TWM522101U - 光電化學機械研磨裝置及其研磨墊 - Google Patents

Description

光電化學機械研磨裝置及其研磨墊

本創作係有關於化學機械研磨（CMP）技術的領域，特別是有關一種光電化學機械研磨（PE-CMP）用之光電化學機械研磨裝置及其研磨墊。

隨著半導體技術的不斷創新，大型積體電路導向高積集化、微細化與高密度化發展。目前半導體製程已從過去的微米時代，改朝0.10微米以下的奈米製程邁進，同時，由於製程線寬的縮小與元件積集度的提高，為了確保晶圓或多層元件表面的平整度，且使得製程簡化並提升製程良率，表面平坦化技術的重要性相較於過去有更嚴格的要求。而平坦化製程中，經常使用化學機械研磨的製程，來移除晶圓表面薄膜多餘部份，進而達成全面平坦化的規格。

化學機械研磨是將研磨墊固定於研磨平台上，並由一個晶圓載具以真空方式吸取晶圓，然後，在晶圓上施加一個正向力，將晶圓壓觸於研磨墊上，藉由載具與研磨平台間的相對運動，使晶圓表面與研磨墊間產生相互摩擦，同時，將具有酸性或鹼性的化學研磨液或研磨漿持續均勻的注入晶圓與研磨墊之間，當作研磨墊和晶圓中間的介質，讓研磨液中的微小粒子去跟晶圓產生機械性的摩擦和一些化學反應的作用，來進行高效率的研磨去除加工，讓晶圓表面光滑化且平坦化。簡言之，此種化學機械研磨製程是一種結合化學反應與機械力作用的平坦化過程。

另外，作為化學機械研磨製程中關鍵部件之一的研磨墊，必須具有良好的化學穩定性、親水性以及機械力學特性，使晶圓表面的平坦化過程獲得有效的控制和優化。就目前矽晶圓的化學機械研磨製程，常見以白皮（SUBA）纖維複合材料作為研磨墊，其具有良好的綜合性能，研磨效率高。然而，隨著目前將邁入半導體10奈米以下的先進製程，矽晶圓的表面平坦化技術將面臨著越來越高的挑戰，對於研磨粗糙度、缺陷、厚度變化的要求更是日益嚴苛，但是在現有的化學機械研磨技術之架構下，這些要求往往不容易實現。

有鑑於此，本創作遂提出一種光電化學機械研磨裝置及其研磨墊，能夠突破現有的化學機械研磨技術的瓶頸，以有效克服上述先前技術之種種缺失。

有鑑於上述缺失，本創作的主要目的在於提供一種光電化學機械研磨裝置及其研磨墊，乃於研磨墊的表面嵌入導電體及光源，而可同時利用光化學反應與電化學反應，促進化學機械研磨的力學作用，有效達到晶圓之平坦化，並從而可符合半導體先進製程的需求。

因此，為達上述目的，本創作揭露一種光電化學機械研磨用之研磨墊，其包含基底、多個導電體與至少一光源。其中，基底為聚氨酯（PU）發泡材料所構成者，此基底具有研磨表面，並於研磨表面設有複數溝槽，而多個導電體分別設置於這些溝槽內，並相互電性連接，至於光源則是設置於這些導電體至少其中之一上；藉由本創作之光電化學機械研磨用之研磨墊，表面具有溝槽可供導電體和光源之配置，便於導入光化學和電化學作用，以實現光電化學機械研磨方法，可有效提昇晶圓表面平坦化的效果，並從而可符合未來半導體先進製程對於研磨粗糙度、缺陷、厚度變化的各種要求。

本創作也揭露一種光電化學機械研磨裝置，其包含研磨墊、研磨平台、晶圓載具、供給部件與電壓源。其中，研磨墊之基底為聚氨酯（PU）發泡材料所構成，並於基底之研磨表面設有複數溝槽，多個導電體分別設置於這些溝槽內，並相互電性連接，光源則設置於這些導電體至少其中之一上。研磨平台是用以支撐研磨墊，而晶圓載具設置於研磨平台上方，用以承載與導引欲研磨之晶圓與研磨墊之研磨表面相接觸，並讓晶圓載具與研磨平台產生相對運動，以進行研磨。另外，供給部件是用以供給研磨液至晶圓與研磨表面之間，而電壓源電性連接至晶圓和導電體，用以提供電壓。藉由本創作之光電化學機械研磨裝置，除了能提供一般化學機械研磨過程中晶圓與研磨表面相對摩擦旋轉所產生的機械作用，以及加入研磨液所產生的化學作用，進一步地，更導入電化學作用與光化學作用，可有效提昇晶圓表面平坦化之研磨效率和成果，有助於實現半導體先進製程的發展需求，從而可達到更高的經濟效益和產業競爭力。

具體而言，本創作光電化學機械研磨用之研磨墊，其複數溝槽以均勻分佈於研磨表面為較佳；且導電體之材質可選自由金屬、金屬合金、石墨、碳、以及導體聚合物和其混合物所構成的群組；而光源可為發光二極體，且光源可為複數個，並分別設置於導電體上，而讓光源可直接對應於晶圓的正面，用以照射晶圓，以順利造成光化學效應來研磨晶圓。

為使對本創作的目的、特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖式詳細說明如下：

為清楚揭露本創作所揭露的光電化學機械研磨裝置及其研磨墊的技術特徵，以下將提出數個實施例以詳細說明本創作的技術特徵，更同時佐以圖式俾使該些技術特徵得以彰顯。

請參閱第1圖，為本創作第一實施例所揭露之光電化學機械研磨用之研磨墊100的剖面圖。

本創作之第一實施例所揭露之光電化學機械研磨用之研磨墊100，主要是由基底10、複數導電體20及光源30所構成，基底10具有研磨表面11，並於研磨表面11設有複數溝槽12，用以容置導電體20及光源30；本實施例中，每個溝槽12內設有一個導電體20，每個導電體20之間相互電性連接，且光源30設置於其中一個溝槽12內的導電體20上方。

本創作中，研磨墊之基底10是採用密度較高的硬質聚氨酯（PU）發泡材料，其材質特性是具有良好的韌性與可撓性，可達到高晶圓移除率均勻度，故可避免一般低密度材質之基底於研磨過程中容易磨損粉末的情況。而導電體20之材料可選自由金屬、金屬合金、石墨、碳、以及導體聚合物和其混合物所構成的群組之導電材料。至於導電體20的製作，可利用嵌入或填入導電材料的方式而形成並固定於基底10之溝槽12內，或者，也可以通過如後所述之單模灌注成型方法和基底10一起製作而成，此方法不需二次加工，可使得導電體20得以緊密地結合於基底10之溝槽12內，在研磨製程中不易導致剝離，使製程更為穩定。

此外，本創作所製作的光電化學機械研磨用之研磨墊，其光源30可為發光二極體，且光源30的數目沒有特殊限制，可依目的和用途之不同來予以變化。請參照第2圖，為本創作之第二實施例所提供的光電化學機械研磨用之研磨墊200的結構剖視圖；本實施例中，光源30為複數個，並且分別安裝於每個溝槽12內，且位於每個溝槽12內的導電體20之上。

接著，請參照第3圖，更詳細地描述本創作第一實施例之製作流程。以下依序說明各個詳細步驟。

首先，如步驟S100，將PU的組成配方，即化學原料異氰酸酯（ISO）和多元醇（含乙二醇、水）兩料，按照發泡比例1.35：1調配所需用量，並均勻攪拌得一基底原料，再倒入灌注機的攪拌桶槽內。

然後，如步驟S110，提供一研磨墊模具，模具內放有具有溝槽圖形的模板。灌注機在運作時，研磨墊模具需經加熱循環系統加熱至25～100°C的溫度，所需時間約1小時。

如步驟S120，而後將石墨置入研磨墊模具內的模板上作為導電體。除了石墨之外，導電體之材料亦可選自金屬、金屬合金、碳、以及導體聚合物和其混合物等導電材料；導電體的厚度可介於10至130微米之間。

如步驟S130，將研磨墊模具上下模密合，隨後，將基底原料以射出成型方式，直接射入研磨墊模具內。透過灌注機促使基底原料經70～200巴（Bar）的壓力循環混合，時間持續1小時，並於40°C~120°C的溫度範圍下，使PU發泡材料於研磨墊模具內進行共聚物之聚合反應。

如步驟S140，經高溫、高壓作用後，研磨墊模具內多餘的空氣會從排氣孔排出，使PU發泡材料膨脹，待約1小時的固化成型後，即形成PU的基底30，且導電體係一體成型於基底的溝槽內。

如步驟S150，再將發光二極體安裝於其中一個溝槽內的導電體上，即可獲得第一實施例之光電化學機械研磨用之研磨墊成品。

當然，此方法也可用於製作第二實施例之光電化學機械研磨用之研磨墊，差別僅在於最後的步驟S150，將光源的數目改為複數個，並分別安裝於每一個溝槽內的導電體上，即可完成製作。

而藉由本創作之光電化學機械研磨用之研磨墊，由於結合了導電體和光源，有利於導入光化學和電化學作用，並可幫助光電化學機械研磨技術的實現。

進一步地，以下再針對本創作所揭露的光電化學機械研磨裝置予以介紹說明。請參照第4圖，為本創作第三實施例所揭露的光電化學機械研磨裝置之示意圖。

本創作第三實施例所揭露的光電化學機械研磨裝置，主要是由研磨墊200、研磨平台40、晶圓載具50、供給部件60與電壓源70所構成。本實施例乃採用前述第二實施例之研磨墊200，是於其基底10的研磨表面11配置有導電體20與光源30，每個導電體20之間相互電性連接；當然，實務上亦可採用如第一實施例具有單個光源30之研磨墊100。接著說明其他組件，其中研磨平台40是用來支撐研磨墊100，晶圓載具50設置於研磨平台40上方，用以承載與導引待研磨的晶圓80與研磨墊200之研磨表面11相接觸，並讓晶圓載具50與研磨平台40產生相對運動，以進行研磨；其中，由於晶圓80面對著研磨墊200之研磨表面11，則位於研磨表面11的光源30同樣也面對著晶圓80，因此光源30所提供的光線可直接照射至晶圓80表面。而供給部件60是用以供給研磨液至晶圓80與研磨表面11之間，至於電壓源70乃電性連接至晶圓80和導電體20，用以提供電壓輸入。

研磨過程中，是將研磨墊200固定於研磨平台40上，並將待研磨之晶圓80的背面黏貼於晶圓載具50上，再將晶圓載具50移動並施以均勻壓力，使晶圓80的正面得以壓抵於研磨墊200之研磨表面11，並讓研磨平台40和晶圓載具50至少其中之一轉動，使晶圓80的正面與研磨墊200間產生相互摩擦，而且一邊利用供給部件60將研磨液持續均勻地注入於晶圓80與研磨墊200之間，以藉由同時發生的機械作用與化學反應來移除晶圓80表層的薄膜，使其表面光滑化及平坦化，此外，本創作係將晶圓80用作第一電極，將導電體20用作第二電極，並在第一電極和第二電極之間以電壓源70提供均勻的電壓分佈，並且，在第一和第二電極之間施加電壓時，更利用光源30提供足夠的光線來照射晶圓80的正面，因此，此研磨過程可進一步地結合了光化學作用和電化學作用，能夠有效提高晶圓平坦化的效果。

綜上所述，本創作所揭露之光電化學機械研磨裝置及其研磨墊，有別於習知的化學機械研磨技術，乃於研磨墊的研磨表面設有多個溝槽，每個溝槽內設有相互電性連接的導電體，且導電體上更設有光源；藉此，除了可於研磨過程中結合物理機械作用和化學作用的優點及效應來研磨晶圓，同時，可藉由提供電壓給晶圓與導電體，並使用光源照射晶圓的正面，從而進一步地結合電化學作用與光化學作用，促使晶圓的平坦化製程更為穩定，可以得到較好的平整度，可減少研磨時間及增加生產速率。故，根據本創作所揭露之光電化學機械研磨裝置及其研磨墊，將有助於實現半導體先進製程的發展需求，從而可提昇產業競爭力，並獲得更高的經濟效益。

雖然本創作以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作。在不脫離本創作之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本創作之專利保護範圍。關於本創作所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

100、200‧‧‧研磨墊
10‧‧‧基底
11‧‧‧研磨表面
12‧‧‧溝槽
20‧‧‧導電體
30‧‧‧光源
40‧‧‧研磨平台
50‧‧‧晶圓載具
60‧‧‧供給部件
70‧‧‧電壓源
80‧‧‧晶圓

第1圖為本創作之第一實施例所揭露的光電化學機械研磨用之研磨墊之剖面圖。 第2圖為本創作之第二實施例所揭露的光電化學機械研磨用之研磨墊之剖面圖。 第3圖為本創作之第一實施例所揭露的光電化學機械研磨用之研磨墊的製作方法的流程圖。 第4圖為本創作之第三實施例所揭露的光電化學機械研磨裝置之示意圖。

200‧‧‧研磨墊

11‧‧‧研磨表面

20‧‧‧導電體

30‧‧‧光源

40‧‧‧研磨平台

50‧‧‧晶圓載具

60‧‧‧供給部件

70‧‧‧電壓源

80‧‧‧晶圓

Claims (11)

1. 一種光電化學機械研磨用之研磨墊，包含有： 一基底，係為聚氨酯（PU）發泡材料所構成者，該基底具有一研磨表面，且該研磨表面設有複數溝槽； 複數導電體，分別設置於該些溝槽內，並相互電性連接；及 至少一光源，設置於該些導電體至少其中之一上。
2. 如請求項第1項所述之光電化學機械研磨用之研磨墊，其中該些溝槽係均勻分佈於該研磨表面。
3. 如請求項第1項所述之光電化學機械研磨用之研磨墊，其中該些導電體係選自由金屬、金屬合金、石墨、碳、以及導體聚合物和其混合物所構成的群組。
4. 如請求項第1項所述之光電化學機械研磨用之研磨墊，其中該光源為發光二極體。
5. 如請求項第1項所述之光電化學機械研磨用之研磨墊，其中該光源為複數個，並分別設置於該些導電體上。
6. 一種光電化學機械研磨裝置，包含有： 一研磨墊，包含： 一基底，係為聚氨酯（PU）發泡材料所構成者，該基底具有一研磨表面，且該研磨表面設有複數溝槽； 複數導電體，分別設置於該些溝槽內，並相互電性連接；及 至少一光源，設置於該些導電體至少其中之一上； 一研磨平台，用以支撐該研磨墊； 一晶圓載具，設置於該研磨平台上方，用以承載與導引一晶圓與該研磨表面相接觸，並讓該晶圓載具與該研磨平台產生相對運動； 一供給部件，用以供給一研磨液至該晶圓與該研磨表面之間；及 一電壓源，電性連接至該晶圓和該些導電體，用以提供電壓。
7. 如請求項第6項所述之光電化學機械研磨裝置，其中該些溝槽係均勻分佈於該研磨表面。
8. 如請求項第6項所述之光電化學機械研磨裝置，其中該些導電體係選自由金屬、金屬合金、石墨、碳、以及導體聚合物和其混合物所構成的群組。
9. 如請求項第6項所述之光電化學機械研磨裝置，其中該光源為發光二極體。
10. 如請求項第6項所述之光電化學機械研磨裝置，其中該光源為複數個，並分別設置於該些導電體上。
11. 如請求項第6項所述之光電化學機械研磨裝置，其中該光源係對應於該晶圓的正面，用以照射該晶圓。