起伏的垫修整器及其使用方法

专利名称：起伏的垫修整器及其使用方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于修整抛光垫的垫修整器。抛光垫可以配置成用于抛光各种材料，包括例如塑料、玻璃和半导体晶片。更特别地，本发明涉及一种带有起伏表面的垫修整器。
背景技术：
在制造期间，用于半导体制造的半导体晶片通常经历很多的处理步骤，包括沉积、形成花纹和蚀刻步骤。在生产工程研究国际机构的年鉴(1990/2/39卷)pp.621-635中发表的“硅的研磨加工”中，Tonshoff等报告了用于半导体晶片的这些制造步骤的细节。在每个制造步骤中，经常需要或希望改变或精制晶片的暴露表面，以为后续的制作或制造步骤做好准备。
例如，在沉积步骤后，晶片表面上的沉积材料或层通常在另外的沉积或后续处理进行之前需要进行其它的处理。又例如，在蚀刻步骤后，通常需要在晶片的刻蚀表面区域上的层中沉积导电材料或绝缘材料。
在每个步骤中，通常希望实现预定水平的表面均一性。还希望去除表面缺陷，比如凹坑和刮痕。这种表面不规则会影响半导体器件的性能，或在后续处理步骤期间引发问题。
改变或精制晶片的暴露表面的一个方法包括用包含分散在液体中的多个松散的研磨颗粒的浆料处理晶片表面。通常，该浆料涂覆到抛光垫上，然后靠在垫上移动晶片表面，以去除或弄走晶片表面上的材料。浆料也可以包含与晶片表面起化学反应的剂。这种处理通常称作化学-机械平整化或抛光(CMP)处理。CMP处理的变化采用通常带有无研磨料工作流体的固定研磨件作为抛光垫。
CMP的一个问题是，为了获得所希望的晶片表面形貌，必须小心地监视处理。抛光垫的使用历程可能会例如影响抛光效果。在CMP期间，用于研磨泥浆类型的CMP作业的抛光垫的表面变得非常光滑，从而不能容纳或分配研磨浆料以及其它不能以满意的速率和均一性抛光。修整抛光垫表面，使它维持在用于CMP的正常形式。
其它工艺使用的抛光垫也需要修整。例如，用于玻璃和塑料抛光的抛光垫需要修整。在某些应用中，抛光垫可能包含研磨料。例如，美国专利No.5,958,794(Bruxvoort等)公开了一种用于抛光晶片的固定研磨件。
抛光垫用通常被称为垫修整器的研磨件来修整。在重复修整步骤后，垫修整器最终被耗尽。当垫修整器变得不能以满意的速率和均一性修整抛光垫时，它就被耗尽了。因此，如果其使用寿命可以延长，就会增加垫修整器的价值。
在重复修整作业后，抛光垫也变得耗尽，需要更换。在抛光垫更换期间，CMP设备无法利用，生产减少。侵蚀性太大以及磨耗抛光垫太快的垫修整器也会牺牲生产。大多数研磨件，包括垫修整器在内，都只能为一个工艺和一种工件进行优化。例如，如果所选择的垫修整器侵蚀性太大以及磨耗抛光垫太快，可替代使用带有较低的切削率的另一垫修整器。但是，一批用于各种工件的各种垫修整器的管理，导致制造环境的复杂性，增加了库存成本。因此，如果它可以为多个工艺以及各种工件进行优化，也会增加垫修整器的价值。

发明内容
本发明提供一种用于修整抛光垫的研磨件。更特别地，本发明涉及一种带有起伏表面的垫修整器，起伏表面可以增加垫修整器的使用寿命。起伏表面也允许改变垫，以用于多种工艺和各种抛光垫。
在一个方面，本发明提供一种具有研磨盘和起伏盘的垫修整器。研磨盘具有修整抛光垫的研磨表面。起伏盘具有紧邻研磨盘的起伏表面。起伏盘具有形成起伏表面的至少一个凸出部分和至少一个凹进部分。研磨盘可释放地固定到凹进部分的至少一部分上，以形成起伏研磨表面。
在另一个方面，本发明提供一种具有起伏板和背衬板的起伏盘。选择起伏板的材料和尺寸，使得研磨盘比起伏盘更柔韧。
在另一个方面，本发明提供一种带有可以转换角度(index)的研磨表面的起伏的垫修整器。研磨盘可相对于起伏盘旋转，以对起伏的研磨表面进行转换角度。研磨盘在其基板上具有一些分度孔(indexinghole)，起伏盘具有一些基板安装孔。研磨盘用一个或多个可拆除的紧固件可释放地固定到起伏盘上。在某些实施例中，分度孔的数量至少是基板安装孔的数量的两倍。
在另一个方面，本发明提供一种带有有花纹的起伏表面的起伏盘。有花纹的起伏表面具有例如台阶花纹。
还提供了用于修整抛光垫的方法。该方法包括使抛光垫与具有起伏研磨层的研磨件相接触。相对于抛光垫移动研磨件，以改变垫的表面。
在本发明的另一个方面，提供的该方法包括对垫修整器的研磨表面进行转换角度。研磨表面可以通过相对于起伏盘转动研磨盘至第二可释放固定位置而转换角度。
上述的概要目的不在于描述本发明披露的各个实施例或每个实施。下面的附图和详细说明更特别是作为说明性的实施例的例子。


图1是示例性垫修整器的透视图；图2是示例性起伏盘的透视图；图3是附着有研磨盘的示例性起伏盘的截面侧视图；图4是带有两组分度孔的示例性起伏盘的底侧视图；图5是随时间变化的累计切削率的曲线图；和图6是随使用持续时间变化的切削率的曲线图。
具体实施例方式
在整个申请中，适用下列定义“起伏”表面指不平的表面。起伏表面包括凸出部分和凹进部分。起伏表面可具有花纹，或者是不规则的。
“有花纹的起伏表面”是带有可识别的图样或构造的起伏表面。有花纹的起伏表面包括例如波纹、螺旋形和台阶。当起伏表面以正弦曲线状的式样从凸出部分转变为凹进部分时，就形成了波纹花纹。正弦曲线垂直于表面形成，通常绕表面中心跟随半径。除了凸出部分和凹进部分具有平的区域外，台阶花纹类似于波纹花纹。当凸出表面形成绕表面中心的螺旋形时，形成了螺旋形花纹。有花纹的起伏表面可以包括其它花纹，包括例如方格盘、波尔卡圆点、条纹等等。
术语“偏移量”用于指在凸出部分的中心上的平面与在起伏表面的凹进部分的中心上的平面之间的距离。例如，如果起伏表面具有基本上平的表面，其两个柱面在平的表面之上延伸2mm，以便各柱面的中心轴垂直于平的表面，起伏表面的偏移量为2mm。偏移量可以在这里所述的起伏盘的表面或者在研磨表面上测量。
术语“抛光垫”用来指诸如聚合体薄片、泡沫、纤维织物的材料或者用于在摩擦抛光工艺中改变工件的表面的固定研磨件。抛光工艺通常能减少工件表面上的刮痕或凹坑的深度。抛光垫典型地与工作流体一起使用，其可以用研磨浆料，也可以不用研磨浆料。垫修整器改变抛光垫的表面，抛光垫又改变工件的表面。
本发明提供一种具有起伏表面的垫修整器。使带有起伏盘的垫修整器变形，形成了起伏表面。起伏盘允许使用者调整垫修整器的研磨性质。例如，如果所选择的垫修整器的切削率随着所选择的垫修整器和抛光垫的表面接触面积的增加而增加，可变形垫修整器以减少它的切削率。垫修整器的类型和变形程度调整了垫修整器的研磨性质。相反地，在其它构造中，切削率可随着垫修整器从具有基本上平的表面转变为具有起伏表面而增加。
图1显示了起伏的垫修整器的一个实施例。如图1所示，起伏的垫修整器包括起伏盘10、基板14和研磨层12。研磨层12具有研磨表面16。
研磨层12可以构成包括带有固定到背衬上的研磨表面16的背衬。与背衬一起构成的研磨层12可以消除对基板14的需要。
研磨表面16是适于修整抛光垫的纹理表面。例如，研磨表面可包括研磨颗粒和基体材料，如美国专利No.6,123,612(Goers)所述，该专利在此引入作为参考。本领域已知的其它技术，包括电镀、烧结和铜焊，也可以用于将研磨颗粒附着到背衬上，以形成研磨表面。
根据所指定的应用选择研磨颗粒的尺寸和类型。适合的研磨颗粒包括，例如熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理氧化铝、碳化硅、碳化硼、碳化钨、氧化铝锆、氧化铁、金刚石(自然和合成)、二氧化铈、三氮化硼、石榴石、金刚砂、次氧化硼及其组合。在某些优选实施例中，研磨颗粒的莫氏硬度至少为8。在其它实施例中，莫氏硬度至少约为9。在另外的其它实施例中，莫氏硬度至少约为10。
在本发明中使用的研磨颗粒的平均粒度至少约为3微米。在某些实施例中，研磨颗粒的平均粒度至少约为20微米。在其它实施例中，研磨颗粒的平均粒度至少约为40微米。在另外的其它实施例中，研磨颗粒的平均粒度至少约为80微米。在本发明中使用的研磨颗粒的平均粒度小于约1000微米。在某些实施例中，研磨颗粒的平均粒度小于约600微米。在其它实施例中，研磨颗粒的平均粒度小于约300微米。
在某些实施例中，研磨颗粒可以为研磨球团的形式，所述研磨球团包括粘结在一起形成单一颗粒的多个单个研磨颗粒。研磨球团可以为不规则形状，或者可以具有一预定形状。研磨颗粒还可以包括表面处理层，例如，偶联剂或者金属或陶瓷涂层。
用在研磨层中以固定研磨颗粒的基体材料可包括金属，例如锡、青铜、银、铁及其合金或其组合。基体材料还可包括其它金属和金属合金，包括例如不锈钢、钛、钛合金、锆、锆合金、镍和镍合金。基板36可由任意适当的材料制成，例如不锈钢箔、镍或可从IllinoisChicago Mc Master-Carr供给公司买到的商标为“INCONEL”的镍-铬-铁合金。
无论是何种形式，研磨表面都构成为能够研磨、抛光或其它打磨抛光垫的表面。表面通常被研磨表面和抛光垫之间的相对运动打磨，以产生所希望的研磨应用所需要的摩擦。
图2显示了示例性起伏盘10的透视图。如图2所示，起伏盘10包括凸出部分26、凹进部分28、起伏板20和背衬板22。起伏板20具有三个从中心向外延伸并分开角度为α的空隙的臂。臂形成起伏盘的凸出部分26。起伏板的空隙区域形成凹进部分28。在某些优选实施例中，起伏盘具有三个由圆形区域连接在一起的臂，其中α约为40度。起伏板20和背衬板22可以为如图2所示的分离件，或者它们可以一体化，形成如图1所示的单件。
在某些优选实施例中，起伏盘10的凸出部分26在凹进部分28上延伸至少0.5mm，以形成至少0.5mm的偏移量。其它实施例的起伏盘具有较大的偏移量，例如0.75mm或1.0mm。在某些实施例中，起伏盘的偏移量在0.050mm和0.5mm之间，包括例如0.25mm的偏移量。
可改变起伏盘的凸出部分和凹进部分的相对表面面积。在某些优选实施例中，凸出部分的表面面积包括起伏盘的表面的至少约50％。有些实施例的凸出部分的表面面积包括起伏盘的表面的至少约33％。在其它实施例中，凸出部分的表面面积包括起伏盘的表面的至少约10％。在某些优选实施例中，凸出部分的表面面积包括起伏盘的表面的约50％以下。有些实施例的凸出部分的表面面积包括起伏盘的表面的约66％以下。在其它实施例中，凸出部分的表面面积包括起伏盘的表面的约90％以下。
起伏盘10的凸出部分26可具有花纹，或者是不规则的。在某些优选实施例中，起伏盘具有如图2所示的台阶花纹。在其它实施例中，起伏盘具有正弦波形花纹。
图3是附着有研磨盘32的示例性起伏盘10的截面侧视图。如图3所示，研磨盘32具有基板14和具有研磨表面16的研磨层12。起伏盘10的背衬板22包括允许可拆除的紧固件34穿过的基板安装孔。在某些优选实施例中，基板14具有与基板安装孔24对齐的螺纹孔。研磨盘32用紧固件34附着到起伏盘上。然后紧固件34用于使基板14变形，形成起伏研磨表面16。
旋松或拧紧紧固件34可调整研磨表面的偏移量。例如，如果希望较大的偏移量，可以拧紧紧固件34。同样，旋松紧固件34会减小研磨表面的偏移量。用于研磨盘32和起伏盘10所选择的材料和尺寸将影响在研磨表面16上实现的偏移量。在某些优选实施例中，基板14设计得比背衬板22更柔韧。例如，当基板14和背衬板22由同样材料制成时，背衬板可以设计得比基板厚(即柔性更小)。作为选择，背衬板和基板可由不同材料制成。
在某些实施例中，起伏盘由金属制成，例如钢或铝。起伏盘也可以由其它材料制成，包括例如塑料、橡胶或陶瓷。起伏盘也可以由组合材料制成。例如，背衬板可以由较硬的材料制成，例如金属，起伏板可以由较软的材料制成，例如橡胶。
在某些优选实施例中，基板由聚碳酸酯制成。基板也可以由其它材料制成，包括例如填充和未填充塑料，比如环氧树脂、聚砜、酚醛树脂、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸脂、聚烯烃、苯乙烯及其组合。
用于图3所示的实施例的紧固件34为螺栓。也可以使用能够将研磨盘保持到起伏盘上的其它紧固件。紧固件可以临时将研磨盘固定到起伏盘上，比如用可拆除的带螺纹的螺钉或螺栓。临时或可拆除的紧固件的例子包括例如螺钉、螺栓、销、铆钉、固定杆、夹具、钩环系统、夹子等等。
可以改变紧固件的方向。例如，图3所示的实施例的螺栓定向为，通孔在起伏盘上，螺纹孔在研磨盘上。方向也可以相反，即，用于螺栓的通孔在研磨层上，螺纹孔在起伏盘上。
图4是研磨盘的示例性基板的底侧视图。如图4所示，基板14具有第一组分度孔38和第二组分度孔40。第一和第二组分度孔38、40绕研磨盘的中心偏移角度β。分度孔允许研磨盘在一个以上的位置上固定到起伏盘上。每组分度孔38、40配置成与基板安装孔24对齐。例如，图4所示的研磨盘可以与类似于图2的具有几个基板安装孔的起伏盘一起使用。九个基板安装孔能够使用第一组分度孔38或第二组分度孔40紧固研磨盘。在使用期后，研磨盘可被拆除，随后使用另一组分度孔重新附着到起伏盘上，以暴露研磨表面的未使用部分。这样，研磨盘的使用寿命延长。
也可以使用其它多个分度孔。例如，如果起伏盘具有四个凹进部分，每个凹进部分具有一个基板安装孔，总共有四个孔，那么研磨盘可以具有三组或三组以上的分度孔，每组具有四个孔。作为选择，研磨盘可以通过改变凹进部分之间的紧固件而转换角度。这样，研磨盘不会相对于起伏盘旋转，以将研磨表面转换角度。例如，如果起伏盘具有八个凹进部分，可仅仅使用其中四个凹进部分上的紧固件来调整研磨表面的偏移量。于是，研磨表面可以通过将紧固件移动至剩余四个凹进部分而转换角度。
在某些优选实施例中，研磨面可以在没有从修整器组件上拆除垫修整器的情况下转换角度。这可以通过本领域已知的任意装置来完成，包括在起伏盘中的径向切槽安装孔。在其它实施例中，研磨表面可以在垫修整器正在修整抛光垫的同时转换角度。这可以通过本领域已知的任意装置来完成，例如用于起伏盘和研磨盘的同轴轴或者起伏盘与研磨盘之间的行星齿轮。在这样的实施例中，研磨盘可以使用接合紧固件的一系列径向凹槽附着到起伏盘上，所述紧固件可以在凹槽内滑动。凹槽可以定位在起伏盘的表面上，相应的滑动紧固件固定到研磨盘上。
本发明的优点和其它实施例由如下的例子进一步显示，但是，在这些例子中所述的特定材料及其量以及其它情况和细节不应当解释为对本发明的限制。例如，起伏盘可以是一个整体，或者是起伏板和背衬板的组合。另外，例子修整聚碳酸酯代替抛光垫，以提供带有更容易测量的切削率和累计切削量的测试件。例子表明，起伏的垫修整器可被用于调整材料去除比率，减小在垫修整器的切削率随时间的可变性。除非另有陈述，所有部分和百分比都是指重量。
例1A。
研磨盘通过使用双侧条将研磨材料附着到基板上制备。研磨材料是可从MN St.Paul的3M公司买到的“472L、40μm碳化硅精滚光薄膜”，其被切割成直径为83mm并带有19mm的中心孔的圆盘。基板是厚度为6.3mm、直径为83mm的聚碳酸酯圆盘。基板被钻孔，并攻丝成带有在30mm的直径上彼此等间距间隔放置的六个10-24 UNC螺纹。
起伏盘通过将起伏板放置到背衬板上而制备。起伏板是0.6mm厚的聚丙烯薄片，其被切割成85mm的直径。起伏板配置有三个类似于图2所示的起伏板20的三个臂。角度α为40度。背衬板是1.27mm的铝板，其被切割成100mm的直径。六个通孔钻在背衬板的30mm直径上，以配合基板上的螺纹孔。
研磨盘使用三个螺钉附着到起伏盘上。使用螺钉拉动研磨盘的基板，使之在三个凹进部分与起伏盘的背衬板相接触。
可从俄克拉荷马州Muskogee的Gerber-Coburn买到的Gerber Apex透镜抛光机用于测试研磨性能。12mm厚的聚碳酸酯圆盘用作测试工件。用聚碳酸酯代替抛光垫，以提供带有更容易测量的切削率和累计切削量的测试件。通过测量工件的累计切削量来测试起伏的垫修整器。结果显示在表1和图5、6中。
例1B。
对于例1B，例1A所使用的研磨盘绕起伏盘转动(即转换角度)60度，使用与例1A相同的测试进行重新测试。转动之后，三个螺钉位于例1A的起伏盘的相同的通孔和研磨盘的另外的螺纹孔中。
使用螺钉拉动研磨盘的基板，使之在三个凹进部分与起伏盘的背衬板相接触。通过测量工件的累计切削量来测试起伏的垫修整器。结果显示在表1和图5、6中。
比较例1。
除了起伏盘被拆除以消除起伏表面以外，比较例1的制备方式与例1A相同。六个螺钉被用于将研磨层的基板保持到背衬板上。通过测量工件的累计切削量来测试平垫修整器。结果显示在表1和图5、6中。
表1 累计切削量(μm)时间(秒)

如表1和图5、6所示，起伏的垫修整器的切削率通常比平垫修整器低，起伏的垫修整器的切削率随时间更恒定。
例2A。
除了研磨盘是通过将烧结研磨层附着到聚碳酸酯基板制备以外，例2A的制备和测试的方式与例1A相同。烧结研磨层可通过从可从MNSt.Paul的3M公司买到的3M 4980-6垫修整器A160拆除烧结层而制备。烧结层是在热板上加热垫修整器之后直到附着于烧结层的环氧被软化才被拆除的。然后烧结研磨料用环氧附着于聚碳酸酯基板上。
通过测量从聚碳酸酯工件上去除的累计材料，进行起伏的垫修整器的测试。结果显示在表2中。
例2B。
对于例2B，例2A的研磨盘绕起伏盘转动(即转换角度)60度，使用与例2A相同的测试进行重新测试。转动之后，三个螺钉位于例2A的起伏盘的相同的通孔和研磨盘的另外的螺纹孔中。使用螺钉拉动研磨盘的基板，使之在三个凹进部分与起伏盘的背衬板相接触。通过测量工件的累计切削量来测试起伏的垫修整器。结果显示在表2中。
比较例2。
除了起伏盘被拆除以消除起伏表面以外，比较例2的制备方式与例2A相同。六个螺钉被用于将研磨层的基板保持到背衬板上。通过测量从工件上去除的累计材料来测试平垫修整器。结果显示在表2中。
表2 累计切削量毫米时间(秒)

如表2所示，起伏的垫修整器的平均切削率比平垫修整器高。
应当理解，在上面的说明和例子所阐明的本发明的许多特征和优点以及本发明的结构和功能的细节中，公开的内容仅仅是说明性的。在本发明的原理到附带的权利要求书所表达的术语的装置以及那些机构和方法的等同物所表示的整个范围内，可以改变细节、尤其是起伏的垫修整器组件的形状、尺寸和布置及其使用方法。例如，起伏的垫修整器可以用于修整固定研磨件，包括三维研磨件和由研磨浆料制成的传统打磨材料。
权利要求
1.一种垫修整器，其包括研磨盘，所述研磨盘包括研磨表面和与所述研磨表面相对的第二表面；和起伏盘，所述起伏盘具有紧邻所述研磨盘的所述第二表面的起伏表面，所述起伏盘包括至少一个凸出部分和至少一个凹进部分；其中，所述研磨盘可释放地固定到所述凹进部分的至少一部分上，以形成起伏研磨表面。
2.如权利要求1所述的垫修整器，其中，所述垫修整器是化学机械平整化垫修整器。
3.如权利要求2所述的垫修整器，其中，所述起伏盘还包括起伏板和背衬板。
4.如权利要求2所述的垫修整器，其中，所述研磨盘还包括基板和研磨层。
5.如权利要求4所述的垫修整器，其中，所述基板比所述起伏盘更柔韧。
6.如权利要求5所述的垫修整器，其中，所述基板由聚碳酸酯形成。
7.如权利要求4所述的垫修整器，其中，所述基板被至少一个可拆除的紧固件可释放地固定于所述凹进区域。
8.如权利要求7所述的垫修整器，其中，所述基板还包括若干分度孔，所述起伏盘还包括若干基板安装孔，所述基板安装孔和所述分度孔配置成用于所述可拆除的紧固件。
9.如权利要求8所述的垫修整器，其中，所述分度孔的数量至少是所述基板安装孔的数量的两倍。
10.如权利要求2所述的垫修整器，其中，所述研磨盘包括烧结研磨层。
11.如权利要求2所述的垫修整器，还包括至少三个所述凹进部分。
12.如权利要求11所述的垫修整器，其中，所述起伏盘包括有花纹的起伏表面。
13.如权利要求12所述的垫修整器，其中，所述有花纹的起伏表面具有台阶花纹。
14.如权利要求12所述的垫修整器，其中，所述有花纹的起伏表面包括约0.25mm至约0.75mm范围的偏移量。
15.如权利要求12所述的垫修整器，其中，所述凸出部分处在所述有花纹的起伏表面的面积的约33％至约66％的范围内。
16.一种修整抛光垫的方法，其包括使所述垫接触研磨件，所述研磨件包括研磨盘和形成起伏研磨层的起伏盘；和相对于所述垫移动所述研磨件，以改变所述垫的表面。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述起伏研磨层包括约0.25mm至约0.75mm范围的偏移量。
18.如权利要求16所述的方法，还包括通过相对于所述起伏盘旋转所述研磨盘对所述研磨件进行转换角度的步骤。
19.如权利要求16所述的方法，还包括调整所述研磨盘的所述起伏研磨层的偏移量的步骤。
20.如权利要求16所述的方法，其中，所述研磨盘用至少一个可拆除的紧固件固定到所述起伏盘上。
全文摘要
一种具有研磨盘(12)和起伏盘(10)的垫修整器以及使用该垫修整器的方法。起伏盘(10)具有至少一个凸出部分(26)和至少一个凹进部分(28)。研磨盘(12)可释放地固定到凹进部分(28)的至少一部分上，以形成起伏研磨表面(16)。起伏盘(10)允许改变垫修整器，以用于多种工艺和各种工件。
文档编号B24B53/007GK1929956SQ200580007719
公开日2007年3月14日 申请日期2005年1月25日 优先权日2004年3月9日
发明者加里·M·帕尔姆格伦 申请人:3M创新有限公司