用于化学机械抛光的多层抛光垫的制作方法

相关申请的交叉引用

本专利申请主张于2014年7月10日提交的第62/022,770号美国临时专利申请以及于2014年5月7日提交的第61/989,669号美国临时专利申请的优先权，它们以引用方式全文并入本文中。

背景技术：

化学机械抛光(cmp)工艺用于微电子器件的制造中，用以在半导体晶片、场发射显示器、以及很多其他微电子基板上形成平整表面。举例而言，半导体器件的制造通常涉及在半导电基板的表面上方形成各种工艺层、选择性地移除或图案化这些层的部分、以及沉积额外的工艺层，以形成半导体晶片。举例而言，这些工艺层可包含绝缘层、栅极氧化物层、导电层、及金属或玻璃层等。在晶片工艺的某些步骤中，为了后续层的沉积，通常期望各工艺层的最上方的表面是平坦的，即平整的。cmp用来平坦化工艺层，其中抛光所沉积的材料(诸如导电材料或绝缘材料)以对晶片进行平坦化而供后续工艺步骤使用。

在典型的cmp工艺中，将晶片倒置安装于cmp工具中的载体上，施加力以将载体及晶片向下推向抛光垫，使载体及晶片在cmp工具的抛光台上的旋转抛光垫上方旋转。在抛光工艺期间，通常在旋转的晶片与旋转的抛光垫之间引入抛光组合物(也称为抛光浆料)。该抛光组合物通常含有：用于与最上面的晶片层部分相互作用或使其溶解的化学品；以及研磨材料，用于物理性地移除层的部分。晶片与抛光垫可沿相同方向或沿相反方向旋转，视对于所执行的特定抛光工艺以何者为宜而定。载体也可在抛光台上的抛光垫上振动。cmp抛光垫常包含两个或更多个层，例如，抛光层及底层(例如，子垫层(subpadlayer))，这些层经由使用粘合剂(例如热熔粘合剂或压敏粘合剂)而接合在一起。这样的多层抛光垫公开于例如美国专利第5,257,478号。

依赖于粘合剂来将各抛光垫层接合在一起或将窗口固定于抛光垫内的现有技术抛光垫具有很多缺点。举例而言，粘合剂常常具有与其相关联的令人难受的气味，且通常需要超过24小时或更长时间的固化。此外，粘合剂可能受到来自抛光组合物的组分的化学侵蚀，且因此在接合各垫层或将窗口附装至垫时所使用的粘合剂类型必须基于将使用何种类型的抛光系统来加以选择。此外，各垫层的结合或窗口与抛光垫的结合有时是不完善的或会随时间而劣化。这可使得各垫层发生分层及弯曲及/或使得抛光组合物在垫与窗口之间渗漏。在某些情况下，该窗口可能随时间而自抛光垫移出。用于形成整体模制抛光垫窗口的方法可成功地避免这些问题中的至少一些，但这样的方法常常成本高且在可使用的垫材料类型及可生产的垫构造类型方面受到限制。

因此，仍需要可使用高效且廉价的方法而不依赖于使用粘合剂来生产的高效多层抛光垫及包含半透明区域(例如，窗口)的抛光垫。本发明提供了这样的抛光垫及其使用方法。依据本文所提供的对本发明的说明，本发明的这些及其他优点、以及其他创造性特征将变得明晰。

技术实现要素：

本发明提供一种供在化学机械抛光时使用的多层抛光垫。该抛光垫包含顶层、中间层及底层，其中该顶层与该底层通过该中间层而结合在一起，且其中这些层的结合没有使用粘合剂。

本发明还提供一种包含光学透射区域的多层抛光垫，该垫包含顶层、中间层及底层，且这些层接合在一起而没有使用粘合剂。

本发明进一步提供用于生产本发明的抛光垫的方法。第一方法包括：(i)将多层聚合材料接合在一起，其中该多层包含顶层、中间层及底层，其中该中间层包含聚合物树脂，该聚合物树脂具有较该顶层及该底层为低的维卡软化温度；(ii)使该多层聚合物片材经受高于该中间层的维卡软化温度、但低于该顶层及该底层的维卡软化温度的温度；以及(iii)形成该中间层与该顶层之间的结合、以及该中间层与该底层之间的结合。

第二方法包括：(i)将多层聚合材料接合在一起，其中该多层包含顶层、中间层及底层，且其中该中间层为热塑性聚氨酯，该热塑性聚氨酯具有较该顶层或该底层为低的维卡软化温度；(ii)使该多层聚合物片材经受高于该中间层的维卡软化温度、但低于该顶层及该底层的维卡软化温度的温度；以及(iii)形成该中间层与该顶层之间的结合、及该中间层与该底层之间的结合。

本发明进一步提供用于抛光工件的方法，包括：(a)提供本发明的抛光垫；(b)使工件接触该抛光垫；以及(c)相对于该工件移动该抛光垫，从而研磨该工件并由此抛光该工件。

附图说明

图1示意性地绘示一种用于生产本发明的垫的层压工艺。

图2a及图2b示意性地绘示一种用于生产本发明的垫的二步骤层压工艺。

图3绘示本发明的垫的sem横截面视图。

图4绘示由本发明的方法制成的垫材料相比于通过以粘合剂将层结合在一起而制成的垫材料的t剥离测试(t-peeltest)的结果。

具体实施方式

本发明涉及一种抛光垫，包含顶层、中间层及底层，其中该顶层与该底层通过该中间层而结合在一起，且其中这些层的结合没有使用粘合剂。在第一实施方案中，使用所述多层抛光垫材料来作为多层抛光垫。在第二实施方案中，使用所述多层抛光垫材料来作为抛光垫内的光学透射区域。

该抛光垫材料的各层在这些层之间不含有任何粘合剂。粘合剂是指本领域中已知的任何常见粘合剂材料，例如，热熔粘合剂、压敏粘合剂、胶等。而是，该抛光垫的顶层与底层通过中间层而接合在一起。合乎期望地，这些层是基本上共延伸的。

这样的多层抛光垫材料的优点为，各层可具有不同的物理或化学性质。举例而言，在某些应用中，可合乎期望的是，使各层具有相同的聚合物组成、但具有不同的物理性质，例如，硬度、密度、孔隙率、可压缩性、刚度、拉伸模量、本体模量(bulkmodulus)、流变性(rheology)、蠕变性(creep)、玻璃化转变温度、熔融温度、粘度、或透明度。当然，所述抛光垫层可具有不同的化学性质以及不同的物理性质。优选地，抛光垫材料的各层将具有至少一种不同的化学或物理性质。

本发明的多层抛光垫的另一优点为，经由中间层来结合顶层与底层能够达成较使用粘合剂所达成的结合强劲得多的结合。相较于各层使用粘合剂结合在一起的垫而言，本发明的垫更能抵抗由高温引起的破坏(故障，failure)。

合乎期望地，抛光垫材料的顶层包含聚合物树脂。该聚合物树脂可为任何适宜的聚合物树脂。通常，该聚合物树脂选自：热塑性弹性体、热固性聚合物、聚氨酯(例如，热塑性聚氨酯)、聚烯烃(例如，热塑性聚烯烃)、聚碳酸酯、聚乙烯醇、尼龙、弹性体橡胶、弹性聚乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚亚芳基(polyarylene)，聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、它们的共聚物、及它们的混合物。优选地，供顶层使用的聚合物树脂包含热塑性聚氨酯。

该抛光垫的顶层可为亲水性的、疏水性的、或其组合。顶层的亲水性/疏水性很大程度上取决于制作该层所使用的聚合物树脂类型。临界表面张力为约34毫牛顿/米(mn/m)或更大的聚合物树脂通常被视为具有亲水性，而临界表面张力为约33毫牛顿/米或更小的聚合物树脂通常被视为具有疏水性。某些常见聚合物树脂的临界表面张力如下(括弧中所示的值)：聚四氟乙烯(19)、聚二甲基硅氧烷(24)、有机硅橡胶(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)、及聚碳酸酯(45)。通常，抛光垫的顶层为亲水性的。优选地，该顶层为亲水性的。

抛光垫的顶层可具有任何适宜的硬度(例如，约30至50的肖氏a或约25至80的肖氏d)。举例而言，顶层可具有自肖氏a硬度55至肖氏d硬度72(此二者皆根据astmd2240-10而量测)的硬度范围。类似地，顶层可具有任何适宜的密度及/或孔隙率。举例而言，该顶层可为几乎实心的(例如，具有小于约10％的空隙体积)或多孔的，且可具有约0.3克/立方厘米或更高(例如，约0.5克/立方厘米或更高、或者约0.7克/立方厘米或更高)或甚至约0.9克/立方厘米(例如，约1.1克/立方厘米、或高达材料理论密度的约99％)的密度。

理解，可任选地在顶层的抛光表面的整个或部分上包含呈各种布置的凹槽。举例而言，在部分实施方案中，可尤其在抛光垫顶层的抛光侧上以某种深度切割出具有所需图案及尺寸的凹槽，以促进浆料在抛光期间分布于垫基板的抛光表面上。举例而言，凹槽可呈交叉x-y图案、同心、螺线、偏心等形式。可容易地利用其他适合的表面凹槽图案。此外，凹槽可具有任何适合的尺寸。

中间层可包含任何适宜的具有较顶层及底层为低的维卡软化温度的聚合物树脂。举例而言，中间层可包含热塑性聚氨酯或热固性聚氨酯。一种优选的抛光垫材料包含具有较顶层及底层为低的熔融温度的热塑性聚氨酯。具体而言，优选的热塑性聚氨酯将具有较顶层及底层为低的维卡软化温度。可根据astmd1525(2006)中所述的测试来确定维卡软化温度。维卡软化温度为1平方毫米平端针(flat-endedneedle)在特定负荷及特定加热速率下穿透样品至1毫米深度时的温度。可使用维卡软化温度来预测材料在被暴露于高温时将在什么时刻软化。优选地，中间层的维卡软化温度较顶层及底层的维卡软化温度低约5°f至约15°f。举例而言，若顶层及底层具有大约265°f的维卡软化温度，则中间层的维卡软化温度将为大约250°f至260°f。

中间层可具有任何适合的厚度。举例而言，中间层可具有约3密耳或更大(诸如4密耳或更大)的厚度。从不能将顶层与底层充分结合在一起的观点来看，中间层可能不能太薄。举例而言，2密耳或更小的中间层将不是优选的。

中间层可具有任何适合的硬度。举例而言，中间层可具有肖氏a硬度55至肖氏d硬度40，此二者皆根据astmd2240-10而量测。在一个实施方案中，中间层具有自约57至约90的肖氏a硬度。

底层可包含任何适合的材料。适用于底层的材料包含聚氨酯发泡体(例如，来自rogerscorporation(rogers,ct)的发泡体子垫)、浸渍毡、微孔聚氨酯、或经烧结的氨基甲酸酯。该底层可较本发明的顶层更软，因此可较本发明的抛光垫更易压缩且具有更低的肖氏硬度值。举例而言，底层可具有约35至约50的肖氏a硬度。在某些实施方案中，底层较顶层更硬、更不易压缩且具有更高的肖氏硬度。底层任选地包含凹槽、沟道、中空区段、窗口、孔口等。底层优选包含聚碳酸酯或热固性聚氨酯材料。优选的热固性聚氨酯的一个实例为多孔热固性聚氨酯。

抛光垫的顶层及底层可具有任何适合的厚度。每一层的厚度将部分地取决于抛光垫的所需总厚度。此外，抛光垫的顶层及底层可具有相同的厚度，或者，这些层可各自具有不同的厚度。

当本发明的多层抛光垫结合原位终点检测系统使用时，可期望该多层抛光垫的至少一个层在介于约200纳米与约10,000纳米之间(例如，约200纳米至约1,000纳米、或约200纳米至约800纳米)的至少一种波长下具有约10％或更大(例如，约20％或更大、或者约30％或更大)的对于光(例如，激光)透射率。举例而言，顶层及中间层可为基本上不透明的，而底层可为透光的。为将这样的抛光垫与原位终点检测系统一起使用，移除抛光层的一部分，以在该抛光层中产生用于展露基本上光学透射性底层区域的孔口。因此，由顶层中的孔口展露的底层光学透射区域自抛光表面凹入，以在抛光制程期间保护“窗口”不被抛光组合物刮擦。在光学透射性抛光层以及基本上不透明的中间层及底层的情形中，移除底层的一部分，以在该底层中产生用于展露基本上光学透射性抛光层区域的孔口。也可针对原位终点检测系统采用其他设计。例如，“窗口”可横跨三个层。在此实施方案中，多层抛光垫进一步包含一个或多个光学透射性窗口，这些光学透射性窗口嵌入至在该抛光垫中(例如，在顶层、中间层及底层的至少一个中、但优选在所有三个层中)切割出的孔口中。合乎期望地，窗口通过不同于使用粘合剂的手段而结合至抛光垫。举例而言，窗口可通过焊接(welding)技术(例如，超音波焊接)而附装至抛光垫。

第一实施方案的多层抛光垫可具有任何适合的尺寸。通常，该多层抛光垫将具有约500微米或更大(例如，750微米或更大、或者约1000微米或更大)的厚度。合乎期望地，该多层抛光垫在形状上为圆形的(其在旋转式抛光工具中使用)，或被生产为环状线性带(其在线性抛光工具中使用)。该多层抛光垫的抛光层任选地进一步包含用于促进抛光组合物跨该抛光垫的表面流动的凹槽、穿孔、沟道、或其他这样的图案。所述凹槽、沟道等可呈同心圆、螺线、xy交叉图案、或任何其他适合图案的形状。

本发明的抛光垫尤其适于结合化学机械抛光(cmp)装置而使用。通常，该装置包含：平台(platen)，当被使用时，其处于运动中且具有由轨道运动、线性运动、或圆周运动引起的速度；本发明的抛光垫，与该平台接触且在该平台处于运动中时随该平台移动；以及载体，用于固持待通过接触该抛光垫的表面并相对于该表面移动而抛光的工件。抛光该工件的操作通过下列而发生：将该工件放置成接触该抛光垫，且随后使该抛光垫相对于该工件移动(该抛光垫与该工件之间通常具有抛光组合物)，从而研磨该工件的至少一部分以抛光该工件。该抛光组合物通常包含液体载体(例如，水性载体)、ph调节剂、及任选的研磨剂。视正抛光的工件的类型而定，该抛光组合物可任选地进一步包含氧化剂、有机酸、络合剂、ph缓冲剂、表面活性剂、腐蚀抑制剂、消泡剂等。该cmp装置可为任何适宜的cmp装置，其中的许多是本领域中已知的。本发明的抛光垫也可与线性抛光工具一起使用。

合乎期望地，该cmp装置进一步包含原位抛光终点检测系统，其中的许多是本领域中已知的。用于通过分析自工件的表面反射的光或其他辐射而检查和监控抛光工艺的技术是本领域已知的。举例而言，在下列专利中阐述了这样的方法：美国专利第5,196,353号、美国专利第5,433,651号、美国专利第5,609,511号、美国专利第5,643,046号、美国专利第5,658,183号、美国专利第5,730,642号、美国专利第5,838,447号、美国专利第5,872,633号、美国专利第5,893,796号、美国专利第5,949,927号、及美国专利第5,964,643号。合意的是，对正在被抛光的工件的抛光过程进度的检查或监控使得可以确定抛光终点，即，确定何时终止对特定工件的抛光过程。

包含本发明的多层抛光垫材料的抛光垫适合用于抛光很多类型的工件(例如，基板或晶片)及工件材料。举例而言，所述抛光垫可用于抛光包含内存存储器件、半导体基板及玻璃基板的工件。适用于以此抛光垫进行抛光的工件包含存储器或硬磁盘、磁头、mems器件、半导体晶片、场发射显示器、及其他微电子基板，尤其是包含绝缘层(例如，二氧化硅、氮化硅、或低介电材料)及/或含金属层(例如，铜、钽、钨、铝、镍、钛、铂、钌、铑、铱、或其他贵金属)的微电子基板。

本发明的多层抛光垫材料可通过任何适宜的方法制备。一种适合的方法涉及通过以下方式将抛光垫材料的各层接合在一起：在至少中间层高于维卡软化温度时，使这些层的共延伸面接触，并施加压力。可通过任何适宜的手段来提高这些层的温度。举例而言，可通过焊接(例如，超音波焊接)、热结合、辐射活化结合、或层压来产生各抛光垫层之间的结合。优选的方法为层压。本发明中所使用的层压涉及使用热及压力来结合三个或更多个层。

本发明的层压方法通常涉及对顶层、中间层及底层进行加热，并在使中间层软化并与顶层及底层形成结合的充足温度(高于中间层的维卡软化温度)下将这些层压在一起。在一个实施方案中，该方法涉及使中间层聚合物的一个或二个面经受高于该聚合物的tg的温度，使该聚合物开始流动并填充于邻接层(即，顶层及底层)的空隙空间中。使用这些技术，可生产具有薄实心中间层、多孔顶层及多孔或非多孔底层的三层抛光垫。

在用于制备本发明多层抛光垫的一个实施方案中，该多层抛光垫包含热塑性聚氨酯多孔顶层、热塑性聚氨酯中间层、及包含聚碳酸酯的底层。图1绘示一种用于生产第一实施方案的多层抛光垫的工艺。在图1中，将一卷聚碳酸酯(pc)材料装载于层压机的上部退卷站(un-windstation)上。将一卷热塑性聚氨酯装载于供中间层使用的下部退卷站上。此图中未示出供热塑性聚氨酯(顶层)使用的退卷站。在经加热的辊隙(nip)中将该三种材料接合在一起。将该辊隙中的顶辊加热至180°f。将所得的经叠层的材料收集于后部重卷站(re-windstation)(图中未示出)上，以形成一卷具有三个层的经层压的片材，该片材将用于形成多层抛光垫。

在第二实施方案中，以两步骤工艺生产多层抛光垫，该多层抛光垫包含热塑性聚氨酯多孔顶层、热塑性聚氨酯中间层、及包含聚碳酸酯的底层。图2a及图2b绘示用于生产本发明多层抛光垫的两步骤工艺。在图2a中，将一卷聚碳酸酯(pc)材料装载于层压机的上部退卷站上。将一卷中间层材料装载于下部退卷站上。在经加热的辊隙中，将两种材料接合在一起。将顶辊加热至180°f并将底辊加热至200°f。将所得的叠层中间体材料收集于后部重卷站上，以形成一卷与中间层材料层压在一起的聚碳酸酯材料。在图2b中，随后将来自步骤一的中间体材料装载于层压机的退卷车(un-windcart)上。对材料进行缠绕(web)，使聚碳酸酯侧接触底辊，且中间体层将接触辊隙下方的顶层材料。将底辊加热至270°f，且热量通过聚碳酸酯被转移，以加热中间体层而使其流动。随着顶层材料被供给至辊隙中，经软化的中间体层将顶层材料与底层聚碳酸酯材料结合在一起。

一旦如图1或图2a及图2b所示将各层通过单步骤工艺或两步骤工艺接合在一起，便可向多层垫材料施加平台粘合剂。该平台粘合剂可为压敏粘合剂(psa)，其提供与cmp垫的牢固结合、但能够容易地自抛光平台移除。随后，收集通过任一种方法制作的所得多层垫材料，并将其切割成片材。

图3绘示本发明的多层抛光垫的界面的扫描电子显微法(sem)横截面。在图3中，顶层、中间层、及底层结合在一起，而各层之间没有任何裂口或自由空间。

以下实施例进一步例示本发明，但当然，不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

该实施例例示一种使用两步骤工艺来生产本发明的多层抛光垫的方法。

将一卷厚度为20密耳的聚碳酸酯(pc)材料装载于中试(pilotscale)层压机(agl6400laminator,advancedgreiglaminator,inc.,deforest,wisconsin)的上部退卷站上。将一卷厚度为6密耳且代表中间层的热塑性聚氨酯装载于下部退卷站上。将所述聚碳酸酯片材及聚氨酯片材供给至层压机中，并在经加热的辊隙中将其接合在一起。将包含铬的顶辊加热至180°f，同时将包含有机硅的底辊加热至200°f。将所得的二层叠层中间体材料收集于后部重卷站上，以形成一卷聚碳酸酯-聚氨酯中间体材料。随后，将此中间体卷装载于hvm层压机(blackbrothercompany,mendota,il)的退卷车上。对材料进行缠绕，使聚碳酸酯底层接触铬(270°f)辊，且聚氨酯中间层将接触未经加热的辊隙下方的顶层(聚氨酯)。热量通过聚碳酸酯被转移，从而将中间层加热至高于其维卡软化温度。随着垫顶层片材被供给至辊隙中，经软化的中间层与顶片材结合，由此将底层及顶层与中间层结合在一起。

实施例2

该实施例陈述对本发明垫材料与以压敏粘合剂结合在一起的相同垫材料进行的t剥离强度分析的比较。

将来自前一实施例的垫放置于模压机(diepress)中，并从每一垫切割出三个量测为1英寸×12英寸的条带。作为对照，从包含与本发明垫相同的顶层材料及底层材料、但各层使用压敏粘合剂结合在一起的垫制备具有相同尺寸的条带，也对此条带进行测试。对于每一测试条带，将底层(即，聚碳酸酯层)放置于测力仪(loadcell)装置(tiniusolsenmodelh10kt,horsham,pa)的下部锁定夹具(lockingjaw)中。随后，将顶层放置于测力仪装置的上部夹具中，由此使该装置采用受控的速度和力而将所述两个层拉开，并记录出现破坏时的时间及压力(磅)。

在图4中，将t剥离强度测试的结果显示为盒形图(boxplot)。相较于用压敏粘合剂(psa)将顶层与底层结合在一起的对照测试条带，来自本发明垫(直接结合)的条带显示出明显更强劲的结合强度。

将本文中引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)在此引入作为参考，其参考程度如同各参考文献被单独和具体说明以引入作为参考并且各参考文献在本文中全部阐述一般。

在描述本发明的范围(特别是所附权利要求的范围)中使用术语“一个”和“一种”和“该”以及类似的指示物应理解为包括单数和复数，除非本文中另有说明或上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”、和“含有”应理解为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另有说明。本文中数值范围的列举仅仅用作单独提及落在该范围内的每个独立值的简写方法，除非本文中另有说明，并且在说明书中引入每个独立值，就如同其在这里被单独列举一样。本文描述的所有方法可以任何适宜的顺序进行，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。本文中提供的任何和所有实例、或示例性语言(如，“例如”)的使用仅用来更好地说明本发明，而不是对本发明的范围加以限定，除非另有说明。说明书中没有语言应被理解为是在将任何非要求保护的要素表明为是本发明的实践所必需的。

本文中描述了本发明的优选实施方式，包括本发明人已知的进行本发明的最佳模式。通过阅读上述说明书，那些优选实施方式的变化对于本领域的普通技术人员来说将变得明晰。本发明人希望技术人员适当地采用这种变化，且本发明人希望本发明用不同于本文具体描述的方式进行实践。因此，本发明包括适用法律所允许的、所附权利要求书中所列举的主题的所有修改和等价物。此外，在其所有可能变化中的上述要素的任意组合包括在本发明中，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。