專利名稱：半導(dǎo)體基材的拋光墊的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體基材、晶片、冶金樣品、存儲磁盤表面、光學(xué)元件、透鏡、晶片模板等的磨碎、研磨、成形和拋光的拋光墊。更具體地，本發(fā)明涉及半導(dǎo)體基材化學(xué)機械拋光中所用的拋光墊和其使用方法。
現(xiàn)有技術(shù)的討論半導(dǎo)體晶片一般包括諸如硅或砷化鎵晶片的基片，其上形成了許多集成電路。通過基材中圖形區(qū)及基片上的各層，以化學(xué)及物理方法，將集成電路連接到基材上。各層通常由具有導(dǎo)體、絕緣或半導(dǎo)體的性質(zhì)的材料制成。為了使設(shè)備具有高的產(chǎn)率，從平的半導(dǎo)體晶片開始是很重要的，從而，就經(jīng)常要求拋光半導(dǎo)體晶片。如果在不平的晶體表面進行設(shè)備制造的處理步驟，就可產(chǎn)生各種問題，這些問題會得到大量不宜加工的設(shè)備。例如，在制備現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路中，必須在預(yù)先形成的結(jié)構(gòu)上形成導(dǎo)線或類似結(jié)構(gòu)。然而，以前的表面成形經(jīng)常會產(chǎn)生晶片高度不規(guī)則的頂表面地勢，具有突出部分、不相等隆凸區(qū)域、槽、溝渠和其它類似形狀的表面不規(guī)則。必須對這些表面進行普遍的平面化來確保照相平版印刷品中聚焦的適當(dāng)深度、以及在后繼的制備過程中除去任何不規(guī)則的地方和表面缺陷。
雖然有幾個工藝保證晶片表面的平整性，但用化學(xué)機械平面化或拋光工藝的方法達到了在設(shè)備制備的各個階段廣泛進行晶片表面的平面化，以提高產(chǎn)率、性能和可靠性。通常，化學(xué)機械拋光“CMP”包括晶片在受控向下壓力下的圓周運動，其拋光墊用常規(guī)的、通常是化學(xué)活性的拋光漿料飽和。
可得的用于拋光應(yīng)用如CMP的一般拋光墊是用軟且硬的材料制備的，且可分成三組聚合物浸漬織物、微孔膜、和聚合物泡沫。例如，含有聚氨酯樹脂浸入聚酯無紡布的拋光墊是第一組的代表例。這些示于

圖1和2的拋光墊通常制備為制備連續(xù)卷或網(wǎng)輻的織物；用聚合物、通常是聚氮酯浸漬該織物；固化聚合物；并固化、切斷和擦光該拋光墊至所希望要的厚度和外側(cè)尺寸。
第二組的拋光墊示于圖3和4，并包括涂在基礎(chǔ)材料上的微孔聚氨酯膜，其基礎(chǔ)材料通常是第一組的浸漬織物。這些多孔膜由一系列垂直取向的封端圓柱形孔組成。
第三組的拋光墊是閉孔的聚合物泡沫，其具有隨機且均勻分布在所有三維空間中的大空隙率(bulk porosity)。這種拋光墊的一個例子示于圖5和6中。閉孔聚合物泡沫的體積孔隙率一般是不連續(xù)的，從而抑制了大量漿料的傳遞。在需要傳遞漿料的地方，人工對拋光墊處理，使其帶有溝、槽或孔以改善拋光期間側(cè)面漿料的傳遞。對這三大類拋光墊和其優(yōu)缺點的更詳細討論參見國際公開WO96/15887，其內(nèi)容引入本文作為參考。拋光墊的其它代表性例子描述于US專利4,728,552、4,841,680、4,927,432、4,954,141、5,020,283、5,197,999、5,212,910、5,297,364、5,394,655和5,489,233，上述每一個專利均全文引入本發(fā)明作為參考。
為了使CMP和其它拋光工藝能提供有效的平面化效果，漿料到拋光表面的輸送和分布變得很重要。對于許多拋光過程，特別是那些高旋轉(zhuǎn)速率或壓力下的操作，在拋光墊下不適當(dāng)?shù)臐{料流速可產(chǎn)生非均勻的拋光速率。結(jié)果，作了各種努力來改善漿料的輸送。例如，授予Cook等人的US專利5,489,233公開了使用大和小的流動通道以使?jié){料在固本拋光墊的整個表面輸送。授予Shamouillian等人的US專利5,533,923公開了一種設(shè)計成包括導(dǎo)管的拋光墊，該導(dǎo)管通過至少一部分拋光墊以讓拋光漿料流動。類似地，授予Breivogel等人的US專利5,554,064公開了一種拋光墊，其包括隔開的分離孔以在整個拋光墊的表面分布漿料。另外，授予Runnels等人的US專利5,562,530公開了脈沖受力的體系，其讓支持晶片的向下的力在最小(即漿料流入晶片和拋光墊之間的空間中)和最大值(即擠出的漿料使拋光墊進行研磨以磨蝕晶片表面)之間周期性變化作用在拋光墊上。US專利5,489,233,5,533,923,5,554,064和5,562,530，每一個引入本文作為參考。
雖然已知的拋光漿料適宜于其預(yù)定的用途，但仍需有改善的拋光墊，其在IC基材、特別是使用CMP方法中提供有效的平面化作用。另外，也需要拋光墊具有提高的拋光效率(即提高的除去速率)、改善的漿料輸送性(即漿料在整個拋光墊上的所有方向上有高而均勻的滲透性)、提高的耐蝕刻劑的腐蝕性、和在基材上的定位均勻性。還需要拋光墊通過多個拋光墊調(diào)節(jié)方法后可以進行調(diào)節(jié)，并且必須更換以前可再次調(diào)節(jié)多次。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種拋光墊，其包括具有燒結(jié)合成樹脂顆粒的開孔、多孔基材。該多孔基材的特征在于具有毛細通道的均勻、連續(xù)且彎曲的、互通網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明還涉及一種拋光墊，其具有頂表面和底表面、其是開孔的、其在底表面具有表層但在頂表面沒有表層，其中在整個拋光墊中孔是連通的，直到孔從頂表面連到底表面的表層。
本發(fā)明還涉及一種在水、酸或堿存在下不溶脹的拋光墊，其中可使該拋光墊的頂表面容易潤濕。
另外，本發(fā)明是一種具有實質(zhì)不透拋光漿料的底表面的拋光墊。
另外，本發(fā)明涉及是一種拋光墊，其具有能高速且低非均勻性拋光IC晶片的平均孔隙直徑。
本發(fā)明也涉及具有改善的墊/粘合劑界面的拋光墊。
本發(fā)明的拋光墊可用于各種拋光用途，特別是化學(xué)機械拋光應(yīng)用，并提供具有最小刮痕和缺陷的高效拋光。不同于常規(guī)的拋光墊，本發(fā)明的拋光墊可用在各種拋光平臺，對于特定的用途?？纱_保受控的漿料流動，并提供可定量的分配從而直接影響拋光性能和控制半導(dǎo)體制備過程。
具體地，本發(fā)明的拋光墊和常規(guī)拋光漿料和設(shè)備一起可用于IC制造的各個階段。該拋光墊提供了保持漿料在拋光墊表面均勻流動的一個措施。
在一個實施方案中，本發(fā)明是一個拋光墊基材。該拋光墊基材包括熱塑性樹脂的燒結(jié)顆粒。拋光墊基材具有頂表面和底表面表層，拋光墊頂表面的平均不磨面粗糙度大于拋光墊表層的平均不磨面粗糙度。
在另一個實施方案中，本發(fā)明是燒結(jié)的聚氨酯樹脂拋光墊，具有頂表面、帶有表層的底表面、厚度為30-125密耳、密度為0.60-0.95gm/cm3，孔隙容積為15-70％，平均頂表面粗糙度為1-50微米，底表面表層粗糙度低于20微米，其中底表面表層的平均粗糙度小于頂表面的平均表面粗糙度。
在另一實施方案中，本發(fā)明是一個拋光墊。該拋光墊包括含熱塑性樹脂燒結(jié)顆粒的拋光墊。該拋光墊基材具有頂表面和底表面表層，拋光墊頂表面的平均不磨面粗糙度大于拋光墊底表面的平均不磨面粗糙度。該拋光墊還包括襯墊層、和位于襯墊層和底表面表層之間的粘合劑。
附圖簡介圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的商購聚合物浸漬拋光墊的頂視掃描電子顯微鏡圖(SEM)(100倍)。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的商購聚合物浸漬拋光墊的剖視掃描電子顯微鏡圖(100倍)。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的商購微孔膜型拋光墊的頂視掃描電子顯微鏡圖(100倍)。
圖4是現(xiàn)有技術(shù)中的商購微孔膜型拋光墊的剖視掃描電子顯微鏡圖(100倍)。
圖5是現(xiàn)有技術(shù)中的商購聚合物泡沫型拋光墊的頂視掃描電子顯微鏡圖((100倍)。
圖6是現(xiàn)有技術(shù)中的商購聚合物泡沫型拋光墊的剖視掃描電子顯微鏡圖(100倍)。
圖7是用模制法制備的具有12-14密耳的聚氨酯樹脂球的燒結(jié)熱塑性樹脂拋光墊的頂視掃描電子顯微鏡圖(35倍)。
圖8是圖7的拋光墊的剖視掃描電子顯微鏡圖(35倍)。
圖9是本發(fā)明另一實施方案的拋光墊的頂視掃描電子顯微鏡圖(100倍)。
圖10是本發(fā)明燒結(jié)拋光墊的剖視掃描電子顯微鏡圖，該拋光墊用粒徑為約200目至約100目的聚氨酯樹脂通過模制燒結(jié)法制備的拋光墊。該拋光墊的頂部示于顯微圖的上方，拋光墊的底表層部分在SEM顯微圖的底部取向。該SEM放大60倍。
圖11是本發(fā)明燒結(jié)聚氨酯樹脂拋光墊的剖視掃描電子顯微鏡圖，該拋光墊用粒徑低于200目至大于50目的聚氨酯顆粒通過帶式燒結(jié)法制備的拋光墊。該SEM放大50倍。
圖12A和12B是本發(fā)明的其頂表面磨面的燒結(jié)聚氨酯熱塑性拋光墊的頂部的側(cè)剖視掃描電子顯微鏡圖。該SEM放大150倍。示于圖12A和12B的拋光墊都是用粒徑低于200目至大于50目的聚氨酯顆粒通過帶式燒結(jié)法制備的。拋光墊的表面用寬帶砂用低于100微米的粗砂石聚酯襯墊的研磨帶磨面。
圖13A和13B是本發(fā)明燒結(jié)聚氨酯樹脂拋光墊的頂面和底面的俯視掃描電子顯微鏡圖，該拋光墊用粒徑200目至100目的聚氨酯顆粒通過模制燒結(jié)法制備的拋光墊。
圖14是表示燒結(jié)聚氨酯拋光墊的平均孔徑對拋光后鎢晶片均勻性的影響的圖，其中X軸是拋光墊的平均孔徑，以微米表示；Y軸表示鎢晶片在晶片中的非均勻性(WIWNU)，以％表示。
圖15是表示鎢晶片除去速率相對幾個具有不同孔徑的燒結(jié)聚氨酯拋光墊的圖，其中X軸表示拋光墊的平均孔徑，以微米表示；Y軸表示鎢的除去速率，以埃/分表示。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種拋光墊，其包括具有燒結(jié)合成樹脂顆粒的開孔、多孔基材。該基材孔的特征在于具有毛細通道的均勻、連續(xù)且彎曲的、互通網(wǎng)絡(luò)。“連續(xù)”是指孔在除了底表面的整個拋光墊中互相連接，在底表面中在低壓燒結(jié)過程中形成了實質(zhì)上不透的底表層。該多孔拋光墊基材是微孔的，即孔很小，使得只能借助于顯微鏡才可以看見。另外，孔分布在整個拋光墊的各個方向上，如圖7-13所示。另外，拋光墊的頂表面容易潤濕，并且當(dāng)由優(yōu)選的熱塑性聚氨酯制備時，該拋光墊在水、酸或堿的存在下不溶脹。還優(yōu)選拋光墊由單一的材料制成使得其組成均勻，并且還不應(yīng)包括未反應(yīng)的熱塑性前體化合物。
本發(fā)明的拋光墊基材用熱塑性燒結(jié)法制備，該方法施加超過常壓很小或不施加壓力，以得到所希望的基材的孔徑、孔隙率、密度和厚度。術(shù)語“很小或不施加壓力”指的是小于或等于90磅/平方英寸(psi)，優(yōu)選小于或等于10psi。最優(yōu)選熱塑性樹脂在實質(zhì)上是常壓的條件下燒結(jié)。雖然取決于所用的合成樹脂的種類和尺寸，但拋光墊基材的平均孔徑可為1μm-1000μm。具體地，拋光墊基材的平均孔徑為約5-150μm。另外，發(fā)現(xiàn)孔隙率，即孔隙容積，為約15至約70％，優(yōu)選25％-50％，可得到在使用中具有必要的柔韌性和耐久性的可接受拋光墊。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)平均孔徑為約5微米-約100微米、最優(yōu)選約10微米-約70微米的燒結(jié)聚氨酯在拋光IC晶片中性能優(yōu)良，并使拋光后的晶片具有非常小的表面缺陷。一個重要的拋光晶片表面非均勻性性能參數(shù)是晶片中的非均勻性(“WIWNU”)。鎢晶片中的WIWNU用百分數(shù)表示。其計算方法是把除去速率的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以晶片的平均除去速率，然后把商乘以100。在沿著具有3mm除外邊緣的晶片直徑上的49點處測定除去速率。用KLA-Tencor制造的Tencor RS75進行該測試。具有約5微米至約100微米的平均孔徑的本發(fā)明燒結(jié)拋光墊能拋光鎢晶片，得到鎢WIWNU小于約10％、優(yōu)選小于約5％、最優(yōu)選小于約3％的拋光晶片。
術(shù)語“鎢WIWNU”指的是用Aurora,Illinois的Cabot Corp.制備的Semi-Sperse漿料、用IPEC/gaard 676/1 Oracle機、用本發(fā)明拋光墊拋光1分鐘的鎢片材或覆蓋片材的WIWNU。機器的操作條件是4psi向下的力、軌道速率為280ppm、漿料流速為130mL/分，δP為0.1psi，邊緣間隙為0.93英寸。
本發(fā)明燒結(jié)拋光墊的另一個重要參數(shù)是波浪度。波浪度(Wt)是測量表面波浪的溝槽深度的最大峰。波浪峰與溝槽間的距離大于單個峰與用來測定表面粗糙度的溝槽之間的距離。因此，波浪度是測量本發(fā)明拋光墊的表面輪廓的均勻性。優(yōu)選本發(fā)明的拋光墊的表面波浪度小于約100微米，最優(yōu)選小于約35微米。
在本發(fā)明中可使用多種常規(guī)熱塑性樹脂，只要該樹脂可用燒結(jié)法形成開孔基材?？捎玫臒崴苄詷渲ㄈ?，聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龍、氟烴、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯等和其混合物。具體地，該樹脂是天然親水的或通過加入表面活性劑、分散助劑或其它措施可呈親水性。優(yōu)選所用的熱塑性樹脂實質(zhì)上由熱塑性聚氨酯樹脂組成。優(yōu)選的熱塑性聚氨酯是由Bayer Corporation制備的Texin熱塑性聚氨酯。優(yōu)選所用的Texin熱塑性聚氨酯是Texin 970u和Texin 950u。
在燒結(jié)前用特定粒徑(如超細、細、中等粒徑、粗等)和形狀(如不規(guī)則狀、球形、圓形、片狀、或其混合物和組合)的熱塑性樹脂顆粒是改變聚合物基質(zhì)性能的有用方法。當(dāng)熱塑性樹脂顆粒大時，可用適宜的降低粒徑的工藝如機械研磨、噴磨、球磨、篩分、分級等來把這些顆粒研磨成所要粒徑的粉末。當(dāng)使用熱塑性樹脂的共混物時，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)懂得可調(diào)節(jié)共混物中各組分的比例來得到成品中所希望要的孔結(jié)構(gòu)。例如，可使用高百分數(shù)的第一組分來制備具有較小孔徑的產(chǎn)品。用商購的混合器、共混機和類似設(shè)備可進行各樹脂組分的共混。
為了得到所要的拋光墊的物理性能，燒結(jié)法中所用的熱塑性樹脂的粒徑應(yīng)約小于50至大于200目，更優(yōu)選小于80至大于200目。最優(yōu)選實質(zhì)上所有的熱塑性顆粒的粒徑都小于100目至大于200目?！皩嵸|(zhì)上所有”是指95％重量的熱塑性樹脂顆粒在這一粒徑范圍內(nèi)，最優(yōu)選99％或更多的熱塑性樹脂顆粒在這一最優(yōu)選的粒徑范圍內(nèi)。
在一個實施方案中，當(dāng)希望要低密度、低剛度的基材時，選擇的合成樹脂顆粒應(yīng)是形狀高不規(guī)則的。認為使用不規(guī)則顆粒防止顆粒壓緊在一起，從而在多孔基材中提供了高空隙容積，例如30％或更大。在另一實施方案中，當(dāng)希望要高密度、較硬的拋光墊時，熱塑性樹脂顆粒應(yīng)盡可能其形狀接近于球形。在一個優(yōu)選的實施方案中，合成樹脂顆粒的整體(bulk)肖氏D硬度為40-90。
發(fā)現(xiàn)用熱塑性樹脂顆粒通過燒結(jié)法制備的本發(fā)明拋光墊/基材在CMP處理中提供了高效的漿料控制和分配、高效的拋光速率和質(zhì)量(即低缺陷和刮痕)。在一個優(yōu)選的實施方案中，合成樹脂顆粒是不規(guī)則或球狀并且其整體肖氏D硬度為45-75的聚氨酯熱塑性樹脂顆粒。由這些顆粒制備的拋光墊基材一般的肖氏D硬度為55-約98，優(yōu)選85-95。發(fā)現(xiàn)該拋光墊基材具有可接受的CMP拋光速率和集成電路晶片表面性能。
還發(fā)現(xiàn)在拋光墊結(jié)構(gòu)和提供一致且可接受的除去速率同時拋光墊產(chǎn)生的缺陷和刮痕最少的能力之間有一種內(nèi)在的聯(lián)系。這種聯(lián)系對垂直流動的滲透性和仍留在拋光墊上的拋光漿料量(由動態(tài)漿料容量測試測定，其方法示于實施1中)是很重要的。流動滲透性由流過拋光墊的拋光漿料的量來表示，其也由實施例1所示的方法進行測定。
本發(fā)明的拋光墊可用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的常規(guī)燒結(jié)工藝用連續(xù)帶式或封閉模制法加以制備。這樣的一種封閉模制法描述于US專利4,708,839中，其引入本文作為參考。使用封閉模制法，把熱塑性樹脂，如具有所要粒徑(如篩分后的篩目尺寸)和低于80目至大于200目的優(yōu)選粒徑的熱塑性聚氨酯，以所要的量加入到預(yù)成形成兩片的模腔中的底部。在加入模具之前，熱塑性樹脂可非必要地與粉末表面活性劑混合或共混，以提高樹脂的自由流動性。把模具封上、然后振動以使樹脂均勻分散在整個模腔中。然后把模腔加熱來把顆粒燒結(jié)在一起。燒結(jié)顆粒的熱循環(huán)包括在預(yù)定時間內(nèi)均勻加熱模具最高至預(yù)定溫度，把模具在設(shè)定的溫度下保持另外預(yù)定的時間，然后在另外的預(yù)定的時間內(nèi)冷卻模具至室溫。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)懂得可改變熱循環(huán)來適應(yīng)材料和模具的變化。另外，可用各種方法加熱模具，包括微波法、電或蒸汽加熱的熱空氣爐、加熱或冷卻的壓盤等。燒結(jié)后，冷卻模具，并把燒結(jié)的拋光墊基材從模具中取出。熱循環(huán)的有控制的改變可用來改變孔結(jié)構(gòu)(粒徑和孔隙率)、燒結(jié)度、和其它成品拋光墊基材的其它物理性能。
制備本發(fā)明的燒結(jié)拋光墊基材的優(yōu)選方法可根椐所要的拋光墊基材的尺寸和物理性能而改變。為了介紹優(yōu)選的燒結(jié)條件，把拋光墊基材分成兩個尺寸“大拋光墊”和“小拋光墊”。術(shù)語“大拋光墊”指的是外徑大于12英寸、且最大至24英寸的拋光墊基材。術(shù)語“小拋光墊”指的是外徑為12英寸或更小的拋光墊基材。
本發(fā)明的所有拋光墊均是用熱塑性樹脂組合物制備的。用來制備本發(fā)明拋光墊基材的燒結(jié)法將在下面的用優(yōu)選的熱塑性聚氨酯的燒結(jié)法中加以介紹。
如聚氨酯的熱塑性樹脂通常以粒料加以提供。優(yōu)選提供的熱塑性聚氨酯一般為的粒徑約1/8英寸至約3/16英寸。在拋光墊制備前，把聚氨酯樹脂研磨、并優(yōu)選冷研磨至平均粒徑小于50目至大于200目，優(yōu)選粒徑小于約80目至大于200目。當(dāng)?shù)玫剿降臒崴苄跃郯滨r，顆粒可通過干燥、拋光或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的任何其它方法來進一步加工。
優(yōu)選把分級后的聚氨酯樹脂顆粒干燥，直到含有低于1.0％的水份，并優(yōu)選直至含有低于約0.05％重量的水份，之后燒結(jié)制備大和小的拋光墊基材。在制備大拋光墊時，還優(yōu)選把研磨的顆粒進行拋光以除去鋒利的邊，從而減少孔容積并增加燒結(jié)拋光墊基材的密度。
如上所述，用標(biāo)準(zhǔn)熱塑性燒結(jié)設(shè)備制備本發(fā)明的拋光墊。所得的拋光墊的尺寸取決于模具的尺寸。典型的模具是由不銹鋼或鋁制備的兩片模具，其具有正方或矩形模腔，尺寸為約6-36英寸長和寬，并優(yōu)選約12或約24英寸長和寬。通過把稱量過的分級后的顆粒狀聚氨酯彈性體加入到模具中來開始模制燒結(jié)法。然后把模具封閉、螺栓接合在一起、并振動約15秒至2分鐘或更長以除去聚氨酯彈性體顆粒之間的任何空隙。模具振動時間隨模具尺寸的增加而延長。因此，預(yù)計12英寸的模具振動約15秒至約45秒，而大的24英寸的模具振動約60秒至約2分鐘或更長。模具優(yōu)選在其邊上振動以確保粒狀聚合物材料在模腔內(nèi)適當(dāng)填實。
然后在所要的溫度下加熱加料并振動后的模具一段足以制備合適的燒結(jié)拋光墊基材的時間。模具應(yīng)加熱至熱塑性樹脂玻璃轉(zhuǎn)變溫度之上的溫度至接近且可能稍超過熱塑性樹脂的熔點的溫度。優(yōu)選把模具加熱至所用的熱塑性樹脂的熔點之下20°F至之上20°F。最優(yōu)選在燒結(jié)過程中應(yīng)把模具加熱到所用熱塑性樹脂的熔點之下20°F至約等于該熔點的溫度。
當(dāng)然，實際的溫度選擇取決于所用的熱塑性樹脂。例如，對于Texin970u，模具應(yīng)加熱并保持在約372°F-約412°F溫度內(nèi)、優(yōu)選在約385°F-約392°F內(nèi)。還優(yōu)選在常壓下燒結(jié)本發(fā)明制備的拋光墊。換句話說，不需使用氣態(tài)或機械方法增加模腔內(nèi)的壓力來提高燒結(jié)熱塑性產(chǎn)品的密度。
模具應(yīng)在水平位上加熱以讓在燒結(jié)中在拋光墊基材的底表面上形成表層。模具不應(yīng)立即加熱至所要的溫度，而應(yīng)在約3-10分鐘或更長、優(yōu)選從開始加熱過程起約4-8分鐘內(nèi)的一個短時間內(nèi)達到所要的溫度。然后把模具保持在目標(biāo)溫度下約5-約30分鐘或更長，優(yōu)選約10-約20分鐘。
當(dāng)完成加熱步驟時，在約2分鐘至10分鐘或更長的時間內(nèi)穩(wěn)定地把模具溫度降低到約70°F至120°F。然后讓模具冷卻至室溫，這時從模具中取出得到的拋光燒結(jié)墊的基材。
本發(fā)明的燒結(jié)拋光墊可另外地用帶線(velt line)燒結(jié)法制備。該方法介紹于US專利3,835,212中，其內(nèi)容引入本文作為參考。通常，當(dāng)拋光墊基材的尺寸越大時，越來越困難振動模具以制備具有感人的均勻視覺性能的拋光墊基材。因此，優(yōu)選帶線燒結(jié)法來制備本發(fā)明較大的拋光墊基材。
在帶線燒結(jié)法中，均勻地把適當(dāng)分級和干燥的熱塑性顆粒加到平滑的鋼帶上，該鋼帶被加熱至熱塑性樹脂熔點溫度之上約40°F至80°F。粒末在板上是自由的，并把支承該板的帶子以一設(shè)定的速率拖過對流爐，該速率讓聚合物暴露于目標(biāo)溫度下約5分鐘至約25分鐘或更多，優(yōu)選約5至15分鐘。得到的燒結(jié)聚合物片材快速冷卻至室溫，并優(yōu)選從爐中取出后在約2至7分鐘內(nèi)達到室溫。
另外，本發(fā)明的燒結(jié)拋光墊可以連續(xù)封閉模制法制備。這種連續(xù)封閉模制熱塑性樹脂燒結(jié)法使用一個把得到的拋光墊的頂和底表面封閉在一起但不封閉生成的墊邊緣的模具。
下表1概述了用上述燒結(jié)法制備的本發(fā)明燒結(jié)拋光墊基材的物理性能。
表1
*用手提的表面光度儀測定本發(fā)明的燒結(jié)拋光墊基材具有未磨面的開孔頂表面和底表面表層。底表面表層孔隙較少，從而比未磨面的頂表面光滑(不如其粗糙)。優(yōu)選拋光墊底表面表層的表面孔隙率(即開孔面積與未磨面頂墊表面上燒結(jié)墊的內(nèi)部之比)比未磨面墊光墊頂表面孔隙率至少低25％。更優(yōu)選拋光墊底表面表層的表面孔隙率比墊光墊頂表面孔隙率至少低50％。最優(yōu)選拋光墊底表面表層實質(zhì)上沒有表面孔隙率，即低于10％面積的拋光墊底表面表層由開孔或延伸到拋光墊基材的內(nèi)部的孔組成。
拋光墊底表面表層生成在燒結(jié)過程中并出現(xiàn)在聚氨酯彈性體和底部模具表面接觸之處。表層的形成是可能是由于在模具表面有更高的局部燒結(jié)溫度和/或由于燒結(jié)顆粒的重力的影響或這兩種因素造成的。圖10-12是本發(fā)明拋光墊橫截面SEM圖，其每一種都包括實質(zhì)上封孔的底表面表層。
本發(fā)明為包括底表面表層的的拋光墊基材，并且也是其中除去了底表面表層的的拋光墊基材。包括底表面表層的的拋光墊基材可用于半導(dǎo)體制造，得到其底表面實質(zhì)上是不透拋光液的拋光墊。
可通過把粘合劑層層壓在拋光墊基材的底表面表層上，來把本發(fā)明拋光墊基材制備成可用的拋光墊。層壓品優(yōu)選包括粘合劑和可除去的襯墊。當(dāng)拋光墊與粘合劑層壓品相連時，暴露出墊的頂表面，粘合劑層與墊底表面表層相連，并且粘合劑把襯墊材料與墊底表面表層上分開。襯墊材料可是用于與粘合劑層壓品共同使用的任何種類的阻擋層，包括聚合物片材、紙、聚合物涂布紙、和其組合。最優(yōu)選該層壓品由粘合劑層覆蓋的襯墊材料、接著是Mylar膜(其依次由第二粘合劑覆蓋)所組成。第二粘合劑層鄰接拋光墊底表面表層。最優(yōu)選的層壓品是由3M Corporation制備的444PC或443PC。
通過除去防護紙層暴露粘合劑來使用拋光墊。之后，通過讓暴露的粘合劑與拋光劑臺或板的表面相連來把拋光墊連接到拋光機上。磨面或未磨面拋光墊底表面的低表面孔隙率抑制了拋光漿料和其它液體從墊光墊中滲出并阻止其與粘合劑層接觸，從而使拋光墊和拋光機表面間的粘接的破壞最小。
本發(fā)明的拋光墊可通過用或不用亞墊來與拋光機相連。亞拋光墊通常與拋光墊相連以提高拋光墊與正在進行CMP的集成電路晶片之間接觸的均勻性。若使用亞拋光墊，其位于拋光墊桌與拋光墊之間。
使用前，燒結(jié)拋光墊可經(jīng)受另外的轉(zhuǎn)化和/或處理步驟，例如包括對基材的一個或兩個表面進行平整化、嚴格清洗以除去污物、脫表層、紋理化、和其它本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的完成和處理拋光墊的工藝。例如，可對拋光墊進行改性以包括至少一個肉眼可見的特征如溝、孔、槽、紋理、和邊緣形狀。另外，拋光墊還可包括磨料如氧化鋁、二氧化鈰、二氧化鍺、氧化硅、氧化鈦、氧化鋯、和其混合物，以改善機械作用和除去效率。
優(yōu)選小的拋光墊基材包括沿著頂表面以方格圖案或其它圖案取向的溝，彼此隔開約1/8-3/4英寸、優(yōu)選1/4英寸。另外，溝的深度應(yīng)等于拋光墊基材深度的約一半，寬度約20-35密耳，優(yōu)選約25密耳。由本發(fā)明大拋光墊基材制備拋光墊可非必要地用槽、孔等進行改性。
使用前，一般對頂拋光墊表面磨面以使拋光墊更易吸收拋光漿料。拋光墊可以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何方法進行磨面。在一個優(yōu)選的磨面的方法中，本發(fā)明的拋光墊可用砂帶磨光機(belfsander)進行機械磨面，該砂帶磨光機具有25或約100微米、優(yōu)選約60微米粒徑的粗砂石，得到表面粗糙度(Ra)低于20μ、優(yōu)選約2-約12μm的拋光墊。表面粗糙度Ra定義為粗糙度分布(roughness profile)的絕對偏差的算術(shù)平均。
通常粘合劑層壓之前在拋光墊基材上對拋光墊頂表面進行磨面。磨面后，清理拋光墊的碎屑，并把底表面(非拋光表面)加熱、電暈等處理，之后把拋光墊底面層壓至壓敏粘合劑層壓品上。然后把粘合劑層壓的拋光墊立即用于拋光機或接著如上所述對其開槽或加圖案，如果其還沒有被改性的話。當(dāng)完成開槽和/或加圖案時，如果進行任何一種的話，該墊立即再次清洗除掉碎屑并包裝在干凈的袋如塑料袋中準(zhǔn)備以后使用。
希望在把粘合劑施在墊底表面之前對底表層進行機械磨面。磨面底表面表層改善了粘合劑對墊的粘合，從而相對于未磨面表層的墊顯著改善了墊/粘合劑的剝離強度。底表面磨面可通過任何能擾亂墊底表面完整性的方法來進行?？捎玫哪ッ鏅C的例子包括有硬豬鬃的刷子、打磨器和砂帶磨光機，優(yōu)選砂帶磨光機。若用砂帶磨光機來打磨墊底表面，則在砂中所用的紙的砂礫為約100微米。另外，墊底表面可磨面一次或多次。在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明的包括磨面底表面的燒結(jié)拋光墊的底磨面表面孔隙率小于墊頂表面的表面孔隙率。
磨面后，用刷/真空設(shè)備對磨面的墊頂表面和底表面都進行清理。真空后，抽真空的表面用壓縮空氣吹掃以從磨過的表面上除去大多數(shù)留下的顆粒。
在使用之前，一般通過把CMP漿料施用在墊上、然后把該墊暴露于拋光條件下磨合CMP拋光墊，之后立即使用。可用的拋光墊磨合(break-in)法的例子介紹于US專利5,611,943和5,216,843中，其內(nèi)容引入本文作為參考。
本發(fā)明還涉及拋光制品表面的方法，包括如下步驟在拋光漿料存在下把本發(fā)明的至少一個拋光墊與制品表面接觸，通過相對于所說的表面移動所說的墊來，或者相對于該墊移動制品平臺，來除去所述表面的所要部分。本發(fā)明的拋光墊可與常規(guī)拋光漿料和設(shè)備一起用于IC制造的各個階段。拋光優(yōu)選按標(biāo)準(zhǔn)工藝、特別是CMP的工藝來進行。另外，可使拋光墊適宜拋光各種表面，包括金屬層、氧化物層、剛或硬的層、陶瓷層等。
如上所述，本發(fā)明的拋光墊可用于各種拋光應(yīng)用，特別是化學(xué)機械拋光，從而提供了具有最少刮痕和缺陷的高效拋光。作為常規(guī)拋光的替代方法，本發(fā)明的拋光墊可用于各種拋光平臺，確?？煽刂频臐{料流動性；并提供可定量的分配，從而對特定用途可直接影響拋光性能控制制造過程。
為了舉例和說明，前面對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案作了說明。但并不想排他的或限制本發(fā)明至公開的確切形式，根椐上述教導(dǎo)可進行各種改變或變化，或從實施本發(fā)明中可得到各種改變或變化。選擇和介紹實施方案是為了解釋本發(fā)明的原理和其實際應(yīng)用，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能在各種實施方案中使用本發(fā)明，并使各種改變使宜預(yù)定的特殊用途。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求和其等同物來加以限定。
實施例用下列方法測定所有實施例的拋光墊性能。
垂直流動滲透性用購自fischer Corporation的真空過濾儀測定通過拋光墊的漿料流動速率。該儀器由上貯液箱、連到真空管的短管、和收集液體即漿料的下貯液箱組成，并在無任何真空下使用。上和下貯液箱的直徑為3.55英寸。在上貯液箱底表面的中部打一個3/8英寸的孔。為了測定漿料流速，把直徑為3.5英寸的拋光墊基材置于下貯液箱的底部，并把一個O形環(huán)放在拋光墊和上貯液壁之間。然后把一個兩端開口的圓柱形塑料容器緊緊放在拋光墊的頂部以防止任何液體從墊表面四周滲出。以25g/s的速率在4秒內(nèi)把約100g的液體倒入圓柱形容器中。對下貯液箱收集到的液體量進行稱重。收集到液體的重量除以時間(300秒)計算出漿料流速。
動態(tài)漿料容量測試拋光墊基材拋光漿料容量測試由動態(tài)漿料容量測試來進行，其包括把直徑為3.5英寸的拋光墊放在直徑為3.4英寸的貯液杯中。把墊和貯液杯放在大的開口容器的中部，把開口的大容器接著放在HyprezⅡ拋光器(由Engis Corporation)的平臺的頂部。為了測定留在拋光墊上的漿料，用蠕動泵以變化的流動速率、在其中部把液體分配在以預(yù)定的速率旋轉(zhuǎn)的拋光墊的頂表面上?！傲魍?flow through)”用實際上透過拋光墊的液體量來測定。“在墊上的流動(flow over the pad)”是在整個墊上流動并收集在大的開口容器中的液體量?！傲粼趬|上的漿料量”通過加入漿料后墊的重量除以加入漿料前墊的重量來加以計算。
孔徑測量用標(biāo)尺或水銀孔徑儀測量孔徑。
肖氏D和肖氏A測量根椐ASTM No.D2240所述方法測量肖氏D和肖氏A硬度。
漿料容量法漿料容量法包括把1×4英寸的拋光墊基材樣品浸入室溫(25℃)下的CMP漿料浴中12小時。把墊樣品預(yù)稱重量干燥，之后放入漿量中。12小時后從漿料中取出墊樣品，并在漿的表面吸掉過量的漿量。然后把墊樣品再次稱重以測定墊的濕重。濕重和千重之差除以千重得到每個墊樣品的漿料容量。漿料容量值剩以100得到百分漿料容量數(shù)。
實施例1把具有變化本體肖氏D硬度和變化篩目尺寸的商購聚氨酯材料樣品冷凍至發(fā)脆，并低溫研磨至顆粒，然后篩選分類為細篩目尺寸(F)和中等篩目尺寸(M)。后來篩分為粗篩目尺寸(C)的Texin聚氨酯不研磨。研磨步驟制備不規(guī)則、球形、或基本上平面狀的粉末。細篩目尺寸的特征在于其篩目尺寸細于100目，中等篩目尺寸(M)顆粒定義為細于50目、粗于100目，而粗篩目尺寸材料的特征在于篩目尺寸粗于50目。肖氏硬度為70的聚氨酯為Texin970u，肖氏硬度為50的聚氨酯為Texin 950u。
把篩過的粉末放在兩片模具的底部。模具底部粉末的量不嚴格要求，但要足以完全覆蓋模腔底部。然后振動模腔以在整個底表面上均勻分散粉末，并確保模腔的完全覆蓋。然后用常規(guī)燒結(jié)法加熱模具，一般至Texin玻璃轉(zhuǎn)變溫度(約32°F)以上的溫度，但低于聚氨酯的熔點(約392°F)，來燒結(jié)顆粒。對每一批熱塑性樹脂單獨測定實際的燒結(jié)條件，因為批與批之間Tg和熔點是變化的。燒結(jié)后，冷卻模具并從模具中取出多孔基材來進一步加工和轉(zhuǎn)換為拋光墊。該基材具有從模具底表面形成底表面表層，任意變化的平均孔徑和肖氏硬度值。
把多孔基材切成直徑為12英寸的圓環(huán)拋光墊。平均墊厚度約為0.061英寸。墊頂表面用商購的150微米粗砂石顆粒帶的手砂紙打磨，以確保頂墊表面平行底表面。然后用150粗砂石Al2O3常規(guī)環(huán)形手砂紙對墊底表面脫表層以改善潤濕性。墊的底表面連到貯液箱的邊緣，該貯液箱捕集通過墊的漿料，其具有3M Brand 444PC粘合劑的1/8英寸帶。在各種漿料流速下用實施例引言中介紹的方法測定垂直流動滲透性和留在墊上的拋光漿料量。測試結(jié)果和其它拋光墊性能列于下表2。
表2
如表2所示，各種本體肖氏硬度D和篩目尺寸的合成樹脂可用來產(chǎn)生可用的拋光墊基材。根椐特定的拋光平臺來改變拋光墊的性能、拋光晶片/基材、和使用各種拋光漿料是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，應(yīng)認識到另外一些宏觀性能如開孔、溝或槽可能是得到具有所要流動滲透性拋光墊所必須的。
使用Struers Roto-Force 3 Table-Top Polisher(購自于Struers Division,Radiomer America Inc.,Westlake,Ohio)、用拋光墊樣2和3進行初步拋光研究來模似實際的工業(yè)拋光條件。把拋光墊用雙面粘合劑固定到拋光器上。墊表面用去離子水潤濕來開始調(diào)理過程，然后飽和墊表面直至墊磨合(breakin)。把本發(fā)明的拋光墊用來化學(xué)機械拋光晶片上的鎢厚度約8000埃的鎢屏壁層，使用的是Semi-SperseW-A355鋁基拋光漿料(由Cabot Corporation,Aurora,Illinois制造)。用蠕動泵(購自于Masterflex,Model 7518-60)把漿料輸送到墊上以模擬100ml/分的實際漿料輸送。鎢的除去速率和其它相關(guān)性能列于表3中。為了比較，也把商購拋光墊在上述的相同條件下拋光熱氧化物上的鎢層。鎢除去速率和其它相關(guān)性能也列于表3。
表3
如表3所示，本發(fā)明的拋光墊提供了一致且可接受的鎢拋光速率，同時使墊引起的缺陷和刮痕最小。另外，本發(fā)明的拋光墊可以控制幾個有關(guān)墊拋光性能的墊物理性能，包括拋光墊基材孔隙率、漿料流動、表面粗糙度、機械性能等。結(jié)果，本發(fā)明的拋光墊通過提供可接受的CMP除去速率和最終表面，從而是可有效替代商購的拋光墊。
實施例2本發(fā)明拋光墊的另一個實施方案的另一代表例是用說明書和實施例2中所述的方法進行制備的。在實施例2中，起始的合成樹脂顆粒具有變化的肖氏D硬度和篩目尺寸。相關(guān)的墊特性和性能在三個階段-磨面前、磨面后和磨合后測定。墊性能列于表4,5,6和7。
表4
*由肖氏D硬度為50和細篩目尺寸的Texin 950u聚氨酯樹脂制備的墊。
表5
*由肖氏D硬度為50和中等篩目尺寸的Texin 950u聚氨酯樹脂制備的墊。
表6
*由肖氏D硬度為70和細篩目尺寸的Texin 950u聚氨酯樹脂制備的墊。
表7
*由肖氏D硬度為70和中等篩目尺寸的Texin 950u聚氨酯樹脂制備的墊。
表8
*由肖氏D硬度為70和細篩目尺寸的Texin 950u聚氨酯樹脂制備的墊。
上述結(jié)果表明拋光墊頂表面通過磨面和磨合(break-in)而改善了粗糙度。
實施例3由細Texin 970u聚氨酯熱塑性聚合物制備的燒結(jié)拋光墊基材根椐實施例1的制備樣品1的方法加以制備。拋光墊基材用底表面表層原封不動的漿料容量和漿料流透速率來評詁。漿料流透速率用實施例引言中所述方法進行測定。漿料容量方法也描述在實施例引言中。
未處理墊的漿料流透速率0克/秒，漿料容量為4.7％。認為漿料流透速率為0是因為拋光墊基材頂表面在磨面之前在疏水的并排斥含水的漿料。之后墊的頂表面根椐實施例1的磨面方法加以處理。打磨步驟機械調(diào)理墊頂表面并把墊頂表面從疏水的轉(zhuǎn)化為親水的。然后磨面的墊具有漿料流速0.234克/秒，漿料容量為5.3％。接著把同一墊的底表面按實施例1所述方法磨面并磨合。之后，該墊具有漿料流速0.253克/秒，漿料容量為5.7％。
這些結(jié)果表明對拋光墊的頂表面磨面改善了漿料容量，通過把墊表面從疏水性轉(zhuǎn)化為親水性而改善了墊的流透性。
實施例4該實施例介紹了墊平均孔徑和拋光的鎢晶片表面缺陷率之間的關(guān)系。根椐實施例1所述方法制備聚氨酯樹脂拋光墊。從同一天制備的一批墊中隨機選取一小批4-9個墊來測定平均墊孔徑。對4-9個的小批墊中的每個墊計算其平均孔徑(除了一個墊用于21微米孔徑點外)，計算平均小批孔徑并用于描制圖14-15。從每一小批隨機選取一個墊來拋光。總共把平均孔徑為約18-30微米的八個墊用于鎢晶片拋光。
用Aurora,Illinois的Cabot Corp.制備的Semi-Sperse漿料、用IPEC/gaard676/1 Oracle機、來評估代表墊的拋光鎢覆蓋晶片的能力。機器的操作條件是4psi向下的力、軌道速率為280ppm、漿料流速為130mL/分，δ P為-0.1psi，邊緣間隙為0.93英寸。
對每個墊測定鎢晶片WIWNU和鎢拋光速率并相對墊平均孔徑作圖。兩條曲線示于圖14-15中。
鎢晶片拋光結(jié)果表明隨著墊平均孔徑的增加鎢WIWNU得到改善，同時鎢晶片拋光速率仍基本上不受影響。
實施例5在該實施例中評估對墊底表面磨面對墊/粘合劑剝離強度的影響。
根椐實施例1制備拋光墊。墊表面在由Burlingto Sanders制備的靜止砂紙帶、打磨0、2或6次、50粗砂石粒徑的紙，工具間隙為-5密耳，轉(zhuǎn)輸帶速率為10英尺/分。未磨面墊和磨面墊的剝離強度示于下表9中。
表9
對墊底表面磨面改善了墊的剝離強度，2次磨面得到最高的剝離強度。
權(quán)利要求
1．一種拋光墊，包括a．進一步包括燒結(jié)熱塑性樹脂顆粒的拋光墊基材，其中該拋光墊基材具有磨面的頂表面和磨面的底表面，其中磨面的底表面的表面具有小于磨面的頂表面的孔隙率；b．襯墊片材；和c．位于襯墊片材和磨過面的底表面表層之間的粘合劑。
2．權(quán)利要求1所述的拋光墊，其中磨面的頂表面包括選自溝、開孔、槽、紋理和邊緣形狀的至少一種宏觀特性。
3．權(quán)利要求1所述的拋光墊，其中磨面底表面的平均粗糙度為1-20微米。
4．權(quán)利要求1所述的拋光墊，其中所述的熱塑性樹脂是聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龍、氟烴、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯、和其共聚物和其混合物。
5．權(quán)利要求1所述的拋光墊，其中所述的熱塑性樹脂是聚氨酯樹脂。
6．一種拋光墊，包括a．燒結(jié)聚氨酯樹脂的拋光墊基材，其具有磨面的頂表面和磨面的底表面，其中磨面的底表層表面具有小于磨面的頂表面的孔隙率；b．襯墊片材；和c．位于襯墊片材和磨過面的底表面表層之間的粘合劑。
全文摘要
公開了用于半導(dǎo)體晶片的拋光墊，其包括具有燒結(jié)合成樹脂顆粒的開孔、多孔基材。該多孔基材的特征在于具有毛細通道的均勻、連續(xù)且彎曲的、互通網(wǎng)絡(luò)。該拋光墊包括機械打磨的墊底表面以改善粘合劑和墊底表面的粘合性。
文檔編號B24D13/14GK1316939SQ99810561
公開日2001年10月10日 申請日期1999年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月10日
發(fā)明者斯利拉姆·P·安朱, 威廉·C·唐寧 申請人:卡伯特微電子公司