研磨垫及研磨系统的制作方法

本实用新型有关于一种研磨垫以及研磨系统，且特别是有关于一种可提供较均匀的研磨率的研磨垫及研磨系统。

背景技术：

随着产业的进步，平坦化制程经常被采用为生产各种元件的制程。在平坦化制程中，化学机械研磨制程经常为产业所使用。一般来说，化学机械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)制程是将研磨垫贴附于研磨承载台上，供应具有化学品的研磨液于研磨垫上，对研磨物件(例如是半导体晶圆)施加压力以将其压置在研磨垫上，且让研磨物件及研磨垫彼此进行相对运动。通过相对运动所产生的机械摩擦及研磨液的化学作用下，移除部分研磨物件的表层，而使其表面逐渐平坦，来达成平坦化的目的。

图1A是一种传统研磨垫的上视示意图。请参照图1A，研磨垫10A包括多个同心圆沟槽14位于研磨垫10A的研磨层12表面，用来容纳及传输研磨液。然而，因各个同心圆沟槽14之间并不相连，因此可能造成研磨层12表面不同区域的研磨液传输不佳，特别是对应于研磨物件20中央区域研磨液流场分布较差，进而造成研磨物件20研磨率不均匀的问题。

图1B是另一种传统研磨垫的上视示意图。请参照图1B，研磨垫10B的研磨层12表面除了包括多个同心圆沟槽14，另外包括格状沟槽16，通过相连的格状沟槽16来改善研磨液传输效率。然而，对于特定的研磨制程，对应于研磨物件20中央区域，研磨液流场分布可能反而太好，研磨物件20研磨率不均匀的问题可能依然存在。

因此，对于特定的研磨制程而言，需要有另一种研磨垫，具有不同的研磨液流场分布，以供产业所选择。

技术实现要素：

本实用新型提供一种研磨垫以及研磨系统，其具有不同的研磨液流场分布，以达到较均匀的研磨率。

本实用新型的研磨垫包括研磨层，其中研磨层包括中心区域、边缘区域以及位于中心区域以及边缘区域之间的主要研磨区域。至少一环状沟槽位于研磨层的主要研磨区域中。边缘沟槽位于研磨层的边缘区域中，且边缘沟槽包括格状沟槽。至少一径向延伸沟槽位于研磨层的主要研磨区域，且至少一径向延伸沟槽与至少一环状沟槽相连接。

本实用新型另提供一种研磨系统，研磨系统包括研磨垫以及研磨物件。研磨垫包括研磨层，其中研磨层包括中心区域、边缘区域以及位于中心区域以及边缘区域之间的主要研磨区域。至少一环状沟槽位于研磨层的主要研磨区域中。边缘沟槽位于研磨层的边缘区域中，且边缘沟槽包括格状沟槽。至少一径向延伸沟槽位于研磨层的主要研磨区域，且至少一径向延伸沟槽与至少一环状沟槽相连接。研磨物件位研磨垫上，其中研磨物件具有中央区域以及包围中央区域的周边区域。在进行研磨程序中，研磨物件的中央区域与研磨层的至少一环状沟槽以及至少一径向延伸沟槽接触，且研磨物件的周边区域与研磨层的至少一环状沟槽、边缘沟槽以及至少一径向延伸沟槽接触。

实用新型基于上述，通过环状沟槽、边缘沟槽以及径向延伸沟槽的特别配置，可以使研磨液具有不同的流场分布，进而使特定研磨制程具有较均匀的研磨率。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A-图1B是现有常用的研磨垫与研磨物件的上视示意图；

图2是本实用新型的一个实施例的研磨系统的剖面示意图；

图3是本实用新型图2的实施例的研磨垫与研磨物件的上视示意图；

图4是本实用新型的研磨垫与传统研磨垫的相对研磨率比较图；

图5是本实用新型的另一个实施例的研磨垫与研磨物件的上视示意图；

图6是本实用新型的另一个实施例的研磨垫与研磨物件的上视示意图。

附图标记说明：

10A、10B：研磨垫；

12：研磨层；

14：同心圆沟槽；

16：格状沟槽；

20：研磨物件；

100：承载台；

200A、200B、200C：研磨垫；

210：研磨层；

212：边缘区域；

214：主要研磨区域；

216：中心区域；

220：环状沟槽；

240：径向延伸沟槽；

260：边缘沟槽；

280：中心沟槽；

290：旋转中心；

300：研磨物件；

310：中央区域；

320：周边区域；

400：研磨头；

A、B：转动方向；

D1：中心区域的宽度；

D2：主要研磨区域的宽度；

D3：边缘区域的宽度；

S：移动方向。

具体实施方式

图2为依照本实用新型的一个实施例的研磨系统的剖面示意图。图3是本实用新型图2的实施例的研磨垫与研磨物件的上视示意图。请先参照图2，研磨系统1000包括承载台100、研磨垫200A、研磨物件300以及研磨头400。承载台100例如是用以承载研磨垫200A。

请同时参照图2以及图3，本实施例的研磨垫200A是位于承载台100的上。研磨垫200A包括研磨层210、至少一环状沟槽220、至少一径向延伸沟槽240以及边缘沟槽260，且研磨垫200A还包括旋转中心290。

研磨层210包括中心区域216、边缘区域212以及位于中心区域216以及边缘区域212之间的主要研磨区域214。旋转中心290位于研磨层210的中心位置。

环状沟槽220位于研磨层210的主要研磨区域214中。在本实施例中，环状沟槽220包括多个环状沟槽，以旋转中心290为中心呈现同心排列(如图3所示)，但本实用新型不以此为限，环状沟槽220的数目并没有特别的限定，可为单一个或是多数个，例如是单一个螺旋环状沟槽或是多数个圆环状沟槽，端看实际需求而定。

边缘沟槽260位于研磨层210的边缘区域212中。其中，边缘沟槽260包括格状沟槽，此格状沟槽的形状例如为四边形格(例如：正方格、长方格、菱形格、梯形格)、三角形格、多角形格、或其组合，但本实用新型不以此为限。具体来说，上述格状沟槽例如为由两组或两组以上平行或不相连的沟槽交叉所组成，且上述两组或两组以上平行或不相连的沟槽例如为直线沟槽或曲线沟槽(例如：弧状沟槽或是环状沟槽)，本实用新型不特别限定。举例来说，以图3为例的格状沟槽即为由彼此垂直的两组平行的直线沟槽交叉所组成正方格的形状。

径向延伸沟槽240位于研磨层210的主要研磨区域214中，且与环状沟槽220相连接。本实用新型中所谓的径向延伸沟槽240是指在研磨层210中延伸横跨不同半径位置的沟槽，并不限定为半径方向的沟槽，径向延伸沟槽240也可以是与半径方向平行或夹一角度的沟槽。径向延伸沟槽240可选择为直线沟槽、曲线沟槽、不规则形状沟槽、或其组合。在一个实施例中，径向延伸沟槽240延伸至边缘区域212，径向延伸沟槽240例如是与边缘沟槽260相连接。此外，径向延伸沟槽240可选择为边缘沟槽260的格状沟槽一部分的延伸。上述径向延伸沟槽240的数目并没有特别的限定，可为单一个或是多数个，端看实际需求而定。径向延伸沟槽240为延伸后可靠近旋转中心290的部分格状沟槽的延伸。径向延伸沟槽240例如是包括一组、两组、或两组以上平行、不平行、或相连接的沟槽，且上述一组、两组、或两组以上平行、不平行、或相连接的沟槽例如为直线沟槽、曲线沟槽(例如：弧状)、不规则形状沟槽、或其组合，本实用新型不特别限定。在本实用新型中，径向延伸沟槽240至少是位于研磨层210的主要研磨区域214中且与环状沟槽220相连接。换言之，径向延伸沟槽240可视实际需求选择是否延伸至中心区域216以和/或边缘区域212，且每一组径向延伸沟槽240中的任一条沟槽皆可视实际需求选择是否通过旋转中心290。举例来说，以图3为例的径向延伸沟槽240即为由四组平行的直线沟槽所组成，其中在圆周方向间隔的两组沟槽的虚拟延伸线为互相平行连接，另外在圆周方向相邻的两组沟槽在虚拟延伸线为互相垂直连接。图3的径向延伸沟槽240仅延伸至边缘区域212，但不延伸至中心区域216。径向延伸沟槽240向中心区域216的虚拟延伸线部分(各组的中间一沟槽)通过旋转中心290，其他部分(各组的边缘二沟槽)不通过旋转中心290。

在研磨层210半径方向上，中心区域216具有第一宽度D1，主要研磨区域214具有第二宽度D2，以及边缘区域212具有第三宽度D3，如图3所示。其中，第一宽度D1为研磨层210半径的5％～25％，第二宽度D2为研磨层210半径的50％～90％，且第三宽度D3为研磨层210半径的5％～25％。

研磨垫200A的研磨层210例如是由聚合物基材所构成，聚合物基材可以是聚酯(polyester)、聚醚(polyether)、聚胺酯(polyurethane)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、聚丁二烯(polybutadiene)、或其余通过合适的热固性树脂(thermosetting resin)或热塑性树脂(thermoplastic resin)所合成的聚合物基材等。

在一个实施例中，研磨垫200A的研磨层210的制作方式是先形成研磨层半成品，形成方式例如是模具成型或挤压成型以形成片状研磨层半成品；或先灌注形成圆柱状研磨层半成品，再切成片状研磨层半成品。接着，利用切割装置将研磨层半成品切割成研磨层的大小，再进行沟槽制作及贴合黏着层在研磨层210背面等程序，以完成研磨垫200A的制作。此外，可选择在研磨层210下方配置缓冲层，以完成不同需求的研磨垫200A。

研磨垫200A中的沟槽制作方式例如是选择机械方式(例如是使用配备钻头或锯片的铣床，即：将研磨层固定于铣床加工机台上，并旋转或平行移动机台上的钻头或锯片等工具，以移动机台上的刀具的方式对研磨层进行切割以形成沟槽；或是，将研磨层固定在可旋转或平行移动机台上，并利用加工机台上的固定切削刀具，以移动机台上的研磨层，对研磨层进行切割来形成沟槽)、模具转印方式、或是蚀刻方式(例如是使用化学蚀刻或是雷射加工)制作，本实用新型不以此限定。

此外，沟槽制作方式可以搭配一吸盘装置(未示出)，其中此吸盘装置包括真空吸盘装置或静电吸盘装置，且上述吸盘装置设置有分别对应至研磨层210的中心区域216、边缘区域212以及主要研磨区域214的多个凹陷部。基于研磨层210中各区域的不同的沟槽制作的需求，可利用上述吸盘装置固定研磨垫200A，使尚未需要进行沟槽制作的研磨层210的区域因上述吸盘装置的凹陷部的设置而向下凹陷，进而使其免于被切削刀具切割而形成沟槽。以在研磨层210的边缘区域212中制作边缘沟槽260为例，可利用与研磨层210的中心区域216以及主要研磨区域214对应的上述吸盘装置的凹陷部，使研磨层210的中心区域216以及主要研磨区域214向下凹陷，故切削刀具仅切割研磨层210的边缘区域212，而在研磨层210的边缘区域212中形成边缘沟槽260。另一方面，基于此沟槽制作方式，边缘沟槽260中的每一条不与径向延伸沟槽240连接的沟槽在位于靠近主要研磨区域214的外侧处具有一个端面(封闭端点)且在位于靠近边缘区域212的外侧处不具端面(开放端点)。然本实用新型不以此为限，上述沟槽制作方式大体上见述于中国台湾省专利公告号I449597专利案，故上述专利所揭示的沟槽形成方式以引用方式并入本文中。

请参照图2，研磨头400设置在研磨垫200A上，借此固持研磨物件300在研磨头400上。在一个实施例中，研磨头400可以具有气囊(未示出)，研磨物件300是贴覆在气囊的外表面；其中，研磨头400可通过对气囊输入气体来控制气囊的内部气压，以对研磨物件300施加压力，进而将研磨物件300压置于研磨垫200A的表面上，使研磨物件300的待研磨面得与研磨垫200A的研磨层210相接触，以进行研磨。其中，研磨物件300可以是半导体晶圆、ⅢⅤ族晶圆、存储元件载体、陶瓷基底、高分子聚合物基底及玻璃基底等，然本实用新型不限于此。

如图2所示，承载台100循着一个固定的转动方向A旋转时，会同时带动贴附于承载台100表面的研磨垫200A，而使研磨垫200A可以循着与承载台100相同的转动方向A旋转。研磨头400也循着一个固定的转动方向B旋转，会同时带动贴附于研磨头400的研磨物件300，而使研磨物件300循着与研磨头400相同的转动方向B旋转。在本实施例中，转动方向A例如是具有一相同于转动方向B的旋转方向，以使研磨垫200A与研磨物件300进行相对运动，但本实用新型不限于此。在其它实施例中，转动方向A与转动方向B也可选择是相反方向，以使研磨垫200A与研磨物件300进行相反运动。在一个实施例中，研磨头400循着移动方向S来回平移摆动时，会同时带动贴覆在气囊外表面的研磨物件300，而使研磨物件300可以循着移动方向S来回摆动，进行研磨制程。

请参照图3，研磨物件300位研磨垫200A上，其中研磨物件300具有中央区域310以及包围中央区域310的周边区域320。在进行研磨程序中，研磨物件300的中央区域310与研磨层210的环状沟槽220以及径向延伸沟槽240互相接触，且研磨物件300的周边区域320与研磨层210的环状沟槽220、径向延伸沟槽240以及边缘沟槽260互相接触。此外，在一个实施例中，研磨物件300具有一半径(未示出)，从研磨物件300的中心至其半径的70％～95％之内所构成的圆形面积为中央区域310，且位于上述圆形面积之外的环形面积为周边区域320。

请同时参照图2以及图3，在一个实施例中，研磨程序中研磨物件300不进行来回摆动的情况下，研磨物件300的中央区域310的位置对应至研磨层210的主要研磨区域214，研磨物件300的周边区域320的位置对应至研磨层210的边缘区域212。此外，可视实际需求而调整研磨层210的主要研磨区域214、边缘区域212及中心区域216的宽度，使研磨物件300的周边区域320的位置对应至研磨层210的边缘区域212及中心区域216。在另一个实施例中，研磨程序中研磨物件300进行来回摆动(如图2中的移动方向S所示)的情况下，研磨物件300向外摆动时，其周边区域320的位置对应至研磨层210的边缘区域212，研磨物件300向内摆动时，其周边区域320的位置对应至研磨层210的中心区域216。

在一个实施例中，径向延伸沟槽240仅占主要研磨区域214的一部分，径向延伸沟槽240例如为占主要研磨区域214面积的1％～50％，还例如为占10％～30％。通过径向延伸沟槽240连接主要研磨区域214内的环状沟槽220，使研磨液于可以改善传输效率，使得对应于研磨物件300中央区域310的研磨液流场分布较适中。此外，径向延伸沟槽240延伸至边缘区域212，或是与边缘沟槽260的格状沟槽相连接，还有助于研磨过程产生的副产物(by-product)或碎屑(debris)自研磨层210边缘排出。

如上述，本实施例的研磨垫200A包括至少一环状沟槽220、至少一径向延伸沟槽240以及边缘沟槽260。由于环状沟槽220、径向延伸沟槽240以及边缘沟槽260分别位于研磨垫200A的研磨层210的不同区域(例如：主要研磨区域214以及边缘区域212)中，通过这样的沟槽配置方式，可以使研磨液具有不同的流场分布，进而达到较均匀的研磨率。

图4是本实用新型的研磨垫与传统研磨垫在一般业界常使用的研磨系统Applied Materials Mirra Cu CMP的相对研磨率比较图，图4的纵轴为相对研磨率Remove rate以正规化(normalized)的方式表示，即为整体平均研磨率以100来表示各点的研磨率相对值，图4的横轴表示研磨物件的相对位置，也就是自研磨物件中央(即研磨物件的中心的位置标示为0)向右+R及向左－R各点的相对位置。虚线A为使用具有同心圆沟槽的传统研磨垫的研磨系统，其中实线A’为虚线A的趋势线；虚线B为使用具有同心圆沟槽以及格状沟槽的传统研磨垫的研磨系统，其中实线B’为虚线B的趋势线；虚线C为使用本实用新型的研磨垫的研磨系统，其中实线C’为虚线C的趋势线。传统具有同心圆沟槽研磨垫(虚线A)因对应于研磨物件中央区域研磨液流场分布较差，使研磨物件中央区域的相对研磨率大幅度比较低，请参照实线A’。另一传统具有同心圆沟槽及格状沟槽研磨垫(虚线B)因对应于研磨物件中央区域研磨液流场分布较好，使研磨物件中央区域的相对研磨率略为较高，请参照实线B’。本实用新型的研磨垫(虚线C)因具有特别的沟槽设计，对应于研磨物件中央区域研磨液流场分布较适中，使研磨物件中央区域相对研磨率较平坦，因此使得研磨物件的整体相对研磨率较均匀，请参照实线C’。

上述图3中详述的研磨垫200A仅为本实用新型的一个实施例，并不以此限定本实用新型，本实用新型的研磨垫也可以包括其他实施例。图5是本实用新型的另一个实施例的研磨垫与研磨物件的上视示意图。换言之，图2中研磨系统1000的研磨垫200A除了例如是图3中的研磨垫200A，也可以例如是图5的研磨垫200B；其中，研磨垫200A及研磨垫200B例如是相同或不同基材所制，且其沟槽制作方式也可以是相同或不同，本实用新型并不以此为限。

图5的实施例的研磨垫200B与上述图3的实施例的研磨垫200A具有相似结构，因此相同的元件以相同的符号表示，且不在重复说明。图5的研磨垫200B的结构与图3的研磨垫200A不相同之处在于，图5的研磨垫200B还包括中心沟槽280，其中中心沟槽280位于研磨层210的中心区域216中。中心沟槽280包括格状沟槽，此格状沟槽的形状例如为四边形格(例如：正方格、长方格、菱形格、梯形格)、三角形格、多角形格、或其组合，本实用新型不以此为限。具体来说，上述格状沟槽例如为由两组或两组以上平行或不相连的沟槽交叉所组成，且上述两组或两组以上平行或不相连的沟槽例如为直线沟槽或曲线沟槽(例如：弧状沟槽或是环状沟槽)，本实用新型不特别限定。举例来说，以图5为例的格状沟槽即为由彼此垂直的两组平行的直线沟槽交叉所组成正方格的形状。此外，中心沟槽280中的任一条沟槽皆可视实际需求选择是否通过旋转中心290；举例来说，以图5为例的中心沟槽280中有部份沟槽通过旋转中心290。在一个实施例中，至少一径向延伸沟槽240延伸至中心区域216，径向延伸沟槽240例如是与中心沟槽280相连接。此外，径向延伸沟槽240可选择为中心沟槽280的格状沟槽一部分的延伸。举例来说，以图5为例的径向延伸沟槽240即为由四组平行的直线沟槽所组成，其中在圆周方向间隔的两组沟槽在中心区域216的延伸为互相平行连接，另外在圆周方向相邻的两组沟槽在中心区域216的延伸为互相垂直连接。换句话说，图5的径向延伸沟槽240不仅延伸至边缘区域212，也延伸至中心区域216。径向延伸沟槽240在中心区域216的延伸线部分(各组的中间一沟槽)通过旋转中心290，其他部分(各组的边缘二沟槽)不通过旋转中心290。

图6的实施例的研磨垫200C与上述图3的实施例的研磨垫200B具有相似结构，因此相同的元件以相同的符号表示，且不在重复说明。图6的研磨垫200C的结构与图3的研磨垫200A不相同之处在于，图6的研磨垫200C具有的边缘沟槽260例如为由两个以上弧状沟槽以及两个以上环状沟槽相互交叉所组成，边缘沟槽260为边线具有曲线形的四边形格的格状沟槽。上述弧状沟槽以顺时针方向由内向外偏所示出，然而上述弧状沟槽也可选择以逆时针方向由内向外偏。图6的研磨垫200C具有的至少一径向延伸沟槽240例如为由四组不平行的直线沟槽所组成，其中各组不平行的径向延伸沟槽240在靠近中心区域216处相连接，径向延伸沟槽240的虚拟延伸线例如为不通过旋转中心290。图6的径向延伸沟槽240系以直线沟槽所示出，然而径向延伸沟槽240除了直线沟槽外，也可选择为曲线沟槽(例如：弧状)、不规则形状沟槽、或上述沟槽的组合。

上述本实用新型各实施例中，研磨层所包括的至少一环状沟槽具有以研磨垫的旋转中心为中心的多个环状沟槽，呈现同心正圆形排列所示出，但本实用新型不以此为限。在其它实施例中，至少一环状沟槽的部份或全部的中心，也可以偏离研磨垫的旋转中心。此外，研磨层所包括的至少一环状沟槽也可以代表为与研磨垫的半径具有多个交点的环形沟槽，此与研磨垫的半径具有多个交点的环形沟槽例如是单一个或是多数个漩涡状的环形沟槽。另外，上述本实用新型各实施例中，为清楚起见，研磨层所包括的至少一径向延伸沟槽皆是以直线沟槽所构成来示出，但本实用新型不以此为限。在其它实施例中，边缘沟槽及至少一径向延伸沟槽也可以是由弧形沟槽、不连续沟槽、不规则的非直线沟槽、或其组合所构成。

综上所述，本实用新型的研磨垫在研磨层中具有中心区域、边缘区域以及位于中心区域以及边缘区域之间的主要研磨区域，且至少在主要研磨区域中设置了多个环状沟槽以及至少一径向延伸沟槽以及在边缘区域中设置边缘沟槽。由于研磨物件的中央区域与研磨层的环状沟槽以及径向延伸沟槽接触，且研磨物件的周边区域与研磨层的环状沟槽、边缘沟槽以及径向延伸沟槽接触，可以使研磨液具有不同的流场分布，借此达到较均匀的研磨率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。