TWI510526B - 具有低缺陷一體成型窗之化學機械研磨墊 - Google Patents

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具有低缺陷一體成型窗之化學機械研磨墊
概括而言，本發明係有關於化學機械研磨的領域。尤其是，本發明係關於一種具有低缺陷一體成型窗(integral window)之化學機械研磨墊。本發明亦有關於一種使用具有低缺陷一體成型窗之化學機械研磨墊研磨基材之化學機械研磨方法。
在製造積體電路與其他電子裝置時，數層的導電、半導體以及介電材料沉積在半導體晶圓上或從半導體晶圓上移除。導電、半導體以及介電材料之薄層可藉由數種沉積技術沉積。現代製程常見的沉積技術包括物理氣相沉積法(PVD)(也稱為濺鍍)、化學氣相沉積法(CVD)、電漿增強化學氣相沉積法(PECVD)，以及電化學電鍍(ECP)。
當材料層依序沉積及移除時，晶圓最上層表面會變得不平。由於後續的半導體加工(例如金屬化)需要晶圓具有平坦的表面，就需要平坦化晶圓。平坦化係用於移除非所欲的表面形貌以及表面缺陷，例如粗糙的表面、結塊的材料、晶格損壞、刮痕以及受污染層或材料。
化學機械平坦化，或化學機械研磨(CMP)為用來使基材(例如半導體晶圓)平坦化常見的技術。在傳統的CMP中，晶圓係置於載體組合件並定位成與CMP設備中的研磨墊接觸。該載體組合件對該晶圓提供可控之壓力使晶圓壓抵研磨墊。墊體藉由外部驅動力相對於晶圓移動(例如轉 動)。與此同時，化學組成物(“漿料”)或其他研磨溶液被供應於晶圓與研磨墊之間。因此，藉由墊體表面及漿料的化學與機械作用研磨以及平坦化晶圓表面。
與化學機械研磨有關的一個問題在於決定基材何時已經達到需要的研磨程度。決定研磨終點之原位法已被開發出來。此種方法之一使用雷射干涉法(laser interferomety)其中由雷射產生之光係被用於測量基材尺寸。因而，已經開發出一種具容易藉光學方法測量基材尺寸之特徵之化學機械研磨墊。舉例而言，第5,605,60號美國專利揭露一種研磨墊，其中，至少一部份墊體在一波長範圍是雷射光可穿透。在一實施例中，研磨墊包含透明窗件於相反的不透明墊體中。該窗件可為模製研磨墊中的透明聚合物材料之棒體或栓狀體。棒體或栓狀體可插入模製於研磨墊(即一體成型窗)中，或可以在模製操作之後安置於研磨墊之切除部位(即插入式窗(plug-in-place window))。
傳統化學機械研磨墊包括插入式窗者，研磨介質 容易從插入式窗與其餘化學機械研磨墊間的界面滲漏出。研磨介質的滲漏會流入研磨層、中介層或底墊層，造成如研磨層可壓縮性的區域性差異，而導致研磨缺陷增加。研磨介質的滲漏也會透到研磨墊，並對研磨裝置造成傷害。
傳統化學機械研磨墊包含一體成型窗者，其係因隨著時間經過從研磨層向外凸起之窗伴隨著使用研磨墊造成的研磨缺陷(例如被研磨基材的刮痕)，而相對於插入式窗容易增加研磨缺陷。
因此，需要一種具有窗之化學機械研磨墊，其窗能減少傳統上與插入式窗相關的滲漏問題，以及傳統上與一體成型窗相關的研磨缺陷問題。
於本發明之一態樣中，係提供一種化學機械研磨墊，包括：研磨層，該研磨層具有研磨表面以及一體成型窗；其中，一體成型窗一體成型於研磨層之中；其中，一體成型窗為固化劑與以異氰酸酯封端之預聚物多元醇之聚胺甲酸酯反應產物；其中，固化劑包含與以異氰酸酯封端之預聚物多元醇中所包含之未反應的NCO成份反應形成一體成型窗之固化胺部份(moiety)，其中，該固化劑與該以異氰酸酯封端之預聚物多元醇係以胺部份對未反應之NCO部份之化學計量比為1：1至1：1.25提供；其中，一體成型窗的孔隙率小於0.1體積%(vol%)；其中，一體成型窗具有5至25%的壓縮變形(compression set)；其中，研磨表面係適合研磨選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材。
於本發明之另一態樣中，係提供一種化學機械研磨選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材的方法，包括：提供具有平台之化學機械研磨設備；提供至少一選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材；選擇具有研磨層之化學機械研磨墊，其中，研磨層包含形成於其中之一體成型窗，其中，一體成型窗具有5至25%之壓縮變形；安置化學機械研磨墊於平台之上；以及，以研磨層的研磨表面研磨此至少一基材。
在本發明之另一態樣中，係提供一種化學機械研磨選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材的方法，包括：提供具有平台之化學機械研設備；提供至少一選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材；選擇如申請專利範圍第1項之化學機械研磨墊；安置化學機械研磨墊於平台之上；以及，以研磨層的研磨表面研磨此至少一基材。
此處及申請專利範圍所使用的“研磨介質”一詞，包含含粒子研磨溶液及不含粒子研磨溶液(例如無研磨劑與反應性液體研磨液)。
此處及申請專利範圍所使用的“聚胺甲酸酯”一詞，包含(a)由(i)異氰酸酯以及(ii)多元醇(包括二元醇)之反應所形成之聚胺甲酸酯；以及(b)由(i)異氰酸酯與(ii)多元醇(包括二元醇)及(iii)水、胺(二胺及多元胺)或水及胺(二胺及多元胺)之組合之反應所形成之聚胺甲酸酯。
本發明之化學機械研磨墊包含研磨層，該研磨層具有研磨表面及一體成型窗；其中，一體成型窗一體成型於研磨層之中；其中，一體成型窗為固化劑與以異氰酸酯封端之預聚物多元醇之聚胺甲酸酯反應產物，其中，固化劑含與以異氰酸酯封端之預聚物多元醇中所包含之未反應的NCO成份反應以形成一體成型窗之固化胺部份，其中，該固化劑與該以異氰酸酯封端之預聚物多元醇以胺部份對未反應之NCO成份化學計量比為1：1至1：1.25提供；其中，一體成型窗的孔隙率(porosity)<10.0vol%；較佳者，<0.1vol%，更佳者，為0.000001至<0.1 vol%，再更佳者，為0.000001至<0.9 vol%，最佳者，為0.000001至0.05 vol%；其中，一體成型窗具有5至25%之壓縮變形，較佳者，5至20%，更佳者，5至15%，再更佳者，5至10%，最佳者，5至8%之壓縮變形；其中，研磨表面係適合研磨選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材。
較佳者，固化劑與以異氰酸酯封端之預聚物多元醇係以適當比例提供以給出1：1至1：1.25之NH2 對未反應之NCO化學計量比，較佳者，1：1至1：1.15更佳者，1：1至1：1.10。此化學計量的達成可藉由直接提供化學計量程度之原料或間接將部份NCO與水特地反應或者暴露於偶然的濕氣。
舉例而言，以異氰酸酯封端之預聚物多元醇包括多元醇與多官能芳香異氰酸酯的反應產物。適合的多元醇包括，例如，聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚酯多元醇、聚己內酯多元醇、乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、2-甲基-1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、新戊二醇、1,5-戊二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、1,6-己二醇、二伸乙二醇、二伸丙二醇、三伸丙二醇及其混合物。較佳的多元醇包括聚四亞甲基醚二醇[polytetramethylene ether glycol,PTMEG]、聚丙二醇[PPG]、酯系多元醇(例如己二酸乙二醇酯或己二酸丁二醇酯)、其共聚物及其混合物。適合的多官能芳香異氰酸酯包括2,4-甲苯二異氰酸酯、2,6-甲苯二異氰酸酯、4,4’-二苯甲烷二異氰酸酯、萘-1,5-二異氰酸酯、二異氰酸聯甲苯胺、對-伸苯基二異氰酸酯、伸二甲苯基二異氰酸酯及其混合物。較佳者，多官能芳香異氰酸酯含有少於20重量%，更佳者，含有少於15重量%，最佳者，含有少於12重量%之脂肪族異氰酸酯，例如4,4’-二環己基甲烷二異氰酸酯；異佛酮二異氰酸酯(isophorone diisocyanate)及環己烷二異氰酸酯。較佳者，以異氰酸酯封端之預聚物多元醇含8.75至9.40 wt%，較佳者8.90至9.30 wt%，更佳者9.00至9.25 wt%之未反應之NCO成份。較佳者，以異氰酸酯封端之預聚物多元醇包括以異氰酸酯封端之聚四亞甲基醚二醇。更佳者，以異氰酸酯封端之預聚物多元醇包括氰酸酯封端之聚四亞甲基醚二醇，其中，以異氰酸酯封端之預聚物聚四亞甲基醚二醇含8.90至9.30 wt%之未反應之NCO成份。最佳者，以異氰酸酯封端之預聚物多元醇包括以異氰酸酯封端之聚四亞甲基醚二醇，其中，以異氰酸酯封端之預聚物聚四亞甲基醚二醇含9.00至9.25 wt%之未反應之NCO成份。
舉例而言，固化劑包括包括4,4’-亞甲基-雙-鄰-氯苯胺[MBCA]、4,4’-亞甲基-雙-(3-氯-2,6-二乙基苯胺)[MCDEA]、二甲基硫基甲苯二胺、三亞甲基二醇二-對-胺基苯甲酸酯、聚氧化四亞甲二-對-胺基苯甲酸酯、聚氧化四亞甲單-對-胺基苯甲酸酯、聚伸丙基氧化物二-對-胺基苯甲酸酯、聚伸丙基氧化物單-對-胺基苯甲酸酯、1,2-雙(2-胺基苯基硫基)乙烷、4,4’-亞甲基-雙-苯胺、二乙基甲苯二胺、5-第三丁基-2,4-甲苯二胺、3-第三丁基-2,6-甲苯二胺、5-第三戊基-2,4-甲苯二胺、3-第三戊基-2,6-甲苯二胺、氯甲苯二胺，及其混合物。較佳地、固化劑為MBCA。
製備一體成型窗時，原料與化學計量的選擇較佳者為使產生之一體成型窗具有5至25%，更佳者，為5至20%，又更佳者，為5至15%，再更佳者，為5至10%，又再更佳者，為5至<10%，最佳者，為5至8%之壓縮變形，此係根據ASTMD395-03方法A在70℃下22小時計算得到。視需要地，可用單一混合步驟避開使用預聚物來製造胺甲酸酯聚合物系一體成型窗。
一體成型窗較佳者對波長670nm光線表現出的光學穿透性為選自20至70%、20至50%以及30至50%之範圍。
本發明之化學機械研磨墊視需要地復包括基層，係界面接合(interfaced)研磨層。可視需要地用黏著劑將研磨層黏附於基層。黏著劑可選自壓感黏著劑(pressure sensitive adhesives)、熱融黏著劑(hot melt adhesives)、接觸黏著劑(contact adhesives)及其組合。在一些實施例中，黏著劑為熱融黏著劑。在一些實施例中，黏著劑為接觸黏著劑。在一些實施例中，黏著劑為壓感黏著劑。
視需要地，本發明之化學機械研磨墊復包含基層以及至少一層界面接合並中介(interposed)於研磨層與基層之間的附加層。各層可視需要地用黏著劑黏附在一起。黏著劑可選自壓感黏著劑、熱融黏著劑、接觸黏著劑及其組合。在一些實施例中，黏著劑為熱融黏著劑。在一些實施例中，黏著劑為接觸黏著劑。在一些實施例中，黏著劑為壓感黏著劑。
較佳地，本發明之化學機械研磨墊為適合與研磨機之平台界面接合。視需要地，本發明之化學機械研磨墊適合用壓感黏著劑及真空之至少其中之一者而固定於平台之上。
本發明之化學機械研磨墊之研磨層的研磨表面視需要地表現出巨觀織構(macrotexture)及微觀織構(microtexture)之至少一種以促進基材的研磨。較佳者，研磨表面表現出巨觀織構，其中，巨觀織構設計成能減緩至少一種水漂現象(hydroplaning)；對研磨介質流動之影響；能調整研磨層的剛度；能減少邊緣效應；及能使研磨屑容易從研磨表面與基材之間移除。
本發明之化學機械研磨墊之研磨層的研磨表面視需要地表現出選自穿孔(perforation)及溝槽(grooves)其中至少之一者之巨觀織構。視需要地，穿孔可從研磨表面延伸部份或全部地穿過研磨層厚度。視需要地，溝槽排列於研磨表面上以使研磨期間墊體轉動時至少一溝槽掃過基材上方。視需要地，溝槽係選自曲溝槽(curved grooves)、直線溝槽(linear grooves)及其結合。溝槽視需要地表現出10密耳(mil)的深度；較佳者，為10至150密耳。視需要地，溝槽形成的溝槽圖案包括至少二溝槽，且該至少二溝槽具有的深度為選自10mil、15mil以及15至150mil；寬度為選自10mil以及10至100mil；以及節距(pitch)為選自30mil、50mil、50至200mil、70至200mil，以及90至200mil的組合。
本發明之化學機械研磨選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材的方法，包含：提供具有平台之化學機械研磨設備；提供至少一選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材；選擇具有研磨層之化學機械研磨墊，其中，研磨層包含一形成於其中之一體成型窗，其中，該一體成型窗具有5至25%，較佳為5至20%，較佳為5至15%，更佳為5至10%，再更佳為5至8%之壓縮變形；安置化學機械研磨墊於平台之上；以及以研磨層的研磨表面研磨此至少一基材。較佳者，本發明之化學機械研磨墊中的一體成型窗在研磨溫度40℃下研磨10小時後，從研磨表面之研磨層向外凸起50微米(μm)，更佳者，為0至50μm，最佳者，為0至40μm。
以下實施例將詳述本發明之部份實施例。
實施例 窗塊體(Window Blocks)
以下內容係製備窗塊體以一體成型至化學機械研磨墊中作為一體成型窗。各種固化劑(例如MBCA)以及以異氰酸酯封端之預聚物多元醇(例如從Chemtura取得之L325)的用量係記載於表1，將其二者組合並引入模具之中。接著將模具中的內容物於烤箱中固化18個小時。烤箱的溫度設定為在開始的20分鐘時設定為93℃；接下來的15個小時又40分鐘為104℃；並在最後2小時降為21℃。接著以傳統方法將窗塊體切成栓狀體(plugs)以更容易併入研磨墊塊體。
壓縮變形測試
對依上述內容製成的窗塊體材料樣本根據規範於ASTM法D395-03方法A的步驟進行測試以測定壓縮變形。實驗結果係列於表2。
研磨實驗
研磨墊
用相同的研磨層配方製備(a)具有傳統一體成型窗組成(根據上述表1中窗比較例1 具有NH2 對NCO的化學計量比為0.78：1.00)之對照組研磨墊；以及(b)具有創新一體成型窗組成(根據上述表1 中實施例3 具有NH2 對NCO的化學計量比為1：1.05)。具傳統窗配方之對照組研磨墊以及具創新窗配方之研磨墊皆為厚度50mil，並具15mil深之圓形溝槽。該二研磨層配方皆壓合於Suba IVTM 底墊(Suba IVTM subpad)(從Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc取得)材料之上。
研磨條件
使用下列研磨銅圍包晶圓(blanket wafer)：Applied Materials200 mm研磨機及上述研磨墊，研磨下壓力(polishing down force)20.7千帕(kPa)；化學機械研磨組成物係(從Epoch Material Co.,Ltd取得之EPL2361)以及流速為200 ml/分鐘；工作台轉速為93 rpm；載體轉速為87 rpm；KinikAD3CG 181060修整器，以修整下壓力48.3 kPa進行全原位修整，以及以下壓力62.1kPa進行20分鐘磨合(break-in)，接著，以下壓力48.3kPa進行10分鐘磨合。在0小時、2.5小時、5小時、7.5小時以及10小時研磨之後以用於未圖案化晶圓表面之KLA Tencor SP-1檢測器決定銅圍包晶圓上的刮痕。刮痕計數的檢測結果列於表3 。
窗凸起
此外，於所述的研磨條件下連續晶圓研磨10小時後，在研磨表面量測一體成型窗輪廓以測得窗從研磨表面向外凸起程度。窗比較例1 的一體成型窗材料表現出大於100 μm之平均凸起，而窗3之一體成型窗材料則表現少於40 μm之平均凸起。

Claims (9)

  1. 一種化學機械研磨墊，包括：研磨層，具有研磨表面以及一體成型窗；其中，該一體成型窗係一體成型於該研磨層中；其中，該一體成型窗為固化劑與以異氰酸酯封端之預聚物多元醇之聚胺甲酸酯反應產物；其中，該固化劑係選自下列所組成之群組：4,4’-亞甲基-雙-鄰-氯苯胺、4,4’-亞甲基-雙-(3-氯-2,6-二乙基苯胺)、二甲基硫基甲苯二胺、三亞甲基二醇二-對-胺基苯甲酸酯、聚氧化四亞甲二-對-胺基苯甲酸酯、聚氧化四亞甲單-對-胺基苯甲酸酯、聚伸丙基氧化物二-對-胺基苯甲酸酯、聚伸丙基氧化物單-對-胺基苯甲酸酯、1,2-雙(2-胺基苯基硫基)乙烷、4,4’-亞甲基-雙-苯胺、二乙基甲苯二胺、5-第三丁基-2,4-甲苯二胺、3-第三丁基-2,6-甲苯二胺、5-第三戊基-2,4-甲苯二胺、3-第三戊基-2,6-甲苯二胺、氯甲苯二胺及其混合物；其中，該以異氰酸酯封端之預聚物多元醇係多元醇與多官能芳香異氰酸酯的反應產物；其中，該多元醇係選自下列所組成之群組：聚四亞甲基醚二醇、聚丙二醇、酯系的多元醇、其共聚物及其混合物；其中，該多官能芳香異氰酸酯係選自下列所組成之群組：2,4-甲苯二異氰酸酯、2,6-甲苯二異氰酸酯、4,4’-二苯甲烷二異氰酸酯、萘-1,5-二異氰酸酯、二 異氰酸聯甲苯胺、對-伸苯基二異氰酸酯、伸二甲苯基二異氰酸酯及其混合物；其中，該固化劑含有與該以異氰酸酯封端之預聚物多元醇中所包含的未反應之NCO部份反應以形成該一體成型窗之固化胺部份；其中，所提供之該固化劑與該以異氰酸酯封端之預聚物多元醇中係以胺部份對未反應之NCO部份之化學計量比為1：1至1：1.25提供；其中，該一體成型窗的孔隙率<0.1體積%；其中，該一體成型窗具有5至25%之壓縮變形；其中，該研磨表面適合研磨選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊，其中，該一體成型窗於平行於該研磨表面之平面上具有一橢圓形剖面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊，其中，該以異氰酸酯封端之預聚物多元醇包括以異氰酸酯封端之聚四亞甲基醚二醇。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊，其中，該以異氰酸酯封端之預聚物多元醇含8.75至9.40wt%之未反應之NCO部份。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之化學機械研磨墊，其中，該以異氰酸酯封端之聚四亞甲基醚二醇含9.00至9.25wt%之未反應之NCO部份。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊，其中，該一體成型窗對波長670nm表現出的光學穿透性為20至50%。
  7. 一種化學機械研磨基材的方法，包括：提供具有平台之化學機械研磨設備；提供至少一選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材；選擇如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨墊；安置該化學機械研磨墊於該平台之上；以及以該研磨層的研磨表面研磨該至少一基材。
  8. 一種化學機械研磨基材的方法，包括：提供具有平台之化學機械研磨設備；提供至少一選自磁性基材、光學基材以及半導體基材之基材；選擇具有研磨層之化學機械研磨墊，其中，該研磨層包括形成於其中之一體成型窗，其中，該一體成型窗具有5至25%之壓縮變形；安置該化學機械研磨墊於該平台之上；以及以該研磨層的研磨表面研磨該至少一基材。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，在10小時的基材研磨後該一體成型窗從該研磨層之該研磨表面向外凸起50μm。
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