸面積的小部分。此可用來研磨數個具有類似的研磨特性之基材且減少或免除定期修琢或修整該墊之需要。此種在修整上的減少可延長墊的壽命及降低操作成本。再者，視需要引進貫穿該墊之穿孔、視需要引進導 線溝槽或視需要納入導體，諸如傳導性纖維、傳導性網絡、金屬柵格或金屬線，可將該墊轉變成eCMP(“電化學機械平坦化”)研磨墊。
視需要地，可將研磨料粒子或纖維固著到研磨元件204及208上。
於本發明一些具體實施例中，在個別元件204或208內沒有空隙體積存在；亦即，研磨紋理200內的所有空隙體積較佳地係存在於研磨元件204及208之間且確實地在其外部。
於本發明一些具體實施例中，研磨元件204及208可具有中空或孔型結構。
於本發明一些具體實施例中，研磨元件208係剛性地固定在基底層240的一端，此維持間距218且將研磨元件208維持成實質直立取向。元件208的取向更經由在連接毗鄰研磨元件204及208的接合部209處的互連元件204維持。接合部209可包括黏著劑或化學鍵結以固著元件204及208。較佳地，接合部209代表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208的寬度210和間距218，對所有元件208而言從接合部209的端至端係一致或近乎一致，或者對研磨元件208之子群而言為一致者。例如，較佳者有≧95%，更佳者≧99%的研磨元件208所具寬度210和間距218，在接觸元件206與半高215之間的研磨層202內，分別保持在平均寬度或間距±50%之內。又更佳者 ≧95%，仍又更佳者≧99%的研磨元件208所具寬度210和間距218，在接觸元件206與半高215之間的研磨層202內，分別保持在平均寬度或間距±20%之內。最佳者，≧95%的研磨元件208所具寬度210和間距218，在接觸元件206與半高215之間的研磨層202內，分別保持在平均寬度或間距±10%之內。特別者，將毗鄰接合部209之間的研磨元件204與208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，該墊在毗鄰接合部209之間將橫截面面積變化維持±20%之內且最佳者在±10%之內。再者，研磨元件204與208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208的平均接觸面積(即，橫截面面積)222在垂直方向不會顯著地變化。如此，隨著研磨元件208在研磨期間的磨耗及高度214的減小，呈現給晶圓的接觸面積222變化極微。此種接觸面積222的一致性提供一致的研磨紋理200且對重覆的研磨操作提供一致性研磨。例如，該均勻結構允許在未調整工具設定下研磨多個圖案化晶圓。就本說明書之目的而言，研磨表面或紋理200代表研磨元件204及208沿著平行於研磨表面的平面所測得的表面積。較佳者，研磨元件208的總接觸面積222在初始研磨表面或接觸元件206與單位格子225之垂直圓柱的半高215之間保持±25%之內。最佳者，研磨元件208的總接觸面積222在初始研磨表面與單位格子225之垂直圓柱的半高215之間保持±10%之內。如前文所提及者，更佳者為，互連元件204的垂直位置係錯 開者以使隨著元件磨耗的總橫截面面積變化最小化。
視需要地，可以將元件208排列成相隔的數個研磨元件群組-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群組。在每一群組內，較佳者要含有互連元件204以維持元件208之群組的間隔和有效剛硬度。此外，可以調整不同區內的研磨元件204或208之密度以微調移除速率和研磨或晶圓均勻性。再者，視需要可以使研磨紋理200中形成開放通道(諸如圓形通道、X-Y通道、徑向通道、曲徑通道、或螺旋通道)之方式排列該等研磨元件。此等視需要設置之通道之引進利於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208的高度214係遍及所有元件皆一致者。較佳者，該高度214在研磨元件208內係保持在平均高度之20%之範圍內，更佳者，保持在平均高度的10%之範圍內，且甚至更佳者保持在平均高度的1%之範圍內。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，將研磨元件裁切成一致的高度。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產生具有可與基材交互作用之研磨尖部之紋理。高度的一致性可確保所有具有研磨紋理200的研磨元件208，以及在磨耗平面內的所有互連接觸元件206都具有接觸工作件的可能性。事實上，因為工業用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構且因為在晶圓下產生的流體壓力足以引起晶圓偏離精確水平且平行於該墊的平均水平之位置，所以一些研磨元件208可能不會接觸到該晶圓。不過，於研磨墊104上不發生接觸的任何區內，宜讓儘可能多的研磨元件208具有足夠的高度以提供接觸。再者，由於研磨元件208的未受扶持端典型地會隨著研磨的動態接觸機械力而彎曲，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期間歷經的方向變化會建構成多重磨耗圖型。
如第2圖所示者，研磨墊104包括研磨層202且可另外包括子墊片250。要提及者，該子墊片250係不需要者且可將研磨層202通過基底層240直接固著到研磨機的平台，即第1圖的平台130。研磨層202可通過基底層240以任何適當方式固著到子墊片250，諸如黏著劑黏合，如使用感壓性黏著劑層245或熱熔性黏著劑、熱黏合、化學黏合、超聲波黏合等。基底層240或子墊片250可作為供研磨元件208附接之研磨基底。較佳地，研磨元件208的基底部份係延伸到基底層240之內。
有多種製造方法可用於研磨紋理200。對於較大規模的網絡，此等包括微機削(micromaching)、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；及聚焦雷射聚合、細絲擠壓、紡纖、優先光學固化、生物生長，與在初始空洞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、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。
微結構200的研磨元件204及208及基底層240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、聚胺基甲酸酯、聚醚碸、聚醯胺、聚醚醯亞胺、聚酮、環氧樹脂、聚矽氧類、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204及208及基底層240也可用非-聚合物材料製成，此等非聚合物材料諸如陶瓷、玻璃、金屬、石料、木材、或單純材料的固相例如冰。研磨元件204及208及基底層240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204及208及基底層240的材料之選擇係受限於以期望方式研磨特定材料所製物件之適當性。類似地，子墊片250可用任何適當的材料製成，諸如上面對研磨元件204及208所提及的材料。研磨墊104可視需要包括將該墊固著到研磨機的平台(如，第1圖的平台130)的固定具。該固定具可為，例如，黏著劑層，諸如感壓性黏著劑層245或熱熔性黏著劑、機械固定具、諸如鉤環固定具(hook and loop fastener)的鉤或環部分。在本發明範圍內也包括佔據研磨紋理200的一或多個空隙空間之一或多個光纖端點裝置270或類似的傳輸裝置。
第4圖的研磨紋理300例示說明本發明涵蓋開放互連網絡，其包括位於從完全水平到完全垂直的所有角度之元件。引伸而言，本發明涵蓋細長元件的完全無規陣列，其中對於研磨紋理內的空隙空間沒有明確重複的尺寸或形狀，或其中有許多元件係高度彎曲、分枝或糾纏者。如同微結構般也落於本發明範圍內的熟悉影像為橋桁架、巨分子的棍模型、與互連的人類神經細胞。於每一情況中，該結構必須擁有相同的關鍵特徵，亦即在三維中存在著充分的互連以使整體網絡變剛硬；網絡在水平面中從頂部表面的磨耗會產生細長元件，該細長元件具有局部未受扶持端而於短長度提供對於工作件的順應性；及該等元件的長度對寬度之比符合前述幾何限制。
參照第4圖，符合本發明之第1圖之研磨墊104之第二具體實施例係以第4圖的側視橫截面圖所示之另一表面研磨紋理300來說明，該研磨紋理300具有在研磨層302內之類似不對稱互連網狀化單位格子圖案。類似於第2圖的墊，黏著劑層345將基底層340固著到視需要設置的子墊片350；且視需要包括端點裝置370。研磨紋理300包含元件304及308。研磨紋理300在至少兩方面不同於第2圖的研磨紋理200。第一，研磨紋理300的元件308不是嚴格地垂直配置而是與基底層340及水平平面呈介於45與90度之間的多種角度來配置，且有少數元件308係微彎曲而非挺直者。而且，互連元件304不是全部都是水平者而是以與基底層340及水平平面呈介於0與45度之間的角度來配置。就此而論，研磨紋理300係由單位格子所組成，但該等格子在形狀上與面的數目上都有所變化。儘管有此等特徵，元件308的高度314在研磨層或研磨元件306與研磨紋理300的半高度315間的研磨紋理300內沒有實質地變化。第二，在該等元件304和308之中，於寬度310、間距318及接觸面積(即，在研磨表面的平面內之橫截面面積)322方面之變化中並未比研磨元件208的對應參數的變化大。但是，研磨紋理300仍體現本發明在元件306形成研磨表面的情況下之基本性質。特別者，元件304和308在接合部309互連，形成互連程度足以賦予整體研磨紋理充足剛硬性的三維互連網絡，同時元件308的未受扶持端提供符合工作件的局部撓性。
於第4圖所示之具體實施例中，接觸面積比例C為平均接觸面積322除以單位投影面積，該單位投影面積等於平均間距318的平方。因為間距318和接觸面積322具高度可變性，所以C較佳地係以涵蓋許多接觸元件之較大部位之平均值來計算，於此情況中，C為許多接觸面積322的總和對包含接觸面積322的研磨紋理300之水平投影面積的比例。在比例N中所用的非接觸面積為三種成分的和：(a)在各直立元件308超出最上面互連元件304之個別高度307範圍內各直立元件308的垂直表面，(b)接觸元件306的垂直表面，和(c)最上面的互連元件304之頂部水平面積及側垂直面積。可認知者，此等非接觸面積係展現於從上面碰觸研磨紋理300之液體之面積的總稱。
本發明另一具體實施例顯示於第5圖中且係由研磨層402所組成，該研磨層402具有元件404與408的規則間隔互連四面體格子。所有元件404和408於接合在接合部409處的長度和寬度都顯示相同，惟非必須如此。於所示具體實施例中，單位格子為規則的四面體，其中(四面中的)每一面都是等邊三角形，其邊長為該網絡的間距418，且具有寬度410的實體成員僅出現於該空間單位的四個邊，使得每一三角形面的中心及空間單位的中心全為中空的。因為四面體格子的對稱性，所以第5圖的側橫截面和平面圖會形成相同的網狀化圖樣。此種研磨紋理可提供最高可能的剛硬度，因為具三角形面的多面體係無法變形的。隨著結構體的磨耗，在元件408上會形成自由端而提供局部可變形性與對工作件的順應性。於第5圖所示之具體實施例中，係在稍微呈楔形的基底層440上構造出四面體網絡使得該網絡上沒有平面係經配置成正好平行於與晶圓接觸的平面。於一給定時點，只有成員406子集會沿著其最長維度(dimension)發生磨耗，而大部份的接觸面積係由於較短維度進行磨耗之元件之接觸面積(即研磨表面的平面中之橫截面面積)422所提供。此提供「使接觸面積沿著在研磨層或研磨元件406與研磨紋理400的半高415之間的高度414之範圍內基本上保持不改變」之特徵。視需要地，基底層440係成梯狀者使得係由重複的楔形段系列支撐該網絡。第5圖中所示之結構體大約為重複單位。類似於第2圖2墊，黏著劑層445使基底層440固著於視需要設置的子墊片450；且視需要地包括端點裝置470。
於第5圖所示之具體實施例中，接觸面積比C為平均接觸面積422除以單位投影面積，該單位投影面積等於間距418的平方之0.433倍，亦即，具有邊長等於間距418的等邊三角形之面積。比例N中所用的非接觸面積為三種成分的和：(a)在各直立元件308超出最上面互連元件304之個別高度307範圍內各直立元件308的垂直表面，(b)接觸元件406的垂直表面，和(c)最上面的互連元件404之頂部水平面積和側垂直面積。可認知者，該非接觸面積係展現於從上面碰觸研磨紋理300之液體之面積的總稱。
於本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨墊具有一中心軸且經調調整成繞著該中心軸旋轉。例如，第6圖提供本發明一具體實施例的化學機械研磨墊之側透視圖。特別者，第6圖繪示出單層化學機械研磨墊510。該化學機械研磨墊510具有研磨表面514和中心軸512。該研磨表面514具有實質圓形的橫截面，其具有半徑r，半徑r係從該中心軸512到在對該中心軸512呈一角度θ的平面內之研磨表面515的外緣。於此等具體實施例的一些態樣中，研磨墊510係在實質垂直於該中心軸512的平面之內。於此等具體實施例的一些態樣中，研磨墊510係在對該中心軸512呈一80至100°的角度θ之平面內。於此等具體實施例的一些態樣中，研磨墊510係在對該中心軸512呈85至95°的角度θ之平面內。於此等具體實施例的一些態樣中，研磨墊510係在對該中心軸512呈89至91°的角度θ之平面內。於此等具體實施例的一些態樣中，研磨墊510具有研磨表面514，該研磨表面514具有垂直於該中心軸512的實質圓形橫截面。於此等具體實施例的一些態樣中，垂直於該中心軸512的研磨表面514之橫截面的半徑r，就該橫截面而言，係在≦20%內變化。於此等具體實施例的一些態樣中，垂直於該中心軸512的研磨表面514之橫截面的半徑r，就該橫截面而言，係在≦10%內變化。
於第6圖中，提供本發明一具體實施例的化學機械研磨墊之側透視圖。特別者，第6圖繪示出單層化學機械研磨墊510。該化學機械研磨墊510具有研磨表面514和一中心軸512。該研磨表面514具有實質圓形的橫截面，其具有半徑r，該半徑r從該中心軸512到在對該中心軸512呈一角度θ的平面內之研磨表面的外緣515。
100．．．研磨機
104、510．．．研磨墊
108、202、302、402．．．研磨層
110、514．．．研磨表面
112．．．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．．．研磨墊轉軸
138．．．晶圓載具
142．．．晶圓轉軸
146．．．研磨介質分配器
200、300、400．．．研磨紋理
204．．．互連元件(實質水平元件)
206、306、406．．．接觸元件
207．．．各直立元件208超出最上面互連元件204之個別高度
208．．．直立元件(實質垂直元件)
209、309、409．．．接合部
210．．．元件208的平均寬度
214．．．元件208的平均高度
215．．．元件208的平均半高度
218、318、418．．．間距
222．．．平均接觸面積
225．．．單位格子
227．．．單位格子225的平均寬度
229．．．單位格子225的平均長度
240、340、440．．．基底層
245、345、445．．．黏著劑層
250、350、450．．．子墊片
270、370、470．．．光纖端點裝置
304、404．．．互連元件
307．．．各直立元件308超出最上面互連元件304之個別高度
308、408．．．直立元件
310．．．元件308之寬度
314．．．元件308之高度
315．．．元件308之半高度
322、422．．．接觸面積
407．．．各直立元件408超出最上面互連元件404之個別高度
410．．．元件408之寬度
414．．．元件408之高度
416．．．元件408之半高度
512．．．中心軸
515．．．研磨表面之外緣
r．．．半徑
第1圖為適合使用本發明化學機械研磨墊的雙軸研磨器之一部份之立體圖。
第2圖為本發明之一具體實施例的化學機械研磨墊之高度放大、部分、示意、橫截面正視圖。
第3圖為第2圖研磨墊的高度放大、部分、示意、平面圖。
第4圖為本發明之一具體實施例的化學機械研磨墊之高度放大、部分、示意、橫截面正視圖。
第5圖為本發明之一具體實施例的化學機械研磨墊之高度放大、部分、示意、橫截面正視圖。
第6圖為本發明之一具體實施例的化學機械研磨墊之側視立體圖。
200．．．研磨紋理
202．．．研磨層
204．．．互連元件(實質水平元件)
206．．．接觸元件
207．．．各直立元件208超出最上面互連元件204之個別高度
208．．．直立元件(實質垂直元件)
209．．．接合部
210．．．元件208的平均寬度
214．．．元件208的平均高度
215．．．元件208的平均半高度
218．．．間距
222．．．平均接觸面積
225．．．單位格子
227．．．單位格子225的平均寬度
229．．．單位格子225的平均長度
240．．．基底層
245．．．黏著劑層
250．．．子墊片
270．．．光纖端點裝置

Claims (11)

  1. 一種用於研磨選自磁性基材、光學基材和半導體基材中之至少一種基材的化學機械研磨墊；其包括：研磨層，其包含複數個形成具有研磨紋理之三維網狀化網絡的研磨元件；其中，該三維網狀化網絡係多個互連之研磨元件之互連網絡，該研磨元件包括水平元件(204)及垂直元件(208)，其中各該研磨元件具有平均寬度(210)和平均接觸面積(222)，其中該研磨元件係以平均間距(218)相隔開，其中該互連網絡具有平均高度(214)和平均半高度(215)，該垂直元件(208)的平均高度(214)對平均寬度(210)比為至少0.5，其中該互連之研磨元件(204和208)組合成一組六面體單位格子(225)，其中該六面體單位格子具有平均寬度(227)和平均長度(229)，其中各六面體單位格子具有六個面及中央空間單元，其中各面為具有中央及四個邊緣的正方形或長方形，其中各邊係對應至研磨元件(204或208)，其中各面之該中央及該中央空間單元為空的，其中該六面體單位格子具有組合成三維網絡之網狀化結構，其中該研磨層包括具有至少三個六面體單位格子之平均厚度的互連網絡，其中該六面體單位格子的平均寬度(227)係等於或小於該等六面體單位格子的平均長度(229)，其中該研磨紋理包括在研磨元件(208)之子集上的複數個接觸區； 其中該研磨元件(208)之該子集係由在該研磨層之研磨表面具有接觸區(222)之該研磨元件(208)所組成，其中該研磨紋理具有由下述方程式所定義之平均無因次粗糙度R：R=(1-C)/(1+N)式中，C為該研磨元件(208)之子集之該平均接觸面積(222)對該研磨元件(208)之子集之平均水平投影面積的比例，且N為該研磨元件(208)之子集之平均非接觸面積對該平均水平投影面積的比例；其中該研磨紋理之平均無因次粗糙度係在0.01與0.75之間；以及其中將該研磨紋理調整成適用於研磨該基材。
  2. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊，其中該具有接觸區之研磨元件之子集中有90%展現接觸面積在該平均接觸面積±10%之內。
  3. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊，其中該具有接觸區之研磨元件之子集中有90%展現：與具有接觸區之毗鄰研磨元件的間距在該平均間距±10%之內。
  4. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊，其中該具有接觸區之研磨元件之子集中有90%展現接觸面積在該平均接觸面積±10%之內；且其中該具有接觸區之研磨元件之子集中有90%展現：與毗鄰具有接觸區之研磨元件的間距在該平均間距±10%之內。
  5. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊，其中該研磨 紋理之平均無因次粗糙度R係在0.03與0.50之間。
  6. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊，其中該複數個接觸區係選自正方形橫截面、矩形橫截面、菱形橫截面、三角形橫截面、圓形橫截面、卵形橫截面、六角形橫截面、多角形橫截面、和不規則形橫截面。
  7. 如申請專利範圍第6項之化學機械研磨墊，其中該複數個接觸區係選自正方形橫截面、矩形橫截面、菱形橫截面、三角形橫截面、圓形橫截面、卵形橫截面、和六角形橫截面。
  8. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊，其中該三維網狀化網絡具有複數個單位格子(unit cell)，其中該複數個單位格子具有平均寬度和平均長度，且其中該單位格子的平均寬度係≦該單位格子的平均長度。
  9. 一種研磨基材之方法，其包括：提供選自磁性基材、光學基材和半導體基材中之至少一種基材；提供如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊；以及在該化學機械研磨墊與該基材之間的界面處產生動態接觸。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包括：在該研磨紋理與該基材之間提供研磨介質。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該研磨介質穿透小於該研磨層之高度之10%。
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