水基拋光墊及其製造方法

2023-08-05 09:16:06 2

專利名稱：水基拋光墊及其製造方法
技術領域：
本發明涉及用於化學機械平面化(CMP)的拋光墊，具體來說，本發明涉及水基拋光墊和製造水基拋光墊的方法。
背景技術：
在集成電路和其它電子器件的製造中，要在半導體晶片表面上沉積或去除多層導電材料、半導體材料和電介質材料。可以用很多種沉積技術沉積導電材料、半導體材料和電介質材料薄層。在現代方法中常用的沉積技術包括也被稱作噴濺的物理蒸汽沉積(PVD)、化學蒸汽沉積(CVD)、等離子體增強的化學蒸汽沉積(PECVD)和電化學鍍層(ECP)。
隨著各材料層的順次沉積和去除，晶片的最上表面變得不平。由於隨後的半導體加工(例如金屬鍍敷)要求晶片有平的表面，需要對晶片進行平面化處理。平面化處理可有效地除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面、團聚材料、晶格損壞、劃痕和汙染的層或材料。
化學機械平面化處理即化學機械拋光(CMP)，是用來對半導體晶片之類的基片進行平面化處理的常用技術。在常規的CMP中，晶片安裝在支架裝置上，並使晶片與CMP設備中的拋光墊接觸。所述託架裝置對晶片提供可控的壓力，將晶片壓到拋光墊上。外加驅動力使拋光墊相對於晶片運動(例如旋轉)。與此同時，讓一種化學組合物(「漿液」)或其它液體介質流到拋光墊上並進入晶片和拋光墊之間的間隙中。由此，通過拋光墊表面和漿液的化學作用和機械作用，晶片的表面被拋光變平。
已經證明，將聚合物(例如聚氨酯)澆注成塊，並將這些塊切割(「切片」)成一些薄拋光墊是一種製造具有穩定可再現的拋光性質的「硬」拋光墊的有效方法(例如Rheinhardt等人的美國專利第5578362號)。不幸的是，使用這種澆注和切片法製得的聚氨酯拋光墊，由於其澆注位置的不同，拋光性質會發生差異。例如，從底部澆注位置和頂部澆注位置切割出的拋光墊的密度和孔隙率不同。另外，在由過大尺寸模製物切割而成的拋光墊中，從中心到邊緣，其密度和孔隙率會有差異。這些差異會對要求很高的用途、例如低k圖案化晶片的拋光造成負面影響。
同樣的，採用溶劑/非溶劑法凝固聚合物以帶狀(web)形式形成的拋光墊被證明是一種製造「軟」拋光墊的有效方法(例如Urbanavage等人的美國專利第6099954號)。這種方法(即以帶狀形式)避免了上面討論的在澆注切片法中出現的一些缺點。不幸的是，常用的(有機)溶劑(例如N，N-二甲基甲醯胺)處理起來可能很麻且成本高。另外，由於在凝結法過程中的隨機沉積和形成的孔隙結構，這種軟墊的墊與墊之間可能有差別。
因此，需要有具有改進的密度和孔隙率均勻性的拋光墊。具體來說，需要具有始終如一的拋光性能、缺陷更少而且製造成本低廉的拋光墊。

發明內容
在本發明第一方面，提供一種化學機械拋光墊，該拋光墊包含其中分散著微球體的聚合物基質，該聚合物基質由水基聚合物或其混合物形成。
在本發明第二方面，提供一種化學機械拋光墊，該拋光墊包含多孔性的或其中分散著填料的聚合物基質，該聚合物基質由重量百分比為100∶1至1∶100的氨基甲酸乙酯和丙烯酸類分散體的混合物形成。
在本發明第三方面，提供一種製造化學機械拋光墊的方法，該方法包括向連續移動的背襯層上提供包含微球體的水基液相聚合物組合物，在所述移動的背襯層上使所述聚合物組合物成形，成為具有預定厚度的液相拋光層，並在固化烘箱內使傳輸背襯層上的聚合物組合物固化，將該聚合物組合物轉化為拋光墊的固相拋光層。


圖1顯示用來連續製造本發明水基拋光墊的設備；圖1A顯示另一種本發明的製造設備；圖2顯示用來連續加工本發明水基拋光墊的設備；圖3顯示使用圖1所示設備製造的水基拋光墊的橫截面；圖3A顯示使用圖1所示設備製造的另一種水基拋光墊的橫截面；圖3B顯示使用圖1所示設備製造的另一種水基拋光墊的橫截面。
具體實施例方式
本發明提供一種缺陷減少、拋光性能提高的水基拋光墊。較佳的是，該拋光墊以帶狀形式(web-format)製成，減少了在澆注-切片製得的「硬」拋光墊中經常出現的墊與墊之間的差異。另外，該拋光墊優選為水基而非有機溶劑基的，比現有技術中通過凝結法形成的「軟」墊更容易製造。本發明的拋光墊可用來拋光半導體基片、剛性存儲碟片、光學產品，還可用來拋光各種半導體加工材料，例如ILD、STI、鎢、銅和低k電介質。
下面參見附圖，圖1顯示用來製造本發明水基拋光墊300的設備100。較佳的是，所述水基拋光墊300是以帶狀形式製成的，從而能夠「連續製造」，以減少分批法可能造成的不同拋光墊300之間的差異。設備100包括進料捲筒或解卷裝置(unwind station)102，上面儲存著以縱向連續形式螺旋纏繞的背襯層302。所述背襯層302由聚酯膜(例如，購自VA，Hopewell，Dupont Teijin的453PET)之類的不滲透性膜形成，該膜將成為產品的組成部分；或由釋放塗布紙(例如購自Sappi/Warren Paper公司的VEZ超不光滑紙)製成，該紙可將以剝去，提供無支撐即自立式拋光墊300。所述聚酯膜可任選包含助粘劑(例如，購自CP Films的CP2釋放塗布的PET膜)。
背襯層302的厚度優選為2-15密耳(0.05-0.38毫米)。更佳的是，背襯層302的厚度優選為5-12密耳(0.13-0.30毫米)。最佳的是，背襯層302的厚度優選為7-10密耳(0.18-0.25密耳)。
通過驅動裝置104機械驅動進料輥102以控制的速度旋轉。驅動裝置104包括例如帶106和馬達驅動的滑輪108。所述驅動裝置104任選包括馬達驅動的撓性軸或馬達驅動的齒輪系(未顯示)。
仍然參見圖1，由進料輥102向連續傳送裝置110上提供連續背襯層302，所述傳送裝置110(例如不鏽鋼帶)環繞在互相隔開的驅動輥112上。可用馬達以一定的速度驅動驅動輥112，使傳送裝置110與連續背襯層302同步地線性傳送。通過傳送裝置110在各驅動輥112和相應的惰輥112a之間的空間傳送背襯層302。惰輥112a與傳送裝置110相嚙合，用來主動循跡控制背襯層302。傳送裝置110具有支承在工作檯支架110b的平坦水平表面上的平坦部分110a，該平坦部分110a支承著背襯層302，將背襯層302傳送經過連續的製造位點114、122和126。輥形的支承部件110c沿傳送裝置110和背襯層302的側邊分布，用來主動循跡控制傳送裝置110和背襯層302。
第一製造位點114還包括儲存容器116和容器出口處的噴嘴118。向容器116提供粘性液態聚合物組合物，通過噴嘴118將該組合物施加在連續背襯層302上。在容器116出口處使用泵120控制噴嘴118的流量。噴嘴118的寬度可與連續背襯層302相等，從而能覆蓋整個背襯層302。當傳送裝置110將連續背襯層302傳送經過製造位點114時，在背襯層302上就施加了連續的液相拋光層304。
由於原料可在大的均勻供應源內混合，然後反覆裝入容器116，這就減少了最終產物組成和性質的差異。換而言之，本發明提供了一種能夠克服現有技術中澆注和切片法缺點的製造帶狀水基拋光墊的方法。該方法的連續特性使得能夠精確控制水基拋光墊300的製造，可將此帶狀拋光墊300切割成所需形狀和尺寸的許多單獨的拋光墊。所述許多拋光墊中，減少了組成和性質的差異。
較佳的是，所述液相聚合物組合物是水基組合物。例如，該組合物可包含水基氨基甲酸乙酯分散體(例如購自美國康奈提格州，Middlebury，Crompton有限公司的W-290H、W-293、W-320、W-612和A-100，以及購自美國新澤西州，West Paterson，Cytec Industries有限公司的HP-1035和HP-5035)和丙烯酸類分散體(例如購自美國賓夕法尼亞州，費城，羅門哈斯公司的RhoplexE-358)。另外，也可使用丙烯酸類/苯乙烯分散體(例如美國賓夕法尼亞州，費城，羅門哈斯公司的RhoplexB-959和E-693)之類的混合物。另外，也可使用水基氨基甲酸乙酯和丙烯酸類分散體的混合物。
在本發明優選實施方式中，水基氨基甲酸乙酯和丙烯酸類分散體的混合物的重量百分比為100∶1至1∶100的。更佳的是，水基氨基甲酸乙酯和丙烯酸類分散體的混合物的重量百分比為10∶1至1∶10。最佳的是，水基氨基甲酸乙酯和丙烯酸類分散體的混合物的重量百分比為3∶1至1∶3。
所述水基聚合物能夠有效地形成多孔而填充的拋光墊。出於本說明書的目的，用於拋光墊的填料包括能夠在拋光過程中脫落或溶解的固體顆粒，以及液體填充的顆粒或球體。出於本說明書的目的，孔隙結構包括氣體填充的顆粒、氣體填充的球體以及由其它方式形成的空穴，所述其它方式是例如使用氣體使粘性體系機械發泡，向聚氨酯熔體內注入氣體，通過產生氣態產物的化學反應原位引入氣體，或通過減壓使溶解的氣體形成氣泡。
所述液相聚合物組合物可任選地包含其它添加劑，包括消泡劑(例如購自Cognis的Foamaster111)和流變改性劑(例如購自羅門哈斯公司的AcrysolASE-60、Acrysol I-62、Acrysol RM-12W、Acrysol RM-825和AcrysolRM-8W)。也可使用防結皮劑(例如購自Lanxess有限公司的Borchi-NoxC3和Borchi-Nox M2)和聚結劑(例如購自Eastman Chemicals的TexanolEster醇)之類的其它添加劑。
第二製造位點122包括例如刮片124，它距離連續背襯層302有預定距離、在它們之間形成間距。當傳送裝置110將連續背襯層302和液相拋光層304輸送過製造位點122的刮片124時，刮片124連續地對液相拋光層304進行成形，將其製成預定的厚度。
第三製造位點126包括一固化烘箱128，例如傳送所述連續背襯層302和拋光層304的加熱通道。烘箱128使液相拋光層304固化生成粘著在連續背襯層302上的連續固相拋光層304。應緩慢除去水分，以免例如表面起泡。通過控制溫度和通過烘箱128的傳送速度來控制固化時間。烘箱可以是燃料加熱或電加熱的，採用輻射加熱或強制對流加熱，或者二者皆採用。
較佳的是，烘箱128的溫度可為50-150℃。更佳的是，烘箱128的溫度可為55-130℃。最佳的是，烘箱128的溫度可為60-120℃。另外，拋光層304可以5-20fpm(1.52-6.10mps)的速度通過烘箱128。較佳的是，拋光層304可以5.5-15fpm(1.68-4.57mps)的速度通過烘箱128。更佳的是，拋光層304可以6-12fpm(1.83-3.66mps)的速度通過烘箱128。
現在參見圖1A，當離開烘箱128後，連續背襯層302粘著在連續的固相拋光層304上，構成連續的水基拋光墊300。水基拋光墊300被螺旋纏繞在位於製造位點126後面的收集捲軸130上。該收集捲軸130由第二驅動裝置104驅動。收集捲軸130和第二驅動裝置104包括選擇性地位於製造設備100內的獨立的製造位點。
現在參見圖2，任選地提供了對連續水基拋光墊300進行表面加工或表面修飾的設備200。該設備200可包括與圖1所示類似的傳送裝置110，或包括相同傳送裝置110的延長部分。設備200的傳送裝置110包括驅動輥112，以及用來支承離開烘箱126的水基拋光墊300的平坦部分110a。水基拋光墊300在烘箱126內固化之後，設備200的傳送裝置110將連續拋光墊300傳送經過一個或多個製造位點201、208和212，在這些位點對其進行進一步的加工。設備200具有另外的工作檯支架110b和另外的支承部件110c，這些支架和部件如圖1所示進行操作。
可對固化的拋光層304進行拋光，從而使其達到所需的表面光潔度和表面平坦度。可以根據需要使拋光層304的表面具有凹槽或其它凹陷形式的不平整結構。例如，加工位點201包括一對起壓縮成形作用的衝壓模，這對衝壓模包括往復衝壓模202和固定模204，在衝壓操作時這對模互相靠近。往復模202面向連續拋光層304的表面。往復模202的許多個齒205穿透連續拋光層304的表面。衝壓操作提供表面加工操作。例如，齒205在拋光層304的表面切割出圖案形式的凹槽。當模202、204互相閉合時，傳送裝置110可間斷性地停止，靜止不動。或者當模202和204互相閉合時，模202和204沿傳送方向與傳送裝置作同步運動。
製造位點208包括例如用來在連續拋光層304表面切割凹槽的旋轉鋸210。該旋轉鋸210由正交運動繪跡儀驅動沿預定路線移動，切割出具有所需圖案的凹槽。另一製造位點212包括用來將連續拋光層304的表面拋光或研磨成平坦表面的旋轉研磨頭214，所述拋光或研磨後的表面具有選擇性粗糙化或平滑化的所需表面光潔度。
製造位點202、210和212的排列順序可與圖2所示的順序不同。可根據需要省去製造位點202、210和212中的一個或多個。收集捲軸130和第二驅動裝置104構成了選擇性地位於製造設備200中傳送裝置110端、用來收集固相連續拋光墊300的獨立的製造位點。
現在參見圖3，圖3是本發明設備100製造的拋光墊300的截面圖。上面討論過，在烘箱128中固化後，水基聚合物形成了固化的連續拋光墊300。所述拋光墊300的拋光層304可任選地包含磨粒或微粒306，形成固定研磨墊。因此，所述磨粒或微粒306作為液相聚合物混合物的組分包含在其中。聚合物混合物成為夾帶著磨粒或微粒306的基質。
現在參見圖3A，在本發明拋光墊300的另一實施方式中，聚合物混合物作為基質，其中包含起泡劑或發泡劑或氣體形式的夾帶組分。在固化時，起泡劑或發泡劑或氣體作為揮發性物質離開，在整個連續拋光層304中形成開放的孔隙308。圖3A所述的拋光墊300還包括背襯層302。
現在參見圖3B，顯示了拋光墊300的另一實施方式，在聚合物混合物中包含微球或聚合物微球體310，它們分散在整個連續拋光層304中。微球體310中可填有氣體。或者微球體310中可填有拋光液，在使用拋光墊300進行拋光操作的過程中，研磨作用打開了微球體310時，這些拋光液就逸出。或者所述微球體301是水溶性聚合物微型元件，在拋光操作過程中溶於水中。圖3B的拋光墊300還包括背襯層302。
較佳的是，至少一部分聚合物微球體310大體上是撓性的。合適的聚合物微球體310包括無機鹽、糖和水溶性顆粒。這種聚合物微球體310(或微型元件)的例子包括聚乙烯醇、膠質、聚乙烯吡咯烷酮、羥乙基纖維素、甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧基甲基纖維素、羥丙基纖維素、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙二醇、聚羥基醚丙烯酸酯(polyhydroxyetheracrylites)、澱粉、馬來酸共聚物、聚環氧乙烷、聚氨酯、環糊精和它們的組合。可以通過例如接枝、嵌段、交聯對微球體310進行化學改性，改變其溶解度、溶脹性等性質。優選用作微球體的材料是聚丙烯腈和聚偏二氯乙烯的共聚物(例如購自瑞典，Sundsvall，AkzoNobel的ExpancelTM)。
較佳的是，水基拋光墊300中孔隙結構或填料的濃度可至少為0.3體積％。這些孔隙結構或填料有助於提高拋光墊在拋光過程中傳送拋光液的能力。更佳的是，拋光墊中孔隙結構或填料的濃度為0.55-70體積％。最佳的是，拋光墊中孔隙結構或填料的濃度為0.6-60體積％。較佳的是，孔隙或填料顆粒的重均直徑為10-100微米。最佳的是，孔隙或填料顆粒的重均直徑為15-90微米。膨脹的中空聚合物微球體重均直徑的標稱範圍為15-50微米。
據此，本發明提供了一種缺陷減少、拋光性能提高的水基拋光墊。較佳的是，該拋光墊以帶狀形式形成，減少了在澆注和切片法製得的「硬」拋光墊中經常出現的墊與墊之間的差異。另外，該拋光墊優選為水基的，不是有機溶劑基的，本發明拋光墊的產率比現有技術凝固法製得的「軟」墊大，缺陷比其小。
實施例下表說明了本發明水基拋光墊缺陷度的改進。水基墊通過以下步驟製成在混合容器內，將75克購自Crompton有限公司的W-290H與25克購自羅門哈斯公司的RhoplexE-358，以3∶1的比例混合2分鐘。然後將1克購自Cognis的Foamaster111加入混合容器內，再混合2分鐘。然後將0.923克Expancel551DE40d42(Expancel551 DE40d42是Akzo Nobel生產的重均直徑為30-50微米的空心聚合物微球體)加入混合容器中，再攪拌5分鐘。再將購自羅門哈斯公司的1克增稠劑，AcrysolASE-60和5Acrysol I-62加入混合容器中混合15分鐘。然後將該混合物塗布(溼厚50密耳(1.27毫米))在購自Dupont Teijin的435PET膜上，然後在熱空氣烘箱內60℃乾燥6小時。所製得拋光墊的厚度為25密耳(0.64毫米)。然後在水基拋光墊上添加環形溝槽，該溝槽的間距為120密耳(3.05毫米)，深度為9密耳(0.23毫米)，寬度為20密耳(0.51毫米)。在Applied Material Mirra拋光機上，使用本發明的拋光墊，在向下作用力為3psi(20.68千帕)、拋光溶液流量150立方釐米/分鐘、臺板轉速120RPM、支架轉速114RPM的條件下，對樣品(銅片晶片)進行平面化。如下表所示，測試1-3表示使用本發明的拋光墊拋光的樣品，測試A-C表示使用現有技術的「軟」拋光墊拋光的樣品的對比例。
表1

1表面上長約1-10微米的連續線型痕跡2表面上長度大於10微米的窄而淺的連續線型痕跡3在一條長約1-10微米的直線上排列的一系列連續的凹陷或鑿痕4在一條長度超過10微米的直線上排列的一系列連續的凹陷或鑿痕5具有各種不同寬度的單獨的短痕跡如上表1所示，使用本發明水基墊拋光的樣品中缺陷的數量很少。例如，使用本發明的水基墊拋光的樣品中的缺陷數量是現有技術「軟」墊拋光的樣品的不到三分之一。
因此，本發明提供了一種缺陷減少、拋光性能改進的水基拋光墊。較佳的是，該拋光墊以帶狀形式製得，減少了澆注-切片法製得的「硬」拋光墊中經常出現的墊與墊之間的差異。另外，該拋光墊優選為水基而不是有機溶劑基的，其產率大於現有技術凝固法製造的「軟」墊，缺陷則少於現有技術。
權利要求
1.一種化學機械拋光墊，該拋光墊包含其中分散著微球體的聚合物基質，該聚合物基質由水基聚合物或其混合物形成。
2.如權利要求1所述的拋光墊，其特徵在於，所述聚合物基質是氨基甲酸乙酯分散體、丙烯酸類分散體、苯乙烯分散體或其混合物。
3.如權利要求1所述的拋光墊，其特徵在於，所述聚合物基質包含重量百分比為100∶1至1∶100的氨基甲酸乙酯與丙烯酸類分散體的混合物。
4.如權利要求1所述的拋光墊，其特徵在於，所述微球體選自聚乙烯醇、膠質、聚乙烯吡咯烷酮、羥乙基纖維素、甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧基甲基纖維素、羥丙基纖維素、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙二醇、聚羥基醚丙烯酸酯、澱粉、馬來酸共聚物、聚環氧乙烷、聚氨酯、環糊精、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈和它們的組合。
5.如權利要求1所述的拋光墊，其特徵在於，所述微球體至少佔拋光墊的0.3體積％。
6.如權利要求1所述的拋光墊，其特徵在於，所述聚合物基質還包含消泡劑、流變改性劑、防結皮劑或聚結劑。
7.一種化學機械拋光墊，該拋光墊包含在其中分散有孔隙結構或填料的聚合物基質，所述聚合物基質由重量百分比為100∶1至1∶100的氨基甲酸乙酯與丙烯酸類分散體的混合物組成。
8.一種製造化學機械拋光墊的方法，該方法包括向連續移動的背襯層上提供包含微球體的水基液相聚合物組合物，在所述移動的背襯層上對所述聚合物組合物進行成形，製成具有預定厚度的液相拋光層，在固化烘箱內使移動背襯層上的聚合物組合物固化，將該聚合物組合物轉化為拋光墊的固相拋光層。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述聚合物組合物包含氨基甲酸乙酯分散體、丙烯酸類分散體、苯乙烯分散體或其混合物。
10.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述微球體選自聚乙烯醇、膠質、聚乙烯吡咯烷酮、羥乙基纖維素、甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧基甲基纖維素、羥丙基纖維素、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙二醇、聚羥基醚丙烯酸酯、澱粉、馬來酸共聚物、聚環氧乙烷、聚氨酯、環糊精、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈和它們的組合。
全文摘要
本發明提供一種化學機械拋光墊，該拋光墊包含其中分散著微球體的聚合物基質，該聚合物基質由水基聚合物或其混合物形成。本發明提供一種缺陷減少、拋光性能獲得改進的水基拋光墊。
文檔編號B24B29/00GK1830627SQ20061005955
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月6日 優先權日2005年3月8日
發明者C·H·杜翁, D·B·詹姆斯 申請人:羅門哈斯電子材料Cmp控股股份有限公司