拋光墊及其制造方法

專利名稱：拋光墊及其制造方法
技術領域：
本發明一般涉及可用來利用化學機械平面化(“CMP”)法對基片進行拋光和平面化的拋光墊的制造方法。更具體來說，本發明的方法改進了拋光墊內和拋光墊之間的均勻性。
背景技術：
在集成電路和其他電子器件的制造中，在半導體晶片的表面上沉積多層導電材料、半導體材料和介電材料，或者將多層導電材料、半導體材料和介電材料從半導體晶片的表面上除去。導電材料、半導體材料和介電材料的薄層可通過許多種沉積技術沉積。現代工藝中常規的沉積技術包括物理氣相沉積(也稱為濺鍍)、化學氣相沉積、等離子輔助化學氣相沉積和電化學鍍敷。
隨著各材料層按照順序被沉積和除去，晶片的最上層表面變得不平坦。由于隨后的半導體加工(例如金屬化)要求該晶片具有平坦表面，所以需要對晶片進行平面化。平面化適合于除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如凹凸表面、成團材料、晶格損壞、劃痕和被污染的層或材料。
在通常的CMP法中，具有圓形旋轉板的下部臺板固定著拋光墊；安裝拋光墊的時候使拋光墊的拋光面(polishing surface)朝上。在拋光墊的拋光面上施加拋光組合物，該組合物通常包含能夠與基片相互作用的化學物質，可包含磨粒。具有旋轉支架的上部臺板固定著基片；該基片的固定方式使得待平面化的面朝下。支架的定位使得其旋轉軸與拋光墊的旋轉軸平行，而且不與拋光墊的旋轉軸重合；另外，支架還可以以振動或其他適于CMP處理的方式在拋光墊表面周圍移動。通過上部臺板向下的作用力使基片和拋光墊相接觸并擠壓在一起，使得拋光墊表面上的拋光組合物與基片的表面(工作環境)接觸，引發所需的化學反應，并發生機械拋光。
可以任選地對CMP過程進行全程連續監控，以確定什么時候從基片的表面上除去了所需量的材料。這通常可通過原位光學終點檢測來完成，這種檢測包括從臺板側透射激光通過拋光墊中的孔或窗口，使得激光從基片被拋光的表面反射，通過檢測器測量。反射的光的量對應于從基片表面除去的材料的量。當測得的光的量等于預定值的時候，CMP處理便達到了所需的終點，從而終止CMP處理。
拋光墊可通過許多種方法制造，例如澆鑄塊狀體或澆鑄片材。在通常的制造過程中，混合聚合物拋光墊材料組分形成樹脂，所述聚合物拋光墊材料組分可包括一種或多種預聚物、交聯劑、固化劑和磨料。通過傾倒、抽吸或注射等方法將樹脂轉移到模具中。聚合物通常很快地固化，可最終轉移到烘箱內以完成固化過程。然后將固化的塊狀體或片材切割成所需的厚度和形狀。
拋光墊表面的凹凸結構(asperity)有助于在CMP過程中輸送拋光組合物，可通過許多種方法在拋光墊的拋光面上產生凹凸結構。根據美國專利第5578362號所述的一種方法，通過在包含聚合物基質的拋光墊中嵌入空心聚合物膠囊(polymeric capsules)，可以產生凹凸結構。具體來說，通過使這些膠囊破裂、使其中所含的空穴暴露于拋光墊表面上的工作環境，從而形成表面凹凸結構。這可通過對拋光墊進行精整(condition)來完成。
通常精整包括用嵌在精整墊的精整面中的金剛石磨頭(或其他刻劃或切割工具)研磨拋光墊的拋光面。當使用精整過的拋光墊的時候，孔被磨去，并且開始被CMP過程產生的碎屑堵塞。這使得拋光墊在使用過程中失去其表面凹凸結構。當拋光面在CMP過程中受到磨損的時候，可以通過連續或間斷的精整重新產生凹凸結構。當嵌入的聚合物膠囊在拋光過程中暴露并破裂的時候，不需精整拋光墊便可使凹凸結構再生。為了簡便起見，術語精整表示通過使拋光墊磨損暴露新的空穴、使用精整墊或使用其他再生技術使表面凹凸結構再生。
通過引入凹槽，在拋光墊的拋光面上形成了大規模的圖案。凹槽圖案結構和凹槽尺寸會影響拋光墊的特性和CMP處理的特性。在拋光墊上形成凹槽是本領域眾所周知的，已知的凹槽結構包括放射狀、圓形、螺旋性、x-y型等。通常在形成拋光墊之后，通過鑿子之類的直葉片機械裝置或其他切割裝置在拋光墊的拋光面上引入凹槽。
但是，根據美國專利第‘362號制造的拋光墊卻存在膠囊容易膨脹的問題。在固化過程中，聚合物膠囊由于被放熱的固化反應加熱而膨脹。由于兩個原因，膨脹的程度很難控制。膠囊的受熱膨脹很大程度上受外殼對隨著溫度升高而增大的壓力的耐受能力所控制，而這種耐受能力又取決于外殼厚度等因素。外殼通常非常薄，因此即使殼厚度發生非常小的改變，也會引起很大的百分比差異，使得膨脹有較大的不同。
另一個使得膠囊膨脹難以控制的因素是受熱不同造成的。由于聚合物膠囊作為熱絕緣體，減少了從高溫區向低溫區的熱流動，造成受熱不均。塊狀體或片狀體靠近表面的區域(暴露于空氣或模具的區域)將熱量傳輸到周圍環境并冷卻。但是塊狀體或片材的中心被絕緣，反應產生的熱量累積起來。其結果是模具中心的膠囊膨脹大于暴露于空氣或模具自身的區域內的膠囊膨脹。膠囊的不均勻膨脹產生了不均勻的拋光墊孔隙率，從而形成不均勻的拋光墊密度，這是不利的。因此，需要用來制造能夠改進產品均勻性和處理一致性的拋光墊的方法。

發明內容
本發明的第一方面提供了一種制造拋光墊的方法，所述拋光墊適合用來在使用拋光組合物的化學機械拋光法中拋光基片，所述制造拋光墊的方法包括以下步驟制備聚合物基質材料；將聚合物膠囊與所述聚合物基質材料混合，使聚合物膠囊分散在聚合物基質材料中，所述聚合物膠囊包括聚合物外殼和包含在該聚合物外殼內的液體芯；形成拋光墊，所述拋光墊包含分布在成形的聚合物基質材料內的聚合物膠囊，所述聚合物外殼包裹著液體芯，以防液體芯在成形過程中與聚合物基質接觸，所述聚合物外殼具有拋光面，該拋光面破裂，以產生用來拋光基片的表面凹凸結構。
本發明的第二方面提供了一種可以在使用拋光組合物的化學機械拋光法中有效地用來拋光基片的拋光墊，該拋光墊包含包含聚合物膠囊的聚合物基質材料，所述聚合物膠囊包括聚合物外殼(polymeric shell)和包含在該聚合物外殼內的液體芯，所述聚合物外殼用來防止液體芯在成形過程中與聚合物基質材料接觸，該外殼在精整過程中破裂，形成表面凹凸結構；所述拋光面包括聚合物基質材料和通過嵌入的聚合物膠囊的暴露空穴形成的凹凸結構。


圖1是顯示用于CMP法的本發明拋光墊的部分平面示意圖。
圖2是圖1中的區域12表示的拋光墊的截面示意圖。
圖3是圖2的填充液體的聚合物膠囊的示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種可以有效地用來在化學機械拋光過程中以更高的簡便性和功效對基片進行平面化的拋光墊的制造方法。
參見圖1，圖中顯示了安裝在臺板50上的本發明的拋光墊10。該拋光墊具有與基片20(例如具有圖案的硅晶片)相接觸的拋光面40。圖中還顯示了拋光墊的區域12，該區域將在圖2中更詳細地顯示。
下面來看圖2，該方法包括制備聚合物基質材料11，將聚合物膠囊30混入聚合物基質材料11中，并形成拋光墊10。具體來說，所述聚合物膠囊30具有聚合物外殼31(圖3)和液體芯32。聚合物膠囊30具有增大的密度，當在制造過程中受熱的時候膜具有更高的抗膨脹能力。其結果是減小了聚合物膠囊30在拋光墊形成之前在聚合物基質材料11中發生沉浮的可能性，也使得拋光墊內的孔徑差異減小。這使得制造方法可以使用釋放較少熱量、采用較長固化時間的較慢的固化反應。
所述聚合物基質材料11可包括熱塑性材料，例如熱塑性聚氨酯、聚氯乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、聚烯烴、聚酯、聚丁二烯、乙烯-丙烯三元共聚物、聚碳酸酯和聚對苯二甲酸乙二酯及其混合物。另外，基質材料11可包括熱固性材料，例如交聯的聚氨酯、環氧樹脂、聚酯、聚酰亞胺、聚烯烴、聚丁二烯及其混合物。較佳的是，所述聚合物基質材料11包括聚氨酯，更優選包括交聯的聚氨酯，例如Rohm and Haas Electronic Materials CMP Technologies制造的IC 1000TM和VisionPadTM拋光墊。所述聚合物基質材料可以為固相，例如用來模塑、燒結或膠合的顆粒，或者為可流動相，例如液態預聚物混合物。較佳的是，所述聚合物基質材料11為可流動相，以促進與聚合物膠囊30的混合。
所述聚合物外殼31可包含熱塑性材料，例如熱塑性聚(偏二氯乙烯)PDVC、聚氨酯、聚氯乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、聚烯烴、聚酯、聚丁二烯、乙烯-丙烯三元共聚物、聚碳酸酯和聚對苯二甲酸乙二酯及其混合物。另外，聚合物外殼31可包含熱固性材料，例如交聯的聚氨酯、環氧樹脂、聚酯、聚酰亞胺、聚烯烴、聚丁二烯及其混合物。較佳的是，所述聚合物外殼31包含PDVC。在成形之前，聚合物基質材料11會與水反應形成泡沫，這是不希望發生的。較佳的是，所述聚合物外殼31是非多孔性的，在拋光墊形成或固化之前，防止液體芯32與聚合物基質材料11接觸。然而成形之后，聚合物基質材料11優選不與液體芯發生反應，所述聚合物外殼31不需要防止液體芯32與聚合物基質材料11接觸。所述液體芯32可滲透或擴散并通過聚合物外殼31，并被聚合物基質材料11吸收，或者聚合物外殼31可溶解。外殼的厚度通常為10納米至2微米。較佳的是，外殼的厚度為25納米至1微米。
液體芯32可包含水性或非水性液體，例如醇。較佳的是，所述液體芯包含水溶液，例如有機鹽或無機鹽的水溶液、預聚物或低聚物的溶液、或水溶性聚合物的溶液。所述液體芯可任選地包含用于CMP處理的試劑。最佳的是，所述液體芯是僅含偶然攜帶雜質的水，例如包含偶然溶解的氣體的去離子水。通常所述拋光組合物(圖中未顯示)是水基的，包含CMP處理所需的化學物質。在拋光過程中拋光墊被精整、溶解或磨損的時候，所述聚合物膠囊破裂，液體芯可從中逸出，與拋光組合物混合。液體芯通過與拋光組合物的化學物質反應，或者通過其他方法改變拋光組合物的拋光性質，而對該組合物造成負面影響的情況是不利的。較佳的是，所述液體芯是水基溶液。更佳的是，所述液體芯是偶然包含雜質的水，最優選去離子水，這是由于去離子水與拋光墊、拋光組合物或基片發生相互作用的風險很小。較佳的是，所述聚合物外殼的耐磨性小于聚合物基質材料，使得聚合物外殼在拋光過程中被磨掉，使聚合物膠囊破裂，而且聚合物外殼不會對拋光過程造成干擾或負面影響。
聚合物基質材料和聚合物膠囊可通過攪拌之類的常規的方法或干加料法混合。如果混合是在聚合物基質材料為可流動相的情況下進行的，聚合物膠囊與聚合物基質材料之間的密度差異將造成聚合物膠囊漂浮。根據可流動相中聚合物基質材料的粘度以及聚合物基質和聚合物膠囊的相對密度之差，該混合物會分離。為避免分離，可對混合物進行攪拌或回流，以保持聚合物膠囊在聚合物基質中的分散。或者可以增大聚合物膠囊的密度，以減少漂浮的影響。通常聚合物外殼和聚合物基質材料具有類似的密度，而且聚合物外殼很薄。由于液體芯具有較大的密度，本發明的聚合物膠囊的密度與聚合物基質材料的密度更緊密地匹配。較佳的是，所述聚合物膠囊的密度在聚合物基質材料密度的50％以內。更佳的是，所述聚合物膠囊的密度在聚合物基質材料密度的30％以內。最佳的是，聚合物膠囊的密度在聚合物基質材料的15％以內。出于本說明書的目的，如果滿足下式，則密度d1(包括外殼和液體芯的膠囊)在第二密度d2(聚合物基質材料)的特定百分范圍x％以內
(d1*(1-(x/100)))≤d2≤((1+(x/100))*d1)另外，出于本發明的目的，密度表示將聚合物膠囊混入聚合物基質材料中之前的聚合物基質和聚合物膠囊的密度。例如，當將聚合物膠囊加入液體預聚物混合物中時，要在將聚合物膠囊加入預聚物之前，測量固化形成聚合物基質的液體預聚物的密度，以及聚合物膠囊的密度。對于這些澆鑄的拋光墊，使膠囊的密度與液體聚合物的密度匹配，可以通過減少會導致拋光墊不均勻的膠囊的沉降或漂浮，促進需要延長固化周期的聚合物的使用。任選地，預混組分可改進聚合物膠囊的分散。
除了由于漂浮造成的分離以外，在制造過程中，還會由于混合步驟造成聚合物膠囊在聚合物基質材料中分布不均勻。在通常的方法中，聚合物膠囊儲存在垂直的容器或儲料斗內，通過重力從中排出(例如在質量流量加料輸送系統中)。當聚合物膠囊具有空穴的時候，例如現有技術中所述的那些情況，它們不會規則或均勻地流動。空心膠囊的質量不足以在重力的作用下均勻地流動。本發明具有液體芯的聚合物膠囊具有較大的密度，因此其質量大于具有空穴的相同尺寸的膠囊。密度越大，質量越大，使得聚合物膠囊可以在重力的作用下更均勻更規則地流動。當聚合物膠囊流動得更均勻時，如果將聚合物膠囊加入聚合物基質材料中，可獲得更均勻的分散。
另一種減少聚合物膠囊在聚合物基質材料中的不均勻分散的方法是使用質量流動進料輸送系統，在此系統中聚合物膠囊的流動性受到控制。可以通過對聚合物膠囊的流化使聚合物膠囊均勻流動，從而使其可以均勻地加入聚合物基質材料中。根據一種方法，這可通過均勻地提供通過聚合物膠囊的氣流來完成。該氣流增加了聚合物膠囊之間的間隔，減少了對聚合物膠囊流動的阻力。一旦聚合物膠囊被流化，便可以以恒定的速率將它們加入聚合物基質材料流中。這可以將聚合物膠囊高度均勻地分散在聚合物基質材料中。
拋光墊10可通過澆鑄、注塑、共軸注塑、擠出、燒結、膠合等常規的方法形成。較佳的是，所述拋光墊10通過澆鑄片材或塊狀體形成。當這樣形成拋光墊10的時候，通過傾倒或注射將該混合物轉移到一個打開或關閉的模具內。任選地將片材連續地澆鑄成輥以提高生產速率。然后優選使用可被光致活化、熱致活化、時間活化或化學活化的固化劑使混合物固化。一旦固化，便將批料從模具中取出，通過切片或沖壓之類的機械法或激光切割將其切割成獨立的拋光墊。所述拋光墊任選通過將混合物澆鑄在模具中、固化并切片而形成。液體芯可以特別有效地限制在澆鑄聚合物塊狀體時可能出現的拋光墊和拋光墊之間的變化。例如，能夠加熱塊狀體的中心和頂部的放熱反應對液體填充的膠囊造成的熱膨脹要小于對氣體填充的膠囊造成的熱膨脹。
所述拋光墊還可包括用于原位光學終點檢測設備的孔或窗口。該孔可以在成形過程中通過(例如)模塑而形成，或者也可以通過(例如)切割除去一部分形成的拋光墊而形成。類似地，窗口可通過模塑一步形成，或者也可以在通過膠合形成拋光墊之后添加。任選地，所述拋光墊可以既不包括孔也不包括窗口，拋光墊的至少一部分可以是透明的。根據本發明，為了制造透明的拋光墊，可以選擇液體芯，使得入射光在遇到膠囊-芯界面時基本不會發生散射或反射，而是可穿過拋光墊。對于透明的拋光墊，優選使用透明的子墊(subpad)或具有使光信號能夠自由通過的開口的子墊。另外，使拋光墊在特定的區域沒有凹槽也可改進信號強度。
本發明的聚合物膠囊可以在形成拋光墊之后具有液體芯，因此不作為絕熱體。這些聚合物膠囊可以更有效地在拋光墊內從較高溫度的區域向較低溫度的區域傳導熱量，以降低溫差。另外，由于所述聚合物膠囊具有液體芯，該聚合物膠囊可耐膨脹，使得最終的拋光墊中的孔徑更易預測且更易控制。較佳的是，在制造過程中，聚合物膠囊直徑的膨脹小于20％。更佳的是，在制造過程中，聚合物膠囊直徑的膨脹小于15％。最佳的是，在制造過程中，聚合物膠囊直徑的膨脹小于10％。
然而，如果拋光墊的溫度超過液體芯的沸點，液體填充的聚合物膠囊也會顯著膨脹。所述拋光墊所能達到的溫度，由與聚合物基質材料的固化過程相關的聚合物化學性質所決定。可以通過選擇沸點高于特定聚合物基質材料制造過程中所能達到溫度的液體芯，或者使用放熱較少的預聚物，例如具有延長的固化周期的預聚物，來避免或減少聚合物膠囊的膨脹。另外，聚合物膠囊的液體芯可通過促進拋光墊的凈切割(clean cut)，縮短用環形機床或高速鉆頭成槽所需的機械加工時間。最后，液體芯可通過減少凹槽和孔側壁的熔融來改進激光成槽。
除了減少膠囊膨脹和密度不均勻性以外，液體芯的傳熱能力有助于減少或消除成槽過程中聚合物基質材料的熔融或碳化。液體芯通過將熱量從某一區域傳走，在成形過程中冷卻凹槽周圍的聚合物基質材料，增大拋光墊的熱質量，降低聚合物基質材料的升溫。因此，在對本發明的拋光墊成槽的時候會產生較少的熔融或碳化，而且不需要進行空氣冷卻或引入大量的水。
再來看圖2，當拋光面40上或其附近的聚合物膠囊在精整過程中破裂時，會在拋光面40上形成孔35。拋光組合物替代液體芯32并填充孔35。然后孔35用來傳輸拋光組合物。孔35的尺寸會影響拋光組合物的傳輸。
圖3顯示了聚合物膠囊30的放大圖。聚合物膠囊30包括聚合物外殼31和液體芯32，其直徑為D。聚合物外殼的厚度為T。所示厚度T相對于聚合物膠囊30的直徑D較小。較佳的是，所述聚合物膠囊30的直徑D為1-150微米。更佳的是，聚合物膠囊30的直徑為2-75微米。較佳的是，聚合物外殼31的厚度T為0.01-5微米。更佳的是，聚合物外殼31的厚度T為0.05-2微米。
本發明的方法提供了一種拋光墊，該拋光墊包括具有改進的均勻性的整體圖案，提供了有益的拋光性能，還具有提高便捷性、減少成本和廢料的優點。具體來說，所述拋光墊的液體芯可以在澆鑄過程中限制熱膨脹，從而在拋光墊中提供更均勻的孔隙率。另外，液體芯可以特別有效地限制澆鑄聚合物塊狀體時可能出現的墊與墊之間的差異。另外，向聚合物膠囊添加液體芯可以將不適用于化學機械拋光墊的光學不透明的拋光墊轉化為適用于用光信號(例如激光器產生的光信號)進行終點檢測的光學透明的拋光墊。另外，液體芯增大了拋光墊的硬度，這可提高拋光墊的平面化能力。另外，相對于氣體填充的聚合物膠囊，液體芯改進了拋光墊的導熱性。最后，液體芯可以可提高在拋光墊中切割凹槽，特別是改良的輻射狀凹槽之類的復雜凹槽的機械可加工性。
權利要求
1.一種制造拋光墊的方法，所述拋光墊適合用來在使用拋光組合物的化學機械拋光法中拋光基片，所述制造拋光墊的方法包括以下步驟制備聚合物基質材料；將聚合物膠囊混合到所述聚合物基質材料中，使聚合物膠囊分布在聚合物基質材料中，所述聚合物膠囊包括聚合物外殼和包含在該聚合物外殼內的液體芯；形成拋光墊，所述拋光墊包含分布在成形的聚合物基質材料內的聚合物膠囊，所述聚合物外殼包裹著液體芯，以防液體芯在成形過程中與聚合物基質材料接觸，所述聚合物外殼具有拋光面，該拋光面破裂，產生用來拋光基片的表面凹凸結構。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，形成拋光墊的步驟包括使所述聚合物基質材料在模具內固化的步驟。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成拋光墊的步驟包括澆鑄聚合物基質材料片的步驟。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述將聚合物膠囊混合到聚合物基質材料中的步驟包括對所述聚合物膠囊進行流化和將流化后的聚合物膠囊加入聚合物基質材料內的步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物基質材料具有在混合之前測量的第一密度，所述聚合物膠囊具有在混合之前測得的第二密度，所述第二密度在第一密度的30％以內。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，進行混合的時候，所述聚合物基質材料是液體。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述液體芯是包含偶然夾雜的雜質的水。
8.一種可以在使用拋光組合物的化學機械拋光法中有效地用來拋光基片的拋光墊，該拋光墊包含包含聚合物膠囊的聚合物基質材料，所述聚合物膠囊包括聚合物外殼和包含在該聚合物外殼內的液體芯，所述聚合物外殼用來防止液體芯在成形過程中與聚合物基質材料接觸，該外殼在精整過程中破裂，形成表面凹凸結構；所述拋光面包含聚合物基質材料和由嵌入的聚合物膠囊的露出的空穴形成的凹凸結構。
9.如權利要求8所述的拋光墊，其特征在于，所述液體芯包含一種液體，該液體是包含偶然夾雜的雜質的水。
10.如權利要求8所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物外殼包含一種材料，該材料的防水性小于固化的聚合物基質材料。
全文摘要
本發明涉及一種拋光墊的制造方法，所述拋光墊具有嵌入的聚合物膠囊，可以在使用拋光組合物的CMP過程中用來對基片進行平面化。該方法使用新穎的膠囊材料，減少了拋光墊由于膠囊漂浮、受熱差異和膠囊膨脹而造成的不均勻性。該方法還通過減少次品數量和減少廢品提高制造方法的效率。
文檔編號C08J3/20GK1915598SQ200610121530
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月17日 優先權日2005年8月18日
發明者A·H·塞金 申請人:羅門哈斯電子材料Cmp控股股份有限公司