TWI457202B - 化學機械平面化拋光墊及其產生方法 - Google Patents

化學機械平面化拋光墊及其產生方法 Download PDF

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    • B24—GRINDING; POLISHING
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    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
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Description

化學機械平面化拋光墊及其產生方法 相關申請案的相互參照
此申請案主張2007年10月26日所提出的美國暫時專利申請案序號60/983,042之利益，其以參考之方式完整併於本文。
發明領域
本發明係關於一種在半導體晶圓之化學機械平面化(CMP)上有用的拋光墊。
 發明背景
習知用於CMP的拋光墊包含第一多孔或固體聚合物質，其可使用第二充填物質來分散在其間。例如，一般使用的習知墊包括具有中空微球體分散在其間之固體聚胺基甲酸酯基質。但是，已對可提供拋光的半導體晶圓具有較好的整體均勻性及局部平面性和可改良當使用在拋光環境時的機械性質之墊有所需求。
 發明概要
在第一典型具體實例中，本揭示針對一種包含多數連接元件與一聚合物充填材料的化學機械平面化拋光墊，其中該等連接元件包括多數以1連接接合點/立方公分至1000連接接合點/立方公分之密度存在之連接接合點，且其中該等連接元件在連接接合點間具有一0.1微米至20公分之長度。
在方法形式中，本揭示係關於一種拋光半導體晶圓之方法，其包括提供多數連接元件與一聚合物充填材料且形成一墊，其中該連接元件包括以1連接接合點/立方公分至1000連接接合點/立方公分之密度存在之連接接合點，且其中該等連接元件在連接接合點間具有一0.1微米至20公分之長度。然後，可將此墊組態定位在一拋光裝置上，接著引進漿並拋光一半導體晶圓。
圖式簡單說明
藉由一起讀取下列詳細說明與圖形以便較好地了解這些及其它特徵與優點。
第1圖為所提供的墊之部分三維結構圖。
 較佳實施例之詳細說明
在第1圖中顯示出所提供的墊之部分三維結構。如可看見，其可一起包括連接元件10與複數個接合場所12。該連接元件可為聚合材料。在該三維結構(即，空隙)內可為特別的聚合充填材料14，當其與三維連接元件10結合時可提供該拋光墊基材。此外，雖然該網絡顯示出具有相對的方形或矩形幾何結構，可察知其可包含其它結構型式，包括(但不限於)橢圓形、圓形、多面體等等。
因此，可從(但不限於)多種特定的聚合樹脂獲得該聚合充填材料及連接元件。例如，該聚合樹脂可包括聚(乙烯醇)、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸類、羥乙基纖維素、羥甲基纖維素、甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚乙二醇、澱粉、馬來酸共聚物、多糖類、果膠、藻酸酯、聚胺基甲酸酯、聚環氧乙烷、聚碳酸酯、聚酯、聚醯胺、聚丙烯、聚丙烯醯胺、聚醯胺、聚烯烴和上述樹脂之任何共聚物及衍生物。
此外，本發明的進一步觀點為使用多重三維結構網絡來影響在相同墊內之不同物理及化學性質區段。因此，可變化上述提到用於元件10之化學(聚合)組成物及/或三維網絡的物理特徵。此等物理特徵可包括在網絡內的間隔及/或該網絡的整體形狀，如將在下列更完整地解釋。
值得注意的是，先進的半導體技術需要包裝大量在半導體晶圓上的較小裝置。對在光微影蝕刻中之焦深理由來說，較大的裝置密度依次在晶圓上需要較大程度的局部平面性及整體均勻性。因此，在本發明中之三維結構網絡可提高該CMP墊的機械及尺寸穩定性(超過習知、非網絡基礎的CMP墊結構)。該三維結構網絡於此亦可較好地抵擋拋光作用的擠壓及黏滯剪切應力，且當該墊之表面變形減低時，可產生想要的局部平面性及整體均勻性程度和低晶圓刮傷缺陷。
如上述間接提及，亦可藉由改變該聚合材料的型式、該連接元件之尺寸及該網絡的尺寸與形狀來定做實際的三維結構網絡，以用於特別的CMP應用。此外，可將多種化學劑(包括(但不限於)界面活性劑、安定劑、抑制劑、pH緩衝劑、抗凝聚劑、螯合劑、加速劑及分散劑)加入至該網絡之連接元件的表面或本體，以便它們可以經控制或未經控制的方式釋放進入研磨漿或拋光流體中，而提高CMP性能及穩定性。
商業可購得用於該三維結構網絡及聚合物連接元件的材料包括(但不限於)編織、針織及不織纖維墊、高膨鬆不織物。如可察知，此網絡以纖維為基礎。但是，該連接元件亦可包括開放胞元式聚合發泡體及海綿、聚合過濾器、柵欄及篩網。可由熟知此製造不織物、發泡體、海綿、過濾器及篩網之技藝人士容易地設計及製造出非商業結構的網絡，以滿足該網絡對本揭示如描述於本文之CMP墊的設計意義及性質需求。
本發明的一個典型具體實例包括聚胺基甲酸酯物質，其已分散並部分或完全裝填由可溶於水的聚丙烯酸酯連接元件所組成之三維網絡的空隙。在該網絡內之連接元件可具有圓柱形狀，其直徑從低於1微米至約1000微米且尚可描述的有，在毗連之連接接合間的水平長度範圍從0.1微米至較高(例如，於此之間的接合之水平長度範圍從0.1微米至20公分，包括在其中的全部值及增加量)。在連接接合間之此長度在第1圖中顯示為項目“A”。此外，所可描述的有，在連接接合間之垂直距離在第1圖中顯示為項目“B”且其亦可變化，如想要從0.1微米至較高(例如，於此之間的接合所具有之垂直長度範圍從0.1微米至20公分，包括在其中的全部值及增加量)。最後，尚可描述的有，在接合間之深度距離在第1圖中顯示為項目“C”；再次，此亦可變化，如想要從0.1微米至較高(例如，於此之間的接合所具有之深度距離範圍從0.1微米至20公分，包括在其中之全部值及增加量)。在接合點間之長度(如在第1圖中的項目“A”、“B”或“C”)範圍可在0.5微米至5公分較佳。
因此，於本文所參照之三維網絡可了解為可在接合點處互相連接的連接元件(例如，聚合纖維)，此互相連接之元件佔據某些量的體積。該連接接合元件可呈現出具有密度程度從1連接接合點/立方公分至1000連接接合點/立方公分，包括在其中以1連接接合點/立方公分變化的全部值及增加量。例如，該拋光墊可具有1-100連接接合點/立方公分、或10-110連接接合點/立方公分、或15-150連接接合點/公分等等。該連接元件可的存在量範圍為50-250連接接合點/立方公分較佳。該等連接它們本身可藉由例如熱黏接及/或化學黏接形成，其中化學黏接可藉由聚合充填材料(再次參見在第1圖中的14)發展，其可提供以便塗佈聚合元件10及提供以將聚合元件10黏合在連接或接合場所12處。
此外，該連接元件可以1-75重量%之程度存在於該墊中，包括在其中以1.0重量百分比區間的全部值及增加量。例如，該連接元件可以1-50重量百分比、或10-50重量百分比、或20-40重量百分比、或20-30重量百分比等等存在於所提供的墊中。
亦可察知是，在接合點場所處，於任何二個聚合元件間可形成一角度，其可變化地配置。因此，再次參照第1圖，其中可看見該等纖維可在接合場所處以特別的角度16連接。諸如在連接接合點處之任何二條纖維間的角度可在5度至175度之範圍內(包括在其中以1度增加的全部值及增加量)。例如，在連接接合場所處之任何二條纖維間的角度範圍可在10度至170度、或20度至160度、或30度至150度等等。該角度範圍在30度至130度較佳。
該連接聚合物元件的三維網絡可為具有厚度範圍10密耳至6000密耳(在60至130密耳間較佳，其中密耳可了解為0.001英吋)的薄方形或圓形平板形式。該三維網絡亦可限定出一在20至4000平方英吋間(在100至1600平方英吋間較佳)的面積，包括在其中之全部值及增加量。可使用已與硬化劑混合的胺基甲酸酯預聚物來填充該網絡之空隙，然後，在烘箱中硬化該複合物以完成該胺基甲酸酯預聚物的硬化反應。典型的硬化溫度範圍從室溫至800℉及典型的硬化時間範圍從少至低於1小時至超過24小時。然後，使用習知的墊轉換方法(諸如拋光、削皮、積層、開槽及貫穿)，將所產生的複合物轉換成CMP墊。
在上述所提及的具體實例中，該網絡亦可以圓柱或矩形塊形式獲得。然後接著為，亦可硬化該呈圓柱或矩形塊形式、包含於此已填充胺基甲酸酯預聚物(其已與硬化劑混合)的網絡之複合物。於此實例中，首先可對該已硬化的複合物圓柱或塊削皮，以在轉換前產生各別墊。
本發明的另一個具體實例包括二或更多個具有不同厚度之網絡，該等網絡藉由包含在其中的連接聚合材料型式來進一步彼此區別。例如，一個網絡可具有厚度1-20公分及第二網絡可具有厚度1-20公分(每個值皆包括在其中之全部值及增加量)。然後，在相同CMP墊內的網絡可限定出具有不同物理及化學性質之不同結構區段。該CMP墊的一個實施例將包括一具有20密耳厚的第一網絡，其中該第一網絡包含呈相當小的圓柱形式(直徑10微米且彼此隔開50至150微米)之可溶的聚丙烯酸酯之連接元件；及該第一網絡堆疊到一第二網絡上，其中該第二網絡包含一相對不溶的聚酯連接元件(其具有與該第一聚丙烯酸酯網絡相同的圓柱形式及相同尺寸)。然後，可使用已與硬化劑混合的胺基甲酸酯預聚物來填充該已堆疊的網絡之空隙，並如上述提及般硬化整個複合物。然後，使用習知的墊轉換方法(諸如拋光、削皮、積層、開槽及貫穿)將所產生的複合物轉換成CMP墊。因此，以此方式所製得之CMP墊具有二個明顯不同但是彼此接附並堆疊在另一個上的結構層。在CMP中，可使用包含該可溶的聚丙烯酸酯元件之結構層作為拋光層。該可溶的聚丙烯酸酯元件會溶解在包含研磨顆粒之水性漿中，且對遍及該墊均勻分佈該漿來說，可在該墊之表面上及下遺留空隙而產生微米尺寸通道及隧道。另一方面，包含該相對不溶的聚酯元件之結構層可使用作為支撐層來維持在CMP中的機械穩定性及本體墊性質。
在此考慮下，可察知本揭示係關於一種包含一或多層連接元件與聚合物充填材料(其中該連接元件可溶於液體漿)及一或多層連接元件與聚合物充填材料(其中該連接元件不溶於液體漿)之CMP墊。此外，該CMP墊於此可包含一或複數層，其中此些層它們本身可一起包含部分可溶的連接元件與部分不溶的連接元件。例如，在該CMP墊之所提供的層中，其可具有1-99重量%的可溶連接元件及99%-1重量%的不溶連接元件。
更特別考慮到於本文的墊設計之優良的機械特徵，然後，在包含如於本文中所揭示的三維網絡之拋光墊上進行動態機械分析(DMA)測試(如與沒有任何此補強的拋光墊比較)。所使用之DMA測試設備為TA裝置Q800動態力學分析儀，其使用頻率10赫茲及溫度跳躍速度每分鐘1.0℃進行測試。此測試的結果闡明在下列表1中：
如可從表1中看見，在拋光墊組態中存在20重量百分比至30重量百分比的不織物(其中該不織物包含如描述於本文之連接元件)指出具有1666百萬帕的能儲模數(E’)值。比較上，當使用相同的聚胺基甲酸酯作為拋光墊組態的聚合物基質時，其獨立地指出E，值僅有約862百萬帕。因此，可察知現在可製造出具有能儲模數或E， 值100百萬帕至2500百萬帕的拋光墊，包括在其中以10百萬帕增加之全部值及增加量。例如，現在可製造出具有E， 值110百萬帕至2500百萬帕或120百萬帕至2500百萬帕等等的拋光墊。較佳的是，E’值可在範圍400-1000百萬帕。在表1中，該連接元件為製成具有針狀衝孔的不織物之聚丙烯酸酯纖維，其中該纖維具有平均直徑20微米且於液體漿存在下該等纖維可溶。該聚胺基甲酸酯初始以液體預聚物前驅物形式呈現，且在遍 及該連接元件均勻給料前與固化劑混合，及硬化(即，固化)以形成拋光墊。
其次注意表2，其鑑別出於本文的墊之其它優良特徵。特別是，對摻入該連接聚合物元件之組成物進行蕭而(Shore)D硬度評估(如與僅包含聚合充填劑的組成物比較)。
如可從表2中看見，將不織布引進聚胺基甲酸酯充填劑基質可提供蕭而硬度增加(超過不包含此補強之組成物)。如可察知，此硬度增加可在拋光操作期間提供一些優點，諸如抵抗拋光作用的擠壓及黏滯剪切應力(如上述提及)。例如，硬度增加可保存例如經常提供在CMP型式墊中之管道或溝槽，其中該等管道或溝槽指望運輸漿。更特別的是，機械性質增加(例如，改良上述提到的E’值)現在可適用在拋光期間保存該管道或溝槽之尺寸，因此保證在整個提供的拋光操作期間仍然可運輸想要程度的漿。在表2中提到，該不織布為經針狀衝孔的聚丙烯酸酯纖維不織物，其中該些纖維具有平均直徑20微米且於液體漿存在下可溶。該聚胺基甲酸酯呈液體預聚物前驅物形式且在遍及該連接元件均勻地給料前與固化劑混合，及硬化(即，固化)以形成拋光墊。
儘管前述提及一些具體實例，於此要了解的是，熟知此CMP墊設計技藝之人士可容易地察知將該結構網絡摻入CMP墊中的製造及應用具有出乎意料的性質，且可根據本發明使用相同概念與在相同墊中使用不同型式的網絡材料、結構及聚合物質來容易地衍生出許多墊設計，以滿足特別的CMP應用之需求。
雖然於本文中已描述出本發明之原理，熟習該項技術者要了解，此描述僅以實施例說明且不限制本發明之範圍。除了所顯示及描述於本文的典型具體實例外，在本發明之範圍內預期有其它具體實例。在本發明之範圍內考慮到可由一般技藝人士進行改質及取代，本發明除了由下列申請專利範圍外，不欲受其它限制。
10‧‧‧連接元件
12‧‧‧接合場所
14‧‧‧聚合充填材料
A‧‧‧接合點間之長度
B‧‧‧接合點間之長度
C‧‧‧接合點間之長度
第1圖為所提供的墊之部分三維結構圖。
10‧‧‧連接元件
12‧‧‧接合場所
14‧‧‧聚合充填材料
A‧‧‧接合點間之長度
B‧‧‧接合點間之長度
C‧‧‧接合點間之長度

Claims (28)

  1. 一種化學機械平面化拋光墊，其包含：多數連接元件之預成形三維網絡與一聚合物充填材料，其中該等連接元件包括多數以1連接接合點/立方公分至1000連接接合點/立方公分之密度存在的連接接合點，且其中該等連接元件在連接接合點間具有一0.1微米至20公分之長度，其中該三維網絡界定遍及該墊存在之方形或矩形幾何結構；其中該等連接元件包含纖維；其中該等纖維包含可溶於一液體漿中的纖維；其中該溶於液體漿中的可溶纖維在該墊之表面上及下遺留空隙而產生微米尺寸通道及隧道，供用以遍及該墊地分布該液體漿。
  2. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該等連接元件以1.0重量%至75重量%之程度存在於該墊中。
  3. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該等連接元件存在且界定一10密耳至6000密耳之厚度。
  4. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該等纖維係以非編織或編織材料之形式呈現。
  5. 如申請專利範圍第1項之墊，其中：該等連接元件包括發泡體、海綿、過濾器、柵欄及篩網之至少一種。
  6. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該墊包含：一或多層連接元件與聚合物充填材料，其中該等連 接元件可溶於一液體漿；一或多層連接元件與聚合物充填材料，其中該等連接元件不溶於一液體漿。
  7. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該墊包含：一或多層連接元件與聚合物充填材料，其中一部分的該等連接元件可溶於一液體漿且一部分的該等連接元件不溶於一液體漿。
  8. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該墊具有一100百萬帕至2500百萬帕之能儲模數(E’)值。
  9. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該墊具有一400百萬帕至1000百萬帕之能儲模數(E’)。
  10. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該等連接接合點以1連接接合點/立方公分至250連接接合點/立方公分之密度存在。
  11. 如申請專利範圍第1項之墊，其中在該等連接接合點間之長度為0.5微米至5公分。
  12. 一種產生一化學機械平面化拋光墊的方法，其包含：提供多數連接元件之預成形三維網絡與一聚合物充填材料且形成一墊，其中該等連接元件包括以1連接接合點/立方公分至1000連接接合點/立方公分之密度存在的連接接合點，且其中該等連接元件在連接接合點間具有一0.1微米至20公分之長度，其中該三維網絡界定遍及該墊存在之方形或矩形幾何結構；及將該墊定位在一拋光裝置上且引進漿並拋光一半 導體晶圓；其中該等連接元件包含纖維；其中該等纖維包含可溶於一液體漿中的纖維；其中該溶於液體漿中的可溶纖維在該墊之表面上及下遺留空隙而產生微米尺寸通道及隧道，供用以遍及該墊地分布該液體漿。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該等連接元件以1.0重量%至75重量%之程度存在於該墊中。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該等連接元件存在且界定一10密耳至6000密耳之厚度。
  15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該等纖維以非編織或編織材料之形式呈現。
  16. 如申請專利範圍第12項之方法，其中：該等連接元件包含發泡體、海綿、過濾器、柵欄及篩網之至少一種。
  17. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該墊包含：一或多層連接元件與聚合物充填材料，其中該等連接元件可溶於一液體漿；一或多層連接元件與聚合物充填材料，其中該等連接元件不溶於一液體漿。
  18. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該墊包含：一或多層連接元件與聚合物充填材料，其中一部分的該等連接元件可溶於一液體漿且一部分的該等連接元件不溶於一液體漿。
  19. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該墊具有一100百萬帕至2500百萬帕之能儲模數(E’)值。
  20. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該墊具有一400百萬帕至1000百萬帕之能儲模數(E’)。
  21. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該等連接接合點以1連接接合點/立方公分至250連接接合點/立方公分之密度存在。
  22. 如申請專利範圍第12項之方法，其中在該等連接接合點間之長度為0.5微米至5公分。
  23. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該等纖維進一步包含不可溶纖維。
  24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該等不可溶纖維與可溶纖維係於不同層中提供。
  25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該等不可溶纖維與可溶纖維係於聚合物充填材料中。
  26. 如申請專利範圍第1項之墊，其中該纖維進一步包含不可溶纖維。
  27. 如申請專利範圍第26項之墊，其中該等不可溶纖維與可溶纖維係於不同層中提供。
  28. 如申請專利範圍第27項之墊，其中該等不可溶纖維與可溶纖維係於聚合物充填材料中。
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