CN102689270A

CN102689270A - 固结磨料抛光垫及其制备方法

Info

Publication number: CN102689270A
Application number: CN2011100689078A
Authority: CN
Inventors: 蒋莉
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CN102689270B; US20120244792A1; US9004985B2

Abstract

一种固结磨料抛光垫及其制备方法，所述固结磨料抛光垫包括基底和固结在所述基底上的若干分立的磨料块，所述磨料块包括至少两层子磨料层，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层依次增大。本发明提供的固结磨料抛光垫能够保持固结磨料抛光法进行抛光操作时的稳定性。

Description

固结磨料抛光垫及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种固结磨料抛光垫及其制备方法。

背景技术

在半导体制备工艺中，平整的晶圆表面对于器件的小型化和高密度化极其重要，传统平坦化晶圆表面的方法为化学机械抛光法(CMP，ChemicalMechanical Polishing)。该方法在晶圆表面与抛光垫之间加入抛光液，利用机械力的作用和抛光液与晶圆表面产生的化学反应，平坦化晶圆表面。传统化学机械抛光法为游离磨料抛光法，包含于抛光液中的磨料在抛光垫上随机分布，其分布密度不均匀，抛光效果比较差，而且抛光液利用率低，抛光液废液容易污染环境等，因此逐渐被固结磨料抛光法(Fixed Abrasive Polishing)取代。

固结磨料抛光法，是将磨料和抛光垫结合起来，形成表面具有规则凹凸形状的固结磨料抛光垫(Fixed Abrasive Pad)。现有的固结磨料抛光法的抛光过程，如图1所示，输入滚筒105a和输出滚筒105b将抛光垫102输送到抛光台101上，并用抛光液润湿抛光垫102表面；将晶圆103吸附固定在抛光头104上，并使其表面与抛光垫102的磨料层相接触；启动动力驱动，抛光台101在轴承100的旋转带动下旋转，晶圆103也在旋转的抛光头104带动下旋转，其与抛光垫102作相对运动，使得晶圆103表面不断与抛光垫102表面的磨料层摩擦而被研磨。由于在抛光过程中，只有固结在抛光垫102的磨料层的突出部位(磨料块)才与晶圆103表面的相接触部位发生作用，相对于传统的游离磨料抛光法，由于接触区域的减小，微小接触区域产生局部较大的压力，抛光速率有较大程度的提高；还能够获得很好的抛光效果以及扩大过抛的工艺窗口，大大减少晶圆过抛时的凹陷(Dishing)和过蚀(Erosion)，提高了产品的良率；另外，抛光速率对于晶圆表面形貌有很高的选择性，因而，只需较少的去除量，即可达到平坦化的目的，降低了生产成本。抛光速率对材质的选择性随着抛光中所添加的化学剂的不同而变化。随着半导体制造工艺的不断发展，集成电路中的半导体器件的特征尺寸(CD，Critical Dimension)越来越小，固结磨料抛光法已显得越来越重要。

但是，采用固结磨料抛光法时，随着抛光操作的进行，固结于抛光垫上的磨料块将不断被磨损直至报废，所述磨料块的质量将很大程度影响抛光操作的质量，磨料块的消耗或损坏将产生明显的去除速率的降低以及刮伤程度的增加，从而使抛光过程的稳定性变差，因此，如何获得稳定的抛光性能已经成为固结磨料抛光法的一个至关重要的问题。

相关技术还可参考专利号为US20020049027的美国专利，但是该专利对于解决上述问题并未涉及。

发明内容

本发明要解决的问题是现有技术中采用固结磨料抛光法时因磨料块的不断消耗或损坏而使抛光的稳定性变差。

为解决上述问题，本发明提供一种固结磨料抛光垫，包括：基底和固结在所述基底上的若干分立的磨料块，所述磨料块包括至少两层子磨料层，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层依次增大。

可选的，所述各子磨料层的厚度相同。

可选的，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层以预定比例依次增大。

可选的，所述预定比例为抛光磨损掉一层子磨料层前后磨料块的面积的比值。

可选的，所述预定比例为1.099～1.124。

可选的，所述子磨料层的层数为3～10层。

为解决上述问题，本发明还提供了一种固结磨料抛光垫的制备方法，包括：在基底上依次沉积并固化形成至少两层子磨料层，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层依次增大；以模具压制所述各子磨料层，形成若干分立的磨料块，所述模具具有与所述磨料块相匹配的凹印图案。

可选的，形成的所述各子磨料层的厚度相同。

可选的，形成的所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层以预定比例依次增大。

可选的，所述预定比例为1.099～1.124。

可选的，沉积形成的所述子磨料层的层数为3～10层。

可选的，所述固化是通过喷射去离子水冷却实现的。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

通过制备出具有多层厚度相同或较为接近的子磨料层结构的固结磨料抛光垫，所述各子磨料层中磨料的密度从顶层至底层以预定比例依次增大，如此随着抛光操作的持续进行，由于位于下一层的子磨料层中磨料的密度较上一层的子磨料层增加程度与磨料块的面积减少程度相适应，从而能够保持固结磨料抛光法进行抛光操作时的稳定性。

附图说明

图1是现有固结磨料抛光法的抛光装置示意图；

图2是固结磨料抛光垫的磨料块磨损的俯视示意图；

图3是图2所示单个磨料块的放大示意图；

图4是图3所示磨料块沿A-A方向的剖面示意图；

图5是本发明实施方式提供的固结磨料抛光垫的制备方法示意图；

图6是形成于基底上的多层子磨料层的示意图；

图7是本发明实施例提供的固结磨料抛光垫的示意图；

图8是图7所示固结磨料抛光垫磨损掉顶层的示意图。

具体实施方式

现有技术的固结磨料抛光法中，随着抛光操作的进行，固结于抛光垫上的磨料块将不断被磨损直至报废，磨料块的消耗或损坏将产生明显的抛光速率的下降以及刮伤程度的增加，从而使抛光过程的稳定性变差。本技术方案通过制备出具有多层厚度相同的子磨料层结构的固结磨料抛光垫，所述各子磨料层中磨料的密度从顶层至底层以预定比例依次增大，如此随着抛光操作的持续进行，虽然位于上一层的子磨料层被磨损掉的同时磨料块的面积也减少了，但由于位于下一层的子磨料层中磨料的密度较上一层的子磨料层增加程度与磨料块的面积减少程度相适应，例如：满足抛光磨损掉一层子磨料层(非底层子磨料层)前后磨料块的面积的比值等于其下一层子磨料层的密度与该层子磨料层的密度的比值，从而能够保持固结磨料抛光法进行抛光操作时的稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

现有固结磨料抛光垫上的磨料层一般主要由二氧化铈(CeO₂)、二氧化硅等颗粒和树脂胶粘剂(有机聚合物)混合压制形成规则的磨料块凸起，所述磨料块凸起构成磨料块阵列形貌，在抛光过程中，由于晶圆和磨料层在压力的作用下，相互摩擦、挤压，磨料块阵列受到不同方向的剪切力，所述树脂胶粘剂在抛光液的作用下被溶解，便逐渐游离出固体颗粒(即磨料，例如二氧化铈)，随着抛光操作的持续进行，固结于抛光垫上的磨料块将逐渐被磨损直至报废。

图2是固结磨料抛光垫的磨料块磨损的俯视示意图。如图2所示，固结磨料抛光垫200上具有多个形状为正六边形的磨料块，这些磨料块构成的磨料块阵列即为固结磨料抛光垫200的磨料层。图2中示出的正六边形201表示未进行抛光操作的磨料块，而经过持续的抛光操作后，磨料块会变得越来越小，如图2中正六边形202所示，图2中的阴影部分表示磨损掉的部分。具体地，发生磨损的磨料块体现在高度以及宽度的减少。图3是图2所示单个磨料块的放大示意图。参阅图3，表示未进行抛光操作的磨料块的正六边形201的宽度(这里以正六边形相对两条边之间的距离作为其宽度)为W1，而表示经过持续的抛光操作后的磨料块的正六边形202的宽度为W2，磨料块宽度的减少即为W1-W2。图4是图3所示磨料块沿A-A方向的剖面示意图。图4中除了示出了磨料块宽度的减少，还示出了磨料块高度的减少，即：未进行抛光操作的磨料块的高度为H1，而经过持续的抛光操作后的磨料块的高度为H2，磨料块高度的减少为H1-H2。

在固结磨料抛光法中，晶圆表面抛光的效果主要取决于抛光垫表面磨料层的质量，磨料层的损伤或表面磨料块阵列的改变都会引起抛光速率下降以及增加晶圆表面被刮伤的程度，从而使抛光过程的稳定性变差。为了改善采用固结磨料抛光法时因磨料块的不断消耗或损坏而使抛光的稳定性变差的问题，本发明实施方式提供了一种固结磨料抛光垫，包括：基底和固结在所述基底上的若干分立的磨料块，所述磨料块包括至少两层子磨料层，各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层依次增大。具体实施时，所述子磨料层的层数根据所制备的固结磨料抛光垫上磨料块的高度一般可以分为3～10层，并且每层子磨料层的厚度相同或较为接近(考虑到制备工艺中所产生的误差等因素)，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层以预定比例依次增大，所述预定比例为抛光磨损掉一层子磨料层前后磨料块的面积的比值，即抛光磨损掉上一层子磨料层(非位于最底层的子磨料层)后磨料块的面积与抛光磨损掉下一层子磨料层后磨料块的面积的比值。由于当固结磨料抛光垫经过持续抛光操作后，磨料块会产生一定程度的磨损或消耗，其尺寸(高度、宽度、面积等)都发生了减少，而根据发明人研究发现，如果将磨料层中磨料的密度的配置与磨料块的面积相对应，则可以保持稳定的抛光效率。具体地，随着抛光操作的持续进行，位于上一层的子磨料层被磨损掉的同时虽然磨料块的面积发生了减少，但如果位于下一层的子磨料层中磨料的密度较上一层的子磨料层增加程度与磨料块的面积减少程度相适应，本实施例中，满足：抛光磨损掉一层子磨料层(非底层子磨料层)前后磨料块的面积的比值等于其下一层子磨料层的密度与该层子磨料层的密度的比值，从而能够保持固结磨料抛光法进行抛光操作时的稳定性。在其他实施例中，位于下一层的子磨料层中磨料的密度较上一层的子磨料层增加程度也可以与磨料块的宽度或高度减少程度相适应。下面结合附图以具体实施例作详细说明。

图7是本发明实施例提供的固结磨料抛光垫的示意图。参阅图7，本实施例中的固结磨料抛光垫包括：基底400和固结在所述基底400上的若干分立的磨料块，所述磨料块由6层厚度相同的子磨料层构成，各子磨料层中磨料的密度由顶层406至底层401以预定比例依次增大。本实施例中，所述预定比例为1.099～1.124。所述磨料可为二氧化铈、二氧化硅、金刚石、碳化硅、碳化硼、氧化锆、氧化铝和氮化硅中的一种或多种。所述磨料块的形状为正六边形，其宽度为正六边形相对两条边之间的距离，在其他实施例中，磨料块的形状也可以为圆形(宽度为直径)、正方形(宽度为边长)、正三角形(宽度为两边中点的连线长度)等其他规则形状，还可以是不规则形状。当磨料块的形状为不规则形状时，可以通过在足够量的实验中测量磨损掉一层子磨料层前后磨料块面积的变化情况以配置各子磨料层的密度。

通常磨料块的形状为规则形状，此时磨料块的面积的减少也可以体现在磨料块的宽度的减少，因此，本实施例中，是以所述磨料块的宽度的变化考量其面积的变化，再将面积的变化与各子磨料层中磨料密度的变化相对应，从而能够便捷地实现稳定的抛光性能，保证了抛光的精度与质量。

一般来说，全新(未经过抛光操作)的固结磨料抛光垫上的磨料块的高度H0为30微米，其宽度W0为108微米。当然，根据实际情况，不同的固结磨料抛光垫也会有不同的规格标准。本实施例中，当所述子磨料层的数量为6层时，则平均每层的厚度控制为5微米。该固结磨料抛光垫在进行抛光操作前，单个磨料块的面积平方微米。图8是图7所示固结磨料抛光垫磨损掉顶层的示意图。如图8所示，如果进行持续的抛光操作，位于顶层的子磨料层406被磨损后，磨料块的四侧也发生了一定程度的磨损，发明人通过大量实验发现，一般磨料块的一侧的减少量约为高度减少量的1/2。当磨料块的形状为正六边形时，则高度的减少量与宽度的减少量相同，那么当磨料块的高度减少5微米，其宽度也减少5微米，即此时磨料块的高度H0’为25微米，其宽度W0’为103微米，则此时单个磨料块的面积

平方微米，由此可得：S0/S1≈1.099。因此，当将第二层的子磨料层405中磨料的密度设置为顶层(第一层)的子磨料层406中磨料的密度的1.099倍时，便可以维持原先的抛光效果。同理，当将底层(第六层)的子磨料层401中磨料的密度设置为其上一层(第五层)的子磨料层402中磨料的密度的1.124倍时，便可以维持原先的抛光效果。

基于上述分析可知，理论上所述预定比例可以为非恒定值，但是在具体实施时，当抛光磨损掉一层子磨料层(非底层子磨料层)前后磨料块面积的减少比例非常接近时，可设为定值。例如，在本实施例中，如果顶层(第一层)子磨料层406中磨料的密度假设为x，则：

第二层子磨料层405中磨料的密度应配置为x*y；

第三层子磨料层404中磨料的密度应配置为x*y²；

第四层子磨料层403中磨料的密度应配置为x*y³；

第五层子磨料层402中磨料的密度应配置为x*y⁴；

最底层(第六层)子磨料层401中磨料的密度应配置为x*y⁵；

其中，预定比例y的范围为1.099～1.124。

至于各子磨料层中磨料的密度的配置可通过在制备时配置形成多份浓度不同的磨料颗粒与有机聚合物的混合物实现，详见下面固结磨料抛光垫制备方法中的相关描述。

由于持续的抛光操作，固结磨料抛光垫上的磨料块会产生一定的磨损或消耗，其尺寸如高度、宽度、面积等都会有不同程度的减少，发明人发现：磨料块高度的减少会导致抛光垫的损耗，虽然不会对抛光速率造成影响，但是当高度减少到小于某个临界值时，该磨料块就难以继续进行抛光操作了(如果继续抛光则可能会提高晶圆产生刮伤的等级)，说明该抛光垫已经报废，需要更换固结磨料抛光垫才能进行后续的抛光操作；而磨料块宽度的减少则会导致抛光效率的下降，即对晶圆进行抛光操作时的去除速率会大大降低，并且，当磨料块宽度的减少到小于某个临界值时，该磨料块就难以继续进行抛光操作了，同样说明该抛光垫已经报废，需要更换固结磨料抛光垫才能进行后续的抛光操作。但是，本发明实施方式中的固结磨料抛光垫的结构中，由于位于较下层的子磨料层具有较高的磨料密度，仍然能保持稳定的抛光能力，因此固结磨料抛光垫的利用率得到提高，使用寿命得以延长。

本发明实施方式还提供了一种制备上述固结磨料抛光垫的方法，包括：

步骤S101，在基底上依次沉积并固化形成至少两层厚度相同的子磨料层，所述各子磨料层中磨料的密度从顶层至底层以预定比例依次增大；

步骤S102，以模具压制所述各子磨料层，形成若干分立的磨料块，所述模具具有与所述磨料块相匹配的凹印图案。

下面结合附图对上述固结磨料抛光垫的制备方法作具体说明。

图5是本发明实施方式提供的固结磨料抛光垫的制备方法示意图。如图5所示，固结磨料抛光垫的制备装置主要包括：制备台300、置于所述制备台300上的制备容器301、注入装置(包括注入槽305、注入管道306、驱动组件307、注入头308)、冷却固化装置310。

具体实施时，先分别配置形成多份磨料颗粒与有机聚合物的混合物，其中，每份混合物中磨料颗粒的浓度(质量/重量百分比)按照一定预设比例依次增大，例如：当第一份混合物的浓度为a，预设比例为b(该预设比例的值理论上并不恒定，但在实际实施中可设为定值，且b大于1)，则第二份混合物的浓度为ab，第三份混合物的浓度为ab²，第四份混合物的浓度为ab³，......以此类推。所配置的混合物的份数由待制备的固结磨料抛光垫的子磨料层的层数决定，如果待制备的固结磨料抛光垫的子磨料层的层数为6层，则相应配置6份混合物。本实施例中，所述磨料颗粒可为二氧化铈、二氧化硅、金刚石、碳化硅、碳化硼、氧化锆、氧化铝和氮化硅中的一种或多种。

为了进一步提高磨料颗粒与有机聚合物的混合效果，可以对磨料颗粒进行表面改性。因为磨料颗粒为无机材料，大部分表面为亲水性，与有机聚合物不相容；因此，会造成磨料颗粒在有机聚合物中分布不均及磨料颗粒与有机聚合物结合力低下。对磨料颗粒进行表面改性可以采用机械化学改性法，比如高能球磨、搅拌磨、高速剪切或高频超声等。经过改性的磨料颗粒露出新鲜表面，由于新鲜表面上含有大量的悬挂键，加上改性过程中的局部高温，磨料颗粒与表面改性剂会产生化学反应，从而实现磨料颗粒的表面特性改变。

将配置完毕的混合物分别置于不同的注入槽305中(图中仅示出其中一个注入槽)存放，制备时，将注入槽305中的混合物先后通过注入管道306、驱动组件307(内含注入通孔)、注入头308注入至制备容器301中。本实施例中，可以先在制备容器301中形成或放置固结磨料抛光垫的基底302，所述基底302可以采用刚性基底，如有机玻璃PMMA板、聚氯乙烯PVC板、聚碳酸酯PC板或聚对苯二甲酸二乙酯PET板；基底302也可以是具有一定弹性的聚氨酯、聚烯烃、苯乙烯、聚酯、聚酰胺或黑阻尼布；基底302还可以采用刚性基底与弹性基底相结合形成的多层基底。之后，再将所配置的浓度最大的那份混合物注入至制备容器301，沉积于所述基底302之上，盖上盖板304，并通过传动轴309带动制备台300旋转以及在水平方向移动，与此同时，注入头308对盖板304施以压力，并在驱动组件307的带动下旋转以及在水平方向移动。这样，可以使注入制备容器301中的混合物能够均匀地分布于所述基底302之上，并且，混合物中的磨料颗粒也能够分布均匀。注入头308对盖板304施加的压力，也可以对后续形成的子磨料层303的厚度进行控制。

然后，以冷却固化装置310对所述混合物进行冷却固化，形成位于固结磨料抛光垫最底层的子磨料层303。具体地，由冷却固化装置310向盖板304的表面喷射去离子水(温度一般为30～50摄氏度)，使处于熔融状态的磨料颗粒与有机聚合物的混合物冷却固化，在基底302上形成子磨料层303。

取下盖板304后，以同样方式在子磨料层303之上依次形成与子磨料层303厚度相同的其他子磨料层，所采用的混合物的浓度依次减小，如此，则形成的各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层以预定比例依次增大。至此，完成步骤S101。

通过步骤S101在基底上依次形成多层所述子磨料层后，执行步骤S102，以模具压制各子磨料层，形成若干分立的磨料块，所述模具具有与所述磨料块相匹配的凹印图案。图6是形成于基底上的多层子磨料层的示意图。图6示出了基底400上依次形成的6层子磨料层，分别为子磨料层401、子磨料层402、子磨料层403、子磨料层404、子磨料层405、子磨料层406，以上子磨料层共同构成了固结磨料抛光垫的磨料层。再以模具(模辊)沿顺时针方向滚动压制所述磨料层，形成若干分立的磨料块，所述模具表面具有与磨料块相匹配的凹印图案，一般为正六边形、圆形、正方形和正三角形等规则形状中一种。至此完成本发明实施方式提供的固结磨料抛光垫的制备，形成的固结磨料抛光垫如图7所示。

综上，本发明实施方式提供的固结磨料抛光垫及其制备方法，至少具有如下有益效果：

此外，由于位于较下层的子磨料层具有较高的磨料密度，仍然能保持稳定的抛光能力，因此固结磨料抛光垫的利用率得到提高，使用寿命得以延长。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种固结磨料抛光垫，包括基底和固结在所述基底上的若干分立的磨料块，其特征在于，所述磨料块包括至少两层子磨料层，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层依次增大。

2.根据权利要求1所述的固结磨料抛光垫，其特征在于，所述各子磨料层的厚度相同。

3.根据权利要求1或2所述的固结磨料抛光垫，其特征在于，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层以预定比例依次增大。

4.根据权利要求3所述的固结磨料抛光垫，其特征在于，所述预定比例为抛光磨损掉一层子磨料层前后磨料块的面积的比值。

5.根据权利要求3所述的固结磨料抛光垫，其特征在于，所述预定比例为1.099～1.124。

6.根据权利要求1所述的固结磨料抛光垫，其特征在于，所述子磨料层的层数为3～10层。

7.一种固结磨料抛光垫的制备方法，其特征在于，包括：

在基底上依次沉积并固化形成至少两层子磨料层，所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层依次增大；

以模具压制所述各子磨料层，形成若干分立的磨料块，所述模具具有与所述磨料块相匹配的凹印图案。

8.根据权利要求7所述的固结磨料抛光垫的制备方法，其特征在于，形成的所述各子磨料层的厚度相同。

9.根据权利要求7或8所述的固结磨料抛光垫的制备方法，其特征在于，形成的所述各子磨料层中磨料的密度由顶层至底层以预定比例依次增大。

10.根据权利要求9所述的固结磨料抛光垫的制备方法，其特征在于，所述预定比例为抛光磨损掉一层子磨料层前后磨料块的面积的比值。

11.根据权利要求9所述的固结磨料抛光垫的制备方法，其特征在于，所述预定比例为1.099～1.124。

12.根据权利要求7所述的固结磨料抛光垫的制备方法，其特征在于，沉积形成的所述子磨料层的层数为3～10层。

13.根据权利要求7所述的固结磨料抛光垫的制备方法，其特征在于，所述固化是通过喷射去离子水冷却实现的。