CN104149023A - 化学机械抛光垫 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种化学机械抛光垫，解决了现有抛光垫容易擦伤，抛光效率低的问题。技术方案至少包括有抛光层，所述抛光层的抛光面上开有多个孔，以所述抛光面的中心为圆心，所述多个孔排列成多排不同径长的同心的圆环；并且，以抛光面的中心为端点，均匀散射出多条延至抛光面边缘的沟槽；所述抛光面的表面粗糙度处于15μm以下。本发明抛光垫结构简单、能有效提高抛光去除效率且能抑制擦伤产生、使用寿命长。

Description

化学机械抛光垫

技术领域

本发明涉及一种化学机械平面化处理用抛光垫，具体的说是一种化学机械抛光垫。

背景技术

化学机械平面化处理，即化学机械抛光(CMP)，是用于对半导体晶片，蓝宝石之类的基材进行平面化处理的常用技术。在常规的CMP中，晶片安装在支架装置上，并使晶片与CMP设备中的抛光盘上的抛光垫接触。支架装置对晶片提供可控的压力，将晶片压在抛光垫上。外加驱动力使抛光垫相对于晶片做旋转运动。与此同时，在晶片和抛光垫之间提供一种化学组合物或其它抛光溶液。由此，通过抛光垫表面和浆液的化学作用和机械作用，使晶片的表面抛光变平。

在CMP系统中，抛光垫具有以下功能：1、能贮存抛光液，并把它运送到工件的加工区域，使抛光均匀。2、从工件抛光表面除去抛光过程产生的残留物质(如抛光碎屑、抛光垫碎片等)。3、传递材料去除所需的机械载荷。4、维持抛光过程所需的机械和化学环境。抛光垫表面结构影响着抛光垫储存、运送抛光液的能力和表面局部应力梯度，从而决定了材料去除率、工件间的可重复性以及抛光的非均匀性等。而在已有的常规CMP系统中，通过在抛光垫表面设置沟槽使抛光速度和抛光结果得到提高，沟槽的布置方式常见的有两种，一种是以抛光垫的中心为圆心，设置多排圆环形沟槽，另一种是在抛光垫上均匀开孔，孔的大小一致，间距相同。上述两种结构在初期使用时，一定程度上能够起到贮存抛光液的作用，但是当运行一段时间后，会出现以下问题：(1)排渣不畅，不能使抛光碎屑、硅片去除后的碎片的顺利排出，抛光液中的微粒子会堵塞抛光层上的沟槽或孔，导致抛光垫的使用效果下降；(2)由于排渣不畅，堵塞的沟槽和孔还会带来擦伤，进一步影响抛光速度和去除率，甚至会影响到抛光效果。(3)抛光液不能在抛光垫上快速合理分布，因而进一步影响抛光速度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、能有效提高抛光去除效率且能抑制擦伤产生、使用寿命长的化学机械抛光垫。

本发明抛光垫至少包括有抛光层，所述抛光层的抛光面上开有多个孔以所述抛光面的中心为圆心，所述多个孔排列成多排不同径长的同心的圆环；并且，以抛光面的中心为端点，均匀散射出多条延至抛光面边缘的沟槽；所述抛光面的表面粗糙度处于15μm以下。

由抛光层圆心向外覆盖半径总长度30％-38％的区域内组成圆环的孔的孔径和/或孔间距大于其它区域组成圆环的孔的孔径和/或孔间距。

所述其它区域组成圆环的孔的孔径为0.1-10mm，孔间距为1-22mm。

所述其它区域中，同一圆环中的孔间距相等，但不同圆环中的孔间距具有由内向外逐步减小的趋势。

所述孔的深度在0.1mm以上且所述沟槽的深度不小于孔的深度。

所述沟槽的深度不小于0.5mm，宽度为0.1-5mm。

所述沟槽在抛光面中心上以均匀角度散射分布，分布数量为4×N条，且1≦N≦12。

所述抛光层含有含有聚氨酯聚合物基体以及分散在基体中的非水溶性空心微球。

所述非水溶性微球的直径分布在10μm-100μm之间。

所述孔是由用切削法、模具成形法或针棒打孔法中的至少一种方法形成的。

还包括缓冲层，所述抛光层的底面与缓冲层连接。

所述缓冲层的底面与支撑层连接。

发明人对现有的抛光垫进行了深入研究，将现有用于贮存抛光液的沟槽结构和孔结构结合起来，一方面使多个孔排列成圆环，多排圆环的圆心位于抛光垫的中心，由于孔较沟槽而言能更好的暂时贮存抛光液，使多个孔被排列成多排圆环状，与抛光垫相对于抛光对象做旋转运动的轨迹相同，因而致密小孔中的抛光液被均匀分布，能很好的起到润滑抛光的作用，但同时孔也存使抛光液流动性差的问题。另一方面将沟槽以圆心为端点向外均匀散射延伸至抛光垫的边缘。沟槽起到类似导向的作用，在旋转状态下，当含渣的抛光液被离心甩至沟槽附近时，由于沟槽是以抛光面的中心为端点均向向外散射的布置，因此，含渣的抛光液更易向沟槽内集中并随着离心力顺畅的沿沟槽向外排出，从而很好的解决了排渣的问题，从而避免沟槽和孔的堵塞问题，从而解决由此带来的一系列问题。

进一步的，发明人进一步发现，擦伤还与粗糙度有一定的关系，粗糙度过高，即具有大凹凸的情况下，尤其是大的凸部(如由形成沟槽时的残余毛刺形成的凸部)，在抛光过程中脱落易导致抛光对象的擦伤。此外，抛光过程中，脱落的凸部在抛光垫中的压力和摩擦热等作用下被压缩，与抛光垫屑以及抛光液中的固体物互相作用而形成的导物(文中统称渣)，这些都会导致抛光对象在抛光时被擦伤。通过控制粗糙度，能有效降低抛光时的擦伤，因此，发明人严格要求抛光层的抛光面的表面粗糙度处于15μm以下，粗糙度控制除能防止擦伤之外，还能有效地发挥作为凹槽和通孔的功能，特别是保持抛光液的功能和向外部排渣的功能。

所述沟槽沟的宽度应在0.1-5mm，小于0.1mm加工不易，大于5mm则抛光液流动速度过快导致使用效率下降；深度应在0.5mm以上，低于0.5mm导致抛光垫寿命过短，最深可贯穿整个抛光层。所述沟槽宽度方向上截面形状并无特别限制，可以制成如U字形和V字形等。

所述孔具有保持抛光时供给浆液，将此浆液更均匀地分配给抛光面的功能，而且还具有使抛光产生的抛光屑和使用过的浆液等废弃物(统称渣)暂时滞留的功能。孔的平面形状并无特别限定，例如可以制成圆形、多边形及其它不规则的图形。考虑加工因素，优选通孔的平面形状为圆形。孔的深度不小于0.1mm，最深可贯穿整个抛光层形成通孔，优选孔的深度为抛光层厚度的50％-100％。

由抛光层圆心向外覆盖半径总长度30％-38％的区域(即非抛光区域)内组成圆环的孔的孔径和/或孔间距大于其它区域(即抛光区域)组成圆环的孔的孔径和/或孔间距。因为抛光液通常是滴入抛光垫上抛光面的中心位置，使靠近抛光层中心的非抛光区域(由抛光层圆心向外覆盖半径总长度30％-38％的区域)的孔径和孔间距更大，这样可以更好的快速吸收并承载大量的抛光液，由于孔径更大，对孔内的抛光液的固定效果较差，也更易使孔内的抛光液在离心作用下向外周分布，便于抛光液的均布，而除内部区域外的周部区域(即其它区域)为抛光面的抛光工作区，因而需要组成圆环的孔的孔径更小、布置更为密集，抛光液被更好均布于该区，提高抛光速度及抛光效果。

所述其它区域中组成圆环的孔的孔径为0.1-10mm，孔间距为1-22mm。所述抛光层圆心向外覆盖半径总长度30％-38％的区域内组成圆环的孔的孔径是其它区域孔的孔径1-3倍，孔间距是其它区域孔的孔径1-3倍。

进一步优选的，所述其它区域中，同一圆环中的孔间距相等，但不同圆环中的孔间距具有由内向外逐步减小的趋势。也就是说，在其它区域中，靠抛光面中心的圆环的孔间距较靠抛光面周部的圆环的孔间距大，这样布置可以使靠抛光面周部的孔中更多更密集的贮存抛光液，也利于含渣抛光液的导出。

所述抛光层含有聚氨酯聚合物基体和分散在基体中的非水溶性空心微球，所述非水溶性空心微球(简称微球)的直径分布在10μm-100μm之间。微球直径太小，抛光液难以储存，微球直径太大，抛光过程中的磨屑不易导引清除，同时使抛光层的机械强度和抛光去除率下降。所述微球质量含量占抛光层质量的0.1-50％，优选0.5-10％。所述聚氨酯聚合物为常用制造抛光层的材料，包括但不限于聚醚TDI体系，聚酯TDI体系，聚醚MDI体系，聚醚HDI，聚醚PAPI体系等。

所述抛光层的肖氏D硬度达到30以上，通常为100以下，优选40D-80D。

本发明的抛光层形状并无特别限制，如圆盘状，可根据抛光装置适当选择。可以制成直径50-5000mm(优选200-2000mm)，厚度0.1-50mm(优选0.1-20mm)。根据抛光对象不同，若抛光对象为蓝宝石，则该抛光层可作为抛光垫直接安装在抛光盘上，若抛光对象为芯片，则可在抛光层底面粘接缓冲层，进一步的，还可以在缓冲层底面粘接支撑层后再安装在抛光盘上。这种支持层或缓冲层材料可以采用能赋予适度弹性的有机材料制备，它比抛光层柔软，通过添加更柔软的支持层和/或缓冲层，即使在抛光层较薄的情况下，也能防止抛光时抛光层上浮或抛光层表面弯曲等问题的发生，能够稳定地进行抛光。这种支持层或缓冲层的肖氏D硬度达到10-30D，优选15D-25D。支持层或缓冲层既可以是多孔发泡体，也可以是非多孔体，其厚度0.1-5mm。

本发明抛光垫的制造方法可以列举出：在制备形成所需抛光层的大体形状后，利用切削加工形成沟槽和孔；或者，也可以采用具有沟槽和孔的镜像图案的金属模具，将抛光垫用聚合物填充到金属模具中成形，能够同时形成抛光层及抛光层上的沟槽和孔。在抛光面上加工出沟槽和孔后，后续再经过机械修整或磨削，可以很好的控制抛光垫的表面粗糙度(Ra)在15μm以下。表面粗糙度(Ra)控制在15μm以下，除能防止擦伤之外，还能有效地发挥作为凹槽和通孔的功能，特别是保持抛光液的功能和向外部排出废弃物的功能。

有益效果：

1、将表面粗糙度控制在较低的水平以下，在抛光垫和抛光对象接触摩擦的过程中，因抛光垫本身不平导致的擦伤减少；

2.凹槽和和通孔采用切削法和模具成形法的方法形成，一定程度上保证了材料表面的平整度和粗糙度，以及材料结构的均匀性，降低了擦伤的可能性；

3.通孔和凹槽，发挥了保持抛光液的功能和向外部排出废弃物的功能。

4.通过设置孔组合形式及分布密度，在抛光面中心位置设置较稀疏的通孔和/或较大的通孔，在保证抛光液在抛光面上有足够的保有量的同时，减少了抛光面中心非抛光摩擦区域对抛光液的无效占有量，能及时补充新鲜的抛光液到抛光区域，加快化学腐蚀速度，从而提高抛光速度。

5.通过设置沟槽组合形式及分布密度，特别是在保证抛光垫支持作用的前提下，适当提高沟槽的数量和有效容积，能较快的转移抛光过程中的磨屑，提高抛光液的流动量，从而减少磨屑对晶片的擦伤，同时也增加了化学腐蚀速度，提高了抛光速度。

本发明抛光垫结构简单，抛光效果好，一方面能够使抛光液快速均匀分布，提高抛光速度和抛光效果，另一方面也能使抛光过程中产生的“渣”顺畅排出，进一步提高抛光速度和抛光效果，避免擦伤很问题的发生，提高抛光垫的使用寿命。

附图说明

图1为本发明抛光面的主视图(仅显示半个抛光层平面)；

图2为沟槽的局部剖视图；

图3为孔的局部剖视图(图中，两邻两孔位于同一圆环上)；

图4为实施例10-20抛光垫的右视图。

1-抛光层、1.1-沟槽、1.2-孔、1.3-圆环、2-缓冲层、3-支持层、A-区域、B-区域。

具体实施方式

表面粗糙度是指从平均线与粗糙曲线的高低差的绝对值进行平均的值(Ra)，是本发明抛光垫使用前的最低数值。表面粗糙度(Ra)的测试仪器可以是三维表面结构解析显微镜、扫描型激光显微镜等光学式表面粗糙度(Ra)测试仪，以及触针式表面粗糙度(Ra)计等接触式表面粗糙度(Ra)测试仪。表面粗糙度(Ra)数值取使用前的抛光垫表面上三个不同视野测定的各视野平均表面粗糙度(Ra)数值的平均值。

实施例：

按照聚氨酯常规浇筑方式，在聚氨酯聚合物中加入非水溶性空心微球(如Akzo Nobel制造的EXPANCEL551DE40d42，直径分布在10μm-100μm)混合，将混合物浇筑到模具中，高温熟化成型，即得直径680mm，厚度2.5mm的长方形板材。然后用切削加工机(如北京精雕科技集团有限公司)切成直径650mm的圆盘状的抛光层以抛光层1的抛光面中心为端点，均匀加工形成n1条延至抛光面边缘的两两对称的沟槽1.1，以将抛光面均分为n1等份。所述沟槽1.1的宽度m1，深度h1(参见图2)。以抛光面的中心为圆心，多个孔1.2排列成多排不同径长的同心的圆环1.3。其中，以抛光面的中心为圆心，38％半径长度覆盖的区域A内的多排圆环1.3是由直径m3、深度h3、间距n3多个孔1.2(图中未示出)形成。其它区域B内的多排圆环1.3则由直径m2、深度h2、间距n2的多个孔1.2(参见图3)形成，其中，实施例3、4、8和14中，在区域B内具有如下规律：组成同一圆环1.3的孔1.2的孔间距n2相等，但不同圆环1.3中的孔间距n2具有由内向外逐步减小的趋势，参见图1，区域B中，越靠近抛光面中心的圆环1.3中孔1.2的孔间距n2较大，孔布置的密度较小，而靠近抛光面周部的圆环1.3中孔1.2的孔间距n2较小，孔1.2布置的密度较大(表1、2中实施例3、4、8和14给出了孔间距n2的变化范围值)。采用三维表面结构解析显微镜测定材料的表面粗糙度(Ra)，测定结果表面粗糙度(Ra)为5.2μm。以该抛光层1直接作为抛光垫使用。

本发明中，所述孔间距是指组成同一圆环中相邻两孔的间距。

采用上述方法得到实施例1-10的抛光垫，各参数见表1。

其中，参见图4，实施例11-20中，在抛光层1的底面(非抛光面)还依次粘接有缓冲层2和支持层3，以此作为抛光垫使用。各参数见表2。

实验例

将市场上常用于芯片抛光的标准抛光垫(如美国DOW公司的IC1000，IC1010)与本发明的抛光垫进行抛光性能评价比较。

分别将实施例1-20和比较例中的抛光垫安装在抛光装置(苏州赫瑞特电子专用设备科技有限公司制造，"9B型”，"16B型”抛光机)的固定盘上，固定盘的旋转速度在40rpm，使用以300cc/分钟流量下使经两倍稀释的化学抛光液(江苏中晶光电有限公司，g-CUT5003SC型)将晶片抛光10分钟，评价在使用各种抛光垫情况下的抛光速度、擦伤、异物和空孔的状态。

各测定方法如下：

(1)抛光速度:用光学膜厚测量仪测定抛光前后晶片的膜厚。

(2)擦伤和异物的有无:用电子显微镜观察抛光后晶片的抛光面。

擦伤有无的评价标准为：

0:未发现擦伤，1:可以发现擦伤。

异物有无的评价标准为：

0:未发现异物，1:可以发现异物。

(3)空孔状态:用400#金刚石磨石将抛光垫表面研磨5分钟的方法修整，然后用电子显微镜观察经过修整的表面的空孔状态。

评价标准为：

0:全部空孔实质上开口，1:部分空孔堵塞。

将以上结果一起记入表1和表2中。具体参见表1和表2：

从表1的结果可知，市场上标准抛光垫IC1000和IC1010的表面粗糙度要高于实施例中的抛光垫，在IC1000和IC1010的抛光垫抛光的抛光面上可以发现擦伤和异物。此外修整后的空孔被部分堵塞，开口消失，特别是在修整堵塞的沟槽开口周边通孔。而在实施例的抛光垫中，抛光面表面粗糙度(Ra)都处于较低水平，因此，在抛光面上几乎没有发现擦伤和异物。经过修整后，通孔及抛光面上的空孔几乎完全开口，抛光速度要高于IC1000和IC1010。

Claims (12)

1.一种化学机械抛光垫，至少包括有抛光层，所述抛光层的抛光面上开有多个孔，其特征在于，以所述抛光面的中心为圆心，所述多个孔排列成多排不同径长的同心的圆环；并且，以抛光面的中心为端点，均匀散射出多条延至抛光面边缘的沟槽；所述抛光面的表面粗糙度处于15μm以下。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，由抛光层圆心向外覆盖半径总长度30％-38％的区域内组成圆环的孔的孔径和/或孔间距大于其它区域组成圆环的孔的孔径和/或孔间距。

3.如权利要求2所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述其它区域组成圆环的孔的孔径为0.1-10mm，孔间距为1-22mm。

4.如权利要求2所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述其它区域中，同一圆环中的孔间距相等，但不同圆环中的孔间距具有由内向外逐步减小的趋势。

5.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述孔的深度在0.1mm以上且所述沟槽的深度不小于孔的深度。

6.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述沟槽的深度不小于0.5mm，宽度为0.1-5mm。

7.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述沟槽在抛光面中心上以均匀角度散射分布，分布数量为4×N条，且1≦N≦12。

8.如权利要求1-7任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光层含有含有聚氨酯聚合物基体以及分散在基体中的非水溶性空心微球。

9.如权利要求8所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述非水溶性微球的直径分布在10μm-100μm之间。

10.如权利要求1-7任一项化学机械抛光垫，其特征在于，所述孔是由用切削法、模具成形法或针棒打孔法中的至少一种方法形成的。

11.如权利要求1-6任一项化学机械抛光垫，其特征在于，还包括缓冲层，所述抛光层的底面与缓冲层连接。

12.如权利要求9所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述缓冲层的底面与支撑层连接。