具有超硬磨料增强的化学机械平坦化修整器衬垫的制作方法
【专利说明】具有超硬磨料增强的化学机械平坦化修整器衬垫
[0001]本申请要求2012年5月4日提交的美国临时申请号61/642，874的优先权。所述申请在此通过引用的方式并入本文，包括其中的附录。
发明领域
[0002]本发明一般涉及半导体制造设备。更具体地，本发明涉及用于抛光垫清洁的修整装置，该抛光垫用于半导体的制造中。
【背景技术】
[0003]化学机械平坦化(CMP)广泛地用于半导体芯片和存储设备的制造中。在CMP工艺中，材料通过抛光垫、抛光浆料和任选的化学试剂的作用从晶片基板去除。随着时间的推移，抛光垫变得无光泽并填充有来自CMP工艺的碎屑。抛光垫定期地用垫修整器修复，其磨蚀抛光垫表面且开孔并在该抛光垫表面上产生表面微凸体(asperities)。垫修整器的功能是保持在CMP工艺中的去除率。
[0004]CMP代表了半导体和存储设备的制造中的主要生产成本。这些CMP成本包括与抛光垫、抛光浆料、垫修整盘和各种CMP部件相关联的那些，其在平坦化和抛光操作过程中被磨损。CMP工艺额外的成本包括用于更换抛光垫的工具停机时间以及测试晶片来重新校准CMP抛光垫的成本。
[0005]典型的抛光垫包括具有厚度约为0.15?0.20厘米的闭孔聚氨酯泡沫塑料。在垫修整过程中，衬垫要经受机械磨损以通过垫表面的蜂窝状层物理切断。衬垫的暴露表面包含开孔，其可在CMP工艺中使用以捕获由废抛光浆料和从晶片去除的材料构成的磨粉浆。垫修整器去除了包含嵌入材料的孔(cell)的外层并使得外层下面的层的去除最小化。抛光垫的过度变形导致寿命缩短，而变形不够导致在CMP步骤中材料的去除率不足以及晶片缺乏均匀性。
[0006]某些垫修整器利用超硬磨料颗粒，例如粘合到基板上的金刚石。例如，参见Sung(Sung)的美国专利号7，201，645 (公开了波状外形的的CMP垫修整器，其具有多个粘合到基板的超硬磨料颗粒)；An等人(An)的美国专利申请公开号2006/0128288 (公开了将磨料颗粒固定到金属基板上的金属粘合剂层，具有在10%?40%的较小和较大磨料颗粒之间的直径差)。现有技术的垫修整器的问题在于在垫修整器的最大特征上产生的力可导致颗粒经受更大的力而从垫修整器脱落。脱落的颗粒可通过抛光垫捕获，其在抛光操作过程中可导致晶片刮伤。
[0007]对于减少或消除脱落的磨料颗粒的CMP垫修整器以及具有用于修整CMP抛光垫的不同表面高度的CMP垫修整器有持续的需求。
【发明内容】
[0008]在本发明的各种实施方式中，提供了由基板加工的垫修整器，其具有特征高度和粗糙度特性的所需分布。在成型的基板上的突起作为在垫表面上提供力集中的几何特性。在实施方式中，提供具有粗糙化或纹理化的重复突起的第一基板，金刚石颗粒分散在表面区域上，并且一层多晶CVD金刚石涂层在表面突起和金刚石晶粒上生成。基板的粗糙度促进了金刚石晶种颗粒在金刚石涂层内的固定，以使脱落最小化或防止脱落。
[0009]在实施方式中，金刚石颗粒的尺寸小于在远离衬垫延伸的方向上测量的CVD涂层的平均厚度。
[0010]本发明实施方式的特征和优点是垫修整器的增强的性能。在实施方式中，提供了修整器到修整器的切削率重复性以及在修整器使用寿命中一致的切削率，以及在粗糙表面上添加金刚石磨料晶体并添加CVD金刚石层之后减少的缺陷，其中所述金刚石磨料晶种是CVD的矩阵和厚度的一部分。
[0011]在实施方式中，具有带在其上形成的粗糙突起的粗糙基板的碳化硅段首先设置有小的钻石晶种颗粒(例如，直径尺寸为Inm?30nm的金刚石磨料)。然后，较大的金刚石磨料晶种(例如，范围在约I微米(Pm)?约12 μ m)可施加到基板和突起上。几毫克的大金刚石磨料可施加到各段中。大金刚石磨粒利用粗糙表面(例如，约2 μ m?约5 μ m的RMS粗糙度)粘合了碳化硅基板和突起，这有助于保持较大的金刚石颗粒。
[0012]添加较大的金刚石磨料晶种也允许垫修整器的切削率将在宽范围内“调整”，这取决于较大的金刚石磨料晶种的大小。“较大”的磨料晶体尺寸通常比实际上提供的切削特征的现有技术利用的磨料要小得多。在实施方式中，所述磨粒通常是在CVD涂层的z方向上的平均厚度中。有纹理的表面有助于保持晶种，从而减少利用现有技术的垫修整器经受的颗粒脱落的问题。然后晶种的表面可涂覆有例如多晶金刚石。
【附图说明】
[0013]图1是具有垫修整器的晶片抛光装置的示意图。
[0014]图2是根据本发明的垫修整器组件的透视图。
[0015]图3是根据本发明的垫修整器组件的透视图。
[0016]图4是根据本发明的修整器衬垫的照片图像。
[0017]图5是示出了根据本发明的在表面上的突起(project1n)的透视图。
[0018]图6a是根据本文的本发明衬垫上的突起阵列的平面图。
[0019]图6b是根据本文的本发明衬垫上的突起阵列的平面图。
[0020]图7是根据本文的本发明衬垫上的突起阵列的平面图。
[0021]图8是根据本文的本发明在具有涂层的基板上的突起的横截面图。
[0022]图9是示出了利用根据本文的本发明的实验切削率的图表。
[0023]图10是显微照片。
[0024]图11是显微照片。
[0025]图12是显微照片。
[0026]图13是显微照片。
[0027]图14是根据本文的本发明在具有涂层的基板上的突起的横截面图。
[0028]图15是根据本文的本发明在具有涂层的基板上的突起的横截面图。
[0029]详细说明
[0030]现在参照图1，本发明的实施方式描绘了在化学机械平坦化(CMP)工艺中具有垫修整器32的晶片抛光装置30。所描绘的晶片抛光装置30包括具有上表面36的旋转台34，该上表面36具有安装在其上的CMP垫38 (例如聚合物衬垫)。具有安装在其上的晶片基板44的晶片头42设置为使得晶片基板44与CMP垫38接触。在一个实施方式中，浆料进料装置46为CMP垫38提供了磨粉浆48。
[0031]在操作中，旋转台34转动，从而使CMP垫38在晶片头42、垫修整器32和浆料进料装置46下方转动。晶片头42利用向下的力F接触CMP垫38。晶片头42也可以线性往复动作旋转和/或摆动，以加强安装在其上的晶片基板44的抛光。垫修整器32也可接触CMP垫38，并在CMP垫38表面上来回平移。垫修整器32也可以旋转。
[0032]在功能上，CMP垫38以受控的方式从该晶片基板44上去除了材料，以给予晶片基板44抛光面。垫修整器32的功能是去除来自抛光操作的碎屑以及在CMP垫38上开孔，从而保持在CMP工艺中的去除率，该抛光操作充满了来自CMP工艺的碎屑。
[0033]参照图2和图3，本发明的实施方式中描绘了垫修整器组件50A和50b。衬垫组件(统称为衬垫组件50)分别包括修整段52a，52b (统称为修整段52)，其固定到下面的基板或垫板54。修整段52可具有两个或更多个不同平均高度的突起，如W02012/1221186A2所讨论的各种实施方式所讨论的，还有PCT专利申请号PCT/US2012/027916( “Smith”)，其转让给本发明和申请的所有者，在此通过引用的方式并入本文。在一个实施方式中，所述段用粘合剂，例如环氧树脂粘接在垫板54上。图4示出了单独的段。图5示出了根据本文的本发明的具有在其上通过合适的机械加工所形成的间隔图案的突起66的基板表面64的放大透视图。图6A、图6B和图7示出了适合于本文的本发明的不同密度的矩阵型图案70A、70B和70C。当在本文中使用“矩阵”时，可指代具有行和列的矩阵或具有向外扩大的圆形行或其部分的圆形矩阵。
[0034]参照图8，本发明的实施方式中描绘了基板80，例如来自上面的段中的一个，其包括突起80,具有在其上播种(seed)的大金刚石晶种82和小金刚石晶种84以及在其上的多晶金刚石涂层86。该剖视图描绘了突起的高度h，多晶层的厚度t以及基板/突起材料的粗糙度R。该突起的特征部为具有从基板的地面高度F参考的高度。在一定程度上地面f是不均匀的，地平面可被认为是每个相邻突起之间的最低平面的平均值，所述突起的高度可从该平均基准平面进行测量。
[0035]在各种实施方式中，所述多晶金刚石层的厚度可约为大金刚石磨料颗粒的直径，如图8所示，或者它可在某些实施方式中更大以及在某些实施方式中更小。在各种实施方式中，覆盖金刚石磨料晶种和所述表面的所述多晶金刚石的厚度约为大金刚石磨料尺寸直径的50%?约100%，描述了所述磨料尺寸的100%的后一种情况。
[0036]在功能上，大金刚石磨料晶种将粗糙度的另一个尺寸添加到基板和突起表面中。垫修整器的切削率可有利地通过选择用于大金刚石磨料晶种的窄尺寸范围而变化；窄尺寸范围可以是I P m、2 μ m、4 μ m、并且直到约6 μ m。
[0037]参照图9，本发明的实施方式中描绘了用于改变大尺寸磨粒直径的垫修整器的性能指标。图2中所示的数据是用于具有4英寸的直径且具有结合在其上的5个段的修整垫。所述段上的特征具有在每平方毫米10个特征部的密度下125 μ m的基准尺寸。所述特征部的高度名义上是20 μ m。使用该修整器的衬垫切削率是使用Buehler Ecomet 4台式抛光机来确定的。所用的衬垫是IC100(TM)衬垫(Rohm和Haas),以50rpm的转速旋转。该IClOOO衬垫利用7磅的力接触原型垫修整器，且原型垫修整器的转速为35rpm。在切削率试验期间，去离子水以每分钟80毫升的流量分配到衬垫上。该试验利用具有大晶种的新抛光垫进行重复，该新抛光垫具有对应于在图2的X轴上播种过程的直径。
[0038]用于在Ιμπι?2μπι范围内(X轴标签I)大晶种的衬垫的切削率为约每小时23 μ m ;用于2 μ m?4 μ m晶种(x轴标签2)的切削率为约每小时28 μ m ;用于4 μ m?8 μ m晶种(X轴标签3)的切削率为约每小时32 μ m ;以及用于6-12 μ m晶种的切削率为约每小时50μπι。切削率也可变化，取决于垫修整器的类型。在图中的“O播种”过程中的点对应于其中仅使用纳米尺寸的小金刚石磨料晶种的情况(约每小时10 μ m的切削率)。
[0039]图10是不具有多晶金刚石的突起(没有粗糙度)的照片。图11是涂覆有多晶金刚石(具有小纳米尺寸的晶种)的突起的照片。图12是在突起和具有粗糖面的碳化娃基板的表面上的大金刚石磨料晶种的照片。图13是在突起上利用6?12微米的较大金刚石磨料晶种涂覆多晶金刚石的照片。
[0040]例如，对于图1的各个