專利名稱：用于化學(xué)機(jī)械拋光的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于化學(xué)機(jī)械拋光的拋光墊領(lǐng)域。具體地說，本發(fā)明涉及具有用于化學(xué)機(jī)械拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材的拋光結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光墊。
背景技術(shù)：
在集成電路和其他電子器件的制造過程中，多層導(dǎo)電、半導(dǎo)體和介電材料被沉積到半導(dǎo)體晶片表面上，然后又從半導(dǎo)體晶片表面上清除。可以使用許多沉積技術(shù)沉積導(dǎo)電，半導(dǎo)體和介電材料薄層?，F(xiàn)代晶片加工中的常規(guī)沉積技術(shù)包括物理氣相沉積(PVD)(也被稱為濺射)，化學(xué)氣相沉積(CVD)，等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積(PECVD)和電化學(xué)鍍等。常規(guī)清除技術(shù)包括濕法和干法的各向同性和各向異性蝕刻等。
隨著材料層被順序沉積和清除，晶片的最上層表面變得不平坦。由于隨后的半導(dǎo)體加工(例如金屬化(metallization))要求該晶片具有平坦表面，所以需要對(duì)該晶片進(jìn)行平面化(planarize)。平面化用于清除不需要的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面，團(tuán)聚材料，晶格損壞，劃痕和被污染的層或材料。
化學(xué)機(jī)械平面化或即化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是用來使半導(dǎo)體晶片等工件平面化或進(jìn)行拋光的常用技術(shù)。在常規(guī)CMP中，晶片載體或拋光頭固定在載體組合件上。拋光頭握住晶片，使該晶片與CMP裝置中的桌子或平臺(tái)上的拋光墊的拋光層接觸。載體組合件在晶片和拋光墊之間提供受控的壓力。同時(shí)使?jié){料或其他拋光介質(zhì)分散在拋光墊上，流入晶片和拋光層之間的空隙中。為了進(jìn)行拋光，拋光墊和晶片作通常相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。拋光墊在晶片下面旋轉(zhuǎn)時(shí)，晶片通常掃過一環(huán)形的拋光軌跡(或稱為拋光區(qū)域)，其中該晶片表面直接面對(duì)拋光層。晶片表面由拋光層和表面上拋光介質(zhì)的化學(xué)和機(jī)械作用進(jìn)行拋光而變平。
在CMP過程中，拋光層、拋光介質(zhì)和晶片表面之間的相互作用在過去十年間已經(jīng)是逐漸得到研究、分析以及高級(jí)數(shù)學(xué)建模的課題，以最優(yōu)化拋光墊的設(shè)計(jì)。自從CMP最初作為半導(dǎo)體制造工藝以來，大多數(shù)拋光墊的發(fā)展實(shí)際上完全是憑經(jīng)驗(yàn)的，它涉及許多不同多孔和無孔聚合物材料的試驗(yàn)。多數(shù)的拋光表面或?qū)拥脑O(shè)計(jì)集中在提供具有各種微結(jié)構(gòu)的層、或者孔隙區(qū)域和實(shí)心區(qū)域以及大結(jié)構(gòu)的圖案，或者表面穿孔或凹槽的排布，它們聲稱提高了拋光速度、改進(jìn)了拋光均一性，或者減低了拋光缺陷(刮痕、凹陷、分層區(qū)域以及其它表面或子表面損傷)。多年過去了，僅提出了很少的用于提高CMP性能的不同微結(jié)構(gòu)和大結(jié)構(gòu)。
對(duì)常規(guī)拋光墊而言，拋光墊表面的“修整”或“整理”對(duì)保持適于穩(wěn)定拋光性能的均一拋光表面是致關(guān)重要的。經(jīng)過一段時(shí)間之后，拋光墊的拋光表面損耗，磨光了拋光表面的微觀結(jié)構(gòu)---一種稱為“上釉(glazing)”的現(xiàn)象。上釉源自因摩擦生熱和拋光墊與工件之間接觸點(diǎn)處的剪切作用所導(dǎo)致的聚合物材料的塑性流動(dòng)。此外，來自CMP工藝的碎屑會(huì)阻塞漿液流過拋光表面的表面孔隙和微通道。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，CMP工藝的拋光速度降低，并導(dǎo)致在晶片之間或之中出現(xiàn)不均一的拋光。修整可以在拋光表面上形成新的紋理，用于保持CMP工藝中所需的拋光速度和均一性。
常規(guī)的拋光墊修整通過用修整碟(conditioning disk)機(jī)械切削拋光表面來進(jìn)行。所述修整碟通常具有粗糙的修整表面，所述修整表面通常包括埋入的金剛石點(diǎn)。當(dāng)拋光暫停(非原位)或者當(dāng)CMP工藝進(jìn)行中(原位)時(shí)，修整碟在CMP工藝的間歇性暫停過程中與拋光表面接觸。通常，修整碟在相對(duì)于拋光墊旋轉(zhuǎn)軸固定的位置上旋轉(zhuǎn)，并當(dāng)拋光墊旋轉(zhuǎn)時(shí)掃過一個(gè)環(huán)形修整區(qū)域。所述修整工藝在拋光表面上切出微溝槽，研磨并在墊材料中刨出溝槽，并再造拋光紋理。
雖然墊的設(shè)計(jì)者在制造墊材料以及表面修整中已經(jīng)制造了各種表面紋理的微結(jié)構(gòu)和構(gòu)型，但是現(xiàn)有CMP墊的拋光紋理在兩個(gè)重要方面上并不是最佳。第一，在CMP中通常施加的壓力條件下，常規(guī)CMP墊和常規(guī)工件之間的實(shí)際接觸面積小---通常僅占全部相對(duì)面積的很少百分比。這直接由過度的常規(guī)表面修整而導(dǎo)致，所述表面修整是隨意地將結(jié)構(gòu)的實(shí)心區(qū)域劃成碎料(tatter)，造成部件污染或者凹凸不平，或者是由于各種形狀和高度而導(dǎo)致的，其中僅最高的部分實(shí)際接觸了工件。第二，供漿液流動(dòng)以轉(zhuǎn)運(yùn)拋光碎屑和熱量的空隙占據(jù)墊表面的薄層，使得拋光廢料保持緊密靠近工件，直到它完全從工件下排出。在墊和工件之間的漿液流體必須經(jīng)過很不規(guī)則的表面，并繞過橋接墊和工件之間的完全垂直間距的任意凹凸不平特征。這很可能導(dǎo)致工件再次接觸廢棄的化學(xué)物質(zhì)和先前除去的材料。這樣，由于表面紋理中的接觸力學(xué)和流體力學(xué)偶合，常規(guī)墊的微結(jié)構(gòu)并不是最佳凹凸不平特征的高度分布并不利于良好的接觸，也不利于流體有效的流動(dòng)和運(yùn)送。
CMP中的缺陷形成源自常規(guī)墊微結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。例如，Reinhardt等在美國專利No.5578362中公開了使用聚合物小球?qū)⒓y理引入聚氨酯拋光墊中。雖然確切的缺陷形成機(jī)制未完全弄懂，但是降低缺陷形成要求工件上的極端點(diǎn)應(yīng)力最小通常是顯而易見的。在給定的施加負(fù)載和拋光壓力下，實(shí)際的點(diǎn)接觸壓力與實(shí)際接觸面積成反比例。在3psi(20.7kPa)拋光壓力下運(yùn)行并且所有凹凸不平特征尖端的實(shí)際接觸面積為2％的CMP工藝通常給工件施加平均為150psi(1Mpa)的正(stress)應(yīng)力。這種量級(jí)的應(yīng)力足以導(dǎo)致表面和子表面損傷。在常規(guī)CMP墊上，變鈍以及形狀不規(guī)則的凹凸不平特征也是不利的流動(dòng)圖案凹凸不平特征上流體碰撞的局部壓力是顯著的，并且停滯區(qū)域或者分開流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致拋光碎屑和熱量積聚，或者形成供顆粒團(tuán)聚的環(huán)境。
除了存在潛在的缺陷形成來源，常規(guī)拋光墊微觀結(jié)構(gòu)并不是最佳的，這是因?yàn)閴|表面修整通常不是可以精確復(fù)制的。修整碟上的金剛石在使用過程中變鈍，使得在一段時(shí)間后要替換修整設(shè)備(conditioner)；因此，在其使用壽命過程中，修整設(shè)備的有效性連續(xù)變化。修整也大大影響了CMP墊的損耗率。通常，墊因與金剛石修整設(shè)備研磨而導(dǎo)致的磨損約為95％，而僅有約5％是因與工件接觸而磨損。因此，除了減少缺陷以外，改進(jìn)的墊的微觀結(jié)構(gòu)可以無需修整，并使用壽命更長。
去除墊修整的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一種可以自更新的拋光表面，即當(dāng)其磨損時(shí)可以保持基本相同的幾何形狀和構(gòu)型。因此，為了能自更新，拋光表面必須是使磨損不會(huì)顯著改造實(shí)心區(qū)域。這樣就要求實(shí)心區(qū)域不會(huì)經(jīng)受足以導(dǎo)致顯著塑性流動(dòng)的連續(xù)剪切作用和熱量，或者構(gòu)造實(shí)心區(qū)域，使它們能通過將剪切作用和熱量分散到其它實(shí)心區(qū)域的方式響應(yīng)剪切作用或熱量。
除了缺陷率低以外，CMP墊的拋光結(jié)構(gòu)必須具有良好的平面化效率。常規(guī)的墊材料要求在這兩個(gè)性能度量標(biāo)準(zhǔn)之間平衡，這是因?yàn)槿毕萋实褪峭ㄟ^使材料變得更軟和更順應(yīng)來達(dá)到的，而這些相同性能的變化則對(duì)平面化效率不利。最后，平面化要求堅(jiān)硬的平坦材料，而低缺陷率則要求不那么堅(jiān)硬的共形材料。因此，用單一的材料很難在這些度量標(biāo)準(zhǔn)之間克服根本的平衡。常規(guī)的墊結(jié)構(gòu)以各種方式來解決這一問題，包括使用具有相互結(jié)合的硬層和軟層的復(fù)合材料。雖然復(fù)合材料比單層結(jié)構(gòu)有改進(jìn)，但是仍舊沒有研發(fā)出同時(shí)獲得理想平面化效率和零缺陷形成的材料。
因此，雖然墊微結(jié)構(gòu)和修整裝置出現(xiàn)在同時(shí)期的CMP應(yīng)用中，但是仍要求CMP墊能獲得更高的與工件的真實(shí)接觸面積；更有效的漿液流動(dòng)圖案，以除去拋光碎屑；以及減少或者消除對(duì)再造紋理的需求。此外，要求CMP墊結(jié)構(gòu)綜合了良好平面化效率所需的堅(jiān)硬剛性結(jié)構(gòu)以及低缺陷率所需的不那么堅(jiān)硬的共形結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面提供一種用于在拋光介質(zhì)存在下拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中至少一種的拋光墊，所述拋光墊包括a)互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述互連單元是網(wǎng)狀的，便于流體流動(dòng)，并除去拋光碎屑；b)用于形成互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多個(gè)拋光元件，所述互連單元的高度至少為三個(gè)單元，所述拋光元件具有在第一接合處連接到第一相鄰拋光元件的第一末端，和在第二接合處連接到第二相鄰拋光元件的第二末端，并且在第一和第二接合處之間具有30％以內(nèi)的橫截面積；c)由多個(gè)拋光元件形成的拋光表面，所述拋光表面的表面積(在平行于拋光表面的平面上測(cè)得)與多次拋光操作保持一致。
本發(fā)明另一方面提供一種用于在拋光介質(zhì)存在下拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中至少一種的拋光墊，所述拋光墊包括a)互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述互連單元的高度至少為10個(gè)單元，所述互連單元形成線型拋光元件，并且所述互連單元是網(wǎng)狀的，便于流體流動(dòng)，并除去拋光碎屑；b)用于形成互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多個(gè)線型拋光元件，所述線型拋光元件具有在第一接合處連接到第一相鄰拋光元件的第一末端，和在第二接合處連接到第二相鄰拋光元件的第二末端，并且在第一和第二接合處之間具有30％以內(nèi)的橫截面積；c)由多個(gè)拋光元件形成的拋光表面，所述拋光表面的表面積(在平行于拋光表面的平面上測(cè)得)與多次拋光操作保持一致。
本發(fā)明另一方面提供一種在拋光介質(zhì)存在下用拋光墊拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中至少一種的方法，所述方法包括以下步驟在拋光墊和基材之間形成動(dòng)態(tài)接觸，來拋光所述基材，所述拋光墊包括互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述互連單元是網(wǎng)狀的，便于流體流動(dòng)，并除去拋光碎屑；用于形成互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多個(gè)拋光元件，所述互連單元的高度至少為10個(gè)單元，所述拋光元件具有在第一接合處連接到第一相鄰拋光元件的第一末端，和在第二接合處連接到第二相鄰拋光元件的第二末端，并且在第一和第二接合處之間具有30％以內(nèi)的橫截面積；由多個(gè)拋光元件形成的拋光表面，所述拋光表面的表面積(在平行于拋光表面的平面上測(cè)得)與多次拋光操作保持一致；并且捕集三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拋光元件中的拋光碎屑。


圖1是本發(fā)明適用的雙軸拋光機(jī)的部分透視圖；圖2A是圖1所示具有本發(fā)明拋光結(jié)構(gòu)的拋光墊的高倍放大截面圖；圖2B是圖1所示具有本發(fā)明拋光結(jié)構(gòu)的拋光墊的高倍放大平面圖；圖3是具有本發(fā)明拋光結(jié)構(gòu)的另一拋光墊的高倍放大截面圖；圖4是具有本發(fā)明拋光結(jié)構(gòu)的另一拋光墊的高倍放大截面圖。
具體實(shí)施例方式
參見附圖，圖1通常描述了適合與本發(fā)明拋光墊104一起使用的雙軸化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)機(jī)100的主要特征。拋光墊104通常包括具有拋光表面110的拋光層108，所述拋光表面110面對(duì)制品如半導(dǎo)體晶片112(加工或未加工的)或者其它工件，如玻璃、平板顯示器或者磁信息記錄碟片等，以在拋光介質(zhì)120存在下拋光工件的拋光表面116。拋光介質(zhì)120移動(dòng)通過具有深度128的任選螺旋形凹槽124。簡便起見，以下按一般意義使用術(shù)語“晶片”。此外，在本說明書(包括權(quán)利要求書)中，術(shù)語“拋光介質(zhì)”包括含顆粒的拋光溶液以及不含顆粒的溶液，如不含磨料(abrasive-free)和活性液體拋光溶液。
本發(fā)明通常包括提供具有拋光紋理200(圖2)的拋光層108，相對(duì)于實(shí)心體積，它具有高孔隙分?jǐn)?shù)或者高百分?jǐn)?shù)的開孔體積(open volume)，由一系列類似或相同的肉眼可見或微觀的細(xì)長元件形成拋光層108，各元件限制在一端或多端，使所述元件占據(jù)的全部空間相比可用的全部空間來說小，單獨(dú)元件的間距相比晶片的尺寸來說小，并且所述元件互連成三維結(jié)構(gòu)，以相對(duì)于剪切和彎曲而言使所述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)牢固。優(yōu)選地，這些元件具有微觀尺寸以形成微紋理。這些特征用于在所述墊和晶片之間提供更高的真實(shí)接觸面積，在墊和晶片之間提供比常規(guī)拋光墊更加有利的漿液流動(dòng)圖案，并提供無需對(duì)拋光墊進(jìn)行修整的自更新結(jié)構(gòu)。此外，這些特征還以一定方式在長度尺寸上為拋光墊提供用于良好平面化效率所需的剛度，同時(shí)也在較短長度尺寸上提供低缺陷率所需的適應(yīng)性。
拋光機(jī)100還可包括安裝到平臺(tái)130上的拋光墊104。平臺(tái)130可沿旋轉(zhuǎn)軸134由平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器(未顯示)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。晶片112由晶片載體138支撐，所述載體沿平行于平臺(tái)130的旋轉(zhuǎn)軸134(且與之隔開)的旋轉(zhuǎn)軸142旋轉(zhuǎn)。晶片載體138可起到裝有萬向接頭的聯(lián)動(dòng)裝置(gimbaled linkage)(未顯示)的作用，使晶片112呈現(xiàn)出略不平行于拋光層108的樣子，這時(shí)旋轉(zhuǎn)軸134、142可略微歪斜。晶片112包括面對(duì)拋光層108的拋光表面116，并在拋光過程中平面化。晶片載體138由用于旋轉(zhuǎn)晶片112的載體支撐組件(未顯示)來支撐，并提供下壓力F，以將待拋光表面116壓向拋光層108，從而拋光時(shí)在拋光表面和拋光層之間產(chǎn)生所需的壓力。拋光機(jī)100也包括向拋光層108提供拋光介質(zhì)120的拋光介質(zhì)進(jìn)口146。
如本領(lǐng)域那些技術(shù)人員所意識(shí)到的，拋光機(jī)100可以包括其它部件(未顯示)，如系統(tǒng)控制器、拋光介質(zhì)存儲(chǔ)和分散系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)和用于控制拋光工藝各方面的各種控制器，如(1)用于控制晶片112和拋光墊104的旋轉(zhuǎn)速度之一或兩者的速度控制器和選擇器(selector)，(2)用于改變拋光介質(zhì)120輸送到拋光墊上的速度和位置的控制器和選擇器，(3)用于控制施加到晶片和拋光墊之間的作用力F量級(jí)的控制器和選擇器，以及(4)用于控制晶片旋轉(zhuǎn)軸142相對(duì)于拋光墊旋轉(zhuǎn)軸134的位置的控制器、制動(dòng)器和選擇器等等。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員應(yīng)理解這些部件是如何安裝和運(yùn)行的，它們的詳細(xì)解釋對(duì)本領(lǐng)域那些技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明來說并不是必需的。
在拋光過程中，拋光墊104和晶片112沿它們各自的旋轉(zhuǎn)軸134和142旋轉(zhuǎn)，拋光介質(zhì)120從拋光介質(zhì)進(jìn)口146分散到旋轉(zhuǎn)的拋光墊上。拋光介質(zhì)120在拋光層108上(包括在晶片112和拋光墊104下方的縫隙中)鋪開。拋光墊104和晶片112通常(但不是一定)在0.1-150rpm的選定速度下旋轉(zhuǎn)。作用力F通常(但不是一定)是在晶片112和拋光墊104之間產(chǎn)生0.1-15psi(6.9-103kPa)所需壓力的量級(jí)。如本領(lǐng)域那些技術(shù)人員所意識(shí)到的，可以將拋光墊制成卷材形式，或者制成直徑小于要拋光基材的直徑的拋光墊。
現(xiàn)在參見圖2A-2B，更加詳細(xì)地說明了圖1所示拋光墊104的實(shí)施方式，尤其是針對(duì)表面拋光紋理200。與現(xiàn)有技術(shù)的CMP墊(其中，表面紋理或凹凸不平(asperity)來自材料除去或者改造工藝(即修整))不同，拋光紋理200由一系列具有精確幾何構(gòu)型的相同或類似的拋光元件204和208構(gòu)成。為了便于說明，拋光紋理200顯示為由基本上垂直的元件208和基本上水平的元件204構(gòu)成，但是并不一定是這種情況。拋光紋理200等同于大量這種具有平均寬度210和平均橫截面積222的拋光元件204和208，所述元件以平均螺距(pitch)218間隔。在本文中，術(shù)語“平均”是指在所述元件或結(jié)構(gòu)的全部量上的算術(shù)平均。此外，元件204和208的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有平均高度214和平均半高度215。拋光紋理200實(shí)際上是一套六面體單元，是其中各面(6個(gè)面)是正方形或矩形的空間單元，實(shí)心部分僅在該空間單元的邊緣，在各面的中心以及空間單元的中心為空的。
元件208的平均高度214和平均寬度210之比至少為0.5。較好的是，平均高度214和平均寬度210之比至少為0.75，最好是至少1。任選地，平均高度214和平均寬度210之比至少為5或者至少為10。當(dāng)平均高度增大時(shí)，在拋光過程中硬化拋光元件208的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所需的互連元件204的數(shù)量增大。通常，只有突出最上層互連元件204的元件208的無束縛末端在拋光過程中在剪切力的作用下自由彎曲。在基層240和最上層互連元件204之間的元件208的高度受到很大程度的限制，施加到任一元件208上的力由許多相鄰的元件204和208有效地輸送，類似于橋構(gòu)架或者外部支撐。在這種情況下，拋光紋理200在長度尺寸上是堅(jiān)硬的(良好平面化所需的)，但是在較短長度尺寸上則因元件208未支撐末端的局部變形性和柔韌性而是局部順應(yīng)的。
互連元件204和拋光元件208組合形成單元225，所述單元具有平均寬度227和平均長度229。這些單元具有網(wǎng)狀或開孔結(jié)構(gòu)，組合形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；ミB單元的高度至少是3個(gè)單元，較好是至少10個(gè)單元。通常，增大拋光墊的高度延長了拋光墊的使用壽命以及整體剛性，其中后者對(duì)提高平面化有利。任選地，單元的平均寬度227不等于其平均長度229。例如，平均寬度和平均長度之比可以是至少2或者至少4，以進(jìn)一步改進(jìn)某些拋光應(yīng)用所需的拋光性能。例如，具有拉長水平長度的單元提供更堅(jiān)硬的拋光元件，以改進(jìn)平面化；具有拉長垂直長度的單元具有更柔韌的拋光件，以改進(jìn)缺陷性能。
元件208的平均高度和平均寬度之比高的優(yōu)勢(shì)在于截面積222的全部拋光表面積長期保持恒定。如圖2A所示，在拋光層202使用壽命的任一時(shí)間點(diǎn)，雖然拋光紋理200的大多數(shù)接觸面積由垂直元件208的橫截面222組成，但是一些互連元件204的所有或部分也在磨損，并且這些被特別指定為接觸元件206。較好的是，互連元件204的垂直位置(vertical position)交錯(cuò)(stagger)，使平行于基層240出現(xiàn)的磨損僅在一段時(shí)間內(nèi)在給定點(diǎn)處遇到小部分的互連元件204，并且這些接觸元件206構(gòu)成了總接觸面積的小部分。這允許以類似的拋光性能拋光若干基材，并減少或消除周期性整理或修整該墊的需求。減少修整延長了墊的使用壽命，并降低了其操作成本。而且，通過墊的穿孔、引入導(dǎo)電凹槽或者加入導(dǎo)電體如導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、金屬柵格或者金屬線可以將該墊轉(zhuǎn)變成eCMP(電化學(xué)機(jī)械平面化)拋光墊。這些墊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)便于流體流動(dòng)，并保持苛刻eCMP應(yīng)用所需的均一表面結(jié)構(gòu)。流體流動(dòng)的增大改進(jìn)了廢棄電解液從eCMP工藝中除去，這可以改進(jìn)eCMP工藝的均一性。
較好的是，拋光紋理200中不存在實(shí)心材料，不包含在拋光元件204和208中。任選地，可以將研磨顆粒或纖維固定在拋光元件204和208中。相應(yīng)地，在任一單獨(dú)的元件204或208中不存在空隙體積，拋光紋理200中所有的空隙體積較好存在于拋光元件204和208之間以及之外。但是，拋光元件204和208任選具有中空或多孔結(jié)構(gòu)。拋光元件208的一端保持螺距218牢固附于基層240上，并使拋光元件208保持基本垂直的方向。元件208的取向還通過接合處(junction)209的互連元件204來保持，所述結(jié)合209連接相鄰的拋光元件204和208上。接合處209可以包含粘合劑，或者化學(xué)結(jié)合來固定元件204和208。較好的是，接合處209表示相同材料的互連，最好是相同材料的無縫互連。
優(yōu)選地，拋光元件208的寬度210和螺距218在接合處209之間的所有拋光元件208上從一端到另一端都均一或接近均一，或者在拋光元件208的子組上均一。例如，拋光元件208的寬度210和螺距218較好在接觸件206和半高度215之間的拋光層202中各自保持在平均寬度或螺距的50％以內(nèi)。更好地是，拋光元件208的寬度210和螺距218較好在接觸件206和半高度215之間的拋光層202中各自保持在平均寬度或螺距的20％以內(nèi)。最好的是，拋光元件208的寬度210和螺距218較好在接觸件206和半高度215之間的拋光層202中各自保持在平均寬度或螺距的10％以內(nèi)。特別地是，將拋光元件204和208在相鄰接合處209之間的橫截面積保持在30％以內(nèi)對(duì)均勻的拋光性能有利。較好的是，所述墊將相鄰接合處209之間的橫截面積保持在20％以內(nèi)，最好是10％以內(nèi)。而且，拋光元件204和208較好是線型，這對(duì)均一拋光更有利。這些特征的一個(gè)直接的結(jié)果就是拋光元件208的橫截面積222在垂直方向上不會(huì)顯著變化。因此，當(dāng)拋光元件208在拋光過程中磨損以及高度214降低時(shí)，面對(duì)晶片的面積222幾乎不會(huì)改變。表面積222的均一性提供了一個(gè)均一的拋光紋理200，并提供重復(fù)拋光操作所需的均一拋光。例如，均一結(jié)構(gòu)允許拋光形成多個(gè)圖案的晶片，無需調(diào)整工具設(shè)置。在本說明書中，拋光表面或紋理200表示拋光元件204和208的表面積(在平行于拋光表面的平面上測(cè)得)。較好的是，拋光元件208的全部橫截面積222在起初拋光表面或接觸元件206與單元225的垂直體積的半高度215之間保持在25％以內(nèi)。最好的是，拋光元件208的全部橫截面積222在起初拋光表面與單元225的垂直柱(column)的半高度215之間保持在10％以內(nèi)。如上所述，互連元件204的垂直位置更好是交錯(cuò)的，當(dāng)元件磨損時(shí)全部橫截面積的變化最小。
任選地，可以將拋光元件208排列成若干拋光元件208的相間分組(spacedgrouping)---例如，拋光元件包括被不含拋光元件的區(qū)域包圍的環(huán)形分組。在各分組中，優(yōu)選互連元件204能保持元件208分組的間距和有效的剛度。此外，可以調(diào)整拋光元件204或208在不同區(qū)域的密度，精細(xì)調(diào)整除去率和拋光或晶片的均一性。而且，可以將拋光元件排列成敞開的通道，如圓形通道、X-Y通道、徑向通道、彎曲徑向通道或螺旋通道。引入任選的通道有利于除去大的碎屑，并且可以提高拋光或晶片的均一性。
拋光元件208的高度214在所有元件上是均一的。優(yōu)選高度214保持在拋光紋理200中平均高度的20％、更好是平均高度的10％，更好是平均高度的1％。任選地，切割器件如刀、高速旋轉(zhuǎn)刀或者激光可以周期性切割所述拋光元件，形成均一的高度。而且，切割刀的直徑和速度可以任選地以一定角度切割拋光元件，調(diào)整拋光表面。例如，以一定角度切割具有圓形橫截面的拋光元件將得到和基材相互作用的拋光尖端的紋理。高度的均一性確保拋光紋理200的所有拋光元件208以及所有磨損平面上的互連接觸元件206可以接觸工件。實(shí)際上，由于工業(yè)CMP工具具有將不等拋光壓力施加到晶片的不同位置上的機(jī)械裝置，并由于在晶片下產(chǎn)生的流體壓力足以使晶片離開正好水平并平行于該墊的平均水平(mean level)的位置，因此，一些拋光元件208可以不接觸晶片。但是，在拋光墊104發(fā)生接觸的任意區(qū)域中，要求盡可能多的拋光元件208具有足夠的高度，以提供接觸。而且，由于拋光元件208的未束縛的末端通常因拋光的動(dòng)態(tài)接觸機(jī)理而彎曲，起始的拋光表面積通常磨損，以適應(yīng)該彎曲的角度。例如，起始的圓形尖端表面將磨損，形成帶角度的尖端表面，并且拋光過程中經(jīng)歷的方向變化將形成多重磨損圖案。
選擇拋光元件204和208的尺寸和間距，以在墊和晶片之間提供高接觸面積222，以及供漿液除去拋光碎屑的足夠的敞開流動(dòng)面積(open flow area)226。通常，拋光元件204和208占拋光墊體積的80％以下(在基層240上測(cè)得)。較好的是，拋光墊204和208占拋光墊體積的75％以下(在基層240上測(cè)得)。例如，元件204和208通常占拋光墊體積的5-75％(在基層240上測(cè)得)。用于高接觸面積的拋光墊通常占拋光墊體積的40-80％(在基層240上測(cè)得)。在這些目標(biāo)之間存在固有的平衡在拋光紋理200的有效空間中增加更多的拋光元件204和208增加了總接觸面積222，但是降低了流動(dòng)面積226，形成更多妨礙漿液流體230以及拋光碎屑除去的阻擋物。本發(fā)明的本質(zhì)特征在于拋光元件204和208足夠纖細(xì)，且間隔足夠?qū)?，使接觸面積和流動(dòng)面積之間保持良好的平衡。具有矩形或正方形橫截面的拋光元件208有利于增大接觸面積。依照這一平衡，拋光元件208的螺距218與拋光元件208的寬度210之比任選至少為2。在這些限制下，拋光紋理200的接觸面積222可達(dá)到75％(即，(1-寬度/螺距)的平方)或以上，流動(dòng)面積226是有效面積的50％(即，1-寬度/螺距)或以上。通常，拋光元件208起到在墊表面以下位置收集或捕集拋光碎屑的作用。這一特征有利于通過在拋光過程中不會(huì)接觸或刮擦制品表面的位置上捕集有害的碎屑來降低缺陷率。而且，拋光元件208的高度214和寬度210之比還可以任選至少為4，使流動(dòng)面積226最大，允許拋光碎屑在拋光元件204和208之間水平輸送，同時(shí)在這輸送的碎屑和晶片之間仍形成垂直距離。
拋光紋理200還通過選擇拋光元件204和208的橫截面形狀來進(jìn)一步優(yōu)化，即，使相對(duì)于主要出現(xiàn)在水平方向上的漿液流體230而言呈流線型(streamline)。將主體制成流線型使流體阻力最小，這是工程上熟知的原理，并成為在設(shè)計(jì)航空、航海、交通工具、推進(jìn)器和其它在氣體或液體中運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)通常適用的科學(xué)。調(diào)整這些后面的人尺度(human scale)物件的流體流動(dòng)方程式同樣適用CMP墊的宏觀結(jié)構(gòu)尺度或微結(jié)構(gòu)尺度。其實(shí)，流線型化由選擇逐步彎曲的橫截面且沒有尖銳轉(zhuǎn)折組成，使外部流體流體可以繞橫截面經(jīng)過，而不會(huì)離開所述表面，不會(huì)形成消耗流體能量的循環(huán)漩渦。出于這一考慮，相比正方形或矩形橫截面，拋光元件204和208優(yōu)選圓形橫截面222。而且，將拋光元件208的形狀制成流線型要求確認(rèn)漿液流體230的局部流向。由于墊和晶片在旋轉(zhuǎn)，漿液流體230以各種角度達(dá)到拋光元件204和208，對(duì)一個(gè)角度的達(dá)到途徑來說正確的流線型設(shè)計(jì)對(duì)其它角度的達(dá)到途徑就不是最滿意的。對(duì)所有方向的流體達(dá)到途徑都相等地呈流線型的唯一形狀就是圓形橫截面，因此在通常情況下優(yōu)選圓形。若可以確定主要的流動(dòng)方向，在平臺(tái)速度與載體速度之比很高的CMP工藝中，更加優(yōu)選拋光元件204和208的橫截面相對(duì)于該方向而言呈流線型。
圖2A所示，拋光墊104包括拋光層202，并且還可以包括次墊片(subpad)250。應(yīng)注意次墊片250并不一定需要，拋光層202可以通過基層240直接固定到拋光機(jī)的平臺(tái)上，例如圖1所示的平臺(tái)130。拋光層202可以通過基層240以任意合適的方式如粘合劑粘結(jié)(例如，使用壓敏粘合劑層245或者熱熔性粘合劑)、熱粘合、化學(xué)粘結(jié)、超聲粘結(jié)等固定到次墊片250上?；鶎?40或次墊片250可以用作連結(jié)拋光元件208的拋光基底。較好的是，拋光元件208的基底部分延伸到基層240。
可以使用各種方法來制造拋光紋理200。對(duì)于較大尺寸的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些包括微加工、激光或者流體噴射蝕刻以及其它從實(shí)心原料上除去材料的方法；以及聚焦的激光聚合反應(yīng)，選擇性光學(xué)固化(preferential optical curing)、生物生長以及其它在最初的空容積內(nèi)構(gòu)建材料的方法。對(duì)于較小尺寸的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以使用結(jié)晶、晶種聚合反應(yīng)、平版印刷術(shù)或其它選擇性材料沉積技術(shù)，以及電泳、相成核技術(shù)或者其它建立模板供之后材料自組裝的方法。
微結(jié)構(gòu)200的拋光元件204和208以及基層240可以由任意合適的材料制得，如聚碳酸酯、聚砜、尼龍、聚醚、聚酯、聚苯乙烯類(polystyrenes)、丙烯酸聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯類(polymethyl methacrylates)、聚氯乙烯類(polyvinylchlorides)、聚氟乙烯類(polyvinlyflurides)、聚乙烯類(polyethylenes)、聚丙烯類(polypropylenes)、聚丁二烯類(polybutadienes)、聚乙烯亞胺類(polyethylene imines)、聚氨酯、聚醚砜、聚酰胺、聚醚亞胺、聚酮、環(huán)氧樹脂、硅酮、它們的共聚物(如，聚醚-聚酯共聚物)以及它們的混合物。拋光元件204和208和基層240也可以由非聚合材料制得，如陶瓷、玻璃、金屬、石材、木材或者簡單材料的固相形式如冰。拋光元件204和208和基層240也可以由聚合物和一種或多種非聚合材料的復(fù)合物制得。
通常，拋光元件204和208以及基層240的材料選擇受到以所需方式拋光由具體材料制得的制品的適用性所限制。類似地，次墊片250可以由任意合適的材料制得，如上述用于拋光元件204和208以及基層240的材料。拋光墊104可以任選包括用于將拋光機(jī)的拋光墊固定到平臺(tái)(例如，圖1所示平臺(tái)130)上的緊固件。所述緊固件可以是例如粘合劑層如壓敏粘合劑層245、熱熔性粘合劑、機(jī)械緊固件如鉤圈緊固件的鉤部分和圈部分。在本發(fā)明的范圍也可以使用一個(gè)或多個(gè)纖維光學(xué)端點(diǎn)(endpoint)裝置270或者類似的傳輸裝置，它們占據(jù)拋光紋理200的一個(gè)或多個(gè)空隙。
參見圖3，針對(duì)另一表面拋光紋理300描述本發(fā)明圖1所示拋光墊104的第二實(shí)施方式一圖3所示側(cè)截面圖具有拋光層302中互連網(wǎng)絡(luò)單元的類似不對(duì)稱圖案。與圖2A所述拋光墊類似，粘合劑層345將基層340固定到任選的次墊片350上，并任選包括端點(diǎn)裝置370。拋光紋理300在三個(gè)方面不同于圖2A所示的拋光紋理200。首先，拋光紋理300的元件308并不嚴(yán)格垂直于基層340和水平面，而是與它們呈45-90度之間的任意角度，并且一些元件308是彎曲的，而不是直的。而且，互連元件304不都是水平的，而是一些與基層340和水平面呈0-45度。這樣，拋光紋理300由單元組成，但是所述單元的形狀以及面的數(shù)量上不同。這些特征并不經(jīng)得住考驗(yàn)(nonwithstanding)，元件308的高度314在拋光層或拋光元件306與拋光紋理300的半高度之間的拋光紋理300內(nèi)基本上不會(huì)改變。第二，元件304和308的寬度310、螺距318和橫截面積322相比拋光元件208相應(yīng)屬性具有更多的變化(variation)。第三，流經(jīng)元件304和308以及在元件304和308中的漿液流體330沿著比流經(jīng)拋光元件208的流體230更加不規(guī)則的路徑流動(dòng)。然而，拋光紋理300包括本發(fā)明的基本性質(zhì)，其中，元件306形成拋光表面。具體的是，元件304和308在接合處309互連，形成在三維空間上互連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其互連程度足以給拋光紋理提供整體牢固性，而元件308未束縛的末端提供局部柔韌性，以順應(yīng)工件。此外，元件304和308仍足夠纖細(xì)，且間隔足夠?qū)挘员３纸佑|面積和流動(dòng)面積之間有利的平衡，元件308的平均螺距318和元件308的平均寬度310之比至少為2，元件308的高度314和平均寬度310之比至少為4。這樣，拋光紋理300的接觸面積322可以達(dá)到25％或以上；當(dāng)比拋光紋理300的流動(dòng)面積326更加不規(guī)則，流動(dòng)面積326足夠大，便于拋光碎屑在元件304和308中水平輸送，而在輸送的碎屑和晶片之間仍提供垂直距離。
圖3所示拋光紋理300說明了本發(fā)明包括敞開的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，單獨(dú)的元件呈從完全水平到完全垂直的所有角度。此外，本發(fā)明包括完全無規(guī)的互連纖細(xì)元件的陣列，其中，沒有明顯重復(fù)的大小或形狀的空隙，或者其中許多元件高度彎曲，分支或者相糾纏。本發(fā)明范圍內(nèi)的拋光墊微結(jié)構(gòu)常見的圖像是橋桁架、大分子的球棍模型以及互連的人類神經(jīng)細(xì)胞。在各種情況下，所述結(jié)構(gòu)必須具有相同的關(guān)鍵特征，即三維結(jié)構(gòu)中存在足夠的互連，以強(qiáng)化整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；來自上表面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在水平面上的磨損產(chǎn)生具有局部未束縛末端的纖細(xì)元件，提供在短長度上對(duì)工件的順應(yīng)性；以及元件的敞開空隙以及長寬比符合以上給出的幾何學(xué)限制。
在圖4中顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施方式，并由具有規(guī)則間距的互連四面體晶格的拋光層402。所有元件404和408顯示為長度和寬度相同，并在接合處409連結(jié)，雖然并不一定要如此。在所示實(shí)施方式中，所述單元是規(guī)則的四面體，其中，各面(4個(gè))是等邊三角形，其側(cè)面是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的螺距418，且實(shí)心件的寬度410僅沿空間單元的四個(gè)邊緣，各三角形面和空間單元的中心整個(gè)是空的。由于四面體晶格的對(duì)稱性，圖4所示側(cè)橫截面和平面圖形成相同的網(wǎng)狀圖案。這種拋光紋理提供最高可能性的牢固性，這是因?yàn)橛腥切蚊娴亩嗝骟w是不會(huì)變形的。當(dāng)所述結(jié)構(gòu)磨損時(shí)，自由末端在元件408上形成，提供局部可變形性以及對(duì)工件的順應(yīng)性。在圖4所示的實(shí)施方式中，四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建在稍微呈楔形的基層440上，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的平面都不精確地平行于與晶片接觸的平面。在某一時(shí)間的指定點(diǎn)處，僅元件406的子單元沿其最長的尺寸研磨，而大多數(shù)的接觸面由沿其較短尺寸研磨的元件的較小橫截面422提供。這使其接觸面在拋光紋理400的拋光層或拋光元件406與半高度415之間基本保持不變。在楔形基層440上，供漿液流體430的平均面積426稍微變化。為了使這種變化最小，基層440實(shí)際上進(jìn)行分級(jí)，使得重復(fù)的一系列楔形部分支撐所述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖4所示結(jié)構(gòu)約為1個(gè)重復(fù)單元。類似于圖2A所示的墊，粘合劑層445將基層440固定到任選的次墊片450上，并任選地包括端點(diǎn)裝置470。
本發(fā)明提供了解除接觸機(jī)理與流體機(jī)理之間關(guān)聯(lián)作用的優(yōu)勢(shì)。具體的是，它在該墊中提供有效地流體流動(dòng)，便于容易除去拋光碎屑。此外，它允許調(diào)整拋光元件的牢固性、高度和螺距，以控制和基底的接觸機(jī)理。而且，所述拋光元件的形狀能減少或消除為延長拋光墊使用壽命而進(jìn)行的修整。最后，所述均一的橫截面允許拋光多個(gè)基底，如具有類似拋光特性的有圖案的晶片。
權(quán)利要求
1.一種用于在拋光介質(zhì)存在下拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中至少一種的拋光墊，所述拋光墊包括a)互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述互連單元是網(wǎng)狀的，便于流體流動(dòng)，并除去拋光碎屑；b)形成互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的許多拋光元件，所述互連單元的高度至少為三個(gè)單元，所述拋光元件具有在第一接合處連接到第一相鄰拋光元件的第一末端，和在第二接合處連接到第二相鄰拋光元件的第二末端，并且在第一和第二接合處之間具有30％以內(nèi)的橫截面積；和c)由多個(gè)拋光元件形成的拋光表面，在平行于拋光表面的平面上測(cè)得的所述拋光表面的表面積與多次拋光操作保持一致。
2.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述多個(gè)拋光元件占拋光墊體積的5-75％。
3.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，在起始橫截面總面積和互連單元的半高度之間，所述拋光表面的總橫截面積的變化小于25％。
4.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，在起始橫截面總面積和互連單元的半高度之間，所述拋光表面的總橫截面積的變化小于10％。
5.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述多個(gè)拋光元件的橫截面是矩形的。
6.如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，相對(duì)于所述多個(gè)拋光元件的橫截面中的流體流動(dòng)，所述多個(gè)拋光元件的橫截面呈流線型。
7.一種用于在拋光介質(zhì)存在下拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中至少一種的拋光墊，所述拋光墊包括a)互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述互連單元的高度至少為10個(gè)單元，所述互連單元形成線型拋光元件，并且所述互連單元是網(wǎng)狀的，便于流體流動(dòng)，并除去拋光碎屑；b)形成互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多個(gè)線型拋光元件，所述線型拋光元件具有在第一接合處連接到第一相鄰拋光元件的第一末端，和在第二接合處連接到第二相鄰拋光元件的第二末端，并且在第一和第二接合處之間具有30％以內(nèi)的橫截面積；和c)由多個(gè)拋光元件形成的拋光表面，在平行于拋光表面的平面上測(cè)得的所述拋光表面的表面積與多次拋光操作保持一致。
8.如權(quán)利要求7所述的拋光墊，其特征在于，在拋光過程中，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的線型元件在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拋光層處彎曲。
9.一種在拋光介質(zhì)存在下用拋光墊拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中至少一種的方法，所述方法包括以下步驟在拋光墊和基材之間形成動(dòng)態(tài)接觸，來拋光所述基材，所述拋光墊包括互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述互連單元是網(wǎng)狀的，便于流體流動(dòng)，并除去拋光碎屑；形成互連單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多個(gè)拋光元件，所述互連單元的高度至少為10個(gè)單元，所述拋光元件具有在第一接合處連接到第一相鄰拋光元件的第一末端，和在第二接合處連接到第二相鄰拋光元件的第二末端，并且在第一和第二接合處之間具有30％以內(nèi)的橫截面積；由多個(gè)拋光元件形成的拋光表面，在平行于拋光表面的平面上測(cè)得的所述拋光表面的表面積與多次拋光操作保持一致；并且捕集三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拋光元件中的拋光碎屑。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)接觸拋光一系列有圖案的半導(dǎo)體晶片。
全文摘要
拋光墊(104)用于在拋光介質(zhì)(120)存在下拋光磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材(112)中至少一種。拋光墊(104)包括互連單元(225)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；ミB單元(225)是網(wǎng)狀的，便于流體流動(dòng)和除去拋光碎屑。許多拋光元件(208，308和408)形成互連單元(225)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。拋光元件(208，308和408)具有在第一接合處(209，309和409)連接到第一相鄰拋光元件的第一末端，和在第二接合處(209，309和409)連接到第二相鄰拋光元件的第二末端，并在第一和第二接合處(209，309和409)之間的橫截面積為30％。由許多拋光元件(208，308和408)形成的拋光表面(200，300和400)與多次拋光操作保持一致。
文檔編號(hào)B24B29/00GK101024277SQ200710084080
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
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