化學機械拋光墊的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種化學機械拋光墊，解決了現有拋光墊容易擦傷，拋光效率低的問題。技術方案至少包括有拋光層，所述拋光層的拋光面上開有多個孔，以所述拋光面的中心為圓心，所述多個孔排列成多排不同徑長的同心的圓環；并且，以拋光面的中心為端點，均勻散射出多條延至拋光面邊緣的溝槽；所述拋光面的表面粗糙度處于15μm以下。本發明拋光墊結構簡單、能有效提高拋光去除效率且能抑制擦傷產生、使用壽命長。
【專利說明】化學機械拋光墊

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種化學機械平面化處理用拋光墊，具體的說是一種化學機械拋光墊。

【背景技術】
[0002]化學機械平面化處理，即化學機械拋光(CMP)，是用于對半導體晶片，藍寶石之類的基材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，并使晶片與CMP設備中的拋光盤上的拋光墊接觸。支架裝置對晶片提供可控的壓力，將晶片壓在拋光墊上。外加驅動力使拋光墊相對于晶片做旋轉運動。與此同時，在晶片和拋光墊之間提供一種化學組合物或其它拋光溶液。由此，通過拋光墊表面和漿液的化學作用和機械作用，使晶片的表面拋光變平。
[0003]在CMP系統中，拋光墊具有以下功能:1、能貯存拋光液，并把它運送到工件的加工區域，使拋光均勻。2、從工件拋光表面除去拋光過程產生的殘留物質(如拋光碎屑、拋光墊碎片等)。3、傳遞材料去除所需的機械載荷。4、維持拋光過程所需的機械和化學環境。拋光墊表面結構影響著拋光墊儲存、運送拋光液的能力和表面局部應力梯度，從而決定了材料去除率、工件間的可重復性以及拋光的非均勻性等。而在已有的常規CMP系統中，通過在拋光墊表面設置溝槽使拋光速度和拋光結果得到提高，溝槽的布置方式常見的有兩種，一種是以拋光墊的中心為圓心，設置多排圓環形溝槽，另一種是在拋光墊上均勻開孔，孔的大小一致，間距相同。上述兩種結構在初期使用時，一定程度上能夠起到貯存拋光液的作用，但是當運行一段時間后，會出現以下問題:(1)排渣不暢，不能使拋光碎屑、硅片去除后的碎片的順利排出，拋光液中的微粒子會堵塞拋光層上的溝槽或孔，導致拋光墊的使用效果下降；(2)由于排渣不暢，堵塞的溝槽和孔還會帶來擦傷，進一步影響拋光速度和去除率，甚至會影響到拋光效果。(3)拋光液不能在拋光墊上快速合理分布，因而進一步影響拋光速度。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是為了解決上述技術問題，提供一種結構簡單、能有效提高拋光去除效率且能抑制擦傷產生、使用壽命長的化學機械拋光墊。
[0005]本發明拋光墊至少包括有拋光層，所述拋光層的拋光面上開有多個孔以所述拋光面的中心為圓心，所述多個孔排列成多排不同徑長的同心的圓環；并且，以拋光面的中心為端點，均勻散射出多條延至拋光面邊緣的溝槽；所述拋光面的表面粗糙度處于15μπι以下。
[0006]由拋光層圓心向外覆蓋半徑總長度30% -38%的區域內組成圓環的孔的孔徑和/或孔間距大于其它區域組成圓環的孔的孔徑和/或孔間距。
[0007]所述其它區域組成圓環的孔的孔徑為0.1-lOmm，孔間距為l_22mm。
[0008]所述其它區域中，同一圓環中的孔間距相等，但不同圓環中的孔間距具有由內向外逐步減小的趨勢。
[0009]所述孔的深度在0.1mm以上且所述溝槽的深度不小于孔的深度。
[0010]所述溝槽的深度不小于0.5mm,寬度為0.l_5mm。
[0011]所述溝槽在拋光面中心上以均勻角度散射分布，分布數量為4XN條，且
I芻N芻12。
[0012]所述拋光層含有含有聚氨酯聚合物基體以及分散在基體中的非水溶性空心微球。
[0013]所述非水溶性微球的直徑分布在10 μ m-100 μ m之間。
[0014]所述孔是由用切削法、模具成形法或針棒打孔法中的至少一種方法形成的。
[0015]還包括緩沖層，所述拋光層的底面與緩沖層連接。
[0016]所述緩沖層的底面與支撐層連接。
[0017]發明人對現有的拋光墊進行了深入研究，將現有用于貯存拋光液的溝槽結構和孔結構結合起來，一方面使多個孔排列成圓環，多排圓環的圓心位于拋光墊的中心，由于孔較溝槽而言能更好的暫時貯存拋光液，使多個孔被排列成多排圓環狀，與拋光墊相對于拋光對象做旋轉運動的軌跡相同，因而致密小孔中的拋光液被均勻分布，能很好的起到潤滑拋光的作用，但同時孔也存使拋光液流動性差的問題。另一方面將溝槽以圓心為端點向外均勻散射延伸至拋光墊的邊緣。溝槽起到類似導向的作用，在旋轉狀態下，當含渣的拋光液被離心甩至溝槽附近時，由于溝槽是以拋光面的中心為端點均向向外散射的布置，因此，含渣的拋光液更易向溝槽內集中并隨著離心力順暢的沿溝槽向外排出，從而很好的解決了排渣的問題，從而避免溝槽和孔的堵塞問題，從而解決由此帶來的一系列問題。
[0018]進一步的，發明人進一步發現，擦傷還與粗糖度有一定的關系，粗糖度過聞，即具有大凹凸的情況下，尤其是大的凸部(如由形成溝槽時的殘余毛刺形成的凸部)，在拋光過程中脫落易導致拋光對象的擦傷。此外，拋光過程中，脫落的凸部在拋光墊中的壓力和摩擦熱等作用下被壓縮，與拋光墊屑以及拋光液中的固體物互相作用而形成的導物(文中統稱渣)，這些都會導致拋光對象在拋光時被擦傷。通過控制粗糙度，能有效降低拋光時的擦傷，因此，發明人嚴格要求拋光層的拋光面的表面粗糙度處于15 μ m以下，粗糙度控制除能防止擦傷之外，還能有效地發揮作為凹槽和通孔的功能，特別是保持拋光液的功能和向外部排渣的功能。
[0019]所述溝槽溝的寬度應在0.l-5mm,小于0.1mm加工不易，大于5mm則拋光液流動速度過快導致使用效率下降；深度應在0.5mm以上，低于0.5mm導致拋光墊壽命過短，最深可貫穿整個拋光層。所述溝槽寬度方向上截面形狀并無特別限制，可以制成如U字形和V字形等。
[0020]所述孔具有保持拋光時供給漿液，將此漿液更均勻地分配給拋光面的功能，而且還具有使拋光產生的拋光屑和使用過的漿液等廢棄物(統稱渣)暫時滯留的功能。孔的平面形狀并無特別限定，例如可以制成圓形、多邊形及其它不規則的圖形。考慮加工因素，優選通孔的平面形狀為圓形。孔的深度不小于0.1_，最深可貫穿整個拋光層形成通孔，優選孔的深度為拋光層厚度的50% -100%。
[0021]由拋光層圓心向外覆蓋半徑總長度30% -38%的區域(即非拋光區域)內組成圓環的孔的孔徑和/或孔間距大于其它區域(即拋光區域)組成圓環的孔的孔徑和/或孔間距。因為拋光液通常是滴入拋光墊上拋光面的中心位置，使靠近拋光層中心的非拋光區域(由拋光層圓心向外覆蓋半徑總長度30%-38%的區域)的孔徑和孔間距更大，這樣可以更好的快速吸收并承載大量的拋光液，由于孔徑更大，對孔內的拋光液的固定效果較差，也更易使孔內的拋光液在離心作用下向外周分布，便于拋光液的均布，而除內部區域外的周部區域(即其它區域)為拋光面的拋光工作區，因而需要組成圓環的孔的孔徑更小、布置更為密集，拋光液被更好均布于該區，提高拋光速度及拋光效果。
[0022]所述其它區域中組成圓環的孔的孔徑為0.1-1Omm,孔間距為l_22mm。所述拋光層圓心向外覆蓋半徑總長度30% -38%的區域內組成圓環的孔的孔徑是其它區域孔的孔徑1-3倍，孔間距是其它區域孔的孔徑1-3倍。
[0023]進一步優選的，所述其它區域中，同一圓環中的孔間距相等，但不同圓環中的孔間距具有由內向外逐步減小的趨勢。也就是說，在其它區域中，靠拋光面中心的圓環的孔間距較靠拋光面周部的圓環的孔間距大，這樣布置可以使靠拋光面周部的孔中更多更密集的貯存拋光液，也利于含洛拋光液的導出。
[0024]所述拋光層含有聚氨酯聚合物基體和分散在基體中的非水溶性空心微球，所述非水溶性空心微球(簡稱微球)的直徑分布在10 μ m-100 μ m之間。微球直徑太小,拋光液難以儲存，微球直徑太大，拋光過程中的磨屑不易導引清除，同時使拋光層的機械強度和拋光去除率下降。所述微球質量含量占拋光層質量的0.1-50%，優選0.5-10%。所述聚氨酯聚合物為常用制造拋光層的材料，包括但不限于聚醚TDI體系，聚酯TDI體系，聚醚MDI體系，聚醚HDI，聚醚PAPI體系等。
[0025]所述拋光層的肖氏D硬度達到30以上，通常為100以下，優選40D-80D。
[0026]本發明的拋光層形狀并無特別限制，如圓盤狀，可根據拋光裝置適當選擇?？梢灾瞥芍睆?0-5000mm(優選200-2000mm)，厚度0.l-50mm(優選0.1-20mm)。根據拋光對象不同，若拋光對象為藍寶石，則該拋光層可作為拋光墊直接安裝在拋光盤上，若拋光對象為芯片，則可在拋光層底面粘接緩沖層，進一步的，還可以在緩沖層底面粘接支撐層后再安裝在拋光盤上。這種支持層或緩沖層材料可以采用能賦予適度彈性的有機材料制備，它比拋光層柔軟，通過添加更柔軟的支持層和/或緩沖層，即使在拋光層較薄的情況下，也能防止拋光時拋光層上浮或拋光層表面彎曲等問題的發生，能夠穩定地進行拋光。這種支持層或緩沖層的肖氏D硬度達到10-30D，優選15D-25D。支持層或緩沖層既可以是多孔發泡體，也可以是非多孔體，其厚度0.l-5mm。
[0027]本發明拋光墊的制造方法可以列舉出:在制備形成所需拋光層的大體形狀后，利用切削加工形成溝槽和孔；或者，也可以采用具有溝槽和孔的鏡像圖案的金屬模具，將拋光墊用聚合物填充到金屬模具中成形，能夠同時形成拋光層及拋光層上的溝槽和孔。在拋光面上加工出溝槽和孔后，后續再經過機械修整或磨削，可以很好的控制拋光墊的表面粗糙度(Ra)在15 μ m以下。表面粗糙度(Ra)控制在15 μ m以下，除能防止擦傷之外，還能有效地發揮作為凹槽和通孔的功能，特別是保持拋光液的功能和向外部排出廢棄物的功能。
[0028]有益效果:
[0029]1、將表面粗糙度控制在較低的水平以下，在拋光墊和拋光對象接觸摩擦的過程中，因拋光墊本身不平導致的擦傷減少；
[0030]2.凹槽和和通孔采用切削法和模具成形法的方法形成，一定程度上保證了材料表面的平整度和粗糙度，以及材料結構的均勻性，降低了擦傷的可能性；
[0031]3.通孔和凹槽，發揮了保持拋光液的功能和向外部排出廢棄物的功能。
[0032]4.通過設置孔組合形式及分布密度，在拋光面中心位置設置較稀疏的通孔和/或較大的通孔，在保證拋光液在拋光面上有足夠的保有量的同時，減少了拋光面中心非拋光摩擦區域對拋光液的無效占有量，能及時補充新鮮的拋光液到拋光區域，加快化學腐蝕速度，從而提高拋光速度。
[0033]5.通過設置溝槽組合形式及分布密度，特別是在保證拋光墊支持作用的前提下，適當提高溝槽的數量和有效容積，能較快的轉移拋光過程中的磨屑，提高拋光液的流動量，從而減少磨屑對晶片的擦傷，同時也增加了化學腐蝕速度，提高了拋光速度。
[0034]本發明拋光墊結構簡單，拋光效果好，一方面能夠使拋光液快速均勻分布，提高拋光速度和拋光效果，另一方面也能使拋光過程中產生的“渣”順暢排出，進一步提高拋光速度和拋光效果，避免擦傷很問題的發生，提高拋光墊的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發明拋光面的主視圖(僅顯示半個拋光層平面)；
[0036]圖2為溝槽的局部剖視圖；
[0037]圖3為孔的局部首I]視圖(圖中，兩鄰兩孔位于冋一圓環上)；
[0038]圖4為實施例10-20拋光墊的右視圖。
[0039]1-拋光層、1.1-溝槽、1.2-孔、1.3-圓環、2_緩沖層、3_支持層、A-區域、B-區域。

【具體實施方式】
[0040]表面粗糙度是指從平均線與粗糙曲線的高低差的絕對值進行平均的值(Ra)，是本發明拋光墊使用前的最低數值。表面粗糙度(Ra)的測試儀器可以是三維表面結構解析顯微鏡、掃描型激光顯微鏡等光學式表面粗糙度(Ra)測試儀，以及觸針式表面粗糙度(Ra)計等接觸式表面粗糙度(Ra)測試儀。表面粗糙度(Ra)數值取使用前的拋光墊表面上三個不同視野測定的各視野平均表面粗糙度(Ra)數值的平均值。
[0041]實施例:
[0042]按照聚氨酯常規澆筑方式，在聚氨酯聚合物中加入非水溶性空心微球(如AkzoNobel制造的EXPANCEL551DE40d42，直徑分布在10 μ m-100 μ m)混合，將混合物澆筑到模具中，高溫熟化成型，即得直徑680_，厚度2.5mm的長方形板材。然后用切削加工機(如北京精雕科技集團有限公司)切成直徑650mm的圓盤狀的拋光層以拋光層I的拋光面中心為端點，均勻加工形成nl條延至拋光面邊緣的兩兩對稱的溝槽1.1，以將拋光面均分為nl等份。所述溝槽1.1的寬度ml，深度hi (參見圖2)。以拋光面的中心為圓心，多個孔1.2排列成多排不同徑長的同心的圓環1.3。其中，以拋光面的中心為圓心，38%半徑長度覆蓋的區域A內的多排圓環1.3是由直徑m3、深度h3、間距n3多個孔1.2 (圖中未示出)形成。其它區域B內的多排圓環1.3則由直徑m2、深度h2、間距n2的多個孔1.2 (參見圖3)形成，其中，實施例3、4、8和14中，在區域B內具有如下規律:組成同一圓環1.3的孔1.2的孔間距n2相等，但不同圓環1.3中的孔間距n2具有由內向外逐步減小的趨勢，參見圖1，區域B中，越靠近拋光面中心的圓環1.3中孔1.2的孔間距n2較大，孔布置的密度較小，而靠近拋光面周部的圓環1.3中孔1.2的孔間距n2較小，孔1.2布置的密度較大(表1、2中實施例3、4、8和14給出了孔間距n2的變化范圍值)。采用三維表面結構解析顯微鏡測定材料的表面粗糙度(Ra)，測定結果表面粗糙度(Ra)為5.2 μ m。以該拋光層I直接作為拋光墊使用。
[0043]本發明中，所述孔間距是指組成同一圓環中相鄰兩孔的間距。
[0044]采用上述方法得到實施例1-10的拋光墊，各參數見表I。
[0045]其中，參見圖4，實施例11-20中，在拋光層I的底面(非拋光面)還依次粘接有緩沖層2和支持層3，以此作為拋光墊使用。各參數見表2。
[0046]實驗例
[0047]將市場上常用于芯片拋光的標準拋光墊(如美國DOW公司的IC1000，IClO 10)與本發明的拋光墊進行拋光性能評價比較。
[0048]分別將實施例1-20和比較例中的拋光墊安裝在拋光裝置(蘇州赫瑞特電子專用設備科技有限公司制造，〃9B型”，"16B型”拋光機)的固定盤上，固定盤的旋轉速度在40rpm，使用以300cc/分鐘流量下使經兩倍稀釋的化學拋光液(江蘇中晶光電有限公司，g-CUT5003SC型)將晶片拋光10分鐘，評價在使用各種拋光墊情況下的拋光速度、擦傷、異物和空孔的狀態。
[0049]各測定方法如下:
[0050](I)拋光速度:用光學膜厚測量儀測定拋光前后晶片的膜厚。
[0051](2)擦傷和異物的有無:用電子顯微鏡觀察拋光后晶片的拋光面。
[0052]擦傷有無的評價標準為:
[0053]O:未發現擦傷，1:可以發現擦傷。
[0054]異物有無的評價標準為:
[0055]O:未發現異物，1:可以發現異物。
[0056](3)空孔狀態:用400#金剛石磨石將拋光墊表面研磨5分鐘的方法修整，然后用電子顯微鏡觀察經過修整的表面的空孔狀態。
[0057]評價標準為:
[0058]O:全部空孔實質上開口，1:部分空孔堵塞。
[0059]將以上結果一起記入表I和表2中。具體參見表I和表2:
[0060]從表I的結果可知，市場上標準拋光墊IC1000和IC1010的表面粗糙度要高于實施例中的拋光墊，在IC1000和IC1010的拋光墊拋光的拋光面上可以發現擦傷和異物。此外修整后的空孔被部分堵塞，開口消失，特別是在修整堵塞的溝槽開口周邊通孔。而在實施例的拋光墊中，拋光面表面粗糙度(Ra)都處于較低水平，因此，在拋光面上幾乎沒有發現擦傷和異物。經過修整后，通孔及拋光面上的空孔幾乎完全開口，拋光速度要高于IC1000和 IC110
[0061]二 I I I I ^ ^SODI? τ ? S S §δ
OOO Os S-1T 蓑Cng g.T—Ig g.gC0.T—I^CoOJg.zx8π
0 0 0 091 Τ?Τ 詈 S g g.T-Hg ST 3? K ^CJ
OOO S 9.Π 羞 SSg.T-H3ISS =?^ g.T—igCJxsH ?8^
0 0 0 §D—OI—I蓑 SL0.卜L0.1-H^Uo^一 3 『T-HL0.T—Ig.SXOgITooo Os ε.οι 蓑 ST I S.1 3 ? riΙοε ? S.1 S.SXSH 羞遇械ooo Sm.cs鴦tQSILOS?oS -.0T-H^.?xl ^SM
0 0 0 OTS Ξ iCCIT—ILoT-HcorsUo?.0 ? ^ g-Q g7x§
0 0 0 OsLocot—3 3LoW0 ? g-0 ? I s.0Looixosg
0 0 0 06 i iCoE.0 g.0 S t s.0 S S Ξ g.sxos曼遇 g
0 0 0 S Γ5 ^ 『τ—I".0τ—ιο『0.T—1Τ-Ηο寸 ΞLod SX0S9
1-.3 If
-- 垂樁 13 3 3 3 闥 3 3 I 3 3 3 (鏈 3 3 4
S) 幽 xssywEHffltif *11 ii 槲 1-=11--S?tS3 --^ aShl,
露簾議￡
21
6
00
1_I，緩沖層f支，B的y光墊介結果_
拋光墊區域a
γ P_tlmlnlh2m2n2m3n3
^(im)(mm)(條) (mm)WW(nun)(ran)
(mm))(mm.)
實施例 11 650X2.50.50.140.10.10.50.10.31.5247
實施例 12 650X2.50.50.880.5 I30.50.33247
實施例 13 650X2.50.8I120.5 370.8510247
實施例 14 650X2.50.82160.8 515-18I51824?
實施例 15 1160X2.5I0.1200.8 25I26348
實施例 16 1160X2.51.2I361.2 4101.2412348
實施例 17 1160X2.51.51.5121.2 5121.57.515348
實施例 18 1160X2.51.55481.510221.51025348
實施例 19 1160X2.522241.51.551.535348
實施例 20 1160X2.523121.82.581.859348IC1000
IiiIlllllIlll
【權利要求】
1.一種化學機械拋光墊，至少包括有拋光層，所述拋光層的拋光面上開有多個孔，其特征在于，以所述拋光面的中心為圓心，所述多個孔排列成多排不同徑長的同心的圓環；并且，以拋光面的中心為端點，均勻散射出多條延至拋光面邊緣的溝槽；所述拋光面的表面粗糙度處于15 μ m以下。
2.如權利要求1所述的化學機械拋光墊，其特征在于，由拋光層圓心向外覆蓋半徑總長度30%-38%的區域內組成圓環的孔的孔徑和/或孔間距大于其它區域組成圓環的孔的孔徑和/或孔間距。
3.如權利要求2所述的化學機械拋光墊，其特征在于，所述其它區域組成圓環的孔的孔徑為0.1-lOmm，孔間距為l_22mm。
4.如權利要求2所述的化學機械拋光墊，其特征在于，所述其它區域中，同一圓環中的孔間距相等，但不同圓環中的孔間距具有由內向外逐步減小的趨勢。
5.如權利要求1所述的化學機械拋光墊，其特征在于，所述孔的深度在0.1mm以上且所述溝槽的深度不小于孔的深度。
6.如權利要求1所述的化學機械拋光墊，其特征在于，所述溝槽的深度不小于0.5mm,寬度為0.l_5mm。
7.如權利要求1所述的化學機械拋光墊，其特征在于，所述溝槽在拋光面中心上以均勻角度散射分布，分布數量為4XN條，且I = N = 12。
8.如權利要求1-7任一項所述的化學機械拋光墊，其特征在于，所述拋光層含有含有聚氨酯聚合物基體以及分散在基體中的非水溶性空心微球。
9.如權利要求8所述的化學機械拋光墊,其特征在于,所述非水溶性微球的直徑分布在 10 μ m-100 μ m 之間。
10.如權利要求1-7任一項化學機械拋光墊，其特征在于，所述孔是由用切削法、模具成形法或針棒打孔法中的至少一種方法形成的。
11.如權利要求1-6任一項化學機械拋光墊，其特征在于，還包括緩沖層，所述拋光層的底面與緩沖層連接。
12.如權利要求9所述的化學機械拋光墊，其特征在于，所述緩沖層的底面與支撐層連接。
【文檔編號】B24B37/24GK104149023SQ201410341023
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】朱順全, 梅黎黎, 李云峰 申請人:湖北鼎龍化學股份有限公司