专利名称：具有径向交替凹槽段结构的化学机械抛光垫的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及抛光领域。具体来说，本发明涉及具有径向交替凹槽段(segment)结构的化学机械抛光(CMP)垫。
背景技术：
在集成电路和其他电子器件的制造过程中，将多层导电材料、半导体材料和介电材料沉积到半导体晶片表面上，然后又在半导体晶片表面上进行蚀刻。可以使用许多种沉积技术来沉积出导电材料，半导体材料和介电材料薄层。现代晶片加工中的常规沉积技术包括物理蒸气沉积(PVD)(也被称为溅射)，化学蒸气沉积(CVD)，等离子体辅助的化学蒸气沉积(PECVD)和电化学镀等。常规蚀刻技术包括湿法和干法的各向同性和各向异性蚀刻等。
随着各材料层按照顺序被沉积和蚀刻，晶片的层表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如光刻)要求该晶片具有平坦表面，所以需要周期性地对晶片进行平面化。平面化适合于除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面，成团材料，晶格损坏，划痕和被污染的层或材料。
化学机械平面化即化学机械抛光(CMP)是用来使半导体晶片等工件平面化的常用技术。在使用双轴旋转抛光机的常规CMP中，将晶片载体即抛光头安装在载体组合件上。抛光头固定晶片，使晶片与抛光机中抛光垫的抛光层接触。抛光垫的直径大于需要进行平面化的晶片直径的2倍。在抛光过程中，抛光垫和晶片分别围绕各自的中心旋转，同时使晶片压在抛光层上。晶片旋转轴相对于抛光垫旋转轴的偏置距离大于基片的半径，使得抛光垫的旋转在垫抛光层上扫出一个环形“晶片轨迹”。当晶片仅发生旋转运动时，晶片轨迹的宽度等于晶片的直径。然而，在一些双轴抛光机中，晶片在垂直于其旋转轴的平面内发生振荡。在此情况下，晶片轨迹的宽度大于晶片的直径，所超出的程度取决于振荡的位移。载体组合件在晶片和抛光垫之间施加可控的压力。在抛光过程中，使浆料或其他抛光介质流到抛光垫上，流入晶片和抛光层之间的间隙中。晶片表面因抛光层和表面上抛光介质的化学和机械作用被抛光而变平。
正在越来越多地对CMP过程中抛光层、抛光介质和晶片表面之间的相互作用进行研究，以便优化抛光垫的结构。这些年来的大多数抛光垫的改进实际上还是经验性的。抛光面或抛光层的许多结构将重点集中在使这些抛光层具有各种据称能够提高浆料利用率和抛光均匀性的空隙图案和凹槽排列。这些年来，已经实现了相当多的不同凹槽和间隙的图案和排列。现有技术的凹槽图案包括径向，同心圆状，笛卡儿格子状和螺旋形状等。现有技术的凹槽结构包括所有凹槽的深度和宽度都相同，以及各个凹槽深度和宽度都不相同的结构。
一些旋转CMP垫的设计者设计出了具有包括两种或多种凹槽结构的抛光垫，所述两种或多种凹槽结构互相之间根据它们距离抛光垫中心的一个或多个径向距离而发生改变。设计者称这些抛光垫具有出众的抛光均匀性和浆料利用率等性能。例如，Osterheld等人的美国专利第6520847号揭示了几种具有三个同心环形区域的抛光垫，每个区域的凹槽结构都与另两个区域不同。在不同的实施方式中，这些结构的差异是不同方面的。结构差异的方面包括凹槽数量、凹槽横截面积、凹槽间隔和凹槽类型等方面。现有技术CMP抛光垫的另一个例子是，Kim等人在韩国专利申请公开第1020020022198号中揭示了具有许多一般为径向非线性凹槽的抛光垫，所述凹槽具有以下特征(1)在抛光垫的径向内部部分在抛光垫设计的旋转方向上弯曲；(2)在晶片轨迹内反向弯曲；(3)在靠近抛光垫外边的部分，在与抛光垫设计的旋转方向相反的方向上弯曲。Kim等人指出这种凹槽结构能快速除去抛光过程的副产物而使产生的缺陷最小。
尽管迄今为止抛光垫设计者们已经设计了包括两种或多种互不相同凹槽结构或凹槽结构在抛光垫的不同区域不同的CMP垫，但是这些设计并未直接考虑通过改变抛光介质在晶片轨迹的宽度范围内在晶片和抛光垫之间的间隙流动的速率所带来的益处。目前本发明人的研究表明，使抛光介质以较快的速率在一个或多个晶片轨迹区域内的抛光垫-晶片间隙内流动，同时限制抛光垫在晶片轨迹的一个或多个其它区域内的流动的速率，可以使抛光得到改进。因此，需要有能够控制并改变抛光介质在抛光垫-晶片间隙内流动速率的CMP抛光垫结构。
发明内容
本发明一方面提供了一种抛光垫，它包括a)一个抛光层，它构造为在抛光介质存在的条件下，对磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种进行抛光，该抛光层具有旋转中心，还包含与该旋转中心同心的环状抛光轨迹，该抛光轨迹具有一宽度；b)位于所述抛光层中的许多凹槽，各个凹槽横穿所述环形抛光轨迹的整个宽度，所述凹槽的非本征曲率(extrinsic curvature)在所述环形抛光轨迹内具有至少两个突变(discontinuity)，所述至少两个突变的方向互相相反，能增大或减小非本征曲率值，并包括从第一突变径向向内的第一方向，位于第一突变和第二突变之间的第二方向，以及从第二突变径向向外的第三方向，并且至少一对相邻方向之间的方向改变为-85°至85°。
在本发明的另一方面中，抛光垫如上所述，用N表示一个数字，各凹槽具有N个突变，在这N个突变发生N个过渡，与N次过渡区在位置上交替的N+1个流动控制段，这N个过渡区的宽度不大于抛光轨迹的宽度除以2N。
在本发明的另一方面中，提供了一种在抛光介质存在的条件下，对磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种进行抛光的方法，该方法包括用抛光垫进行抛光，所述抛光垫包括i)构造为用来在抛光介质存在的条件下对磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种进行抛光的抛光层，该抛光层具有一个旋转中心，并包含与旋转同心的具有一宽度的环形抛光轨迹，所述环形轨道具有至少3个流动控制区；ii)位于所述抛光层中的许多凹槽，各个凹槽横跨所述环形抛光轨迹的整个宽度，所述凹槽的非本征曲率在所述环形抛光轨迹内具有至少两个突变，所述至少两个突变是方向相反的，能增大或减小非本征曲率的值，并具有从第一突变径向向内的第一方向，位于第一突变和第二突变之间的第二方向，以及从第二突变径向向外的第三方向，至少一对相邻方向之间的方向改变为-85°至85°；以及b)使用所述至少三个流动控制区中的每一个区调节基片的抛光去除速率。
图1是适用于本发明的双轴抛光机的一部分的透视图；图2A是本发明抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的三个流动控制段和两个斜率逐渐变化的突变；图2B是图2A各凹槽轨道的图；图2C是图2A各凹槽轨道的斜率图；图2D是图2A各凹槽轨道的非本征曲率图；
图3A是本发明抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的三个正曲率流动控制段和两个斜率急剧变化的突变；图3B是图3A各凹槽轨道的图；图3C是图3A各凹槽轨道的斜率图；图3D是图3A各凹槽轨道的非本征曲率图；图4A是本发明抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的三个正曲率流动控制段和两个斜率逐渐变化的突变；图4B是图4A各凹槽轨道的图；图4C是图4A各凹槽轨道的斜率图；图4D是图4A各凹槽轨道的非本征曲率图；图5A是本发明抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的两个正曲率流动控制段、一个负曲率流动控制段和两个不等宽度的斜率逐渐变化的突变；图5B是图5A各凹槽轨道的图；图5C是图5A各凹槽轨道的斜率图；图5D是图5A各凹槽轨道的非本征曲率图；图6A是本发明抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的一个正曲率流动控制段、两个负曲率流动控制段和两个斜率逐渐变化的突变；图6B是图6A各凹槽轨道的图；图6C是图6A各凹槽轨道的斜率图；图6D是图6A各凹槽轨道的非本征曲率图；图7A是本发明抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的三个圆弧形流动控制段和两个斜率逐渐变化的突变；图7B是图7A各凹槽轨道的图；图7C是图7A各凹槽轨道的斜率图；图7D是图7A各凹槽轨道的非本征曲率图；图8A是现有技术抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的两个圆弧形段和一个斜率逐渐变化的突变；图8B是图8A各现有技术凹槽轨道的图；图8C是图8A各现有技术凹槽轨道的斜率图；图8D是图8A各现有技术凹槽轨道的非本征曲率图；图9A是本发明抛光垫的俯视图，该抛光垫包括大量凹槽，每个凹槽具有位于抛光轨迹内的五个正曲率流动控制段和四个斜率急剧变化的突变；图9B是图9A各凹槽轨道的图；图9C是图9A各凹槽轨道的斜率图；图9D是图9A各凹槽轨道的非本征曲率图。
具体实施例方式
参见附图，图1一般性地显示了适合使用本发明抛光垫104的双轴化学机械抛光(CMP)机100的主要结构。抛光垫104通常包括用来与半导体晶片112(处理过或未处理过的)或其它工件(例如玻璃、平板显示器或磁性信息储存碟片等)之类的制品接触，从而在抛光介质120的存在下对工件的抛光表面116进行抛光的抛光层108。为了方便起见，在本说明中使用术语“晶片”进行泛指。另外，在包括权利要求书在内的本说明书中，术语“抛光介质”包括含颗粒的抛光溶液和不含颗粒的溶液，后者例如是不含磨料的活性液体抛光溶液。抛光层108通常包括环形晶片轨迹即抛光轨迹122，随着抛光机100的抛光垫104旋转，且晶片112压在抛光垫上时，晶片112扫出该抛光轨迹122。
如上文所述，接下来还将详细描述，本发明包括提供具有凹槽结构(例如见图2A的凹槽结构144)的抛光垫104，这种结构能很大地改变抛光介质120在抛光轨迹122宽度范围内在抛光垫-晶片间隙内的速率。根据本发明改变抛光介质120的速率，抛光垫104的设计者能够以另一种方式改变抛光介质在抛光轨迹122的不同区域的停留时间，使得设计者能够更好地控制抛光过程。
抛光机100可包括台板124，抛光垫104安装在台板上。可通过台板驱动机构(未显示)使台板124绕旋转轴128旋转。将晶片112安装在可绕旋转轴136旋转的晶片载体132上，旋转轴136与台板124的旋转轴128平行，并与其相隔一定距离。晶片载体132的特征是装有万向架联动装置(未显示)，可使晶片112略微不平行于抛光层108，在此情况下旋转轴128、136会是略微倾斜的。晶片112具有面对着抛光层108的抛光表面116，该表面就在抛光过程中被平面化。可用载体支架组合件(未显示)来支承晶片载体132，在抛光过程中，载体支架组合件使晶片112旋转，并施加向下的力F将抛光表面116压在抛光层108上，使抛光表面和抛光层之间存在所需的压力。抛光机100还可包括用来为抛光层108提供抛光介质120的抛光介质入口140。
本领域的技术人员能够理解，抛光机100可包括其它部件(未显示)，例如系统控制器、抛光介质的储存器和输入系统、加热系统、淌洗系统和用来控制抛光过程各种方面的各种控制系统，例如(1)用来控制晶片112和抛光垫104中一者或两者的旋转速率的速率控制器和选择器；(2)用来改变向抛光垫输送抛光介质120的速率和位置的控制器和选择器；(3)用来控制施加在晶片和抛光垫之间力F大小的控制器和选择器；以及(4)用来控制晶片旋转轴136相对于抛光垫旋转轴128的位置的控制器、致动器和选择器等。本领域的技术人员能够理解这些部件的结构和运行，因此不需要对其进行详细解释，本领域技术人员便可理解和实施本发明。
在抛光过程中，抛光垫104和晶片112围绕其各自的旋转轴128、136旋转，从抛光介质入口140将抛光介质120输送到旋转的抛光垫上。抛光介质120在抛光层108上散布开，包括散布到晶片112下面和抛光垫104之间的间隙内。抛光垫104和晶片112通常以0.1-150rpm的选定转速旋转，但并非必须以此转速旋转。通常对力F进行选择，使晶片112和抛光垫104之间产生所需的0.1-15磅/平方英尺(6.9-103千帕)的压力，但是并非必须在此范围内。
图2A显示图1的抛光垫104，抛光垫上具有凹槽144结构，该结构是具有大量凹槽148，这些凹槽148包含多个其形状能用来控制抛光过程中抛光介质120(图1)流速的流动控制段CS1-CS3。可以认为各个流动控制段CS1-CS3位于相应的抛光介质流动控制区CZ1-CZ3内，根据这些控制区内各自的控制段的形状和方向(将在下文进一步讨论)，抛光介质(未显示)在这些控制区内以不同的速率流动。
在图2A的抛光垫中，在抛光介质流动控制区CZ1中的流动控制段CS1的形状用来促进抛光介质在抛光过程中的流动。具体来说，流动控制段CS1呈直线形，相对于抛光垫104的旋转中心200是径向的。当抛光垫104以匀速旋转时(在抛光过程中通常如此)，会使抛光介质在离心力的作用下产生径向流，径向流就沿着径向的凹槽段CS1所提供的与抛光介质的这种径向流成一直线的路径，从而促进了抛光介质的流动。本领域技术人员可以理解，如果希望流动控制段CS1促进流动，这些控制段不一定是径向的，也不一定是直线形的。例如，控制段可以是弯曲和“蜿蜒”的，即通常在与设定的旋转方向204(所述设定的旋转方向204即在抛光过程中设定的抛光垫旋转方向)相同或相反的方向上延伸，从而得到流动控制段CS1-CS3的所需效果。
如图所示的抛光垫104的流动控制段CS2的形状能用来在抛光过程中当抛光垫在设定的旋转方向204旋转时抑制抛光介质的流动。在此情况下，控制段CS2略微弯曲并朝着设定的旋转方向204弯曲。在抛光过程中，抛光垫104在设定的旋转方向204旋转，上述结构有助于将抛光介质保留在抛光介质流动控制区CZ2内，直至受到晶片压在抛光垫上进行旋转的晶片112的作用。本领域技术人员可以理解，流动控制段CS2的的变量包括曲率(或不存在曲率)和取向(相对于幅射状线的方向)即弯曲方向(顺时针方向表示负角度，逆时针方向表示正角度)，如果有弯曲的话。与流动控制段CS1相似，控制段CS2不必抑制抛光介质的流动。相反的，这些控制段的形状可以促进抛光介质的流动。例如，流动控制段CS2可以是径向的，或者背着设计旋转方向204弯曲。
在所示的实施方式中，在抛光介质流动控制区CZ3中的流动控制段CS3，其形状与控制段CS1基本相同，即流动控制段CS3是直线形，并相对于抛光垫104的旋转中心200是径向的。在抛光过程中，这种径向延伸的流速控制段结构有助于促进抛光介质的流动。与流动控制段CS1和CS2类似，控制段CS3实际可具有能够促进或抑制抛光介质流动的任意形状。应当注意流动控制段CS1-CS3的促进流动或抑制流动的效果是相对的而非绝对的。也即是说，无论将任何一个抛光介质流动控制区CZ1-CZ3中的流动控制段看作是“促进流动的”或“抑制流动的”，都是相对于下一个相邻流动控制区中的流动控制段衡量的。例如，在另一种结构(未显示)中，从绝对意义上讲，三个相邻的抛光介质流动控制区CZ1-CZ3中的凹槽段CS1-CS3均可看作是促进流动的，例如一个控制区内的控制段是径向的，另一个控制区内的控制段朝着与设定的旋转方向相反的方向弯曲，但是从相对意义上讲，某一个控制段相对于另一个控制段可以是促进流动的或抑制流动的。换而言之，一种结构可以比其它结构更好地促进流动。
由于在抛光过程中，流动控制段CS1和CS3分别控制在晶片112径向内边缘208和径向外边缘212(相对于抛光垫104)下面和相邻的区域内抛光介质的流动，因此将流动控制段CS1和CS3分别称为“内边缘流动控制段”和“外边缘流动控制段”。尤其是当抛光介质输送到抛光垫104上的抛光轨迹122圆环形内边界216以内时，内边缘流动控制段CS1可延伸越过内部边界进入抛光垫的中心区220。这样，内边缘流动控制段CS1可促进抛光介质进入抛光轨迹122的移动。类似的，当抛光轨迹122的圆形外边界224在径向上位于抛光垫104外边230以内时，外边缘流动控制段CS3优选延伸穿过外边界，能促进抛光介质流出抛光轨迹122。另外，应当注意，通常需要(但并非总是需要)内边缘控制段CS1和外边缘控制段CS3具有彼此相同的取向和曲率，以便在抛光轨迹122的内部区域和外部区域对基片112进行基本相同程度的抛光。在本文中，取向是基于相应流动控制段CS1-CS3中凹槽轨道的横向中心线，并用该中心线与幅射状线R(如图2A所示)形成的夹角来衡量。因此，无论两个流动控制段相邻与否，可对这两个流动控制段的取向进行比较。例如，如果流动控制段CS1是径向的，并且流动控制段CS3也是径向的，可以说它们取向相同(即使它们的方向可能不同)。曲率可以定义为该段的非本征曲率。下文将更详细地描述非本征曲率。
由于在各个抛光介质流动控制区CZ1-CZ3内流动控制段CS1-CS3对抛光介质流速的影响各不相同，因此经常需要为各个凹槽148提供过渡段TS1、TS2，以便从一个流动控制段CS1-CS3过渡到相邻的流动控制段。可将这些过渡段TS1、TS2看作是位于相应的流动控制区CZ1-CZ3之间的环形过渡区TZ1、TZ2内。为了使晶片112下面，即在抛光轨迹122内提供不同抛光介质流速的区域，不难看出过渡区TZ1必须全部包含在抛光轨迹内，并与抛光轨迹的内部边界216隔开，使流动控制区CZ1的至少一部分位于抛光轨迹内。同样的，如果至少一部分的流动控制区CZ3位于抛光轨迹122内，则过渡区TZ2必须也全部包含在抛光轨迹内，并与抛光轨迹的外部边界224隔开。
参见图2B-2D和图2A，图2B-2D显示如何用各凹槽148(显示在图2B中)的方向(图2B)、斜率(图2C)和非本征曲率κ(图2D)对各凹槽进行描述。各流动控制段CS1-CS3的方向向量V1-V3是由各流动控制区中凹槽轨道的横向中心线给出的。各方向向量V1-V3与相邻的方向向量形成某一角度。方向向量V1和方向向量V2相交形成夹角α。方向向量V2和方向向量V3相交形成夹角β。当角度α和β接近90°时，抛光介质的流动受到了阻碍。当两个相邻流动控制段之间发生急剧的方向突变(对应于小过渡区)时，更是如此。至少一对相邻流动控制段之间的方向改变，(按它们相应的方向向量形成的角度来衡量)优选为-85°至85°(-85°至0°和0°至85°)，更优选为-75°至75°(-75°至0°和0°至75°)，最优选为-60°至60°(-60°至0°和0°至60°)。最优选的是，将这些方向改变的范围适用于所有相邻的两个流动控制段。
在数学中众所周知的是，平面曲线的斜率等于限定该曲线的函数的一阶导数。图2C是图2B的凹槽148的斜率的斜率曲线240。下文将结合凹槽148的非本征曲率对斜率曲线240进行更详细的描述。同样在数学中众所周知的是，在平面曲线一给定点的非本征曲率κ定义为在这一点曲线的正切的导数。如果θ表示曲线与固定的参照轴所成角度沿该曲线路程长度s变化的函数，则κ＝dθ/ds。可以用笛卡尔坐标x和y描述平面曲线，x和y为通常尺寸的正交坐标，这说明(ds)2＝(dx)2+(dy)2，θ＝tan(dy/dx)。因此，ds/dx＝[1+(dy/dx)2]1/2。因此，可如下直接求出导数dθ/ds来确定曲率κκ=dθds=dxds·dθdx=dxds·d[tan-1(dydx)]dx=11+(dydx)2·d2ydx21+(dydx)2=d2ydx2[1+(dydx)2]3/2]]>图2D显示曲率κ随x轴测得的沿凹槽148的径向位置的曲率图。
从曲率图244不难看出，凹槽148(图2B)的非本征曲率有对应于过渡段TS1和TS2(图2A和2B)的两个突变D1、D2。突变D1、D2是由凹槽148在各过渡段TS1和TS2内方向改变的曲率造成的。也即是说，在图2B中随着凹槽148从左边延伸至右边时，突变D1是由于过渡段TS1从内边缘流动控制段CS1通常向左过渡到逆时针弯曲的中间流动控制段CS2造成的，突变D2是由于过渡段TS2从中间流动控制段CS2通常向右过渡到径向的外边缘流动控制段CS3造成的。
在此实例中，内边缘流动控制段CS1和外边缘流动控制段CS3都是直线形，中间流动控制段CS2是螺旋弧形。在下面的实例中将进一步说明，各流动控制段CS1-CS3的形状可与所示的形状不同。例如，流动控制段CS1-CS3中的任意一段可以是直线形、螺旋弧形、圆弧形或其它弯曲形状(例如椭圆形)的弧形。通常流动控制段CS1-CS3的形状遵照抛光垫的设计以达到特定的结果，例如从晶片的中心到晶片边缘都具有均匀的去除速率。
应当注意突变D1和D2的方向互相相反，即沿凹槽从左向右看，其中一个突变(D1)对应于非本征曲率增大，另一个突变(D2)对应于非本征曲率减小。在任何凹槽中，例如具有三个流动控制段(例如流动控制段CS1-CS3，其中内流动控制段和外流动控制段的取向彼此相同，并与中间流动控制段的取向不同的凹槽148)中都必须如此。当这种凹槽(148)具有三个流动控制段(CS1-CS3)和两个过渡段(TS1、TS2)时，为了实现本发明的优点，内边缘和外边缘流动控制段(CS1，CS3)都必须至少部分地位于抛光轨迹(122)内(如果它们没有延伸越过内边界和外边界，它们将完全在抛光轨迹以内)。结果，各过渡段(TS1，TS2)和中间流动控制段(CS2)将完全位于抛光轨迹(122)内。因此，这五个区，即流动控制区CZ1-CZ3和两个过渡区TZ1，TZ2的宽度必须有某种限制。
实际上来说，目前优选各过渡区(例如TZ1，TZ2)的宽度WT不大于抛光轨迹的宽度WP除以突变(例如D1，D2)数目N的两倍，即WT≤WP/(2N)。更优选各过渡区的宽度WT不大于抛光轨迹的宽度WP除以突变(例如D1，D2)数目N的四倍，即WT≤WP/(4N)，使得各流动控制区CZ1-CZ3可具有合理的宽度WC。如上所述，凹槽148的形状通常需要使得它们的内边缘流动控制段CS1和外边缘流动控制段CS3对靠近晶片112边缘的区域具有相同的效果。因此，通常需要，但并非必须使流动控制区CZ1、CZ3的宽度彼此相等，或基本相等。
一个突变，例如各突变D1、D2，根据相应过渡段TS1、TS2的形状，通常可以是三种类型中的任意一种。第一类突变在曲率图中为“峰(spike)”，可将其称为“逐渐的”突变。参见图2D，突变D1和D2均为峰类。通常峰类的特征是具有非零宽度WT的峰S1、S2，这些峰的宽度对应于相应的过渡区(例如图2A和2B所示实例中的过渡区TZ1、TZ2)。当突变为峰类时，斜率图240中相应的过渡部分(例如实例中图2C的过渡部分TP1、TP2)通常不是垂直的。
现在来看图3A-D，图3A和3B显示了具有大量凹槽304的抛光垫300，凹槽304通常与图2A和2B的凹槽148类似，但是具有正弯曲的内边缘流动控制段CS1i和外边缘流动控制段CS3i，而不是图2A和2B中直线形内边缘流动控制段CS1和外边缘流动控制段CS3。应当注意各流动控制段CS1i-CS3i为螺旋弧形。与图2A和2B的凹槽一样，各流动控制段CS1i-CS3i也可具有其它形状。各控制段CS1i-CS3i的方向向量V1i-V3i由各自流动控制区中凹槽轨道的横向中心线给出。方向向量V1i和方向向量V2i相交形成夹角αi。方向向量V2i和方向向量V3i相交形成夹角βi。另外，各凹槽304具有第二类突变D1i、D2i，在相应的曲率图316中，这些突变通常为垂直线308、312的形式(图3D)。急剧的突变通常不具有峰类即逐渐的突变(例如图2D的突变D1、D2)所具有的宽度WT，这类急剧的突变可称为“急剧”突变。在本实例中，图3D的突变D1i、D2i均为急剧的突变。因此，斜率图320中对应于突变D1i、D2i的过渡部分TP1i、TP2i都是垂直的，说明了过渡的剧烈程度。图3A和3B的凹槽304的其它特征可与图2A和2B的凹槽148相同。例如，内边缘和外边缘流动控制段CS1i、CS3i可以(但不一定)延伸越过抛光轨迹332的内边界324和外边界328，它们的取向和曲率可彼此基本相同或不同。另外，各流动控制段CS1i-CS3i可具有适用于特定目的的任意所需取向和曲率。还应注意突变D1i、D2i均发生在抛光轨迹332内。
可将可能出现的第三类突变(未显示)称为“突然(abrupt)”突变，在两个流动控制段之间的过渡基本是一个拐角(即过渡区具有零宽度)的情况下，会形成这种突变。具有突然突变的凹槽的斜率图(未显示)会具有对应于该突然突变的“跳跃”。参见图3A-3D，如果凹槽304具有两个突然突变而不是两个急剧突变D1i、D1i，图3C的斜率图320将仅有对应于流动控制段CS1i-CS3i的部分330、340、344。也即是说，由于斜率跳过这个拐角，在此之间不存在任何过渡，所以不存在垂直过渡部分TP1i、TP2i。结果，曲率图(未显示)在这两个突变也有跳跃。因此，曲率图与图3D的曲率图相似，但是没有垂直部分308、312。仅有对应于3个流动控制部分CS1i-CS3i的部分348、352、356。
参见图4A-4D，图4A显示了具有大量凹槽404的本发明抛光垫400，凹槽404通常与图3A的凹槽304基本相同，不同的是图4A的凹槽404各自具有位于抛光轨迹408内的两个逐渐的突变D1ii、D2ii(图4D)，而不是像抛光垫300那样具有两个急剧突变D1i、D1i(图3D)。(图4B显示了在便于分析凹槽斜率和曲率而在坐标系统中再表示的凹槽404中的一个。)如上文结合图2C和2D所讨论的，突变D1ii、D2ii之类的逐渐突变的特征通常是曲率图412(图4D)的峰S1i、S2i)以及斜率图416(图4C)的过渡部分TP1ii、TP2ii，TP1ii和TP2ii在过渡区TZ1i、TZ2i内发生倾斜。凹槽404的其它特征，例如曲率和取向等可与图3A和3B的凹槽304相同。但是，如上文结合图2A和2B的凹槽148所述，凹槽404当然可以在这些特征和其它特征方面，例如流动控制段的曲率、取向和长度方面有所不同。应当注意，在抛光垫400的各凹槽404中，各流动控制段CS1ii-CS3ii的斜率是正的，即各流动控制段从相应的凹槽相对于抛光垫的径向内端开始到径向外端向左弯曲。
图5A-5D涉及本发明的另一种抛光垫500，在此抛光垫的凹槽504中，相对于凹槽的横向，从凹槽的径向内端到径向外端，流动控制段CS1iii、CS2iii具有正的斜率，流动控制段CS3iii具有负的斜率。相应的，各凹槽具有位于抛光轨迹508内的两个突变D1iii、D2iii。在此实例中，突变D1iii、D2iii为逐渐类，其特征是曲率图512中的峰S1ii、S2ii。在此情况下，突变D1iii、D2iii的宽度和相应的过渡区TZ1ii、TZ2ii的宽度相互之间显著不同。通过图5C斜率图516的520、524部分的向上趋势和图5D曲率图512的528、532部分所显示的正值，清楚地表明了流动控制段CS1iii、CS2iii的曲率的正值特性。相应的，通过图5C斜率图516的536部分的向下趋势和图5D曲率图512的540部分所显示的负值，很容易看出流动控制段CS3iii的曲率的负值特征。在此实例中，所有的流动控制段CS1iii-CS3iii均显示螺旋弧形。然而并不一定需要如此。流动控制段CS1iii-CS3iii可各自具有任意所需的形状，以满足特定用途的设计要求。
图6A-6D显示了本发明的抛光垫600和相应的凹槽604，它们与图5A-5D的抛光垫500和凹槽504基本类似，不同的是流动控制段CS1iv不像图5A-5D中流动控制段CS1iii那样具有正曲率，而是具有负的曲率。由图6C斜率图612的608部分的向下趋势和图6D曲率图620显示的负值的616部分，很容易看出负曲率。流动控制段CS2iv、CS3iv的曲率分别是与图5A和图5B流动控制段CS2iii、CS3iii的曲率类似形式的正值和负值。各个凹槽604的两个突变D1iv、D2iv(图6D)与突变D1iii、D2iii类似，是逐渐突变，长度不相等，出现在抛光轨迹624内。图6A和6B的所有流动控制段CS2iv和CS3iv均显示为螺旋弧形，但不一定必须为此形状。
图7A-7D涉及本发明的一种抛光垫700，该抛光垫700包括大量凹槽704，各个凹槽704具有位于抛光轨迹720内的三个圆弧形流动控制段CS1v-CS3v，这三个控制段通过两个很短的过渡段708、712相连(见图7C的斜率图716)。由图7D的曲率图724可以看到，在过渡段708、712的突变D1v、D2v具有两个垂直部分728、732，因此它们是急剧的突变。
为了对图7A-7D所示的抛光垫700及其凹槽704进行对比，图8A-8D显示了现有技术抛光垫800及其现有技术凹槽804，其结构根据本发明背景部分中提到过的Kim等人的韩国专利申请公开第1020020022198号的内容。与图7A和7B的凹槽704类似，图8A和8B的现有技术凹槽804由圆形段制成。然而，各个现有技术凹槽804仅有两个圆形段808、812，而不是像图7A-7B所述的那样具有三个段CS1c-CS3v。因此，每个现有技术凹槽804仅有一个突变816，图8D的曲率图824的垂直部分820表明，在此情况下为急剧突变。尽管单个突变816位于抛光轨迹830内，但是由于仅有一个突变，与图7A-7D所示的抛光垫700完全不同，抛光垫700具有两个突变D1v、D2v，这两个突变均位于抛光轨迹708内。由于图8A-8D的现有技术抛光垫800的每个凹槽804仅有一个突变816，抛光垫800无法提供本发明的抛光垫所能提供的任何优点。重要的是，现有技术抛光垫无法对晶片112(图8A)的内边缘208和外边缘212进行相同的抛光。因此，现有技术抛光垫800无法达到本发明抛光垫(例如抛光垫104、200、300、400、500、600、700、900)所能达到的抛光性质。
如上文就图2A-2D所述，本发明的抛光垫不必限于仅有三个流动控制段和两个相应的突变。相反，本发明的抛光垫可具有四个或更多流动控制段，以及三个或更多个相应的突变，每个突变都位于两个相应的流动控制段之间。例如，图9A-9D涉及本发明的抛光垫900，该抛光垫900包括大量凹槽904，每个凹槽具有位于抛光轨迹908内的五个流动控制段CS1vi、CS2vi、CS3vi、CS4vi、CS5vi(图9A和9B)和四个突变D1vi、D2vi、D3vi、D4vi(图9D)。在此实例中，所有的流动控制段CS1vi、CS2vi、CS3vi、CS4vi、CS5vi均为螺旋弧形，均具有正的曲率。与本发明其它抛光垫(例如图2A、3A、4A、5A、6A和7A的抛光垫)的流动控制段类似，图9A抛光垫的控制段CS1vi、CS2vi、CS3vi、CS4vi、CS5vi可具有适用于特定结构的任意形状和曲率。应当注意主要根据图9D曲率图928的对应垂直部分912、916、920、924表征，各突变D1vi、D2vi、D3vi、D4vi为急剧突变。在其它实施方式中，突变D1vi、D2vi、D3vi、D4vi可以全部为另一种类型，例如逐渐型或突然型，或者可以根据需要为逐渐型、急剧型和突然型突变的任意组合。
如上所述，将抛光轨迹分隔成三个或更多个流动控制区的一个原因是为了使抛光垫设计者能够为下一步的抛光操作定制抛光垫，从而尽可能改善抛光过程。通常设计者是通过理解抛光介质在多个区内晶片和抛光垫之间的间隙内是如何流动的来达到这一点。例如，某些抛光的受益之处是，通过使晶片边缘附近的流动控制区(例如图2A实施方式中的CZ1和CZ3区)内的抛光介质较快地流过这些流动控制区，可以缩短抛光介质在这些区域内的停留时间。在此同类抛光中，还希望抛光介质在晶片的中部(例如在图2A的流动控制区CZ2)停留更长的时间。在此情况下，设计人可以选择在流动控制区CZ1和CZ3内提供能够促进抛光介质流动的高径向的凹槽段CS1和CS3，在流动控制段CZ2提供能够抑制抛光介质流动的更加弯曲的圆形凹槽段。通过这种方法，设计者可以使抛光介质径向地流过抛光轨迹。在其它类型的抛光中，可能需要相反的情况。也即是说，在其它类型的抛光中，可能需要在流动控制区CZ1和CZ3中有较长的停留时间，在流动控制区CZ2内有较短的停留时间。在抛光过程中，优选基片与至少三个流动控制区接触，从而在基片相应的区域调节去除速率。这样，在不同控制区内的非本征曲率可提供外形调节，例如校正中间高或边缘高的晶片形状。
权利要求
1.一种抛光垫，它包括a)一个抛光层，其构造为用来在抛光介质存在的条件下，对磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种进行抛光，所述抛光层具有旋转中心，并包含与该旋转中心同心的环状抛光轨迹，该抛光轨迹具有一宽度；b)位于所述抛光层中的许多凹槽，各个凹槽横跨所述环形抛光轨迹的整个宽度，所述凹槽的非本征曲率具有至少两个位于所述环形抛光轨迹内的突变，所述至少两个突变的方向互相相反，以增大或减小所述非本征曲率的值，并具有从第一突变径向向内的第一方向、位于第一突变和第二突变之间的第二方向、以及从第二突变径向向外的第三方向，并且至少一对相邻方向之间的方向改变为-85°至85°。
2.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，各凹槽中的至少两个突变分隔了该凹槽，使其具有内边缘流动控制段、外边缘流动控制段以及位于内边缘流动控制段和外边缘流动控制段之间的至少一个中间流动控制段。
3.如权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述内边缘流动控制段具有第一取向和第一曲率，外边缘流动控制段具有与第一取向相同的第二取向和与第一曲率相同的第二曲率。
4.如权利要求3所述的抛光垫，其特征在于，第一取向和第二取向各自为径向的。
5.如权利要求3所述的抛光垫，其特征在于，第一曲率和第二曲率各自为零。
6.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，各凹槽具有至少三个曲率突变，这至少三个曲率突变中相邻的突变是方向相反的。
7.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述环形抛光轨迹具有被宽度隔开的环形内部边界和环形外部边界，所述凹槽各自具有横跨内部边界的内边缘流动控制段和横跨外部边界的外边缘流动控制段。
8.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，N代表数目，各凹槽具有N个突变、在N个突变发生的N个过渡，以及与N个过渡区在位置上交替的N+1个流动控制段，N个过渡区中每一个的宽度不大于抛光轨迹的宽度除以2N。
9.如权利要求8所述的抛光垫，其特征在于，N个过渡区中每一个的宽度不大于抛光轨迹宽度除以4N。
10.一种用来在抛光介质存在的条件下，对磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种进行抛光的方法，该方法包括a)用抛光垫进行抛光，该抛光垫包括i)构造为用来在抛光介质存在的条件下，对磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种进行抛光的抛光层，所述抛光层具有旋转中心，并包含与该旋转中心同心的环状抛光轨迹，该抛光轨迹具有一宽度，所述环形轨迹具有至少三个流动控制区；ii)位于所述抛光层中的许多凹槽，各个凹槽横跨所述环形抛光轨迹的整个宽度，所述凹槽的非本征曲率具有至少两个位于所述环形抛光轨迹内的突变，所述至少两个突变的方向互相相反，以增大或减小非本征曲率的值，并具有从第一突变径向向内的第一方向、位于第一突变和第二突变之间的第二方向、以及从第二突变径向向外的第三方向，并且至少一对相邻方向之间的方向改变为-85°至85°；b)用所述至少三个流动控制区中的每一个来调节基片的抛光去除速率。
全文摘要
一种具有环形抛光轨迹(122)并包括大量横跨该抛光轨迹的凹槽(148)的抛光垫(104)。每个凹槽包括位于抛光轨迹内的多个流动控制段(CS1－CS3)和至少两个斜率的突变(D1、D2)。
文档编号H01L21/304GK1803398SQ200610004830
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月12日 优先权日2005年1月13日
发明者C·L·埃尔姆蒂, J·J·亨敦, G·P·穆尔唐尼 申请人:罗门哈斯电子材料Cmp控股股份有限公司