專利名稱：用于化學(xué)機(jī)械拋光的層疊的纖絲柵格的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于化學(xué)機(jī)械拋光的拋光墊領(lǐng)域。具體來(lái)說，本發(fā)明涉及 具有可用來(lái)對(duì)磁性基材、光學(xué)基材和半導(dǎo)體基材進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的拋光結(jié)構(gòu) 的化學(xué)機(jī)械拋光墊。
背景技術(shù)：
在集成電路和其它電子器件的制造中，需要在半導(dǎo)體晶片的表面上沉 積多層的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料，以及將這些材料層從半導(dǎo)體 晶片的表面除去?？梢允褂迷S多種沉積技術(shù)沉積導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和 介電材料的薄層?，F(xiàn)代晶片加工中常規(guī)的沉積技術(shù)包括物理氣相沉積
(PVD)(也稱為濺射)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子促進(jìn)的化學(xué)氣相沉積 (PECVD)和電化學(xué)鍍覆等。現(xiàn)代去除技術(shù)包括濕法和干法各向同性和各向 異性蝕刻等。
當(dāng)材料層被依次沉積和除去的時(shí)候，晶片最上層的表面變得不平。因 為隨后的半導(dǎo)體加工(例如鍍覆金屬)需要晶片具有平坦的表面，所以晶片需 要平面化。平面化可用來(lái)除去不希望出現(xiàn)的表面形貌和表面缺陷，例如粗 糙表面，團(tuán)聚材料，晶格破壞，劃痕和污染的層或材料。
化學(xué)機(jī)械平面化，即化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是一種用來(lái)對(duì)半導(dǎo)體晶片之類的 工件進(jìn)行平面化或拋光的常規(guī)技術(shù)。在常規(guī)的CMP中，將晶片支架或拋光頭 安裝在支架組件上。所述拋光頭固定著所述晶片，將所述晶片置于與拋光墊的 拋光層接觸的位置，所述拋光墊安裝在CMP設(shè)備中的臺(tái)子或臺(tái)面上。所述支 架組件在晶片和拋光墊之間提供可以控制的壓力。同時(shí)，將漿液或其它拋光介 質(zhì)分散在拋光墊上，引入晶片和拋光層之間的間隙內(nèi)。為了進(jìn)行拋光，所述拋 光墊和晶片通常相對(duì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)拋光墊在晶片下面旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，所述晶片掃 出一個(gè)大體為環(huán)形的拋光痕跡(polishing track),或拋光區(qū)域，使得所述晶片的
表面直接面對(duì)所述拋光層。通過拋光層和拋光介質(zhì)在晶片表面上的化學(xué)和機(jī)械 作用，對(duì)晶片表面進(jìn)行拋光，使其平面化。
在過去的十年間，人們進(jìn)行了越來(lái)越多的研究、分析和高等數(shù)學(xué)模擬，來(lái) 了解CMP過程中拋光層、拋光介質(zhì)和晶片表面之間的相互作用，以期對(duì)拋光
墊的設(shè)計(jì)進(jìn)行最優(yōu)化。自從將CMP開始作為半導(dǎo)體制造方法以來(lái)的大部分拋
光墊的研發(fā)本身是經(jīng)驗(yàn)性的，包括試驗(yàn)大量不同的多孔和無(wú)孔的聚合物材料。 拋光表面或拋光層的大多數(shù)設(shè)計(jì)主要是為這些層提供各種微結(jié)構(gòu)，或者提供空 心區(qū)域和實(shí)心區(qū)域的圖案，以及提供宏觀結(jié)構(gòu)，或者表面穿孔或凹槽的設(shè)置， 根據(jù)它們的權(quán)利要求，這些結(jié)構(gòu)會(huì)提高拋光速率、改進(jìn)拋光均一性，或者減少 拋光缺陷(劃痕、凹陷、脫層區(qū)域、以及其它表面破壞或表面下的破壞)。這些
年來(lái)，人們提出了許多不同的微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)來(lái)提高CMP性能。
對(duì)于常規(guī)的拋光墊，拋光墊表面的"修整"或"打磨(dressing)"對(duì)于保持 固定的拋光表面，以獲得穩(wěn)定的拋光性能來(lái)說是很重要的。隨著時(shí)間的流逝， 拋光墊的拋光表面被磨損，消除了拋光表面的微織構(gòu)(microtexture)，這是被稱 為"磨鈍(glazing)"的現(xiàn)象。磨鈍現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵趻伖鈮|和工件之間的接 觸點(diǎn)發(fā)生摩擦生熱和剪切造成的聚合物材料塑性流動(dòng)而造成的。另外，CMP 產(chǎn)生的碎屑可能會(huì)堵塞表面孔隙和微通道，所述孔隙和微通道是用來(lái)使得漿液 流過所述拋光表面的。當(dāng)發(fā)生這種情況的時(shí)候，CMP工藝的拋光速率會(huì)降低， 這會(huì)導(dǎo)致拋光的不同晶片之間以及同一晶片之內(nèi)的不均勻拋光。修整可以在拋 光表面上產(chǎn)生新的織構(gòu)結(jié)構(gòu)(texture)，用來(lái)在CMP工藝中保持所需的拋光速率 和均一性。
常規(guī)的拋光墊修整(conditioning)是通過修整盤對(duì)拋光表面進(jìn)行機(jī)械研 磨而完成的。所述修整盤具有粗糙的修整表面，該粗糙修整表面基本上由 嵌入的金剛石顆粒點(diǎn)組成。在CMP過程中，在拋光暫停的時(shí)候，在間歇的 間斷過程中使得修整盤與拋光表面接觸("外部")，或者在進(jìn)行CMP工藝 的過程中進(jìn)行該接觸("原位")。通常修整盤在相對(duì)于拋光墊旋轉(zhuǎn)軸固定的 位置旋轉(zhuǎn)，隨著拋光墊的旋轉(zhuǎn)掃出一個(gè)環(huán)形的修整區(qū)域。所述的修整工藝 在拋光墊表面內(nèi)切割出微型的溝道，對(duì)拋光墊的材料進(jìn)行研磨和犁耕，重 新恢復(fù)拋光墊的織構(gòu)結(jié)構(gòu)。
盡管拋光墊的設(shè)計(jì)者通過拋光墊材料制備和表面修整得到了表面織構(gòu)的 各種微結(jié)構(gòu)和構(gòu)型，但是現(xiàn)有的CMP墊拋光織構(gòu)在兩個(gè)主要的方面尚未達(dá)到
最優(yōu)狀態(tài)。首先，在進(jìn)行CMP的時(shí)候，在施加壓力的情況下，常規(guī)的CMP
拋光墊和常規(guī)的工件之間的實(shí)際接觸面積很小，通常僅為總面對(duì)面積的百分之 幾。其直接原因在于常規(guī)的表面修整的不精確，使得一定量的結(jié)構(gòu)的固體區(qū)域 被隨機(jī)地撕裂成碎片，留下各種形狀和高度的大量特征或凹凸結(jié)構(gòu)，實(shí)際上只 有最高的這些部分接觸工件。其次，可供漿液流運(yùn)走拋光碎屑和熱量的空間占 據(jù)了拋光墊表面的薄層，使得拋光廢料保留在緊密靠近工件的位置，直至其完 全通過工件下方排走。拋光墊和工件之間的漿液流動(dòng)必需通過高度不規(guī)則的表 面，繞過將拋光墊到工件的整個(gè)垂直距離橋連的任意凹凸結(jié)構(gòu)。這使得有很大 的可能工件與之前除去的廢化學(xué)試劑和材料重新接觸。因此常規(guī)的拋光墊微結(jié)
構(gòu)不夠完美，因?yàn)楸砻婵棙?gòu)中的接觸機(jī)構(gòu)和流體機(jī)構(gòu)的結(jié)合凹凸結(jié)構(gòu)的高度 分部既無(wú)法得到良好的接觸，也無(wú)法提供有效的流體流動(dòng)和輸送。
CMP中的缺陷形成是由于常規(guī)拋光墊微結(jié)構(gòu)的缺陷造成的。例如， Reinhardt等人在美國(guó)專利第5,578,362號(hào)中解釋了使用聚合物球體將織構(gòu)引入 聚氨酯拋光墊中。盡管確切的缺陷形成機(jī)理并未完全理解，但是通常很清楚， 如果要減小缺陷的形成，需要使得施加在工件上的極端點(diǎn)應(yīng)力最小化。在特定 施加的負(fù)荷或拋光壓力之下，實(shí)際的點(diǎn)接觸壓力與實(shí)際接觸面積成反比。在3 psi(20.7kPa)的拋光壓力下、所有凹凸結(jié)構(gòu)端部的實(shí)際接觸面積為2%的條件下 進(jìn)行拋光的時(shí)候，施加給工件的垂直應(yīng)力平均為150psi(lMPa)。該種量級(jí)的 應(yīng)力足以造成表面和表面下的破壞。變鈍和形狀不規(guī)則，以及常規(guī)CMP拋光 墊上的凹凸結(jié)構(gòu)也會(huì)造成不希望出現(xiàn)的流動(dòng)圖案流體沖擊在凹凸結(jié)構(gòu)上的局 部壓力可能會(huì)很顯著，停滯或分開的流體的區(qū)域可能會(huì)導(dǎo)致拋光碎屑和熱量的 累積，或者產(chǎn)生顆粒累積的環(huán)境。
除了提供潛在的缺陷形成源以外，常規(guī)的拋光墊微結(jié)構(gòu)之所以不是最優(yōu)化 的，是因?yàn)閽伖鈮|表面修整通常并非能夠精確地重復(fù)。修整盤上的金剛石在使 用的時(shí)候會(huì)變鈍，因此在使用一段時(shí)間之后，修整器必需進(jìn)行替換；因此，在 修整器的使用壽命過程中，其效率一直在持續(xù)變化。修整還對(duì)CMP拋光墊的 磨損速率造成很大的影響。通常拋光墊大約95%的磨損是由于金剛石修整器的
研磨造成的，只有約5%的磨損是由于與工件的接觸造成的。因此，除了減少 缺陷以外，通過改進(jìn)拋光墊微結(jié)構(gòu)還可消除對(duì)修整的需要，使得拋光墊獲得更 長(zhǎng)的壽命。
消除拋光墊修整的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出能夠自恢復(fù)的拋光表面，也即是說，所 述拋光墊能夠保持與磨損掉的結(jié)構(gòu)基本相同的幾何結(jié)構(gòu)和構(gòu)型。因此為了進(jìn)行 自恢復(fù)，所述拋光表面必需使得磨損不會(huì)顯著改變固體區(qū)域的形狀。這又需要 固體區(qū)域不會(huì)受到足以造成顯著程度的塑性流動(dòng)的連續(xù)剪切和加熱，或者所述 固體區(qū)域的構(gòu)建使得它們對(duì)剪切或加熱按照一種方式作出響應(yīng)，將剪切和加熱 分布到其他的固體區(qū)域。
除了低缺陷度以外，CMP拋光墊結(jié)構(gòu)必需達(dá)到良好的平面化效率。常規(guī) 的拋光墊材料需要這兩種性能度量之間的權(quán)衡，因?yàn)槭褂幂^軟較為柔順的材料 可以得到較低的缺陷度，但是該性質(zhì)變化會(huì)降低平面化效能。最后，平面化需 要硬的平坦材料；而低缺陷度需要硬度較小的保形材料。因此人們難以用單獨(dú) 的材料獲得這些性質(zhì)度量之間的平衡。常規(guī)的拋光墊結(jié)構(gòu)通過各種方法解決該 問題，包括使用包括結(jié)合在一起的硬層和軟層的復(fù)合材料。盡管復(fù)合材料提供 了優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，但是人們尚未開發(fā)出能夠同時(shí)獲得理想的平面化效率 和零缺陷形成的材料。
因此，盡管當(dāng)代的CMP應(yīng)用存在拋光墊微結(jié)構(gòu)和修整工藝，但是人們需
要能夠達(dá)到與工件更高的實(shí)際接觸面積、更高效的用來(lái)除去拋光碎屑的漿液流
動(dòng)圖案，以及減少或消除重新織構(gòu)化的需要的CMP拋光墊設(shè)計(jì)。另外，人們 需要能夠?qū)⒘己闷矫婊π璧膭傆步Y(jié)構(gòu)與低缺陷度所需的較低硬度的保 形結(jié)構(gòu)相結(jié)合的CMP拋光墊結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式提供了一種可用來(lái)在拋光介質(zhì)的存在下對(duì)磁性、光 學(xué)和半導(dǎo)體基材中的至少一種進(jìn)行拋光的拋光墊，所述拋光墊包括層疊在拋光
纖絲的基層上的拋光纖絲形成的多個(gè)層，所述多個(gè)拋光纖絲層具有依次層疊的 形式，每個(gè)拋光纖絲層位于至少一個(gè)較低的拋光纖絲之上，與所述較低的拋光 纖絲相結(jié)合，所述多個(gè)拋光纖絲層平行于拋光墊的拋光表面，所述多個(gè)拋光纖
絲層的單獨(dú)的拋光纖絲位于平均至少三根纖絲上方，形成所述具有互連拋光纖絲的開孔柵格結(jié)構(gòu)的拋光墊。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式提供了一種可用來(lái)在拋光介質(zhì)的存在下對(duì)磁性、 光學(xué)和半導(dǎo)體基材中的至少一種進(jìn)行拋光的拋光墊，所述拋光墊包括層疊在拋
光纖絲的基層上的多個(gè)拋光纖絲層，所述多個(gè)拋光纖絲層具有依次層疊的形 式，每個(gè)拋光纖絲層位于較低的拋光纖絲之上，與所述較低的拋光纖絲在拋光 纖絲之間的交叉點(diǎn)相結(jié)合，所述多個(gè)拋光纖絲層平行于拋光墊的拋光表面，所 述多個(gè)拋光纖絲層的單獨(dú)的拋光纖絲是聚合物，位于平均至少三根纖絲上方， 形成所述具有互連拋光纖絲的開孔柵格結(jié)構(gòu)的拋光墊。


圖1是適用于本發(fā)明的雙軸拋光機(jī)的一部分的透視圖； 圖2是本發(fā)明的層疊纖絲拋光墊的前視圖； 圖2A是圖2的側(cè)視圖； 圖2B是圖2的俯視圖3是本發(fā)明的層疊纖絲拋光墊的透視圖4和4A表示在單獨(dú)的結(jié)構(gòu)中具有交替的域的層疊纖絲拋光墊的俯視圖 和側(cè)視圖5和5A表示可用于電拋光的具有交替的導(dǎo)電和非導(dǎo)電纖絲的層疊纖絲 拋光墊的俯視圖和側(cè)視圖6顯示具有成角度的纖絲的層疊纖絲拋光墊的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
參見附圖，圖1 一般性地顯示了適合用來(lái)使用本發(fā)明地拋光墊104的雙軸 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)拋光機(jī)100的主要特征。拋光墊104大體包括拋光層108， 所述拋光層108具有拋光表面110，用來(lái)與半導(dǎo)體晶片112(加工過或未加工過 的)或其它工件之類的制品相碰觸，從而在拋光介質(zhì)120的存在下對(duì)工件的拋 光表面116進(jìn)行拋光，所述其它工件包括例如玻璃、平板顯示器或磁性信息存 儲(chǔ)盤等。拋光介質(zhì)120通過具有深度128的任選的螺旋形凹槽124輸運(yùn)到拋光
墊周邊122。為了方便起見，在下文中使用術(shù)語(yǔ)"晶片"，同時(shí)不失其一般性。 另外，在本說明書中(包括權(quán)利要求書在內(nèi))，術(shù)語(yǔ)"拋光介質(zhì)"包括含顆粒的 拋光液和不含顆粒的拋光液，例如不含磨料的拋光液和活性液體拋光液。
拋光機(jī)100可包括安裝在臺(tái)板130上的拋光墊?？赏ㄟ^臺(tái)板驅(qū)動(dòng)裝置(未 顯示)使得臺(tái)板130繞旋轉(zhuǎn)軸134旋轉(zhuǎn)。晶片112可被晶片支架138支承，所 述晶片支架138可圍繞旋轉(zhuǎn)軸142旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸142平行于臺(tái)板130的旋 轉(zhuǎn)軸134，與所述旋轉(zhuǎn)軸134隔開。晶片支架138可設(shè)計(jì)成具有萬(wàn)向接頭的連 接(未顯示)，允許晶片112假設(shè)朝向非常細(xì)微地不平行于拋光層108，在此情 況下旋轉(zhuǎn)軸134、 142可以非常細(xì)微地歪斜。晶片112包括拋光表面116，該拋 光表面116朝向拋光層108，在拋光過程中被平面化。晶片支架138可以被支 架支承組件(未顯示)支承，該支架支承組件適于使得晶片112旋轉(zhuǎn)，提供向下 作用力F，將被拋光的表面116壓向拋光層108，使得在拋光過程中，被拋光 的表面和拋光層之間存在所需的壓力。拋光機(jī)100還可包括拋光介質(zhì)進(jìn)口 146， 用來(lái)向拋光層108提供拋光介質(zhì)120。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，拋光機(jī)100可包括其它部件(未顯示)，例如系 統(tǒng)控制器、拋光介質(zhì)儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、淋洗系統(tǒng)，以及用來(lái)控制拋 光工藝的各個(gè)方面的各種控制裝置，例如如下的這些(1)用于晶片112和拋光 墊104的轉(zhuǎn)速的一種或兩種的控制的速度控制器和選擇器；(2)用于改變向拋光 墊輸送拋光介質(zhì)120的速率和位置的控制器和選擇器；(3訴來(lái)控制施加在晶片 和拋光墊之間的作用力F大小的控制器和選擇器；(4)用來(lái)控制晶片的旋轉(zhuǎn)軸 142相對(duì)于拋光墊的旋轉(zhuǎn)軸134的位置的控制器、致動(dòng)器和選擇器，等等。
在拋光過程中，拋光墊104和晶片112圍繞它們各自的旋轉(zhuǎn)軸134、 142 旋轉(zhuǎn)，從拋光介質(zhì)進(jìn)口 146將拋光介質(zhì)120分配在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上。拋光介質(zhì) 120鋪開在拋光層108上，包括鋪開到晶片112下面的間隙內(nèi)和拋光墊104上。 拋光墊104和晶片112通常是，但是不一定以0.1rpm-150rpm的選擇速度旋轉(zhuǎn)。 通常對(duì)作用力F進(jìn)行選擇(但是并非必需如此)，以便在晶片112和拋光墊104 之間產(chǎn)生所需的0.1-15psi(6.9-103千帕)的壓力?？梢栽O(shè)計(jì)織網(wǎng)形式的拋光墊， 或者使得拋光墊的直徑小于被拋光的基材的直徑。
本發(fā)明包括提供可用來(lái)在拋光介質(zhì)的存在下對(duì)磁性基材、光學(xué)基材和半導(dǎo)
體基材中的至少一種進(jìn)行拋光的拋光墊104。參見圖2-2B，拋光墊104(圖1) 具有多個(gè)由拋光纖絲202形成的纖絲層200(圖2)，它們以垂直設(shè)置的形式層疊 在拋光纖絲202形成的基底層204上。拋光纖絲202形成的基底層204可以 連接于基底材料240，便于拋光墊104安裝并粘附在臺(tái)板130的表面上。基底 層204上的各個(gè)順序的拋光纖絲202組成的纖絲層200在平行于其拋光表面 208的水平平面內(nèi)幾何旋轉(zhuǎn)，用來(lái)被下面的纖絲層200支承并連接于下面的纖 絲層200。出于本說明書的目的，平行于拋光表面表示平行于與被拋光的表面 116相面對(duì)的拋光墊104的總表面。水平面內(nèi)的幾何旋轉(zhuǎn)使得各個(gè)纖絲層200 的方向不同于上面的纖絲層200和下面的纖絲層200，使得各個(gè)層200的拋光 纖絲202與上面的纖絲層200和下面的纖絲層200的拋光纖絲202成角度。
各根拋光纖絲202的長(zhǎng)度優(yōu)選足以被至少三根下面的拋光纖絲202支承。 較佳的是，每根拋光纖絲202具有兩個(gè)端部，每個(gè)端部位于拋光墊104的周邊。 所述拋光纖絲202的伸長(zhǎng)的線型形狀提供了極高表面積/體積比，可以促進(jìn)拋光 過程中的散熱。在此實(shí)施方式中，在平行于拋光表面208的平面內(nèi)，各個(gè)纖絲 層200相對(duì)于上面的纖絲層200旋轉(zhuǎn)90°,形成纖絲層200的順序?qū)盈B，拋光 纖絲202在各個(gè)交叉點(diǎn)206固定，從而形成具有相交的拋光纖絲202的開孔柵 格結(jié)構(gòu)210的拋光墊104。為了得到結(jié)構(gòu)整體性，所述拋光纖絲202必須用至 少一個(gè)交叉點(diǎn)206與另一個(gè)拋光纖絲202相固定。因此所述開孔柵格結(jié)構(gòu)210 構(gòu)成相交纖絲202的設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可以在交替的交叉點(diǎn) 或隨機(jī)的交叉點(diǎn)固定所述拋光纖絲。但是為了得到最穩(wěn)定的拋光性能，每個(gè)交 叉點(diǎn)206將下面的拋光纖絲與上面的拋光纖絲相連接。所述互相連接的開孔柵 格結(jié)構(gòu)210使得能夠形成在拋光表面具有局部可變形性的硬拋光墊。這種硬度 和局部可變形性的組合使得那個(gè)能夠達(dá)到常規(guī)拋光墊所無(wú)法企及的低缺陷平 面化。另外，所述開孔柵格結(jié)構(gòu)210提供了優(yōu)于常規(guī)拋光墊的以下優(yōu)點(diǎn)，即改 進(jìn)的流體流動(dòng)和散熱，所述常規(guī)拋光墊具有較低級(jí)的微結(jié)構(gòu)，具有較低的孔隙 分?jǐn)?shù)和較低的表面積/體積比。
圖3顯示了順序?qū)盈B從而形成具有高孔隙分?jǐn)?shù)或開孔體積/實(shí)體體積(solid volume)百分比的開孔柵格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)310。纖絲層300通過一系列類似的或相同 的宏觀或微觀拋光纖絲302形成所述拋光層，每根纖絲302在多個(gè)位置受到限
制。較佳的是，所述拋光纖絲302具有微觀尺寸以產(chǎn)生微觀織構(gòu)。微觀尺寸還 進(jìn)一步提供以下優(yōu)點(diǎn)，即增大表面積/體積比，促進(jìn)從接觸點(diǎn)散熱。通常所述纖
絲的平均寬度小于1毫米。較佳的是，所述纖絲的寬度小于0.2毫米(200微米)。 可以制造平均寬度最小達(dá)10微米的纖絲，但是通常至少100微米的平均寬度 便可提供足以改進(jìn)平面化的硬度。任選地，所述纖絲層300設(shè)置在基底纖絲層 304上。另外還可提供基底材料340。
通過約束所述纖絲302形成了三維互連的開孔柵格結(jié)構(gòu)，使得柵格網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)310硬化(就剪切、彎曲和壓縮而言)。這些特征以一種方式發(fā)揮功能，使得 拋光墊在長(zhǎng)度范圍具有硬度以獲得良好的平面化效率，同時(shí)允許在較短的長(zhǎng)度 范圍內(nèi)，以便具有柔順性，以獲得所需的低缺陷度。另外，相較于使用常規(guī)拋 光墊的情況，本發(fā)明的這些特征在拋光墊和晶片之間提供了較高的實(shí)際接觸面 積，更優(yōu)選是較高的拋光墊和晶片之間的漿液流動(dòng)圖案，還提供了一種自恢復(fù) (self-renewing)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可無(wú)需使用常規(guī)的金剛石墊修整。但是，對(duì)于許多 的應(yīng)用，還需要用聚合物刷之類的刷子進(jìn)行修整，以除去碎片。
與現(xiàn)有技術(shù)的CMP墊相反(現(xiàn)有技術(shù)中，表面織構(gòu)或凹凸結(jié)構(gòu)是材料去除 或整形工藝(即修整)的殘余)，所述拋光墊的拋光織構(gòu)作為具有精確幾何形狀的 拋光纖絲的層疊層而構(gòu)建。出于說明的目的，顯示所述拋光織構(gòu)由平行于拋 光表面的基本水平的元件構(gòu)成。這些纖絲可具有圓形、正方形、三角形、矩 形、多邊形或其他的橫截面。當(dāng)平均尺寸相等的情況下，正方形和矩形的橫 截面在拋光過程中的接觸面積要大于圓形或三角形橫截面的接觸面積。出于 本說明書的目的，接觸面積表示在2 psi (13.8 kPa)的靜態(tài)向下作用力作用下接 觸并光學(xué)平坦地滑動(dòng)的面積。？？根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的常規(guī)的拋光墊的接觸面積 至少為10% ，該接觸面積是使用C. L. Elmufdi和G. P. Muldowney在名為"一 種新穎的測(cè)量化學(xué)機(jī)械平面化中拋光墊-晶片接觸面積的光學(xué)技術(shù)(A Novd Optical Technique to Measure Pad-Wafer Contact Area in Chemical Mechanical Planarization)"(材料研究學(xué)會(huì)(MRS)進(jìn)展春季會(huì)議(Proceedings of Material Research Society (MRS) Spring Meeting), 2006)中揭示的技術(shù)，使用共焦顯微鏡 測(cè)定的。例如，使用共焦顯微鏡測(cè)得，所述拋光墊的接觸面積可為10-80%， 優(yōu)選為20-75%。增大拋光過程中的接觸面積的做法對(duì)于依賴于與拋光墊的凹
凸結(jié)構(gòu)的接觸以驅(qū)動(dòng)去除速率的無(wú)磨料拋光液來(lái)說是特別有效的。另外，所述 具有正方形或矩形橫截面的纖絲提供的垂直于拋光表面的垂直側(cè)壁能夠在拋 光墊磨損的情況下提供均勻的接觸面積，使得拋光性能的恒定性優(yōu)于采用其它 纖絲橫截面的情況。較佳的是，當(dāng)拋光墊磨損過各層拋光纖絲的時(shí)候，所述纖 絲的平均橫截面變化小于20%。較佳的是，當(dāng)拋光墊磨損過各層拋光纖絲的時(shí) 候，所述纖絲的平均橫截面變化小于10%。
隨著順序的纖絲層被磨損，各個(gè)纖絲層成為新的拋光表面，其具有基本恒
定的接觸面積。如果在特定層的離散域(discrete domain)內(nèi)纖絲的方向發(fā)生變 化，接觸面積不會(huì)變化。任選地，如圖4和4A所示，各個(gè)纖絲層400內(nèi)的水 平拋光纖絲402設(shè)置形成域412，使得在特定的域412中，所有的纖絲402具 有基本相同的方向，但是在域412之間，所述纖絲402的方向可以不同。具體 來(lái)說，在一個(gè)纖絲層400內(nèi)，任意兩個(gè)分享共用的邊界的域412內(nèi)的纖絲402 的方向不同。在各個(gè)域412內(nèi)，拋光纖絲400的層順序地層疊在基底層404上， 形成一致的拋光表面408。與圖2-2B中所示的實(shí)施方式(其中每條拋光纖絲202 具有兩個(gè)端部，每個(gè)端部位于拋光墊104的周邊)不同的是，圖4和4A中顯示 的實(shí)施方式中，當(dāng)域412不是位于拋光墊104的周邊的時(shí)候，拋光纖絲402的 端部位于域412的邊緣，當(dāng)域412本身位于拋光墊104的周邊，因此至少一條 邊由拋光墊104的圓周限定的時(shí)候，拋光纖絲402的端部位于拋光墊104的周 邊。圖4和4A中顯示的實(shí)施方式提供了與圖2-2B中所示的開孔柵格相同的優(yōu) 點(diǎn)，還提供了另外的特征，即拋光液在任意特定纖絲層400中的流動(dòng)同時(shí)沿各 個(gè)域412中拋光纖絲402的不同取向在多種方向流動(dòng)，而不是拋光液在任意特 定的纖絲層200中，沿拋光纖絲202給出的單獨(dú)的方向流動(dòng)。
另外，穿過拋光墊的穿孔，引入導(dǎo)電襯里的凹槽或者結(jié)合一種或多種導(dǎo)體， 例如導(dǎo)電纖維、導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)、金屬柵格或金屬絲，可以將所述拋光墊轉(zhuǎn)變?yōu)?eCMP("電化學(xué)機(jī)械平面化")拋光墊。這些拋光墊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可促進(jìn)流體 流動(dòng)并保持一致的表面結(jié)構(gòu)，以便用于高要求的eCMP應(yīng)用。這種改進(jìn)的流體 流動(dòng)改進(jìn)了從eCMP工藝除去廢電解質(zhì)的過程，從而可以改進(jìn)eCMP工藝的均 一性。
圖5和5A顯示了由拋光纖絲層500制成的eCMP拋光墊的一個(gè)例子。各
個(gè)拋光纖絲層500包括交替的導(dǎo)電纖絲501和不導(dǎo)電纖絲503。所述導(dǎo)電纖絲 501和不導(dǎo)電纖絲503進(jìn)一步組織成域512。為了形成所述eCMP墊，可以在 晶片上施加電荷，并在導(dǎo)電纖絲501上施加電荷。所述導(dǎo)電纖絲501和晶片之 間的電勢(shì)作用有助于促進(jìn)晶片上金屬表面的電-溶解(electro-dissolution)。任選 地，域512進(jìn)一步分解為交替的陽(yáng)極514和陰極516，以便在每個(gè)域中的纖絲 之間產(chǎn)生局部電勢(shì)。這種纖絲之間的電勢(shì)還會(huì)驅(qū)動(dòng)金屬電-溶解以進(jìn)行eCMP 的。在圖5和5A中沒有顯示的是，任選地，特定域512中所有的纖絲可以由 任何適合用作陰極的材料制成，相鄰的域512中所有的纖絲可以由適合作為陽(yáng) 極的材料制成。這種構(gòu)型可用來(lái)在相鄰的域512之間產(chǎn)生局部電勢(shì)，以驅(qū)動(dòng)金 屬的電溶解以進(jìn)行eCMP，但是其長(zhǎng)度范圍大于在單獨(dú)的域512中排列交替的 陽(yáng)極纖絲和陰極纖絲的情況。
圖6顯示了拋光柵格610，其上部拋光纖絲層607在下部拋光纖絲層605 上方的水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)45。。相對(duì)于以90。交叉的具有相同尺寸的纖絲形成的 交叉點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)45。的優(yōu)點(diǎn)是交叉點(diǎn)606的表面積增大，獲得更強(qiáng)的結(jié)合和支撐。 較佳的是，所述拋光纖絲層605和607具有無(wú)縫連接，以便在纖絲層之間提供 連續(xù)的材料。
本發(fā)明不僅考慮規(guī)則的層狀柵格，而且還考慮不規(guī)則的層狀柵格。柵格可 以為各種不規(guī)則形式。首先，特定層中平行部分之間的間隔可以是周期性的、 隨機(jī)的、或者是其它不等的形式。其次，所述層的厚度可以不等。第三，不同 層中部分的主要方向之間的偏斜角可以變化。第四，如果任意特定的層中存在 局部平行元件的域，則這些域可以具有變化的尺寸，而不是像圖5所示具有相 同的尺寸。第五，所述纖絲可具有彎曲、波形或螺旋形的圖案。
優(yōu)選在整個(gè)拋光墊上，所述拋光纖絲的寬度和節(jié)距可以是均勻的或接近均 勻，或者在拋光纖絲的域內(nèi)是均勻的。任選地，可以調(diào)節(jié)不同區(qū)域拋光纖絲的 密度，以精細(xì)調(diào)節(jié)去除速率以及拋光或晶片的均一性。另外，還可以一定的形 式設(shè)計(jì)所述拋光元件，形成開放的通道或溝槽，例如圓形通道、X-Y通道、徑 向通道、彎曲的徑向通道，或者螺旋形通道。任選地引入通道有助于除去大的 碎屑，可以提高拋光或晶片的均一性。
對(duì)所述拋光纖絲的尺寸和間隔進(jìn)行選擇，以便在拋光墊和晶片之間提供高
接觸面積，為漿液提供足夠的開孔流動(dòng)區(qū)域，以除去拋光碎片。在以下這些目 標(biāo)之間進(jìn)行內(nèi)在的平衡在拋光織構(gòu)可用的空間內(nèi)添加更多的拋光纖絲或更大 的纖絲可以增加總接觸面積，但是會(huì)減小開孔流動(dòng)區(qū)域，為漿液去除拋光碎屑 造成更大的障礙。另外，通過減小拋光纖絲的橫截面積，可以減小晶片從拋光 墊上掠過的可能性，還會(huì)減小拋光墊和晶片之間的靜摩擦力。任選地，從基底 層之上測(cè)量，所述拋光纖絲占拋光墊的體積比小于80%。例如，在基底層以上 測(cè)量，所述拋光纖絲占拋光墊的體積比小于75%;通常在基底層以上測(cè)量，所 述拋光纖絲占拋光墊的體積比為5-75%。從基底層以上測(cè)量，設(shè)計(jì)用于高接觸 面積的拋光墊通常占拋光墊體積的40-80%。
因?yàn)楸景l(fā)明的主要特征是優(yōu)選的接觸面積和流動(dòng)面積之間的平衡，所以所 述拋光纖絲必須適當(dāng)?shù)乩w細(xì)并適當(dāng)?shù)亻g隔。 一般來(lái)說，對(duì)于寬度為w、節(jié)距為 p(從中心到中心進(jìn)行測(cè)量)的正方形橫截面的纖絲，面對(duì)晶片的接觸面積分?jǐn)?shù)為 (w/p)，特定纖絲層內(nèi)的流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)為(l-w/; )。拋光纖絲的寬度與拋光纖絲的 節(jié)距之比可任選最高為0.8，相當(dāng)于80%接觸面積分?jǐn)?shù)和20%流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)， 優(yōu)選最多0.6，相當(dāng)于60%接觸面積分?jǐn)?shù)和40%流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)。例如，具有相 等的寬度和纖絲間隔的纖絲的寬度/節(jié)距比值為0.5，相當(dāng)于接觸面積分?jǐn)?shù)和流 動(dòng)面積分?jǐn)?shù)都等于50%。在一些實(shí)施方式中，可能需要具有非常大的流動(dòng)面積， 例如纖絲寬度與纖絲節(jié)距的比值為0.2，相當(dāng)于20%的接觸面積分?jǐn)?shù)和80%的 流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)。需要注意，即使僅有20%的接觸面積分?jǐn)?shù)也是遠(yuǎn)大于進(jìn)行金剛 石修整之后的常規(guī)拋光墊材料所達(dá)到的接觸面積分?jǐn)?shù)。
通常，以柵格形式設(shè)置的拋光纖絲還可用來(lái)在拋光墊表面以下的位置收集 或俘獲拋光碎屑。這種特征通過將有害的碎屑俘獲在拋光過程中不會(huì)接觸或擦 劃制品表面的位置，減小了缺陷度。另外，在所述纖絲之間還可有益地具有足 夠大的間距，使得由于拋光過程中的摩擦生熱造成的纖絲局部變形和塑性流動(dòng) 不足以將纖絲之間的間隙橋連起來(lái)。
任選地，通過選擇拋光纖絲的橫截面形狀，使其相對(duì)于主要在水平方向發(fā) 生的漿液流動(dòng)成流線型，從而進(jìn)一步最優(yōu)化拋光漿液的流動(dòng)。通過進(jìn)行主體的 流線形化，得到最小的流體動(dòng)力阻力是一種完備確立的工程學(xué)方法，是常用于 設(shè)計(jì)飛機(jī)、船、車、火箭和在氣體或液體中移動(dòng)或相對(duì)于氣體或液體移動(dòng)的其
它對(duì)象的科學(xué)的一部分。后面所述的這些用于人類規(guī)模對(duì)象的流體流動(dòng)的方程 式也可同樣地用于CMP拋光墊的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)規(guī)模。大體上來(lái)說，流 線型處理包括選擇沒有形狀突變的逐漸彎曲的橫截面，使得外部的流體流可以 繞過該橫截面，而不會(huì)被表面分割并形成消耗流體能量的環(huán)流渦流。單單出于 這一考慮，圓形的橫截面比正方形或矩形橫截面更優(yōu)選用于拋光纖絲。但是正 方形或矩形橫截面優(yōu)選能夠在纖絲磨損過程中將接觸面積的變化減至最小。任 選地，所述纖絲可具有能夠平衡這兩個(gè)目標(biāo)的橫截面，例如具有圓化的角的正 方形，使得在一定程度上實(shí)現(xiàn)流線型的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，使得接觸面積變化很小，
例如小于20%。
所述拋光墊可任選地包括子墊(subpad)。注意子墊并非要求的，所述拋光 層可以通過基底層直接固定于拋光機(jī)的臺(tái)板上，例如固定于圖1的臺(tái)板130。 拋光層可以以任意合適的方式通過基底層固定于子墊，例如使用粘合劑粘合， 例如使用壓敏粘合劑層或熱熔粘合劑，加熱結(jié)合，化學(xué)結(jié)合、超聲結(jié)合等。基 底層或子墊可用作連接拋光元件的拋光基底。
可以使用各種制造方法。對(duì)于大尺寸的網(wǎng)絡(luò)，這包括微型機(jī)械加工、激光 或流體噴射蝕刻，以及其他的從起始固體物料除去材料的方法；以及會(huì)聚激光 聚合、纖絲擠出、纖維旋涂、優(yōu)選光學(xué)固化、生物生長(zhǎng)，以及在初始空的體積 內(nèi)進(jìn)行材料構(gòu)建的其它方法。對(duì)于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，可以采用結(jié)晶、晶種聚合、 光刻、或者優(yōu)選材料沉積的其它技術(shù)，以及電泳、相成核，或者建立用于隨后 的材料自組裝的模板的其它方法。
所述拋光纖絲可以由任意合適的材料制成，例如聚碳酸酯、聚砜、尼龍、 聚醚、聚酯、聚苯乙烯、丙烯酸類聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚 氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚乙二亞胺、聚氨酯、聚醚砜、聚酰胺、 聚醚酰亞胺、聚酮、環(huán)氧樹脂、硅酮、它們的共聚物(例如聚醚-聚酯共聚物)， 以及它們的混合物。拋光纖絲還可由非聚合材料制成，例如陶瓷、玻璃、金屬、 石料、木材、或者冰之類的簡(jiǎn)單材料的固相。拋光纖絲還可由聚合物與一種或 多種非聚合材料的復(fù)合材料制成。
一般來(lái)說，對(duì)拋光纖絲的材料選擇受限于其是否適合用于以所需的方式對(duì) 特定材料制備的制品進(jìn)行拋光。簡(jiǎn)單來(lái)說，所述子墊可以由任意合適的材料制
成，例如上述用于拋光纖絲的材料。所述拋光墊可任選地包括用來(lái)將拋光墊固 定于拋光機(jī)的臺(tái)板(例如圖1的臺(tái)板130)的固定裝置。所述固定裝置可以是例 如粘合層，例如壓敏粘合層、熱熔粘合劑、機(jī)械固定裝置，例如鉤-環(huán)固定裝 置的鉤或環(huán)部分。本發(fā)明的范圍還包括使用占據(jù)所述柵格結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)空 隙區(qū)域的纖維-光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)裝置或類似的透射裝置。
本發(fā)明提供了以下優(yōu)點(diǎn)，即增大接觸面積的同時(shí)增大拋光墊的硬度。 具體來(lái)說，本發(fā)明提供了高的接觸表面積，同時(shí)在拋光墊內(nèi)具有有效的流 體流動(dòng)，以便很容易地除去拋光碎屑。另外，本發(fā)明允許調(diào)節(jié)拋光纖絲的 硬度、高度和節(jié)距以控制與基材的接觸機(jī)理。另外，所述拋光纖絲均勻的 橫截面面積還允許以類似的拋光特征對(duì)多種基材，例如圖案化的晶片進(jìn)行 拋光。最后，將柵格結(jié)構(gòu)用于表面的硬度和局部變形，使得能夠完成常規(guī) 拋光墊無(wú)法做到的低缺陷平面化。
權(quán)利要求
1.一種可用來(lái)在拋光介質(zhì)的存在下對(duì)磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中的至少一種進(jìn)行拋光的拋光墊，所述拋光墊包括層疊在拋光纖絲的基底層上的多個(gè)拋光纖絲層，所述多個(gè)拋光纖絲層具有依次層疊的形式，每個(gè)拋光纖絲層位于至少一個(gè)較低的拋光纖絲之上，與所述較低的拋光纖絲相結(jié)合，所述多個(gè)拋光纖絲層平行于拋光墊的拋光表面，所述多個(gè)拋光纖絲層中的單獨(dú)的拋光纖絲是位于平均至少三根拋光纖絲之上，形成所述具有互連拋光纖絲的開放柵格結(jié)構(gòu)的拋光墊。
2. 如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物材料形成所述 拋光纖絲層，所述單獨(dú)的拋光纖絲的平均寬度小于1毫米。
3. 如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述單獨(dú)的拋光纖絲具有 垂直于所述拋光墊的拋光表面的垂直側(cè)壁。
4. 如權(quán)利要求3所述的拋光墊，其特征在于，所述單獨(dú)的拋光纖絲具有 正方形或矩形的橫截面。
5. 如權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征在于，所述拋光墊具有周邊，所 述單獨(dú)的拋光纖絲具有兩個(gè)端部，每個(gè)端部都位于所述周邊，
6. —種可用來(lái)在拋光介質(zhì)的存在下對(duì)磁性、光學(xué)和半導(dǎo)體基材中的至少 一種進(jìn)行拋光的拋光墊，所述拋光墊包括層疊在拋光纖絲的基底層上的多個(gè)拋 光纖絲層，所述多個(gè)拋光纖絲層具有依次層疊的形式，每個(gè)拋光纖絲層位于較 低的拋光纖絲之上，與所述較低的拋光纖絲在拋光纖絲之間的交叉點(diǎn)相結(jié)合, 所述多個(gè)拋光纖絲層平行于拋光墊的拋光表面，所述多個(gè)拋光纖絲層的單獨(dú)的 拋光纖絲是聚合物，位于平均至少三根拋光纖絲之上，形成所述具有互連拋光 纖絲的開放柵格結(jié)構(gòu)的拋光墊。
7. 如權(quán)利要求6所述的拋光墊，其特征在于，所述開放柵格結(jié)構(gòu)包含交 替的導(dǎo)電纖絲和不導(dǎo)電的纖絲。
8. 如權(quán)利要求6所述的拋光墊，其特征在于，所述聚合物材料形成所述 拋光纖絲層，所述單獨(dú)的拋光纖絲的平均寬度小于0.2毫米。
9. 如權(quán)利要求6所述的拋光墊，其特征在于，所述單獨(dú)的拋光纖絲具有 垂直于所述拋光墊的拋光表面的垂直側(cè)壁，所述單獨(dú)的拋光纖絲具有正方形或 矩形的橫截面。IO.如權(quán)利要求6所述的拋光墊，其特征在于，所述拋光墊具有周邊，所 述單獨(dú)的拋光纖絲具有兩個(gè)端部，每個(gè)端部都位于所述周邊。
全文摘要
可用來(lái)在拋光介質(zhì)(120)的存在下對(duì)磁性基材、光學(xué)基材和半導(dǎo)體基材中的至少一種(112)進(jìn)行拋光的拋光墊(104)。所述拋光墊(104)包括層疊在拋光纖絲的基底層(204，404，504)上的多個(gè)拋光纖絲層(200，300，400，500)，所述多個(gè)拋光纖絲層(200，300，400，500)具有順序?qū)盈B的形式，其中每個(gè)拋光纖絲層位于較低的拋光纖絲之上，與較低的拋光纖絲結(jié)合，所述多個(gè)拋光纖絲層(200，300，400，500)平行于拋光墊(104)的拋光表面，多個(gè)拋光纖絲層(200，300，400，500)中單獨(dú)的拋光纖絲(202，302，402)位于平均至少三條拋光纖絲(202，302，402)之上，形成具有互連拋光纖絲的開孔柵格結(jié)構(gòu)(210，310，410，510，610)的拋光墊。
文檔編號(hào)H01L21/304GK101367202SQ200810213218
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日
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