专利名称：一种用于化学机械平坦化的抛光垫及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路制造领域中的化学机械平坦化工艺，尤其是一种可用 于化学机械平坦化的抛光垫，更具体而言，本发明涉及一种用于化学机械平坦化的抛光垫 及其制造方法。
背景技术：
化学机械平坦化(ChemicalMechanical Planarization/Polishing，简称 CMP)， 被认为是目前实现全局平面化的最有效方法。CMP作为一种古老的工艺最初被用来抛光玻 璃，20世纪80年代，IBM首次将CMP应用到微电子制造工艺中SiO2的抛光，自那时起便得 到了非常迅速的发展，目前CMP的应用已经扩展到金属(如Al、Cu、Ti、Ta、W等)、电介质 (如Si02、Si3N4、各种Low-k材料等)、多晶硅、陶瓷、磁盘、磁头以及MEMS等。图1为一种典型的化学机械平坦化示意图。如图1所示，在传统的化学机械平坦 化工艺中，抛光头1提供负载，携带晶圆4压在抛光垫6上，含有磨料和化学剂的抛光液9 被供应到抛光垫6表面。晶圆4和抛光垫6之间通过自身的旋转和抛光头的横向移动，利 用晶圆4的被抛光表面与抛光垫6和抛光液9中磨料之间的机械作用，以及与抛光液9之 间的化学作用，实现晶圆4表面材料的去除和平坦化。现有技术中的典型抛光垫是多孔聚 氨酯型抛光垫，采用复杂的发泡工艺制作而成，如Rohm & Haas的IC1000 抛光垫，且可以 包括可压缩的衬垫,如Rohm & Haas的SUBA IV。化学机械平坦化技术的目的一般有两个，其一是使被抛光表面在较高速度下实现 材料去除，其二是获得较高质量的表面。但是使用现有技术中的化学机械抛光垫通常会使 被抛光表面出现过抛、划痕、蝶形凹陷和侵蚀等问题。随着集成电路线宽特征尺寸的不断降低和集成度的不断提高，对化学机械平坦化 技术提出了更高的要求。特征尺寸的不断减小，由尺寸效应引起阻容迟滞(RC delay)成指 数关系快速上升，这意味着芯片的速度随集成度的提高而变缓，为了解决这一问题，学者们 提出用铜金属作为导线材料以减小电阻，用Low-k材料做电介质以降低导线间电容，但铜 导线与Low-k材料的弹性模量之比高达15 60 1，传统CMP技术中使用硬度较大的抛光 垫，势必会破坏铜导线和Low-k电介质，因此需要研制新型的柔性抛光垫，在超低应力下实 现材料去除。中国专利200680003086. 7公开了一种用于低压研磨的研磨垫(即抛光垫)，通过 调节抛光垫研磨层和背衬层的厚度和硬度，使研磨表面在小于等于1. 5psi的压力下偏斜， 且使偏斜程度大于研磨层厚度的不均勻度，以此获得高质量的表面，但这种研磨垫与传统 的抛光垫没有本质上区别，不能克服传统抛光垫的固有缺陷。中国专利200680012730. 7公 开了一种依据抛光规范如被抛光材料、芯片结构等而定制的抛光垫，但这种抛光垫制作过 程复杂，且需要大量的经验数据才有可能投入应用。
发明内容
本发明针对现有化学机械平坦化技术中会出现的划痕、过抛、蝶形和侵蚀等缺陷 尤其是应力问题以及抛光垫制作过程复杂等问题，提出了一种新型的柔性纳米刷抛光垫及 其制造方法。该抛光垫制作工艺简单，抛光性能稳定，抛光后被加工表面质量高。一种用于化学机械平坦化的抛光垫，其特征在于所述抛光垫包括一基体层，所述 基体层上设有一柔性纳米刷层，所述柔性纳米刷层工作表面具有如下特征的柔性纤维直径Inm 10 μ m ；间距lnm ΙΟμπι;长度100nm ΙΟΟΟμπι ；长径比1 10 10000 1。所述的柔性纳米刷层中的柔性纤维轴向与工作表面间夹角在20° 160°之间。 优选柔性纤维轴向与工作表面间夹角为90°或趋于90°。所述的柔性纤维具有较大的柔性。所述的柔性纤维具有线状、带状或管状结构。所述的抛光垫根据需要可在基体层底部附上弹性衬底层。即本发明的纳米刷抛光 垫至少包括柔性纳米刷层和基体层，必要时还可以在基体层底部附上弹性衬底层。所述的抛光垫工作表面根据需要加工有适于抛光液流动的沟槽或孔洞。所述的柔性纳米刷层由热塑性或热固性聚合物制成，所述的热塑性聚合物材料选 自聚烯烃、聚酰胺、聚酯、热塑性聚氨酯、聚氯乙烯和聚醚中的一种或几种的混合物，所述的 热固性聚合物材料选自酚醛树脂、尿醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂、不饱和聚酯、热固性 聚氨酯和有机硅中的一种或几种的混合物，优选聚氨酯。一种用于化学机械平坦化的抛光垫的制造方法，其特征在于包含以下步骤(1)制作用于形成柔性纳米刷的模板，所述的用于形成柔性纳米刷的模板，具有如 下特征的孔洞直径lnm ΙΟμπι;间距lnm ΙΟμπι;深度IOOnm 1000 μ m ；深宽比1 10 10000 1 ；孔洞轴向与模板表面间夹角在20° 160°之间；优选孔洞轴向垂直于或趋于垂 直于模板表面；(2)准备刚性聚合物基体作为基体层；(3)准备用来制作柔性纳米刷的聚合物混合液，可将聚合物原料和固化剂或溶剂 以及其它助剂按比例混合均勻；(4)将准备好的聚合物混合液涂在刚性聚合物基体上，采用现有技术中的纳米结 构成型方法将模板上的纳米结构转移到刚性聚合物基体表面；(5)去除或分离模板，在基体层上形成具有柔性纤维的柔性纳米刷层，得到柔性纳 米刷抛光垫。所述的刚性聚合物基体为市售的厚度和均勻性良好的聚合物板材，优选其硬度在 40 80邵氏D之间。
必要时在基体层底部粘贴上一层弹性衬底层。所述的弹性衬底层为市售的低密度 多孔泡沫或聚合物纤维毡，其硬度低于基体层硬度，优选在30 80邵氏A之间。必要时在步骤(2)准备的基体层上预先加工出沟槽或孔洞，或在步骤(5)抛光垫 成型后再加工出沟槽或孔洞。所述的沟槽或孔洞可采用现有技术加工而成，如切削、激光加 工、热压、滚花或压印等，优选为切削加工。所述的模板材料为硅、氧化铝、金属材料(包括铝、铜、钢等)或有机材料(包括醋 酸纤维素、聚碳酸酯、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚偏氟乙烯等)，采用现有技术中的刻蚀、阳极 氧化、径迹蚀刻或激光微加工等方法加工而成。所述的模板去除或剥离方法是现有技术中 的剥离脱模、加热熔化、溶解或腐蚀等。所述用来制作柔性纳米刷的聚合物为热塑性或热固性聚合物，所述的热塑性聚合 物材料选自聚烯烃、聚酰胺、聚酯、热塑性聚氨酯、聚氯乙烯和聚醚中的一种或几种的混合 物，所述的热固性聚合物材料选自酚醛树脂、尿醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂、不饱和聚 酯、热固性聚氨酯和有机硅中的一种或几种的混合物，优选为聚氨酯。本发明的有益效果为本发明所述抛光垫与现有技术相比最突出的优势是具有柔 性纤维结构，和被抛光表面在柔性接触下，实现材料去除，能最大程度上解决现有化学机械 平坦化技术中遇到的应力问题，适用于超低压力下的CMP。此外还可以解决较硬抛光垫出现 的划痕、过抛、蝶形和侵蚀等缺陷问题，获得更高质量的被抛光表面。本发明所述的抛光垫 制作方法简单，工艺过程可控性好，抛光性能稳定。
图1为一种典型的化学机械平坦化示意图；图2为本发明柔性纳米刷抛光垫无沟槽实施例的示意图；图3为本发明柔性纤维与抛光垫工作表面间夹角示意图；图4为本发明实施例2中的沟槽参数图；图5为本发明柔性纳米刷抛光垫有沟槽实施例的示意图(主视图)；
图6为图4对应的俯视图；图7为本发明实施例1中柔性纳米刷抛光垫表面SEM照片。图中标号1-抛光头，2-背膜，3-保持环，4-晶圆，5-抛光盘，6-抛光垫，7-修整器，8-抛光液 传输装置，9-抛光液，10-柔性纤维，11-柔性纳米刷层，12-基体层，13-弹性衬底层，14-柔 性纤维轴向与抛光垫工作表面夹角范围，15-抛光垫工作表面，16-沟槽，a-沟槽宽度，b-沟 槽深度，C-沟槽间距。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的范围并不限于这些 实施例。实施例1如图2所示，一种柔性纳米刷抛光垫，表面无沟槽和孔洞，由柔性纳米刷层11、基 体层12和弹性衬底层13组成，柔性纳米刷层11工作表面具有如下特征的柔性纤维
直径 200nm ；间距(指纤维根部轴线中心距) 270nm ；长度 20μ m ；长径比 100 1。所述的柔性纳米刷层中的柔性纤维轴向与工作表面间夹角趋于90°。其制备方法包括以下步骤(1)采用阳极氧化的方法制作平均孔径为200nm，深度为60μπι，孔中心距 270nm
的氧化铝模板；孔洞轴向与模板表面间夹角为90°，即孔洞轴向垂直于模板表面；孔洞轴 向与模板表面间夹角在一定程度上决定了柔性纤维与抛光垫工作表面间夹角，但后续处理 和纤维自身的柔性均可以改变柔性纤维与抛光垫工作表面间的夹角；实际的纤维轴向与抛 光垫工作表面间夹角如图3所示；(2)准备一块经处理过的干净并且平整光滑的聚氨酯板(邵氏硬度65D)作为基 体层12 ；(3)将一定量的热塑性聚氨酯颗粒溶解在N，N- 二甲基甲酰胺中配成质量浓度为 10%的溶液；(4)将步骤(3)中准备好的聚合物溶液涂在步骤(2)中准备好的刚性聚合物基体 上，放上步骤(1)中所制作的模板，溶液进入模板孔洞，溶剂挥发后聚氨酯固化；(5)用10%的氢氧化钠溶液除去1/3厚度的氧化铝模板，露出长度 20 μ m的柔 性纤维；(6)在基体层12底部粘贴上一层聚氨酯浸渍纤维毡(邵氏硬度70A) 13即可得到 本发明所述的柔性纳米刷抛光垫，如图2所示。必要时在图2所示的柔性纳米刷抛光垫工作表面上加工出沟槽或孔洞，效果如图 5所示。图7为本发明实施例1中制作的柔性纳米刷抛光垫表面的扫描电子显微镜(SEM) 照片。实施例2一种柔性纳米刷抛光垫，由柔性纳米刷层11、基体层12和弹性衬底层13组成，纳 米刷抛光垫表面有沟槽，柔性纳米刷层11工作表面具有如下特征的柔性纤维直径 80nm ；间距(指纤维根部轴线中心距) 120nm ；长度 160nm;长径比 2 1。所述的柔性纳米刷层中的柔性纤维轴向与工作表面间夹角趋于90°。制作上述具有沟槽的柔性纳米刷抛光垫的方法，包括以下步骤(1)采用阳极氧化的方法制作平均孔径为80nm，深度为10 μ m，孔中心距 120nm 的氧化铝模板，模板尺寸lOmmXIOmm，孔洞轴向与模板表面间夹角为90°，即孔洞轴向垂 直于模板表面；(2)准备一块经处理过的干净并且平整光滑的聚氨酯板(邵氏硬度65D)作为基 体层12，如图4所示，在基体层12上通过铣削的方式加工出宽度a为2mm、深度b为1. 2mm、
(3)将SYLGARD 184PDMS 双组份 10 1 混合均勻；(4)将步骤(3)中准备好的聚合物混合液涂在步骤(2)中准备好的刚性聚合物基 体的IOmmXlOmm方格上，形成一层均勻的液膜，用纳米压印机将步骤(1)中所制作的模板 的纳米结构转移到PDMS薄膜上，固化后分离模板和PDMS，形成纳米纤维结构；(5)依次重复步骤⑷，将刚性聚合物基体上所有的IOmmX IOmm的方格均压印出 纳米纤维结构；(6)在基体层12底部粘贴上一层聚氨酯浸渍纤维毡(邵氏硬度70A) 13即可得到 本发明所述的柔性纳米刷抛光垫，如图5和图6所示。实施例3一种柔性纳米刷抛光垫，表面无沟槽和孔洞，由柔性纳米刷层U、基体层12组成， 柔性纳米刷层11工作表面具有如下特征的柔性纤维直径10μπι;间距10μ ;长度20μπι;长径比2 1。所述的柔性纳米刷层中的柔性纤维轴向与工作表面间夹角为60°。其制备方法包括以下步骤(1)采用等离子体干法刻蚀方法DRIE在硅片表面加工出平均孔径为10 μ m,间距 10 μ m，深度为20 μ m的多孔硅模板；孔洞轴向与模板表面间夹角为60° ；(2)准备一块经处理过的干净并且平整光滑的聚氨酯板(邵氏硬度65D)作为基 体层12 ；(3)将一定量的热塑性聚氨酯颗粒溶解在N，N- 二甲基甲酰胺中配成质量浓度为 5%的溶液；(4)将步骤(3)中准备好的聚合物溶液涂在步骤(2)中准备好的刚性聚合物基体 上，放上步骤(1)中所制作的模板，溶液进入模板孔洞，溶剂挥发后聚氨酯固化；(5)用 HNA 腐蚀液(HF (49% ) HNO3 (65% ) CH3COOH (99% ) = 1 3 8)完 全除去多孔硅模板，即可得到本发明所述的柔性纳米刷抛光垫。必要时在柔性纳米刷抛光垫工作表面上加工出沟槽或孔洞。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可以通过现有技术实现。
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权利要求
一种用于化学机械平坦化的抛光垫，其特征在于所述抛光垫包括一基体层(12)，所述基体层(12)上设有一柔性纳米刷层(11)，所述柔性纳米刷层(11)工作表面具有如下特征的柔性纤维(10)直径1nm～10μm；间距1nm～10μm；长度100nm～1000μm；长径比1∶10～10000∶1。
2.根据权利要求1所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫，其特征在于所述的柔 性纳米刷层(11)中的柔性纤维轴向与工作表面间夹角在20° 160°之间。
3.根据权利要求1所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫，其特征在于所述的柔 性纤维(10)具有线状、带状或管状结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫，其特征在于所述的抛 光垫在基体层(12)底部附上弹性衬底层(13)。
5.根据权利要求1所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫，其特征在于所述的抛 光垫工作表面加工有适于抛光液流动的沟槽或孔洞(16)。
6.根据权利要求1所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫，其特征在于所述的柔 性纳米刷层(11)由热塑性或热固性聚合物制成，所述的热塑性聚合物材料选自聚烯烃、聚 酰胺、聚酯、热塑性聚氨酯、聚氯乙烯和聚醚中的一种或几种的混合物，所述的热固性聚合 物材料选自酚醛树脂、尿醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂、不饱和聚酯、热固性聚氨酯和有 机硅中的一种或几种的混合物。
7.一种用于化学机械平坦化的抛光垫的制造方法，其特征在于包含以下步骤(1)制作用于形成柔性纳米刷的模板，所述的用于形成柔性纳米刷的模板，具有如下特 征的孔洞直径:lnm 10 μ m ；间距:lnm 10 μ m ；深度IOOnm- IOOOym ；深宽比1 10 10000 1 ；孔洞轴向与模板表面间夹角在20° 160°之间；(2)准备刚性聚合物基体作为基体层(12)；(3)准备用来制作柔性纳米刷的聚合物混合液；(4)将准备好的聚合物混合液涂在刚性聚合物基体上，再将模板上的纳米结构转移到 刚性聚合物基体表面；(5)去除或分离模板，在基体层(12)上形成具有柔性纤维的柔性纳米刷层(13)，得到 柔性纳米刷抛光垫。
8.根据权利要求7所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫的制造方法，其特征在 于在基体层(12)底部粘贴上一层弹性衬底层(13)。
9.根据权利要求7所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫的制造方法，其特征在 于在步骤(2)准备的基体层(12)上预先加工出沟槽或孔洞，或在步骤(5)抛光垫成型后 再加工出沟槽或孔洞。
10.根据权利要求7所述的一种用于化学机械平坦化的抛光垫的制造方法，其特征在 于所述的模板材料为硅、氧化铝、金属或有机材料，所述金属包括铝、铜、钢，所述有机材料 包括醋酸纤维素、聚碳酸酯、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚偏氟乙烯。
全文摘要
本发明公开了属于化学机械平坦化工艺技术领域中的一种可用于化学机械平坦化的抛光垫及其制造方法。本发明抛光垫包括一基体层，所述基体层上设有一柔性纳米刷层。首先制备模板，再将聚合物溶液涂在基体层上，然后将模板上的纳米结构转移到基体层上，得到本发明的纳米刷抛光垫。本发明所述抛光垫与现有技术相比最突出的优势是具有柔性纤维结构，和被抛光表面在柔性接触下，实现材料去除，能最大程度上解决现有化学机械平坦化技术中遇到的应力问题，适用于超低压力下的CMP。此外还可以解决较硬抛光垫出现的划痕、过抛、蝶形和侵蚀等缺陷问题，获得更高质量的被抛光表面。本发明所述的抛光垫制作方法简单，工艺过程可控性好，抛光性能稳定。
文档编号B24D13/00GK101905448SQ201010217079
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者刘宇宏, 路新春, 雒建斌, 韩桂全 申请人:清华大学