TWI655057B - 化學機械拋光墊修整器 - Google Patents

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Abstract

一種墊式修整器(pad conditioner)，其係用於CMP拋光墊片。該墊式修整器之特徵包括具有紋理化(textured)或粗糙化的表面，以及超研磨砂粒種粒，例如鑽石散布於該粗糙化表面。可將例如多晶形鑽石的塗層設置於該表面及該砂粒種粒上。在一實施態樣中，該塗層的厚度範圍為較大的超研磨砂粒的50%至100%。

Description

化學機械拋光墊修整器
本揭露一般係關於半導體製造設備。更具體而言，本揭露係關於修整裝置，其係用於清潔半導體製造過程中所使用的拋光墊片。
化學機械拋光/平坦化(Chemical mechanical polishing/planarization,CMP)被廣泛的使用在半導體晶片與記憶裝置的製造中。在CMP製程中，將藉由拋光墊片、拋光漿料、及視需要地化學試劑從晶圓基材上移除材料。隨時間經過，拋光墊片變得纏結(matted)且充滿CMP製程中的殘屑。拋光墊片係週期性的使用墊式修整器重新修整，該墊式修整器磨除該拋光墊片表面，並在該拋光墊片的表面開孔與造成粗糙度。該墊式修整器的功能即是維持CMP製程的移除效率。
CMP是半導體與記憶裝置之製造過程中的主要成本。CMP的成本包括在平坦化與拋光操作中與會磨耗的拋光墊片、拋光漿料、墊式修整盤(pad conditioning disks)以及多種CMP部件有關之彼等者。CMP製程的額外成本還包括為了置換拋光墊片的工具停機時間，以及重新校正CMP拋光墊片使用的測試晶圓的成 本。
典型的拋光墊片包含閉孔式(closed-cell)聚氨酯泡沫體，其厚度範圍為約0.15至0.20公分厚。在墊片的修整期間，墊片係經過機械研磨以物理性的切削該墊片表面的纖維層。墊片的暴露表面包含開孔，其在CMP製程中可用以捕捉由使用後的拋光漿料及自晶圓移除的材料組成的研磨漿料。墊式修整器移除含有嵌埋材料的孔之外層，並最小化該外層之下的層的移除。過度紋理化的拋光墊片將導致縮短的使用壽命，而紋理化不足者則導致材料移除速率不佳，且在CMP步驟期間缺乏晶圓均一性。
某些墊式修整器利用黏合在基材上的超研磨顆粒，例如鑽石。參考例如美國專利第7,201,645號(Sung)揭露一種環形的CMP刮削器(dresser)，其具有附加在基材上的複數超研磨顆粒；美國申請公開第2006/0128288號(An等人)揭露一種金屬黏結層，其將研磨顆粒固定在金屬基材上，較小的和較大的研磨顆粒範圍的粒徑差異為10%至40%。先前技術中的墊式修整器的問題在於，墊式修整器上最凸起的部份所產生的力會導致受到較強的力的顆粒從該墊式修整器上移位。移位的顆粒會被拋光墊片捕捉，進而導致拋光操作時刮傷晶圓。
對於刮削CMP拋光墊片，仍有可減少或排除研磨顆粒移位的CMP墊片刮削器，以及具有不同表面高度的CMP墊片刮削器的需求。
在本發明的多種實施態樣中，提供一種由基材製造的墊式修整器，其具有所欲的特徵高度及粗糙度特性。在經塑形 的基材上的凸起(protrusion)作為幾何特徵，其可於墊片表面上提供力密度。在實施態樣中，首先製造具有粗糙化或紋理化的重複凸起的基材，使鑽石砂粒分散在表面區域上，以及將一層多晶形CVD鑽石塗層生長在該表面凸起與該鑽石砂粒上。基材的粗糙度促進了鑽石塗層內之鑽石砂粒種粒的穩固性，以最小化或避免移位。
在實施態樣中，鑽石砂粒的尺寸小於遠離該墊片延伸的方向測量的CVD塗層的平均厚度。
本發明的實施態樣之特徵與優點係墊式修整器之增進的表現。在實施態樣中，提供每個修整器的切削速率可重複性，以及修整器整個壽命中的一致切削速率，以及藉由添加鑽石砂粒晶體到粗糙化的表面及添加CVD鑽石層而減少缺陷，其中鑽石砂粒種粒晶體係矩陣的一部分，且CVD的厚度
在實施態樣中，首先對其上形成有粗糙化的凸起的粗糙化基材的碳化矽片(segment)提供小的鑽石種粒(例如粒徑範圍為1奈米至30奈米的鑽石砂粒)。之後，可對該基材與凸起施用較大的鑽石砂粒種晶(例如粒徑範圍為1微米至12微米)。可對每片施用數毫克的大鑽石砂粒。大鑽石砂粒黏結到碳化矽基材與凸起上，予以粗糙化的表面(例如均方根粗糙度為約2微米至約5微米)協助保持較大的鑽石顆粒。
加入較大的鑽石砂粒種粒亦允許墊式修整器的切削速率，根據其較大的鑽石砂粒種晶的尺寸而「訂製(tailored)」於較廣的範圍內。「較大」的砂粒晶體尺寸實際上提供了切削特性，其通常比先前技術利用的砂粒更小許多。在實施態樣中，砂粒通 常在CVD塗層的Z方向的平均厚度內。紋理化的表面協助保持種晶，因此減低了先前技術墊式修整器所發生的顆粒移位問題。經種晶的表面然後可以例如多晶形鑽石塗覆。
30‧‧‧晶圓拋光裝置
32‧‧‧墊式修整器
34‧‧‧旋轉桌
36‧‧‧頂面
38‧‧‧CMP墊
42‧‧‧晶圓頭
44‧‧‧晶圓基材
46‧‧‧漿料供給裝置
48‧‧‧研磨漿料
50‧‧‧墊式組件
50A、50B‧‧‧墊式修整器組件
52、52A、52B‧‧‧修整片
54‧‧‧背板
64‧‧‧基材表面
66、90、104、106‧‧‧凸起
70A、70B、70C‧‧‧矩陣圖樣
80‧‧‧基材/凸起
82‧‧‧大鑽石種晶
84‧‧‧小鑽石種晶
86‧‧‧多晶形鑽石塗層
91‧‧‧表面
92‧‧‧底材
94‧‧‧大鑽石砂粒種晶
95‧‧‧頂表面
96‧‧‧側面
97‧‧‧通道
100‧‧‧基材
110‧‧‧較大的鑽石砂粒種晶
114‧‧‧多晶形鑽石層
h‧‧‧高度
f‧‧‧底
F‧‧‧底部
R‧‧‧粗糙度
t‧‧‧厚度
第1圖係本發明之一具有墊式修整器的晶圓拋光裝置的示意圖。
第2圖及第3圖係墊式修整器組件的示意圖。
第4圖係墊式修整器組件中單獨的片的示意圖。
第5圖係基材表面之放大的視圖。
第6A、6B及7圖係本發明的矩陣圖樣的示意圖。
第8圖、第14圖及第15圖係分別例示本發明之墊式修整器基材表面與凸起的截面圖。
第9圖係本發明實施態樣的多種大尺寸砂粒的墊式修整器的效能圖。
第10圖係不含多晶形鑽石的凸起的照片。
第11圖係塗覆有多晶形鑽石的凸起的照片。
第12圖係大鑽石砂粒種晶位於凸起與具有粗糙化表面的碳化矽基材的表面上的照片。
第13圖係含有較大鑽石砂粒種晶的多晶形鑽石塗層位於凸起上的照片。
現參照第1圖，其描繪本發明之一實施態樣的化學機械平坦化(CMP)製程中具有墊式修整器32的晶圓拋光裝置 30。所描繪的晶圓拋光裝置30包括旋轉桌34，其具有頂面36，其上設置有CMP墊38(例如聚合物墊)。其上設置有安裝晶圓基材44的晶圓頭42，使該晶圓基材44與CMP墊38接觸。在一實施態樣中，漿料供給裝置46提供研磨漿料48給CMP墊38。
在操作時，旋轉旋轉桌34以使得CMP墊38在晶圓頭42、墊式修整器32、及漿料供給裝置46的下方旋轉。晶圓頭42以向下的力F與CMP墊38接觸。晶圓頭42也可旋轉及/或以線性往返(back-and-forth)的方式振盪，以增加安裝其上的晶圓基材44的拋光。墊式修整器32也與CMP墊38接觸，並橫跨CMP墊38的表面往返移動。墊式修整器32也可被旋轉。
功能上，CMP墊38以經控制的方式從晶圓基材44上移除材料，使晶圓基材44拋光完成。墊式修整器32的功能是移除拋光操作中的殘屑(其係來自CMP製程中填充殘屑)，及打開CMP墊38的孔洞，因而維持CMP製程的移除速率。
參照第2圖及第3圖，其描繪本發明之一實施態樣的墊式修整器組件(pad conditioner assemblies)50A及50B。該墊式組件(統稱為墊式組件50)分別包括修整片52A及52B(統稱為修整片52)，附加在其下的基材或背板54上。修整片52可具有二或多種不同平均高度的凸起，如WO 2012/122186 A2(PCT專利申請第PCT/US2012/027916號(Smith))所討論之多種實施態樣，其為本發明人與本專利申請人所有，且併入本文作為參考。在一實施態樣中，該片使用例如環氧樹脂的黏結劑黏結到背板54上。第4圖描繪單獨的片。第5圖描繪根據本發明藉由合適的加工而於其上形成間隔圖樣的凸起66的基材表面64之放大的視 圖。第6A、6B及7圖描繪適用於本發明的矩陣圖樣70A、70B、及70C的多種密度。此處使用之「矩陣」可代表具有行與列的矩陣或是具有向外延伸的環狀列的環狀矩陣，或是其部份。
參照第8圖，於本發明之一實施態樣中，來自例如上述片之一的基材80，其係包含一凸起80，其上種有大鑽石種晶82及小鑽石種晶84，以及覆於其上的多晶形鑽石塗層86。截面圖描繪了凸起的高度h、多晶形層的厚度t、及基材/凸起材料的粗糙度R。凸起係以從基材的底部位準F起具有一高度為特徵。若底部f不均勻，則底部位準可視為個別相鄰凸起間的最低位準的平均，凸起的高度可從此平均基準位準(average datum level)來測量。
在多種實施態樣中，多晶形鑽石層的厚度可約為大鑽石砂粒顆粒的粒徑，如第8圖所示，或是在某些實施態樣中可更大，且在某些實施態樣中可更小。在多種實施態樣中，上覆於鑽石砂粒種粒及其表面之上的多晶形鑽石的厚度介於大鑽石砂粒尺寸粒徑的約50%至約100%，圖式中繪示後者砂粒尺寸100%的狀況。
功能上，大鑽石砂粒種晶對基材及凸起表面提供了另一層面的粗糙度。墊式修整器的切削速率可有利的藉由選擇窄的大鑽石砂粒種晶的尺寸範圍而調整；窄的尺寸範圍可為1微米、2微米、4微米、且至多約6微米。
參照第9圖，其描繪本發明之一實施態樣的多種大尺寸砂粒的墊式修整器的效能圖。第2圖所顯示的資料係有5片耦合其上直徑為4英吋的修整墊片。該片上的形貌為具有125微 米的基本尺寸，密度為每平方微米10個形貌。該形貌的高度實質上為20微米。使用此修整器的墊片切削速率係使用Buehler Ecomet 4桌上型拋光機測定。使用的墊片係IC 1000TM墊片(Rohm 與Haas)，以50rpm旋轉。該IC 1000墊片與原型墊式修整器以7磅重的力接觸，且該原型墊式修整器以35rpm旋轉。在切削速率實驗期間，去離子水以每分鐘80毫升分配在墊片上。以具有大的種晶的新的拋光墊片重覆進行實驗，其中對應於種晶製程(seeding process)的直徑於第2圖的x軸上。
具有1微米至2微米的大種晶的墊片的切削速率(x軸標示1)為每小時約23微米；2微米至4微米種晶的切削速率(x軸標示2)為每小時約28微米；4微米至8微米種晶的切削速率(x軸標示3)為每小時約32微米；及6微米至12微米種晶的切削速率則為每小時約50微米。切削速率也可基於墊式修整器的形式而不同。圖中「0種晶」製程的點對應於僅使用奈米尺寸的小鑽石砂粒種晶的狀況(切削速率每小時約10微米)。
第10圖係不含多晶形鑽石的凸起的照片(非粗糙度)。第11圖係塗覆有多晶形鑽石的凸起的照片(具有小奈米尺寸的種晶)。第12圖係大鑽石砂粒種晶位於凸起與具有粗糙化表面的碳化矽基材的表面上的照片。第13圖係具有較大鑽石砂粒種晶(6至12微米)的多晶形鑽石塗層位於凸起上的照片。
第1圖之非限制性尺寸的多種面向的實施例包括：凸起的高度為10至150微米；多晶形鑽石層為約7至15微米平均厚度，變量約2微米；多晶形鑽石塗層的均方根粗糙度為約0.1微米至約2微米；可為碳化矽的基材的粗糙度可為約2微米至約5 微米。凸起的形貌及其加工可如Smith前案中所述。
參照第14圖，其描繪本發明之一實施態樣的墊式修整器的凸起90，其具有粗糙化或紋理化的表面91，位於粗糙的底材92上。大鑽石砂粒種晶94散佈在粗糙化的表面上，且在某些情況下，大鑽石砂粒種晶實質上被形成粗糙化表面的刻痕或凹陷捕捉住。大鑽石砂粒種晶顯示於凸起的「頂」表面95、凸起的側面96、及凸起之間的通道97。有利的，凸起的粗糙化的表面協助將大鑽石砂粒種晶固定在部分或全部的側表面上，至少在塗覆製程之前。凸起與基材的粗糙度和在較大鑽石砂粒種粒之上的多晶形鑽石塗層亦協助將鑽石固定在墊片表面上，並減少或排除鑽石晶體從該墊片上的鬆動及損耗。側面典型上形成鈍角，其係由通道區域與斜面之間測量。在實施態樣中，該凸如圖示為圓形。在實施態樣中，該凸起具有凸形(mesa)或台階(plateau)，一平坦區域而不是圓形的頂點或尖端。
參照第15圖，係墊式修整器的一部分，基材100具有不同高度的柱狀(post shaped)凸起104、106；較大的鑽石砂粒種晶110，其位於墊式修整器的基材及凸起的表面上；及多晶形鑽石層114，其具有覆蓋大粒徑尺寸的鑽石砂粒以及修整器的表面的厚度。在較佳之實施例中，該等凸起的側面係實質上不含鑽石分散相且並未粗糙化。在一實施態樣中，較大砂粒種晶的粒徑範圍為小於6微米。該多晶形鑽石之粒徑可為較大鑽石砂粒種晶的粒徑的50%至100%之間。在實施態樣中，大於100%。
Smith前案，其屬於本發明申請人，其揭露一種具有凸起的墊式修整器，其表面被粗糙化或紋理化，並以CVD鑽石材料覆蓋。將小鑽石砂粒施用於表面上以作為多晶形鑽石膜的核的 使用係由Malshe等人揭露，於Electrochemical Society Proceedings第97-32期(1998)第399-421頁(ISBN 1-56677-185-4)，揭露使用4奈米尺寸的鑽石晶體作為種粒。同時參見美國專利第4,925,701號(Jansen等人)，其揭露使用100奈米鑽石種粒；以及5,474,808號(Aslam)，其揭露使用25奈米種粒。前述引用文件的全文，除了其中所含的明確定義以外，於此處併入本文作為參考。
如圖式所表示，本發明之實施態樣的墊式修整器之墊片切削速率及墊片表面粗糙度相較於市售墊式修整器穩定。本發明之實施態樣的完成表面也典型地比市售可購得之墊式修整器更平滑。此處與後附請求項所使用的單數形式如「一」、「一種」、及「該」包括其複數形式，除非文中有明確相反表示。因此，例如對於一「凸起」係指一或多個凸起且其等同物是本領域技術人士所周知，其他亦然。除非另有定義，否則此處所使用的所有技術與科學名詞皆具有與本領域具通常知識者所通常理解的相同意義。類似或相等於本文描述之方法與材料可用於實行或測試本發明之實施態樣。所有本文提及的文件，除了其中所含的明確定義以外，全部內容併入本文作為參考。本文文句皆不以逐字解釋而認為本發明並非屬於先前發明所揭露的優點。「視需要的」或「視需要地」意謂之後所描述的事件或狀況可能或不可能發生，且該描述包括事件發生的情況和沒有發生的情況。本文所有的數值皆可以用語「約」修飾，不論是否有明確指出。用語「約」通常代表本領域技術人士將認為與所指數值相等(即，具有相同功能或結果)的數字範圍。在某些實施態樣中，用語「約」係代表所指 數值的±10%，而在其他實施態樣中，用語「約」代表所指數值的±2%。當組合物及方法被描述為「包含」多種組份或步驟時(解讀為「包括，但不限於」)，組合物及方法也可「實質上組成」或由多種組份及步驟組成，該術語應解釋為定義實質封閉的群組。雖然本發明已參照一或多種實施方式示出並描述，本領域技術人士在閱讀及理解本說明書及圖式後可做出相等的改變與修飾。本發明包括所有該等修飾與改變，且僅由後附請求項的範圍限定。此外，本發明之特殊的特徵或方面可能僅揭露於唯一或少數的實施方式中，該特徵或方面可與一或多種其他實施方式的其他特徵或方面組合，其對於任何給定或特別的應用而言，可為所欲的或有利的。此外，若在詳細說明書或請求項中使用用語「包括」、「具有」、「含」、「其中」或其他形式，該等用語係意欲以涵括的方式類似於用語「包含」。並且，用語「例示性的」僅意謂一個例子，而非最佳者。並且，本文描述的特徵、層及/或元件係以特定的維度及/或方向考慮到簡潔及易於理解的目的而個別相對繪製，且實際的維度及/或方向可能與本文繪示者實質上不同。
雖然本發明已參照某些實施態樣詳細描述，也可能有其他的版本。因此，後附之請求項的精神及範圍不應為本說明書中之描述及各種版本所限定。雖已描述多種組合物及方法，仍應理解本發明並非限定為所描述的特定分子、組合物、設計、方法論或流程，其可能不同。亦應理解說明書中所使用的術語僅係為了描述特定的版本或實施態樣，且並非為了限制本發明的範圍，其將僅由後附請求項所限制。

Claims (17)

  1. 一種化學機械拋光墊修整器，包含：一基材，其包括一前表面，具有與該前表面成一體之複數凸起(protrusion)，該複數凸起朝實質上垂直於該前表面之前方方向延伸，各該複數凸起係具有自基材底部位準(substrate floor level)延伸的高度，其中該凸起的高度係大於12微米；一鑽石分散相(dispersion)，其位於該複數凸起上，且該鑽石的平均粒徑為小於12微米；以及一多晶形鑽石塗層，其至少覆蓋該複數凸起及該鑽石分散相。
  2. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中各該複數凸起具有形成於其頂表面上的凸形(mesa)，各該凸形具有大於3微米的均方根表面粗糙度。
  3. 如請求項2所述之化學機械拋光墊修整器，其中該鑽石係分散於各該複數凸起的凸形上。
  4. 如請求項2所述之化學機械拋光墊修整器，其中各該複數凸起係具有自基材底部位準延伸的側面。
  5. 如請求項4所述之化學機械拋光墊修整器，其中各該複數凸起的側面係實質上不含該鑽石分散相。
  6. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中各該凸起具有一最高的尖端，各最高的尖端係位於其相應的凸起且相對於其他凸起為非重複的方式。
  7. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中，該複數凸起具有矩陣排列。
  8. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中該鑽石的平均粒徑為小於6微米。
  9. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中，該複數凸起係包括一第一高度的凸起的群組，及一不同高度的凸起的群組。
  10. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中，該多晶形鑽石塗層的粗糙度為0.1微米至2微米。
  11. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中，各該鑽石的粒徑為1微米至15微米。
  12. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中，該多晶形鑽石塗層的厚度為該鑽石的平均粒徑的50%至100%。
  13. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中，該多晶形鑽石塗層的均方根粗糙度為0.1微米至2微米。
  14. 如請求項1所述之化學機械拋光墊修整器，其中，該基材及該凸起係碳化矽材料。
  15. 如請求項1至14中任一項所述之化學機械拋光墊修整器，其中該複數凸起係柱狀。
  16. 如請求項15所述之化學機械拋光墊修整器，其中各該複數凸起的側面朝實質上垂直於基材底部位準延伸。
  17. 如請求項15所述之化學機械拋光墊修整器，其中各該複數凸起的側面並未粗糙化。
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