抛光垫及其制造方法

专利名称：抛光垫及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及可用来利用化学机械平面化(“CMP”)法对基片进行抛光和平面化的抛光垫的制造方法。更具体来说，本发明的方法改进了抛光垫内和抛光垫之间的均匀性。
背景技术：
在集成电路和其他电子器件的制造中，在半导体晶片的表面上沉积多层导电材料、半导体材料和介电材料，或者将多层导电材料、半导体材料和介电材料从半导体晶片的表面上除去。导电材料、半导体材料和介电材料的薄层可通过许多种沉积技术沉积。现代工艺中常规的沉积技术包括物理气相沉积(也称为溅镀)、化学气相沉积、等离子辅助化学气相沉积和电化学镀敷。
随着各材料层按照顺序被沉积和除去，晶片的最上层表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如金属化)要求该晶片具有平坦表面，所以需要对晶片进行平面化。平面化适合于除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如凹凸表面、成团材料、晶格损坏、划痕和被污染的层或材料。
在通常的CMP法中，具有圆形旋转板的下部台板固定着抛光垫；安装抛光垫的时候使抛光垫的抛光面(polishing surface)朝上。在抛光垫的抛光面上施加抛光组合物，该组合物通常包含能够与基片相互作用的化学物质，可包含磨粒。具有旋转支架的上部台板固定着基片；该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转轴与抛光垫的旋转轴平行，而且不与抛光垫的旋转轴重合；另外，支架还可以以振动或其他适于CMP处理的方式在抛光垫表面周围移动。通过上部台板向下的作用力使基片和抛光垫相接触并挤压在一起，使得抛光垫表面上的抛光组合物与基片的表面(工作环境)接触，引发所需的化学反应，并发生机械抛光。
可以任选地对CMP过程进行全程连续监控，以确定什么时候从基片的表面上除去了所需量的材料。这通常可通过原位光学终点检测来完成，这种检测包括从台板侧透射激光通过抛光垫中的孔或窗口，使得激光从基片被抛光的表面反射，通过检测器测量。反射的光的量对应于从基片表面除去的材料的量。当测得的光的量等于预定值的时候，CMP处理便达到了所需的终点，从而终止CMP处理。
抛光垫可通过许多种方法制造，例如浇铸块状体或浇铸片材。在通常的制造过程中，混合聚合物抛光垫材料组分形成树脂，所述聚合物抛光垫材料组分可包括一种或多种预聚物、交联剂、固化剂和磨料。通过倾倒、抽吸或注射等方法将树脂转移到模具中。聚合物通常很快地固化，可最终转移到烘箱内以完成固化过程。然后将固化的块状体或片材切割成所需的厚度和形状。
抛光垫表面的凹凸结构(asperity)有助于在CMP过程中输送抛光组合物，可通过许多种方法在抛光垫的抛光面上产生凹凸结构。根据美国专利第5578362号所述的一种方法，通过在包含聚合物基质的抛光垫中嵌入空心聚合物胶囊(polymeric capsules)，可以产生凹凸结构。具体来说，通过使这些胶囊破裂、使其中所含的空穴暴露于抛光垫表面上的工作环境，从而形成表面凹凸结构。这可通过对抛光垫进行精整(condition)来完成。
通常精整包括用嵌在精整垫的精整面中的金刚石磨头(或其他刻划或切割工具)研磨抛光垫的抛光面。当使用精整过的抛光垫的时候，孔被磨去，并且开始被CMP过程产生的碎屑堵塞。这使得抛光垫在使用过程中失去其表面凹凸结构。当抛光面在CMP过程中受到磨损的时候，可以通过连续或间断的精整重新产生凹凸结构。当嵌入的聚合物胶囊在抛光过程中暴露并破裂的时候，不需精整抛光垫便可使凹凸结构再生。为了简便起见，术语精整表示通过使抛光垫磨损暴露新的空穴、使用精整垫或使用其他再生技术使表面凹凸结构再生。
通过引入凹槽，在抛光垫的抛光面上形成了大规模的图案。凹槽图案结构和凹槽尺寸会影响抛光垫的特性和CMP处理的特性。在抛光垫上形成凹槽是本领域众所周知的，已知的凹槽结构包括放射状、圆形、螺旋性、x-y型等。通常在形成抛光垫之后，通过凿子之类的直叶片机械装置或其他切割装置在抛光垫的抛光面上引入凹槽。
但是，根据美国专利第‘362号制造的抛光垫却存在胶囊容易膨胀的问题。在固化过程中，聚合物胶囊由于被放热的固化反应加热而膨胀。由于两个原因，膨胀的程度很难控制。胶囊的受热膨胀很大程度上受外壳对随着温度升高而增大的压力的耐受能力所控制，而这种耐受能力又取决于外壳厚度等因素。外壳通常非常薄，因此即使壳厚度发生非常小的改变，也会引起很大的百分比差异，使得膨胀有较大的不同。
另一个使得胶囊膨胀难以控制的因素是受热不同造成的。由于聚合物胶囊作为热绝缘体，减少了从高温区向低温区的热流动，造成受热不均。块状体或片状体靠近表面的区域(暴露于空气或模具的区域)将热量传输到周围环境并冷却。但是块状体或片材的中心被绝缘，反应产生的热量累积起来。其结果是模具中心的胶囊膨胀大于暴露于空气或模具自身的区域内的胶囊膨胀。胶囊的不均匀膨胀产生了不均匀的抛光垫孔隙率，从而形成不均匀的抛光垫密度，这是不利的。因此，需要用来制造能够改进产品均匀性和处理一致性的抛光垫的方法。

发明内容
本发明的第一方面提供了一种制造抛光垫的方法，所述抛光垫适合用来在使用抛光组合物的化学机械抛光法中抛光基片，所述制造抛光垫的方法包括以下步骤制备聚合物基质材料；将聚合物胶囊与所述聚合物基质材料混合，使聚合物胶囊分散在聚合物基质材料中，所述聚合物胶囊包括聚合物外壳和包含在该聚合物外壳内的液体芯；形成抛光垫，所述抛光垫包含分布在成形的聚合物基质材料内的聚合物胶囊，所述聚合物外壳包裹着液体芯，以防液体芯在成形过程中与聚合物基质接触，所述聚合物外壳具有抛光面，该抛光面破裂，以产生用来抛光基片的表面凹凸结构。
本发明的第二方面提供了一种可以在使用抛光组合物的化学机械抛光法中有效地用来抛光基片的抛光垫，该抛光垫包含包含聚合物胶囊的聚合物基质材料，所述聚合物胶囊包括聚合物外壳(polymeric shell)和包含在该聚合物外壳内的液体芯，所述聚合物外壳用来防止液体芯在成形过程中与聚合物基质材料接触，该外壳在精整过程中破裂，形成表面凹凸结构；所述抛光面包括聚合物基质材料和通过嵌入的聚合物胶囊的暴露空穴形成的凹凸结构。


图1是显示用于CMP法的本发明抛光垫的部分平面示意图。
图2是图1中的区域12表示的抛光垫的截面示意图。
图3是图2的填充液体的聚合物胶囊的示意图。
具体实施例方式
本发明提供了一种可以有效地用来在化学机械抛光过程中以更高的简便性和功效对基片进行平面化的抛光垫的制造方法。
参见图1，图中显示了安装在台板50上的本发明的抛光垫10。该抛光垫具有与基片20(例如具有图案的硅晶片)相接触的抛光面40。图中还显示了抛光垫的区域12，该区域将在图2中更详细地显示。
下面来看图2，该方法包括制备聚合物基质材料11，将聚合物胶囊30混入聚合物基质材料11中，并形成抛光垫10。具体来说，所述聚合物胶囊30具有聚合物外壳31(图3)和液体芯32。聚合物胶囊30具有增大的密度，当在制造过程中受热的时候膜具有更高的抗膨胀能力。其结果是减小了聚合物胶囊30在抛光垫形成之前在聚合物基质材料11中发生沉浮的可能性，也使得抛光垫内的孔径差异减小。这使得制造方法可以使用释放较少热量、采用较长固化时间的较慢的固化反应。
所述聚合物基质材料11可包括热塑性材料，例如热塑性聚氨酯、聚氯乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、聚烯烃、聚酯、聚丁二烯、乙烯-丙烯三元共聚物、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二酯及其混合物。另外，基质材料11可包括热固性材料，例如交联的聚氨酯、环氧树脂、聚酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚丁二烯及其混合物。较佳的是，所述聚合物基质材料11包括聚氨酯，更优选包括交联的聚氨酯，例如Rohm and Haas Electronic Materials CMP Technologies制造的IC 1000TM和VisionPadTM抛光垫。所述聚合物基质材料可以为固相，例如用来模塑、烧结或胶合的颗粒，或者为可流动相，例如液态预聚物混合物。较佳的是，所述聚合物基质材料11为可流动相，以促进与聚合物胶囊30的混合。
所述聚合物外壳31可包含热塑性材料，例如热塑性聚(偏二氯乙烯)PDVC、聚氨酯、聚氯乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、聚烯烃、聚酯、聚丁二烯、乙烯-丙烯三元共聚物、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二酯及其混合物。另外，聚合物外壳31可包含热固性材料，例如交联的聚氨酯、环氧树脂、聚酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚丁二烯及其混合物。较佳的是，所述聚合物外壳31包含PDVC。在成形之前，聚合物基质材料11会与水反应形成泡沫，这是不希望发生的。较佳的是，所述聚合物外壳31是非多孔性的，在抛光垫形成或固化之前，防止液体芯32与聚合物基质材料11接触。然而成形之后，聚合物基质材料11优选不与液体芯发生反应，所述聚合物外壳31不需要防止液体芯32与聚合物基质材料11接触。所述液体芯32可渗透或扩散并通过聚合物外壳31，并被聚合物基质材料11吸收，或者聚合物外壳31可溶解。外壳的厚度通常为10纳米至2微米。较佳的是，外壳的厚度为25纳米至1微米。
液体芯32可包含水性或非水性液体，例如醇。较佳的是，所述液体芯包含水溶液，例如有机盐或无机盐的水溶液、预聚物或低聚物的溶液、或水溶性聚合物的溶液。所述液体芯可任选地包含用于CMP处理的试剂。最佳的是，所述液体芯是仅含偶然携带杂质的水，例如包含偶然溶解的气体的去离子水。通常所述抛光组合物(图中未显示)是水基的，包含CMP处理所需的化学物质。在抛光过程中抛光垫被精整、溶解或磨损的时候，所述聚合物胶囊破裂，液体芯可从中逸出，与抛光组合物混合。液体芯通过与抛光组合物的化学物质反应，或者通过其他方法改变抛光组合物的抛光性质，而对该组合物造成负面影响的情况是不利的。较佳的是，所述液体芯是水基溶液。更佳的是，所述液体芯是偶然包含杂质的水，最优选去离子水，这是由于去离子水与抛光垫、抛光组合物或基片发生相互作用的风险很小。较佳的是，所述聚合物外壳的耐磨性小于聚合物基质材料，使得聚合物外壳在抛光过程中被磨掉，使聚合物胶囊破裂，而且聚合物外壳不会对抛光过程造成干扰或负面影响。
聚合物基质材料和聚合物胶囊可通过搅拌之类的常规的方法或干加料法混合。如果混合是在聚合物基质材料为可流动相的情况下进行的，聚合物胶囊与聚合物基质材料之间的密度差异将造成聚合物胶囊漂浮。根据可流动相中聚合物基质材料的粘度以及聚合物基质和聚合物胶囊的相对密度之差，该混合物会分离。为避免分离，可对混合物进行搅拌或回流，以保持聚合物胶囊在聚合物基质中的分散。或者可以增大聚合物胶囊的密度，以减少漂浮的影响。通常聚合物外壳和聚合物基质材料具有类似的密度，而且聚合物外壳很薄。由于液体芯具有较大的密度，本发明的聚合物胶囊的密度与聚合物基质材料的密度更紧密地匹配。较佳的是，所述聚合物胶囊的密度在聚合物基质材料密度的50％以内。更佳的是，所述聚合物胶囊的密度在聚合物基质材料密度的30％以内。最佳的是，聚合物胶囊的密度在聚合物基质材料的15％以内。出于本说明书的目的，如果满足下式，则密度d1(包括外壳和液体芯的胶囊)在第二密度d2(聚合物基质材料)的特定百分范围x％以内
(d1*(1-(x/100)))≤d2≤((1+(x/100))*d1)另外，出于本发明的目的，密度表示将聚合物胶囊混入聚合物基质材料中之前的聚合物基质和聚合物胶囊的密度。例如，当将聚合物胶囊加入液体预聚物混合物中时，要在将聚合物胶囊加入预聚物之前，测量固化形成聚合物基质的液体预聚物的密度，以及聚合物胶囊的密度。对于这些浇铸的抛光垫，使胶囊的密度与液体聚合物的密度匹配，可以通过减少会导致抛光垫不均匀的胶囊的沉降或漂浮，促进需要延长固化周期的聚合物的使用。任选地，预混组分可改进聚合物胶囊的分散。
除了由于漂浮造成的分离以外，在制造过程中，还会由于混合步骤造成聚合物胶囊在聚合物基质材料中分布不均匀。在通常的方法中，聚合物胶囊储存在垂直的容器或储料斗内，通过重力从中排出(例如在质量流量加料输送系统中)。当聚合物胶囊具有空穴的时候，例如现有技术中所述的那些情况，它们不会规则或均匀地流动。空心胶囊的质量不足以在重力的作用下均匀地流动。本发明具有液体芯的聚合物胶囊具有较大的密度，因此其质量大于具有空穴的相同尺寸的胶囊。密度越大，质量越大，使得聚合物胶囊可以在重力的作用下更均匀更规则地流动。当聚合物胶囊流动得更均匀时，如果将聚合物胶囊加入聚合物基质材料中，可获得更均匀的分散。
另一种减少聚合物胶囊在聚合物基质材料中的不均匀分散的方法是使用质量流动进料输送系统，在此系统中聚合物胶囊的流动性受到控制。可以通过对聚合物胶囊的流化使聚合物胶囊均匀流动，从而使其可以均匀地加入聚合物基质材料中。根据一种方法，这可通过均匀地提供通过聚合物胶囊的气流来完成。该气流增加了聚合物胶囊之间的间隔，减少了对聚合物胶囊流动的阻力。一旦聚合物胶囊被流化，便可以以恒定的速率将它们加入聚合物基质材料流中。这可以将聚合物胶囊高度均匀地分散在聚合物基质材料中。
抛光垫10可通过浇铸、注塑、共轴注塑、挤出、烧结、胶合等常规的方法形成。较佳的是，所述抛光垫10通过浇铸片材或块状体形成。当这样形成抛光垫10的时候，通过倾倒或注射将该混合物转移到一个打开或关闭的模具内。任选地将片材连续地浇铸成辊以提高生产速率。然后优选使用可被光致活化、热致活化、时间活化或化学活化的固化剂使混合物固化。一旦固化，便将批料从模具中取出，通过切片或冲压之类的机械法或激光切割将其切割成独立的抛光垫。所述抛光垫任选通过将混合物浇铸在模具中、固化并切片而形成。液体芯可以特别有效地限制在浇铸聚合物块状体时可能出现的抛光垫和抛光垫之间的变化。例如，能够加热块状体的中心和顶部的放热反应对液体填充的胶囊造成的热膨胀要小于对气体填充的胶囊造成的热膨胀。
所述抛光垫还可包括用于原位光学终点检测设备的孔或窗口。该孔可以在成形过程中通过(例如)模塑而形成，或者也可以通过(例如)切割除去一部分形成的抛光垫而形成。类似地，窗口可通过模塑一步形成，或者也可以在通过胶合形成抛光垫之后添加。任选地，所述抛光垫可以既不包括孔也不包括窗口，抛光垫的至少一部分可以是透明的。根据本发明，为了制造透明的抛光垫，可以选择液体芯，使得入射光在遇到胶囊-芯界面时基本不会发生散射或反射，而是可穿过抛光垫。对于透明的抛光垫，优选使用透明的子垫(subpad)或具有使光信号能够自由通过的开口的子垫。另外，使抛光垫在特定的区域没有凹槽也可改进信号强度。
本发明的聚合物胶囊可以在形成抛光垫之后具有液体芯，因此不作为绝热体。这些聚合物胶囊可以更有效地在抛光垫内从较高温度的区域向较低温度的区域传导热量，以降低温差。另外，由于所述聚合物胶囊具有液体芯，该聚合物胶囊可耐膨胀，使得最终的抛光垫中的孔径更易预测且更易控制。较佳的是，在制造过程中，聚合物胶囊直径的膨胀小于20％。更佳的是，在制造过程中，聚合物胶囊直径的膨胀小于15％。最佳的是，在制造过程中，聚合物胶囊直径的膨胀小于10％。
然而，如果抛光垫的温度超过液体芯的沸点，液体填充的聚合物胶囊也会显著膨胀。所述抛光垫所能达到的温度，由与聚合物基质材料的固化过程相关的聚合物化学性质所决定。可以通过选择沸点高于特定聚合物基质材料制造过程中所能达到温度的液体芯，或者使用放热较少的预聚物，例如具有延长的固化周期的预聚物，来避免或减少聚合物胶囊的膨胀。另外，聚合物胶囊的液体芯可通过促进抛光垫的净切割(clean cut)，缩短用环形机床或高速钻头成槽所需的机械加工时间。最后，液体芯可通过减少凹槽和孔侧壁的熔融来改进激光成槽。
除了减少胶囊膨胀和密度不均匀性以外，液体芯的传热能力有助于减少或消除成槽过程中聚合物基质材料的熔融或碳化。液体芯通过将热量从某一区域传走，在成形过程中冷却凹槽周围的聚合物基质材料，增大抛光垫的热质量，降低聚合物基质材料的升温。因此，在对本发明的抛光垫成槽的时候会产生较少的熔融或碳化，而且不需要进行空气冷却或引入大量的水。
再来看图2，当抛光面40上或其附近的聚合物胶囊在精整过程中破裂时，会在抛光面40上形成孔35。抛光组合物替代液体芯32并填充孔35。然后孔35用来传输抛光组合物。孔35的尺寸会影响抛光组合物的传输。
图3显示了聚合物胶囊30的放大图。聚合物胶囊30包括聚合物外壳31和液体芯32，其直径为D。聚合物外壳的厚度为T。所示厚度T相对于聚合物胶囊30的直径D较小。较佳的是，所述聚合物胶囊30的直径D为1-150微米。更佳的是，聚合物胶囊30的直径为2-75微米。较佳的是，聚合物外壳31的厚度T为0.01-5微米。更佳的是，聚合物外壳31的厚度T为0.05-2微米。
本发明的方法提供了一种抛光垫，该抛光垫包括具有改进的均匀性的整体图案，提供了有益的抛光性能，还具有提高便捷性、减少成本和废料的优点。具体来说，所述抛光垫的液体芯可以在浇铸过程中限制热膨胀，从而在抛光垫中提供更均匀的孔隙率。另外，液体芯可以特别有效地限制浇铸聚合物块状体时可能出现的垫与垫之间的差异。另外，向聚合物胶囊添加液体芯可以将不适用于化学机械抛光垫的光学不透明的抛光垫转化为适用于用光信号(例如激光器产生的光信号)进行终点检测的光学透明的抛光垫。另外，液体芯增大了抛光垫的硬度，这可提高抛光垫的平面化能力。另外，相对于气体填充的聚合物胶囊，液体芯改进了抛光垫的导热性。最后，液体芯可以可提高在抛光垫中切割凹槽，特别是改良的辐射状凹槽之类的复杂凹槽的机械可加工性。
权利要求
1.一种制造抛光垫的方法，所述抛光垫适合用来在使用抛光组合物的化学机械抛光法中抛光基片，所述制造抛光垫的方法包括以下步骤制备聚合物基质材料；将聚合物胶囊混合到所述聚合物基质材料中，使聚合物胶囊分布在聚合物基质材料中，所述聚合物胶囊包括聚合物外壳和包含在该聚合物外壳内的液体芯；形成抛光垫，所述抛光垫包含分布在成形的聚合物基质材料内的聚合物胶囊，所述聚合物外壳包裹着液体芯，以防液体芯在成形过程中与聚合物基质材料接触，所述聚合物外壳具有抛光面，该抛光面破裂，产生用来抛光基片的表面凹凸结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成抛光垫的步骤包括使所述聚合物基质材料在模具内固化的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成抛光垫的步骤包括浇铸聚合物基质材料片的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将聚合物胶囊混合到聚合物基质材料中的步骤包括对所述聚合物胶囊进行流化和将流化后的聚合物胶囊加入聚合物基质材料内的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物基质材料具有在混合之前测量的第一密度，所述聚合物胶囊具有在混合之前测得的第二密度，所述第二密度在第一密度的30％以内。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行混合的时候，所述聚合物基质材料是液体。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体芯是包含偶然夹杂的杂质的水。
8.一种可以在使用抛光组合物的化学机械抛光法中有效地用来抛光基片的抛光垫，该抛光垫包含包含聚合物胶囊的聚合物基质材料，所述聚合物胶囊包括聚合物外壳和包含在该聚合物外壳内的液体芯，所述聚合物外壳用来防止液体芯在成形过程中与聚合物基质材料接触，该外壳在精整过程中破裂，形成表面凹凸结构；所述抛光面包含聚合物基质材料和由嵌入的聚合物胶囊的露出的空穴形成的凹凸结构。
9.如权利要求8所述的抛光垫，其特征在于，所述液体芯包含一种液体，该液体是包含偶然夹杂的杂质的水。
10.如权利要求8所述的抛光垫，其特征在于，所述聚合物外壳包含一种材料，该材料的防水性小于固化的聚合物基质材料。
全文摘要
本发明涉及一种抛光垫的制造方法，所述抛光垫具有嵌入的聚合物胶囊，可以在使用抛光组合物的CMP过程中用来对基片进行平面化。该方法使用新颖的胶囊材料，减少了抛光垫由于胶囊漂浮、受热差异和胶囊膨胀而造成的不均匀性。该方法还通过减少次品数量和减少废品提高制造方法的效率。
文档编号C08J3/20GK1915598SQ200610121530
公开日2007年2月21日 申请日期2006年8月17日 优先权日2005年8月18日
发明者A·H·塞金 申请人:罗门哈斯电子材料Cmp控股股份有限公司