專利名稱：透明拋光墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可用來使用化學機械平面化(“CMP”)法對基片進行拋光和平面化的拋光墊。更具體來說，本發(fā)明提供了一種可與原位光學終點檢測裝置聯(lián)合使用的包含嵌入的聚合物膠囊(capsule)的聚合物基質(zhì)拋光墊。
背景技術(shù)：
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(shù)沉積?，F(xiàn)代工藝中常規(guī)的沉積技術(shù)包括物理氣相沉積(PVD，也稱為濺射)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體輔助化學氣相沉積(PECVD)和電化學鍍敷(ECP)。
隨著各材料層按照順序被沉積和蝕刻，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(zhuǎn)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。向拋光墊的拋光面施用拋光組合物，該組合物通常包含能夠與基片相互作用的化學物質(zhì)，可包含磨粒。具有旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸與拋光墊的旋轉(zhuǎn)軸平行，而且不與拋光墊的旋轉(zhuǎn)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。通過上部臺板的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(huán)境)接觸，使化學物質(zhì)與基片反應(yīng)，并發(fā)生機械拋光。
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(yù)聚物、交聯(lián)劑、固化劑和磨料。通過傾倒、抽吸或注射等方法將樹脂轉(zhuǎn)移到模具中。聚合物通常很快地固化，可最終轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)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(jié)構(gòu)(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(chǎn)生凹凸結(jié)構(gòu)。根據(jù)一種方法，通過在包含聚合物基質(zhì)的拋光墊中嵌入空心聚合物膠囊(polymeric capsules)，可以產(chǎn)生凹凸結(jié)構(gòu)。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(huán)境，從而形成表面凹凸結(jié)構(gòu)。這可通過對拋光墊進行精整來完成。
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。在使用精整過的拋光墊的時候，所述凹凸結(jié)構(gòu)被磨去，并且開始被CMP過程產(chǎn)生的碎屑堵塞。這使得拋光墊在連續(xù)的使用過程中失去其表面凹凸結(jié)構(gòu)。當拋光面在CMP過程中受到磨損的時候，可以通過連續(xù)或間斷的精整重新產(chǎn)生凹凸結(jié)構(gòu)。當嵌入的聚合物膠囊在拋光過程中暴露于拋光面并破裂的時候，不需研磨精整便可使凹凸結(jié)構(gòu)再生。為了簡便起見，術(shù)語“精整”表示通過使拋光墊磨損暴露新的凹凸結(jié)構(gòu)、使用精整墊或使用其他再生技術(shù)使表面凹凸結(jié)構(gòu)再生。
為了有效地進行拋光過程，除了拋光組合物的傳輸以外，拋光組合物必須在拋光墊的表面上流動。大規(guī)模的圖案有助于這種流動。通過引入凹槽，在拋光墊的拋光面上形成了大規(guī)模的圖案。凹槽圖案設(shè)計和凹槽尺寸會影響拋光墊的性能和CMP處理的性能。在拋光墊上形成凹槽是本領(lǐng)域眾所周知的，已知的凹槽設(shè)計包括放射狀、圓形、螺旋性、x-y型等。通常在形成拋光墊之后，通過使用鑿子之類的固定刀片或其他切割裝置切割的機械方法在拋光墊的拋光面上引入凹槽，但是凹槽也可整體性地形成于拋光墊中，或者通過沖壓形成。
很重要的是，當從基片表面上除去所需量的材料之后，停止CMP處理。在一些系統(tǒng)中，在不停止處理過程的前提下對CMP過程進行全程連續(xù)監(jiān)控，以測定何時已經(jīng)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。原位光學終點檢測包括從臺板側(cè)投射激光(或其它光束)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，并被檢測器采集。這些系統(tǒng)對于光學透明的拋光墊可以良好地工作，但是通常無法用于填充的拋光墊。
一種通常用于CMP處理的拋光墊是Rohm and Haas Electronic MaterialsCMP Technologies制造的IC 1000TM拋光墊。如圖1所示，這些拋光墊10具有透明基質(zhì)12和由氣體填充的聚合物球體14形成的孔隙。透明基質(zhì)12和聚合物球體14之間折射率的巨大差異使其具有很大的折射度。特別是對于高孔隙率拋光墊，遇到大量界面的時候，由于進入拋光墊的光發(fā)生顯著的折射，使得拋光墊變得不透明，光線無法以足夠的自由度通過拋光墊并反射回來通過拋光墊以有效地產(chǎn)生信號。
圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的氣體填充球體14的光程。所述聚合物膠囊14包括具有第一折射率的聚合物外殼16，具有第二折射率的氣體芯18，聚合物外殼16與聚合物基質(zhì)材料12相接觸的第一界面20，以及聚合物外殼16與氣體芯18接觸的第二界面22。所述氣體芯18與聚合物外殼16的折射率差異程度是大多數(shù)商業(yè)拋光設(shè)備所不能接受的。圖中顯示光線24射過聚合物基質(zhì)材料12，遇到第一界面20并輕微地折射。光線24通過聚合物外殼16，遇到第二界面22并部分反射(在下文中將更詳細地討論)和部分折射，反射光線為圖中光線26，折射光線為光線28。光線28通過氣體芯18，直至其第二次接觸到第二界面22，在此界面再次部分反射并部分折射，反射光線為圖中所示的光線30，折射光線為圖中所示光線32。光線32遇到第一界面20，發(fā)生輕微折射并離開聚合膠囊14，該光線發(fā)生了顯著的信號損失。另外，反射光線30會通過氣體芯18，直至其遇到第二界面22，在這里發(fā)生部分反射和部分折射，反射光線為圖中所示光線34，折射光線為圖中所示的光線36。
Birang等在美國專利第5893796號中揭示了一種這樣的窗口，其中窗口由透明的聚合物制得，嵌入形成于拋光墊中的孔內(nèi)。從基片表面反射的光的量對應(yīng)于從基片表面除去的材料的量。當測得的光的量等于預(yù)定值的時候，CMP處理便達到了所需的終點，從而終止CMP處理。
專利’796的窗口可以嵌入形成的拋光墊中用來接受該窗口的孔內(nèi)，或者可以將窗口澆鑄在所需的位置。然而，任何制造具有專利‘796所述窗口的拋光墊的方法都會導致形成兩(或更多)片拋光墊。結(jié)果，拋光組合物會進入拋光墊材料和窗口材料之間的接縫內(nèi)，會漏出該拋光墊，干擾原位光學終點檢測設(shè)備。人們已經(jīng)進行了許多的嘗試，例如通過用不滲透性的膜覆蓋拋光墊底部來減少或消除這種現(xiàn)象。但是這種方法在制造過程中添加了另外的步驟和新材料，這是低效率而高成本的。另外，窗口材料通常與拋光墊材料不同，具有不同于拋光墊材料的性質(zhì)，會對拋光造成負面影響。
因此，人們需要一種多孔拋光墊，這種拋光墊是透明的，無需獨立的窗口便可觀察基片的表面。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可以在使用拋光組合物和原位光學終點檢測設(shè)備的化學機械拋光法中用來有效地拋光基片的透明拋光墊，該拋光墊包括具有第一折射率的聚合物基質(zhì)材料；大量具有嵌入其中的空穴的聚合物膠囊，這些膠囊與所述聚合物基材材料光學連接，所述聚合物膠囊包括具有一定直徑、厚度和第二折射率的聚合物外殼，所述第二折射率在所述聚合物基質(zhì)的第一折射率的30％以內(nèi)，所述聚合物膠囊還包括包含在所述空穴內(nèi)的液體芯，所述液體芯與聚合物外殼光學連接，具有第三折射率，該第三折射率在所述聚合物基質(zhì)的第一折射率的30％以內(nèi)；拋光面，該拋光面包含聚合物基質(zhì)材料和暴露于拋光面的嵌入的聚合物膠囊的空穴形成的大量凹凸結(jié)構(gòu)。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的聚合物膠囊的部分截面示意圖；圖2是顯示圖1的聚合物膠囊的光散射的示意圖；圖3顯示用于CMP法的本發(fā)明拋光墊的示意圖；圖4是圖3中拋光墊的部分截面示意圖；圖5是顯示圖4的聚合物膠囊的光透射的示意圖。
具體實施例方式
參見圖3，本發(fā)明提供了一種可以在CMP處理中對基片42進行有效地平面化的拋光墊40，該拋光墊是透明的，可以在不需要使用孔或窗口的前提下與原位光學終點檢測設(shè)備(圖中未顯示)一起使用，這消除了可能滲漏拋光組合物的接縫，而且制造所需的步驟更少。拋光墊40安裝在臺板44上，使拋光面46朝上，并與基片42接觸。圖中還顯示了拋光墊的區(qū)域50，該區(qū)域?qū)⒃趫D4中更詳細地顯示。
如圖4所示，拋光墊40由聚合物基質(zhì)材料52制得，包含聚合物膠囊54。所述聚合物膠囊54具有液體芯56。圖4還顯示了由拋光面46上或附近處的聚合物膠囊54暴露的空穴形成的孔58。所述聚合物基質(zhì)材料52、聚合物外殼70(圖5)和液體芯56各自具有特定的折射率。具體來說，所述聚合物基質(zhì)材料、聚合物外殼和液體芯的折射率相類似，使得拋光墊為透明的，可用于原位光學終點檢測。較佳的是，所述拋光墊對于允許進行原位光學終點檢測的至少一種激光波長是透明的。最佳的是，所述拋光墊對波長為640-670納米的激光是透明的。
所述聚合物基質(zhì)材料52可包括熱塑性材料，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，基質(zhì)材料52可包含熱固性材料，例如交聯(lián)的聚氨酯、環(huán)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(zhì)材料52包含聚氨酯，更優(yōu)選包括交聯(lián)的聚氨酯，例如Rohm and Haas Electronic MaterialsCMPTechnologies制造的IC 1000TM和VisionPadTM拋光墊。
下面參見圖5，所述聚合物外殼70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，聚合物外殼70可包括熱固性材料，例如交聯(lián)的聚氨酯、環(huán)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70包括PDVC。
拋光墊可通過澆鑄、注塑、共軸注塑、擠出、燒結(jié)、膠合等常規(guī)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。在這樣形成拋光墊10的時候，通過傾倒或注射將該混合物轉(zhuǎn)移到一個打開或關(guān)閉的模具內(nèi)。任選地將片材連續(xù)地澆鑄成卷材以提高生產(chǎn)速率。然后優(yōu)選使用可被光致活化、時間活化、熱致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澆鑄聚合物塊狀體時可能出現(xiàn)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(yīng)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。
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(zhì)材料的熔融或碳化。液體芯通過將熱量從某一區(qū)域傳走，在成形過程中冷卻凹槽周圍的聚合物基質(zhì)材料，增大拋光墊的熱質(zhì)量，降低聚合物基質(zhì)材料的升溫程度。因此，在對本發(fā)明的拋光墊成槽的時候會產(chǎn)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。
液體芯56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(yù)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夾帶的雜質(zhì)的水，例如包含溶解的氣體的去離子水。
所述聚合物膠囊54的直徑為D，由具有厚度T的聚合物外殼70和包含在該聚合物外殼70以內(nèi)的液體芯56組成。所示厚度T相對于聚合物膠囊54的直徑D是比較小的。較佳的是，所述聚合物外殼70的直徑D為1-150微米。更佳的是，聚合物膠囊54的直徑為2-75微米。較佳的是，所述聚合物膠囊54的厚度T為0.01-5微米。更佳的是，聚合物膠囊54的厚度T為0.05-2微米。在所述拋光墊10形成之前，所述聚合物外殼70防止液體芯56與聚合物基質(zhì)材料52接觸，在拋光過程中，例如精整或受到晶片磨損的過程中，聚合物外殼70打開，產(chǎn)生凹凸結(jié)構(gòu)，使得拋光組合物代替該液體芯56的位置，并輸送拋光組合物。或者聚合物外殼70防止液體芯56在拋光墊10形成之前與聚合物基質(zhì)52材料接觸，拋光墊形成之后，聚合物外殼70溶解，在聚合物基質(zhì)中形成空穴，該空穴在拋光過程中被打開，產(chǎn)生凹凸結(jié)構(gòu)，使得拋光組合物代替液體芯56的位置，并傳輸拋光組合物。
通常任意兩種光學連接的相鄰組分材料在連接點形成一個截面。所述聚合物膠囊54具有聚合物外殼70與聚合物基質(zhì)材料52接觸的第一界面72，以及聚合物外殼70與液體芯56接觸的第二界面74。當任何組分材料的折射率與相鄰且光學連接的材料的折射率不同的時候，通過一種材料進入另一種材料的光線將會在界面發(fā)生顯著的折射。圖5顯示了入射到聚合物膠囊54表面上的光線80。當該光線80遇到第一界面72的時候，它們在通過第一界面72時僅發(fā)生很少的折射。然后光線80遇到第二界面74，在該界面74發(fā)生折射。然后光線80通過液體芯56并第二次遇到第二界面74，在此處發(fā)生折射。最后，光線80第二次遇到第一界面，發(fā)生折射并離開聚合物膠囊。從圖5可以看出，入射光線80僅發(fā)生少量的折射，在通過聚合物膠囊54的時候僅有很小的由于折射造成的累積效應(yīng)。
兩種光學連接的材料之間的折射率差值較小會使得折射程度較小。當遇到的界面較少、或者當聚合物基質(zhì)52、聚合外殼70和液體芯56具有接近的折射率時，這種折射特別小。對于透明的拋光墊，優(yōu)選使用透明的次級墊(subpad)或具有使光信號能夠自由通過的開口的次級墊。另外，使得拋光墊在特定的區(qū)域沒有形成凹槽也可改進信號強度。
除了折射以外，兩種光學連接的材料之間折射率的相對差異會影響反射。當光線遇到折射率相差很大的兩種光學連接材料的界面時，會發(fā)生部分反射。這兩種光學連接材料之間的折射率差別越大，所反射的光的百分數(shù)越高。這種反射和折射一起減少通過拋光墊的光量，從而導致不透明。較佳的是，各聚合物基質(zhì)材料的折射率在外殼和液體芯的折射率的30％以內(nèi)。更佳的是，各聚合物基質(zhì)材料的折射率在外殼和液體芯的折射率的25％以內(nèi)。最佳的是，各聚合物基質(zhì)材料的折射率在外殼和液體芯的折射率的20％以內(nèi)。出于本說明書的目的，如果滿足下式，則折射率r1(聚合物基質(zhì))在第二折射率r2(外殼或液體芯)的x％以內(nèi)(r1*(1-(x/100)))≤r2≤((1+(x/100))*r1)通常所述聚合物基質(zhì)、聚合物外殼和液體芯的折射率越接近，則傳輸通過到達晶片并反射回來用來進行過程監(jiān)測的信號強度越強。另外，聚合物膠囊的尺寸、透光性和密度之類的其他因素也會影響信號強度。例如，向聚合物膠囊添加液體芯可將不適用于化學機械拋光的光學不透明的拋光墊轉(zhuǎn)化為適用于用例如激光器產(chǎn)生的光學信號進行終點檢測的光學透明拋光墊。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熱導性。最后，液體芯可以提高在拋光墊中切割凹槽，例如改良的輻射狀凹槽之類的復雜凹槽的機械可加工性。
權(quán)利要求
1.一種可以在使用拋光組合物和原位光學終點檢測設(shè)備的化學機械拋光法中用來拋光基片的透明拋光墊，該拋光墊包括具有第一折射率的聚合物基質(zhì)材料；大量具有嵌入其中的空穴的聚合物膠囊，這些膠囊與所述聚合物基質(zhì)材料光學連接，所述聚合物膠囊包括具有一定直徑、厚度和第二折射率的聚合物外殼，所述第二折射率在所述聚合物基質(zhì)的第一折射率的30％以內(nèi)，所述聚合物膠囊還包括包含在所述空穴內(nèi)的液體芯，所述液體芯與聚合物外殼光學連接，并具有第三折射率，第三折射率在所述聚合物基質(zhì)的第一折射率的30％以內(nèi)；拋光面，該拋光面包含聚合物基質(zhì)材料和由暴露于拋光面的嵌入的聚合物膠囊的空穴形成的大量凹凸結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物外殼防止液體芯在形成拋光墊之前與聚合物基質(zhì)材料接觸，所述聚合物外殼在拋光過程中打開，形成凹凸結(jié)構(gòu)，使得拋光組合物代替液體芯，并輸送拋光組合物。
3.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物外殼防止液體芯在形成拋光墊之前與聚合物基質(zhì)材料接觸，在拋光墊形成之后，所述聚合物外殼溶解，在聚合物基質(zhì)中形成空穴，空穴在拋光過程中打開，形成凹凸結(jié)構(gòu)，使得拋光組合物代替液體芯，并輸送拋光組合物。
4.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物膠囊的直徑為1-150微米。
5.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述拋光墊能透射能夠進行原位光學終點檢測的至少一種激光的波長。
6.如權(quán)利要求5所述的拋光墊，其特征在于，所述拋光墊能透射波長為640-670納米的激光。
7.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物外殼的厚度為0.1-5微米。
8.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述液體芯是包含有偶然夾雜的雜質(zhì)的水。
9.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物外殼是PDVC。
10.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物外殼的第二折射率在聚合物基質(zhì)的第一折射率的20％以內(nèi)，所述液體芯的第三折射率在所述聚合物基質(zhì)的第一折射率的20％以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用來在使用拋光組合物的CMP過程中對基片進行平面化的拋光墊。所述拋光墊是透明的，可用于原位光學終點檢測設(shè)備，而且在拋光墊中不需要獨立的孔或窗口。
文檔編號C08L101/00GK1915596SQ20061012153
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)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