专利名称：改进的抛光垫及其抛光方法
技术领域：
本发明通常涉及用于半导体装置、存储盘等的制造过程中使用的抛光垫。更具体地说，本发明的抛光垫包括支承薄的亲水抛光层的基体，该抛光层具有特殊的表面纹理和形貌(topography)。
相关技术的描述制造集成电路和存储盘时经常需要高精密度的化学-机械抛光。这种抛光通常使用抛光垫结合使用抛光液体来完成。然而，抛光操作中不希望有的“垫-垫”差别是非常普通的，因此需求一种具有更可预知效果的抛光垫。
美国专利4,927,432描述了包括多孔热塑性树脂的抛光垫，该热塑性树脂是用纤维网例如毛毡来增强的；抛光材料是通过聚结纤维之间的树脂优选通过热处理而改性，这增加了材料的空隙率和硬度以及树脂的表面活性。
发明简述本发明涉及含有基体1和薄的亲水抛光层2的抛光垫。该抛光层具有特殊的表面纹理和形貌。“纹理”是指小于10微米级的表面特征，而“表面形貌”是指10微米或以上级别的表面特征。
本发明的基体可以包括一单层或多层并且可以包括粘合在一起的复合层。即使在基体上施加10psi的不均匀压力，至少部分基层也应当确定一平面，这一点是重要的。一个实施方式中，基层与抛光层粘合，并且该复合体抛光过程中滑过一硬组件例如平面或板。优选的基层包括塑料弹性层，特别是工程塑料例如聚酰胺、聚酰亚胺、和/或聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯或“PET”。该层优选是能够由辊拉出或易于卷绕到辊上的柔性网。
本发明的基体优选厚度小于1毫米。优选实施方式中，载体层厚度小于0.5毫米，更优选小于300微米。
优选实施方式中，本发明薄的抛光层小于500微米，更优选小于300微米，甚至更优选小于150微米，并且包括一无规表面纹理，该纹理包括不同大小和维度的孔和/或微空隙。形成薄的抛光层的优选方法是在载体层(基层)上凝固一聚合物，例如根据美国专利3,100,721中描述的“制备微孔膜和涂层的方法”，该文献在此被引进在本说明书中作参考。在另一个实施方式中，薄的抛光层被印刷、喷涂、铸塑、模塑、喷墨印刷或其它方法涂覆在载体层上，随后通过冷却或固化反应凝固。
令人惊奇地发现，薄基层与薄抛光层的结合可以产生超高效的抛光，这是由于当硬的载体压在与被抛光的衬底相对的薄抛光垫上时(并且抛光垫相对基体移动)产生更精密和可预知的抛光相互作用。该抛光垫可以制造成非常紧的公差并且(与硬载体一起)可以产生可预知的压缩能力和平面长度。“平面长度”是指跨过基本上位于一个平面并且抛光中保持在一个平面上的抛光垫表面的距离，结果晶片表面高的部件被抛光，而低的部件没有抛光，除非较高的部件被减小到更低的部件高度。
令人惊奇地发现，厚度大于1.5毫米的抛光垫更容易发生不可预知的扭曲或其它不同于原来形状的偏差。这种扭曲和/或偏差通常比本发明的薄基体更不利于超精密的抛光效果。
还惊奇地发现，本发明的薄抛光层对由于抛光操作中的材料疲劳而产生的不可预知的抛光效果更不敏感。对于本发明的抛光层，疲劳效果更可预知并且通常对抛光效果的影响降低。此外，薄的抛光层趋向于充分饱和并且比常规抛光垫更快地更可预知地与抛光浆料达到稳定的平衡态。
优选实施方式中的抛光层基本上没有宏观缺陷。“宏观缺陷”是指尺寸大于25微米(长、宽或高)的凸纹或其它突出于抛光垫表面的突出。
宏观缺陷不能与“微观粗糙”混淆。微观粗糙是指尺寸小于10微米(长、宽或高)的凸纹或其它突出于抛光垫表面的突出。令人惊奇地发现，微观粗糙通常有利于超精密抛光，特别是制造半导体装置中的抛光，优选实施方式中，抛光层在抛光面上形成大量微观粗糙。
此外，本发明的抛光层包括一种亲水物质。该抛光层优选具有下述特征i密度大于0.5g/cm3；ii临界表面张力大于或等于34mN/m；iii拉伸模量为0.02-5GPa；iv30℃的拉伸模量与60℃的拉伸模量之比为1.0-2.5；v肖氏硬度为15-80D；vi屈服应力为300-6000psi(2.1-41.4MPa)；vii拉伸强度为1000-15,000psi(7-105MPa)；viii断裂伸长小于或等于500％。优选实施方式中，抛光层还包括大量软区域和硬区域。软区域可以是聚合物。硬区域可以是陶瓷颗粒。可以加入到抛光层中的颗粒包括氧化铝、碳化硅、氧化铬、氧化铝-氧化锆、硅石、金刚石、氧化铁、氧化铈、氮化硼、碳化硼、石榴子石、氧化锆、氧化镁、二氧化钛、和它们的混合物。
本发明的抛光垫可以制成放置在硬板上例如常规半导体平面化装置的圆形台上。它们也可以以卷绕的网的形式用在线形平面装置中，该网可以铺在抛光过程中为抛光垫提供硬平面的板上。抛光垫的另一种形式是连续带。
优选实施方式的详细描述本发明涉及一种抛光或抛平衬底，特别是制造半导体装置、存储盘等的衬底中使用的改进的抛光垫。本发明的组合物和方法也可以用于其它工业中，并且可以应用于下列材料中的任何一种，例如该材料非限定性地包括硅、二氧化硅、金属(非限定性地包括钨、铜、和铝)、介电材料(包括聚合介电材料)、陶瓷和玻璃。
本发明的抛光垫包括具有外表面的抛光层。制备本发明抛光层的优选方法包括1铸塑，2聚结，3喷涂，4模塑，5印刷(包括喷墨印刷)，或6任何使可流动物质定位和凝固由此形成至少部分抛光垫形貌的类似方法。
通过流动和凝固在本发明的抛光层(不切割)上产生至少部分形貌，抛光层表面要比机加工经受少得多的干扰或破坏；因此本发明的抛光垫具有极少的宏观缺陷，并且通常改善了抛光效果和该效果的可预知性。
抛光垫通常在使用前进行加工。该加工产生或增大了该垫的纹理。使用中，该纹理可能经受不希望的塑性流动并且可能被碎屑污染。结果，抛光垫通常在有效期内定期地进行再加工以产生最佳的微观形貌。某些实施方式中，本发明的抛光垫比常规抛光垫使用中需要更少的再加工。
优选实施方式中，垫的宏观结构作为制造方法中的组成部分引入到抛光层的表面上。实现该过程的可能方法就是使用现有的模塑突出物，其中抛光垫材料开始时围绕该突出物流动和凝固。此时，宏观形貌可以在抛光垫材料固化的同时在抛光层外表面形成。该形貌优选包括一个或多个凹痕，其平均深度和/或宽度大于0.1，更优选0.4，甚至更优选0.6毫米。该宏观形貌有利于抛光液体的流动并由此增加了抛光效果。
优选实施方式中，抛光垫材料充分地亲水以使产生的临界表面张力大于或等于34mN/m，更优选大于或等于37，最优选大于或等于40mN/m。临界表面张力定义了固体表面的湿润性，通过记录一种液体可以产生并且在那种固体上还仍然能够产生大于0的接触角的最低表面张力。因此，具有更高临界表面张力的聚合物更易于湿润并由此更亲水。常用聚合物的临界表面张力如下聚合物 临界表面张力(mN/m)聚四氟乙烯 19聚二甲基硅氧烷 24硅橡胶 24聚丁二烯 31聚乙烯 31聚苯乙烯 33聚丙烯 34聚酯 39-42聚丙烯酰胺 35-40聚乙烯醇 37聚甲基丙烯酸甲酯39聚氯乙烯39聚砜41尼龙6 42聚氨酯 45聚碳酸酯45一个优选实施方式中，抛光垫基质来自于至少下述物质1丙烯酸酯化聚氨酯；2丙烯酸酯化环氧树脂；3具有羧基、苄基或酰胺官能团的烯化不饱和有机化合物；4具有不饱和羰基侧链的氨基塑料衍生物；5具有至少一个丙烯酸酯基侧链的三聚异氰酸酯衍生物；6乙烯基醚；7聚氨酯；8聚丙烯酰胺；9乙烯/酯共聚物或其酸衍生物；10聚乙烯醇；11聚甲基丙烯酸甲酯；12聚砜；13聚酰胺；14聚碳酸酯；15聚氯乙烯；16环氧树脂；17上述化合物的共聚物；或18它们的混合物。
优选的抛光垫材料包括聚氨酯、碳酸酯、酰胺、砜、氯乙烯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯醇、酯或丙烯酰胺部分。该抛光垫材料可以是多孔的或无孔的。一个实施方式中，基质是无孔的，而另一个实施方式中，该基质是无孔的并且没有纤维增强。
一个优选实施方式中，该抛光层材料包括1抛光过程中阻止塑性流动的大量硬区域；和2抛光过程中较少阻止塑性流动的大量不太硬区域。这些性能的结合产生了双重机理，该机理被发现对抛光二氧化硅和金属特别有利。硬区域倾向于使突出严格地与抛光界面啮合，而软区域倾向于增加突出与被抛光衬底表面之间的抛光作用。
在任何维度(高、宽或长)上，硬相大小优选小于100微米，更优选小于50微米，甚至更优选小于25微米，最优选小于10微米。同样，非硬相也优选小于100微米，更优选小于50微米，甚至更优选小于25微米，最优选小于10微米。优选的两相材料包括具有软链段(产生非硬相)和硬链段(产生硬相)的聚氨酯聚合物。该区域是由于两种(硬和软)聚合物链段之间的不相容性，在抛光层形成过程中通过相分离形成的。
具有硬链段和软链段的其它聚合物也可以适当的包括乙烯共聚物、共聚酯、嵌段共聚物、聚砜共聚物和丙烯酸共聚物。抛光垫材料中的硬区域和软区域也可以通过下述方式产生1聚合物骨架中的硬链段和软链段；2抛光垫材料中的结晶区和非结晶区；3硬聚合物与软聚合物共混；或4聚合物与有机填料或无机填料结合。有用的这些组合物包括共聚物、聚合物混合物、互穿聚合物网络和类似物。引用在本说明书中作参考的申请09/049,864描述了硬区域可以是陶瓷颗粒，特别是氧化物，最特别是金属氧化物。可以引入到抛光层中的颗粒包括氧化铝、碳化硅、氧化铬、氧化铝-氧化锆、硅石、金刚石、氧化铁、氧化铈、氮化硼、碳化硼、石榴子石、氧化锆、氧化镁、二氧化钛、和它们的混合物。
产生宏观沟槽或宏观凹痕的优选方法是压花和印刷。宏观凹痕在抛光操作中为抛光液体提供大的流动沟槽是有用的。
形成包括至少部分宏观形貌的抛光垫的抛光层之后，外表面还可以通过增加微观形貌而进一步改变。该微观形貌优选通过相对磨料表面移动抛光层表面而产生。优选实施方式中，磨料是大量硬颗粒嵌入(优选是永久固定在)其表面的旋转结构(磨料可以是圆形、方形、矩形、椭圆形或任何几何形状)。硬颗粒相对于抛光垫表面的移动引起抛光垫表面的塑性流动、碎裂或其组合作用(在与颗粒接触的点)。磨料表面不一定要相对抛光垫表面转动；磨料表面可以多种方式相对抛光垫移动，包括振动、线移动、无规轨道移动、滚动或类似方式。
由于磨料表面产生的塑性流动、碎裂或其组合方式在抛光垫的外表面产生微观形貌。微观形貌包括微观凸痕以及与凹痕至少一侧相邻的微观突出。一个实施方式中，微观突出占抛光垫的抛光表面至少0.1％的表面面积，微观凹痕的平均深度小于50微米，更优选小于10微米，微观突出的平均高度小于50微米，更优选小于10微米。优选的是，磨料表面产生的这样的表面改变将引起少量磨料从抛光层中移出，甚至仅仅是在不引起有实际价值量(如果有的话)的抛光垫材料从抛光层中分离的情况下在抛光垫中产生凹痕。然而，尽管不是优选的，但是只要产生微观形貌，抛光垫材料的少量磨料移出就可以接受。
另一个实施方式中，至少一部分微观凹痕或微观突出也可以在制造方法中通过在抛光垫表面引入适当的特征而产生。制造抛光垫过程中形成微观形貌和宏观形貌可以减小或甚至取消再加工间断的必要。这种形成方法与形成之后通过表面改变的形成方法相比可以使微观形貌更可控和更可靠地复制。
被引用在本说明书中作参考的申请序列号09/129,301描述了通过挤出制备抛光垫的方法，其中将得到的抛光垫片材两端缝合形成抛光带，或者可以将片材切割成任意形状或大小的抛光垫。
本发明的抛光垫优选与抛光液体例如抛光淤浆结合起来使用。抛光过程中，抛光液体位于抛光垫的抛光表面与被抛光衬底之间。由于抛光垫相对于抛光衬底作相对移动，因此微观凹痕提高了抛光液体沿界面(抛光垫和被抛光衬底之间)流动。这种提高了的流动通常具有更有效和更高效的抛光效果。
由于至少部分宏观形貌不是通过外部方式(例如机加工)产生的，因此宏观形貌不易于产生宏观缺陷例如凹纹或突出。业已发现，可以通过提供具有非常少的宏观缺陷的抛光面和显著减小陷入宏观凹痕中的碎屑(否则将限制了抛光液体的流动)来提高抛光垫的性能。
使用时，本发明的抛光垫优选附着在平板或滑过硬平板，然后充分贴近抛光件或抛平物。表面不规则物去除的速率取决于多种参数，包括抛光物表面的抛光压力(反之亦然)；抛光垫与抛光物之间相对移动的速度；和抛光液体的成分。
抛光垫抛光时，微观形貌可能经历磨损去除或降低抛光效果的塑性流动(微观突出变平或不再明显)。然后随着进一步加工，微观突出将再次形成，例如抛光垫再次相对磨料表面移动并引起材料再次形成凹痕。对本发明抛光垫来说，这种再加工通常不再严格和/或不需要，而现有抛光垫通常却是严格和需要的。
优选加工用的摩擦表面是盘，该盘优选是金属的并且优选嵌入了大小为1微米-0.5毫米的金刚石。加工时，加工盘和抛光垫之间的压力优选为0.1-25psi。盘旋转的速度优选为1-1000rpm。
优选的加工盘为直径4英寸100目粒度(grit)金刚石盘，例如R.E.科学公司生产的RESITM盘。最好的加工条件如下向下压力为10psi，板速75rpm，刮扫曲线为钟形，预加工间断刮扫次数为15，晶片间补充加工刮扫次数为15。
视具体情况而定，加工可以在加工液存在下进行，优选为含有磨料颗粒的水基液体。
根据抛光层的组成，抛光液体优选是水基的，可以含有磨料颗粒也可以不含有磨料颗粒。如果抛光层含有磨料颗粒，抛光液体就不需要含有磨料颗粒。
实施例实施例1该实施例说明，使用常规淤浆的薄抛光垫而不需要机加工，就能够得到好的抛光效果。
在预涂有粘结促进层的7mil聚酯膜的片材上喷涂含有2wt％(40vol％)聚合微球(Expancel)的水基胶乳聚氨酯(购自Witco的W242)。涂覆多层以达到所需要的厚度(3mil)，每涂一层进行干燥。干燥后，将片材表面轻微砂磨以去掉高的突出并提供合适的抛光纹理。在片材的背后涂覆压敏粘合剂，然后从片材上冲切下直径28英寸的圆形抛光垫。
用该抛光垫抛光沉积在硅片上的TEOS氧化物膜。抛光在Strasbargh 6DS-SP上进行，向下压力为9psi，板速为20rpm，载体速度15rpm。淤浆是购自Rodel的ILD1300，流速为125mil/min。抛光过程中以及晶片与晶片之间都没有进行抛光垫的加工。对10％的不均匀性达到了600A/min的稳定去除速率。
实施例2该实施例说明，抛光垫中引入磨料并且用含有活性液体的非磨料抛光液进行抛光的能力。
在预涂有粘结促进层的7mil聚酯膜的片材上喷涂含有70wt％含颗粒淤浆(SCP’s)的水基胶乳聚氨酯(购自Witco的W242)。SCP’s中含有95wt％的氧化铈。涂覆多层以达到所需要的厚度(15mil)，每涂一层进行干燥。在片材的背后涂覆压敏粘合剂，然后从片材上冲切下直径28英寸的圆形抛光垫。
用该抛光垫抛光沉积在硅片上的TEOS氧化物膜。抛光在Strasbargh 6DS-SP上进行，向下压力为6psi，板速为65rpm，载体速度50rpm。抛光中使用的液体为pH值为10的氢氧化铵溶液，流速为100mil/min。该抛光垫在抛光之前进行预加工，去掉高的突出，并且在抛光过程中使用100目粗砂加工盘重复加工。达到的稳定去除速率为1500A/min。
上述所有内容都不构成对本发明的任何限定。本发明的所有限定仅在后面给出的权利要求中。
权利要求
1.一种抛光用于制造半导体装置中使用的衬底或其前体的方法，包括在衬底和薄垫之间放一液体，其中的薄垫含有一抛光层，该抛光层进一步包括一抛光面；在液体或辅助液体存在于两表面之间的前提下，将抛光面和衬底表面彼此相对运动并相互加有偏压，该液体保证平均至少50％的表面不接触在一起；施加小于25psi的均力将两表面偏压在一起，压缩抛光面5微米以下，由此使抛光面具有一平行于大部分基体表面的平面构型，所述抛光面包括大量纳米级粗糙；所述抛光层的厚度小于或等于1毫米，抛光层粘结在载体膜上，该载体膜的厚度小于或等于1毫米，抛光垫的平均总厚度小于或等于3毫米，所述抛光层具有基本上由下述特征的抛光材料构成的抛光面i密度大于0.5g/cm3；ii临界表面张力大于或等于34mN/m；iii拉伸模量为0.02-5GPa；iv30℃的拉伸模量与60℃的拉伸模量之比为1.0-2.5；v肖氏硬度为15-80Dvi屈服应力为300-6000psi；vii拉伸强度为1000-15,000psi；viii断裂伸长小于或等于500％，所述抛光材料至少包括一部分选自下面的物质1聚氨酯；2碳酸酯；3酰胺；4酯；5醚；6丙烯酸酯；7甲基丙烯酸酯；8丙烯酸；9甲基丙烯酸；10砜；11丙烯酰胺；12卤；13酰亚胺；14羧基；15羰基；16氨基；17醛基；和18羟基。
2.根据权利要求1的抛光垫，其中通过下述方式将宏观形貌引入到抛光面上i压花；ii模塑；iii印刷；iv铸塑；v烧结；v光刻；vii化学蚀刻；或viii喷墨印刷。
3.根据权利要求2的抛光垫，其中所述抛光面是通过喷墨印刷形成的。
4.根据权利要求1的抛光垫，其中所述抛光面当放大1000倍观察时，每平方毫米抛光面平均具有少于2个能看出的宏观缺陷。
5.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光材料还包括多个软区域和多个硬区域，硬区域和软区域的平均尺寸小于100微米。
6.根据权利要求5的抛光垫，其中硬区域和软区域是通过抛光层形成时的相分离形成的，该抛光层含有具有多个硬链段和多个软链段的聚合物。
7.根据权利要求3的抛光垫，其中抛光层基本上由两相聚氨酯组成。
8.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光层是通过挤出方法以片的形式形成。
9.根据权利要求8的抛光垫，其中所述片具有起始边和末端边，该两边结合起来形成连续的带。
10.根据权利要求8的抛光垫，其中所述片被切割成任意大小和形状的垫。
11.权利要求1的抛光垫还包括周围固化有可流动物质的插入物。
12.根据权利要求1的抛光垫，其中该垫的平均长宽比至少为400。
13.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光层还包括磨料颗粒。
14.一种抛平硅、二氧化硅或金属衬底的方法，包括a)提供含有抛光层的抛光垫，所述抛光层基本上由亲水抛光层构成，其厚度小于或等于1毫米，所述抛光层包括一个基本上由下述特征的抛光材料组成的抛光面，所述特征包括i密度大于0.5g/cm3；ii临界表面张力大于或等于34mN/m；iii拉伸模量为0.02-5GPa；iv30℃的拉伸模量与60℃的拉伸模量之比为1.0-2.5；v肖氏硬度为15-80Dvi屈服应力为300-6000psi；vii拉伸强度为1000-15,000psi；viii断裂伸长小于或等于500％，所述抛光材料包括至少一部分选自下面的物质通过加速异氰酸酯反应的催化剂制备的聚氨酯，其中所述催化剂不含有铜、钨、铁或铬；碳酸酯；酰胺；酯；醚；丙烯酸酯；甲基丙烯酸酯；丙烯酸；甲基丙烯酸；砜；丙烯酰胺；卤；和羟基，所述抛光面含有通过固化可流动物质而形成的宏观形貌，和b)用所述抛光垫通过化学-机械作用抛光金属、硅或二氧化硅衬底。
15.根据权利要求14的方法，其中所述宏观形貌通过下述方式引入到抛光面上i压花；ii模塑；iii印刷；iv铸塑；v烧结；v光刻；vii化学蚀刻；或viii喷墨印刷。
16.根据权利要求14的方法，其中抛光面通过使磨料介质贴着抛光面运动而产生大量微观粗糙，所述磨料介质含有大量硬颗粒。
17.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光层基本上由下述物质组成聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚砜、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、乙烯共聚物、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚乙烯亚胺、聚酮和其混合物。
18.一种抛光半导体装置衬底的方法，包括在具有无规表面纹理的亲水抛光面上产生大量微观粗糙，所述抛光面不具有内在的吸附或运送大量淤浆颗粒的能力，所述微观粗糙是通过使磨料介质贴着抛光面相对运动而形成的，和使用所述具有微观缺陷的抛光层，利用衬底和抛光层之间大于0.1kg/m2压力来抛光硅、二氧化硅、玻璃或金属衬底。
19.权利要求18的方法，还包括通过再次使磨料介质贴着抛光面相对移动而定期地在抛光衬底过程中更新微观粗糙。
20.根据权利要求19的方法，其中所述磨料介质初始时比其后当微观粗糙更新时更严格地嵌入抛光垫以产生微观粗糙。
21.一种化学机械抛光中使用的抛光垫，包括抛光层，它基本上由不具有内在的吸附大量淤浆颗粒能力的亲水抛光层组成，所述抛光层具有连续的或不连续的抛光面，该抛光面基本上由有下述特征的抛光材料组成i密度大于0.5g/cm3；ii临界表面张力大于或等于34mN/m；iii拉伸模量为0.02-5GPa；iv30℃的拉伸模量与60℃的拉伸模量之比为1.0-2.5；v肖氏硬度为15-80Dvi屈服应力为300-6000psi；vii拉伸强度为1000-15,000psi；viii断裂伸长小于或等于500％，所述抛光层含有具有至少一个沟槽和与所述沟槽相邻的抛光面的表面形貌，所述沟槽宽度至少为0.01毫米，深度至少为0.01毫米，长度至少为0.1毫米，所述表面形貌有一过渡区，为表面形貌的一部分的所述过渡区从抛光面过渡到所述沟槽边缘面，所述沟槽的边缘面位于第一平面上，该平面与抛光面存在的第二平面不同，所述过渡区定义了一部分桥接第一和第二平面的抛光面，整个抛光面的过渡区具有不足10个大于25微米每毫米沟槽长度的宏观缺陷。
全文摘要
本发明涉及用于制造半导体装置或类似物中使用的改进的抛光垫。本发明的抛光垫具有亲水抛光材料的优点并且足够薄,通常用来改善可预知性和抛光效果。
文档编号B24B37/04GK1336861SQ00802934
公开日2002年2月20日 申请日期2000年1月21日 优先权日1999年1月21日
发明者D·B·詹姆斯, L·M·库克, A·R·贝克 申请人:罗德尔控股公司