具有磨損指示的固定式磨具的制作方法

專利名稱：具有磨損指示的固定式磨具的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于化學機械拋光(CMP)以及在制造半導體器件中具有特殊用途的固定式磨具。
背景磨具在各種工業用途中被用來研磨，精加工和拋光微電子器件(如半導體器件)和磁記錄介質等的表面。磨具典型的工業用途包括在各個制造階段中對基片的拋光。
在制造半導體器件時，晶片通常要經過多次處理步驟，包括沉積，布線和腐蝕。在一個或多個這些處理步驟之后，要求制得高水平的表面平整度和均勻性，以保證光刻工藝的準確性。傳統的平整化技術包括拋光，例如化學機械拋光“CMP”，其中，晶片托架組件與CMP設備中的拋光板接觸并旋轉。該拋光板被固定在旋轉/平移轉盤或臺板上。晶片被固定在托架或拋光頭上，而且用一種可控壓力將晶片壓在旋轉的拋光板上。這樣，CMP設備就能進行半導體晶片表面和拋光板之間的拋光或摩擦運動。可選將含有磨粒的拋光漿料分散在拋光板和晶片上。
有些用于研磨漿料處理的拋光板具有一個槽紋多孔聚合物表面，可以根據要接受CMP處理的具體材料選擇研磨漿料。漿料被滲入聚合物表面的孔隙中，槽紋將研磨漿料轉移到接受CMP處理的晶片上。Krywanczyk等人的美國專利5842910公開了一種用于CMP漿料處理的拋光板。典型的CMP不僅可以在硅晶片上進行，還可以在氧化硅等各種介電層，鋁和銅等導電層上進行或在同時包含導電和介電材料的層上進行，例如金屬鑲嵌處理。
另一種不同于上述研磨漿料類型拋光板的磨具是固定式磨具，如固定式研磨拋光片或拋光板。這種固定式磨具通常包括一個背襯和許多貼附于其上的研磨復合體。這些研磨復合體可以包括混在聚合物粘合劑等粘合劑中的磨粒。在CMP過程中，接受CMP加工的晶片等工件使固定的研磨體磨損，暴露出新的磨粒。可以在工作液體中加入一種化學試劑或將其加入固定式磨具中，提供化學活性，而機械活性由固定式研磨單元提供。因此，這種固定式磨具不需要使用含有疏松磨粒的漿料，從而簡化了廢液處理，降低了消耗材料成本，與需要研磨漿料的拋光板相比，減少了發生凹陷的問題。在使用固定式研磨拋光板進行CMP加入時，可以在拋光板上使用一種化學試劑，該試劑取決于接受CMP加工的具體材料。但是，這種化學試劑不一定要象研磨漿料類型的CMP加工中那樣必須包含磨粒。固定式磨具公開于Rutherford等人的美國專利5692950，Calhoun的美國專利5820450，Haas等人的美國專利5453312，Hibbard等人的美國專利5454844，Bruxvoort等人的美國專利5958794，Kaisaki的專利WO98/49723和Ravipati等人的美國專利5014468中。
在CMP過程中，用于研磨漿料類型CMP操作的傳統聚合物拋光板表面被磨光，從而無法容納和/或傳送研磨漿料，或者無法以令人滿意的速度和均勻性進行拋光。因此，傳統拋光方法需要定期修整拋光板表面，使其保持適于進行CMP的形態。傳統處理方法是使用一種金剛石或碳化硅(SiC)修整盤來修整拋光板。多次重復修整操作后，該拋光板被最終消耗很多，無法以令人滿意的速度和均勻性再進行拋光。這時，必須更換拋光板。更換時，CMP設備就不能進行拋光工作，因而使其產量顯著降低。
因此需要延長固定式磨具的使用壽命，同時保持各晶片拋光速度的高穩定性。還需要設計一種CMP設備，它能使用具有延長壽命的固定式研磨拋光板，并具有各晶片拋光速度的高穩定性。還需要固定式磨具，其制造方法，應用固定式磨具的CMP設備和應用固定式磨具的CMP方法，這種方法能夠降低CMP過程中的沾污；促進研磨帶的磨削作用而改進CMP；避免在固定式研磨帶下形成氣泡；簡化CMP時化學試劑的施加；能定制固定式磨具以適合于對各種基片材料進行CMP；降低和/或消除移位運動；在CMP過程中消散熱量；提高CMP時的拋光滯的貼合性；對固定式研磨單元進行修整；增加貯存在滾筒上的研磨帶量；監測CMP；優化CMP加工時化學試劑的施加；優化對CMP溫度的控制；調整CMP時的化學試劑；減少CMP排出液中的顆粒；檢測和分析排出液顆粒以測定其組成；控制排出液中的顆粒以減少刮擦和產生凹陷；在CMP時確定固定式研磨單元的使用壽命；優化固定式磨具的壽命；優化移位運動；以及普遍提高效率，提高處理量和降低CMP成本。
發明簡述本發明涉及復合有磨損指示的固定式磨具及其方法。這種方法和磨具能讓使用者監測和確定固定式磨具的可用壽命和可用壽命終點，并加以優化，例如使該固定式磨具的實際使用量最大化。
當一個固定式磨具對基片工作，即對基片研磨或拋光時，其上面的研磨復合體隨時間也被研磨損耗掉。根據本發明，研磨復合體的研磨會改變固定式磨具的一個特征或性質或其與基片間的相互作用。監測固定式磨具或CMP過程來檢測這些變化，能在客觀上確定在一個固定式磨具壽命中將其更換的最佳時刻。
通常，在用固定式磨具加工基片時，必須停止該固定式磨具，然后檢查確定是否需要用新的磨具將其更換。這些停頓會降低效率，可以通過使用本發明的方法和固定式磨具進行避免。而且，雖然更換磨損的固定式磨具會導致效率降低和過程停頓，但若忽視更換磨損的磨具也有可能損壞正接受加工的基片。另一方面，當磨具還有較長的可用壽命時就過早地將其更換，會導致效率降低并增加加工成本，這不僅是因為沒有充分利用該磨具而產生的成本增加，還由于過多地更換次數造成額外的不必要停頓所致。本發明能最佳地利用固定式磨具，并將加工過程中需要更換固定式磨具的次數降至最少。
本發明一方面涉及一種固定式磨具，它包括一些三維研磨復合體，并進一步包括一種磨損指示。
本發明另一方面涉及一種固定式磨具，包括一些含有惰性的化學指示或機械磨損指示的柱狀體。
在本申請中，應用了以下定義“研磨聚結體”是指以單一顆粒體形式結合在一起的許多磨粒。
“研磨復合體”是指許多個有一定形狀的物體，它們集合起來構成一個有表面織構的三維磨具，這些個物體中包含一些磨粒和一種粘合劑，而這些磨粒可以是研磨聚結體形態的。
本發明提出了一種成本相對較低的，能在各個制造階段提高半導體晶片表面特性的容易控制的方法。由于這種磨具被設計成相對經久耐用的，一個磨具能用于多個連續操作中。
通過以下對附圖和本發明優選實施例的說明，能更好地理解本發明的其他特征，優點和構想。


附圖1到10涉及各種固定式磨具。
詳細說明固定式磨具是一種能從工件表面除去物質，特別是在一種合適的工作液體存在下從工件表面除去物質的磨具。優選的固定式磨具包括一些研磨復合體。研磨復合體是固定式磨具領域公知的，可以包括聚合物材料，析相聚合物材料或這些材料的一種或兩種與無機或聚合物磨粒的組合。在一個例子中，一種研磨復合體包含一種粘合劑，并可以有分散在該粘合劑中的許多無機磨粒。在另一個例子中，一種研磨復合體包含一種具有析出相的聚合物質，其中的一個相作為磨粒。
該固定式磨具可以是一種整體式磨具，除了使用時產生的磨粒外，基本上沒有未粘附的磨粒。優選的固定式磨具是“三維的”，“有表面織構的”，“可磨蝕的”或具有這些性質的組合。一種“三維的”固定式磨具具有至少分散在其部分厚度范圍內的磨粒，在平整化時，除去一些顆粒就暴露出另一些新鮮磨粒。一種“有表面織構的”固定式磨具具有凸起部位和凹陷部位，其中至少凸起部位中含有磨粒和粘合劑。一種“可磨蝕的”固定式磨具在受控方式的使用條件下會被磨損。
本發明的固定式磨具可以包含一些具有“精確形狀的”研磨復合體，這些研磨復合體具有與用來制造該精確形狀的研磨復合體的模子空腔相反的形狀，而且這個形狀在研磨復合體被從模具中取出后仍能保持。優選的精確形狀磨具的研磨復合體，在該磨具使用前，基本上沒有磨粒突出在暴露表面之上，如參考文獻美國專利5152917(Pieper等人)所述。
固定式磨具是研磨領域公知的，如以下參考文獻中所述Rutherford等人的美國專利5692950，Calhoun的美國專利5820450，Haas等人的美國專利5453312，Hibbard等人的美國專利5454844，Bruxvoort等人的美國專利5958794，Kaisaki的專利WO98/49723和Ravipati等人的美國專利5014468。
固定式磨具的粘合劑是本領域公知的，各種可以用做粘合劑的物質都有市售商品。該粘合劑可以是能包含所用磨粒的聚合物質，并通過一種或多種化學反應制備。優選的粘合劑可以從已知可聚合樹脂制備，例如熱固性樹脂等有機聚合樹脂。優選樹脂包括丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯聚合樹脂。另一種合適的粘合劑是包括含有膠體金屬氧化物顆粒的有機聚合物在內的ceramer粘合劑。
優選的研磨復合體是可磨蝕的。可磨蝕性使磨粒被從磨具上除去，暴露出新的磨粒，因此是要求的性質。因為優選的磨具是三維的，所以能保證提供足夠多的新磨粒。如果研磨復合體不是可磨蝕的，則在使用時，磨粒可能無法被正確地從磨具上除去，這時就無法暴露出新的磨粒。如果研磨層的可磨蝕性太強，則磨粒就會除去太快，導致磨具的壽命比要求的更短。
對具體用途而言，研磨復合體的可磨蝕度與各種因素有關，這些因素包括固定式磨具和工件的表面織物；研磨復合體的形狀；使用條件，包括固定式磨具和工件之間的壓力以及，在加工時是否使用了液體；以及被加工基片的組成。
要使磨蝕容易發生，粘合劑優選包含足夠量的增塑劑，能夠使這種固定式磨具的可磨蝕性比不含增塑劑的相同固定式磨具的可磨蝕性更高。優選的粘合劑包含至少占增塑劑和樹脂總重量約25％的增塑劑(更優選，在約40％到約75％重量之間)。優選的增塑劑是鄰苯二甲酸酯及其衍生物。參見美國專利5958794。
磨粒可以是適用于磨具的任何尺寸，組成或類型，取決于磨具的具體組成(如粘合劑)，磨具被設計用來加工的工件，以及加工時是否需要使用液體等因素。總而言之，優選平均粒徑不超過約5微米的磨粒。更優選的是不超過約1微米的磨粒，特別是不超過約0.5微米。
在特殊用途中，例如，要避免損傷半導體晶片等工件的表面(特別是當晶片表面是含有二氧化硅等金屬氧化物的表面時)，可以選擇莫氏硬度不超過約8的磨粒。優選的磨粒包括由二氧化鈰等金屬氧化物制成的顆粒。其他磨粒參見Bruxvoort等人的美國專利5958794中第19欄第6-40行和Kaisaki的專利WO98/49723。
研磨復合體還可以包含其他顆粒，如填料顆粒，以及其他磨粒，其用量是固定式磨具領域公知的。填料顆粒的例子包括碳酸鹽(如碳酸鈣)，硅酸鹽(如硅酸鎂，硅酸鋁，硅酸鈣及其組合)，以及它們的組合。也可以使用塑料填料顆粒。
研磨復合體可以采用任何可用的形式或形狀，正性或負性的，優選形狀包括圓筒形，立方形，縮短的圓筒形，棱形，圓錐形，截去頂端的圓錐形，截去頂端的棱錐形，十字形，具有平頂表面的柱狀體，半球形和它們的組合。固定式磨具領域技術人員能夠理解研磨復合體的合適尺寸和間隔。通常，研磨復合體的可用形狀要適于研磨或拋光選定工件的任何形狀，優選三維的可磨蝕研磨復合體。所有研磨復合體的形狀優選基本上都相同。
研磨復合體可以直接相鄰或彼此間隔開。例如，它們可以是互相隔開的伸長的脊的形式，例如使相鄰的研磨復合脊單元之間形成通道。每個研磨復合體優選可具有對于背襯基本相同的取向。
固定式磨具優選包括以精確形狀的圖案排列的許多個研磨復合體。所有這些單元優選具有基本相同的高度，高度最優選不超過約250微米。
固定式磨具優選是耐用的，如，能完成至少兩次，優選至少5次，更優選至少20次，最優選至少30次平整化加工。磨具優選能提供很好的磨削速度。而且，磨具優選能使其加工產生的半導體晶片等工件，具有符合要求的平整度，表面光潔度和最小的凹陷。本領域技術人員都能理解，材料，所要求的織構和用來制造固定式磨具的過程都會對是否達到這些要求而產生影響。
已知固定式磨具優選有個背襯。圖10表示了一種這樣的磨具。一般而言，磨粒分散在粘合劑中形成與背襯粘合的研磨復合體。參見圖10，磨具50包括具有前表面58的背襯59。研磨復合體57被粘合在前表面58上。固定式磨具50是有表面織構和三維的，并含有許多可磨蝕的研磨復合體54。固定式磨具的上表面，即固定式磨具含有研磨復合體54的表面，通常被稱為研磨表面52。在此圖中，研磨復合體54是棱錐形的。在相鄰研磨復合體之間具有凹陷或凹谷53。圖中還示出了多行的棱錐形研磨復合體，其中第二行研磨復合體與第一行錯開。研磨復合體54中有許多分散在粘合劑55中的磨粒56。在加工過程中，每個研磨復合體54的最外端點51首先與工件接觸，隨著加工的進行，研磨復合體從背襯59上基本均勻地磨損或磨蝕掉。
圖10的固定式磨具50包含一種磨損指示，這是一種位于一個研磨復合體54底部的可見標記，用陰影部分60表示。在部分研磨復合體54被磨損或磨蝕掉后，能夠從固定式磨具50的上表面(研磨掉的表面)看到此可見標記。
或者，如圖3所示，固定式磨具不需要一個獨立的背襯。圖3表示的固定式磨具600是一個有表面織構的三維磨具，具有一個有表面織構的研磨表面602，形成整個研磨表面606，它是一個由許多棱錐形研磨復合體604構成的整體結構，其中磨粒601分散在粘合劑603中。可見的標記作為磨損指示，表示為陰影部分605。
磨具可以是圓形的，例如是一種磨盤形狀的；或是一種磨卷形式的，在研磨領域通常稱為研磨帶卷；或環形研磨帶。
用磨損指示確定固定式磨具的磨損本發明的固定式磨具能確定其磨損或剩余可用壽命，例如確定固定式磨具的可用，實用，最大或額外磨損度。在優選方法中，可以在加工工件過程中，無須停止加工而檢查固定式磨具就能完成；即，無須為了更換與工件接觸的固定式磨具，而停止加工，并無需可能停止固定式磨具的運動，來檢查其磨損度。使用這種固定式磨具能夠確定是否需要更換新的固定式磨具以及何時更換。在產生最大磨損度后更換固定式磨具，可以消除由于過多使用固定式磨具而損壞基片的可能性，并通過將固定式磨具的更換次數降至最低而提高效率，從而減少由于更換磨損的固定式磨具而發生停工所浪費的時間。
磨損指示是置于固定式磨具中，使其在使用時能產生可測定變化的部件，特征，形體或標記，可以用來確定固定式磨具在使用即加工過程中所發生的變化，用保留在部分固定式磨具中可用研磨復合體量的降低表示該固定式磨具受到的磨損。從物質構成或組成而言，磨損指示可以是固定式磨具的一個部件，特征、形體或標記，其組成，位置或在固定式磨具中的安裝不同于這些組分，部分，形狀或標記的尋常組成，位置或安裝；磨損指示并非象粘合劑，磨粒等那樣，一定是固定式磨具的通通組分，但是，如果其在固定式磨具中的位置，標記或安裝被設計成隨固定式磨具的磨損而發生可檢測的變化時，則固定式磨具的這種特征可以被認為是磨損指示。
優選的磨損指示被加入固定式磨具的其他常用必要材料和部分中，如必要的粘合劑和磨料。優選的磨損指示例子中，使用了影響固定式磨具或使用固定式磨具過程的一個可視性質的材料，如著色劑或染料；一種對某些形式的輻射透明或能測定折射率的透明材料；磁性或金屬材料等可檢測材料；可直接化學檢測的材料，例如通過化學反應或pH的改變直接或間接可檢測的材料；或者，磨損指示可以是固定式磨具中的一種形狀或形式，例如是空隙或小孔，當磨損達到一定程度時，這種空隙或小孔就能看到或以其他方式檢測到，或被用來監測固定式磨具的磨損而改變的另一個過程參數或過程的物理特征。
磨損指示可以利用任何化學，物理，機械，電學或其他原理。包括以下例子磨損指示可以利用電子器件，例如電容器或其他電容性，電感性，電阻性或導電器件的電學原理(即，如果磨損指示具有一種這些器件的特性或能用其他器件或相關原理檢測)；光學原理，通過監測固定式磨具，磨損指示，或另一種組分或使用該固定式磨具的加工過程中甚至包括工件或加工中使用的液體的顏色或折射率的變化，；與磁學相關的原理，例如使用磁性磨損條，磁性薄膜，磁性粉末，磁性漆或其他磁性材料的磁性磨損指示；涉及固定式磨具和工件之間摩擦的原理，即，隨著固定式磨具的磨損以及研磨復合體被磨蝕掉，固定式磨具和基片之間的平移摩擦力會增加或降低，能夠很容易地測量到電動機轉矩的增加或降低(即，磨損指示和固定式磨具之間的接觸會增加或降低固定式磨具和基片之間的摩擦力)；或者，磨損指示可以通過產生噪聲或進一步磨蝕而起作用，例如與工件接觸時，在工件上產生的擦痕(雖然這些方法會損壞基片，因而是非優選的)。對所用原理的選擇和為此選定的固定式磨具部件取決于很多因素，例如工件的選擇，加工設備的選擇，要求的加工精度和工件的尺寸或固定式磨具的尺寸。
總的來說，與磨損指示有關的特征應能很容易地觀察到，例如可視光學方法觀察到。在一個例子中，磨損指示的工作原理是隨著固定式磨具的磨損而產生的可視性質的變化。
變化可以是在固定式磨具的整個壽命和使用中測定和監測的逐步變化，也可以是例如，經過一定的磨損，標記被暴露出來，或者標記從固定式磨具表面被突然磨損掉而產生的突變的，快速的，或突然的可視變化。
更常用的磨損指示能使固定式磨具的特征或性質隨著其磨損而發生變化。不論這種變化是逐漸發生的或突然發生的，磨損指示優選能使固定式磨具的特征或性質以可預計的，可檢測的和可測量的方式發生，這種變化可以與固定式磨具的磨損度相關。這種磨損指示可以是隨著固定式磨具的磨損，通過變得可檢測或無法檢測而起作用，或變得多少可以檢測而起作用，特別是其中研磨復合體被磨損或磨蝕掉，該固定式磨具會由于磨損指示的存在而發生可檢測的變化。這種磨損指示可以是裝在固定式磨具中置于合適位置的可視標記，例如可視顏料，著色劑，染料等，使其可視特征能隨其使用和磨損產生可預計的變化，特別是當該固定式磨具被損耗到使磨損指示與工件接觸時。
在一個特定例子中，固定式磨具的研磨復合體上例如至少位于部分研磨表面之上或整個研磨表面上，有一層起到可視磨損指示作用的有色層。圖4中所示固定式磨具620中包括一個有色層622，例如位于棱錐形研磨復合體之上的漆。研磨復合體可以是任何形狀的，只要殘留在固定式磨具的磨損指示物的量能隨著固定式磨具的使用而變化(例如減小)，而且這種變化是能夠測量的。研磨復合體的優選形狀應該至少具有一個非垂直磨損表面，如圖15中所示的棱錐形或脊形，在檢查研磨表面時會產生色彩的變化。其他例子包括半球形、圓錐形、甚至圓筒形研磨復合體，特別是那種具有棱邊，凸緣，環形或其他階梯狀或斜坡狀非垂直表面的形狀，如果這些表面涂覆了有色層，會在固定式磨具的使用過程中發生逐漸或突然的顏色變化。
另一種類型的磨損指示是一種例如可見的顏料、著色劑、染料等可視標記，它們在固定式磨具的使用和磨損達到一定程度時，會被看見。可以采取任何能使可視磨損指示隨著固定式磨具的使用和磨損而變得可見的方式，將這種可視標記加在固定式磨具中。
這種類型的磨損指示的一些特定例子中，磨損指示被置于某個位置，在部分研磨復合體被磨損或磨蝕掉之后，該磨損指示變得可見或可檢測(或相對多少可檢測)。圖1中表示了一種磨具2，包括一些柱狀研磨復合體4。該研磨復合體4含有一種粘合劑和磨粒(磨粒未特別示出)和一種可視標記，即一種可見染料，位于研磨復合體4的下部10。在使用過程中，不含可視磨損指示的研磨復合體部分6，即部分10之上不含可視磨損指示的部分，會被磨損或磨蝕掉。當這種磨蝕達到研磨復合體之中開始存在可視磨損指示的程度時，如圖1中的直線8所示，就能看見磨損指示。然后就可以用新的磨具將其更換。可視磨損指示可以存在于這種固定式磨具的一個，幾個或全部研磨復合體中，例如，以圓形或直線形圖案分布地存在，或者存在于固定式磨具的所有研磨復合體之中。
圖1中的磨損指示可以是非可視的，可以是當研磨復合體被磨損掉后，隨著與工件的接觸，而變得可檢測的任何物質。在另一個例子中，下部10中可以包含一種分散的或包封的化學試劑，當加工過程中下部10與工件接觸時，該化學試劑會從固定式磨具中析出。這種化學試劑可以在處理氣氛中被直接檢測，或在處理廢液或工作液體中被間接檢測，例如與另一種物質反應，使顏色發生變化，pH值發生變化或產生其他可檢測的化學現象。
按照實際需要確定研磨復合體4中含有磨損指示的部分10的高度，使磨損指示在磨具的使用壽命中，經過指定量的磨損后，在一段指定時間內被檢測到。這在很大程度上取決于研磨復合體本身的高度和研磨復合體的形狀。通常，磨損指示位于底部，優選占研磨復合體的25％(高度百分比)，例如高度占5％或10％的底部。而且，研磨復合體的部分10可以包含或不包含磨粒。這些對固定式磨具領域技術人員是顯而易見的。
圖2表示了另一種磨損指示。在這個例子中，一種磨損指示單元12(用陰影表示)，即一種包含粘合劑和磨損指示的“磨損指示復合體”，被置于磨具16中兩個研磨復合體14之間的間隔中。磨損指示單元12并非必須是研磨復合體的一個部分(雖然最好包含一種粘合劑和磨粒或其他顆粒)，因為其形狀或組成并非一定要與固定式研磨復合體的一致。這里的磨損指示單元12可以被看作是固定式磨具中，貼附在研磨復合體14上的獨立組成部分。當相鄰的柱狀研磨復合體14的磨損程度達到磨損指示單元12表面的程度時，磨損指示單元12的上表面就與基片表面接觸。然后磨損指示單元12作出某種指示，表示其正與基片接觸。這種指示可以是一種可見的指示，例如顏色變化，即磨損指示單元12表面會顯出某種顏色或褪色；可以是一種磁性指示，即涂覆在磨損指示單元上表面的磁性磨損指示會隨著與基片的接觸而被磨蝕掉；可以是接觸產生的摩擦或磨蝕的增加；可以通過存在于磨損指示單元12中另一種被磨蝕的物質被從處理廢液，工作液體或氣氛中直接或間接檢測而表示；或通過其他有效機理表示。這種類型的磨損指示可以被置于固定式磨具的研磨表面上一個或多個不同位置上，例如介于研磨復合體之間。在固定式磨具表面可以具有一個或多個這種磨損指示，而且一系列磨損指示可選形成直線狀或圓形圖案，在使用過程中，即當磨具旋轉或平移時可以看見。
在圖2中，磨具16的磨損指示單元12可以含有上述任何適于用作磨損指示的材料，包括一種粘合劑，還包括可視標記，金屬材料或磁性材料等的任意一種或更多種，或磨粒等研磨材料。在一個例子中，磨損指示12的上表面涂覆有一有色涂層(圖中未示出)，當柱狀體14被磨損到其上表面程度時，這個涂層也會被磨損掉；在這種磨損程度下，該有色層被磨損掉，使固定式磨具的顏色發生變化，表示發生了某種程度的磨損。
在另一個例子中，磨損指示被嵌入固定式磨具的某一已知位置中，隨著固定式磨具的磨損，可以監測磨損指示的相對位置，確定研磨復合體被磨損的程度。具體是，這種磨損指示可以是磨損條或磨損帶形式的，例如位于固定式磨具表面或表面下，或位于研磨層(如研磨復合層，下墊板或基片層或背襯層)之間的有色的、金屬的或磁性的可檢測帶。隨著固定式磨具的磨損，磨損指示和工件表面之間的距離會發生變化(如減小)。可以對這種距離進行測量和監測，當磨損條和工件表面之間的距離達到某個值時，就能更換該固定式磨具。可以采用任何適用技術，用研磨指示直接或間接測量這個距離。在某個例子中，磁性材料與工件表面的距離是用霍爾效應傳感器測量的。隨著距離的接近，讀出磁頭測得的信號強度會增大。
圖5表示了這種實施方式的一個例子。附圖中，固定式磨具630包括一個內嵌的磨損條632。該磨損條可以是任何可檢測材料，其位置可以在磨具630中確定。可用的磨損條材料取決于固定式磨具的組成和磨損條位置的檢測方法。可用材料包括金屬材料，磁性材料，如果至少一部分固定式磨具對可見光是透明的話，則可用的材料甚至可能是有色材料。圖5中示出了一種磨損條，可檢測材料可以是任何適用形式的。在使用過程中，固定式磨具與基片640接觸，研磨復合體604被磨損掉，使磨損條632和基片640表面638之間的距離636減小。可以通過測量磨損條632的位置來確定距離636，以此來跟蹤磨損程度和固定式磨具630的剩余可用壽命；即當到達某個最小距離時，可以用新的固定式磨具更換630。
另一種類型的磨損指示是可磨蝕的磨損指示，它位于固定式磨具中的位置應能使其在固定式磨具，特別是研磨復合體被磨蝕到一定程度時，被檢測到。可磨蝕磨損指示例子可以是被置于固定式磨具表面或其指定深度內的可磨蝕可見標記、磁性漆或金屬漆或其他材料，或任何其他可檢測并且可磨蝕的材料。
圖2表示了位于固定式磨具表面的可磨蝕磨損指示。如上文所述，可以在磨損指示單元12的上表面涂覆一層可檢測的有色的、金屬的或磁性材料的可磨蝕磨損指示(未示出)。在固定式磨具16的可用壽命中，存在有可磨蝕并且是可檢測的磨損指示；隨著研磨復合體14的磨損程度接近并超過磨損指示單元12表面的程度，被涂覆在其表面的可磨蝕磨損指示會被磨蝕掉而變得無法被檢測到，從而指示固定式磨具的磨損程度。
圖7表示了位于某個表面之下的可磨蝕磨損指示，即被嵌在固定式磨具618內。可磨蝕磨損指示607位于研磨表面602之下，嵌在研磨復合體604中，這個深度使其能隨著研磨復合體604的磨損而被磨損或磨蝕掉，從而被檢測到。可磨蝕磨損指示607的深度在表面602之下，使磨損指示607在固定式磨具600的壽命中，在指定的、最佳的或實用的時刻被磨損掉。而且，圖7還表示了三種可用的可磨蝕磨損指示，是線形單元或條狀形式的，數量和尺寸或形狀任意。
如上文所述，在本發明的某些實施例中，可以通過對固定式磨具研磨表面性質變化的監測，通過對固定式磨具研磨表面(如“前沿”)的觀測來對磨損進行測定。其他磨損指示的例子可以通過對固定式磨具的背面進行觀測，特別是通過固定式磨具及其固定裝置上的窗口，圓洞或其他小孔進行。
某些可以從固定式磨具背面進行監測的磨損指示例子包括那些能透過磨具被看到的磨損指示，其中，要么磨具對用于探測磨損指示的機理(如“探測輻射”)而言是透明的，要么該固定式磨具中有一個小孔。還必須將固定裝置設計成允許從背面對磨損指示進行監測的形式。
可以從固定式磨具背面進行觀測的磨損指示的一個例子是一種按照光學原理工作的磨損指示，其中，固定式磨具的磨損會導致以下一種或多種的變化通過固定式磨具的某一通道的光學性質的變化，或通過固定式磨具到工件的某一通道的光學性質的變化，也可能通過一種在加工工件時與固定式磨具共同使用的液體所發生的變化，來指示磨損程度。
更具體的是，如圖6中所示固定式磨具中包括一個透明的磨損指示646，是一個固體的透明窗口，例如小孔(圓洞)、玻璃、聚碳酸酯、或另一種對探測輻射透明的材料，這個窗口能允許探測輻射以束狀形式通過和反射。透明磨損指示不一定要對可見光透明，也可以使用其他不同于可見光的輻射。
可以監測磨損指示的光學性質，來確定磨損指示何時與工件接觸。這個工作可以通過測量從固定式磨具644下方開始的途徑64的光學性質而完成，通過磨損指示646，通過間隔642，到達工件640的表面638。光學性質可以是顏色或折射率或類似性質。在固定式磨具644的使用過程中，研磨復合體604在磨損指示646和工件640表面638之間保持一定距離和間隔642。間隔642可以通過監測磨損指示和間隔的光學性質而從固定式磨具644的背面，即下面檢測到。磨損指示646和工件表面638之間的間隔642會表現出顏色和折射率等可以透過磨損指示646被檢測的光學性質。光學性質會受到工件光學性質和處理中所用任何液體的光學性質的影響。間隔642中可以存在液體或空氣，這兩種物質中任一項存在或兩項都存在時，會影響沿著直線648的光學性質。當研磨復合體604被磨損到磨損指示642與基片表面638接觸的程度時，被測光學性質會以可預測的方式發生變化，因為間隔642會消失，而且從磨損指示沿著直線648觀測到的光學性質基本上就是與工件表面638接觸(可能通過一薄層空氣或液體)的磨損指示646的性質。對這些光學性質的觀測與磨損量和固定式磨具的剩余壽命相關。
圖8表示了一種采用了與固定式磨具相同形狀，形式或設計的磨損指示，即采用了研磨復合體或磨損指示復合體的形式，形狀和設計，而且，在此圖中，固定式磨具中設計有一個空隙或小孔。特別是，固定式磨具619中包括在其中從頂部開始的，部分延伸分布的空隙608。隨著位于空隙608上方，部分研磨復合體604的磨損，空隙會變成穿透固定式磨具的可見小孔。這些可以通過視覺來檢測或基于固定式磨具和基片之間摩擦力的變化而檢測。
在另一個未示出的實施例中，磨損指示可以是一個穿過固定式磨具的小孔，用來在加工中引入工作液體。這個小孔可以穿過固定式磨具的任何部分，例如，穿過一個研磨復合體而呈柱形，或位于研磨復合體之間的區域，形成孔隙或溝槽。使用這種類型的磨損指示時，可以監測與小孔相關的，隨著固定式磨具的磨損而變化的過程參數。例如隨著固定式磨具的逐步磨損，工作液體流過小孔的壓力或滲漏速度會發生變化，這種變化與固定式磨具的磨損程度相關(在處理過程中)。
另外一種可能的磨損指示是那種可以通過工件來監測的磨損指示，例如，要么工件對某種探測輻射是透明的，要么利用能看到固定式磨具，工件和所用液體的圓洞或小孔，或它們的組合。透明工件的一個例子是一種玻璃工件，例如采用金剛石拋光技術加工電視機的面板時。能逐漸或突然改變顏色，例如出現某種顏色，顏色變淡或消失的可視磨損指示，特別適用于透明基片，也可以使用其他類型的磨損指示。
通過以上的說明，裝在固定式磨具中的磨損指示的其他實例子是顯而易見的，可能包括一種或多種上述概念和實物或其他。例如，磨損指示可以是位于任意可用形狀和尺寸的研磨復合體底部的標記，或位于任意形狀的研磨復合體之間的部件。
固定式磨具可以被用來加工工件(有時也稱為“基片”)表面。通過上述說明，固定式磨具的某些使用方法是顯而易見的，但還涉及下述更特定的例子。
可以用固定式磨具處理任何可處理的工件，如對其研磨，拋光或修飾。優選的處理中是對半導體表面進行修飾，特別是但不一定必須結合化學機械拋光的方法。
半導體基片包括半導體晶片等微電子器件。半導體晶片可包括一個基本純凈的表面或一個用涂層或其他材料處理過的表面。具體是，半導體晶片可能是一個空白晶片(即為了增加金屬化和絕緣性等形態特征而進行處理前的晶片)或者是一個處理過的晶片(即經過一種或多種處理步驟以增加其表面形態特征后的晶片)。術語“處理過的晶片”包括但并不限于全部暴露表面都是由相同材料(如二氧化硅)構成的“空白”晶片。可以使用這種方法的領域是，半導體晶片的暴露表面包括一個或多個含有金屬氧化物的區域，即含有二氧化硅的區域。
通常，對工件表面進行修飾的要求是使其比修飾處理前更“平整”和/或更“均勻”和/或更不“粗糙”。要求的“平整度”，“粗糙度”，和/或“均勻性”取決于單個工件和該工件的預計用途，以及該工件可能接受的后處理步驟的性質。總的來說，有多個用來測定“平整度”，“粗糙度”，和/或“均勻性”的已知方法。
用固定式磨具修飾工件表面的方法是公知的，通常包括將工件以指定壓力與固定式磨具接觸并做相對運動，例如旋轉，直線移動或介于兩者之間的運動方式。
某些方法，例如進行平整化加工時，可以用一種液體與工件和固定式磨具接觸，這種液體的選擇基于工件的組成，能夠產生要求的平整度而不會嚴重影響或損壞工件。
這種液體能夠通過化學機械拋光過程，與固定式磨具一起發揮作用。舉例來說，當液體中的堿性化合物與SiO2反應形成氫氧化硅表面層時，發生SiO2的化學拋光。當磨具從表面除去金屬氫氧化物時，發生機械處理過程。
液體的pH值會影響磨具對工件修飾的性能，其選擇標準基于待平整化的工件表面性質，包括其化學組成和形貌。當工件的硅晶片表面還含有一種金屬氧化物(如二氧化硅)時，這種液體可以是pH值大于5，優選大于6，更優選大于10的液態介質。優選pH值為10.5到14.0，例如從約10.5到12.5。適用于銅工件的試劑實例參見Kaisaki的專利WO98/49723，以及受讓人于1999年3月10日提交待審美國專利申請系列No.09/266208。
適用于修飾含有金屬氧化物的晶片表面的液體介質例子包括含有氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化銨、氫氧化鋰、氫氧化鎂、氫氧化鈣、氫氧化鋇等氫氧化物的液體溶液，和含有胺及類似物等化合物的堿性組合物。堿性液體介質還可能含有超過一種的堿性物質，例如氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物。含有金屬氫氧化物的液體介質例子是氫氧化鉀在去離子水或蒸餾水中的溶液，其中氫氧化鉀濃度范圍約為0.1％到0.5％(例如約0.25％)。
這種液體還可能含有一種化學腐蝕劑，特別是在對半導體晶片表面進行修飾時。雖然不打算被理論解釋所限制，但可以認為，化學腐蝕劑會“攻擊”并可能與半導體晶片的最外層表面反應。然后，磨具將在半導體晶片的最外層表面上形成的物質除去。化學腐蝕劑的例子包括強酸(如硫酸，氫氟酸和類似物)和氧化劑(如過氧化物)。
如果需要的話，這種液體還能有助于破壞固定式磨具的表面，從而提高固定式磨具在使用時的可磨蝕性和磨蝕速度。例如，當固定式磨具中包括一種含有水溶性粘合劑或木漿等水敏感性填料時，含水液體介質會導致水溶性或被吸收進入研磨層中，從而加強了固定式磨具的可磨蝕性。
這種液體還可能包含表面活性劑，浸潤劑，緩沖劑，防銹劑，潤滑劑，皂等添加劑。選擇這些添加劑能提供要求的益處，同時避免損壞工件表面。舉例來說，通過添加潤滑劑能降低平整化過程中，固定式磨具和半導體晶片表面之間的摩擦。這種液體中還可能添加有無機顆粒。這些無機顆粒可能有利于切削速度。這些無機顆粒的例子包括氧化硅，氧化鋯，碳酸鈣，氧化鉻，氧化鈰，鈰鹽(如硝酸鈰)，石榴石，硅酸鹽和二氧化鈦。這些無機顆粒的平均粒徑應該小于約1000埃，優選小于約500埃，更優選小于約250埃。
優選的液體用量是針對被加工具體基片的有效量，即能夠從半導體晶片表面將金屬氫氧化沉積物除去的有效量。
工件的加工完成后，可以按照要求對工件進行后處理，例如，對半導體晶片而言，通常要用本領域已知的步序對其進行清洗。
在用于修飾工件表面時，固定式磨具優選被固定在下墊板上。使用下墊板能夠對工件進行處理，處理時將固定式磨具與工件接觸，其中，工件表面和固定式磨具之間的接觸壓力(即晶片背面總壓力)至少部分取決于具體的磨具。總的來說，接觸壓力優選不超過約10磅/平方英寸。
根據本發明，用固定式磨具修飾工件表面的過程中，可以使用磨損指示來監測該固定式磨具的可使用剩余壽命或確定是否需要更換。可以采用任何方式來監測固定式磨具表現出的磨損閾值。這種形式的改變包括磨損指示在形式或性質上的變化，例如其可見性或通過其他可見的，光學的或非可見性質的可檢測性。具體是，這種磨損指示會變得可檢測，例如可視性，特別是在研磨復合體被磨損到磨損指示與基片接觸或接近程度時；如測量到的噪聲，增加的摩擦，工件表面的擦痕或磨蝕，或可見指示所指示的磨損指示和工件之間的直接接觸。固定式磨具形式或性質上的變化，例如其顏色或平均顏色；工件和磨損指示之間距離或間隔的變化，例如測得磨損指示的位置在小于其與磨損指示之間的最小距離范圍內；以及其他情況。
在一個具體例子中，磨損指示可以是一種如染料等可見標記，而且應用固定式磨具的加工過程包括對其研磨表面的視覺監測。這可以通過使磨具不與工件接觸而獲得，或優選的，建立起一種方法，能在磨具仍然與工件保持接觸并對其進行加工時，對磨具進行視覺監測。優選在使用時對磨具進行連續監測，例如，應用帶狀固定式磨具時，帶狀物繞著滾筒運動，而且帶狀物的表面與工件接觸，或者工件也在運動中。這些加工方法是固定式磨具過程中公知的。因為在使用過程中，并非整個研磨帶表面與工件接觸，所以當可視磨損指示變得可見時，就能對帶狀物進行視覺監測，就可以更換帶狀物。視覺監測可以由一個工人或采用電子化方式完成。
圖9表示了一種用本發明的固定式磨具對半導體晶片進行平整化的簡化設備。與拋光板和疏松研磨漿料共同使用的已示出類型的設備和許多變體以及其他類型的設備是眾所周知的。一種合適的市售設備是從IPEC/WESTECH ofPhoenix，AZ購得的CMP機器。
如圖9所示，設備30中包括一個與發動機(未示出)相連的機頭裝置31。夾具32從機頭裝置31伸出；這種夾具的例子是一種萬向夾具。夾具32的優選設計是能適應不同的力和樞軸，這樣固定式磨具就能產生要求的表面光潔度和晶片平整度。
夾具32的末端是個晶片支架33，用來幫助將半導體晶片34固定在機頭裝置31上，并防止半導體晶片在平整化時松開。
晶片支架33的旋轉速度取決于具體設備、平整化條件、磨具和要求的平整化標準。總的來說，晶片支架33以約2到1000轉/分的速度旋轉，通常是約5到500轉/分，優選約10到300轉/分，更優選約30到150轉/分。如果晶片支架旋轉太慢或太快，就可能無法獲得要求的磨削速度。
晶片支架33可以按圓形方式旋轉。當晶片支架33旋轉的同時，它也可以按圓形螺旋形、8字形、施塞螺旋形或其他均勻，非均勻或任何方式擺動或振動。固定式磨具39的尺寸優選大于晶片支架33的尺寸，而且，加工過程中，晶片支架33相對固定式磨具39作運動，并接觸固定式磨具表面42的不同區域。固定式磨具39和晶片支架33的相對尺寸，應足以使固定式磨具的部分表面不接觸工件，從而保持可見，其可以看見的區域就能受到監測。
固定式磨具的直徑通常在約10到200厘米，優選約20到150厘米，更優選約25到100厘米。磨具的旋轉速度可以是約5到10000轉/分，通常是約10到1000轉/分，優選約10到250轉/分。優選半導體晶片和固定式磨具以相同方向旋轉。但是，半導體晶片和固定式磨具也能以相反方向旋轉。
設備30還有一個底座裝置41，支撐著具有研磨表面42的固定式磨具39。下墊板40與底座裝置41相連，貼附在固定式磨具39上。總的來說，下墊板應該是有彈性的，這樣固定式磨具才能對整個半導體晶片表面進行平整化。優選的下墊板是由聚氨酯泡沫等均勻材料制成的。
以下是優選的加工實施方式。一個三維，有表面織構的固定式磨具，其上面包括許多粘合在背襯上的研磨復合體，這些研磨復合體中包含許多磨粒和一種粘合劑。其中還包括一種可見標記等任何形式的磨損指示，例如在一個或多個研磨復合體的底部含有一種染料，其用量和位置使預定數量的研磨復合體在使用中被磨損或磨蝕掉后，能被看見。
下墊板被貼附在固定式磨具的背面，并且通常與之共同延展。這種下墊板包括至少一種具有小于約100兆帕楊氏模量的彈性單元，受到壓縮時保持至少約60％的應力；和至少一種通常能共延展的，并且介于彈性單元和固定式磨具背襯之間的剛性單元，這種剛性單元的楊氏模量大于彈性單元，至少是約100兆帕。合適的下墊板如美國專利5962950中所公開的。
磨具可以是直徑符合工件要求的圓盤形，直徑一般大于25厘米，通常大于36厘米，有時大于50厘米。
參見圖9，液槽37中裝有液體43，該液體可通過管道38被泵入半導體晶片34和研磨表面42之間的界面中。
平整化加工時，在磨具和半導體晶片之間的界面上可以有連續的介質流。
圖9還表示了根據本發明，如何利用可見磨損指示，對固定式磨具的磨損進行監測。圖9中有一個監測固定式磨具39顏色的光電探測器49。在加工過程中，固定式磨具39的研磨復合體被磨損或磨蝕掉，暴露出可以被光電探測器49檢測的可見(例如有色的)標記。檢測到可見標記時，就能知道固定式磨具39被磨損足夠了，可以用新的固定式磨具進行更換。
制造含有磨損指示的固定式磨具本發明的固定式磨具可以采用本領域已知技術制備，而且研磨劑和固定式磨具領域技術人員應該能夠了解如何將磨損指示置入固定式磨具中。
以下是一種制造三維，有表面織構的固定式磨具的經常被提及的方法。將一種含有粘合劑前體和磨粒混合物的漿料倒入模具中，陰模形狀與固定式磨具有織構表面的要求形狀相反。將背襯與模具的暴露面接觸，使漿料潤濕背襯表面。然后可以使至少部分粘合劑硬化、固化或膠凝。從模具中取出固定式磨具，如果它在前面的步驟中未完全固化，則將其固化。或者，把漿料倒在背襯表面上，然后使模具與背襯上的漿料接觸。這樣，就形成了許多貼附在背襯上的研磨復合體。
可以采用對制造固定式磨具領域技術人員而言是顯而易見的技術，將磨損指示置入固定式磨具中。其中包括將磨損指示置入用于制備固定式磨具的未固化粘合劑前體中，即把磨損指示按照要求置入固定式磨具中的部分或全部研磨復合體中，在一恒定深度。
磨損指示若是一種涂覆在固定式磨具的部分或全部研磨表面上的可檢測物質，只要將其涂覆在至少部分固定式磨具表面即可。
還可以采用其他方法制造置有磨損指示的固定式磨具，例如是嵌入研磨復合體或磨損指示復合體，或甚至是背襯或固定式磨具中其他任何部件中的固定式磨具。
總的來說，磨損指示可以采用層壓或涂覆技術置于背襯中，或在背襯和固定式磨具的研磨復合體之間，或其任何其他層中。
在另一個實施方式中，可以用含有粘合劑前體和磨粒的漿料將模腔填充至半滿，而且該漿料可以是經過部分固化或充分固化。可以將磨損指示置于漿料的敞開表面上。例如，將一層可見指示，如漆或染料，涂覆在敞開表面上，然后填滿剩余的模腔空間。或者，在模腔被填充至半滿時，用一種含有粘合劑前體和染料或顏料等磨損指示的前體(一種“磨損指示前體”)將一個或多個模具中的剩余空間部分或全部填滿。這種磨損指示前體包含一種粘合劑前體或另一種可固化或可硬化物質，這種物質能隨后被全部或部分固化，而且，如果模腔尚未填滿，可以繼續將其填滿。從方便，效率或成本考慮，磨損指示前體不必包含磨粒。更一般地說，加入磨損指示前體后，填充的陰模剩余空間中不必包含磨粒，因為磨具的磨損指示部分無需起到研磨作用，雖然如果添加了磨粒，它的確可能起到研磨作用。
以下是制造一種具有磨損指示的三維，有表面織構的固定式磨具的另一種方法。先制備一種具有與有織構表面的所需形狀基本對應起伏的背襯。然后在該背襯的起伏表面上涂覆混有粘合劑前體的磨粒漿料，并以某種方式固化，使固化后的研磨復合體具有與背襯起伏基本對應的有織構表面。可以按以下方法將一種磨損指示置入固定式磨具中，例如把標記置于背襯表面或表面以下，其深度和位置會使該標記在研磨復合體被磨損到一定程度時被檢測到。或者，該標記也可以置入漿料的某個位置中，使該標記在研磨復合體被磨損到一定程度時，其變化能被檢測到，或者該標記能夠被檢測到。將可見標記置于漿料中，能制成圖15所示的類似產品，當由漿料制成的這種研磨復合體被磨損掉并暴露出背襯(不同顏色的)時，其顏色會發生變化。
可以對這種固定式磨具再進行某些修改，使其性能改善或改變。例如，可以對磨具進行穿孔，打通磨具層和/或背襯，這樣，在應用前，應用中或應用后，可以讓液體通過。
實施例此處所述并要求其權利的本發明解決了研磨產品和加工領域中產生的問題，提高了效率并降低了CMP加工的成本，同時保持了各被加工的晶的均勻性和半導體器件的質量。以下將通過一些實施例進行說明，這些實施例不應被理解為對本發明的限制。
實施例1此實施例的要點在于提供一種能引入化學試劑的可滲透帶材，例如一種微孔帶材。其優點還包括能防止在該帶材下產生氣泡。該帶材本身是能滲透化學試劑的。
在CMP過程中產生的一個問題，是如何將化學試劑有效地供應到晶片下缺少該種化學試劑的晶片中心部位。這在固定式研磨和傳統漿料CMP中都是如此。當晶片旋轉時，產生前沿和后沿現象。但在這兩種情況下，在晶片邊緣上，對于其上的某個點，位于心邊緣點上所有其他不同的點，而對于另一某個點，位于邊緣上所有其他不同的，但是中心始終是中心。旋轉時晶片上化學試劑可能有一定缺少，而晶片是圍繞其中心旋轉的。因此，晶片中心的化學試劑含量總是中等濃度的。因此，化學試劑濃度的不斷變化會形成很不穩定的情況。可以通過使用一種可滲透的研磨塊來解決這個問題，這時，晶片上各處的化學試劑濃度是均勻的。本例中的該帶材在垂直方向上是可從底部向上滲透的。化學試劑可以通過臺板直接滲透經過此半滲透帶材進行供料。
另一個優點是，如果研磨表面不平而夾帶氣泡時，這時氣泡會滲透出去。
這種裝置并非與真空壓緊不相容，因為將其吸過半滲透帶材時，會在其兩面形成壓力降，這就能形成必要的壓緊。
此一實施例還包括真空管道排列和化學試劑供料管道這兩方面。因此，真空壓緊作用能足夠均勻地散布，使帶材就能很好地壓緊而不會有局部的拉扯現象。使用的化學試劑原料能以適當的空氣間隔，通過試劑供料管道被輸送透過帶材。
實施例2本實施例中將CMP化學試劑浸漬進入以塑料為基質的多孔帶材中。該帶材上的柱狀研磨復合體通常約50微米高，直徑約200微米。但本發明不受其形狀的限制。在拋光過程中，第一塊晶片與這些柱狀體頂端接觸，并隨拋光的進行，柱狀體的頂端被磨損掉，這樣后續晶片就與該柱狀體的較下部分接觸。
CMP反應中進行著很多不同的功能，例如，氧化劑，抗腐蝕劑等抑制劑，緩沖劑和鰲合劑。因此，能產生各種不同的作用，取決于具體的物系，例如銅，鎢或氧化物。但是，化學浸漬的概念是相同的。
為了進行說明，在Cu體系中，氧化劑侵蝕銅，將其氧化成氧化銅。這里起到了兩個作用。最初，對不受研磨的部位應用腐蝕抑制劑—在不受研磨的部位腐蝕抑制劑本身就是抑制腐蝕的。因此腐蝕停止。但在研磨復合體高的部位，氧化物比銅金屬更容易拋光。因此，氧化物被拋光除去，然后再被氧化，被拋光，并再被氧化。氧化物并非低部位的良好抑制劑，這就是為什么要使用BTA等某種抗腐蝕劑來幫助氧化劑在不受拋光的低部位對表面進行覆蓋的原因。對高部位點進行機械拋光能同時除去氧化物層和抑制劑，因此能引發對銅的新一輪侵蝕。使用化學緩沖劑來維持溶液中的pH值，因為這些化學試劑是pH活性的—這是一種取決于pH值的電化學過程。鰲合劑將銅轉移到并使其留在溶液中，這樣，研磨下來的物質才不會重新沉積在晶片上。
最好將緩沖劑浸漬進入塑料基質中以保持要求的pH值。被浸漬進入塑料基質的緩沖劑能在需要部位持續供給—恰好在拋光點。緩沖劑，氧化劑，抑制劑等任何化學試劑都能被浸漬進入柱狀體中。
將化學試劑浸漬進入柱狀體中有許多優點。其中之一是能產生定時析出。隨著柱狀體的磨損，會以受控方式析出更多的化學試劑。
墊板是指作為背襯與網狀帶材成一整體或非整體供給的的濕軟材料，網狀帶材是承載柱狀研磨復合體的背襯。從最低限度觀點看，多孔帶材就包括柱狀體和背襯。對于網狀帶材，從一卷到一卷它就包括背襯和柱狀體，而濕軟的下墊板是獨立提供的。正是柱狀體本身與晶片接觸。隨著柱狀體的磨損，不斷有新的化學試劑以定時方式析出，從而在所需的接觸部位其濃度更為恒定。
而且，多孔帶材生產廠家能決定要引入多少化學試劑，這比依靠技術工人補充試劑更易控制，其恒定濃度取決于可制造部位，而不是取決于該區域中發生的情況或設備是否破壞。
本實施例另一方面涉及在柱狀體接近底部位置引入一種化學標記，該標記對加工過程是惰性的，但卻是可檢測的，從而在磨損接近柱狀體底部時產生信號。這種化學標記包括不與處理試劑發生劇烈反應的有機染料。當它開始析出時，因為顏色發生了變化，所以能被人眼察覺。另外，可以將光學檢測器置于排出液流中。本實施例另一方面還能控制初始晶片和后續晶片之間加工一致性的偏差，并通過柱狀體中合適的化學反應對此偏差進行校正。
實施例3在本實施例中，形成了一種具有很多各種形狀，各種大小，各種高度，各種材料和各種磨粒粒度分布的固定式研磨帶。這樣就可以定制不同功能的研磨帶料，例如，針對金屬和氧化物的同時CMP加工。
本實施例通過定制許多在整個時間范圍內與被加工晶片接觸的柱狀研磨復合體，解決了處理加工一致性隨時間產生偏差的問題，當部分柱狀體被磨損掉后，晶片開始逐步與更多柱狀體接觸。另一個問題來自于柱狀體初始接觸和一定CMP過程后后續柱狀體接觸之間的磨削速度差別。而與下部柱狀體的初次接觸磨削速度是不同的。
將研磨帶上不同形狀的研磨復合體結合起來，能夠獲得各種形狀產生的好處。在隨后的加工中，例如對銅而言，除去氧化物后，暴露出鉭(Ta)阻隔層。Ta也必須被除去，停在氧化物形式上。這里涉及選擇性的定制，一般而言，該研磨帶對Ta和氧化物的除去都是有選擇性的，例如對Ta為約500比1，對氧化物為約250比1。本實施例中的研磨帶具有1比1比1的選擇性，對柱狀體進行合適的配制使得達到所要求的腐蝕。
改變柱狀體形狀，高度和直徑，能很容易地獲得不同的結構或排列。較小的柱狀體具有更好的去除速度和更快的研磨速度，因為較小的柱狀體具有更好的挖掘能力。
實施例4本實施例通過改變研磨帶的壓縮性來產生非線性壓縮，對晶片上的凸起部位和凹陷部位都能進行有效的加工。當材料被壓縮到大約50％時，壓縮模量會顯著增加，此時加有氧化硅填料的普通密封彈性體能提供強度和體質性。在壓縮濕軟的封體時，聚合物受到壓縮，但通過填料與填料的接觸，壓縮完全終止，即是非線性壓縮。在本實施例中，提供一種柱狀研磨復合體，當對其施加壓力時，可以產生一定程度的壓縮，但是再增加壓力，它不再進一步壓縮，就象非線性彈簧。對于具有凸起部位和凹陷部位的晶片，凸起部位與柱狀體接觸并對其進行壓縮產生很大的力。當與凹陷部位接觸時，則接觸力較弱。通過提供非線性力，晶片的部分在凹陷部位形成幾個微米的突起，更進一步壓縮柱狀體，使其變得更硬，能更重地向后推。柱狀體的壓縮模量可以通過聚合物中的合適交聯，改變填料用量，或將聚合物性質改變成更線性的或三官能團的，甚至四官能團的方法而加以改變。這在聚合物工業領域是眾所周知的。
這里的發明點在于，當晶片向下壓時，在限定范圍內，只有晶片上的凸起部位會自動與拋光板接觸。每個柱狀體根據施加力大小的不同，而具有不同的壓縮模量。因此，每個柱狀體都類似一個小彈簧，摩擦力隨施加力而變化。在線性彈簧中，力對應于位移相對恒定。但對非線性彈簧而言，如本實施例的情況，如果施加了足夠大的壓力，則力會顯著增大，從而對晶片上的凸起部位自動施加大于對凹陷部位的力。
實施例5含有熱消散物質的固定式研磨拋光帶能克服與拋光中產生的過多熱量積聚有關的問題，這是有利的。在本實施例中，將熱消散物質加入柱狀體和/或相連的背襯片中。這些導熱物質包括金屬粉末，如鐵、鎳、銅、鋅、錫、鉛、銀、金、鈦、鎢、鈀、鉍、銦、鎵、鋁及其合金、鍍金屬的聚合物或鍍金屬的陶瓷、例如氧化鋁、氧化硅、玻璃、聚酰胺、聚苯乙烯、聚醚酰胺、多炔、聚亞苯基、聚苯硫、聚丙醇(polypyrol)、聚噻吩和石墨。導熱物質可以是多種形式的、例如、顆粒、線狀、絲狀和鍍金屬薄片狀；可以具有各種規則或不規則形狀、例如、球形、棒狀、薄片狀和絲狀。粘合劑可以是一種熱塑性或熱固性聚合物或一種單體，該單體能聚合形成含有導熱物質的導熱基片。
實施例6本實施例涉及一種在帶上具有許多長柱狀研磨復合體的固定式研磨帶。傳統柱狀體直徑為約125到1000微米，直徑是長度的約兩倍。因此，傳統柱狀體在背襯片上最多伸出500微米。本實施例中制造的柱狀體具有與傳統技術中不同的高度直徑比值，其高度比直徑大很多。這樣，形成很多高的柱狀體。在CMP時，這些高柱狀體象鬃毛一樣側斜，用其側面進行拋光因而磨損。因此，形成的高柱狀體在CMP時側斜，從側面刷擦而避開頂部。
優點在于，根據本實施例，只需要很小的力就能使一個個高柱狀體彎曲。但是，當更高的柱狀體彎曲并彼此接觸且互相并排堆垛時，這個力會增大。這時，向下的力成為壓縮力。本實施例中形成的柱狀體高度為約1到10微米，間隔距離是約1到10微米。
實施例7本實施例涉及對含有許多柱狀體的固定式磨具的預處理，使背襯上的柱狀體具有相同高度，形成均勻的表面織構，即均勻的研磨表面。通過這種方式，每個柱狀體具有基本相同的頂面，即均勻的表面和相同的高度。可以通過物理修飾達到這個目的，例如使用比柱狀體的研磨材料更硬的材料，或者使用預先加有拋光碎片的漿料。通過預先加有拋光碎片的漿料，就能消除首晶片效應。首晶片效應通常表現為其初始不均勻性。據信，后續晶片是在拋光碎片存在條件下被拋光的。因此，通過預先加入拋光碎片，能消除首晶片效應。
實施例8本實施例涉及當場磨削速度測量(ISRM)設備的改進。ISRM設備是一種基于激光的設備，它能透過研磨帶照射光線，對其厚度進行測量。研磨帶是磨粒和聚合物粘合劑的復合體。其中分散的顆粒通常具有與基質不同的折射率，從而導致發生散射。因此，要使激光以可檢測的強度透過是很困難的，何況光線要經過路程是兩次，即必須進入又反射回來。本實施例通過改變聚合基質的折射率，使其與磨粒的折射率相適應，解決了這個問題。可以很簡單地將聚合物的折射率調節到適當的程度，制成完全透明的材料。
本發明的實施例包括磨粒和由激光透明物質制成的粘合劑。例如，磨粒和粘合劑都可由聚氨酯、聚碳酸酯、環氧樹脂等透明聚合物；藍寶石、玻璃、石英等無機材料；或金剛石或鍺等硬有機材料或半有機材料制成。
實施例9本實施例制成了一種具有如美國專利5014468中所述負性柱狀體的固定式研磨帶，并在這些柱狀凹穴中置有化學試劑。通常，柱狀體占研磨帶表面的約10％到25％，剩下至少約75％的表面作為敞開通道，即滲濾理論術語所稱的相連物相。相連物相是整體相連的。敞開空間是相連物相；柱狀體彼此間斷。本實施例與傳統固定式研磨塊相反，將敞開空間作為間斷物相，將柱狀體作為相連物相，從而使柱狀體區域的相對面積保持相同。但是，可以將部分區域圍起或圈起，形成隔離的六邊形凹穴，柱狀體成為圍繞著這些隔離六邊形的邊界。在將研磨帶和晶片接觸的過程中，化學試劑通入這些凹穴中。化學試劑應該基本是液體，并且能在柱狀體的敞開空間，即相連物相上混合和流動。如果將化學試劑置于隔離凹穴中，然后通過研磨帶被輸送并停留在某一位置。因此，化學反應被基本隔絕在一些這樣的小凹穴中。可以在柱狀體之間形成迂回或彎曲的通道，使隔離并非是完全的，而是有效的。
實施例10本實施例證明了一種非均勻研磨帶，上面有不同的區域可完成不同的功能，具有更廣泛的適用性。例如，可以用其上的柱狀體進行拋光。本實施例中的研磨帶具有適用于不同功能的宏觀區域。例如，一個區域可以拋光銅，另一個區域可以去除Ta，從而獲得宏觀效應。這可以在繞圈拋光中很容易地完成，這時晶片在帶上繞圈并且本身旋轉。
晶片在帶上運行一個圓圈，晶片中心的軌跡在圓周上的距離是均勻的。但是，晶片邊緣有時會伸出或縮進，因為在晶片繞圈同時，本身還在旋轉。因此，使用一種研磨帶，使晶片中心在帶上的拋光時間相對于晶片邊緣更長，則晶片中心的拋光相比邊緣的拋光到了加強。發明點包括改變帶上不同宏觀區域的性能，從而改變對晶片邊緣的性能。
實施例11本實施例處理的問題是傳統背襯材料，據信是一種基于聚酯的材料，會在研磨時脫落。前進時，臺板和背襯材料之間的相互摩擦會在加工時產生顆粒。對這個問題的解決辦法是，提供一種非脫落背襯材料，例如一種自動潤滑塑料。這種自動潤滑塑料是常規的。
自動潤滑聚合物包括氟化鏈烷烴，如，特氟龍，氟化聚醚，氟化聚酯，聚醚酮，如PEEK，尼龍或縮醛樹脂。自動潤滑聚合組合物包含一種樹脂組分，它占潤滑體系的約30％到約0.5％重量。可用于聚合組合物中的樹脂組分選自聚酰胺，聚酯，聚苯硫，聚烯烴，聚甲醛，苯乙烯聚合物和聚碳酸酯。本發明潤滑體系的特征是，含有一種能降低摩擦和磨損的潤滑有效量的樹脂組分，可以包括聚四氟乙烯，硬脂酸鹽和碳酸鈣。其他物質，包括固體潤滑劑和纖維，例如石墨，云母，氧化硅，滑石，氮化硼和硫化鉬，石蠟，石油和合成潤滑油，其他聚合物，例如聚乙烯和聚四氟乙烯，也可以加入樹脂組分中以增加摩擦特性。
實施例12本實施例提供了一種測定柱狀研磨復合體何時被消耗掉的安全方法。此實施例中，加入了一種痕量組分，例如一種惰性化學試劑，為部分消耗的拋光帶還能拋光的晶片數提出警示。另一方面，利用一個缺口或棒狀體作為機械指示。
一些指示的高度大于環境高度，表示CMP加工的終點。當指示或棒狀體到達時，只殘留某一特定的高度。這可被視覺檢測或通過對高度進行物理測量，來確定柱狀研磨體和磨損條何時達到等高。
實施例13本發明提供了一種機械方式，例如利用缺口來確定何時到達研磨環狀帶的終點。當環狀帶前進時，最好能知道何時到達終點，避免滾出卷筒范圍。就象在電影院中用閃爍的圓點來表示膠片的終點，或在收款機中用粉色紙帶表示終點一樣，在帶的背面，用能被機械或光學檢測的缺口來表示終點，避免影響加工過程的進行。
實施例14
本實施例在研磨帶的整個長度上編碼，來確定帶上不同部分的位置。可以使用條形碼或光學可讀字符。可以在帶上沖出一些小孔，形成可檢測的圖案。可以沿帶的長度任意編碼，并用合適的傳感器讀取。此處發明點在于沿帶的長度進行編碼。這樣至少有兩個好處。一個好處是實時反饋和進行任何類型的動作控制。例如，用反饋控制激活使帶前移的命令信號，確定移動帶的長度。另一個好處是可以讀出帶的前移量。這樣能夠(1)很好地跟蹤帶上拋光晶片的軌跡；和(2)確定網狀材料的大致終點，并提示操作者更換拋光帶。
實施例15在含有碳化硅顆粒的柱狀研磨體上涂覆一薄層約1毫米的金剛石，然后對其進行化學預處理，從柱狀體頂部除去約500埃的基質，使金剛石暴露出來，化學預處理是指用熱量或溶劑選擇性地除去基質。
本實施例的優點在于，通過使用超級研磨劑減緩研磨帶的磨損速度，超級研磨劑是指工業用途中表示非常硬的物質的術語，例如金剛石或立方氮化硼。柱狀研磨復合體的磨損速度降低到不會隨時間發生明顯改變的程度，從而提高CMP的均勻性。
實施例16本發明的研磨帶的兩面或端部有穿孔，有利于傳送。滾筒上具有能穿過小孔的鏈輪。
本發明適用于所有類型的固定式磨具，包括基本上是圓形的旋轉拋光板和基本上是矩形的拋光片。本發明用于CMP時具有對相繼各晶片加工時磨削速度的穩定性，可以被用于制造半導體器件的各個階段中。因此，本發明適用于各種工業用途，特別是半導體工業以及磁記錄介質工業中的CMP加工。
本申請僅僅公開了一些優選實施例，但公開的適用性實施例不多。本發明可以應用于多種其他組合以及環境中，在本發明范圍內可以對其進行改變和修改。
權利要求
1.一種固定式磨具，所述模具包括呈研磨復合體形式的三維研磨復合體，還包括磨損指示。
2.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于該三維固定式磨具是有表面織構的。
3.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于它包括可磨蝕研磨復合體。
4.如權利要求3所述固定式磨具，其特征在于所述研磨復合體是許多圓柱體。
5.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于包括精確形狀的研磨復合體。
6.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨損指示是粘合劑中的可見標記。
7.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述可見標記包括金屬材料、可見材料或磁性材料。
8.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨損指示是有色標記。
9.如權利要求8所述固定式磨具，其特征在于所述有色標記選自染料，顏料或著色劑。
10.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨損指示是粘合劑中的可見標記。
11.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨損指示是涂覆在磨具的研磨表面上的可磨蝕磨損指示。
12.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨損指示是嵌在研磨復合體中的可磨蝕磨損指示。
13.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨損指示是可見標記，該標記被嵌在研磨復合體的下部10％高度位置上。
14.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨損指示是粘附在基底上的磨損指示復合體，該復合體包含磨損指示和粘合劑，當與被研磨基片接觸時，該磨損指示復合體顯示出磨損指示與基片接觸。
15.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨具是固定式研磨塊。
16.如權利要求1所述固定式磨具，其特征在于所述磨具是固定式研磨帶。
17.一種包括柱狀體的固定式磨具，所述柱狀體中含有惰性的化學指示或機械指示，用來指示柱狀體的消耗。
18.如權利要求17所述固定式磨具，其特征在于所述固定式磨具是研磨板。
全文摘要
本發明公開了含有磨損指示的固定式磨具。磨具示范例(2)包括柱狀的研磨復合體(4)。該研磨復合體(4)含有粘合劑和磨粒(這些磨粒未特別示出)和一種位于該研磨復合體(4)下部(10)的可見標記，例如一種可見染料。在使用過程中，研磨復合體中不含可見磨損指示的部分(6)會被磨損或磨蝕掉。當這種磨蝕發展到研磨復合體中由直線(8)表示的，開始存在有可見磨損指示的程度時，就能看到磨損指示。然后用新的磨具將其更換。
文檔編號B24B53/007GK1535197SQ02814752
公開日2004年10月6日 申請日期2002年7月12日 優先權日2001年7月20日
發明者J·V·蒂茨, J V 蒂茨 申請人:3M創新有限公司